Utilisation du module UV-C ILLUMENAI pour la désinfection

novembre 19, 2020 | | Blogue, Espaces intelligents, Retour au travail |

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Determining UV-C Irradiance for Disinfection Applications

Avec la croissance rapide des applications DEL UV-C dans les applications germicides et de désinfection, il est de plus en plus nécessaire de quantifier et de déterminer si une lampe ou installation UV-C particulière permettra ou non d’atteindre des objectifs de désinfection. Contrairement aux produits d’éclairage ordinaires dont nous pouvons confirmer visuellement s’ils sont « suffisamment lumineux », les UV-C sont invisibles à l’œil nu, ce qui peut rendre la tâche particulièrement difficile du point de vue des mesures.

Dans cet article, nous passerons en revue les principales méthodes et principes de mesure, puis nous examinerons quelques exemples qui nous aideront à franchir les étapes nécessaires pour déterminer les exigences en matière d’irradiance.

Nous montrerons que le module de lumière UV-C de 15W d’illumenai est une solution efficace pour désinfecter le lieu de travail.

Illnesses from the work environment

Bien que COVID-19 soit très présent dans les esprits en ce moment, 20 millions de jours de travail sont perdus chaque année dans le monde, simplement à cause du rhume.

Les virus, les bactéries et les moisissures sont un problème quotidien qui entraîne d’importantes pertes de production pour les entreprises du monde entier.

On trouve des centaines de variétés de bactéries sur les lieux de travail, et la plupart d’entre elles proviennent de l’humain, qu’elles soient présentes dans la peau, les fosses nasales, orales ou intestinales. La sagesse conventionnelle voudrait que la plupart des bactéries se trouvent sur notre souris et notre clavier, mais si leurs niveaux sont élevés, les plus grands délinquants sont les chaises et les téléphones.

Quelques exemples de bactéries.

Streptococcus pyogenes est une bactérie très contagieuse qui provoque une angine à streptocoques.

Le staphylocoque(staph) est un groupe de bactéries. Il en existe plus de 30 types. Un type appelé Staphylococcus aureus provoque la plupart des infections, telles que les infections à staphylocoques, les intoxications alimentaires, les septicémies et les pneumonies.

Les diphtéroïdessont une bactérie courante dans la plupart des immeubles de bureaux et peuvent être particulièrement dangereux pour les personnes dont le système immunitaire est faible, ou pour celles dont le système est déjà affaibli par une maladie existante.

Pseudomonas aeruginosa est une autre variété de bactéries qui est particulièrement fréquente sur les claviers, même après un processus d’essuyage sanitaire. Elles sont l’une des principales causes de pneumonie et d’infections urinaires.

Le Dr Gerba, de l’université d’Arizona, a récemment déclaré que le bureau est l’un des endroits les plus infectés du bureau et que 20 à 30 % des sacs à main et des sacs à dos contiennent des bactéries fécales ! Ils ont découvert que le siège de toilette moyen d’un bureau contenait 49 germes par pouce carré, mais que les bureaux en contenaient près de 21 000 et les téléphones plus de 25 000 ! Oh, mon Dieu.

Les bureaux, les téléphones, les claviers d’ordinateur et les souris sont des points de transfert de germes essentiels, car les gens les touchent si souvent que la toux et les éternuements peuvent laisser derrière eux « un champ de mines de virus » qui peut vivre sur une surface jusqu’à trois jours.

Ensuite, il y a les virus.

Covid-19. Nous sommes tous au courant de celui-ci. Cependant, ce n’est qu’un des nombreux virus que l’on trouve sur le lieu de travail. Il s’agit d’un problème particulier en ce moment qui provoque un désastre incalculable dans le monde entier en termes de vies humaines et de pertes économiques.

Le rhumen’est vraiment pas si courant et est causé par un certain nombre de virus différents. En fait, il y en a plus de 200 qui peuvent vous aliter.

Il est probable qu’un jour, vous serez confronté de près à l’un de ces types de virus :

  • Rhinovirus

Cause de 10 à 40 % des rhumes. Vous vous sentirez malheureux si vous en attrapez un, mais la bonne nouvelle est qu’ils vous rendent rarement gravement malade.

  • Coronavirus (oui, il existe de nombreuses variantes autres que le COVID-19)

Cause d’environ 20% des rhumes. Il en existe plus de 30 sortes, mais seuls trois ou quatre d’entre eux touchent les gens.

  • VRS et parainfluenza

Cause de 20 % des rhumes. Ils provoquent parfois des infections graves, comme la pneumonie, chez les jeunes enfants.

Il y a aussi beaucoup de virus que les médecins n’ont pas identifiés. Environ 20 à 30 % des rhumes chez les adultes sont causés par ces « insectes inconnus ».

