Свет против вируса

Как технологии, разрабатываемые Osram, могут помочь в борьбе с пандемией?

Одним из следствий пандемии COVID-19 стало то, что компании и организации по всему миру пересматривают свой подход к медицине и биотехнологиям. Международные инвестфонды с начала 2020 года уже вложили десятки миллионов долларов в стартапы, разрабатывающие новые вакцины, лекарственные препараты и средства защиты от вирусов. Однако пока недостаточно внимания уделяется средствам предотвращения инфекционных заболеваний. Одним из наиболее эффективных из них является ультрафиолетовое излучение.

примечание

Обеззараживающие свойства ультрафиолета были открыты более 100 лет назад, а с 1930-х годов его начали активно использовать в больницах и на предприятиях в СССР, США и других странах. Сегодня дезинфицирующие УФ-приборы используются повсеместно – в офисах, детских садах и школах, кинотеатрах, торговых центрах, жилых домах и даже в вагонах поездов и салонах автомобилей. Компания Osram стала одним из ключевых игроков, повлиявших на становление этой технологии. Ежегодно компания вкладывает сотни миллионов евро в разработку инновационных источников ультрафиолетового излучения и продвижение технологии для обеззараживания в разных сферах человеческой деятельности – от медицины и автопрома до глобальных проектов по обеспечению чистой водой жителей беднейших стран.

Спектр ультрафиолетового излучения условно делится на четыре диапазона:

  • UV-A – с длиной волны от 315 до 400 нм,
  • UV-B – от 280 до 315 нм,
  • UV-C – от 200 до 280 нм,
  • VUV (так называемый «вакуумный» ультрафиолет) – от 100 до 200 нм.

У этих диапазонов разные свойства и, соответственно, области применения.

Например, УФ-А (UV-A) используется в детекторах денежных купюр, чтобы высвечивать незаметные в обычном освещении элементы защиты. Лампы с диапазоном УФ-Б (UV-B) широко используются в соляриях для создания искусственного загара. Научные исследования показывают, что УФ-С (UV-C) излучение способно уничтожать бактерии и вирусы. Именно в этом диапазоне работают все бактерицидные лампы и приборы, их использующие. При этом наибольшая эффективность достигается при длине волны 250–260 нм – такое излучение нарушает структуру ДНК молекул болезнетворных микроорганизмов и лишает их способности к метаболизму и размножению.

Лампа против вируса

Лампы ультрафиолетового спектра УФ-С диапазона используют эффект излучения, являющегося результатом электрического разряда в парах ртути низкого давления. Они бывают кварцевые и «безозоновые». В кварцевых лампах колба выполнена из кварцевого стекла, что объясняет её название. Наверное, каждый с детства помнит надписи «Внимание! Идет кварцевание!» в лечебных учреждениях.

blank

С тех пор ничего не изменилось – кварцевание, то есть облучение рабочей зоны с помощью УФ-С ламп с колбой из кварцевого стекла, остается настолько же эффективным, как и раньше. Однако у этого метода есть ряд недостатков. В спектре излучения кварцевой лампы, помимо бактерицидной составляющей с длиной волны 254 нм, присутствуют лучи с длиной волны 185 нм, воздействующие на содержащийся в воздухе кислород и частично преобразующие его в озон, который токсичен для человека даже в небольших концентрациях. Поэтому после кварцевания помещение обязательно нужно проветривать, чтобы свежий воздух максимально снизил содержание образовавшегося озона. Кварцевые лампы используются, прежде всего, в медицинских целях ввиду их высокой эффективности при лечении воспалительных заболеваний. Для обеззараживания воздуха в присутствии людей такие приборы использовать нельзя, поэтому их вытеснили безопасные бактерицидные лампы, так называемые «безозоновые» (или ozone-free).

Безозоновая бактерицидная лампа отличается тем, что её колба изготавливается из специального стекла, которое не пропускает часть спектра, вызывающую образование озона из воздуха. Однако воздействие УФ-C лучей может оказывать вредное воздействие на кожу человека и сетчатку глаз. Этого можно избежать несколькими способами. Один из них – создание приборов, в которых протекающий через них воздух облучается ультрафиолетовыми лампами, установленными в закрытом корпусе. При этом излучение не выходит за пределы аппарата. За счет того, что через это устройство постоянно проходит и обеззараживается воздушный поток, постепенно очищается весь воздух в помещении.

blank

Такие приборы называются рециркуляторами. Они могут использоваться в присутствии человека. Другой вариант – применение для дезинфекции УФ-приборов открытого типа, оснащенных встроенными датчиками движения и имеющих функцию отложенного старта. Датчики движения мгновенно отключают лампы при появлении человека в зоне излучения, а задержка при включении позволяет персоналу безопасно покинуть обрабатываемое помещение до начала работы устройства.

