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UV-C Umluftentkeimung im Pi-Ager - theoretische Auslegung

Wörschdlmoo

Militanter Veganer
Da ich beruflich zu Corona-Zeiten mit der Entwicklung von UVC-Umluft Entkeimungsgeräten beschäftigt war, kann ich hier gerne ein paar grundlegende Informationen beitragen. Ich will Insbesondere auf den Einsatz einer solchen Entkeimung im Pi-Ager eingehen und versuche das mal so einfach wie möglich zu halten:

Bei einem UVC-Umluft Entkeimungsgerät werden die zu inaktivierenden Mikroorganismen mittels Lüfter in eine Bestrahlungskammer geleitet und in der Bestrahlungskammer mittels UV-C Strahlung abgetötet. Das geschieht üblicherweise mit Niederdruckstrahler, die hauptsächlich im kurzwelligen ultravioletten Bereich strahlen. Der für die Inaktivierung erforderliche Anteil der Strahlung befindet zwischen 200 und 280nm und bildet lediglich einen Teil des abgegebenen Spektrums. Deshalb werden im Datenblatt von UV-C Strahlern neben der Lampenleistung auch die UV-C Strahlungsleistung im Bereich von 200-280nm angegeben, die dann entsprechend geringer ist.

Für eine erfolgreiche Inaktivierung ist dann insbesondere die Bestrahlungsdosis entscheidend. Diese ist definiert als UV-Leistung x Zeit pro bestrahlter Fläche (Ws/m2). Das heißt: neben der UV-C Leistung ist insbesondere die Bestrahlungszeit, also die Verweilzeit der zu entkeimenden Luft in der Bestrahlungskammer, entscheidend. Die Verweilzeit der Luft wird über den Volumenstrom des Lüfters bestimmt. Je höher die UV-Leistung und langsamer die Luft durch die Kammer strömt, desto höher also die Bestrahlungsdosis.

In der Literatur gibt es für jeden Mikroorganismus eine entsprechende Bestrahlungsdosis, bei der ca. 90% der Mikroorganismen inaktiviert werden. Bei Corona Viren reichen hier schon 27Ws/m². Bei Schimmelsporen liegt die Bestrahlungsdosis jedoch um ein vielfaches höher, was uns schon zu einem der ersten Probleme beim Einsatz einer Umluft Entkeimung im Pi-Ager bringt. Für viele grünlich oder weißlich aussehenden Schimmelsporen liegt diese bereits bei ca. 700Ws/m² (Aspergillus amstelodami), bei schwarzem Schimmel wie dem Aspergillus niger sogar bei 1320Ws/m². Man bräuchte somit sehr starke UV-C Strahler die von schwachen Lüftern mit geringem Volumenstrom durch die Bestrahlungskammer befördert werden, um bei einmaliger Passage viel Schimmelsporen abzutöten.

Ein weiteres Problem sind die Niederdruckstrahler selbst. Die Emission von UV-C Strahlung ist leider nicht konstant und variiert mit der Umgebungstemperatur. So wird ein Strahler die im Datenblatt angegebene UV-C Leistung lediglich dann erreichen, wenn die Umgebungstemperatur im optimalen Bereich von ca. 27° bis 37°C liegt. Mit abnehmender Umgebungstemperatur sinkt auch die abgegebene Strahlungsleistung von Niederdruckstrahlern. Bei 4°C liegt diese bei manchen Strahlern nur noch bei 40% und bei 0°C dann lediglich bei 30% der angegebenen UV-C Leistung. Da bei der Reifung von Fleisch niedrige Temperaturen zu erwarten sind, zeigt sich hier ein weiteres Problem beim Einsatz einer UV-C Entkeimung in Reifeschränken.

Konstruktiv lässt sich die Bestrahlungsdosis jedoch auch steigern, indem man die innenliegenden Wände der Bestrahlungskammer mit Reflektorblechen ausstattet, damit so viel Strahlung wie möglich reflektiert wird. Wenn man alle Oberflächen einer Strahlungskammer aus Materialien mit über 90% Reflektionsgrad herstellen könnte, würde man so tatsächlich eine sehr hohe Bestrahlungsdosis generieren können. Jedoch wird es schwierig die Stirnseiten der Kammer mit den Luftein- und Auslässen aus reflektierendem Material herzustellen und auch der Glaskolben des Strahlers selbst ist eine absorbierende Fläche. So hat diese Maßnahme mitunter das größte konstruktive Potential zur Steigerung der Dosis, hat aber eben auch seine Grenzen.


Ich habe mal meine UV-C Entkeimung, die ich vor vielen Jahren (ohne grundlegende UV-C Kenntnisse) in meinen Pi-Ager gebaut habe mittels Bestrahlungskammer-Modellierung nach DIN TS 67506 2022-02 nachgerechnet und kam zu folgendem ernüchterndem Ergebnis:

UVC-Entkeimung.png


Ich hatte einen Strahler mit einer UVC-Strahlungsleistung von 0,9W eingesetzt (Lampenleistung 4W) und mit einem Lüfter einen Volumenstrom von 5,2m³/h durch das Rohr erzeugt. Das Aluminiumrohr war innen blank und hat einen Reflektionsgrad von ca. 50%

Ergebnis: Mit diesem System kann ich rein rechnerisch lediglich eine Bestrahlungsdosis von ca. 7 Ws/m² erzeugen. Damit kann das System theoretisch ca. 2% Aspergillus amstelodami und 1% Aspergillus niger bei Einmalpassage inaktivieren. Um auch nur minimal wirksam zu sein, müsste ich die Entkeimung somit dauerhaft durchlaufen lassen mit mehr als zweifelhafter Effizienz…

Deshalb lasse ich meine Entkeimung in Zukunft im Ager aus, da diese nur Strom verbraucht und den Innenraum nur unnötig aufheizt. Wer die Regeln der Küchenhygiene bei der Fleischverarbeitung beachtet und den Ager nicht unbedingt in einem modrig riechendem schimmelbefallenem Keller betreibt, kann meiner Meinung nach auch getrost auf die UV-C Entkeimung im Ager verzichten.

