Wasser-Desinfektion mit UV-LEDs

Kleine Systeme mit großer Zukunft

  • Abb. 1a): DNA-Absorptionsspektrum mit 254 nm-Hg-Linie und 280 nm-LED-Emission; b) Photochemische DNA-Zerstörung; eine der häufigsten Schädigung besteht in der Bildung von Thymin-Dimeren [4].Abb. 1a): DNA-Absorptionsspektrum mit 254 nm-Hg-Linie und 280 nm-LED-Emission; b) Photochemische DNA-Zerstörung; eine der häufigsten Schädigung besteht in der Bildung von Thymin-Dimeren [4].
  • Abb. 1a): DNA-Absorptionsspektrum mit 254 nm-Hg-Linie und 280 nm-LED-Emission; b) Photochemische DNA-Zerstörung; eine der häufigsten Schädigung besteht in der Bildung von Thymin-Dimeren [4].
  • Abb. 2a): Schema und b) Foto des Durchfluss-Desinfektionssystems
  • Abb. 3): Nährkartonscheiben 24h nach Kontakt mit kontaminierten Wasserproben. a) ohne UVC-Bestrahlung, b) nach Desinfektion mit UVC-LED

Wasser-Desinfektion mit UV-LEDs: In den Industriestaaten erfolgt die Trinkwasserdesinfektion häufig in zentralen Anlagen mittels chemischer Methoden oder ultravioletter Strahlung. Regelmäßig auftauchende Berichte in den Medien, z.B. über Legionellen-Infektionen, zeigen jedoch, dass das desinfizierte Wasser nicht keimfrei beim Verbraucher ankommt. Das ist für manche medizinische Einsatzgebiete, aber auch für einige Labor-Anwendungen, kritisch, sodass das Wasser vor Ort erneut desinfiziert werden muss. Hierzu eignen sich neue kurzwellige UV-LEDs ganz besonders.

Zentrale chemische Desinfektion und UV-Desinfektion
Trinkwasser wird häufig in großen Anlagen chemisch mit Chlor oder Ozon desinfiziert. Es gibt jedoch Keime, die gegen diese Desinfektionsmittel weitgehend resistent geworden sind, wie z.B. Legionellen, Kryptosporidien und Giardia. Für 2012 nennt das Robert-Koch-Institut in Deutschland 733 nachgewiesene Legionellosen, 1469 Kryptosporidiosen und 5351 Giardiasis-Fälle und schätzt die Dunkelziffer bei den Legionellosen auf über 20 000 [1]. In den meisten Fällen lässt sich die genaue Infektionsquelle nicht ermitteln, aber bei den genannten Erregern gilt eine Trinkwasser-assozierte Infektion zumindest als sehr wahrscheinlich [1,2].

Die Bestrahlung mit ultraviolettem Licht im Spektralbereich unterhalb von 280 nm (UVC) ist eine seit vielen Jahrzehnten etablierte alternative Wasserdesinfektionstechnik. Bereits 1910 wurden Quecksilber-Entladungslampen (Hg-Strahler) zur Erzeugung der benötigten kurzwelligen UV-Strahlung eingesetzt [3] und auch noch heute werden diese Strahlungsquellen verwendet. Sie weisen ein Spektrum mit Emissionslinien über den ganzen UV-Bereich auf. Die stärkste antimikrobielle Wirkung verursacht die 254 nm-Hg-Linie, deren Licht von der DNA der Mikroorganismen stark absorbiert wird und die dabei photochemisch geschädigt werden (Abb. 1). Da alle Keime DNA (oder RNA) aufweisen, ist diese Art der UV-Desinfektion prinzipiell gegen alle Erreger wirksam und es wurden bisher keine Resistenzen beobachtet.

Point of Use-Desinfektion
Auf dem Weg durch die Leitungen zum Verbraucher bleibt das desinfizierte Wasser selbst bei einer Chlorierung in der Regel nicht keimfrei.

