Une lampe à excimère pour fournir loin

May 23, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 381 (2023) Citer cet article

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Les tables à manger peuvent présenter un risque pour les convives en transmettant des bactéries et/ou des virus. Actuellement, il manque un moyen pratique et respectueux de l'environnement pour protéger les convives lorsqu'ils sont assis ensemble. Cette enquête a construit des lampes à excimère UVC lointaines pour désinfecter les surfaces des tables à manger. Les lampes ont été montées à différentes hauteurs et orientations, et l'irradiance sur les surfaces de la table a été mesurée. Les doses d'irradiation pour obtenir différentes efficacités d'inactivation pour Escherichia coli (E. coli) ont été fournies. De plus, une modélisation numérique a été réalisée pour l'irradiance et l'efficacité d'inactivation qui en résulte. Le modèle surface-surface (S2S) a été validé avec l'irradiance mesurée. La performance germicide de l'irradiation aux UVC lointains, les doses d'UVC lointains auxquelles les convives étaient exposés et le risque d'exposition à l'ozone généré ont été évalués. Les résultats ont révélé qu'une dose d'irradiation de 12,8 mJ/cm2 peut désinfecter 99,9 % des E. coli sur les surfaces. En faisant varier la sortie d'irradiance de la lampe, le nombre et les positions des lampes, l'irradiation UVC lointaine peut atteindre une réduction de 3 log pour une durée de repas de 5 min. De plus, la lampe UVC lointaine présente un faible risque de dommages pour les convives lorsqu'elle atteint un taux d'inactivation efficace. De plus, il n'y a pratiquement aucun risque d'exposition à l'ozone dans une salle à manger ventilée mécaniquement.

Les tables à manger sont facilement contaminées par les microbes1,2. Les microbes sur les surfaces des tables à manger peuvent être des bactéries ou des virus3,4. Les bactéries peuvent être transmises aux surfaces des tables à manger en (1) essuyant les tables avec des chiffons et des éponges pollués, (2) en déposant des micro-organismes en suspension dans l'air et (3) en contact avec des aliments avariés5,6,7. Les bactéries présentes sur les surfaces des tables à manger peuvent survivre pendant des heures, voire des semaines8. Les virus peuvent se déposer sur les tables à manger avec les gouttelettes libérées par les convives infectés9. Même lorsqu'il est séparé de la cellule hôte, le virus peut rester vivant sur les surfaces de la table à manger pendant 2 à 7 jours dans des conditions appropriées4. La désinfection des microbes sur les tables à manger peut être un moyen efficace de minimiser l'infection humaine qui en résulte via la voie tactile de surface.

Les désinfectants chimiques sont utilisés depuis longtemps pour tuer les microbes sur les surfaces. Les désinfectants de table comprennent les solvants chlorés, l'alcool éthylique, l'acide peroxyacétique et le solvant de sel d'ammonium quaternaire10, etc. Ces désinfectants inactivent les microbes soit en dénaturant les protéines biologiques par oxydation, soit en accélérant la perte d'eau des corps biologiques sous la force de la tension superficielle11,12. Les désinfectants chimiques sont assez efficaces pour tuer la grande majorité des microbes13. Cependant, la plupart des désinfectants chimiques ne sont pas respectueux de l'environnement. Plus important encore, les désinfectants chimiques peuvent être nocifs pour la santé humaine si l'exposition dépasse la limite supérieure autorisée. Les symptômes respiratoires et cutanés rapportés dus à une surexposition aux désinfectants chlorés résiduels lors de l'épidémie d'Ebola en 2014 soulignent les lacunes de la désinfection chimique14. Par conséquent, la désinfection chimique doit être utilisée avec prudence sur les tables à manger.

Le rayonnement ultraviolet C (UVC) est également assez efficace pour inactiver les microbes15, et aucun résidu n'est produit sur les surfaces. L'UVC traditionnel avec une longueur d'onde de 254 nm est généralement généré par un arc électrique à travers du mercure vaporisé. Les photons émis peuvent pénétrer en profondeur dans les corps microbiens et détruire soit l'acide ribonucléique (ARN), soit l'acide désoxyribonucléique (ADN)16. Ainsi, la réplication et la prolifération des microbes irradiés sont empêchées. Cependant, UVC254nm ne peut pas être utilisé en toute sécurité pour irradier le corps humain. La conjonctivite, l'érythème et même le cancer de la peau peuvent résulter d'une exposition excessive aux UVC254nm17. Par conséquent, la désinfection UVC254nm pendant les repas peut être interdite.

Ces dernières années, les UVC lointains avec des longueurs d'onde allant de 207 à 222 nm ont fait l'objet d'une grande attention18. Les rayons UVC lointains peuvent être générés par une lampe excimère à l'intérieur de laquelle le gaz noble est ionisé par une haute tension. Les UVC lointains auraient un effet germicide similaire sur les cellules bactériennes et les virus et sont plus puissants pour tuer les endospores bactériennes que les UVC254nm19. Notamment, la profondeur de pénétration des UVC lointains dans les cellules humaines est très limitée car les photons émis sont préférentiellement absorbés par la cornée puis assimilés par les protéines cytoplasmiques20. Ainsi, les photons de haute énergie sont empêchés d'entrer dans le noyau. Les UVC lointains semblent donc adaptés à la désinfection en présence humaine.

