El Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) ha organizado la segunda reunión de I+D sobre la luz ultravioleta germicida (GUV – Germicidal UltraViolet), por la que expertos procedentes del mundo académico, los laboratorios nacionales, las agencias gubernamentales y la industria han debatido sobre las áreas críticas en I+D de esta campo de la iluminación, desde la fotobiología y los diseños de aplicaciones hasta los productos de las luminarias y las fuentes ultravioletas (UV). 

Esta segunda reunión, después de que la primera se celebrara a finales de 2020, reunió a dieciséis expertos en diferentes aspectos de la desinfección ultravioleta germicida (GUV) para intercambiar ideas y explorar los retos críticos de I+D de esta pujante tecnología. 

Los debates que siguieron a las presentaciones de los ponentes ofrecieron una variedad de valiosas perspectivas sobre una serie de temas de investigación que podrían hacer avanzar la tecnología de desinfección UV. A continuación hacemos un recorrido por las principales conclusiones y temas abordados durante el encuentro:

Fuentes LED UVC

Un aspecto clave para el desarrollo de producto y soluciones GUV es el avance tecnológico con respecto a las fuentes de luz, y en concreto de las fuentes LED ultravioleta de banda C (UVC). 

Las lámparas de vapor de mercurio de baja presión tienen una alta eficiencia (30-40%), un bajo coste, una gran variedad de tamaños y formas, y mucha experiencia de campo, pero también contienen mercurio, que es contaminante. En estas lámparas se utiliza vidrio de cuarzo para filtrar los picos generadores de ozono, dejando así la línea de emisión UVC de 254 nm. La vida útil de las lámparas suele ser de unas 9.000-10.000 horas.

Las lámparas de excímero de KrCl proporcionan un pico de longitud de onda más bajo, en torno a los 222 nm, lo que tiene ventajas potenciales para reducir el riesgo para la piel y los ojos. Estas lámparas también deben filtrar los picos de baja longitud de onda (que crean ozono), por lo que la eficiencia de la fuente disminuye de ~ 6-8% sin filtrar a 2-3% una vez filtrada. La vida útil de estas lámparas de excímero de KrCl es de entre 3.000 y 5.000 horas.

Aunque los actuales LEDs UVC son menos eficientes que las fuentes de mercurio y de excímero, tienen potencialmente mucho margen de mejora, a diferencia de las lámparas existentes que ya han llegado a su límite tecnológico. Además, los LED UV están alcanzando el rendimiento de las lámparas de vapor de mercurio de baja presión en términos de eficiencia efectiva cuando se aplica la eficiencia de la fuente de alimentación, la eficiencia de utilización de la luz y las reducciones del tiempo de espera.

Los LEDs UVC comerciales pueden alcanzar eficiencias de conversión de energía del 3-6% a 280 nm, mientras que los mejores resultados de I+D han alcanzado una eficiencia de conversión de energía del 10%.

Los participantes destacaron los esfuerzos de investigación que se están llevando a cabo en los LEDs UV y señalaron los retos técnicos que quedan para mejorar la eficiencia y la vida útil. En concreto, las estrategias de desarrollo actuales en relación con los LED UV incluyen la mejora de la eficiencia de conversión de potencia, la mejora de la densidad de flujo y el mantenimiento de una larga vida útil. 

Entre las áreas de investigación más específicas se encuentran el control de los defectos en el crecimiento de la heteroestructura de AlGaN (defectos puntuales) y las plantillas de crecimiento de baja densidad de dislocación; los materiales de contacto p reflectantes de la luz UV para las estructuras de los flip chips; la mejora de la extracción de luz (fotones) para reducir la reflexión interna total; los encapsulantes transparentes a la luz UV (para los paquetes); y la mejora de la gestión térmica en los paquetes (que tienen una carga térmica de 8~10x a la misma corriente en comparación con los LED blancos).

Entre los objetivos de rendimiento futuros debatidos por los participantes se encuentran la mejora de los dispositivos LED UVC para lograr una eficiencia de conversión de energía de >15% para 2024 y >30% para 2030; tiempos de vida L70 (tiempo para el mantenimiento del flujo luminoso hasta alcanzar el 70% de la potencia radiante original) > 30.000 horas; y rangos de longitud de onda hasta 222 nm. 

