紫外線殺菌照射

紫外線殺菌照射（UVGI）は、紫外線（UV）、特にUV-C（180～280 nm）を使用して微生物を殺したり不活性化したりする消毒技術です。UVGIは主に微生物の遺伝物質を損傷することで微生物を不活性化し、それによって微生物が重要な機能を果たす能力を阻害します。^[1]

UVGIの使用は、食品、表面、空気、水の消毒を含むさまざまな用途に広がっています。UVGIデバイスは、細菌、ウイルス、真菌、カビ、その他の病原体を含む微生物を不活性化できます。^{[2] [3]最近の研究では、} COVID-19を引き起こすコロナウイルス株であるSARS-CoV-2を不活性化するUV-C光の能力が実証されています。^{[4] [5] [6] [7] [8] [9]}

UV-C波長は、生物組織に対して多様な殺菌効果と効果を発揮する。^{[9] [10] [11]ピーク放射が約254 nmの}低圧水銀（LP-Hg）ランプなどの多くの殺菌灯には、人体に有害な可能性のあるUV波長が含まれている。^{[12] [13]}その結果、UVGIシステムは、病院の表面消毒、上階の部屋のUVGI、水処理など、人が直接さらされない用途に主に限定されてきた。^{[14] [15] [16]最近では、}遠紫外線と呼ばれることが多い200〜235 nmの波長の応用が、表面および空気の消毒に普及しつつある。^{[11] [17] [18]}これらの波長は、人体組織への浸透が大幅に減少するため、はるかに安全であると見なされている。^{[19] [20] [21] [22]}

特に、大気中のオゾン層の吸収特性により、UV-C光は地球の表面に到達する太陽​​光にはほとんど含まれていない。^[23]

UVGIの開発は、アーサー・ダウンズとトーマス・ブラントが太陽光、特に短波長の太陽光が微生物の増殖を妨げることを発見した1878年に遡ります。^{[24] [25] [26]}この研究を発展させて、エミール・デュクローは1885年に、異なる細菌種間での太陽光感受性の違いを特定しました。^{[27] [28] [29]}数年後の1890年、ロベルト・コッホは、太陽光が結核菌に致死的影響を与えることを実証し、結核などの病気と闘うためのUVGIの可能性を示唆しました。^[30]

その後の研究で、殺菌不活性化に最も効果的な波長がさらに明確になりました。1892年には、太陽光の紫外線が最も強力な殺菌効果を持つことが指摘されました。^{[31] [32]} 1890年代初頭に行われた研究では、UV-CがUV-AやUV-Bよりも優れた殺菌効果を持つことが実証されました。^{[33] [34] [35]}

UVの変異原性効果は、1914年の研究で初めて明らかにされました。この研究では、炭疽菌に亜致死量のUVを曝露させたときの代謝変化が観察されました。[ 36 ]フレデリック^・ゲイツは、1920年代後半に、ブドウ球菌と大腸菌に対する最初の定量的な殺菌作用スペクトルを提示し、 265 nmで効果が最大になることを指摘しました。^{[37] [38] [39]これは}核酸の吸収スペクトルと一致し、DNA損傷が細菌不活性化の重要な要因であることを示唆しています。この理解は、UV-Cがチミン二量体を形成し、微生物の不活性化につながることを実証した研究を通じて、1960年代までに確固たるものになりました。^[40]これらの初期の研究結果は、消毒ツールとしての現代のUVGIの基礎を築きました。

UVGIの空気消毒への利用は、1930年代半ばに本格的に始まりました。ウィリアム・F・ウェルズは1935年に、空気中の感染性微生物、特に254nmの紫外線にさらされたエアロゾル化した大腸菌が急速に不活性化できることを実証しました。 ^{[41]これは、}カール・フリューゲとウェルズ自身が提唱した感染性飛沫核伝播の以前の理論に基づいています。 ^{[42] [43]}これ以前は、紫外線は空気中の微生物ではなく、主に液体または固体媒体の文脈で研究されていました。

