Так ли уникален импульсный ультрафиолет? (спойлер: нет)

Источник: https://xenex.com/
Источник: https://xenex.com/

Уже много лет в информационной среде, касающейся обеззараживания воздуха и поверхности, периодически появляются сообщения о крайне эффективном, даже уникальном методе УФ-обеззараживания; речь идёт о применении импульсных ксеноновых источников ультрафиолета. Попробую разобраться так ли это, такой ли это уникальный метод.

Сейчас фактически только две компании в мире производят оборудование для обеззараживания с использованием импульсного ультрафиолета – это российская ООО «Научно-производственное предприятие «Мелитта» (далее «Мелитта») и американская компания Xenex Disinfection Services Inc. (далее Xenex), которой «Мелитта» в 2011 году предоставила лицензию на производство и продажу оборудования.

За последние 2 года по понятным причинам системы обеззараживания воздуха и поверхности переживают беспрецедентный бум. Но даже на этой волне все новые производители бактерицидных облучателей, появляющиеся на рынке, оперируют классическими ртутными бактерицидными лампами или с их современными амальгамными аналогами или же пробуют работать с УФ-светодиодами.

И дело здесь не в том, что зарубежный мир не знаком с импульсной технологией. Ведь обеззараживать импульсным ультрафиолетом придумали не в России: первые исследования были выполнены ещё в конце 70-х годов в Японии, но широкую известность методу принесли публикации 2000-2001 годов, в которых доктор Alex Wekhof из Германии опубликовал, что механизм обеззараживания импульсным ультрафиолетом обусловлен двумя различными составляющими:

1. Классическое обеззараживание ультрафиолетом С-диапазона (200-280 нм);

2. Разрыв клеток микроорганизмов вследствие перегрева, вызванного всеми фотонами ультрафиолета (более поздние работы покажут, что здесь больше работает УФ диапазонов A и B (280-400 нм).

И вот этот второй фактор это и есть действительно уникальная составляющая облучения импульсным ультрафиолетом. Но нюанс в том, что, согласно тем же исследованиям, эффект перегрева возникает только при высоких облученностях (свыше 1-5 кВт/см²). Да, импульсные ксеноновые лампы могут обеспечивать высокую облученность, но, как известно, с увеличением расстояния от источника света мощность света значительно снижается (если быть совсем точным, то снижается обратно пропорционально квадрату расстояния). Из-за этого термический эффект разрушения клеток наблюдается только в непосредственной близости от лампы, в пределах десятка сантиметров. И это можно подтвердить расчетами.

Расчет мощности для эффекта перегрева

Если рассмотреть, к примеру, установку Yanex-2 производства «Мелитты», то известны ее технические параметры (они опубликованы вот в этом исследовании): электрическая мощность лампы 1 кВт, частота вспышек (импульсов) 2,5 Гц, длительность вспышек на полувысоте 120 мкс. Средний бактерицидный поток в диапазоне 200-300 нм составляет 42 Вт.

Энергия в одном импульсе равна: 42 Дж / 2,5 = 16,8 Дж.

Для расчета пиковой мощности надо энергию разделить на время:

Так ли уникален импульсный ультрафиолет? (спойлер: нет)

Для того, чтобы рассчитать облученность на расстоянии, например, 1 см, надо пиковую мощность разделить на площадь поверхности цилиндра высотой 20 см (это высота лампы) и с радиусом основания 1 см. Получаемая облученность:

Так ли уникален импульсный ультрафиолет? (спойлер: нет)

Получается, что уже на 2 см от такой лампы эффект перегрева наблюдаться не будет.

Получается, что в реальных применениях при облучении комнат, операционных и других помещений этот фактор принципиально не будет работать, так как там расстояния от лампы до обрабатываемой поверхности исчисляются в метрах, а не в сантиметрах. Можно ли тогда причислять этот фактор к уникальным потребительским свойствам? На мой взгляд, нет.

Теперь предлагаю вернуться и поговорить о первом факторе в обеззараживании импульсным УФ – обеззараживании ультрафиолетом диапазона УФ-С (200-280 нм). Его механизм изучен ещё тщательнее, существуют методики расчёта уровня облучения и УФ-доз, как определены и сами величины эффективных УФ-доз для различных микроорганизмов. Поэтому я предлагаю численно оценить УФ-дозу от импульсной УФ-установки.