Conclusion

L’absence de germes et de virus sur les surfaces des bureaux sera très bénéfique pour le bien-être de vos employés.

The technical section

Why UV light?

La technologie DEL UV-C fonctionne en ciblant directement les molécules d’ADN et d’ARN des bactéries, des virus et des moisissures.

Les recherches ont montré que la thymine (dans l’ADN) et l’uracile (dans l’ARN) absorbent plus facilement les rayons ultraviolets à des longueurs d’onde comprises entre 255 et 275 nanomètres (la meilleure longueur d’onde étant de 265).

Lorsque l’ADN et l’ARN de ces agents pathogènes sont exposés à un rayonnement UV-C de 265 nanomètres, une modification chimique se produit dans les acides nucléiques, entraînant une corruption du code génétique.

Une fois que le code génétique des colonies virales et bactériennes a été corrompu, il en résulte un code génétique altéré qui inactive l’agent pathogène et arrête sa réplication. Cette altération est appelée dimérisation.

Notez que les longueurs d’onde supérieures à 300 nanomètres (UV-B et UV-A) ne provoquent pas de dimérisation et sont donc inefficaces pour les applications de stérilisation.

Dosage = UV Amount + Time

Lors de la conception de la désinfection par UV-C, nous devons commencer par le dosage des UV-C, car le but ultime est d’atteindre un certain dosage d’UV-C nécessaire pour inactiver l’agent pathogène.

Mais premièrement, qu’est-ce que le dosage exactement et comment le mesurer ?

Le dosage des UV-C, également appelé dose d’exposition ou fluence, est un moyen de mesurer la quantité totale d’énergie UV-C qui a irradié une surface. C’est l’élément le plus crucial dans la conception d’un système UV-C, car le dosage des UV-C est le principal facteur déterminant pour savoir si nous avons réussi ou non à inactiver l’agent pathogène.

Le dosage est déterminé non seulement par l’intensité de l’UV-C qui tombe sur une surface, mais aussi par la durée d’exposition de cette surface au rayonnement UV-C. En d’autres termes, une lampe UV-C d’une puissance inférieure de moitié peut atteindre un dosage d’UV-C tout aussi élevé si elle est utilisée pendant deux fois plus longtemps.

L’intensité de l’UV-C qui tombe sur une surface est appelée irradiance, et est mesurée en W/m² (ou une variante de la puissance par surface). Le temps d’exposition est mesuré en secondes.

La forme simple de la formule est présentée ici :
Dosage de l’exposition (J/m²) = irradiance UV (W/m²) x temps (secondes)

Assumptions

Le rayonnement UV-C sur la distance est affecté de la même manière que la lumière visible en utilisant la loi de l’inverse du carré, où l’irradiation est proportionnelle au carré de la distance entre la DEL et la surface à désinfecter.

Les DEL sont inclinées de manière à répartir uniformément le rayonnement UV sur tout l’espace, les champs de vision se chevauchant au niveau de la surface pour tenir compte de la réduction de l’exposition sur une surface non perpendiculaire.

Aucune barrière mécanique n’empêche l’exposition des UV-C aux bactéries, comme la poussière ou la saleté sur la surface désinfectante ou la surface de la DEL.

Il n’y a pratiquement pas de différence d’efficacité entre la DEL de 254 nm utilisée dans l’étude de référence et la DEL de 265 nm utilisée dans l’expérience. En fait, des études ont montré que les longueurs d’onde de 260 nm (Sagripanti) à 266 nm (Soo-Ji Kim) sont encore plus efficaces que 254 nm.

L’humidité relative (RH) est d’environ 55 %. Notez qu’il est plus difficile de tuer les virus à une humidité relative plus élevée (Li, Inactivation of Viruses on Surfaces), il est donc important de surveiller l’humidité relative pour ajuster le dosage de l’exposition de manière appropriée.

Experiment

En alimentant une DEL UV-C de 265 nm à 1,75 W, un compteur UV-C a mesuré son irradiance, perpendiculairement à la DEL, à une distance de 0,33 mètre. L’irradiance totale mesurée était de 14 uW/cm². En extrapolant l’irradiation en utilisant 8 DEL au lieu d’une seule, nous multiplions la valeur mesurée de 1 DEL par 8, ce qui nous donne 112 uW/cm².