ウェルズの最初の実験の直後、1936年にデューク大学の病院の手術室の消毒に高強度UVGIが採用されました。 ^[44]この方法は成功し、術後の創傷感染はUVGIを使用しない場合の11.62%からUVGIを使用すると0.24%に減少しました。^[45]すぐにこのアプローチは他の病院や小児病棟にも拡大され、呼吸器の交差感染を防ぐように設計されたUVGI「ライトカーテン」が使用され、目覚ましい成果を上げました。^{[46] [47] [48] [49]}

UVGI の適用方法の調整により、「ライトカーテン」から上階の UVGI へと移行し、殺菌照射を人間の頭の高さより上に限定するようになりました。垂直方向の空気の流れが良好であることに左右されるにもかかわらず、このアプローチは交差感染の防止に好ましい結果をもたらしました。^{[50] [51] [52]このことは、1937 年から 1941 年にかけてフィラデルフィア郊外のデイスクールで}麻疹の蔓延を抑えるためにウェルズが上階の UVGI を効果的に使用したことに例証されています。彼の研究によると、 UVGI のない学校では感受性の高い生徒の 53.6% が感染したのに対し、UVGI のある学校では感受性の高い生徒の感染率はわずか 13.3% でした。^[53]

当初ウェルズの弟子だったリチャード・L・ライリーは、1950年代から60年代にかけて空気感染とUVGIの研究を続け、退役軍人病院の結核病棟で重要な実験を行った。ライリーは、UVGIが空気感染病原体を効率的に不活性化し、結核の蔓延を防ぐことができることを実証した。^{[54] [55] [56]}

当初は成功を収めたものの、20世紀後半には、代替の感染制御・予防法の増加、有効性の一貫性の欠如、安全性とメンテナンス要件に関する懸念など、さまざまな要因により、UVGIの使用は減少しました。^{[14]しかし、}多剤耐性菌の増加やCOVID-19パンデミックなどの最近の出来事により、空気消毒のためのUVGIへの関心が再燃しています。^{[57] [58] [59] [60]}

飲料水の消毒に紫外線を使用する方法は、1910年にフランスのマルセイユで始まった。^[61]プロトタイプのプラントは信頼性の低さから短期間で閉鎖された。1955年にオーストリアとスイスで紫外線水処理システムが導入され、1985年までにヨーロッパで約1,500のプラントが稼働した。1998年、クリプトスポリジウムやジアルジアなどの原生動物はこれまで考えられていたよりも紫外線に対して脆弱であることが発見され、北米で紫外線水処理が広く使用されるようになった。2001年までに、ヨーロッパでは6,000以上の紫外線水処理プラントが稼働していた。^[62]

研究者が水や廃水を消毒するための新しいUV法を開発し使用するにつれて、時間の経過とともにUVコストは低下してきました。米国^{[63] [64] [65]や英国[66]}を含むいくつかの国では、飲料水供給の消毒にUVを使用するための規制とガイドラインを発表しています。

紫外線は、可視光線より短いがX線より長い波長を持つ電磁放射線である。紫外線はいくつかの波長範囲に分類され、短波長紫外線（UV-C）は「殺菌紫外線」と考えられている。約200nmから300nmの波長は核酸に強く吸収される。吸収されたエネルギーはピリミジン二量体などの欠陥を引き起こす可能性がある。これらの二量体は複製を妨げたり、必要なタンパク質の発現を妨げたりして、生物の死や不活性化を引き起こす可能性がある。最近、これらの二量体は蛍光性であることが示された。^[67]

• 低蒸気圧で動作する水銀ランプは253.7nmの線で紫外線を放射する。^[68]
• 紫外線発光ダイオード（UV-C LED）ランプは、255～280nmの範囲で選択可能な波長の紫外線を放射します。^[69]
• パルスキセノンランプは、230nm付近でピーク発光する全紫外線スペクトルにわたって紫外線を放射する。^[70]

このプロセスは、人間に日焼けを引き起こす長波長 ( UV-B )の効果に似ていますが、より強力です。微生物は UV に対する防御力が低く、長時間の曝露では生き残ることができません。^[要出典]

UVGI システムは、水槽、部屋、強制換気システムなどの環境を殺菌 UV にさらすように設計されています。曝露は、適切な波長で殺菌 UV を放出する殺菌ランプによって行われ、それによって環境が照射されます。この環境を通る空気または水の強制的な流れにより、空気または水が曝露されます。^{[引用が必要]}