Расчет УФ-дозы импульсной УФ-установки

Рассмотрим установку Yanex-2 производства «Мелитта». Согласно техническим данным, указанным в уже упоминавшемся исследовании, импульсная ксеноновая лампа установки имеет электрическую мощность 1000 Вт и ее бактерицидный поток (в диапазоне 200-300 нм) составляет 42 Вт. Получается, что лампа имеет очень маленький КПД преобразования потребляемой электроэнергии в бактерицидное излучение, всего 4,2%. Но пусть так, для расчета УФ-дозы КПД неважно.

Облучение в большинстве экспериментов проводилось на расстоянии 2 м. Таким образом, вся бактерицидная энергия лампы (а это 42 Вт) распределяется по поверхности сферы радиусом 2 м. А это означает, что можно рассчитать интенсивность облучения, то есть количество бактерицидной энергии, попадающей на 1 см² этой поверхности. Для этого следует разделить бактерицидную мощность излучения на площадь поверхности сферы:

Так ли уникален импульсный ультрафиолет? (спойлер: нет)

В самой работе авторы указывают УФ-интенсивность равной 1 Вт/см², что немного больше рассчитанного значения 0,84 Вт/см².

Теперь, чтобы рассчитать УФ-дозу надо интенсивность умножить на время облучения. В эксперименте оно составляло минимум 5 минут. Получаем УФ-дозу:

Так ли уникален импульсный ультрафиолет? (спойлер: нет)

В результате расчетов получилось, что импульсная установка в одном из основных режимов работы, который использовался в экспериментах в попытках показать «гораздо меньшие УФ-дозы, нежели у традиционных УФ-ламп», облучала тестовую поверхность с дозой более 250 Дж/м². А это весьма значительная величина. Если посмотреть, например, в российское руководство Р 3.5.1904-04, то там указано, что для обеззараживания на 99,9% по Staphylococcus aureus требуется доза 66 Дж/м², по Pseudomonas Aeruginosa – 105 Дж/м². В иностранных источниках, таких как статья в журнале UV Solutions, указаны УФ-дозы и для других микроорганизмов, например, для VRE требуется доза 150 Дж/м² для обеззараживания на 99,999%.

Таким образом, получается, что импульсная УФ-установка за счет ультрафиолета бактерицидного диапазона, излучаемого импульсной ксеноновой лампой, обеспечивает УФ-дозы, необходимые для обеззараживания по классическому механизму разрушения ДНК, применяемому для ртутных и амальгамных бактерицидных ламп.

Другими словами, импульсные ксеноновые установки обеззараживают помещения точно таким же ультрафиолетом, как и классические бактерицидные облучатели, использующие ртутные и амальгамные УФ-лампы, обеспечивая соблюдение тех же требуемых УФ-доз на длине волны 254 нм. И никаких сверхнизких эффективных доз. Опять никакой уникальности!

Схожие выводы можно обнаружить в многочисленных исследовательских публикациях. Masahiro Otaki с коллегами в выводах своей работы пишут, что нет значительного различия между эффективностью обеззараживания колифагов и E.coli при использовании УФ-ламп низкого давления или импульсных ксеноновых ламп. Wang и его коллеги в результате работы, опубликованной в 2005 году, пришли к таким же выводам.

Существуют и мета-анализы публикаций, касающихся применению импульсного УФ. Например, это работа, выполненная группой ученых под руководством Vicente Gomez-Lopez в 2007 году. Они делают вывод, что фототермический эффект от импульсных ламп работает только в определенных экстремальных условиях, и это единственное принципиальное отличие импульсного УФ от классического.

Но это всё были экспериментальные, фундаментальные исследования. А есть ли практические сравнения работы двух разных приборов? Да, конечно, и такие работы проводились неоднократно. Например, это уже ставшая классической в США работа Michelle Nerandzic и коллег. Они сравнивали работу аппарата Xenex, работающего на импульсной ксеноновой лампе, и аппарата Tru-D c обычными ртутными УФ-лампами. Привожу один график из этой работы:

Эффективность импульсного ксенонового ультрафиолета (Pulsed Xenon) и ультрафиолета С-диапазона (UV-C) в отношении различных микроорганизмов.
Эффективность импульсного ксенонового ультрафиолета (Pulsed Xenon) и ультрафиолета С-диапазона (UV-C) в отношении различных микроорганизмов.

Видно, что эффективность обеззараживания для аппарата с ртутными лампами даже выше, чем для импульсного ксенонового УФ. Надо отметить, что время работы бралось одинаковое (равное 10 минутам) и тестовые образцы помещались на равное расстояние от аппаратов (122 см).