Технологии Osram для дезинфекции

Одним из ведущих мировых производителей безопасных ультрафиолетовых ламп является немецкая компания Osram. В 2005 году компания вывела на рынок ртутные лампы низкого давления HNS UV-C, предназначенные для очистки воды, воздуха и поверхностей с помощью высокоинтенсивного ультрафиолетового излучения, убивающего до 99,9 % бактерий и вирусов, а также эффективные против спор грибов.

blank
На сегодня это самый экологически чистый метод дезинфекции без применения химических веществ. Инженерам Osram удалось добиться того, что газоразрядные лампы низкого давления OSRAM HNS отличаются низким содержанием ртути, высоким бактерицидным потоком в течение всего срока службы и отсутствием образования озона при эксплуатации.

«Бактерицидные лампы OSRAM отличаются не только высокой эффективностью излучения, но и длительным сроком службы. При применении открытых облучателей лампы могут достаточно часто включаться и выключаться, так как их можно использовать только в отсутствии людей в помещении. Из-за этого сокращается срок службы ламп. В новом поколении открытых бактерицидных облучателей OSRAM AirZing, используется технология мягкого старта лампы с предварительным прогревом электродов. За счет этого существенно увеличивается срок службы ламп. Бактерицидные лампы OSRAM HNS соответствуют европейским экологическим стандартам, в том числе в отношении ограничений по предельному содержанию ртути. Это является серьезным фактором и аргументом для выбора ламп известного мирового производителя. Необходимо предупредить потенциальных пользователей о том, что на рынке имеются дешевые УФ-С лампы неизвестных азиатских производителей, как правило, представленные частными торговыми марками. Проверочные исследования ряда этих продуктов, проведенные в лаборатории Osram, показали превышение показателя максимального содержания ртути относительно европейского стандарта RoHS в 25 раз».

Максим Медведев, руководитель направления «Профессиональные лампы и цифровые решения» компании Osram

Сегодня приборы для дезинфекции, оснащенные лампами OSRAM HNS UV-C, широко применяются по всему миру в медицинских, школьных и дошкольных учреждениях, на предприятиях фармацевтической и пищевой промышленности, в плавательных бассейнах, спортивных залах, санаториях и других общественных помещениях.

В связи с пандемией COVID-19 компания Osram приступила к производству собственных приборов ультрафиолетового излучения, оснащенных лампами PURITEC HNS – облучателей широкой области применения AirZing. УФ-С облучатели AirZing оснащаются инфракрасными датчиками движения, которые обнаруживают появление людей в зоне УФ-С излучения и немедленно отключают прибор. Радиус зоны обнаружения ИК-датчиков AirZing достигает 7 м.

blank

Преимуществами приборов AirZing являются их простота и масштабируемость. Дело в том, что у каждого микроорганизма есть свой порог дозы облучения, при достижении которого УФС излучение производит дезинфицирующий эффект. Если появляется новый, более стойкий микроорганизм, в помещении достаточно установить дополнительные облучатели, чтобы повысить мощность бактерицидного потока и, таким образом, добиться нужной эффективности обеззараживания.

Устройства AirZing были разработаны Osram и начали использоваться во время эпидемии атипичной пневмонии в Азии, в частности, они были установлены в крупнейшем госпитале по борьбе с SARS – XTS Hospital в Пекине. В 2020 году Osram начала поставку приборов AirZing в госпитали, принимающие пациентов с коронавирусом. По состоянию на март 2020 года эти устройства работали в 45 госпиталях в провинции Хубэй, в том числе в 38 госпиталях Уханя. Эффективность этих устройств в борьбе с коронавирусом подтвердила Национальная комиссия по здравоохранению Китая.

blank

Ультрафиолет вместо химии

В отчете Исследовательского центра Калифорнийского университета (UC Santa Barbara’s Solid State Lighting & Energy Electronics Center, SSLEEC) приводятся данные, что УФ-С излучение может быть использовано для дезинфекции поверхностей от возбудителя инфекции COVID-19. При этом ВОЗ напоминает, что ультрафиолетовое излучение может нанести вред коже человека, а также вызвать фотоконьюктивит вследствие поражения сетчатки глаза. Поэтому речь идет исключительно о решениях, которые предполагают дезинфекцию воздуха и поверхностей без непосредственного контакта УФ излучения с людьми. По данным исследования НИИИ Гриппа РАМН, при использовании бактерицидных ламп достигается эффективность до 99,9 %, т.е. из 1000 микроорганизмов, содержащихся в воздухе на входе в прибор для дезинфекции, на выходе останется только 1, причем значительно ослабленный.

blank

Метод обеззараживания УФ-С излучением является более эффективной и безопасной альтернативой химической дезинфекции, которая уже давно используется для широкого круга задач. Однако большинство химических средств дезинфекции представлены в виде жидкостей и малоэффективны для очистки воздуха. При этом все использующиеся для такой дезинфекции химикаты в той или иной степени токсичны для человека. На данный момент нет информации, насколько безопасно, к примеру, постоянно протирать руки санитайзером, или находиться весь день в помещении, которое регулярно дезинфицируется при помощи составов на основе хлора. В любом случае, это будет вызывать ощущение дискомфорта. УФ-С излучение в больших дозах также может быть опасно для человека, но оно не оставляет следов в окружающей среде. Если человек зашел в помещение, которое за секунду до этого облучали ультрафиолетом, это никак не скажется на его здоровье. Мало того, скорее всего он этого даже не заметит.