殺菌紫外線の有効性は、紫外線量、すなわち微生物に届く紫外線の量（放射曝露量として測定）と、殺菌効果曲線によって定義される、微生物が紫外線の特定の波長に対してどの程度影響を受けやすいかによって決まります。

UV 線量は、面積あたりの光エネルギー、つまり放射露出またはフルエンスで測定されます。微生物がさらされるフルエンスは、光の強度、つまり放射照度と露出時間の積で、次の式で表されます。

紫外線量（μJ/cm ²）＝紫外線強度（μW/cm ²）×照射時間（秒）^[71]

同様に、放射照度は、UV 源の明るさ (放射強度、W/sr)、UV 源と微生物間の距離、光路内のフィルター (汚れたガラスなど) の減衰、媒体の減衰 (濁った水中の微生物など)、微生物を UV から遮蔽できる粒子または物体の存在、同じ UV 光を媒体に複数回通すことができる反射体の存在によって決まります。さらに、微生物がバイオフィルムなどのように自由に流動しない場合は、微生物が互いの照射を遮ります。

米国環境保護庁（EPA）は1986年に水処理用途の紫外線照射量ガイドラインを発表しました。^[72]紫外線照射量を直接測定することは困難ですが、以下の方法から推定することもできます。

• 流量（接触時間）
• 透過率（対象物に到達する光）
• 濁度（曇り）
• ランプの経年劣化、汚れ、停電（紫外線強度の低下）

電球の効果を確保するには、定期的な清掃と交換が必要です。殺菌用 UV 電球の寿命は設計によって異なります。また、電球の材質によっては殺菌光線が吸収されることがあります。空気流によるランプの冷却によっても UV 出力が低下することがあります。UV 線量はランプ寿命の終了時点を使用して計算する必要があります (EOL は、ランプが初期 UV 出力の 80% に達すると予想される時間数で指定されます)。一部の飛散防止ランプは、破損した場合にガラスの破片や水銀を封じ込めるためにフッ化エチレンポリマーでコーティングされています。このコーティングにより、UV 出力が最大 20% 低下します。

UV 光源の強度は、 1 メートルの距離での放射照度として指定されることがあります。これは、放射強度に簡単に変換できます。UV 強度は距離の 2 乗に反比例するため、距離が長くなると減少します。一方、1 メートル未満の距離では急激に増加します。上記の式では、UV 線量がランプからちょうど 1 メートル (3.3 フィート) の距離で計算されない限り、UV 強度は常に距離に合わせて調整する必要があります。UV 線量は、対象領域の周辺でランプから最も遠い距離で計算する必要があります。反射を利用して、同じ光が吸収される前に媒体を数回通過するようにすることで、フルエンスを増加できます。アルミニウムは他の金属と比較して反射率が最も高いため、UV を使用する場合に推奨されます。^[73]

静的アプリケーションでは、効果的な UV 照射量に達するまで、必要なだけ照射時間を長くすることができます。水流/気流消毒では、照射量を増やしたり、流体速度を下げたり、照射セクションを通して空気または水を繰り返し循環させたりすることで、照射時間を長くすることができます。これにより、複数のパスが確保され、UV は最大数の微生物に対して効果的となり、耐性微生物を複数回照射して分解します。

微生物は特定の波長の紫外線に対して感受性が高く、この関数は殺菌効果曲線と呼ばれます。大腸菌の曲線は図に示されていますが、最も効果的な紫外線の波長は 265 nm です。これはほとんどの細菌に当てはまり、他の微生物でも大きな変化はありません。ほとんどの細菌とウイルスの 90% 殺菌率に必要な照射量は 2,000 ～ 8,000 μJ/cm ^2です。クリプトスポリジウムなどの大型寄生虫は、不活化に必要な照射量が少なくて済みます。その結果、米国 EPA は、飲料水プラントがクリプトスポリジウム、ジアルジア、またはウイルスの不活化クレジットを取得する方法として紫外線消毒を承認しました。たとえば、EPA の 2006 年ガイダンス マニュアルによると、クリプトスポリジウムを 90% 削減するには、最低 2,500 μW·s/cm ²の照射量が必要です。^{[65] : 1–7}

