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Versatilidad de por Vida de la Tecnología LED UVC para Sistemas de Purificación de Agua

Por Sébastien Blumenstein, PhD

En respuesta a la pandemia de COVID-19 causada por el SARS-CoV-2, los LED UVC han surgido como una tecnología fundamental para desinfectar superficies, así como para crear entornos más seguros en áreas públicas, espacios de trabajo y hogares.(1) El efecto germicida de UVC ha sido explotado durante más de un siglo en varios campos de aplicación. Hoy en día, la desinfección de agua con UV es un método estándar para aparatos que van desde plantas de tratamiento de agua a gran escala hasta sistemas de purificación de agua en el punto de uso. Con el rápido progreso tecnológico de los LED UVC en las últimas décadas, se ha demostrado que varios tipos y tamaños de sistemas de purificación de agua basados ​​en LED UVC(2) son una respuesta de desinfección viable para patógenos relacionados con el agua, como Pseudomonas, E. coli y Legionella.(3)

Tecnología LED UVC para la purificación de agua en la actualidad
Los sistemas de purificación de agua que utilizan LED UVC, que se encuentran principalmente en la actualidad en dispositivos de punto de uso (ver Imagen 1), ofrecen una variedad de ventajas en comparación con los sistemas tradicionales de lámparas UV, siendo más ecológicos, más seguros, confiables y rentables. Una característica sobresaliente de los LED UVC es la capacidad de poder encenderlos y apagarlos instantáneamente sin ningún inconveniente en la vida útil. Por lo tanto, los LED UVC se pueden activar a pedido a través de sensores de flujo o simplemente mediante señales de dispensación (por ejemplo, de válvulas solenoides), lo que significa que la vida útil solo se usa cuando el consumidor activa un sistema de purificación; es decir, cuando se dispensa agua. En comparación con los sistemas tradicionales, en los que las lámparas UV a menudo se activan continuamente, no hay necesidad de un tiempo de calentamiento adicional o de limitar la gestión del ciclo para evitar una degradación acelerada. Esto permite que la tecnología LED UVC ofrezca una clara mejora en la flexibilidad.
La propiedad de encendido y apagado instantáneo se traduce en una vida útil específica del producto de purificación de agua, que depende igualmente de las características específicas del aparato, así como del comportamiento del usuario. Diferentes casos de uso ilustran la amplia gama de posibles resultados de vida útil mediante propiedades representativas del sistema (caudales) y comportamiento de consumo (volumen de agua dispensada diariamente). El análisis del siguiente caso de uso comprende la evaluación cuantitativa del Final de la Vida Útil (FVU) en años, así como la capacidad de volumen total de agua para demostrar la versatilidad de vida útil de los sistemas de purificación de agua basados ​​en LED UVC.

