Ультрафиолет против вируса. Как мы пришли к созданию своего ультрафиолетого облучателя-рециркулятора воздуха.
Эффективен ли ультрафиолет против вирусов и микробов? Что такое облучатель-рециркулятор воздуха и как обратить разрушительную силу ультрафиолетового излучения себе на пользу и сделать воздух в помещении чище?

Балтийский тренировочный центр помогает своим клиентам решить вопросы безопасности на производстве, обеспечивает передачу знаний и практического опыта, аккумулированных за 20 лет продуктивной работы. Наша миссия заключается в понимании всех аспектов безопасности как общности рабочих процессов. И мы стараемся найти оптимальное решение для каждой ситуации. А ситуации бывают разные, поэтому и подходы к их урегулированию многообразны.

В частности, когда начала развиваться напряженная эпидемиологическая ситуация с коронавирусом, возникла необходимость в  защите от инфекции как для наших клиентов, так и для нас самих. В поисках идеального примера борьбы и с микробами и вирусами в помещениях, мы обратили внимание на медицинские учреждения. Ведь именно в клиниках вопрос обеззараживания всегда стоит наиболее остро. И если бы это делалось неэффективно, то любая больница быстро превращалась бы в рассадник инфекций.

Как выяснилось, ничего особо революционного в лечебницах не применяется. Главными инструментами борьбы с вирусами и бактериями здесь по-прежнему остаются проветривание и регулярное кварцевание. Последнее представляет собой обработку помещений ультрафиолетовым светом, в котором должна гибнуть вся болезнетворная микрофлора. Используется эта технология уже не одно десятилетие – и по-прежнему для больниц и поликлиник нет более удобного средства.

На волне ажиотажного спроса оперативно купить УФ-обеззараживатель с нужными нам параметрами было практически невозможно. Поэтому было решение активизировать умы и производственные мощности нашего центра и партнерских организаций – и разработать собственную модель такого облучателя, чтобы защитить наших слушателей и самих себя.

Кроме того, специализация нашего центра – это обеспечение безопасности работников, трудящихся на высоте. Здоровье работников – один из важных критериев такой безопасности. Поэтому идея создания собственного оборудования более чем логично влилась в наш рабочий процесс.

Предварительно нужно было разобраться с основным вопросом: на самом ли деле ультрафиолетовое излучение эффективно в борьбе с вирусами или это плацебо? Чтобы найти ответ, мы немного углубились в теорию, проанализировали отчеты по научным исследованиям этой темы, которые активно ведутся с середины прошлого века, – и теперь хотим поделиться полученными результатами с вами, наши уважаемые читатели.

Свойства ультрафиолетового излучения

Прежде всего, нужно конкретизировать, что вообще такое УФ-излучение. Согласно научному подходу ультрафиолет – это электромагнитные волны, занимающие положение между синей областью видимого спектра и рентгеновскими лучами. Он охватывает диапазон с длиной волны от 100 до 400 нм. Для большего удобства классификации Международная электротехническая комиссия (CIE) в 1987 году разделила данный спектр на несколько участков:

  • от 100 до 280 нм – коротковолновые лучи UVC;

  • от 280 до 315 нм – средневолновые лучи UVB;

  • от 315 до 400 нм – длинноволновые лучи UVA.

Естественный и самый мощный источник излучения УФ-спектра – Солнце. Однако поверхности земли достигает далеко не весь объем природного ультрафиолета. В озоновом слое, облаках и атмосфере поглощаются полностью UVC-лучи и до 90% UVB-спектра. Поэтому до поверхности планеты доходит преимущественно UVA -излучение с небольшой долей UVB.

При этом, чем короче волна ультрафиолета, тем сильнее его биологическая активность. И он отнюдь не всегда положительное. В частности, ученые говорят, что высокоактивные UVC-лучи более опасны для кожи и глаз человека, чем волны с большей длиной. 