「殺菌」は達成可能であると誤って引用されることがよくあります。制御された環境では理論的には可能ですが、証明するのは非常に難しく、このサービスを提供する企業は法的処罰を避けるために「消毒」という用語を一般的に使用しています。専門企業は、殺菌の代わりに、たとえば 6 対数減少または 99.9999% の効果など、特定のlog 減少を宣伝することがよくあります。これは、光修復と暗修復 (それぞれ光再活性化と塩基除去修復)と呼ばれる現象を考慮に入れており、細胞は紫外線によって損傷した DNA を修復できます。

多くのUVGIシステムは、人体に有害な可能性のあるUV波長を使用しており、即時的および長期的な影響をもたらします。目や皮膚への急性の影響には、光角膜炎（「雪盲」と呼ばれることが多い）や紅斑（皮膚の赤み）などの症状が含まれる可能性があり、慢性的な曝露は皮膚がんのリスクを高める可能性があります。^{[12] [13] [74]}

しかし、紫外線の安全性と影響は波長によって大きく異なるため、すべてのUVGIシステムが同レベルの危険性を及ぼすわけではない。人間は通常、太陽紫外線の形で紫外線にさらされるが、これはUV-AとUV-Bの大部分を占め、UV-Cは含まれない。生きた複製組織の奥深くまで浸透できるUV-B帯は、最も有害で発がん性があると認識されている。^[75]

低圧水銀（LP-Hg）ランプなどの多くの標準的なUVGIシステムは、UV-C範囲で広帯域放射を生成し、UV-B帯域でもピークに達します。このため、特定の波長に有害な影響を帰属させることが困難な場合が多くあります。^[76]ただし、UV-C帯域のより長い波長は、光角膜炎や紅斑などの症状を引き起こす可能性があります。^{[22] [77]}そのため、多くのUVGIシステムは、上階のUVGI空気清浄機や水消毒システムなど、人体への直接的な曝露が制限される環境で使用されています。

これらの UVGI システムのユーザーを保護するために、次のような予防措置が一般的に実施されています。

• 警告ラベル: ラベルは、紫外線の危険性をユーザーに警告します。
• インターロック システム: 密閉された水タンクや空気循環ユニットなどのシールド システムには、システムが開かれて人がアクセスできるようになると UV ランプが自動的にオフになるインターロックが付いていることがよくあります。UV-C をブロックする透明なビューポートも利用できます。
• 個人用保護具: ほとんどの保護眼鏡、特に ANSI Z87.1 に準拠しているものは、UV-C を遮断します。同様に、衣類、プラスチック、およびほとんどの種類のガラス (溶融シリカを除く) は、UV-C を効果的に遮断します。

2010 年代初頭から、部屋全体を照らすための 200～235 nm の遠紫外線波長への関心が高まっています。これらの波長は、タンパク質の吸収が増加するため浸透深度が限られているため、一般的に安全であると考えられています。^{[78] [79]}この特徴により、遠紫外線の照射は死んだ皮膚の外層 (角質層) や角膜の涙液層および表面細胞などの組織の表層に限定されます。^{[22] [80] [81] [82]}これらの組織には複製細胞が含まれていないため、損傷による発がんリスクは低くなります。また、遠紫外線は太陽紫外線や従来の 254 nm UVGI システムの何倍ものレベルで紅斑や角膜損傷を引き起こさないことも実証されています。^{[83] [84] [22]}

紫外線、特に殺菌効果のあるUV-C領域の曝露限度は、科学的研究と技術の変化により、時間の経過とともに進化してきました。米国産業衛生専門家会議（ACGIH）と国際非電離放射線防護委員会（ICNIRP）は、紫外線曝露の即時的および長期的な影響から保護するための曝露限度を設定しています。^{[85] [86]}これらの限度は閾値限界値（TLV）とも呼ばれ、製品安全基準における放出限度の基礎となります。