L'ionisation des rayons UVC lointains peut recombiner les atomes d'oxygène dans l'air et générer de l'ozone. Les taux d'émission d'ozone des lampes à excimères (pour les UVC lointains) sont bien inférieurs à ceux des lampes à mercure conventionnelles (principalement pour les UVC254nm) avec la même puissance d'entrée. Cependant, la concentration d'ozone à l'intérieur peut encore augmenter rapidement si des lampes à excimère sont utilisées dans une salle à manger à volume limité avec une ventilation insuffisante. L'exposition à long terme à des concentrations élevées d'ozone peut entraîner de nombreux effets néfastes sur la santé21. Par conséquent, l'exposition possible à l'ozone lors de l'adoption d'une irradiation aux UVC lointains pour la désinfection doit également être évaluée.

L'examen ci-dessus a révélé que les UVC lointains peuvent l'emporter sur les désinfectants chimiques et les UVC254nm traditionnels pour la désinfection des surfaces fréquemment touchées. Des tables à manger contaminées peuvent contribuer à la transmission des microbes. À ce jour, il manque une méthode pratique et respectueuse de l'environnement qui puisse être utilisée longtemps pour protéger les convives lorsqu'ils sont assis ensemble. Cette enquête a mené à la fois des expériences et une modélisation numérique pour combler ce manque de connaissances.

Cette section présente les performances germicides de l'irradiation aux UVC lointains, les doses d'UVC lointains auxquelles les convives sont exposés et le risque possible d'exposition à l'ozone associé.

La figure 1 présente la lampe UVC lointaine construite pour la désinfection de la table à manger, modifiée à partir d'une lampe de bureau disponible sur le marché, en remplaçant la lampe existante pour l'éclairage par la lampe à excimère (Eden Park, États-Unis). La variation de l'irradiance de la surface de la table avec l'angle d'incidence et la distance d'incidence est illustrée à la Fig. 2. Lorsque la distance d'incidence était maintenue à une valeur constante de 5 cm, l'irradiance présentait un schéma de décroissance avec l'angle d'incidence, comme illustré à la Fig. 2b. L'irradiance a atteint un pic à l'irradiation verticale et a diminué à 0,17 mW/cm2, 0,19 mW/cm2, 0,05 mW/cm2 et 0,03 mW/cm2 lorsque les angles d'incidence ont été augmentés à 22°, 39°, 50° et 58°, respectivement, conformément à la loi de Lambert. Lorsque l'angle d'incidence était maintenu à 0°, l'irradiance diminuait avec la distance d'incidence, comme le montre la Fig. 2c. L'irradiance était de 0,21 mW/cm2 à une distance incidente de 5 cm et a diminué à 0,06 mW/cm2, 0,03 mW/cm2 et 0,02 mW/cm2 lorsque la distance incidente a été augmentée à 10 cm, 15 cm et 20 cm, respectivement, conformément à la variation du facteur de vue. Le modèle surface-surface (S2S)22 a non seulement prédit avec succès la variation de l'irradiance avec la distance incidente et l'angle d'incidence, mais a également obtenu un écart relatif de moins de 15 % par rapport à la mesure, indiquant que la modélisation numérique était très précise.

Une lampe UVC lointaine conçue pour la désinfection des tables à manger : (a) photographie de l'aspect extérieur ; (b) schéma de la structure et photographie d'une lampe à excimères.

Comparaison entre l'éclairement prévu et mesuré sur la surface de la table à manger : (a) Schémas des positions d'échantillonnage d'éclairement UVC lointain ; (b) irradiance en fonction de l'angle d'incidence ; (c) irradiance en fonction de la distance incidente.

Escherichia coli (E. coli) ont été irradiés par la lampe UVC lointaine, et le nombre d'E. coli vivants sous différentes doses d'irradiation a été mesuré. En prenant une dose d'irradiation de 1 mJ/cm2 comme exemple, les E. coli vivants avant et après la désinfection sont présentés sur la Fig. 3. Avant l'irradiation aux UVC lointains, une abondance d'E. coli était présente comme le montre la Fig. 3a. Après irradiation, 92,3 % d'E. coli ont été inactivés et seul un faible pourcentage était encore en vie, comme le montre la figure 3b. Aucun micro-organisme n'a été trouvé dans l'échantillon d'essai qui n'avait pas été inoculé avec E. coli, comme le montre la figure 3c, indiquant que les échantillons n'étaient pas pollués. Les résultats indiquent que les UVC lointains réussissent bien à réduire E. coli.

E. coli vivant compté sous une dose d'irradiation de 1 mJ/cm2 avec la méthode de la plaque versante : (a) l'échantillon avec l'E. coli inoculé avant l'irradiation aux UVC lointains ; (b) l'échantillon avec E. coli inoculé après irradiation ; (c) l'échantillon sans inoculation.