Das hat in vielen Alltagssituationen keine spürbaren Konsequenzen, kann aber in medizinischen Einrichtungen ganz anders aussehen, wenn z.B. Wasser in offene Wunden gelangen kann oder in Kontakt mit immunschwachen Patienten kommt. In solch eine Situation kommen jährlich Millionen Menschen z.B. beim Zahnarztbesuch, wenn bei einer Behandlung Wunden im Mund entstehen und der Zahnarzt, mit dem dafür im Spülbecher bereit gestelltem Wasser zum Ausspülen, auffordert. Dieses Wasser wird in der Regel vor der Ausgabe in der Behandlungseinheit mit Wasserstoffperoxid oder anderen Chemikalien neu desinfiziert [5].

Solch eine zusätzliche Wasser-Desinfektion bei der Entnahme vor Ort, die sogenannte „Point of Use"-Desinfektion (POU-Desinfektion), senkt das Infektionsrisiko erheblich und macht nicht nur beim Zahnarzt Sinn. Es gibt begründete Vermutungen, dass Krankenhaustrinkwasser die am häufigsten übersehene, kontrollierbare Quelle nosokomialer Infektionen ist [6]. In anderen Untersuchungen wird festgestellt, dass Krankenhauswasserhähne in einem zweistelligen Prozentbereich mit pathogenen Erregern wie Pseudomonas aeruginosa und Acinetobacter baumannii kontaminiert sind und dass es einen Zusammenhang zwischen der Kontaminationshäufigkeit der Krankenhauswasserhähne und der Häufigkeit nosokomialer Infektionen von Intensivpatienten gibt [7]. So konnte in einer Studie die Zahl der Fälle alleine durch Sterilfilter in den Wasserhähnen deutlich reduziert werden. Jedoch war es notwendig diese Filter alle 14 Tage zu wechseln.

Hier wäre eine schnelle und effiziente POU-Desinfektion wünschenswert, die mit wenig Wartungsaufwand verbunden ist und sich in die bestehende Infrastruktur integrieren ließe. Aufgrund dieser Anforderungen sind die gängigen chemischen Desinfektionsverfahren aber eher ungeeignet. Die UV-Desinfektion wäre eine Alternative, jedoch haben Hg-Strahler eine endliche Lebensdauer von ca. 8 000 Stunden und enthalten mit Quecksilber eine gesundheitsschädliche Substanz, deren Verbreitung in Europa schrittweise reduziert werden soll [8]. Erschwerend kommt hinzu, dass Hg-Lampen zwar gut geeignet sind Hunderte oder Tausende Liter pro Stunde zu desinfizieren, bei kleineren Mengen, die in viele POU-Anwendungen sinnvoll sind, arbeiten sie jedoch nicht effizient. Auch die technische Integration in Wasser-Installationen gestaltet sich aufgrund der Geometrien der Leuchtmittel und aufgrund von Sicherheitsaspekten, die mit den erforderlichen höheren Betriebsspannungen verbunden sind, eher schwierig.

Desinfektion mit UVC-LEDs
Seit kurzer Zeit sind erste UVC-LEDs mit Wellenlängen von 280 nm und darunter kommerziell verfügbar. Noch sind sie relativ teuer, weisen nur geringe Leistungen im maximal zweistelligen mW-Bereich auf und liegen mit Lebensdauern um 1 000 Stunden deutlich unter denen der Hg-Lampen. Doch die schnellen Entwicklungsfortschritte für diese LEDs lassen vermuten, dass die Preise zukünftig stark sinken, während Leistung und Lebensdauer gleichzeitig steigen werden [9]. So wird bereits von UVC-LEDs berichtet, die im Labor Lebensdauern von 10 000 Stunden erreicht haben [10] und im langewelligeren UV-Bereich sind bereits jetzt LEDs mit Lebensdauern von vielen Zehntausend Stunden kommerziell verfügbar [11].

Für den Einsatz von UVC-LEDs spricht ihre geringe Baugröße, mit der sie sich konstruktiv leicht in bestehende Systeme integrieren lassen, ihre niedrige elektrische Versorgungsspannung von ca. 6Volt und ihr schnelles Ansprechverhalten. Die emittierte UVC-Leist­ung ist zwar wesentlich geringer als die eines Hg-Strahlers, aber bereits eine 10 mW-UVC-LED reicht bei geeigneter optischer Strahlführung rechnerisch aus um 10 Liter Wasser pro Stunde mit der erforderlichen UV-Dosis von 400 J/m2 [12] zu desinfizieren.