И вот тут я хочу ещё раз обратить внимание на этот очень важный момент – расстояние от прибора до обрабатываемой поверхности. Я не показывал напрямую в расчетах, что расстояние критически важно для эффективного обеззараживания поверхностей и воздуха в помещении. Ведь из расчета УФ-облученности, который я привел выше, видно, что с удалением от лампы интенсивность падает очень значительно. А если падает интенсивность облучения, то должно возрасти время облучения, чтобы это компенсировать. Поэтому, в реальных условиях использования прибора с ультрафиолетовой лампой для дезинфекции помещения надо обращать внимание не столько на объем помещения, сколько на расстояние от прибора до дальнего угла комнаты или самой дальней поверхности. В упомянутой работе Michelle Nerandzic есть ещё один любопытный график, описывающий снижение эффективности обеззараживания импульсным УФ по мере удаления от прибора. Вот он:

Эффективность обеззараживания импульсным ксеноновым ультрафиолетом в зависимости от расстояния в отношении различных микроорганизмов.
Эффективность обеззараживания импульсным ксеноновым ультрафиолетом в зависимости от расстояния в отношении различных микроорганизмов.

Видно, что с ростом расстояния эффективность обработки падает очень сильно, а ведь максимальное расстояние в эксперименте было 10 футов (чуть больше 3 м), что само по себе не так уж и много.

Актуальным вопросом является и образование озона. Известно, что ксеноновые импульсные лампы образуют озон во время своей работы, правда производители импульсного УФ-оборудования в своих рекламных материалах умалчивают про это. Но, конечно, про это пишут в различных серьезных исследованиях. И, если внимательно сопоставить различные данные, то вырисовывается следующая ситуация.

Расчет образования озона.

В опубликованном исследовании, проведенном компанией «Мелитта», тестовые образцы облучались на расстоянии 2 м в течение 5 и 10 минут, при этом была показана эффективность обеззараживания. Если перевести эти цифры из экспериментальных значений в практические, то получается, что УФ-установка Yanex-2 должна стоять в центре помещения размерами 4×4×3 м (объем 48 м3) и работать минимум 5 минут.

В рекламных материалах указано время, необходимое для обеззараживания с эффективностью 99,9-99,99% в отношении следующих эпидемиологически значимых микроорганизмов при использовании установки «УИКб-01-«Альфа» на расстоянии 2 м (а это значит в помещении объемом 48 м3, как я показал выше):

Clostridium difficile – не менее 7 минут;

Candida albicans – не менее 3 минут;

Аденовирус – не менее 6 минут;

Вирус гепатита С – не менее 5 минут.

В руководстве по эксплуатации установки «УИКб-01-«Альфа» сказано, что «при эксплуатации установки в специальных режимах СР1 и СР2 концентрация озона может превышать ПДК». Далее приводится расшифровка этих режимов: для помещения объемом 50 м³ время обработки соответственно составляет 3 и 5 минут, для 100 м³ – 6 и 10 минут, для 150 м³ – 9 и 15 минут.

В заключении, выданном ФБУН НИИДезинфектологии по результатам совместного исследования с «Мелиттой», указано, что установка «Альфа-06» в ходе своей работы генерирует озон в таком количестве, что концентрация озона в помещении объемом 116 м³ достигает значений ПДК для атмосферного воздуха за 4 минуты, а значений ПДК рабочей зоны – за чуть более чем 7 минут.

А так как согласно данным, размещенным на сайте компании, установки «УИКб-01-«Альфа», «Альфа-06» и Yanex-2 не отличаются по своим техническим характеристикам, то все указанные данные можно использовать в едином сравнении.

Из приведенных данных видно, что для помещения объемом 48-50 м³ необходимо включать установку как минимум на 3 минуты, а то и на 5. Но концентрация озона достигает значений ПДК для рабочей зоны за чуть более 7 минут в объеме 116 м³, а значит в объеме 48-50 м³ она достигнет ПДК за те же 3 минуты. В случае слабого перемешивания воздуха в помещении концентрация озона около импульсной установки может многократно превышать ПДК и представлять большую опасность для людей.

По опубликованным данным видно, что для облучателя «Альфа-06» концентрация озона в помещении объемом 116 м³ достигает значений ПДК атмосферного воздуха за 4 минуты, а ПДК рабочей зоны – за 7 минут. Для помещений 100 м³ рекомендуемое время облучения составляет 10 минут при наличии споровой или грибковой микрофлоры. Следовательно, концентрация озона будет превышать ПДК.