Comme le montre la figure 4, la réduction logarithmique d'E. coli a généralement augmenté avec la dose d'irradiation. Sous des doses d'irradiation de 1 mJ/cm2, 3 mJ/cm2, 6 mJ/cm2, 12 mJ/cm2 et 24 mJ/cm2, les réductions logarithmiques étaient de 1,37, 1,74, 2,44, 2,96 et 3,67, respectivement. La réduction logarithmique augmente avec la dose d'irradiation de façon exponentielle selon le modèle de Hom23. Si l'objectif est une efficacité d'inactivation d'au moins 3 log, la dose d'irradiation requise doit être d'au moins 12,8 mJ/cm2.

Relation entre l'efficacité d'inactivation et la dose d'irradiation pour E. coli.

La figure 5 présente les huit situations typiques de restauration. Parmi celles-ci, la stratégie (e) avec "une lampe pour quatre convives" a été rejetée, car une efficacité d'inactivation de 3-log ne pouvait pas être obtenue avec une irradiance de surface de lampe inférieure à 100 mW/cm2. La lampe à excimère actuelle peut fournir une irradiance de surface maximale aussi élevée que 100 mW/cm2. Cette constatation implique qu'une seule lampe n'était pas suffisante pour désinfecter toute la surface de la table à manger sous une distance incidente de 25 cm.

Nombres requis et positions possibles des lampes UVC lointaines pour des situations typiques de restauration : (a) une lampe pour un seul dîner ; (b) deux lampes pour deux convives assis face à face ; (c) deux lampes pour deux convives assis du même côté ; (d) trois lampes pour trois convives ; (e) une lampe pour quatre convives; (f) deux lampes pour quatre convives ; (g) trois lampes pour quatre convives; et (h) quatre lampes pour quatre convives.

La figure 6 présente la distribution modélisée de l'efficacité d'inactivation sur les tables, avec une durée de repas de 5 min. Notamment, l'irradiance de surface de la lampe requise variait selon la situation. Le tableau 1 présente l'irradiance minimale requise de la surface de la lampe pour obtenir une efficacité d'inactivation d'au moins 3 log dans la salle à manger. L'efficacité d'inactivation atteint des valeurs maximales sous les lampes et diminue à mesure que la distance à la lampe augmente. Pour la situation avec une seule lampe, les isolignes d'efficacité d'inactivation étaient distribuées de manière circulaire sur la surface de la table à manger, comme illustré à la Fig. 6a. Lorsqu'un plus grand nombre de lampes était utilisé, la région de chevauchement présentait une efficacité d'inactivation plus élevée, comme le montrent les Fig. 6b – d et Fig. 6f – h.

Répartition de l'efficacité d'inactivation modélisée numériquement pour différentes situations de repas : (a) une lampe pour un seul dîner ; (b) deux lampes pour deux convives assis face à face ; (c) deux lampes pour deux convives assis du même côté ; (d) trois lampes pour trois convives ; (f) deux lampes pour quatre convives ; (g) trois lampes pour quatre convives; et (h) quatre lampes pour quatre convives.

Comme le montre le tableau 1, pour un dîner avec une seule lampe, un éclairement d'au moins 42 mW/cm2 à la surface de la lampe était nécessaire pour assurer une efficacité d'inactivation de 3 log pour un quart de la table à manger en 5 min. Pour deux convives assis face à face, une irradiance de pas moins de 33 mW/cm2 était nécessaire pour chaque lampe. Cette valeur était inférieure à celle de la situation (a) en raison du chevauchement des régions irradiantes. Pour deux convives assis du même côté, chaque lampe devait irradier une salle à manger distincte en raison de la zone de chevauchement très limitée. Par conséquent, l'éclairement requis était identique à celui de la situation (a). Du point de vue des économies d'énergie, la position assise face à face est recommandée pour deux convives. La situation de "trois lampes pour trois convives" était comme une combinaison de la situation (a) et de la situation (b). Pour la situation avec quatre convives, lorsque deux, trois ou quatre lampes étaient utilisées, l'irradiance minimale requise pour chaque lampe était de 90 mW/cm2, 48 mW/cm2 ou 30 mW/cm2, respectivement. Si l'apport énergétique total est un problème, quatre lampes sont préférables. De plus, plus de lampes signifient une plus grande flexibilité pour les utilisateurs mais impliquent un investissement initial plus important.

La situation de restauration (f), qui présentait l'éclairement énergétique total le plus élevé, a été sélectionnée comme exemple pour l'analyse de l'exposition aux UVC lointains des convives. L'irradiation UVC lointaine reçue par les convives en 5 min est illustrée à la Fig. 7. Les yeux des convives n'ont pas du tout été irradiés en raison de la hauteur relativement faible des lampes, et également en raison de la protection fournie par l'abat-jour. La dose élevée d'irradiation UVC lointaine était principalement concentrée dans l'abdomen, avec une valeur maximale de 23 mJ/cm2. L'exposition aux UVC lointains de la surface humaine n'a pas dépassé les valeurs limites de seuil (TLV) quotidiennes sur 8 heures de 23 mJ/cm2 proposées par la Commission internationale de protection contre les rayonnements non ionisants (ICNIRP)24. Les doses d'exposition pour les six autres situations ont également été évaluées. Aucun des yeux des convives n'a été exposé aux UVC lointains dans ces cas. De plus, les doses maximales auxquelles les surfaces humaines ont été exposées étaient toutes inférieures à 20 mJ/cm2. L'abdomen est généralement recouvert de vêtements. Par conséquent, l'exposition reçue aux UVC lointains serait inférieure aux valeurs analysées ci-dessus. Pendant ce temps, la forme de l'abat-jour peut également être optimisée pour réduire l'irradiation sur les surfaces humaines.

