Bild 1: Der Arbeitsablauf der Sterilisation unter Verwendung von UV-LEDs. Die Keimfreiheit ist gerade im medizinischen Umfeld essenziell. (Bild: Rutronik)

Bild 1: Der Arbeitsablauf der Sterilisation unter Verwendung von UV-LEDs. Die Keimfreiheit ist gerade im medizinischen Umfeld essenziell. (Bild: Rutronik)

UV-LEDs kommen nicht nur in der klassischen Endverbraucher-„Glühlampe“ zum Einsatz, sondern zunehmend auch im professionellen industriellen Bereich. Sie beseitigen nachhaltig und großflächig Gerüche und desinfizieren Wasser, Luft und Oberflächen z.B. in der Labortechnik. In der Landwirtschaft kommen sie bei Hortikultur und Zucht zum Einsatz und sie finden im 3D-Druck und in der Aushärtung Anwendung.

UV-LEDs für Aushärtungssysteme

Klebstoffe, Beschichtungen und Tinten benötigen umweltfreundliche Aushärtungssysteme auf Basis von UV-LEDs, die wenig Energie verbrauchen. Die Trocknung erfolgt hier durch das Verdampfen des Lösungsmittels und der anschließenden chemischen Vernetzung des Bindemittels mit sich selbst. Ein großes Manko ist hier die Freisetzung von entzündlichen Gasen und Feinstauben. Die für die Verbrennung, Reinigung oder Destillation dieser Schadstoffe zusätzlich benötigte Energie macht den Einsatz von chemischen Zusätzen ineffizient und unnötig kompliziert.

Im Gegensatz dazu löst die Aushärtung durch externe Reizmittel wie Licht, Wärme oder Strahlung keine Verdampfung der Lösungsmittel aus. Bei der Strahlenhärtung wird das Harzbindemittel durch eine Formulierung von flüssigen Monomeren und Oligomeren ersetzt, in die sich das Pigment dispergieren lässt, in der Regel ohne Lösungsmittel oder Wasser. Die Beschichtung ist vollständig reaktiv und die Menge oder Dicke, die nass gelegt wird, ist im Wesentlichen die gleiche wie die Dicke nach der Aushärtung.

Da UV-Energie einzigartige Wechselwirkungen mit vielen verschiedenen Materialien aufweist, ermöglicht die UV-Härtung die Herstellung von Produkten mit bestimmten Eigenschaften, die durch andere Methoden nicht erreichbar sind. Dies hat dazu geführt, dass UV-Härtung in vielen Bereichen der Fertigung, wo Eigenschaften wie Veränderungen in Festigkeit, Härte, Haltbarkeit, chemischer Beständigkeit sowie Umweltfreundlichkeit, Energieeffizienz und Emissionsfreiheit erforderlich sind, die Technik der Wahl geworden ist.

Dank UV-LEDs lassen sich Herstellungsprozesse genau programmieren, wodurch die ständige Überwachung der Aushärtung unnötig wird. Mit einem sehr kleinen thermischen Widerstand verbrauchen UVA-LEDs sehr wenig Energie, produzieren fast keine flüchtigen Kohlenwasserstoffe oder gefährliche Luftschadstoffe und verursachen nahezu keinen Ausschuss aufgrund von Staus oder Lecks. Stattdessen ermöglichen sie eine höhere Produktionsleistung und Förderkapazität dank geringer Wärmeentwicklung, der Möglichkeit zur sofortigen Weiterverarbeitung und verbessertem Korrosionsschutz.

Bei der Reihe RT25E9 von Refond handelt es sich um UVA-Module mit einer Strahlungsstärke von 15 W/cm². Sie eignen sich besonders für Dekoration und Beschichtung von Behältern aus Metall, die Trocknung und Härtung von Kunststoffbeschichtungen oder von Lack auf Holz (Parkett, Hartholzleisten, Holzmöbel). Auch im Curing-Bereich, sprich für die Aushärtungssysteme von Klebstoffen, die Trocknung von Tinte in Druckern und für 3D-Druckverfahren kommen sie zum Einsatz. Die Vorschriften zur Beschränkung des Einsatzes schwermetallhaltiger anorganischer Druckfarben (EU-Verpackungsrichtlinie 94/62/EG) sowie steigende Energiekosten haben zu einem verstärkten Einsatz der UV-Härtung geführt.