В то же время исследователи Брюлс, Слейпер и другие еще в 1984 году доказали, что почти 95% активных лучей с длиной волны 254 нм полностью поглощаются омертвевшими клетками эпидермиса. К жизнеспособным же клеткам попадает только 5% UVC-лучшей. Для сравнения: в толщу кожи проникает 50% 297-нанометровых UVB-лучей и 15% UVA-лучей с длиной волны 365 нм. Обладающий еще большей длиной волн видимый для глаз человека диапазон вообще не проникает в кожу, а более короткие волны рентгеновских лучей просвечивают тело насквозь, давая возможность наблюдать свой внутренний мир (буквально).

Обеззараживание воздуха ультрафиолетом

Теперь непосредственно о дезинфицирующем воздействии УФ-излучения. Его способность убивать болезнетворные бактерии впервые заметили еще в 1877 году ученые Даунс и Блант. С этого момента ультрафиолет становится одним из ключевых методов борьбы с патогенной микрофлорой, который использовался и для очистки воды (Марсель, 1909-1910 гг.), и для обеззараживания воздуха в вентиляционных системах школ (1937 г.) В начале второй половины XX в. была экспериментально доказана способность УФ-волн инактивировать и даже уничтожать микобактерию туберкулеза, против которой до этого практически не было средств.

Одновременно исследовалось и бактерицидное воздействие излучения ультрафиолетового спектра на вирусы как неклеточную форму жизни. И эти исследования, к нашему всеобщему счастью, оказались успешными: в разные годы учеными из разных стран были получены доказательства эффективности УФ-дезинфекции в борьбе с вирусами. Более того, было установлено, что для инактивации вирусов требуются меньшие дозы облучения, чем для уничтожения бактерий.

И это помогло ультрафиолету как методу борьбы с патогенной микрофлорой самых разных видов не только не зачахнуть в конкуренции с новыми разработками, но и получить существенный потенциал роста и развития. Такая эффективность в совокупности с относительной безопасностью для человека привела к тому, что кварцевание (читай: УФ-обработка) до сих пор остается основным инструментом борьбы с патогенами во всех медучреждениях. Да и не только в них.

Что же происходит с бактериями и вирусами при воздействии ультрафиолета? Спектр воздействия такого излучения, подтвержденный исследованиями, впечатляющий:

  • негативное воздействие на молекулярную структуру ДНК, цитоплазму и клеточную мембрану;

  • образование ковалентных связей между соседними фрагментами ДНК;

  • прочие малоприятные для микроорганизма клеточные и генетические изменения.

Залогом эффективности ультрафиолета в борьбе с болезнетворной микрофлорой ученые называют его фотохимическое воздействие структуру ДНК. Другими словами, свет тут становится катализатором химических процессов. На практике это выглядит так:

  • Проникая в клетку, УФ-квант вступает в реакцию с тимином – нуклеотидом, участвующим в образовании ДНК-спирали.

  • В результате облучения расположенные рядом тимины объединяются в димер.

  • Структура нуклеиновой кислоты безвозвратно (не всегда) повреждается.

Рисунок воздействие ультрафиолетовых лучей на ДНК

Потенциально клеточный механизм ремонта ДНК способен удалять такие дефектные связи и заделать оставшуюся брешь здоровыми нуклеотидами. Однако чем дольше длится УФ-облучение молекулы, тем больше тиминовых димеров возникает в ней – и тем сложнее исправить их все. В результате бактерии теряют возможность к клеточному делению, а вирусы утрачивают потенциал репликации.

Кроме того, большое значение имеет доза облучения. Малая доза вызывает ослабление клетки, поскольку она вынуждена тратить больше энергии на ремонт ДНК, средняя – вызывает мутации, большая – с высокой долей вероятности сразу убивает микроорганизм.

Наиболее часто используется при дезинфекции помещений используется УФ-свет с длиной волны 254 нм. Как показали практические исследования, она максимально близка к одному из пиков графика спектральной бактерицидной эффективности, приходящемуся на 265 нм. Причем для разных видов микрофлоры она практически одинакова, что обеспечивает результативность обеззараживания воздуха и поверхностей в 99.9%. 