UV-C光生物学的スペクトル帯域は100～280 nmと定義されており、現在は180～280 nmにのみ制限が適用されています。これは、紅斑や光角膜炎などの急性障害や、光発癌などの長期遅延影響に対する懸念を反映しています。しかし、殺菌用途におけるUV-Cの安全性に関する証拠が増えたため、既存のACGIH TLVは2022年に改訂されました。^[87]

2022年の改訂により、222 nmのUV-C波長（KrClエキシマランプからのピーク放射）のTLVは、8時間にわたる眼の曝露で161 mJ/cm ²、皮膚の曝露で479 mJ/cm ^{2になりました。 [88] 254 nmのUV波長については、更新された曝露限度は、眼で6 mJ/cm 2} 、皮膚で10 mJ/cm ²に設定されています。 ^[88]

UVは室内空気の化学組成に影響を与え、オゾンやその他の潜在的に有害な汚染物質（粒子状汚染物質を含む）の形成につながる可能性があります。^[89]これは主に光分解によって起こり、UV光子が分子を小さなラジカルに分解してOHなどのラジカルを形成します。^[90]このラジカルは揮発性有機化合物（VOC）と反応して、酸化VOC（OVOC）や二次有機エアロゾル（SOA）を生成します。^[91]

242nm以下の波長はオゾンも生成しますが、これはOVOCやSOAの形成に寄与するだけでなく、それ自体が有害となる可能性があります。大量に吸入すると、これらの汚染物質は目や呼吸器系を刺激し、喘息などの症状を悪化させる可能性があります。^[92]

生成される特定の汚染物質は、初期の空気の化学組成と紫外線源のパワーと波長によって異なります。オゾンやその他の室内汚染物質を制御するために、換気とろ過の方法を使用して、空気中の汚染物質を希釈し、室内の空気の質を維持します。^[93]

UVC放射は化学結合を切断する能力があり、プラスチックやその他の材料、断熱材やガスケットの急速な劣化につながります。「UV耐性」として販売されているプラ​​スチックは、通常UVCが地表に到達しないため、低エネルギーのUVBに対してのみテストされています。^[94]プラスチック、ゴム、断熱材の近くでUVを使用する場合、これらの材料は金属テープまたはアルミホイルで保護される場合があります。

UVGIは長時間の曝露で空気を消毒するのに使用できます。1930年代から40年代にかけて、フィラデルフィアの公立学校で行われた実験では、上階の教室に紫外線装置を設置することで、生徒間の麻疹の伝染を大幅に減らすことができることが示されました。^[95]

紫外線と紫色光はSARS-CoV-2の感染力を中和することができる。^[96] COVID-19患者の痰に通常含まれるウイルス力価は、自然な太陽光曝露と同程度のUV-AおよびUV-B照射によって完全に不活化される。この知見は、夏季のSARS-COV-2の発生率低下は、部分的には太陽の紫外線照射の中和作用によるものである可能性を示唆している。^[96]

SARS-CoV-2の消毒には様々な紫外線照射装置が使用でき、これらの装置は感染拡大の抑制に役立つ可能性がある。^[97] SARS-CoV-2は広範囲のUVC波長で不活性化でき、222nmの波長が最も効果的な消毒性能を発揮する。^[97]

消毒は紫外線の強度と時間の関数である。このため、理論的には、動いている空気や、ランプが流れに対して垂直な場合は、露出時間が大幅に短縮されるため、それほど効果的ではない。しかし、多くの専門的および科学的な出版物は、ファンや HVAC 換気と組み合わせて使用​​すると、部屋全体の循環が促進され、より多くの空気が紫外線源にさらされるため、UVGI の全体的な有効性が実際に高まることを示唆している。^{[98] [99]}空気浄化 UVGI システムは、シールドされた UV ランプを備えた自立型ユニットで、ファンを使用して空気を UV ライトに強制的に通過させる。他のシステムは強制空気システムに設置され、建物の循環によって微生物がランプを通過できるようにする。この形式の殺菌の鍵となるのは、UV ランプの配置と、死んだ微生物を除去するための優れた濾過システムである。^[100]たとえば、強制空気システムは設計上、視線を遮るため、UV ライトが遮られる環境領域が生じる。しかし、冷却システムのコイルと排水パンに紫外線ランプを設置すると、自然に湿った場所に微生物が形成されるのを防ぐことができます。^[101]

