medición y monitorización de la radiación UVC a 254 nm

La línea de 253,7 nm de las lámparas de mercurio de baja presión es una fuente de radiación central en la desinfección UV de agua y aire. La medición de referencia, la monitorización de la instalación y la evaluación de la dosis requieren conceptos de sensor diferentes. Lo importante es la coincidencia espectral, la geometría de medición, la estabilidad a largo plazo y una calibración que se corresponda con la fuente real.

Esta página distingue las tres tareas de medición y muestra qué errores surgen cuando el sensor y la fuente no coinciden.

El efecto germicida de la radiación UV depende de la longitud de onda. Sigue esencialmente la absorción de los ácidos nucleicos y alcanza su máximo en la región en torno a 265 nm. La línea de emisión principal de la lámpara de mercurio de baja presión se sitúa en 253,7 nm y, por tanto, cerca de ese punto: capta gran parte del efecto sin situarse exactamente en el máximo.

Sin embargo, la longitud de onda por sí sola no es determinante. El efecto resulta de la longitud de onda, la exposición radiante –irradiancia por tiempo– y la sensibilidad del microorganismo en cuestión. Que 254 nm se haya convertido en el estándar técnico es, por tanto, también una cuestión práctica: la fuente funciona con alta eficiencia, su espectro es estrecho y, por ello, inequívoco de evaluar metrológicamente, la transmisión en aire y agua es suficiente en trayectos de relevancia práctica, y la base normativa se ha desarrollado a lo largo de décadas.

La figura siguiente muestra el espectro medido de una lámpara de mercurio de baja presión de la base de datos espectral de Opsytec junto con un espectro de acción microbicida para esporas de Bacillus subtilis (Cabaj et al. 2002, normalizado a 253,7 nm). La línea de resonancia de 185 nm se representa de forma esquemática porque se encuentra fuera del rango medido.

La lámpara de mercurio de baja presión es una descarga de gas en un tubo de cuarzo que contiene una gota de mercurio y un gas de arranque, normalmente argón. La presión de vapor de mercurio es de unos pocos pascales, y la presión interna total llega hasta unos 10 mbar. La descarga es fuertemente no térmica: los electrones alcanzan unos pocos electronvoltios mientras el gas permanece casi frío. Es precisamente este desequilibrio el que hace que la potencia suministrada se destine principalmente a la excitación y no al calor.

Las colisiones de electrones elevan los átomos de mercurio a los niveles de resonancia; su decaimiento al estado fundamental produce las dos líneas de resonancia. En 253,7 nm se encuentra la línea de emisión principal y, por tanto, la parte utilizada con fines germicidas. La segunda línea, en 185 nm, solo sale de la lámpara si el material de la envoltura la transmite; en el aire genera ozono y, según la aplicación, se utiliza deliberadamente para procesos de oxidación o se suprime mediante vidrio de cuarzo dopado (resumen de la lámpara de vapor de mercurio, en alemán).

Dado que ambas líneas son resonantes, los fotones se absorben y reemiten repetidamente dentro del plasma. Este atrapamiento de la radiación vincula la eficiencia directamente a la presión de vapor de mercurio y, por tanto, a la temperatura de la pared: el óptimo del punto más frío de la pared se sitúa en torno a 40 °C, y por encima y por debajo de este valor la emisión a 254 nm disminuye. En una planta, la temperatura del medio y el flujo actúan por tanto directamente sobre la potencia radiante emitida. Las lámparas de amalgama desplazan este óptimo hacia temperaturas más altas y permiten densidades de potencia considerablemente mayores.

A lo largo de la vida útil, la posición de la línea permanece estable mientras que la potencia radiante disminuye. Para la medición este es el caso favorable: la ponderación espectral del sensor sigue siendo válida y solo disminuye la amplitud. Con las lámparas de presión media y los LED UVC la distribución espectral también cambia, de donde proviene el desajuste descrito más adelante.

El efecto fue anterior a la tecnología. En 1877, Downes y Blunt demostraron que la luz solar inhibe el crecimiento bacteriano; en 1903, Niels Ryberg Finsen recibió el Premio Nobel por la terapia con luz. La fuente adecuada surgió en paralelo: Leo Arons se considera el inventor de la lámpara de vapor de mercurio a partir de sus trabajos de 1892, la lámpara solar de vidrio de cuarzo llegó desde 1905 y, entre 1923 y 1934, las lámparas de descarga de mercurio se comercializaron en versiones de baja, media y alta presión (resumen sobre la lámpara de vapor de mercurio, en alemán). La primera instalación UV para la desinfección de agua potable entró en servicio en Marsella ya en 1910.

Solo más tarde el efecto se volvió medible y comparable. En 1930, R. L. Gates publicó el primer estudio sistemático del efecto bactericida e introdujo así el espectro de acción germicida. A partir de la década de 1980 llegó el anclaje normativo en el tratamiento del agua potable; en Alemania, el código de buenas prácticas DVGW W 294 y la DIN 19294 determinan hoy los ensayos, los sensores de instalación y la medición de referencia.