Dose d'irradiation aux UVC lointains reçue par les convives dans la situation de "deux lampes UVC lointains pour quatre convives".

Encore une fois, la situation (f) a été sélectionnée pour l'analyse de la possible pollution par l'ozone, en raison de l'irradiance de surface totale la plus élevée susceptible de générer la plus grande quantité d'ozone. La figure 8 montre la concentration d'ozone sur un plan perpendiculaire au sol et passant par les deux convives assis face à face. Lorsque les lampes UVC lointaines ont été allumées, l'ozone émis s'est accumulé à l'intérieur de l'abat-jour, ce qui a entraîné une augmentation de la concentration de 20 ppb. Avec l'accumulation de concentration, l'ozone a été dispersé hors de l'abat-jour par le gradient de concentration et le flux d'air environnant. L'ozone sortant de l'abat-jour s'est rapidement dilué puis uniformément réparti dans la salle à manger grâce au bon brassage assuré par le système de ventilation mécanique. La concentration moyenne d'ozone dans tout l'espace était de 1,2 ppb, uniquement en raison de l'allumage des lampes UVC lointaines.

Concentration d'ozone élevée après l'allumage des lampes UVC lointaines : (a) position du plan d'intérêt pour montrer la concentration d'ozone ; (b) contour de concentration sur ce plan.

La figure 9 montre la concentration élevée d'ozone dans les zones respiratoires des 16 convives. Parmi les convives, près de la moitié d'entre eux avaient une concentration élevée ne dépassant pas 0,5 ppb. Les concentrations maximales et minimales élevées étaient de 2,8 ppb et 0,3 ppb, respectivement. Compte tenu de la décomposition possible de l'ozone par les éviers dans les réfectoires, la concentration d'ozone résultante en utilisation pratique serait plus faible. La concentration maximale autorisée d'exposition à l'ozone pendant une heure est de 0,16 mg/m3 (environ 80 ppb)25. Ainsi, l'utilisation de lampes UVC lointaines dans les réfectoires n'entraînera pas de risque d'exposition à l'ozone.

Répartition statistique du nombre de convives avec la concentration élevée d'ozone dans les zones respiratoires parmi les 16 convives.

Cette enquête a mené un test en laboratoire pour examiner les performances germicides de l'irradiation aux UVC lointains. E. coli a été libéré manuellement sur des plaques en acier inoxydable pour la mesure. Les E. coli libérés manuellement avaient une concentration initiale stable, facilitant la mesure et la comparaison. Les E. coli sur de petits morceaux de plaques en acier inoxydable pourraient également être échantillonnés plus efficacement pour l'incubation et le comptage.

Nous avons également mesuré la désinfection des surfaces de table dans une cantine universitaire. Cependant, en raison de l'abondance compliquée de micro-organismes et également de l'interférence du film d'huile et de la graisse sur les surfaces de la table, les doses d'irradiation requises varient considérablement et il est extrêmement difficile d'obtenir des résultats reproductibles. Alternativement, nous avons mesuré l'E. coli pur sur une table dans le laboratoire pour simplifier. À l'avenir, une évaluation plus approfondie des lampes UVC lointaines dans un environnement de restauration réaliste serait encore nécessaire.

Bien que nous ayons rapporté l'efficacité de l'inactivation en utilisant la réduction logarithmique d'E. coli sur les surfaces de table, l'irradiation UVC doit également être en mesure de désinfecter certains micro-organismes en suspension dans l'air. L'irradiation germicide ultraviolette (UVGI) largement utilisée peut également inactiver les micro-organismes en suspension dans l'air26,27,28. La quantification des lampes UVC lointaines dans la désinfection des micro-organismes en suspension dans l'air attend de nouveaux efforts.

La dose d'irradiation nécessaire pour obtenir une efficacité d'inactivation de 3 log varie considérablement d'un microorganisme à l'autre. Par exemple, les doses d'irradiation minimales pour atteindre une efficacité d'inactivation de 3 log pour le virus de la grippe A, le SRAS-CoV-2 et le Staphylococcus aureus ont été signalées comme étant de 2,0 mJ/cm2, 3,7 mJ/cm2 et 12 mJ/cm2, respectivement 29,30,31. Notez que la dose de 2,0 mJ/cm2 pour le virus de la grippe A était destinée à la désinfection de l'air plutôt qu'à la désinfection des surfaces. Une autre recherche 32 a rapporté qu'une dose d'UVC de 4,3 mJ/cm2 désinfectait 99,2 % du virus de la grippe H1N1 sur un microphone. Par conséquent, la dose de 12,8 mJ/cm2 utilisée pour désinfecter E. coli peut également inactiver efficacement la plupart des agents pathogènes infectieux.