水の紫外線消毒は、純粋に物理的で、化学薬品を使わないプロセスです。化学消毒剤に非常に耐性のあるクリプトスポリジウムやジアルジアなどの寄生虫でさえ、効率的に減少します。紫外線は、水から塩素やクロラミン種を除去するためにも使用できます。このプロセスは光分解と呼ばれ、通常の消毒よりも高い線量が必要です。死んだ微生物は水から除去されません。紫外線消毒では、水中の溶解した有機物、無機化合物、または粒子は除去されません。^[102]世界最大の水消毒プラントは、ニューヨーク市の飲料水を処理しています。 2013年10月8日に稼働を開始したキャッツキル-デラウェア水紫外線消毒施設には、合計56台のエネルギー効率の高いUVリアクターが組み込まれており、1日あたり最大22億米ガロン（83億リットル）を処理しています。^{[103] [104]}

紫外線はオゾンや過酸化水素と組み合わせてヒドロキシラジカルを生成し、高度な酸化プロセスを通じて微量汚染物質を分解することもできます。

紫外線消毒は、外側に被膜があったり、DNAを紫外線から守る嚢子状態を形成する大型病原体（ジアルジアなど）よりも、遺伝物質がより露出している細菌やウイルスに対して効果的であると以前は考えられていました。しかし、最近、紫外線が微生物クリプトスポリジウムの治療にある程度効果的であることが発見されました。この発見により、飲料水を処理する実行可能な方法として紫外線照射が使用されるようになりました。一方、ジアルジアは、脱嚢ではなく感染性に基づいたテストでは、UV-Cに非常に敏感であることが示されました。^[105]原生生物は高線量のUV-Cでも生き残ることができますが、低線量では滅菌されることがわかっています。

UV 水処理装置は、井戸水や地表水の消毒に使用できます。UV 処理は、コスト、労働力、および操作に専門の訓練を受けた人員が必要な点において、他の水消毒システムよりも優れています。水の塩素処理は、より大きな微生物を処理し、残留消毒を提供しますが、これらのシステムは、特別なオペレーターの訓練と潜在的に危険な物質の安定した供給を必要とするため、高価です。最後に、水を沸騰させるのが最も信頼性の高い処理方法ですが、労働力が必要であり、高い経済的コストがかかります。UV 処理は迅速で、一次エネルギー使用量の点では、沸騰よりも約 20,000 倍効率的です。^{[引用が必要]}

UV 消毒は、透明度の高い精製逆浸透蒸留水の処理に最も効果的です。浮遊粒子は、粒子内に埋もれた微生物が UV 光から遮蔽され、影響を受けずにユニットを通過するため問題となります。ただし、UV システムをプレフィルターと組み合わせると、影響を受けずに UV システムを通過する大型の微生物を除去できます。プレフィルターは水を浄化して光透過率を向上させ、水柱全体にわたる UV 線量を改善します。UV 水処理のもう 1 つの重要な要素は流量です。流量が高すぎると、水は十分な UV 照射を受けずに通過します。流量が低すぎると、熱が蓄積して UV ランプが損傷する可能性があります。^[106] UVGI の欠点は、塩素処理された水は再感染に対して耐性がある (塩素がガス放出されるまで) のに対し、UVGI 水は再感染に対して耐性がないことです。UVGI 水は、再感染を回避するような方法で輸送または配送する必要があります。^[要出典]

2006年にカリフォルニア大学バークレー校で行われたプロジェクトでは、資源が乏しい環境でも安価な水の消毒を実現する設計が考案された。^[107]このプロジェクトは、地域の状況に合わせて適応できるオープンソースの設計を生み出すことを目的としていた。2014年に行われた似たような提案では、オーストラリアの学生がポテトチップスの袋のホイルを使って太陽光の紫外線をガラス管に反射させ、電力なしで水を消毒するシステムを設計した。^[108]

