Come costruire uno sterilizzatore a raggi UV

La luce solare contiene alcune radiazioni ultraviolette (UV), ma le lunghezze d’onda più corte – o UV-C, quelle più efficaci contro i batteri – sono protette dallo strato di ozono dell’atmosfera. In questo articolo vedremo come una  sorgente artificiale di raggi UV-C può venire usata per sterilizzare oggetti, aria o acqua. Potete sfruttare la cosa per dotare il vostro laboratorio di uno sterilizzatore UV autocostruito e per condurre degli esperimenti su batteri e muffe. Va tuttavia evitata l’esposizione di persone e di se stessi alla luce ultravioletta, a causa dei gravi danni agli occhi e alla pelle che provocherebbe.

L’irradiazione germicida con i raggi ultravioletti è un metodo di disinfezione che utilizza luce ultravioletta di tipo C (UV-C) a breve lunghezza d’onda per uccidere o inattivare i microorganismi (come batteri, virus, muffe e altri agenti patogeni) distruggendo gli acidi nucleici e, di conseguenza, distruggendo il loro DNA, lasciandoli incapaci di svolgere alcune funzioni cellulari vitali. Essa è pertanto impiegata in una varietà di applicazioni, come la purificazione del cibo, dell’aria e delle acque.

La luce ultravioletta riduce efficacemente la popolazione microbica in cui avviene l’esposizione diretta. Viene utilizzata per limitare la contaminazione aerea o superficiale in una stanza d’ospedale, in un obitorio, in una farmacia, in un impianto di toilette o nell’operazione di un servizio di ristorazione. Infine , far scorrere le acque reflue sotto la luce UV prima di scaricarla può distruggere i microrganismi senza alterare l’odore, il pH o la composizione chimica dell’acqua e senza formare composti cancerogeni.

Le radiazioni usate per la sterilizzazione

Esistono 2 tipi generali di radiazioni utilizzate per la sterilizzazione: le radiazioni ionizzanti e le radiazioni non ionizzanti. Le radiazioni ionizzanti sono radiazioni a onde corte e ad alta intensità per distruggere i microrganismi. Questa radiazione può essere sotto forma di raggi gamma o di raggi X (raggi gamma di bassa energia) che reagiscono con il DNA risultando in una cellula danneggiata.

Lo spettro elettromagnetico. Le radiazioni ionizzanti sono i raggi X e gamma.

Le radiazioni non ionizzanti, invece, utilizzano una lunghezza d’onda maggiore e una minore energia. Di conseguenza, le radiazioni non ionizzanti perdono la capacità di penetrare le sostanze e possono essere utilizzate solo per sterilizzare le superfici. La forma più comune di radiazioni non ionizzanti è la luce ultravioletta, che viene utilizzata in una varietà di modi nei servizi e nell’industria.

Le radiazioni non ionizzanti hanno una lunghezza d’onda più lunga di quella delle radiazioni ionizzanti: solitamente, superiore a circa 1 nm. Il miglior esempio di radiazioni non ionizzanti è la luce ultravioletta (UV). La luce ultravioletta (UV) consiste in una luce di lunghezze d’onda comprese tra 40 e 390 nm, ma la lunghezza d’onda prossima a 270 nm è la più efficace nell’uccidere i microorganismi. Secondo alcuni libri, tuttavia, la lunghezza d’onda tra 260 e 265 nm è la più efficace.

L’UV può essere separato in varie gamme, con gli UV a lunghezza d’onda corta (UV-C) che sono considerati un “germicida UV”, a differenza delle lunghezze d’onda più lunghe (UV-B) che producono scottature solari. A certe lunghezze d’onda, infatti, l’UV è mutageno per batteri, virus e altri microrganismi. In particolare a lunghezze d’onda intorno a 260-270 nm, l’UV rompe i legami molecolari all’interno del DNA dei microbi, producendo dimeri di timina che possono ucciderli o menomarli.

Le tre regioni dell’ultravioletto che individuano altrettante bande: UV-A, UV-B e UV-C.

Quando i microrganismi sono sottoposti a luce UV, il DNA cellulare assorbe l’energia di tali radiazioni mediante purine e basi pirimidiniche, e le molecole di timina adiacenti si uniscono. Le molecole di timina collegate non sono in grado di codificare l’adenina sulle molecole di RNA messaggero durante il processo di sintesi proteica. Inoltre, la replicazione del cromosoma nella fissione binaria è compromessa. L’organismo danneggiato non può più produrre proteine ​​critiche o riprodursi e muore rapidamente.