Des films d'eau ou d'huile peuvent être présents sur les surfaces des tables à manger à cause des chiffons utilisés pour essuyer les tables ou des résidus de nourriture. Les films liquides et autres impuretés peuvent affecter l'efficacité d'inactivation de l'irradiation UVC. La dose d'irradiation pour atteindre une efficacité d'inactivation de 3 log dans l'eau distillée était de 15 mJ/cm2 et augmenterait à 30 mJ/cm2 si des impuretés étaient présentes31. Les deux doses d'irradiation étaient supérieures à nos 12,8 mJ/cm2 rapportés sur la plaque en acier inoxydable, bien que l'étude dans la littérature31 ait utilisé UVC254nm. Les impacts du film liquide pour la désinfection aux UVC lointains sur les tables de salle à manger réelles méritent une exploration plus approfondie.

Les matériaux utilisés pour fabriquer les tables de salle à manger comprennent non seulement l'acier inoxydable de type 304, mais également le verre, le chlorure de polyvinyle (PVC), le bois et la pierre. Ces matériaux ont une rugosité décroissante : pierre > bois > PVC > inox > verre33. La rugosité de surface peut avoir un effet non négligeable sur les performances germicides sous irradiation UVC. Il a été rapporté que la résistance des substituts bactériens à l'inactivation augmentait avec la rugosité du matériau d'emballage alimentaire33. Les micro-organismes sur une surface rugueuse peuvent recevoir une dose d'irradiation plus faible que ceux sur une surface lisse. Des études ultérieures pourront mener des tests de désinfection sur des tables de différents matériaux et avec différents niveaux de rugosité.

La vapeur d'eau peut absorber la lumière UVC. Par conséquent, l'irradiance UVC diminue sur une surface si l'air ambiant contient une humidité plus élevée et donc une concentration plus élevée de vapeur d'eau. L'irradiance UVC254nm aurait diminué de 0,9 % lorsque l'humidité relative est passée de 20 à 80 %34. L'adsorption et la diffusion des rayons UVC par des gouttelettes d'eau sur une très courte distance de 25 cm peuvent être quasiment négligées. Ainsi, la performance germicide des lampes UVC lointaines n'est pas affectée de manière significative par la température et l'humidité de l'air à une courte distance incidente dans cette enquête. Cependant, l'irradiance UVC lointaine peut être atténuée par l'ozone généré35. Heureusement, la faible concentration d'ozone d'environ 20 ppb ne présenterait qu'un impact minime sur la sortie d'UVC lointains.

Les mains du convive peuvent être exposées à une irradiation aux UVC lointains pendant le repas. Cependant, les deux mains bougent généralement pendant un repas et, par conséquent, la dose d'UVC reçue peut varier en fonction du geste. La géométrie de l'abat-jour peut être mieux conçue pour circonscrire l'irradiation à la surface de la table mais pas beaucoup aux mains qui sont plus hautes que la surface de la table. L'examen du risque d'exposition des mains et des méthodes créatives pour minimiser l'exposition des mains attendent d'autres recherches.

Cette enquête a mené à la fois des expériences et une modélisation numérique pour explorer les performances germicides de l'irradiation aux UVC lointains, évaluer les doses d'UVC lointains auxquelles les convives seraient exposés et traiter le risque possible d'exposition à l'ozone associé. Sur la base des résultats obtenus, les conclusions suivantes peuvent être tirées :

Une dose d'irradiation aux UVC lointains de 12,8 mJ/cm2 peut désinfecter 99,9 % des E. coli sur des plaques en acier inoxydable. En faisant varier les sorties d'irradiance de la lampe, les numéros de lampe et les positions, l'irradiation UVC lointaine peut atteindre une inactivation de 3 log pendant une durée de repas de 5 min.

Les doses maximales d'UVC lointains auxquelles sont exposés les convives se situent au niveau de l'abdomen. La lampe UVC lointaine présente un faible risque de dommages pour les convives lorsqu'elle atteint un taux d'inactivation efficace pour la plupart des agents pathogènes infectieux.

La concentration moyenne d'ozone dans l'ensemble de la salle à manger était de 1,2 ppb, uniquement en raison de l'allumage des lampes UVC lointaines. L'utilisation de lampes UVC lointains dans une salle à manger ventilée mécaniquement n'entraîne pas de risque d'exposition à l'ozone.

Comme le montre la figure 1, les composants de la lampe UVC lointaine comprenaient un socle équilibré, une alimentation électrique, un cadre rétractable, une lampe à excimère et un abat-jour. L'apport électrique nominal était de 10 W. Le cadre en acier inoxydable pouvait être librement étendu de 0 à 60 cm au-dessus d'une table à manger.