Versatilidad de por vida de los LED UVC: un caso de uso
La definición de vida útil de los LED UVC integrados es crucial para el rendimiento y la confiabilidad que proporciona un sistema de purificación de agua.(3) Los diseños de sistemas de desinfección de agua generalmente requieren una potencia óptica total mínima para cumplir con la tasa de fluencia UV que garantiza una declaración de rendimiento de desinfección específica, a menudo especificada en términos de una tasa de reducción relativa (porcentaje o valor de reducción logarítmica) para un patógeno relevante para el agua (por ejemplo, Pseudomonas aeruginosa). Dado que los LED UVC se degradan lenta y continuamente durante el tiempo que están encendidos (a tiempo), los diseños del sistema deben considerar la potencia de salida de los LED UVC al final de su vida útil, así como el valor de confiabilidad relacionado que cuantifica estadísticamente el nivel de confianza en asegurando la potencia óptica requerida durante toda la vida útil del producto. Debido a esto, los clientes deben prestar atención al nivel de confianza que los fabricantes otorgan a la declaración de desempeño de desinfección de sus productos durante su vida útil.
Por ejemplo, este caso de uso supone que para un sistema de desinfección de agua basado en LED UVC determinado, se garantiza un cierto nivel de rendimiento de desinfección para una vida útil total de LED UVC de 500 horas. Para una discusión significativa sobre la vida útil del producto, se consideran dos parámetros:
• FVU en unidades de años (y)
• La capacidad de volumen total tratado en litros (L)
La FVU describe la vida útil efectiva en términos de años durante los cuales el producto de desinfección de agua (por ejemplo, un reactor de agua LED UVC) se aplica a un sistema operativo después de lo cual expira la declaración de rendimiento y cuando el fabricante normalmente recomendaría un reemplazo. La capacidad total especifica el volumen de agua dispensada consecuentemente utilizado durante ese tiempo. Ambas medidas se evalúan en función de:
• Caudal en litros por minuto (L/min)
• Consumo medio diario de agua en litros (L)(4)
Un modelo simplificado considera que UVC a tiempo se utiliza siempre que el agua fluya a un caudal específico a través del sistema de desinfección durante los días de uso. Además, se recomienda la activación de los LED UVC a intervalos regulares para prevenir el posible crecimiento microbiano, prohibiendo específicamente la formación de biopelículas durante los períodos de estancamiento del agua, es decir, cuando el aparato no está en uso (mantenimiento del agua). Matemáticamente, este modelo se puede expresar mediante la Ecuación 1.
La aplicación de 500 horas de LED UVC totales a tiempo, así como un ciclo de mantenimiento de agua automatizado de dos minutos de activación de LED UVC cada 12 horas, establece la base para la Ecuación 2 en el análisis cuantitativo que se muestra en la Ecuación 2.
La Figura 1 ilustra los valores de FVU calculados por la Ecuación 2 para un rango de caudales entre 0.5 y tres litros por minuto, y un consumo de agua diario promedio entre uno y 50 litros. Estos rangos de parámetros se han elegido para representar varios escenarios de aplicación, como los sistemas de filtración domésticos debajo del fregadero (UF [normalmente hasta tres L/min], ósmosis inversa [normalmente menos de un L/min] y otros), agua embotellada comercial refrigeradores (rangos hasta más pequeños de un L/m), refrigeradores de agua Enel punto de uso en entornos de oficina (normalmente de 1.5 a 2.5 L/min), así como también para aparatos de agua profesionales para el punto de uso en espacios públicos y de hospitalidad (normalmente más de dos L/min). Dentro de estos rangos de parámetros, el FVU más corto asciende a 0.8 años por 50 litros consumidos por día a un caudal de 0.5 L/min (Figura 1, esquina inferior derecha) y el más largo alcanza los 19 años por un litro consumido por día a tres L/min (Figura 1, esquina superior izquierda). Si bien estos valores son extremos calculados, la mayoría de los valores de FVU (75 por ciento) en esta evaluación se encuentran entre dos y 11 años, con una media de 5.6 años. Esto indica la impresionante variedad de vidas útiles posibles de un producto de purificación de agua basado en LED UVC en el campo, especialmente en comparación con los programas típicos de reemplazo de lámparas UV entre seis y 12 meses.
La Figura 2 muestra tres secciones transversales horizontales seleccionadas de la Figura 1 junto con los valores de capacidad total. Se puede reconocer claramente la dependencia no lineal para FVU y la capacidad total en el consumo diario promedio, así como su progresión de curva inversa (Ecuaciones 2 y 3). Cuando aumenta el consumo diario, se trata más agua y se usa menos tiempo de encendido de LED UVC para el mantenimiento del agua (en términos relativos), mientras que la vida útil efectiva del producto disminuye debido a períodos de uso de LED UVC más prolongados por día.
Para el rango de parámetros de este caso de uso, los volúmenes de agua tratada en FVU se encuentran entre 5,000 litros (14 años) y 73,000 litros (2.2 años) con una media de 36,000 litros. Nuevamente, esto demuestra la amplia gama de posibles aplicaciones de purificación de agua que se sirven según el comportamiento del usuario y el caudal del sistema. La Figura 2 también enfatiza las consecuencias a diferentes caudales. Como se muestra, triplicar el caudal resulta en hasta cinco años más de FVU, mientras que la capacidad total puede aumentar en un factor > 2.5. Debido a que un cierto volumen de agua se trata más rápido a un caudal más alto, los períodos de activación de LED UVC son más cortos. Por lo tanto, se consume menos LED UVC a tiempo por día para un consumo diario de agua específico.
Además, la vida útil del producto se ve afectada por períodos de no uso o días sin consumo de agua. Por ejemplo, un sistema de desinfección UVC utilizado para la filtración doméstica debajo del fregadero podría usarse a diario, mientras que un sistema profesional para el punto de uso en un entorno de hospitalidad podría experimentar un día libre durante la semana, mientras que un enfriador de agua instalado en un espacio de oficina podría incluso pasar por un fin de semana completo de estancamiento de agua. Cabe destacar que esto enfatiza la necesidad de un ciclo de mantenimiento de agua automatizado para prevenir el crecimiento microbiano durante tales períodos de estancamiento de agua.
Cubriendo las tres situaciones, la Figura 3 ilustra el FVU y los valores de capacidad total sobre el consumo diario de agua a un caudal fijo de dos L/min. Al considerar un módulo de desinfección UVC adjunto a una unidad dispensadora de agua en un espacio de oficina, la FVU disminuye con menos días de oficina cerrada, lo que se debe principalmente al hecho intuitivo de que el consumo diario promedio tiene lugar durante los días laborales.(4)
Por el contrario, el volumen total de agua tratada aumenta porque se consume menos tiempo de encendido del LED UVC para la rutina automatizada de mantenimiento del agua durante la vida útil del producto. En general, la vida útil efectiva del mismo sistema de purificación de agua UVC basado en LED puede variar hasta dos años dependiendo del entorno de aplicación. Conocer el entorno de la aplicación del usuario final e identificar el consumo promedio diario ayuda a los fabricantes y técnicos a optimizar los programas de reemplazo y, por lo tanto, a reducir los costos de manera significativa.