La luce ultravioletta è particolarmente efficace nell’inattivare i virus. Tuttavia, uccide molti meno batteri di quanto ci si potrebbe aspettare, a causa dei meccanismi di riparazione del DNA. Una volta riparato il DNA, nuove molecole di RNA e proteine ​​possono essere sintetizzate per sostituire le molecole danneggiate. Il grado di inattivazione per radiazione ultravioletta è direttamente correlato alla dose UV applicata. Il dosaggio è un prodotto dell’intensità della luce UV e del tempo di esposizione.

Illustrazione del meccanismo mutageno che rende le radiazioni UV un germicida.

La luce solare contiene alcune radiazioni ultraviolette (UV), ma – come accennavamo all’inizio – le lunghezze d’onda più corte (UV-C), quelle più efficaci contro i batteri, sono protette dallo strato di ozono dell’atmosfera. L’effetto antimicrobico della luce solare è dovuto quasi interamente alla formazione di ossigeno singoletto nel citoplasma. Inoltre, molti pigmenti prodotti dai batteri forniscono protezione dalla luce solare, rendendola meno efficace della radiazione UV artificiale.

Come costruire uno sterilizzatore UV

Attualmente, ci sono tre livelli di lampade UV disponibili al pubblico: UV-A (da 315 nm a 400 nm), UV-B (da 280 nm a 315 nm) e UV-C (da 100 nm a 280 nm). Pertanto, il primo passo nella costruzione di uno sterilizzatore UV – ad es. da laboratorio – dovrebbe essere quello di acquistare una lampada germicida UV-C da collocare in un contenitore ventilato, in cui inserire gli oggetti da sterilizzare. L’alternativa è comprare uno sterilizzatore UV già pronto, che puoi trovare qui.

Si noti che i supermercati e le catene di negozi per la casa spesso vendono bulbi UV, ma questi sono in genere bulbi UV-A e UV-B usati per coltivare piante o tenere i rettili. Anche le lampade di Wood, usate ad es. per riconoscere le banconote, non vanno bene. La ricerca e l’acquisto di una vera lampadina UV-C è meglio farli online, dove i rivenditori in genere forniscono lampade affidabili per un buon prezzo e molti siti web di illuminazione o di forniture scientifiche possono avere il prodotto giusto per te.

Praticamente tutte le lampade che producono radiazione ultravioletta germicida UV-C sono lampade fluorescenti a vapori di mercurio a bassa o alta pressione, che utilizzano prese elettriche a spinotti invece delle prese a vite utilizzate dalle lampadine a incandescenza. Una volta scelta la lampadina germicida che si desidera utilizzare, occorre leggere le sue specifiche tecniche per determinare quale caratteristiche ha e, soprattutto, quale tipo di presa è necessario acquistare.

Una tipica lampada ultravioletta UV-C spenta e accesa. Il colore azzurro le distingue facilmente da quelle a luce nera (violette). Non guardarla mai accesa: non è un giocattolo!

Il vapore di mercurio a bassa pressione ha una forte linea di emissione a 254 nm, che rientra nell’intervallo di lunghezze d’onda che dimostrano un forte effetto disinfettante. Le lampade sono di solito ad amalgama o lampade a media pressione. Le lampade UV a bassa pressione offrono alta efficienza (circa il 35% di UV-C) ma una densità di potenza inferiore: in genere 1 W/cm (di arco di lampada).

Le lampade UV ad amalgama sono una versione più potente delle lampade a bassa pressione. Funzionano a temperature più elevate e hanno una durata fino a 16.000 ore. La loro efficienza è leggermente inferiore a quella delle lampade a bassa pressione (circa il 33% della potenza UV-C) e la densità di potenza è di circa 2-3 W/cm. Infine, le lampade UV a media pressione hanno un’elevata emissione di radiazioni, ma una minore efficienza UV-C: del 10% o meno. La densità di potenza tipica è di 30 W/cm o superiore.

Le lampade germicida a catodo freddo sono fabbricate con vetro al quarzo. La lampada è piena di gas e c’è una piccola quantità di mercurio: meno di 5 mg per lampada. Queste lampade generano radiazioni UV a 254 nm. C’è anche una piccola quantità di ozono generato dalla radiazione residua a 195nm e dall’effetto corona. La tensione fornita per attivare la lampada è superiore a 300 V ed è direttamente proporzionale alla lunghezza della lampada. Le lampade più lunghe hanno bisogno di oltre 1000V.