Также атомы ртути, используемой в большинстве УФ-ламп, создают излучение с длиной волны 185 нм. Однако это излучение считается едва ли не побочным продуктом, поэтому производители ламп стараются минимизировать его количество. Ири использовании 185-нанометровых волн образуется значительное количество смертельного для микроорганизмов, но опасного и для человека озона – а, значит, использовать такие лампы нужно с особой осторожностью. Кроме того, такое излучение активно поглощается водой, кислородом воздуха, а также стеклом – потому для дезинфекции помещений оно не подходит.

График эффективности ультрафиолетогового излучения на ДНК

Также ученые Чун-Цзе Ценг и Чи-Шань-Ли доказали, что эффективность ультрафиолетового облучения напрямую зависит от влажности воздуха в помещении. При 85-процентном содержании влаги в воздухе требуемая доза облучения при прочих равных условиях оказалась выше, чем при влажности в 55%. Обусловлено это может быть тем, что вода выполняет роль своеобразного щита, защищая вирус от разрушительного воздействия УФ-света на его ДНК/РНК.

Здесь же ученые оценили и устойчивость к УФ-обработке патогенов с различной структурой нуклеиновой молекулы. Как показали опыты, вирусы с 1-цепочечными ДНК и РНК оказались более чувствительны к такой обработке, нежели с 2-цепочечными. И это в нынешней непростой ситуации только радует. Исследования показывают, что в основе возбудителя коронавирусной инфекции лежит довольно простая 1-цепочная РНК (ssRNA) – а это значит, что для его устранения может хватить довольно скромной дозы облучения в 339–423 мкВт*с/кв.см. Примерно столько же нужно, чтобы расправиться с возбудителем золотистого стафилококка.   

Ультрафиолет от лампы и от Солнца – а есть ли разница?

Выше мы уже писали, что главным источником УФ-излучения в нашей жизни является Солнце. Оно излучает в космос мириады ватт электромагнитной энергии, благодаря которым наша планета вообще может жить. А благодаря тому, что поверхности земли достигает только небольшая часть солнечного ультрафиолета, на ней можем жить и мы. Если бы над головой не было такой защиты, как несколько десятков километров атмосферы и озоновый слой, на нас бы воздействовали не только длинноволновые UVA-лучи, несущие в себе меньший заряд, не особо активно проникающие в толщу кожи и вообще при умеренном нахождении под солнцем не слишком опасные.

Ультрафиолетовые кварцевые лампы, используемые для дезинфекции помещений, работают несколько иначе. Во-первых, они работают в совершенно ином волновом диапазоне и вырабатывают жесткое коротковолновое излучение, которое действует гораздо более агрессивно на живые клетки. Другими словами, да, это тоже электромагнитная энергия ультрафиолетового спектра, вот только действует она намного более активно. Отмершие клетки эпителия задерживают значительную дозу такого излучения, однако от продолжительного воздействия они могут и не защитить. Кроме того, ороговевший слой кожи есть не на всей поверхности тела – для глаз даже кратковременное УФ-облучение коротковолнового спектра очень опасно.

Говорить же о том, чтобы вообще заменить солнце УФ-лампами, не имеет смысла. Допускается использовать лампы длинно- и средневолнового спектра как меру профилактики при недостатке естественного освещения. То есть можно включать ее на полчаса-час в день, чтобы кожа получила свою норму относительно безопасного излучения, которое запускает в организме процессы синтеза витамина D, многих гормонов, включая «гормоны радости». Таким способом можно спокойно пережить зиму и не впасть в хандру. Однако находиться под искусственными УФ-лучами подолгу и тем более заменять ими солнечный свет категорически не рекомендуется.

А почему лампа – кварцевая?

Казалось бы, мы обрабатываем помещения ультрафиолетом – причем тут кварц? Оказывается, очень даже причем.

Дело в том, что для изготовления УФ-ламп, применяемых при дезинфекции, используется кварцевое стекло. Оно отличается высоким (ок. 90%) содержанием диоксида кремния, упорядоченной молекулярной структурой и, что особо важно, способностью отфильтровывать другие части светового спектра, пропуская только UVC-лучи. Для сравнения: обычное стекло пропускает только небольшую часть длинноволнового излучения.