Otras mejoras relacionadas son el avance de los módulos LED UVC mediante la mejora del diseño óptico de conformación del haz para la radiación UV, la integración de sensores UV en los módulos y la mejora de los procesos de fabricación para obtener soluciones de módulos UV más rentables.

Desarrollo de luminarias GUV

Los participantes también examinaron el estado de la tecnología de las luminarias GUV y consideraron las áreas de mejora del diseño para avanzar en la entrega efectiva de GUV en el espacio. En concreto en los siguientes aspectos:

• Uniformidad de irradiación y mejor control óptico
• La estabilidad de los materiales bajo la irradiación UVC
• Avances en el software de modelado
• Nuevos sensores para luminarias GUV

Uniformidad de irradiación y mejor control óptico 

Uno de los aspectos claves es conseguir que las luminarias GUV tengan una mayor uniformidad de irradiación. Para conseguir una distribución más eficaz de la luz ultravioleta, es necesario mejorar la forma del haz óptico para conseguir la distribución deseada y, al mismo tiempo, reducir las pérdidas del sistema para mejorar la eficacia energética general de los sistemas de luz ultravioleta.

Los participantes describieron cómo las distribuciones ópticas moldeadas pueden permitir una mejor uniformidad de la irradiación. Una alta uniformidad (irradiancia máxima/mínima) da lugar a una mayor tasa de fluencia media y, por tanto, a una mayor eficacia germicida con la misma irradiancia máxima. Asimismo, el uso de perfiles de distribución óptica no lambertianos, como las distribuciones en forma de ala de murciélago, también pueden  proporcionar una mayor uniformidad de irradiación.

Otras tecnologías de control del haz incluyen la nanoimpresión para crear pilares u otras nanoestructuras que dirijan el haz óptico sin el uso de ópticas secundarias (que suelen ser materiales basados en polímeros que pueden degradarse con la irradiación UV de alta energía).

Las metasuperficies constituyen otro ámbito de investigación novedoso con el potencial de proporcionar un control del haz sin óptica secundaria. Desde el punto de vista de la aplicación, un mejor control óptico puede permitir que la luminaria se dirija a diferentes superficies de la sala y proporcionar otro mecanismo para ofrecer una desinfección GUV específica en el espacio.

Estabilidad de los materiales bajo la irradiación UVC

La estabilidad de los materiales bajo la irradiación UVC también es una preocupación, ya que muchos polímeros comunes (por ejemplo, telas, pintura y otros materiales orgánicos) sufrirán daños por UV bajo una exposición prolongada. 

Los fotones UVC de mayor energía también pueden degradar los materiales utilizados en la construcción de luminarias (ópticas o reflectores difusos basados en polímeros). A medida que estos materiales de las luminarias y/o de los edificios se degradan, existe la posibilidad de que se generen microplásticos (MP) en el aire, que son motivo de preocupación para la comunidad científica como posible peligro para la salud y contaminante medioambiental. 

Las concentraciones de microplástico en el aire en el interior pueden aumentar teóricamente cuando se utilizan sistemas UV, ya que cualquier polímero que se encuentre cerca de una fuente UV acabará degradándose. Los participantes sugirieron que es necesario investigar para determinar el grado de preocupación que los microplásticos deberían suponer para el diseño de los sistemas GUV. Los diseñadores e implementadores de sistemas deben asegurarse de que los sistemas GUV puedan cumplir con los niveles de concentración de microplásticos aceptables en el aire y el agua potable. 

“Más allá del estado de seguridad, debería considerarse la posible reducción de la vida útil de los materiales de construcción bajo la irradiación de GUV. En general, es importante desarrollar una mejor comprensión de los riesgos medioambientales de la adopción generalizada de la tecnología GUV, teniendo muy en cuenta los plásticos expuestos”, concluyeron los expertos en este ámbito.

Softwares de modelado 

Los avances en el software de modelado son esenciales para ayudar al desarrollo de diseños de luminarias GUV más eficientes. Una modelización precisa puede permitir a los diseñadores determinar si los productos GUV en los espacios ocupados pueden ser más eficientes desde el punto de vista energético que el aumento de las cargas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) para aumentar los cambios de aire. 