Una lampada germicida a catodo freddo e la relativa elettronica per l’alta tensione. Puoi trovare delle lampade germicide UV con l’elettronica integrata qui.

Non toccate il vetro / quarzo a mani nude. Utilizzate protezioni appropriate, fili e materiali isolanti per evitare picchi di tensione dai cavi della lampada. Smaltite le lampade in conformità ai requisiti di sicurezza per i materiali contenenti mercurio e se per caso si rompono non respirate i relativi vapori. Infine, la luce prodotta da una lampada germicida deve essere attentamente schermata sia contro la visione diretta che i riflessi e la luce dispersa che potrebbe essere visualizzata.

Una volta risolto il problema della lampada, è necessario incorporare nel progetto delle misure di sicurezza che impediscano la fuga delle radiazioni UV. Ad esempio, si può utilizzare un contenitore cilindrico in alluminio da 35 x 55 cm o similare come corpo per il proprio sterilizzatore. Basterà praticare un piccolo foro nel coperchio per infilare il cavo di alimentazione e quindi sigillare eventuali da cui potrebbe passare la luce con un nastro adesivo. Anche un indicatore al neon da pannello alimentato a 230 V può venire incorporato nel coperchio.

Un indicatore al neon da pannello, utile per sapere quando lo sterilizzatore è acceso.

Inserite la lampadina nella presa (che dovrebbe essere appesa dal lato inferiore del coperchio). Posizionate gli articoli da sterilizzare all’interno del contenitore, montate saldamente il coperchio e inserite il cavo di alimentazione nella presa a muro, oppure usate un interruttore che avrete eventualmente aggiunto lungo il cavo di alimentazione. Lasciate funzionare la lampadina per un minuto e quindi scollegatela. Non dimenticate la lampadina accesa, perché il calore la distruggerebbe.

Un progetto fai-da-te con led UV-C

I recenti sviluppi nella tecnologia LED hanno portato alla disponibilità sul mercato di LED UV-C. Questi utilizzano semiconduttori per emettere luce tra 255 nm e 280 nm. L’emissione della lunghezza d’onda è accordabile regolando il materiale del semiconduttore. Le dimensioni ridotte dei LED offrono opzioni per piccoli sistemi di reattori che consentono applicazioni nel punto di utilizzo (ad es. acquari) e l’integrazione in dispositivi medici. Il basso consumo energetico dei semiconduttori permette la creazione di sistemi di disinfezione UV che utilizzano celle solari in luoghi remoti o nel Terzo Mondo.

Pertanto, se siete interessati a uno sterilizzatore piccolo per capsule di Petri fatto con un piccolo barattolo, potete realizzarlo acquistando un mini-sterilizzatore a led-UV per acquario per usarne la relativa sorgente di luce ultravioletta e la relativa elettronica, o realizzarlo da voi procurandovi i componenti mostrati nello schema elettrico qui sotto (in particolare un led UV a 280 nm) e realizzando il relativo circuito.

Uno sterilizzatore per acquario (a sinistra) e il circuito elettrico di uno autocostruito.

Infatti, un LED (UV o normale che sia) emette luce quando viene attraversato da una corrente elettrica. Il circuito più semplice per alimentare un LED è una sorgente di tensione con una resistenza e un LED in serie. Tale resistenza è spesso chiamata resistenza di zavorra. La resistenza di zavorra viene utilizzata per limitare la corrente attraverso il LED e per evitare che si bruci. Naturalmente, se la sorgente di tensione è uguale alla caduta di tensione del LED, non è richiesta alcun resistenza.

Naturalmente, sarà possibile aumentare la potenza dello sterilizzatore realizzando più circuiti di questo tipo, con la medesima tensione fornita, mentre la corrente totale da fornire sarà la somma delle correnti assorbite dai led. Per determinare la tensione da fornire (V) e il valore della resistenza (R), dovete leggere nelle specifiche tecniche del led UV prescelto la tensione (media) operativa del led (V_led) e la corrente (media) assorbita durante il suo funzionamento (I). La resistenza sarà allora data da:

Ad esempio, supponiamo che per partire scegliate un led UV-C da 280 nm da 200 mW con V_led = 8 V e I = 20 mA. Allora la tensione di alimentazione potrà essere uguale o superiore a 8 V: per esempio, 9 V. E la resistenza R sarà, in tal caso, data da R = (9 V – 8 V) / (20 mA/1000) = 50 Ohm. Dato che la resistenza da 50 Ohm non esiste, potremo usare un valore vicino, come ad esempio 47 Ohm.