Das sind die Einsatzgebiete von UV-LEDs

UV-LEDs erlauben die Entwicklung intelligenter, integrierter Systeme für die Desinfektion von Luft, Wasser und Oberflächen, für die Materialaushärtung und auch zur Geruchsneutralisierung. Durch eine präzise Wellenlängenauswahl lassen sich gezielt die jeweilig benötigten Oberflächenzustände erreichen oder auch Molekülbindungen brechen. Im Bereich der Aushärtung punkten UV-LEDs vor allem durch ihren niedrigen thermischen Widerstand und die damit verbundene geringe Leistungsaufnahme. In der Photometrie kommen häufig UV-LEDs mit den Wellenlängen 308 nm bzw. 311 nm zum Einsatz, während in der Virusbekämpfung die Wellenlängen 265 nm, 275 nm und 285 nm Verwendung finden. Die Wellenlänge 388 nm hat sich bei der chemikalienfreien Geruchsbekämpfung mit TiO-basierter Photokatalyse bewährt.

Photometrie

UV-LEDs eignen sich als Lichtquellen in komplexen spektroskopischen Fluor-Sensortechniken, mit denen in Flüssigkeiten verdünnte Materialien oder Moleküle analysiert werden. Um den Fluoreszenzeffekt zu erzeugen, muss die nachzuweisende Substanz bei einer Wellenlänge emittieren, die größer ist als die verwendete Lichtquelle. Lichtquellen auf der Basis von UV-LEDs sind erforderlich, um Kohlenwasserstoffschadstoffe in Wasser nachweisen zu können. Gerade die Fähigkeit zur Erzeugung von gepulstem Licht, die Nutzerfreundlichkeit und die im Vergleich zu bislang verwendeten Lasern niedrigen Kosten machen aus LEDs eine interessante Alternative.

So bietet beispielsweise Refond mit seiner UVC+UVA-3535-2-Chip-Reihe bzw. der UVB-3737-Variante mit Wellenlängen von 308 nm bzw. 311 nm LEDs für Mehrfeldanwendungen, die eine hohe Zuverlässigkeit, hohe optische Ausgangsleistung und geringe Lichtdämpfung bieten. Dank ihrer Langlebigkeit und Stoßfestigkeit eignen sie sich besonderen für die Fluoreszenzspektroskopie, Phototherapie (zur Behandlung von Hautkrankheiten), Bioanalyse und Hortikultur-Beleuchtung (zur Maximierung der Ernte).

UVC-LEDs für Entkeimungssysteme

Keimfreiheit ist gerade im medizinischen Umfeld und der Lebensmittelindustrie von essenzieller Bedeutung. Dabei ist zwischen passiven und aktiven Lösungsansätzen zu unterscheiden.

Die passiven Lösungen beinhalten Filter und chemische Produkte, wie z.B. Chlor. Dabei ist die Anwendung von Chemikalien ausschließlich für statische Anwendungen geeignet, da die verwendete Menge exakt auf das zu reinigende Volumen anzupassen ist, um die Entstehung von flüchtigen Kohlenwasserstoffen, wie Chlordioxid zu vermeiden.

Aus Drogerien bekannte Filter wie HEPA, Aktivkohle, Keramik, etc. machen sich den Speichereffekt zunutze, bei dem die Schadstoffe lediglich zurückgehalten, aber nicht zerstört werden. Diese Filtersysteme sind wartungsintensiv und entsprechend nicht für eine Fernsteuerung geeignet.