Als Beleg dafür wurde an der Hochschule Ulm ein erstes Durchflussdesinfektionssystem mit einer 280nm-LED (max. 1,4 mW) aufgebaut, das zusätzlich einen kleinen Ultraschall-Generator zur Beseitigung von Biofilmen enthält (Abb.2). Dieses System wird derzeit im Rahmen des ZIM-Projekts DNA-Crack (Förderkennzeichen 16KN017324) weiterentwickelt [13].

Das Ergebnis eines Desinfektionstests zeigt Abbildung 3. Hier wurde klares Wasser mit E. coli kontaminiert und floss mit 1,2 l/h durch das System. Anschließend wurde das Wasser durch Nährkartonfilterscheiben gesaugt, bei denen überlebende Bakterien innerhalb von 24h metallisch glänzende Kolonien bilden. In Abbildung 3a) war die LED ausgeschaltet und wie erwartet sind viele E. coli-Kolonien zu erkennen. Dagegen hat in der Probe, die das Desinfektionssystem mit angeschalteter UVC-LED (@1mW) durchlaufen hat, kein E.coli die UVC-Strahlung überlebt (Abb. 3b).

Zusammenfassung und Ausblick
Mit UVC-LEDs lassen sich bereits jetzt kleine Desinfektionssysteme realisieren, die in medizinische Geräte und Anlagen integriert werden können. Dabei umfasst das Anwendungsspektrum nicht nur die Trinkwasserdesinfektion sondern auch die Keim- und Biofilmreduktion in kleineren Kühl- und Wärmekreisläufen sowie Flüssigkeitstanks von Laborgeräten. Noch sind UVC-LEDs relativ teuer und nicht für jede Anwendung technisch und wirtschaftlich geeignet, aber bei der zu erwartenden LED-Entwicklung werden sie nicht auf Nischen-Anwendungen beschränkt bleiben. Weitere POU-Desinfektions-Anwendungen im Gesundheits- und Lebensmittelbereich werden kommen. Sinnvoll wäre u.a. der Einsatz in medizinischen Home-Care-Produkten wie Inhalatoren, aber z.B. auch in Trinkwasserspendern. Langfristig könnten solche LEDs sogar in Alltagsprodukte wie Kaffemaschinen Einzug halten.

Literatur
[1] Robert-Koch-Institut, Infektionsepidemiologisches Jahrbuch meldepflichtiger Krankheiten für 2012 (2013)
[2] Gornik V. et al.: Bundesgesundheitsblatt 44, S.351-357 (2000)
[3] Henri V. et al.: Compt. Rend. Acad. Sci. 150, p.932-934 (1910)
[4] Wacker A. et al.: Naturwissenschaften 47 (20), S.477 (1960)
[5] Schel A.J. et al.: Appl. Environ. Microbiol., p.1380-1387 (2006)
[6] Cervia J.S. et. al.: Dis. Clin. Prac. 16 (6), p.349-353 (2008)
[7] Panknin H.T., Erregerquellen auf der Intensivstation: Neue Studien zur Bedeutung des Leitungswassers, www.anaesthesie-intensivmedizin.com/fileadmin/download/panknin_erregerqu... (2010)
[8] EU-Kommission, Gemeinschaftsstrategie für Quecksilber (2005)
[9] Grandusky J.R.: Compound Semiconductor 19 (3), p.60 (2013)
[10] Hayward K.: Water21 15 (4), p.41-42 (2013)
[11] Researchmarkets, Global UV LED Market 2012-2016, (2013)
[12] Umweltbundesamt, Liste der Aufbereitungsstoffe und Desinfektionsverfahren gemäß §11 Trinkwasserverordnung 2001 - Bekanntmachung der Liste der Aufbereitungsstoffe und Desinfektionsverfahren gemäß § 11 der Trinkwasserverordnung (2012)
[13] Sift M. et al.: horizonte (Forschung an den HAWs in Baden-Württemberg) 43, S.26-28 (2014)

Kontakt
Prof. Dr. Martin Heßling
Steinbeis-Transferzentrum Biophotonik und Bioanalytik
Hochschule Ulm - Fakultät Mechatronik und Medizintechnik

Weitere Beiträge zum Thema: http://bit.ly/Desinfektion
Mehr Informationen: http://bit.ly/Wasseranalytik

 

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