Международная ассоциация IUVA (International Ultraviolet Association, некоммерческая организация, которая с 1999 года занимается продвижением технологий на базе ультрафиолетового излучения для решения проблем общественного здравоохранения и охраны окружающей среды) собрала мнения ученых и врачей по всему миру и пришла к выводу, что оптимальным является использование сразу обоих типов дезинфекции – химической и ультрафиолетовой, так как при решении задачи дезинфекции они делают это по-разному и прекрасно дополняют друг друга. «После обычной очистки и дезинфекции могут оставаться остаточные заражения, которые можно устранить с помощью ультрафиолета – целесообразно применять одновременно несколько дезинфицирующих методик, – говорится в официальном отчете IUVA. – В целом уменьшение количества микроорганизмов минимизирует риск инфицирования. Общую патогенную нагрузку можно значительно снизить, если применять УФ-С дезинфекцию доступных для облучения поверхностей в дополнение к другим методам очистки, особенно когда обеззараживание нужно обеспечить быстро. Кроме того, проводить УФ-С дезинфекцию воздуха, помещений или средств индивидуальной защиты в общем-то несложно».

Использование УФ-С лучей не ограничивается только дезинфекцией помещений. Технология позволяет также эффективно дезинфицировать воду, пищевые продукты и фармацевтические препараты, а также другие предметы и поверхности без применения химикатов. Сейчас компании разных сфер деятельности вкладывают огромные средства, чтобы минимизировать контакт людей с различными поверхностями. Например, авиакомпании разрабатывают технологии бесконтактной сдачи багажа, отели придумывают способы организовать бесконтактное заселение, магазины отказываются от приема наличных денег. Широкое распространение УФ-С дезинфекции позволяет решить часть подобных проблем, не меняя образ жизни людей кардинальным образом. Также немаловажным фактом является то, что использование УФ-С дезинфекции позволяет избегать мутаций вирусов и бактерий, так как они теряют способность репродуцироваться. В отличие от УФ-С метода, химическая дезинфекция при длительном применении может привести к появлению новых, более устойчивых, штаммов патогенных микроорганизмов, и в дальнейшем это может стать новой проблемой.

УФ светодиоды Osram для роботов-дезинфекторов

В настоящее время компания Osram активно работает над новым типом ультрафиолетовых излучателей на базе твердотельных источников света. В них используется совершенно иной принцип генерации света – излучение происходит при прохождении постоянного тока определенной величины через полупроводниковый p-n переход. Светодиоды отличаются миниатюрными размерами и незначительным энергопотреблением, благодаря чему в перспективе могут появиться очень компактные устройства для дезинфекции, которые способны поместиться в кармане. К тому же светодиоды не содержат ртути и не бьются, что делает их использование практически полностью безопасным.

Osram ведет разработку ультрафиолетовых светодиодов на основе нитрида галлия с добавлением алюминия (AlGaN). Такие светодиоды позволяют генерировать излучение с длиной волны 265 нанометров, которое признано оптимальным для уничтожения микробов. Широкое распространение таких светодиодов позволит создавать принципиально новые решения, которые ранее было невозможно реализовать по техническим причинам. К примеру, могут появиться автомобили, которые автоматически дезинфицируются в отсутствие в салоне водителей и пассажиров – идеальное решение для такси и каршеринговых автомобилей. Эксперты прогнозируют появление самодезинфицирующихся лифтов и даже роботов-дезинфекторов, которые смогут передвигаться по дому и уничтожать опасные бактерии и микробы.

Десятикратный рост

Аналитическая компания Allied Market Research оценивала мировой рынок оборудования для УФ-С дезинфекции в 2018 году в $1,1 млрд, к 2026 году этот сегмент должен был вырасти до $3,43 млрд. Совокупный среднегодовой рост рынка аналитики ожидали на уровне 15%. Однако нужно учитывать, что прогноз был сделан до пандемии COVID-19. По данным другой исследовательской компания Markets and Markets мировой рынок УФ дезинфекции достигнет 5,3 млрд к 2025 году при среднегодовом темпе роста сегмента в размере 12,3 %. Аналитики Osram считают, что с учетом текущей ситуации пандемии COVID-19 и ее последствий прогноз будет другой: рынок оборудования для УФ-С дезинфекции вырастет в несколько раз. Многое зависит от того, насколько интенсивно ведущие мировые компании будут инвестировать в развитие новых технологий, которые позволят создавать более эффективные и безопасные для людей источники УФ-С излучения.

Компания Osram ежегодно вкладывает значительные средства в разработку новых технологий, в том числе в производство светодиодов. В частности, было профинансировано строительство крупнейшего в мире производства светодиодов в Малайзии, а также разработка инноваций, таких как решения для умных городов, беспроводные технологии управления освещением, разработка новейших технологий в области органических лазеров и светодиодов. За один только 2019 год Osram инвестировала в эти направления R&D 418 млн евро.