Misura e monitoraggio della radiazione UVC a 254 nm

La linea a 253,7 nm delle lampade a mercurio a bassa pressione è una sorgente di radiazione centrale nella disinfezione UV di acqua e aria. La misurazione di riferimento, il monitoraggio dell'impianto e la valutazione della dose richiedono ciascuno concetti di sensore differenti. Ciò che conta è la corrispondenza spettrale, la geometria di misura, la stabilità a lungo termine e una taratura che corrisponda alla sorgente reale.

Questa pagina distingue i tre compiti di misura e mostra quali errori si generano quando sensore e sorgente non corrispondono.

L'effetto germicida della radiazione UV dipende dalla lunghezza d'onda. Segue essenzialmente l'assorbimento degli acidi nucleici e raggiunge il suo massimo nella regione intorno a 265 nm. La riga di emissione principale della lampada a mercurio a bassa pressione si trova a 253,7 nm e quindi nelle vicinanze: essa cattura gran parte dell'effetto senza trovarsi esattamente al massimo.

La lunghezza d'onda da sola non è tuttavia decisiva. L'effetto risulta dalla lunghezza d'onda, dall'esposizione radiante – irradianza per tempo – e dalla sensibilità del particolare microrganismo. Il fatto che 254 nm sia diventato lo standard tecnico è quindi anche una questione pratica: la sorgente lavora con elevata efficienza, il suo spettro è stretto e quindi univoco da valutare dal punto di vista metrologico, la trasmissione in aria e in acqua è sufficiente su percorsi rilevanti nella pratica, e la base normativa si è consolidata nel corso dei decenni.

La figura sottostante mostra lo spettro misurato di una lampada a mercurio a bassa pressione dal database spettrale di Opsytec insieme a uno spettro d'azione microbicida per spore di Bacillus subtilis (Cabaj et al. 2002, normalizzato a 253,7 nm). La riga di risonanza a 185 nm è disegnata schematicamente poiché si trova fuori dall'intervallo misurato.

La lampada a vapori di mercurio a bassa pressione è una scarica in gas in un tubo di quarzo contenente una goccia di mercurio e un gas di innesco, generalmente argon. La pressione del vapore di mercurio è di pochi pascal, la pressione interna totale arriva fino a circa 10 mbar. La scarica è fortemente non termica: gli elettroni raggiungono pochi elettronvolt mentre il gas resta quasi freddo. È proprio questo squilibrio che fa sì che la potenza fornita vada principalmente nell'eccitazione e non nel calore.

Gli urti degli elettroni portano gli atomi di mercurio ai livelli di risonanza; il loro decadimento allo stato fondamentale genera le due righe di risonanza. A 253,7 nm si trova la riga di emissione principale e quindi la quota utilizzata a scopo germicida. La seconda riga a 185 nm lascia la lampada solo se il materiale dell'involucro la trasmette; in aria genera ozono e, a seconda dell'applicazione, viene utilizzata deliberatamente per processi di ossidazione oppure viene soppressa mediante vetro di quarzo dopato (panoramica sulla lampada a vapori di mercurio, in tedesco).

Poiché entrambe le righe sono risonanti, i fotoni vengono ripetutamente assorbiti e riemessi all'interno del plasma. Questo radiation trapping lega direttamente l'efficienza alla pressione del vapore di mercurio e quindi alla temperatura della parete: l'optimum del punto più freddo della parete si trova attorno a 40 °C, e sopra e sotto tale valore l'emissione a 254 nm diminuisce. In un impianto, quindi, la temperatura del mezzo e il flusso agiscono direttamente sulla potenza radiante emessa. Le lampade ad amalgama spostano questo optimum verso temperature più elevate e consentono densità di potenza considerevolmente più alte.

Durante la vita utile la posizione della riga resta stabile mentre la potenza radiante diminuisce. Per la misurazione questo è il caso favorevole: la pesatura spettrale del sensore resta valida e solo l'ampiezza diminuisce. Con le lampade a media pressione e i LED UVC la distribuzione spettrale cambia anch'essa – ed è da qui che deriva il mismatch descritto più avanti.

L'effetto è venuto prima della tecnologia. Nel 1877 Downes e Blunt dimostrarono che la luce solare inibisce la crescita batterica; nel 1903 Niels Ryberg Finsen ricevette il Premio Nobel per la terapia con la luce. La sorgente corrispondente si sviluppò parallelamente: Leo Arons è considerato l'inventore della lampada a vapori di mercurio sulla base dei lavori del 1892, dal 1905 seguì la lampada solare in vetro di quarzo e tra il 1923 e il 1934 le lampade a scarica di mercurio furono commercializzate nelle versioni a bassa, media e alta pressione (panoramica sulla lampada a vapori di mercurio, in tedesco). Il primo impianto UV per la disinfezione dell'acqua potabile entrò in funzione a Marsiglia già nel 1910.

Solo più tardi l'effetto è diventato misurabile e confrontabile. Nel 1930 R. L. Gates pubblicò il primo studio sistematico sull'effetto battericida introducendo così lo spettro d'azione germicida. Dagli anni 1980 in poi è arrivato l'ancoraggio normativo nel trattamento dell'acqua potabile; in Germania il regolamento tecnico DVGW W 294 e la DIN 19294 determinano oggi le prove, i sensori d'impianto e la misurazione di riferimento.