Кроме того, такое стекло пропускает в помещение небольшую долю озона. А этот газ представляет собой весьма радикальную меру борьбы с бактериями вирусами и прочей лишней микрофлорой. Причем, будучи газом, он эффективно попадает в труднодоступные места, куда прямолинейно распространяющийся свет добраться не в состоянии.

Почему кварцевание требует меры

Как и всегда, у ультрафиолетовой медали 2 стороны. С одной из них такое излучение действительно отлично борется с бактериями и вирусами. С другой же оно таит в себе немало потенциальных угроз для здоровья:

  • Образование озона. По сути, это яд, который при каждом включении кварцевой лампы накапливается в помещении. Поэтому после каждой обработки нужно проветривать помещение.

  • Раздражение кожи (УФ-эритема). Аналог солнечного ожога. Симптомы те же – покраснение, зуд, болезненные ощущения.

  • Появление дегенеративных изменений на коже. При регулярном воздействии ультрафиолета могут возникать новые родинки, веснушки, очаги диффузной пигментации.

  • Ускоренное старение кожи.

  • Ожоги глаз. Прямое попадание ультрафиолета может вызвать фотокератит и фотоконъюнктивит.

Кроме того, жесткое УФ-излучение является ракообразующим фактором. Большую часть случаев рака кожи связывают солнечной активностью – а ведь излучение кварцевых ламп гораздо жестче.

Национальный институт охраны труда (США) в 1972 году установил предельно допустимое воздействие 254-нанометрового ультрафиолета на уровне 6 мДж/кв.см при 8-часовом рабочем дне.

Виды ламп для дезинфекции воздуха в помещении

Лампы для обеззараживания делятся на 2 основные группы:

  • кварцевые;

  • бактерицидные.

Первые – самые мощные, быстро расправляются с бактериями, плесенью, вирусами и т.д., попутно протравливая помещение озоном. Вторые более безопасны, поскольку их колбы изготавливаются не из кварцевого, а из увиолевого стекла. Оно не пропускает ионизирующее излучение, под действием которого образуется ядовитый озон, – а это не только повышает безопасность использования, но и отчасти снижает эффективность.

Как показал анализ рынка, чаще всего в УФ-излучателях используются ртутные лампы низкого или высокого давления. В первом случае ртутные пары создают внутреннее давление в 10 мм рт.ст., а во втором – от 400 до 800 мм рт.ст. Лампы низкого давления обеспечивают КПД в 30-40%, обеспечивают большой выход ультрафиолета и при этом экономичны. Вот только погонная мощность у них невелика. Гораздо мощнее варианты с высоким давлением ртутных паров. Однако КПД у последних – примерно 15-17%, да и ртути в них многократно больше. Главный же недостаток таких ламп в том, что они создают УФ-волны длиной меньше 200 нм. А они, как уже отмечено выше, образуют озон. 

Вообще же с выбором и покупкой ламп нужных характеристики никаких проблем не возникает – рынок просто изобилует вариантами разной формы, мощности, конструктивного исполнения и, разумеется, цены. Можно найти подходящие комплектующие хоть для миниатюрного «настольного» излучателя, хоть для мощной настенной УФ-батареи, которой хватит на обширное помещение.

А что насчет эффективности? В результативности самого метода УФ-дезинфекции сомнений уже не осталось – мы ознакомились с массой исследований, которые в один голос говорили: метод работает!

Что касается работоспособности конкретного излучателя, то здесь можно ориентироваться на авторитет бренда и изготовителей отдельных комплектующих (прежде всего, самой лампы), на наличие сертификатов от уважаемых лабораторий, на длительность гарантии. В частности, мы выбрали УФ-лампы Phillips. Во-первых, это известный, авторитетный бренд – а это уже определенная гарантия качества. Во-вторых, в линейке продукции от Филлипс представлено большое разнообразие вариантов УФ-ламп, что позволяет выбрать оптимальную модель для любых задач. В-третьих, солидный гарантийный срок работы.