Dans une application typique d’espace de bureau, la distance entre le plafond et le sol est d’environ 3 mètres. La loi de l’inverse du carré a donc été utilisée pour compenser la distance supplémentaire dans le pire des cas au niveau du sol. Lorsque la distance entre le niveau mesuré et le niveau du sol est de 2,66 mètres (8,73 pieds), le calcul est le suivant :

(112 uW/cm2)/(8,73 pied²) = 1,47 uW/cm2 au niveau du sol

La fluence cible (dosage) que nous devions atteindre pour les bactéries est mentionnée dans un article scientifique publié par l’American Society for Microbiology, intitulé « ’Using UVC Light-Emitting Diodes at Wavelengths of 266 to 279 Nanometers to Inactivate Foodborne Pathogens and Pasteurize Sliced Cheese”. En regardant la figure 2(c) à la page 4 de 7, le graphique montre qu’une fluence de 0,5mJ/cm2 est nécessaire pour obtenir une réduction de 4 log (taux d’inactivation de 99,99%) de Listeria, lors de la désinfection avec un appareil à DEL UV-C de 266 nm (Soo-Ji Kim).

Une hypothèse est faite sur la relation entre la taille de la bactérie ou du virus et la fluence UV-C nécessaire pour l’inactivation. La Listeria est utilisée comme référence puisqu’elle requiert la fluence la plus élevée pour la même réduction logarithmique par rapport à la Salmonella et à l’E. coli (Soo-Ji Kim).

Avec la fluence cible et l’irradiance des DEL, nous avons calculé le temps d’exposition nécessaire pour obtenir une réduction d’au moins log 4. Sachant que 1 J/cm2 est équivalent à 1 W-S/cm2, notre fluence cible peut être traduite en 500 uW-S/cm2. Le temps d’exposition est alors calculé par :

(500 uW-S/cm2)/(1,47 uW/cm2) = 340,1 secondes = 5,67 minutes

Les niveaux de fluence suivent la loi Bunsen-Roscoe, qui stipule que la fraction de survie du virus avec l’irradiation UVGI dépendant de la dose d’UV n’est pas affectée par les changements réciproques de l’intensité des UV ou du temps d’exposition (Li). Cela signifie que la fluence requise peut être atteinte par n’importe quelle quantité d’intensité UV-C et de temps d’exposition (secondes) qui se multiplient jusqu’à 500uW-S/cm2. Par conséquent, nous pouvons théoriquement inactiver au moins 99,99 % des bactéries équivalentes sur des surfaces situées à 3 mètres de distance avec 8 DEL UV-C de 265 nm en 5,67 minutes.

Une efficacité accrue peut être obtenue en allongeant la durée d’exposition aux rayons UV-C. En augmentant la durée d’exposition à 1 heure au lieu de 5,67 minutes, la fluence augmente à :

(60 / 5.67) * 500uW-S/cm2 = 5.29mW-S/cm2

Un point de repère utile concernant spécifiquement la famille des coronavirus a été publié par le centre biologique et chimique Edgewood, où la fluence requise pour atteindre le D 37(taux d’inactivation de 63%) en utilisant des UV-C de 254 nm s’est avérée être de 3,1 J/m2, ou 310 uW-S/cm2 (Sagripanti). Connaissant notre fluence de 5,29 mW-S/cm2 en 1 heure et la relation entre le taux d’inactivation et la fluence étant logarithmique, nous pouvons prédire le temps d’exposition nécessaire pour obtenir une réduction de 4 log en suivant la courbe de survie du virus.

La courbe de survie la plus courante des virus est la suivante :

n/no = e-kD (Sagripanti)

où n/no est la fraction survivante du virus, D est la fluence et k est la pente de la courbe de survie lorsque ln(n/no) est tracé en fonction de D.

Le D 37est le niveau d’exposition requis pour obtenir une fraction survivante de 0,37 où D = 1/k (et k = 1/D)

En utilisant l’équation de la courbe de survie commune, nous pouvons réarranger pour obtenir :

ln(n/no) = -k*D à ln(0.37) = -k*310u à k = 3225.8

En substituant une réduction de 4 log (0,0001 fraction survivante) pour trouver le dosage requis, nous pouvons dire :

ln(0.0001) = -3225.8*D à ln(0.0001) / -3225.8 = D à D = 2.85mW-S/cm2

Avec le dosage requis, nous pouvons calculer le temps d’exposition nécessaire :

(2.85mW-S/cm2) / (1.47uW/cm2) = 1938.8 secondes à 32.2 minutes

Par conséquent, nous pouvons théoriquement inactiver 99,99% des virus exposés en 32,2 minutes.

Il est alors possible de faire fonctionner l’exposition aux UV-C pendant 32 minutes dans les salles communes et les salles de conférence entre deux utilisations pour éliminer 99,99% de toute trace de COVID dans l’air, sur les surfaces environnantes et sur le sol.

S’il n’est pas possible d’attendre les 32 minutes entre deux utilisations, un taux d’inactivation de 99,99 % peut être atteint au niveau du bureau (à une distance de 1,5 m) en 18,2 minutes.

Le temps d’exposition sera configurable, mais le temps recommandé devrait être de 35 minutes pour dépasser le taux d’inactivation de 99,99 %.