Un led UV-C a 280 nm di alta potenza ed il suo tipico spettro.

Sono necessarie alte dosi per raggiungere alti livelli di uccisioni microbiche con l’irraggiamento UV. Alte dosi richiedono una combinazione di elevata irradianza UV istantanea e di un tempo di esposizione sostanziale. Naturalmente, l’irraggiamento da una lampada UV dipende fortemente dalla distanza dalla lampada, quindi in generale è bene minimizzarla, garantendo però al tempo stesso un adeguato raffreddamento della sorgente e una temperatura idonea dei materiali da irradiare.

L’uniformità è un altro fattore importante nell’uccisione di microrganismi. L’uniformità dell’irraggiamento UV è importante per raggiungere alti livelli di uccisione nell’aria che scorre, dal momento che tutti gli elementi del flusso d’aria devono essere esposti ad un’elevata irradianza per un tempo sufficiente per creare il livello di dose richiesto necessario per l’uccisione elevata. Dunque, occorre scegliere una sorgente di raggi UV di intensità molto elevata e molto uniforme per l’applicazione che ci interessa.

Alcune applicazioni degli sterilizzatori UV

Gli sterilizzatori UV trovano senza dubbio applicazione in microbiologia. La sterilità dei terreni di coltura cellulare è una preoccupazione importante. L’irradiazione ultravioletta (UV) è un metodo di sterilizzazione efficace contro batteri e virus, pur essendo non termico e non adulterante nel suo meccanismo d’azione. Ciò rende l’irradiazione UV a dosi di disinfezione rilevanti un metodo attraente per l’uso nella sterilizzazione dei terreni di coltura cellulare e giustifica il dotarsi di uno sterilizzatore UV.

Irradiazione di una capsula di Petri con una luce ultravioletta germicida. Quando si ha a che fare con le luci UV-C occorre sempre proteggere la pelle, oltre agli occhi.

Livelli di sterilità “6” – cioè con una probabilità di 10^-6 che un singolo microrganismo vitale sopravviva al processo di sterilizzazione e sia presente nel prodotto finale – sono il livello standard per i processi di sterilizzazione. Questo livello di sterilità viene tradizionalmente raggiunto tramite processi di sterilizzazione ad alto calore e pressione. In alternativa, le apparecchiature ed i componenti usati in un laboratorio di microbiologia devono essere “monouso” o sterilizzati a vapore prima dell’uso.

Gli sterilizzatori a ultravioletti vengono spesso usati anche per aiutare a controllare i microrganismi indesiderati negli acquari e negli stagni. L’irradiazione UV garantisce che gli agenti patogeni non possano riprodursi, riducendo così la probabilità di insorgenza di una malattia in un acquario. Tali  sterilizzatori sono in genere di piccole dimensioni, con raccordi per tubi che consentono all’acqua di fluire attraverso lo sterilizzatore nel suo percorso da un filtro esterno separato o da una pompa dell’acqua.

Un’applicazione industriale delle radiazioni non ionizzanti UV è la rottura delle molecole di ozono (O₃). Aggiungendo ozono all’acqua, i batteri non sono in grado di sostenere la vita. Ma l’ozono deve poi venire scomposto in modo che, una volta eliminato, l’acqua possa essere usata per il suo scopo. Dato che l’ozono è molto sensibile alla luce ultravioletta, basta passare il flusso d’acqua sotto le lampade UV. Ciò rompe i legami ossigeno-ossigeno e si traduce in acqua di processo sicura.

Inoltre, in alcune comunità, la luce ultravioletta sta sostituendo il cloro nel trattamento delle acque reflue. Quando gli effluenti delle acque reflue trattate con cloro vengono scaricati in acque correnti o altri corpi idrici, si formano composti cancerogeni che possono entrare nella catena alimentare. Il costo della rimozione del cloro prima di scaricare gli effluenti trattati può aggiungere fino a 100 euro all’anno alle bollette della famiglia media, e pochissimi impianti di depurazione la fanno.