El software debe ser capaz de calcular los valores radiométricos UVC (como la absorción/reflexión y la fluencia) y aprovechar un catálogo de materiales arquitectónicos con datos de reflectancia de la superficie en las longitudes de onda UVC. Además, la capacidad de simular la eficacia de la inactivación de patógenos cuando se dispersan en el aire requiere armonizar el software de modelado de dinámica de fluidos con los paquetes de diseño de software de iluminación. El desarrollo del análisis de la GUV de la sala completa/superior para los patógenos requiere un mayor desarrollo de las herramientas de simulación.

Sensores en luminarias GUV

Los participantes también identificaron oportunidades para implementar sensores en las luminarias GUV. Los sensores actuales son de bajo coste y basados en el silicio, que son de amplio espectro y vulnerables a la radiación de la sala. Los detectores basados en AlGaN son una opción más estable bajo la irradiación UV. 

Además, el desarrollo de sensores de bioaerosoles para detectar patógenos sería un esfuerzo de investigación que merecería la pena. Los participantes también sugirieron que el DOE debería apoyar la I+D para entender cómo podría implementarse un sistema GUV e integrarse con los sistemas de automatización de edificios y los sistemas HVAC, ya que los sensores deben ser capaces de comunicarse con otros sistemas del edificio.

Medidas y normas de GUV

Los participantes debatieron sobre los actuales métodos y herramientas de caracterización para realizar mediciones precisas de la radiación UV, y ofrecieron información actualizada sobre el desarrollo de normas.

El Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) ha mejorado la precisión de las mediciones de UV hasta las longitudes de onda de 200 nm con un error inferior al 1% y puede calibrar los LED para la distribución de la intensidad radiante (y el flujo radiante) de 200 a 1.700 nm. Aunque la precisión de las pruebas de los LEDs UV ha mejorado, el rendimiento de los sensores y detectores UV sigue mostrando una gran variabilidad. “Los usuarios deberían, por tanto, tener cuidado con la geometría de la configuración del detector en relación con la forma en que se calibraron los detectores, ya que pueden producirse grandes errores con una geometría incorrecta. Se necesita más I+D para mejorar la precisión de los sensores y su correcta implementación en las mediciones de GUV”, concluyen los expertos.

La American National Standards (ANSI Standards) y la Illuminating Engineering Society (IES), en colaboración con la International Ultraviolet Association (IUVA), están desarrollando varias normas relacionadas con los rayos UV, entre ellas la ANSI/IES LM-92 – Método aprobado para la medición eléctrica y ultravioleta de los diodos emisores de luz (LED).

Asimismo, se están desarrollando otras normas para la medición eléctrica y ultravioleta de diferentes tipos de fuentes UV y la calibración y caracterización de los detectores UVC. Además, se está desarrollando un etiquetado estandarizado para los productos GUV con especificaciones generales como los vatios nominales, los vatios UV, el consumo de corriente, el espectro de emisión, la producción de ozono y el contenido de mercurio.

La ampliación de las normas y el etiquetado relacionados con la radiación UV permitiría una evaluación y comparación fiables de los productos y aumentaría la responsabilidad de la industria para proporcionar declaraciones de rendimiento precisas. Es por ello, que los participantes apoyaron ampliamente la modificación de los anteriores programas de SSL del DOE destinados a desarrollar productos de iluminación convencional para abordar los obstáculos que impiden la implantación de sistemas de GUV seguros y eficaces. 

El Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) está ajustando las pruebas CALIPER del Programa SSL del DOE y las demostraciones Gateway para ayudar a abordar los retos de la implantación de GUV para la desinfección.

El programa CALiPER prueba y evalúa de forma independiente los productos existentes e informa de su rendimiento, lo que sirve para validar las afirmaciones sobre el rendimiento de los productos y ha sido eficaz a la hora de abordar las afirmaciones inexactas sobre el rendimiento, llamar la atención sobre los productos de bajo rendimiento y educar a las partes interesadas sobre cómo deben probarse y evaluarse los productos. 

Comprendiendo la eficacia fotobiológica

Uno de los temas sobre los que se debatió en profundidad fue sobre la necesidad de comprender mejor la eficacia fotobiológica de la GUV mediante la elaboración de orientaciones sobre los niveles de dosis que pueden inactivar los agentes patógenos en diversas condiciones (por ejemplo, proteínas, lípidos o líquidos circundantes) en diversas longitudes de onda de los rayos UV y en diversas superficies y materiales de la sala, proporcionando al mismo tiempo una dosis segura para los ocupantes (piel y ojos).