Zu den aktiven Lösungen zählen Ozon-Generatoren, wie Ionisatoren und Plasma-Systeme, sowie UV-Licht. Der Nachteil bei Ionisatoren ist klar in der Entstehung von Ozon zu sehen. Dabei handelt es sich um ein starkes und giftiges Oxidationsmittel, das bei Menschen und Tieren zu Reizungen der Atemwege und Augen führen und Atemwegserkrankungen begünstigen kann.

Das künstliche UV-Licht stammt aus UV-Lampen oder UV-LEDs. Die traditionellen Lampen, wie die Niederdruck-Gasentladungsröhre, haben viele Nachteile, vor allem die schädliche und gefährliche Verwendung von Quecksilber und geringe Schaltzyklen. Quecksilberfreie UV-Produkte werden die Art und Weise, wie Anwendungen in UV-Marktsegmenten wie der medizinischen Bildgebung von Zellen, Arzneimittelerkennung, Brandschutz, Konservierungsprozess und Photosynthese aufgebaut sind, verbessern und in einigen Fällen revolutionieren. Das Rutronik-Portfolio bietet eine Vielzahl an UV-geführten Komponenten und Modulen, UV-Objektive, LED-Treiber, Luftlüfter, Steuersensoren (UV, VOC, PIR, etc.), die für nahezu jede Anwendung eine Lösung enthalten (Bild 1).

UVC-LEDs als Viruskiller

Bakterien, Viren, Sporen und Keime absorbieren Licht mit Wellenlängen von 265 bis 280 nm, das von UVC-LEDs emittiert wird. Dies bricht ihre DNA/RNA-Bindungen, sodass eine Fortpflanzung nicht mehr möglich ist. Insbesondere bei der Verwendung gegen multiresistente Mikroorganismen sind UVC-LEDs eine sehr gute Lösung. Dies gilt auch für Situationen, die eine umfassende Oberflächen- oder Wasserdesinfektion – ohne den Einsatz von Chemikalien oder thermischer Desinfektion, wie bei der Trinkwasseraufbereitung – erfordern.

Vor allem bei UVC-LEDs haben genau die Wellenlängen die höchste Intensität, die die stärkste keimtötende Wirkung haben, nämlich 265 nm. Bild 2 zeigt dies am Beispiel von Kryptosporidien, Parasiten, die sich vor allem durch verunreinigtes Trinkwasser verbreiten. Andere Erreger, Bakterien und Viren weisen ganz ähnliche Charakteristika auf. 

Bild 2: Die Wellenlängen von UVC-LEDs sind dort am intensivsten, wo Kryptosporidien – wie auch andere Bakterien und Viren – am empfindlichsten darauf reagieren. (Bild: Rutronik)
Bild 2: Die Wellenlängen von UVC-LEDs sind dort am intensivsten, wo Kryptosporidien – wie auch andere Bakterien und Viren – am empfindlichsten darauf reagieren. (Bild: Rutronik)

Hersteller wie Stanley, Lextar und Refond verfügen über UVC-LEDs mit einer Wellenlänge von 265 nm sowohl im Low-Power-, Mid-Power- und High-Power-Segment (ab 50 mW). Im Vergleich zu LEDs mit Wellenlängen von 275 nm oder 285 nm überzeugen diese bei der Anwendung durch die Fähigkeit der Kurzzeitdesinfektion, LED-Reduzierung und besserer Desinfektionsleistung. Die UVC-LEDs von Stanley verfügen zudem über eine Linse aus Quarzglas, die eine hohe UV-Transmission und UV-Beständigkeit gegenüber den herkömmlichen Linsen aufweisen.

Eine Kombination der Quarzglaslinse mit einem Gehäuse aus Keramik ermöglicht es, die LED hermetisch zu versiegeln, wodurch der LED-Chip vor Umgebungsfeuchtigkeit geschützt wird (Bild 3). Dadurch erreicht die LED eine hohe Qualität selbst bei extremen Umgebungsbedingungen. Mit dieser und weiteren Eigenschaften wie z.B. einer langen Lebensdauer (10.000 Stunden) und einer stabilen Leistung bei höheren Temperaturen (80 bis 100 °C) sowie einer maximalen Sperrschichttemperatur von 110 °C plant Stanley, seine UVC-LEDs auch für Automotive-Anwendungen auszulegen.