El desarrollo se produjo así en tres pasos: la observación biológica en el siglo 19, una fuente controlable en la primera mitad del siglo 20 y el aseguramiento metrológico y normativo en su segunda mitad. Solo el tercer paso convierte un efecto en un procedimiento supervisable.

El mayor campo de aplicación es la desinfección de agua potable, de proceso y residual en reactores de flujo continuo, en Alemania con sensores de planta y medición de referencia según DVGW W 294 y DIN 19294-3. A esto se suman la desinfección de aire y superficies en clínicas y en la producción de alimentos y productos farmacéuticos, en conductos de ventilación y salas blancas, así como el tratamiento de envases, cintas transportadoras y líneas de llenado en la industria de bebidas y alimentos.

Si se libera la línea de 185 nm, se añade el efecto fotoquímico: la oxidación UV y la reducción de TOC funcionan con el ozono formado en la trayectoria del haz y los radicales que de él se derivan. En la página medición de radiación VUV de 172 nm de lámparas excimer de xenón se describe una alternativa puramente fotoquímica de longitud de onda aún más corta. En el laboratorio, la radiación de 254 nm sirve finalmente como referencia definida, por ejemplo para estudios de dosis-respuesta en un montaje de haz colimado. El efecto, los procedimientos y las normas se contextualizan en la página de aplicación desinfección UV.

En todos los casos se mantiene la misma relación: lo que cuenta es la exposición radiante realmente efectiva en el medio, no la potencia nominal de la lámpara. La irradiancia, el tiempo de permanencia, el caudal y la transmisión determinan el resultado en conjunto, por lo que la medición forma parte del procedimiento y no es un accesorio de este.

• Medición de referencia. Un radiómetro de referencia con calibración trazable determina la irradiancia en una posición definida, por ejemplo para comprobar un sensor de la instalación. Aquí lo que cuenta es una baja incertidumbre de medición y una geometría definida.
• Supervisión de la instalación. Un sensor instalado de forma permanente supervisa la fuente de manera continua y suministra una señal al sistema de control. Aquí lo que cuenta es la estabilidad a largo plazo, la resistencia al medio y a la limpieza, y una interfaz adecuada.
• Evaluación de la dosis o la fluencia. La exposición radiante referida al medio no se mide directamente, sino que se deriva de la irradiancia, el tiempo de permanencia, el caudal y la transmitancia del medio, o se determina biodosimétricamente.

Estas tres tareas se definen por separado. Un sensor de la instalación no sustituye a una medición de referencia, y una medición de referencia no sustituye a una evaluación de la dosis.

Un sensor diseñado para 254 nm está adaptado al espectro de líneas estrecho de la lámpara de baja presión. Si el mismo sensor se utiliza con una lámpara de media presión o un LED UVC, evalúa un espectro diferente con una curva de sensibilidad no prevista para ello. El resultado es una desviación sistemática que solo puede corregirse con un factor de corrección específico para la fuente.

El espectro también cambia a lo largo de la vida útil dentro de un mismo tipo de fuente. En el caso de las lámparas de baja presión, la posición de la línea permanece estable mientras que la potencia disminuye; en el caso de las lámparas de media presión y los LED, la distribución espectral también cambia. Por ello, quien compare o cambie entre tipos de fuentes necesita una referencia espectralmente resuelta.

En los reactores de flujo continuo, un sensor mide en una posición de montaje definida a través de una ventana del sensor. Lo que se mide no es la exposición radiante que actúa sobre el medio, sino una señal vinculada a esta a través del diseño de la instalación. El ensuciamiento de la ventana, el envejecimiento de la fuente y la transmitancia del medio afectan a esta señal de forma diferente, por lo que la posición del sensor, la calibración y la regla de evaluación deben definirse conjuntamente.

En el laboratorio, los montajes de haz colimado permiten una irradiación definida y casi paralela de una muestra y, por tanto, una relación dosis-respuesta fiable. La transferencia al reactor se realiza mediante validación, no mediante una única lectura. El procedimiento se describe en la página validación de reactores UV.

• Medidor UVC – comparativa de todos los medidores y sensores UVC.
• Radiómetro de referencia DVGW – medición de referencia en plantas de agua potable según DIN 19294-3.
• UVC-SE y UVx-SE – sensores estancos a la presión para el monitoreo permanente de la planta.
• RMD Pro con un sensor UVC – medición manual en lámparas, cámaras y superficies.
• SR900 – referencia con resolución espectral cuando se comparan tipos de fuentes o el espectro es desconocido.

Todas las cadenas de medición están calibradas de forma trazable en el laboratorio de calibración acreditado. La página de aplicación desinfección UV sitúa la medición en el contexto del efecto, el proceso y las normas.

Dr.-Ing. Mark Paravia es el director gerente de Opsytec Dr. Gröbel GmbH en Ettlingen y dirige el laboratorio de calibración acreditado. Tras su investigación sobre descargas de excímero de xenón pulsado en el Institute of Lighting Technology del KIT, su enfoque actual es la medición de radiación óptica. Es vicepresidente del comité de normalización DIN FNL 7 «Radiación óptica» y miembro del grupo de proyecto de la DVGW sobre desinfección UV.