“Es necesario una mayor investigación para comprender mejor los espectros de acción germicida, ya que no se conoce del todo el proceso de inactivación de los virus y otros bioaerosoles. Se ha estandarizado un espectro de acción germicida con un máximo de 265 nm basado en E.coli, aunque los participantes señalaron que estudios recientes muestran una gama de espectros de acción y unos pocos aerosoles más fácilmente inactivados por la UVC lejana”, mencionaron los expertos.

Este conocimiento fotobiológico es importante para fundamentar las normas y el trabajo de etiquetado, por ejemplo, para abordar las afirmaciones de los productos sobre la eficacia germicida del 99,9%. Si no se conoce la eficacia fotobiológica de la UVC sobre diferentes patógenos en distintos entornos de uso, no se pueden validar las declaraciones de los productos.

Los participantes apoyaron la investigación para desarrollar una forma estándar de medir la desactivación de patógenos en condiciones estandarizadas que puedan trasladarse a las condiciones de aplicación en la vida real. Es importante tener en cuenta las condiciones de los patógenos, como las proteínas, los lípidos o los líquidos que los rodean, ya que eso influye en la dosis de inactivación que necesitan a diferentes longitudes de onda UV. Además, el entorno de la sala y los materiales (por ejemplo, fórmica, vinilo, tela, plástico) también influyen en la dosis efectiva para la aplicación. Estos estudios pueden conducir a diseños de referencia basados en la aplicación para la validación biológica y la optimización de la eficacia de la GUV.

Otra área de investigación importante es la mejora de la precisión en los cálculos de riesgo frente a beneficio para la GUV. Mientras que los efectos virucidas de la irradiación UVC (para inactivar el patógeno) se maximizan a ~ 260 nm, los LEDs UV son menos eficientes a longitudes de onda más cortas. 

Teniendo en cuenta que la potencia óptica de los LED de 280 nm es sustancialmente mayor que la de 260 nm (> 2 veces), la eficacia germicida puede ser mayor a 280 nm aunque el efecto virucida relativo sea menor (~ 60% a 260 nm en comparación con 280 nm). Aunque los LED de longitud de onda UV más larga son más eficaces y pueden proporcionar un mayor efecto virucida, existe un riesgo significativo para la salud de la piel y los ojos en el rango UVB en comparación con las longitudes de onda UVC. 

“Las longitudes de onda UVC de 254-280 nm tienen un bajo riesgo dérmico y la UVC lejana (~180-230 nm) casi no tiene riesgo dérmico”. Una mayor investigación sobre el equilibrio entre el beneficio de la eficacia germicida y el riesgo dérmico de los LED UV con longitudes de onda centradas en 280 nm puede ayudar a proporcionar una mejor orientación a los diseñadores e implementadores de sistemas GUV. 

Por último, los participantes expresaron la necesidad de seguir investigando la seguridad de las GUV para determinar los valores límite de umbral (TLV – Threshold Limit Values) con la media ponderada en el tiempo (TWA – Time-Weighted Averaging) de una exposición humana realista. La investigación sobre el tiempo de movimiento es necesaria para la aplicación racional de los TLV de exposición a la radiación UV. Sería beneficioso realizar estudios con placas de película para diferentes instalaciones y diferentes tipos de fuentes UV.

Investigación y orientación sobre la aplicación de GUV

Finalmente los participantes también abordaron otros aspectos relacionados con la aplicación de la radiación ultravioleta germicida dentro del entorno construido. 

“Se necesita un mayor desarrollo en cuanto a cuáles son las mejores prácticas para la integración en el edificios, incluyendo la determinación de los mejores puntos de inserción de las GUV (por ejemplo, la habitación superior frente a toda la habitación frente al conducto de HVAC) para maximizar la eficacia germicida y minimizar el consumo de energía”, manifestaron los asistentes. 

Para ello, una de las prioridades es conocer la eficacia de los sistemas GUV en entornos reales. Hay que tener en cuenta la inactivación de los patógenos tanto en el aire como en las superficies, así como entender dónde se produce la transmisión viral, por ejemplo, a través del circuito de ventilación HVAC o en el entorno de la habitación. 