Bild 3: Die UVC-LED ZEUBE265 von Stanley liefert 265 nm Wellenlänge und nimmt dabei 50 mW Leistung auf (bei 440 mA und 6,9 V). Sie lässt sich hermetisch abdichten und ist mit Keramikgehäuse besonders robust. (Bild: Stanley)
Bild 3: Die UVC-LED ZEUBE265 von Stanley liefert 265 nm Wellenlänge und nimmt dabei 50 mW Leistung auf (bei 440 mA und 6,9 V). Sie lässt sich hermetisch abdichten und ist mit Keramikgehäuse besonders robust. (Bild: Stanley)

Zudem entwickelt Stanley derzeit zwei neue UVC-LEDs mit 200 mW Leistung im 4-Chip- (ZEUDE265) und 1-Chip-Format (ZHUDE265). Die 4-Chip-Variante ist bereits als Muster zur Evaluierung erhältlich.

Lextar bietet zahlreiche UVC-Module mit einer Spannung von 24 V. Bild 4 zeigt zum Beispiel ein Modul mit UVC-LEDs für die Anbringung in Wasserleitungen mit einem Durchfluss von zwei Litern pro Minute. Im Testeinsatz gegen E.coli-Bakterien erzielt die Lösung eine Desinfektionrate von 99,99 Prozent.

Bild 4: Desinfektionsmodul mit UVC-LEDs für die Anbringung in Wasserleitungen. Das Modul bekämpft E.coli-Bakterien im Wasser erfolgreich. (Bild: Lextar)
Bild 4: Desinfektionsmodul mit UVC-LEDs für die Anbringung in Wasserleitungen. Das Modul bekämpft E.coli-Bakterien im Wasser erfolgreich. (Bild: Lextar)

Geruchskiller: Ein Hauch frischer Luft dank UVC-LEDs

Die Titanoxid-basierte Photokatalyse ist eine effektive Möglichkeit, Bakterien, Viren, schädliche Gase oder Gerüche, z.B. bei der Luftreinigung, zu zersetzen. Je nach Wellenlänge und Antriebsstrom sind LEDs bei der Neutralisierung von VOCs unterschiedlich effektiv. Die Photokatalyse-Reaktion findet statt, wenn nanoskalische Titandioxid-Ultrafeinpartikel mit ultraviolettem Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 388 nm bestrahlt werden. Sie absorbieren die Lichtenergie, um Elektronen- und Lochpaare anzuregen. Sie werden damit zu fotogenerierten Trägern und wandern schnell auf ihrer Oberfläche. Dort aktivieren sie den adsorbierten Sauerstoff.

Vorhandene Feuchtigkeit produziert aktive, freie Hydroxylgruppen (OH) und reaktive Sauerstoffspezies (O). Wenn Schadstoffe und Bakterien an die Oberfläche gelangen, kommt es zu einer Kettendegradationsreaktion. Das Verfahren führt zu einem nachhaltigen Abbau von Schadstoffen, zur Reinigung der Luft, Freisetzung von negativen Sauerstoffionen, Desodorierung und Sterilisation. Vor allem ist dieser Prozess umweltfreundlich, denn es ist kein Austausch des Photokatalysefilters notwendig und die verwendeten UVA-LEDs verfügen über eine Lebensdauer von 50.000 Stunden, bei einer Steigerung der Effizienz um 50 Prozent.

Der Effekt wurde kürzlich durch zwei Studien des japanischen Kanagawa Institute of Industrial Science and Technology (KISTEC) mit einem UVTP-basierten Geruchsneutralisator gezeigt. Für die Studien wurde Acetaldehyd, ein Gas mit scharfem Geruch, in einen 36-Liter-Tank eingespeist, bis eine Konzentration von 10 ppm erreicht war. Dann wurde der Geruchsneutralisator aktiviert und die Konzentration über einen Zeitraum von 60 Minuten mit einem photoakustischen Multigasmonitor gemessen. Das Ergebnis: Nach 14 Minuten betrug der Acetaldehydgehalt nur 0,1 ppm, nach 23 Minuten noch 0,05 ppm. Das Verfahren wurde mehrmals wiederholt, immer mit dem gleichen Ablauf.