Flexibilidad de por vida impulsa soluciones de desinfección más versátiles
Estos ejemplos de aplicación brindan evidencia cuantitativa de la versatilidad de los productos de purificación de agua basados ​​en LED UVC proporcionada por una flexibilidad de vida útil a gran escala. La capacidad intrínseca de los LED UVC para activarse bajo demanda solo extiende las expectativas de fin de vida útil (FVU) sustancialmente en comparación con los sistemas basados ​​en lámparas UV tradicionales. En particular, los escenarios de consumo de volumen de agua moderado que se aplican al punto de uso doméstico, por ejemplo, se benefician de ciclos de reemplazo que fácilmente superan los 10 años.
Este análisis brinda confianza a los fabricantes y proveedores de servicios de dispensadores de agua para el punto de uso de que el cambio a una solución LED UVC proporciona una función de desinfección sin mantenimiento durante varios años, lo cual agrega valor a su negocio a través de una planificación predecible para el reemplazo, así como a sus clientes. con gastos de mantenimiento reducidos. La tecnología LED UVC continúa avanzando a un ritmo rápido, lo que ampliará continuamente su penetración en el mercado en los espacios de agua, alimentos y bebidas, hotelería y edificios.
Hoy en día, la versatilidad de por vida de los sistemas de desinfección UVC basados ​​en LED ya sirve para una amplia gama de aplicaciones al adaptarse fácilmente a los diversos comportamientos de uso de los clientes finales. Las unidades compatibles con IoT con indicaciones funcionales están disponibles como componentes personalizables para los fabricantes de equipos originales, así como módulos autónomos de conectar y usar “plug-and-play” para actualización y accesorios opcionales para servir una amplia gama de aparatos de purificación de agua.(2)

Referencias
(1) F. Javier García de Abajo, Rufino Javier Hernández, Ido Kaminer, Andreas Meyerhans, Joan Rosell-Llompart and Tilman Sanchez-Elsner, “Back to Normal: An Old Physics Route to Reduce SARS-CoV-2 Transmission in Indoor Spaces,” ACS Nano ASAP, 2020. DOI: 10.1021/acsnano.0c04596
(2) GWI market map. “Reduced scalability obstacles spell bright future for UV-LED systems,” Chief Technology Officer, Vol 21, Issue 3 (March 2020) https://www.globalwaterintel.com/global-water-intelligencemagazine/21/3/market-map/reduced-scalability-obstacles-spell-brightfuture-for-uv-led-systems
(3) A.W. Miller, R.M. Mariita, Disinfection Performance of UVC LEDs against Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli and RNA Bacteriophage Qβ at Different Conditions, Conference Proceeding, UV Technology Advances 1, IUVA Americas Conference, Orlando, FL (2020) https://www.iuva.org/2020-AC-Conference-Tuesday
(4) Aquí, la definición de consumo medio por día se refiere únicamente a los días de uso. La evaluación respeta los días de inactividad con un término adicional en la Ecuación 1.
(5) Por favor tenga en cuenta que el rendimiento de desinfección de un sistema de purificación de agua generalmente difiere dependiendo del caudal, lo cual no se aborda en artículo.

Acerca del autor
Como ingeniero de aplicaciones de campo, EMEA, el Dr. Sébastien Blumenstein tiene la responsabilidad técnica de los proyectos LED Crystal IS UVC, incluidas las aplicaciones de desinfección de agua. Él apoya la integración de productos de desinfección de agua Crystal IS listos para usar, así como soluciones personalizadas para satisfacer las necesidades específicas de los clientes. Antes de Crystal IS, Blumenstein trabajó en Excelitas, un líder en tecnología fotónica que ofrece soluciones ópticas OEM. Tiene un doctorado en física de la Universidad Técnica de Darmstadt (Alemania). Puede comunicarse con Blumenstein en sebastien.blumenstein@cisuvc.com.

Acerca de la empresa
Crystal IS, una empresa de Asahi Kasei, es un fabricante de LED UVC de alto rendimiento. Los productos Crystal IS son adecuados para monitorear la desinfección y esterilización en una variedad de aplicaciones, incluida la purificación de agua comercial y del consumidor en el punto de uso, y el control de infecciones en el aire y en superficies en las industrias de la salud. Para obtener más información, visite cisuvc.com.

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