Los estudios controlados entre humanos y animales han conducido a una orientación basada en la evidencia como base para la dosificación UV en experimentos dirigidos a la tuberculosis. Un estudio de la GUV en la habitación superior sobre la transmisión de la tuberculosis demostró que la GUV tenía una eficacia del 80% y añadía el equivalente a 24 cambios de aire por hora en la habitación. Los participantes describieron que está en marcha un estudio controlado entre humanos y animales para repetir este tipo de evaluación de la transmisión con el SARS-CoV-2. 

Los participantes también hablaron de la necesidad de realizar estudios de monitorización de los ocupantes para estimar la ocupación del TWA en varios espacios a distintas alturas. Los movimientos de los ocupantes en los espacios determinan el grado de exposición potencial GUV, pero se dispone de muy poca información de monitorización para hacer estimaciones de las medias ponderadas en el tiempo. Un estudio sobre fuentes de 254 nm indicó que el TWA era inferior a 1/3 del TLV. Es necesario investigar para comprender mejor cómo se ocupan los espacios y qué cantidad del TLV se alcanza en estos diversos espacios. Los dosímetros y la inteligencia artificial pueden ayudar a resolver estas cuestiones.

Por otro lado, a medida que los sistemas GUV entren en el campo, habrá diferentes tecnologías UVC y longitudes de onda en uso. Es importante determinar qué protocolos son necesarios para las directrices de aplicación en la sala superior y cómo pueden variar estos protocolos para las diferentes longitudes de onda y tecnología de la fuente UV. La investigación debe responder a si las fuentes UV LED, lámparas de vapor de mercurio de baja presión y excimer son intercambiables para lograr la inactivación microbiana de los patógenos (en el aire y en las superficies), y qué impacto tienen los patrones de flujo de aire en la eficacia de la GUV para los diferentes tipos de fuentes UVC. Se necesitan estudios de I+D para comparar estos efectos con diferentes tecnologías de fuentes UVC para entender mejor cómo podemos mezclar y combinar tecnologías y los beneficios que cada una puede aportar. Además, la aplicación de GUV debe tenerse en cuenta a la hora de determinar qué tipo de tecnología GUV es más eficaz.

Finalmente, se abordaron las nuevas oportunidades de los sistemas GUV LED que utilizan la irradiación directa por debajo del límite de exposición (DIBEL – Direct Irradiation Below Exposure Limit), pero se necesitan estudios para responder si son equivalentes a la aplicación de GUV en el aire superior. Estos sistemas pueden funcionar hasta 24 horas al día y esta irradiación constante de bajo nivel proporciona desinfección con un bajo consumo de energía. Mientras que la eficacia germicida es relativamente constante en el rango de 220 – 275 nm, una menor longitud de onda permite mayores dosis y, por tanto, una mayor actividad germicida. Comprender el límite de exposición en toda la gama UV es importante para poder aplicar los sistemas DIBEL. En la práctica, habrá sistemas de uso mixto que combinen tanto el funcionamiento DIBEL como dosis UV más concentradas para lograr el modo de desinfección correcto para el estado particular del espacio ocupado.

Participantes y temáticas presentadas:

• Erik Swenson, Nichia: Desarrollo de GUV LED
• Ling Zhou, BOLB: LEDs ultravioletas de banda C para la seguridad de los edificios
• Carl Gibson, Tecnología Electrónica de los Sensores – Debate sobre la investigación de GUV
• Kevin Benner, GE Current: GUV R&D Directions
• Mark Hand, Acuity Brands: Iluminación UV: ¿una moda o el futuro?
• Cameron Miller, Instituto Nacional de Normas y Tecnología: Debate sobre la GUV
• Lynn Davis, RTI International: Tecnologías GUV – De los LEDs a los sistemas
• Gabe Arnold, Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico: Programa de I+D GUV/UVGI propuesto por el PNNL
• Ed Nardell, Universidad de Harvard: Desinfección del aire por rayos UV: prioridades de I+D
• Paul Jensen, consultor independiente en prevención y control de infecciones de transmisión aérea: Debate sobre la GUV
• Richard Vincent, Hospital Mount Sinai de Nueva York: Temas de investigación de GUV
• David Sliney, físico médico consultor independiente: Necesidades de investigación para mejorar la aplicación de la radiación UV germicida

Puede consultar el documento completo de conclusiones (pdf) en el siguiente enlace:

https://www.energy.gov/sites/default/files/2022-05/ssl_rd-GUV_rdmtg_mar22.pdf

Imagen de portada: Unsplash