UV-Strahlen aus LED-Leuchten zerstören Keime im Wasser
Trinkwasser ist die Basis für viele Getränke – zum Beispiel Bier. Damit es keimfrei bleibt, setzt man UV-Licht ein. Eine Forschergruppe des Fraunhofer-Instituts hat eine umweltfreundliche Alternative zu Quecksilberlampen entwickelt, die es erzeugen: UV-LEDs.
In einem Probeaufbau im Labor testete die Forschergruppe UVC-LEDs.
Foto: Fraunhofer IOSB-AST/Martin Käßler
Bier ist das beliebteste alkoholische Getränk der Deutschen. Das ergab eine Befragung des Instituts für Demoskopie Allensbach. Zum Zeitpunkt der Befragung in diesem Jahr hatten rund 38 % der deutschsprachigen Bevölkerung ab 14 Jahren in den letzten 14 Tagen Bier getrunken oder gekauft. Bei den nicht-alkoholischen Getränken führt das Mineralwasser mit rund 86 % die Liste an. Bei beiden Getränken wird Trinkwasser benötigt. Während der Aufbereitung kommen UV-Anlagen zum Einsatz. Und zwar hauptsächlich im Sommer, wenn die Temperaturen steigen. Dann erhöht sich gleichzeitig das Risiko, dass sich Keime im Wasser bilden. Da Braubetriebe ihr Trinkwasser, das sie zur Bierproduktion benötigen, ebenfalls möglichst keimfrei halten wollen, nutzen auch sie die Strahlen und schalten UV-Anlagen der Produktion hinzu.
UV-Licht zerstört das Erbgut von Viren und Keimen. Die Bierbrauer setzen auf integrierte UV-Lampen in den Edelstahlrohren, durch die das Brauwasser hindurchläuft. Bislang nutzen sie dafür Quecksilberlampen. Sie senden Licht im Wellenlängenbereich von 254 Nanometern aus. Damit erreichen sie nicht ganz die optimale Wellenlänge, die bei 265 Nanometern liegt. Hinzu kommt, dass Quecksilberlampen mit dem im Namen steckenden Schwermetall arbeiten, das die Umwelt schädigt. Forscherinnen und Forscher des Instituts Angewandte Systemtechnik AST des Fraunhofer Instituts für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB in Ilmenau fanden gemeinsam mit dem Projektpartner Purion GmbH heraus, dass sich quecksilberhaltige Strahler auch durch ultraviolette Leuchtdioden (UVC-LEDs) ersetzen lassen.
UV-LEDs zerstören die DNA der Erreger
Herkömmliche Quecksilberleuchten haben nicht nur den Nachteil, dass sie mit den 254 Nanometern unterhalb des eigentlich optimalen Bereichs zur Bekämpfung von Keimen und Vieren liegen, sondern auch, dass es lange dauert, bis die Leuchten aufgewärmt und auf Betriebstemperatur sind. Hinzu kommt noch, dass sie eine kurze Lebensdauer aufweisen und aufgrund des eher sperrigen Designs nicht flexibel einsetzbar sind. Deshalb suchte die Forschergruppe nach Alternativen. „Die UV-Strahlen erzeugen in den Nukleinsäuren der DNA Resonanzen und brechen die Bindungen der Moleküle auf. Der Zellkern der Mikroorganismen wird so verändert, dass eine Zellteilung unmöglich wird. In der Folge können sich die Erreger nicht mehr vermehren“, erläutert Thomas Westerhoff, Wissenschaftler am Fraunhofer IOSB-AST, die Funktionsweise des UV-Lichts. Die Experimente mit UVC-LEDs ergaben, dass deren Strahlung die DNA der Erreger sogar deutlich besser zerstört als die der Quecksilberleuchten.
UV-LEDs sind zudem mechanisch hochstabil, nicht giftig und lassen sich im Niedrigspannungsbereich betreiben. Eine Aufwärmphase benötigen sie nicht, sie erreichen sofort die volle Leistung. Ein weiterer Pluspunkt: LEDs sind Punktstrahler, das heißt, ihre Strahlen lassen sich exakt einstellen und punktgenau nutzen. Diese besondere Abstrahlcharakteristik macht sie sehr vielseitig einsetzbar.
Erforschte Technik bewährt sich bereits in der Praxis
Die Forscher-Gruppe unternahm zahlreiche Tests in der Praxis. Inzwischen ist es ihnen gelungen, die UV-LEDs direkt im Wasser einzusetzen. Anfangs hatten sie noch mit schützenden Rohren gearbeitet, was aufwendig in der Konstruktion ist und die Strahlen reflektiert – ein unerwünschter Nebeneffekt. Das Ergebnis: Die Gruppe konnte die Leistungsausbeute der Strahlungsquellen steigern.
Die Technik befindet sich bereits im Einsatz bei dem Projektpartner Purion GmbH. Hierzu haben die Forscherinnen und Forscher ein spezielles Modul entwickelt, das im Produktionsprozess die Innenseiten der Bierverschlüsse desinfiziert, noch bevor die Flaschen befüllt werden. Es sorgt dafür, dass keine Keime in die Flaschen gelangen. „Wir können die Deckel mit einer UV-Leistung von vier Watt von innen bestrahlen. Das ist mit Quecksilberlampen auf so einer kleinen Fläche kaum machbar“, sagt Thomas Westerhoff vom IOSB-AST.
Kompakt und punktgenau strahlend
Die Forschergruppe kann sich vielseitige Einsatzmöglichkeiten für die UVC-LEDs vorstellen. Dank ihrer kleinen Abmessungen und hohen Strahlungsintensität wären sie auch für medizinische Geräte geeignet, um Flüssigkeiten, Oberflächen und schwer zugängliche Bereiche ganz zielgerichtet zu entkeimen. Das könnten beispielsweise Endoskope oder Ultraschallsonden sein. Das Fraunhofer-Institut trieb diese Technologie im Rahmen der 2020-Initiative „Advanced UV for Life“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) voran.
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