La disinfezione è una funzione dell’intensità e del tempo di esposizione ai raggi UV. Per questo motivo, non è così efficace sul movimento dell’aria, o quando la lampada emettitrice UV è perpendicolare al flusso, poiché i tempi di esposizione sono drasticamente ridotti. La purificazione dell’aria con irradiazione germicida UV può essere effettuata da unità indipendenti con lampade UV schermate che usano una ventola per forzare l’aria oltre la luce ultravioletta.

Un purificatore d’aria che usa anche una lampada germicida UV-C.

Altri sistemi simili sono installati nei sistemi ad aria forzata in modo che la circolazione per i locali sposta i microrganismi oltre le lampade. La chiave di questa forma di sterilizzazione è il posizionamento delle lampade UV e un buon sistema di filtraggio per rimuovere i microrganismi morti. In particolare, una lampada UV posta nelle bobine e le vaschette di scarico dei sistemi di raffreddamento eviterà la formazione di microrganismi e allergeni in questi luoghi naturalmente umidi.

Sterilizzazione UV: vantaggi e svantaggi

La radiazione UV penetra nell’aria, riducendo efficacemente il numero di microrganismi presenti nell’aria e uccidendoli sulle superfici di sale operatorie e stanze che contengono animali in gabbia. Anche l’appendere semplicemente la biancheria all’aperto in giornate luminose e soleggiate sfrutta la luce ultravioletta presente nella luce del sole. Sebbene la quantità di raggi UV dovuta al sole sia piccola, questi raggi possono aiutare a uccidere i batteri sui vestiti, in particolare sui pannolini.

Inoltre, la sterilizzazione con raggi ultravioletti non comporta nessun degrado del supporto trattato durante la sterilizzazione, quindi può essere utilizzata per supporti termolabili. Non lascia poi residui chimici. Permette la somministrazione di un dosaggio preciso e una distribuzione uniforme del dosaggio. Vi è, infine, la disponibilità immediata del materiale dopo la sterilizzazione.

Uno dei principali svantaggi della luce ultravioletta (UV) come disinfettante è che la radiazione non è molto penetrante, quindi l’organismo da uccidere deve essere esposto direttamente ai raggi. Si tratta di microrganismi degni di nota nell’aria e presenti negli strati superiori del terreno, ma potrebbe non essere efficace contro tutte le spore batteriche. Pertanto, gli organismi protetti da solidi e da rivestimenti – come, ad esempio, carta, vetro e tessuti – non sono interessati dalla distruzione.

Un altro potenziale problema è che la luce UV-C può danneggiare gli occhi umani e un’esposizione prolungata può causare ustioni e cancro della pelle negli esseri umani. In particolare, può causare danni nelle cellule della pelle umana e danni permanenti agli occhi, fino a includere la cecità in alcuni casi. I raggi UV-C, in particolare, possono danneggiare la retina dell’occhio. Per evitare l’irradiazione degli esseri umani, pertanto, le luci UV-C vanno accese quando non ci sono persone nelle stanze.

Non guardare mai una lampada UV-C senza usare gli occhiali protettivi giusti!

Un altro potenziale pericolo è la produzione UV di ozono, che può essere dannoso per la salute. L’Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti ha fissato 0,05 parti per milione (ppm) di ozono come un livello sicuro. Le lampade progettate per il rilascio di UV-C e frequenze più alte vengono drogate in modo tale che nessuna luce UV al di sotto di 254 nm di lunghezza d’onda venga rilasciata, per ridurre al minimo la produzione di ozono. Una lampada a spettro completo, invece, rilascerà tutte le lunghezze d’onda UV e produrrà ozono quando l’UV-C colpisce le molecole di ossigeno (O₂).

La radiazione UV-C è in grado di abbattere i legami chimici. Ciò comporta un rapido invecchiamento di plastica, isolanti, guarnizioni e altri materiali. Si noti che le materie plastiche vendute come “resistenti ai raggi UV” sono testate solo per gli UV-B, poiché gli UV-C non raggiungono normalmente la superficie della Terra. Quando l’UV viene utilizzato vicino a plastica, gomma o isolanti, è necessario prestare attenzione per proteggere questi oggetti: del nastro metallico o foglio di alluminio sarà sufficiente.

Le sorgenti di luce ultravioletta vanno usate sotto la supervisione di un adulto.