La lampe à excimère adoptée avait des dimensions de 5,0 cm (longueur) × 5,0 cm (largeur) × 0,3 cm (épaisseur). La lampe était une source de lumière monochromatique et était composée de réseaux multi-entrelacés de microcavités remplies du gaz noble de KrCl. Lorsque la lampe est allumée, le KrCl dans les microcavités peut interagir avec la tension et irradier la lumière UV dans des longueurs d'onde de 219 à 222 nm et culminant à 221 nm36. L'irradiance UVC lointaine près de la lampe a été mesurée à 1,5 mW/cm2 dans les conditions de travail nominales. La lampe à excimère était recouverte d'un abat-jour étanche pour concentrer le rayonnement. L'abat-jour était monté sur un cadre rétractable via un essieu, permettant une rotation de 360° de la lampe selon les besoins de l'utilisateur.

L'irradiance est un déterminant clé de la performance germicide. Il est défini comme le flux rayonnant projeté sur une unité de surface par unité de temps. Une table à manger réelle en acier inoxydable de type 304 avec des dimensions de 120 cm (longueur) × 60 cm (largeur) × 70 cm (hauteur) a été utilisée dans cette étude. La table pouvait accueillir quatre convives à la fois. L'éclairement UVC lointain a été mesuré à différentes positions sur la surface de la table, comme le montre la figure 2a. Ces positions étaient étiquetées "O-B1-B2-B3-B4", avec des angles d'incidence de 0°, 22°, 39°, 50° et 58°, respectivement. Lors du test, la lampe était ancrée à quatre hauteurs différentes, à savoir, A1 à A4, allant de 5 à 20 cm avec un intervalle de 5 cm. La conception ci-dessus a été utilisée pour examiner l'irradiance sous différents angles d'incidence et distances d'incidence.

L'irradiance UVC lointain a été mesurée à l'aide d'un photomètre UVC (type : ILT2400 ; International Light Technologies, USA), avec une plage de détection de 8 à 4 mW/cm2 et une précision de ± 1 %. Pour minimiser l'incertitude de mesure, l'éclairement UVC lointain à chaque position a été mesuré 5 fois, et la valeur moyenne a été rapportée.

En plus de l'irradiance, la désinfection d'un micro-organisme a également été mesurée. La performance germicide de l'irradiation aux UVC lointains peut être évaluée quantitativement par l'efficacité d'inactivation34 comme :

où P est l'efficacité d'inactivation, et N0 et N sont les concentrations de microbes avant et après irradiation, respectivement, CFU/mL. L'efficacité d'inactivation obtenue est étroitement liée à la dose d'irradiation comme l'intégration de l'irradiance avec le temps.

Le microbe présent avant et après l'irradiation aux UVC lointains doit être échantillonné pour déterminer l'efficacité de l'inactivation. E. coli a été sélectionné comme micro-organisme test car il est fréquemment présent sur les tables à manger. E. coli (ATCC 25 922) a été utilisé dans cette enquête et a été acheté auprès de Haibo Biotechnology (Qingdao, Chine). Avant le test, une suspension d'E. coli a été préparée selon les procédures standard31. 20 μL de la suspension ont ensuite été extraits à la pipette et saupoudrés uniformément sur un morceau de plaque en acier inoxydable de type 304 de dimensions 1,00 cm (longueur) × 1,00 cm (largeur) × 0,05 cm (épaisseur). La plaque en acier inoxydable avec E. coli a été séchée dans un incubateur (type : SPX-70 ; Zhongji Environmental Protection Technology, Chine) à 35 °C pendant 20 min, puis placée sous la lampe UVC lointaine. Après cela, la plaque en acier inoxydable a été immergée dans 10 ml de solution saline tamponnée au phosphate (PBS) dans un tube en verre. Le tube de verre a été centrifugé à 5000 rpm/min pendant 10 min pour séparer les E. coli de la surface de la plaque vers le PBS. Le PBS avec E. coli a été dilué puis inoculé sur un milieu gélosé au soja contenant de la tryptone. Après incubation à 35 °C pendant 24 h, le nombre de colonies vivantes d'E. coli sur l'échantillon en acier inoxydable a été compté.

Pour garantir l'exactitude, trois tests parallèles ont été effectués, à savoir le groupe expérimental, le groupe témoin et le groupe témoin, comme illustré à la Fig. 10. Les opérations du groupe témoin étaient cohérentes avec celles du groupe expérimental, à l'exception de l'absence d'irradiation UVC lointaine. Les groupes témoins et expérimentaux ont été mis en place pour obtenir des concentrations d'E. coli avant et après l'irradiation aux UVC lointains. En ce qui concerne le groupe blanc, 20 μL de PBS ont été initialement transférés sur une plaque en acier inoxydable au lieu de la suspension d'E. coli, et les procédures ultérieures étaient les mêmes que pour le groupe témoin. Le but du test de groupe à blanc était d'identifier une éventuelle contamination microbienne pendant le fonctionnement.

Schémas de mesure de l'efficacité d'inactivation d'E. coli avec trois groupes tests parallèles.