Wenn man dennoch eine Umluft Entkeimung im Pi-Ager einsetzten will, sollte diese Punkte beachten:

  • Strahler mit viel UV-C Leistung
  • Kleine Lüfter mit geringem Volumenstrom
  • Wenn man die Bestrahlungskammer konstruktiv nur kurz bauen kann, mehrere Strahler parallel anordnen.
  • Kunststoffe vermeiden, da diese von der UV-C Strahlung porös werden und zersetzt werden
  • UV-C Strahlung abschirmen, so dass keine Strahlung aus dem Gerät austreten kann, da diese sonst Kunststoffe im Ager und das Fleisch angreifen
  • Möglichst viel reflektierende Materialien in der Bestrahlungskammer einsetzen
  • UV-C Entkeimung länger oder gleich dauerhaft laufen lassen. Zum einen schont das die Niederdruckstrahler (häufiges schalten schadet der Lebensdauer) und zum anderen wird die Bestrahlungsdosis ohnehin zu niedrig für Schimmelsporen sein, weshalb Mehrfachpassagen der Luft notwendig sind.
 
Hast dich sehr intensiv damit beschäftigt…
Die Konstruktion die wir gebaut haben geht ja in die beschriebene Richtung, was die Leistung angeht, da ist man etwas beschränkt in der Auswahl…
Wir haben versucht eine Lampe zu nutzen die auf 12V läuft und für solche Einsätze ( Luftreinigung generell) gebaut ist.
Die Konstruktion ist skalierbar, man könnte das Alurohr entsprechend länger machen so dass 2 Röhren hintereinander aktiv sind.
Für die Luftströmung ist der Regler da, damit kann man das sehr gut einstellen.
Die Leistung im originalen Dry-Axxx ist auch in dem Bereich wenn ich mich nicht irre.
Die Idee mit dem reflektierenden Material ist nicht schlecht, man kann mit entsprechendem Aluklebeband die Endgehäuse auskleiden, somit hat man eine gewisse Reflexion und Schutz des PETGs vor UV Strahlung.
Was die Laufzeit angeht, es wird in der nächsten Version einen Betriebsstundenzähler für die UV Lampe geben, somit weiß man wieviele Stunden sie in Betrieb war und kann sie dann entsprechend austauschen.
 
Hallo Ha-Ma,

also ich würde sagen auch Hersteller von Agern kochen nur mit Wasser und deren Wirksamkeit darf mindestens angezweifelt werden. Nur auf die Lampe zu achten wäre aber falsch, da das Zusammenspiel des Strahlkammervolumens, Volumenstrom Lüfter, und UV-Leistung der Lampe entscheidend ist.

Aber dann lass uns doch mal zweifeln und das theoretisch weiter betrachten:

Wenn nun ein Hersteller einen 4W Strahler einsetzt, hat der ca. 1 W UV-C Leistung. Das Gehäuse und somit das Bestrahlungskammervolumen „könnte“ ca. halb so groß ausschauen wie bei meiner. Ich nehme hier mal das Volumen von 1l an und bekomme eine entsprechend niedrigere Verweilzeit und Bestrahlungsdosis. Sagen wir noch, die wissen was sie tun und setzen einen schwachen Lüfter ein, der gerade mal 3m³/h Gesamtvolumenstrom durchs System erzeugt, dann liegt die Wirksamkeit ebenfalls bei nur bei 1% Schwarzschimmel und 2% anderem Schimmel.

Wir betrachten hier aber lediglich die theoretische Wirksamkeit der Inaktivierung bei einmaliger Passage durch die Bestrahlungskammer im Gerät. Der Vorteil eines Kühlschranks ist das relativ kleine Raumvolumen, das entkeimt werden muss, so dass wir auch bei geringem Volumenstrom relativ schnell Mehrfachpassagen der Luft durch das Gerät erwarten können.

Betrachten wir mal die Mehrfachpassagen mit den Parametern meines Geräts:

Wenn meine theoretische Wirksamkeit nun im schlechtesten Fall bei 1% liegt, brauche ich entsprechend viele Mehrfachpassagen des Gesamtvolumens. Ein Getränkekühlschrank hat ca. 400l. Das heißt, er würde bei meiner Entkeimung mit dem Volumenstrom 5,2 m³/h die 400l in einer Stunde 13-mal umwälzen (für den unwahrscheinlichen Fall dass bei jedem Umwälzvorgang die Luft immer nur einmal in der Entkeimung ist). Wenn nach jedem Entkeimungszyklus des 400l Raumvolumens 1% entkeimt wird, würde die Entkeimung nach 24 Stunden ca. 95,6% Schwarzschimmel entkeimt haben.

Hmm also, hatte das bisher nie weiter gedacht, da mir das 1% einfach zu wenig wirksam war. Aber wenn man die UV-C Entkeimung dauerhaft laufen lässt, und dabei Umluft laufen lässt, damit die Entkeimung nicht immer wieder die gerade entkeimte Luft nochmals einzieht, könnte das sogar einigermaßen funktionieren. Man darf dann aber auch kein Entfeuchten mittels Außenluft einschalten, da man sonst wieder kontaminierte Luft von außen ins System bringen würde...
:hmmmm:
 
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