Lo sviluppo si è quindi articolato in tre fasi: l'osservazione biologica nel 19° secolo, una sorgente controllabile nella prima metà del 20° secolo e la garanzia metrologica e normativa nella seconda metà. Solo la terza fase trasforma un effetto in un procedimento monitorabile.

Il maggiore campo di applicazione è la disinfezione di acqua potabile, di processo e di scarico in reattori a flusso continuo, in Germania con sensori di impianto e misurazione di riferimento secondo DVGW W 294 e DIN 19294-3. A ciò si aggiungono la disinfezione dell'aria e delle superfici nelle cliniche e nella produzione alimentare e farmaceutica, nei condotti di ventilazione e nelle camere bianche, così come il trattamento di imballaggi, nastri trasportatori e linee di riempimento nell'industria delle bevande e alimentare.

Se viene liberata la riga a 185 nm, si aggiunge l'effetto fotochimico: l'ossidazione UV e la riduzione del TOC agiscono con l'ozono formato nel percorso del fascio e con i radicali che ne derivano. Un'alternativa puramente fotochimica a lunghezza d'onda ancora più corta è descritta nella pagina misurazione della radiazione VUV a 172 nm di lampade a eccimeri di xeno. In laboratorio, la radiazione a 254 nm serve infine come riferimento definito, ad esempio per studi dose-risposta in un'apparecchiatura a fascio collimato. Effetto, procedure e norme sono inquadrati nel contesto nella pagina applicativa disinfezione UV.

In ogni caso vale la medesima relazione: ciò che conta è l'esposizione radiante effettivamente efficace nel mezzo, non la potenza nominale della lampada. Irradianza, tempo di permanenza, flusso e trasmissione determinano insieme il risultato – motivo per cui la misurazione è parte integrante della procedura e non un accessorio della stessa.

• Misura di riferimento. Un radiometro di riferimento tarato in modo riferibile determina l'irradianza in una posizione definita, per esempio per verificare un sensore d'impianto. Qui contano una bassa incertezza di misura e una geometria definita.
• Monitoraggio dell'impianto. Un sensore installato permanentemente monitora la sorgente in modo continuo e fornisce un segnale al sistema di controllo. Qui contano la stabilità a lungo termine, la resistenza al mezzo e alla pulizia, e un'interfaccia adeguata.
• Valutazione della dose o della fluenza. L'esposizione radiante relativa al mezzo non viene misurata direttamente ma derivata dall'irradianza, dal tempo di permanenza, dal flusso e dalla trasmittanza del mezzo, oppure determinata biodosimetricamente.

Questi tre compiti sono definiti separatamente. Un sensore d'impianto non sostituisce una misura di riferimento, e una misura di riferimento non sostituisce una valutazione della dose.

Un sensore progettato per 254 nm è adattato allo spettro a riga stretta della lampada a bassa pressione. Se lo stesso sensore viene utilizzato su una lampada a media pressione o su un LED UVC, esso valuta uno spettro diverso con una curva di responsività non prevista per tale scopo. Il risultato è una deviazione sistematica che può essere corretta soltanto mediante un fattore di correzione specifico per la sorgente.

Lo spettro cambia inoltre nel corso della durata di vita all'interno di uno stesso tipo di sorgente. Nelle lampade a bassa pressione la posizione della riga rimane stabile mentre la potenza diminuisce; nelle lampade a media pressione e nei LED anche la distribuzione spettrale cambia. Chi confronta o cambia tipo di sorgente ha quindi bisogno di un riferimento risolto spettralmente.

Nei reattori a flusso continuo un sensore misura in una posizione di montaggio definita attraverso una finestra del sensore. Ciò che viene misurato non è l'esposizione radiante che agisce sul mezzo, ma un segnale ad essa collegato tramite la progettazione dell'impianto. L'incrostazione della finestra, l'invecchiamento della sorgente e la trasmittanza del mezzo influenzano questo segnale in modo diverso – motivo per cui la posizione del sensore, la taratura e la regola di valutazione devono essere definite insieme.

In laboratorio, le configurazioni a fascio collimato permettono un irraggiamento definito, quasi parallelo, di un campione e quindi una relazione dose-risposta affidabile. Il trasferimento al reattore avviene tramite validazione, non tramite una singola lettura. La procedura è descritta nella pagina Validazione del reattore UV.

• Misuratore UVC – tutti i misuratori e sensori UVC a confronto.
• Radiometro di riferimento DVGW – misura di riferimento su impianti di acqua potabile secondo DIN 19294-3.
• UVC-SE e UVx-SE – sensori a tenuta di pressione per il monitoraggio permanente dell'impianto.
• RMD Pro con un sensore UVC – misura portatile su lampade, camere e superfici.
• SR900 – riferimento risolto spettralmente quando si confrontano tipi di sorgenti o lo spettro è sconosciuto.

Tutte le catene di misura sono tarate in modo riferibile nel laboratorio di taratura accreditato. La pagina applicativa Disinfezione UV inserisce la misura nel contesto dell'effetto, del processo e delle norme.

Dr.-Ing. Mark Paravia è l'amministratore delegato di Opsytec Dr. Gröbel GmbH a Ettlingen e dirige il laboratorio di taratura accreditato. Dopo le sue ricerche sulle scariche a eccimeri di xeno pulsato presso l'Institute of Lighting Technology del KIT, oggi il suo focus è la misurazione della radiazione ottica. È vicepresidente del comitato normativo DIN FNL 7 "Optical radiation" e membro del gruppo di progetto DVGW sulla disinfezione UV.