1-hour result

Nous pouvons également calculer le taux d’inactivation que nous pouvons obtenir avec une heure de temps d’exposition :

En remplaçant notre niveau de fluence d’une heure par 5,29 mW-S/cm2 pour trouver la fraction survivante, nous pouvons dire :

n/no = e-3225.8*5.29m à n/no = 0.0000000388

Ce qui signifie que notre taux d’inactivation (%) est :

(1 – 0.0000000388) * 100 = 99.99999%

Cela va au-delà de l’exigence minimale pour obtenir une réduction de 4 log (99,99 %) et devrait permettre d’inactiver pratiquement toutes les traces de COVID qui sont exposées aux rayons UV-C.

D37 Target

Le D37est défini comme l’exposition aux UV qui produit en moyenne un coup mortel par virion. C’est le niveau minimum requis pour inactiver un virus en moyenne (la longueur d’onde UV utilisée est de 265 nm).

Grâce à notre module de lumière UV-C, les durées d’exposition requises pour les différentes familles de virus sont indiquées ci-dessous par ordre de facilité à difficulté d’élimination :

Les Coronaviridaesont de grands virus à ARN monocaténaire enveloppés. Ce sont les plus grands virus à ARN connus. Comprend COVID-19, SARS-CoV, MERS-CoV,

Fluence = 2.5 – 3.9 J/m2

D37 Temps d’inactivation (niveau du sol) = 4,42 minutes

D37 Temps d’inactivation (au niveau du bureau) = 2,5 minutes

Les Filoviridaepeuvent provoquer une fièvre hémorragique grave chez l’homme et les primates non humains. Jusqu’à présent, trois genres de cette famille de virus ont été identifiés : Cuevavirus, Marburgvirus et Ebolavirus.

Fluence = 7.4 J/m2

D37 Temps d’inactivation (niveau du sol) = 8,39 minutes

D37 Temps d’inactivation (au niveau du bureau) = 4,74 minutes

Les Picornaviridaesont une grande famille de virus dont les principaux sites de réplication sont les cellules épithéliales et les tissus lymphoïdes des voies respiratoires supérieures et des voies gastro-intestinales. Dans les voies respiratoires supérieures, les infections à entérovirus peuvent provoquer le rhume. Dans le tractus gastro-intestinal (GI), certains entérovirus peuvent s’échapper pour infecter d’autres organes (par exemple, l’hépatite A). De même, le virus de la fièvre aphteuse (FMDV, genre Apthovirus). Le FMDV est très stable dans l’environnement et se transmet facilement sur de longues distances. Dans les régions du monde exemptes de FMDV, des incursions et des épidémies occasionnelles provoquent des perturbations majeures de l’agriculture et d’énormes pertes économiques.

Fluence = 45 – 53 J/m2

D37 Temps d’inactivation (niveau du sol) = 60,09 minutes

D37Temps d’inactivation (au niveau du bureau) = 34 minutes

Les Retroviridaeconstituent une grande famille de virus qui infectent principalement les vertébrés humains et animaux. Il s’agit de virus à ARN enveloppé à brin positif qui transcrivent leur ARN en un ADN intermédiaire au cours de la réplication virale, d’où le nom de « rétrovirus ». Les infections rétrovirales peuvent provoquer un large éventail de maladies allant des malignités aux déficiences immunitaires et aux troubles neurologiques.

Fluence = 67 – 110 J/m2

D 37Temps d’inactivation (niveau du sol) = 124,71 minutes

D37 Temps d’inactivation (au niveau du bureau) = 70,49 minutes

References

Li, Chun-Chieh Tseng & Chih-Shan. Inactivation of Virus-Containing Aerosols by. Study. Taipei: Aerosol Science and Technology, 2007. Document.

New Coronavirus (SARS-CoV-2) and the Safety Margins of Plasma Protein Therapies. 2020. Website. 08 07 2020.

Riley, Monica. Correlates of Smallest Sizes for Microorganisms. n.d. Website. 08 07 2020.

Sagripanti, C. David Lytle and Jose-Luis. Predicted Inactivation of Viruses of Relevance to Biodefense by Solar Radiation. Study. Harford County: Edgewood Chemical Biological Center, 2005. Document.

Soo-Ji Kim, Do-Kyun Kim, Dong-Hyun Kang. “Using UVC Light-Emitting Diodes at Wavelengths of 266 to 279 Nanometers To Inactivate Foodborne Pathogens and Pasteurize Sliced Cheese.” n.d. American Society for Microbiology. Document. 08 07 2020.

Chun-Chieh Tseng & Chih-Shan Li (2007) Inactivation of Viruses on Surfaces by Ultraviolet Germicidal Irradiation, Journal of Occupational and Environmental Hygiene, 4:6, 400-405, DOI: 10.1080/15459620701329012

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