Pour obtenir les efficacités d'inactivation à différentes doses d'irradiation, des doses d'UVC lointaines de 1 mJ/cm2, 3 mJ/cm2, 6 mJ/cm2, 12 mJ/cm2 et 24 mJ/cm2 ont été créées, qui ont été calculées comme l'intégrale de l'irradiance locale avec le temps d'irradiation. Les tests ont été répétés cinq fois à chaque dose. Ainsi, un total de 75 tests ont été effectués.

L'irradiance UVC lointain sur les surfaces de la table à manger a été résolue avec le modèle de rayonnement S2S 22, en négligeant l'absorption, l'émission et la diffusion du rayonnement dans le milieu et en ne préservant que le rayonnement "surface à surface" parmi les murs solides37. Le flux rayonnant sortant d'une surface donnée est composé d'un rayonnement directement émis et réfléchi. Le flux rayonnant de la surface N s'écrit :

où qout, N est le flux rayonnant sortant de la surface N, W/m2 ; εN est l'émissivité ; σ est la constante de Stefan-Boltzmann, 5,672 × 10−8 W/m2/K4 ; T est la température de surface, K ; ρN est la réflectivité de la surface N ; et qin, N est le flux rayonnant incident sur la surface N depuis l'environnement, W/m2.

Pour la validation du modèle, une table à manger avec la lampe UVC lointaine était supposée être située dans une pièce fermée avec des dimensions de 2,0 m (longueur) × 1,6 m (largeur) × 3,0 m (hauteur), similaire à la taille de la salle de test. Toutes les surfaces murales solides ont été supposées être à 25 °C, à l'exception de la surface de la lampe UVC lointaine avec une irradiance de surface de 1,5 mW/m2. Le logiciel ANSYS-FLUENT a été utilisé pour les solutions numériques. Un total de 1,5 million de cellules de grille tétraédriques distribuées de manière non uniforme ont été générées dans le domaine de la solution, avec une taille de grille plus fine de 4 mm près de la table à manger et de la lampe UVC lointaine. Pendant ce temps, la taille de la grille dans d'autres régions a progressivement augmenté jusqu'à 50 mm avec un taux de croissance de 1,2. Les facteurs de vue dans le modèle S2S et les équations énergétiques ont été discrétisés par le schéma upwind du second ordre. L'itération à chaque pas de temps s'est poursuivie jusqu'à ce que le critère de convergence de 10−5 soit atteint pour le résidu relatif. L'irradiance obtenue à partir de la modélisation numérique a été comparée à celle issue de la mesure.

Pour plus de simplicité, un domaine avec des dimensions de 4,0 m (longueur) × 3,2 m (largeur) × 3,0 m (hauteur) contenant quatre tables à manger et 16 convives adultes a été considéré comme illustré à la Fig. 11. Ce domaine représente une partie en coupe d'une grande salle à manger comme celles que l'on trouve dans les universités. Les convives avaient une hauteur assise de 1,26 m et les dimensions géométriques des tables à manger étaient les mêmes que celles utilisées dans le test expérimental. Des lampes UVC lointaines ont été placées sur les tables pour inactiver les microbes. Quatre lampes fluorescentes de dimensions 1,25 m (longueur) × 0,15 m (largeur) × 0,06 m (hauteur) ont été montées au plafond pour fournir un éclairage. La salle à manger a été équipée d'un système de ventilation mixte. L'air conditionné était fourni par un diffuseur carré au centre du plafond, et l'air intérieur était extrait par deux échappements carrés symétriques. Les longueurs du diffuseur et des échappements étaient de 0,15 m. Un total de 1,8 million de cellules de grille tétraédriques non uniformes ont été générées dans le domaine, avec une taille de grille plus fine de 4 mm près du diffuseur, des échappements, des lampes fluorescentes, des tables à manger, des lampes UVC lointaines et des convives. Pendant ce temps, la taille de la grille dans d'autres régions a progressivement augmenté jusqu'à 50 mm avec un taux de croissance de 1,2.

Modèle géométrique d'une salle à manger utilisant des lampes UVC lointaines pour désinfecter les tables à manger.

Le nombre de convives et de lampes variait selon la situation considérée. Une table à manger peut accueillir simultanément de un à quatre convives, et ils peuvent s'asseoir du même côté ou face à face s'il y a plusieurs convives. Comme le montre la Fig. 5, lorsqu'il n'y a qu'un seul restaurant, la lampe UVC lointaine peut être placée juste au-dessus de la salle à manger. Deux convives peuvent s'asseoir face à face ou du même côté. Pour trois convives, la conception a placé trois lampes au-dessus. Pour quatre convives assis ensemble, le nombre de lampes variait de un à quatre.

Les lampes UVC lointaines ont été placées à 25 cm au-dessus de la table. Les lampes étaient allumées pendant le repas. Des analyses statistiques antérieures ont révélé que la durée minimale d'un repas est de 5 min38. Par conséquent, cette enquête a tenté d'obtenir une efficacité d'inactivation d'au moins 3 log pour E. coli pendant une durée minimale de 5 min. L'irradiance de surface des lampes à excimères a été modifiée pour obtenir l'efficacité d'inactivation ci-dessus mais était inférieure à 100 mW/cm2. Les doses d'irradiation pour les convives ont été évaluées pendant 5 min pour assurer la sécurité humaine.