После работы в режимах, направленных против реально проблемных микроорганизмов (таких как Clostridium difficile, Candida albicans, аденовирус, вирус гепатита), необходимо как-то избавляться от образовавшегося озона. Ну а классическим и единственным реально применимым способом является проветривание или уличным воздухом (что вообще-то запрещено для медицинских организаций), или воздухом из приточной вентиляции. А это, во-первых, дополнительные и неучтенные временные затраты, и, во-вторых, какой большой смысл вообще обеззараживать воздух в помещении, если он потом будет заменен воздухом неизвестного качества извне? Еще один важный фактор – это время, которое потребуется для удаления озона. Ведь производители импульсного УФ-оборудования одним из достоинств своих облучателей приводят более короткий цикл обработки, но они никогда не упоминают про дополнительное время, необходимое для удаления озона, а оно зачастую существенно превышает время самой обработки. В современных же облучателях на лампах низкого давления применяются безозоновые ртутные и амальгамные УФ-лампы.

Итак, получилось, что импульсный ультрафиолет при его реальном применении для обеззараживания поверхностей помещений и воздуха не отличается от использования классического ультрафиолета от ртутных и амальгамных ламп низкого давления. Ведь если бы импульсный ультрафиолет был таким замечательным методом с низкими эффективными дозами и высокой энергоэффективностью, то тогда бы он использовался повсеместно в УФ-обеззараживании. Но метод, например, вообще не используется для обеззараживания воды, и, хотя применение УФ-обеззараживания воды широко развивается уже последние 40 лет, ни одна известная мне станция водоподготовки или водоочистки не использует такого оборудования.

Крупнейшие международные компании, производящие источники УФ-излучения, такие как Philips, Osram, LightTech, производят импульсные ксеноновые лампы для стробоскопов и другого светового оборудования, а отнюдь не для обеззараживания, так как нет потребности, нет запросов, нет рынка.

Но если нет различия в принципе обеззараживания импульсным и классическим ультрафиолетом, то возможно есть экономическая целесообразность применять импульсные УФ-установки? А здесь наблюдается ещё более интересная ситуация.

Я рассмотрел реально используемые импульсные ксеноновые УФ-установки и установки с ртутными или амальгамными УФ-лампами. Так как выше было показано, что импульсный и классический УФ работают принципиально одинаково, то и для экономического сравнения надо использовать УФ-установки приблизительно равной мощности. Так как современный тренд развития отрасли заключается в росте мощности облучателей для сокращения времени обработки, то я и сравнивал достаточно мощные УФ-облучатели (с потребляемой электрической мощностью около 1 кВт). Таким образом, в сравнение попали «УИКб-01-«Альфа» (мощностью 1,5 кВт), СВЕТОЛИТ-600 (мощностью 2 кВт), ДЕЗАР-ОМЕГА-01-«КРОНТ» (мощностью 0,95 кВт). Анализ тендеров по проведенным закупкам позволил составить вот такую сводную таблицу:

Так ли уникален импульсный ультрафиолет? (спойлер: нет)

Таким образом, получается, что установки, использующие импульсное УФ-обеззараживание, в разы дороже установок, использующих ртутные или амальгамные УФ-лампы. Чем вызвана такая высокая цена импульсных ксеноновых установок понять сложно. Возможно, это высокая стоимость электротехнических комплектующих, с таким низким КПД питающих импульсную УФ-лампу. Но в любом случае, при наличии на рынке более экономичных альтернатив импульсным УФ-установкам возникает вопрос к хозяйственным службам учреждений, закупающих такое оборудование: «Не являются ли они пленниками маркетингового дурмана? Нельзя ли на эти же деньги закупить дополнительного оборудования?»

Интересно отметить, что первооткрыватель двойного механизма обеззараживания импульсного ультрафиолета доктор Alex Wekhof (кстати работавший в то время в компании SteriBeam, производящей оборудование для обеззараживания импульсным УФ, но впоследствии закрывшейся) в 2013 году выпустил работу по экономическому сравнению обеззараживания импульсными ксеноновыми и классическими ртутными УФ-лампами. Основной вывод работы был таков: быстрое обеззараживание ртутными лампами низкого давления в среднем в 10 раз экономичнее, нежели использование импульсного источника.

Суммировав всё вышесказанное, получается, что утверждения вышеназванных производителей импульсного УФ-оборудования об отсутствии аналогов в мире являются, по сути, правдой, но правдой в той мере, что просто в мире никто уже больше не применяет импульсные ксеноновые УФ-установки для обработки помещений.