Weitere Beispiele für die UV-unterstützte Titanoxid-Photokatalyse (UVTP)

Der Schadstoff Formaldehyd reagiert mit Ozon (durch die Reaktion von Umweltsauerstoff und Titandioxid erzeugt), so dass Kohlendioxid, Wasser und Sauerstoff entstehen.

  • HCHO + 2O3 = CO2 + H2O + 2O2

Der Schadstoff Kohlenmonoxid reagiert mit Ozon, so dass Kohlendioxid und Sauerstoff entstehen.

  • CO + O3 = CO2 + O2

Der Schadstoff Benzol reagiert mit Ozon, so dass Kohlendioxid und Wasser entstehen.

  • C6H6 + 5O3 = 6CO2 + 3H2O

Der Schadstoff Ammoniak reagiert mit Ozon, so dass Stickstoff, Wasser und Sauerstoff entstehen.

  • 2NH3 + 3O3 = N2 + 3H2O + 3O2

UVA-LEDs in intelligenten Systeme

Rutronik hat basierend auf den Forschungsergebnissen aus Japan eine Geruchsneutralisierungsdemo (Bild 5) entwickelt, die Gerüche mittels VOC-Sensor erkennt und mit UVA-LEDs in Kombination mit einem Photokatalysefilter oder einer Platine neutralisiert.

Bild 5: Geruchsneutralisierungsdemo mittels VOC-Sensor und UVA-LEDs. (Bild: Rutronik)
Bild 5: Geruchsneutralisierungsdemo mittels VOC-Sensor und UVA-LEDs. (Bild: Rutronik)

In Zusammenarbeit mit Rutronik hat die Firma Exklusiv-Hauben Gutmann darauf aufbauend umweltfreundliche Abzugshauben und Luftreiniger namens „Eliminador“ (Bilder 6 und 7) entwickelt.

Bild 6: Eine umweltfreundliche Abzugshaube auf Basis von UV-LEDs. (Bild: Rutronik)
Bild 6: Eine umweltfreundliche Abzugshaube auf Basis von UV-LEDs. (Bild: Rutronik)

Die beiden Geräte basieren auf der Kombination von UVC-LEDs zur Entkeimung sowie UVA-LEDs und Photokatalysefilter für die Geruchsvernichtung in geschlossenen Gehäusen. So wird sichergestellt, dass keine ultraviolette Strahlung austritt und keine Gefahr für die Benutzer darstellt. Dank eines leistungsstärkeren und lautlosen Motors kommen die Geräte in Räumen mit 50 bis 300 m³ zum Einsatz.

Bild 7: Der Eliminador ist ein Luftreiniger, der eine Kombination aus UVA-LEDs und Photokatalysefilter einsetzt. (Bild: Rutronik)
Bild 7: Der Eliminador ist ein Luftreiniger, der eine Kombination aus UVA-LEDs und Photokatalysefilter einsetzt. (Bild: Rutronik)

Die hochdosierte UV-Lichttechnik entfernt effektiv und zuverlässig Bakterien und alle bekannten Viren. Die Kombination aus UVA-LEDs und Photokatalysefilter wandelt alle gefährlichen Gase und unangenehme Gerüche in ungefährliche, geruchlose Gase – ganz ohne Rückstände wie Ozon oder den Einsatz von Chemikalien. Dies ist eine simple Umsetzung für gesunde Raumluft, umweltfreundliche und wirkungsvolle Desinfektion – abgeleitet von der Natur. (na)

Autor

Alain Bruno Kamwa (Bild: Rutronik)

Alain Bruno Kamwa ist Product Sales Manager Opto bei Rutronik Elektronische Bauelemente. 

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