Forschung & Entwicklung

Hygienischer Bierverschluss dank UV-Licht

UV-Licht macht Keime im Trinkwasser unschädlich. Die Zerstörung der DNA von Bakterien mit UV-LEDs eignet sich auch zur Desinfektion von Brauwasser und im Abfüllprozess von Deckeln für Bier, Erfrischungsgetränke und Mineralwasser.

Um sauberes Wasser für hochwertiges Bier zu garantieren, schalten Braubetriebe ihren Brauanlagen oftmals UV-Anlagen vor, mit denen sich das Trinkwasser keimfrei halten lässt. Denn UV-Licht eignet sich hervorragend, um Bakterien, Viren und Keime abzutöten. Die Bestrahlung zerstört das Erbgut. Vor allem UV-Licht im Wellenlängenbereich von 265 nm eignet sich dafür. Bisher wird dieses UV-Licht mit Quecksilberlampen erzeugt, die Licht bei 254 nm aussenden. Doch das in ihnen verwendete Schwermetall Quecksilber ist umweltschädlich. Forscher des Institutsteils Angewandte Systemtechnik AST des Fraunhofer-Instituts für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB in Ilmenau wollen gemeinsam mit Ihrem Projektpartner Purion die konventionellen quecksilberhaltigen Strahler durch ultraviolette Leuchtdioden (UVC-LEDs) ersetzen.

Weitere Nachteile der klassischen Strahler neben der nicht idealen Wellenlänge: Sie benötigen lange Aufwärmphasen, haben eine kurze Lebensdauer und sind aufgrund ihres sperrigen Designs nicht flexibel einsetzbar. Die Forscher setzen daher UV-LEDs ein, die mit einem Maximum von 265 nm emittieren. Besonders interessant sind diese UVC-LEDs, da deren Strahlung die DNA der Erreger deutlich besser zerstört. 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.

Im Gegensatz zu den Quecksilberlampen benötigen UV-LEDs keine Aufheizphase, sie erreichen sofort die volle Leistung. Zudem sind sie mechanisch stabil, nicht giftig und lassen sich im Niedrigspannungsbereich betreiben. Ein weiteres Plus: LEDs sind Punktstrahler. Aufgrund ihrer Abstrahlcharakteristik bieten sie ein breites Spektrum an Gestaltungsmöglichkeiten. Thomas Westerhoff und sein Team am Fraunhofer IOSB-AST kümmern sich um das Design der LED-Module und beantworten Fragestellungen wie „Wie müssen die Geometrien konstruiert sein“, „wie sieht der optimale Aufbau der Arrays je nach Anwendungsfall aus“, „wieviele LEDs sind erforderlich“, „wie sind Punktstrahler mit unterschiedlichen Wellenlängen auf dem Modul anzuordnen“.

Nach zahlreichen Praxistests sind die Forschern in der Lage, die UV-LEDs direkt im Wasser ohne aufwändiges Hüllrohr zu betreiben. Durch den Wegfall von Reflexionen konnten sie somit die Leistungsausbeute der Strahlungsquellen nochmals steigern. Für den Industriepartner Purion haben die Wissenschaftler vom Fraunhofer IOSB-AST ein spezielles Modul entwickelt, mit dem sich die Innenseiten von Bierdeckeln im Produktionsprozess vor dem Befüllen der Bierflaschen desinfizieren lassen. Somit ist sichergestellt, dass während des Produktionsprozesses 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 Westerhoff.

Die neue Technologie ist vielseitig einsetzbar, auch in medizinischen Geräten können UVC-LEDs dank ihrer kleinen Abmessungen und hohen Strahlungsintensität eingesetzt werden, um Flüssigkeiten, Oberflächen und schwer zugängliche Bereiche zielgerichtet zu entkeimen. Endoskope und Ultraschallsonden etwa lassen sich durch geschickte Anordnung trotz komplexer Bestrahlungsgeometrien effizient desinfizieren. Auch für den Medizintechniksektor bietet das Fraunhofer IOSB-AST seine Expertise im Design von LED-basierten UVC-Strahlungsquellen und der Simulation und Optimierung des Bestrahlungsfeldes an.

Die Technologie wurde im Rahmen der 2020-Initiative ‚Advanced UV for Life‘ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung BMBF vorangetrieben.

von mn

www.iosb.fraunhofer.de

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