En plus de l'efficacité d'inactivation, les concentrations d'ozone à l'intérieur du réfectoire ont été modélisées. Les lampes à excimères étaient la principale source d'ozone. Le taux d'émission d'ozone d'une lampe à excimère avec une irradiance UVC lointaine de surface de 1,5 mW/cm2 a été mesuré à 17,27 ± 3,05 μg/h à l'aide d'un moniteur d'ozone (type : 106 L ; 2B Technologies, USA). Vous trouverez plus de détails sur la mesure du taux d'émission d'ozone dans les informations d'assistance. Une relation linéaire entre l'émission d'ozone et l'irradiance de surface a été supposée. L'ozone est chimiquement instable et peut se décomposer sur la plupart des surfaces, ce qui constitue des puits d'ozone39. La présence de divers puits réduira la concentration d'ozone dans l'espace. Par souci de simplicité, les taux d'élimination de l'ozone par ces puits ont été négligés dans cette enquête, ce qui peut avoir entraîné des concentrations d'ozone plus élevées que celles qui se produisent dans la pratique.

Le tableau 2 résume les principales conditions aux limites pour la modélisation numérique. Les limites latérales du domaine ont été mises en "symétrie" pour représenter une grande salle à manger. Le plafond, les tables à manger et le sol avaient une température constante de 25 °C, tandis que les températures des lampes fluorescentes et des diners étaient respectivement de 40 °C et 31 °C. La lampe UVC lointaine dégageait un flux de chaleur stable de 48,3 W/m2. L'irradiance de surface UVC lointaine a été variée de 0 à 100 mW/cm2 pour obtenir les efficacités d'inactivation attendues. De l'air conditionné à 17 °C a été fourni à la pièce à un débit de 476 m3/h. Les deux sorties d'air symétriques extrayaient l'air intérieur à des débits identiques. En plus de la distribution spatiale de la concentration d'ozone, la concentration dans la zone respiratoire de chaque restaurant a été analysée. La zone respiratoire a été définie comme un cube de 0,3 m dont le centre était sur le nez du dîneur.

Le logiciel ANSYS-FLUENT a été utilisé pour la solution numérique. L'irradiance de surface a été résolue par le modèle S2S. L'efficacité d'inactivation peut être obtenue une fois connue la relation entre le taux de survie d'un microorganisme et la dose d'irradiation. La concentration d'ozone a été modélisée comme un scalaire passif et était donc soumise à un flux d'air turbulent intérieur. Le modèle de turbulence RNG k–ε ainsi que la fonction de paroi standard ont été utilisés pour la solution d'écoulement40. L'approximation de Boussinesq a été adoptée pour considérer la flottabilité thermique. L'algorithme SIMPLE a été utilisé pour coupler la pression et la vitesse. La pression a été discrétisée par le schéma PRESTO, tandis que les autres variables ont été discrétisées par le schéma au vent de second ordre.

Les critères convergents pour l'irradiance de surface étaient identiques à ceux de la section de validation du modèle. Pour les concentrations d'ozone, les simulations étaient considérées comme convergentes si les critères suivants étaient satisfaits41 : (1) le résidu relatif pour l'équation de continuité était inférieur à 10−5, et les autres variables étaient inférieures à 10−3 ; (2) le rapport des débits massiques nets sur toutes les parois au débit total d'alimentation en air était inférieur à 10−5 ; (3) le taux de transfert de chaleur net sur toutes les parois était inférieur à 0,5 % du gain de chaleur maximal ; et (4) la vitesse de l'air, la température et les concentrations d'ozone à des points typiques étaient indépendantes de l'itération numérique.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié et ses fichiers d'informations complémentaires.

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La recherche a été soutenue par la National Natural Science Foundation of China (Grant No.: 51978450).

Laboratoire de contrôle de la qualité de l'air intérieur de Tianjin, École des sciences et de l'ingénierie de l'environnement, Université de Tianjin, Tianjin, Chine

Mengqiang Lv, Jin Huang, Haofu Chen et Tengfei (Tim) Zhang

École de génie civil, Université de technologie de Dalian, Dalian, Chine

Tengfei (Tim) Zhang

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ML : méthodologie, mesure de la concentration d'ozone, conservation, analyse et édition des données ; JH : mesure, logiciel, validation, conservation des données, analyse, préparation du projet original ; HC : comparaison des nombres d'E. coli comptés en utilisant les deux méthodes ; TZ : conceptualisation, méthodologie, révision et édition, supervision et administration de projet. Tous les auteurs ont révisé le manuscrit.

Correspondance à Tengfei (Tim) Zhang.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Lv, M., Huang, J., Chen, H. et al. Une lampe à excimère pour fournir une irradiation aux ultraviolets lointains C pour la désinfection de la table à manger. Sci Rep 13, 381 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27380-2

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Reçu : 13 septembre 2022

Accepté : 02 janvier 2023

Publié: 07 janvier 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-27380-2

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