UVシステムのサイズは、流量、ランプ電力、水中のUV透過率という3つの変数によって左右されます。メーカーは通常、バイオアッセイ試験で検証された高度な数値流体力学（CFD）モデルを開発しました。これには、 MS2またはT1バクテリオファージを使用して、さまざまな流量、UV透過率、電力レベルでUVリアクターの消毒性能をテストし、システムのサイズを決定するための回帰モデルを開発することが含まれます。たとえば、これはEPA UVマニュアルに従って、米国のすべての公共水道システムで必須となっています。 ^{[65] : 5–2}

フロー プロファイルは、チャンバーの形状、流量、および選択された特定の乱流モデルから生成されます。放射プロファイルは、水質、ランプの種類 (電力、殺菌効率、スペクトル出力、アーク長)、および石英スリーブの透過率と寸法などの入力から作成されます。独自の CFD ソフトウェアは、フロー プロファイルと放射プロファイルの両方をシミュレートします。チャンバーの 3D モデルが構築されると、数千の小さな立方体で構成されるグリッドまたはメッシュが配置されます。

関心のあるポイント (曲がり部分、石英スリーブ表面、ワイパー機構の周囲など) では高解像度のメッシュが使用され、リアクター内の他の領域では粗いメッシュが使用されます。メッシュが生成されると、数十万の仮想粒子がチャンバーを通じて「発射」されます。各粒子には関連するいくつかの関心のある変数があり、粒子はリアクターの後で「収穫」されます。離散位相モデリングにより、送達された線量、ヘッド損失、およびその他のチャンバー固有のパラメータが生成されます。

モデリング段階が完了すると、選択されたシステムは、監視を行い、モデルがシステムパフォーマンスの現実をどの程度正確に予測できるかを判断するために、専門の第三者を使用して検証されます。システム検証では、MS 2ファージや枯草菌などの非病原性代替物を使用して、リアクターの還元等価線量（RED）能力を決定します。ほとんどのシステムは、フローおよび透過率の範囲内で 40 mJ/cm ^{2を送達するように検証されています。 [109]}

飲料水システムにおける有効性を検証するために、EPA UVガイダンスマニュアルに記載されている方法が米国の水道事業者によって一般的に使用されていますが、ヨーロッパではドイツのDVGW 294規格が採用されています。廃水システムの場合、特に廃水再利用アプリケーションでは、NWRI / AwwaRFの飲料水および水再利用のための紫外線消毒ガイドラインプロトコルが一般的に使用されています。^[110]

下水処理における紫外線は、塩素処理に代わる手段として広く利用されている。これは主に、廃水中の塩素と有機化合物の反応により、潜在的に有毒で長期にわたる塩素化有機物が合成される恐れがあること、また塩素ガスや塩素含有化学物質を保管することによる環境リスクが懸念されるためである。UVGI で処理される個々の廃水は、浮遊物質、染料、または UV 放射を遮断または吸収する可能性のあるその他の物質などの潜在的な干渉物質があるため、この方法が効果的であることを確認するためにテストする必要がある。世界保健機関によると、「コミュニティ レベルで少量 (1 リットルから数リットル) または低流量 (1 分あたり 1 リットルから数リットル) の水を処理する UV ユニットのコストは、電気代と消耗品のコスト、ユニットの年間資本コストを含めて、1 メガリットルあたり 20 米ドルと推定される。」^[111]

アルバータ州エドモントンなどの都市では、大規模な都市型紫外線廃水処理が行われています。現在、ほとんどの自治体の廃水処理プロセスでは、紫外線の使用が標準的な方法となっています。廃水は、廃棄すべき問題ではなく、貴重な資源として認識され始めています。廃水が川に排出されるか、作物の灌漑に使用されるか、後で回収するために帯水層に注入されるかにかかわらず、多くの廃水処理施設は水再生施設と改名されています。現在、紫外線は、水に有害な生物がいないことを確認するために使用されています。

紫外線殺菌装置は、水槽や池の不要な微生物を制御するためによく使用されます。紫外線を照射すると病原体が繁殖できなくなるため、水槽内で病気が発生する可能性が低くなります。