Что вообще можно использовать для дезинфекции

Как показал анализ рынка, УФ-излучатели выполняются в различных форматах:

  • Открытые лампы. Эффективно, но может быть опасно для здоровья. Как минимум, их нужно устанавливать достаточно высоко над полом, чтобы их излучение распространялось поверху. А вообще находиться на время работы такого прибора в помещении настоятельно не рекомендуется.

  • Закрытые приборы-рециркуляторы. Принцип их работы аналогичный – воздух облучается ультрафиолетом, который разбирается с микробами и вирусами. Фишка такого варианта заключается в закрытой конструкции. Другими словами, УФ-лучи не выходят за пределы корпуса устройства. А термин «рециркулятор» объясняет технологию действия – воздух рециркулирует в помещении, поэтому обрабатывается весь его объем.

Второй вариант для нас оказался, бесспорно, намного удобнее. Хотя бы тем, что его можно использовать прямо во время занятий в аудитории, не прерываясь на кварцевание!

Как устроен бактерицидный облучатель-рециркулятор

После изучения вариантов конструкции разных облучателей закрытого типа мы составили общее представление о его конструкции:

  • бактерицидный блок, который может состоять как из одной, так и из нескольких УФ-ламп;

  • отражатель, увеличивающий эффективность обработки воздуха;

  • вентилятор, обеспечивающий циркуляцию воздуха;

  • электроника управления;

  • замкнутый корпус.

От исследования к собственному производству.

Нужное устройство было спроектировано, собрано и запущено в испытания в кратчайшие сроки. Закрытая конструкция позволяет использовать рециркулятор, не покидая помещения и не прерывая учебный процесс. Сейчас мы используем такие аппараты не только в нашем центре, но и у себя дома.

Для изготовления корпуса мы выбрали анодированный алюминий, потому что структура полимеров пластикового корпуса под воздействием УФ деградирует. На эту тему есть интересное исследование.

Анодированный алюминий высокотехнологичен и активно используется в авиакосмической отрасли. Он эстетичен, стоек к механическому воздействию, но самое главное его  свойство - он не окисляется и не поддерживает размножение болезнетворных микроорганизмов.  Под действием УФ-лучей и нагревании не выделяет  вредных веществ. За дезинфекцию потока воздуха в приборе отвечают бактерицидные лампы Phillips, имеющие все необходимые сертификаты.


Особо важно и ценно то, что наша разработка получила одобрение Таможенного союза. А для уверенности пользователей в качестве нашей продукции мы предлагаем на бактерицидные УФ-рециркуляторы 12-месячную гарантию.

Ультрафиолет или другие способы?

Напоследок хотелось бы затронуть еще один вопрос: есть ли альтернативы? И какой способ наиболее эффективен? Рассматривая варианты решения нашей задачи, мы потратили время, рассмотрели еще немало вариантов – и вот к каким выводам пришли:

  • Регулярная влажная уборка – метод рабочий, но слишком трудозатратный и не решает задачи очистки воздуха. 

  • Соляные лампы – решение эффективное, вот только его эффективность прямо пропорциональна площади соляного блока.

  • Специальные фильтры для кондиционеров – защищают хорошо, но стоят дорого, требуют регулярного обслуживания и вообще подходят не к каждой модели.

  • Мойки воздуха – едва ли эффективный метод, потому как фильтры таких устройств не способны задерживать микроорганизмы.

Ультрафиолетовые же излучатели эффективны, причем их работоспособность практически не зависит от размеров устройства. Кроме того, они не требуют особого внимания и участия человека. А если выбрать УФ-рециркулятор, то можно и не уходить из помещения на время дезинфекции.



Фото на обложке:

"Blacklight bulb in ultraviolet"   by brx0   is licensed under CC BY-SA 2.0. To view a copy of this license, visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/

ООО "Балтийский тренировочный центр", Игорь Новиков
25 июня, 2020
Поделиться постом
Обучение и практические занятия на ЗАО Интернешнл Пейпер