水槽や池の殺菌装置は、通常小型で、外部フィルターや水ポンプから水を殺菌装置に流すためのチューブ継手が付いています。殺菌装置内では、水は紫外線光源にできるだけ近いところを流れます。水の濁度によって UV-C の浸透性が低下するため、水の事前ろ過が重要です。優れた UV 殺菌装置の多くは滞留時間が長く、UV-C 光源と UV 殺菌装置の内壁の間のスペースが限られています。^{[112] [サードパーティ ソースが必要]}

UVGI は、安全ゴーグル、器具、ピペッター、その他の機器などの機器の消毒によく使用されます。研究室のスタッフもこの方法でガラス製品やプラスチック製品を消毒します。微生物学研究室では、使用の合間に生物学的安全キャビネット(「フード」)内の表面を消毒するために UVGI を使用します。

米国食品医薬品局が2001 年に、ほぼすべての果物および野菜ジュース製造業者にHACCP管理に従うことと、病原菌を 5桁削減することを義務付ける規則を発行して以来、UVGI はフレッシュプレスジュースなどのジュースの殺菌に使用されるようになりました。

殺菌用紫外線は、水銀灯によって生成されるのが最も一般的です。低圧水銀蒸気は254 nmに強い輝線を持ち、これは強力な消毒効果を発揮する波長範囲内です。消毒に最適な波長は260 nm付近です。^{[65] : 2–6, 2–14}

水銀蒸気ランプは、低圧（アマルガムを含む）ランプと中圧ランプに分類できます。低圧 UV ランプは効率が高い（約 35% UV-C）のですが、電力は低く、通常、電力密度（アーク長あたりの電力）は 1 W/cm です。アマルガム UV ランプは、アマルガムを使用して水銀圧を制御し、やや高い温度と電力密度での動作を可能にします。これらのランプはより高温で動作し、寿命は最大 16,000 時間です。効率は従来の低圧ランプ（約 33% UV-C 出力）よりもわずかに低く、電力密度は約 2～3 W/cm ^{3です。中圧 UV ランプは、約 800 ℃ までのはるか}に高い温度で動作し、多色出力スペクトルと高い放射出力を備えていますが、UV-C 効率は 10% 以下と低くなります。

ランプ本体に使用されている石英ガラスに応じて、低圧紫外線とアマルガム紫外線は 254 nm の放射線と 185 nm の放射線を放射し、化学効果をもたらします。185 nm の紫外線はオゾンの生成に使用されます。

水処理用の紫外線ランプは、254nmの紫外線を発生する特殊な低圧水銀灯、または200nmから可視光線および赤外線エネルギーまでの多色出力を発生する中圧紫外線ランプから構成される。紫外線ランプは水と接触せず、水室内の石英ガラススリーブに収納されているか、透明な紫外線チューブを流れる水の外部に取り付けられている。フローチャンバーを通過する水は紫外線にさらされ、その紫外線は水流中の微生物や汚れなどの浮遊物質に吸収される。^[113]

最近のLED技術の発展により、市販のUV-C LEDが利用可能になりました。UV-C LEDは半導体を使用して255nmから280nmの光を放射します。^[69]波長放射は、半導体の材料を調整することで調整可能です。2019年の時点で^{[アップデート]}、LEDの電気からUV-Cへの変換効率は水銀ランプよりも低かったです。LEDのサイズが小さくなったことで、小型リアクターシステムの選択肢が広がり、使用場所でのアプリケーションや医療機器への統合が可能になります。 [114]半導体の低消費電力により、遠隔地や第三世界でのアプリケーションで小型太陽電池を利用したUV消毒システムが導入されています。 [ ^{114 ]}

UV-C LED は、使用時間という点では必ずしも従来の殺菌灯よりも長持ちするわけではなく、より可変的なエンジニアリング特性と、短期間の動作に対する優れた耐性を備えています。UV-C LED は、断続的な使用において従来の殺菌灯よりも長い設置時間を実現できます。同様に、LED の劣化は熱によって進行しますが、フィラメントと HID ランプの出力波長は温度に依存します。そのため、エンジニアは特定のサイズとコストの LED を設計して、より高い出力とより速い劣化、またはより低い出力とより遅い経時劣化を実現できます。

• HEPAフィルター
• ポータブル浄水器
• 衛生
• 衛生標準操作手順
• 太陽光による水の消毒