חיטוי אוויר ומשטחים באמצעות UVGI עבור מרפאות (תקציר)

מחבר: נורמנד ברייס. פרופ׳ להנדסה .D.Ph ,.Sc.A.M

נורמנד ברייס מחזיק בתארים ראשון ושני בהנדסת מכונות, ובתואר דוקטור להנדסה גרעינית מהאקול פםוליטקניק במונטריאול. ברייס מונה לפרופסור במכון להנדסת אנרגיה והקים חברות טכנולוגיה במספר תחומים שונים כגון: זיהום אוויר כתוצאה מתהליך הבעירה, בעירה ביומאסה, פוטוניקה, וטיהור אוויר ומשטחים באמצעות אנרגיית UV. בשנת 1995 ייסד ברייס את חברת סאנובוקס טכנולוגיות, שכיום הינה מובילה עולמית בתחום הטיהור ב-UV עבור בתיחולים, מעבדות ובניינים מסחריים

אבסטרקט

מערכות UV (אולטרהסגול) קוטלות חיידקים נמצאות בשימוש נרחב בתעשיית שירותי הבריאות לצורך חיטוי ציוד, משטחים, ומערכות אספקת אוויר. יישומי המערכות כוללים חיטוי ציוד רפואי, חדרים שלמים, קירות ורצפות, נחשוני קירור, וחדרי ניתוח. טכניקת האולטרהסגול היא טכנולוגיה יעילה ואמינה להבטחת החיטוי של כמעט כל סוג של משטח, ולהפסקת גדילה מיקרוביאלית. סוכנויות לבריאות הציבור, כדוגמת הCDC (המרכז לפיקוח על מחלות), ממליצות על שימוש בUV בתור טכנולוגיה יעילה להפרעה במעבר פתוגנים במערכות מיזוג אוויר של בניינים.

הנדירות הנוכחית של חיטוי UV נובעת מההנחה המוטעית, על פיה פילטרי אוויר מספיקים כדי להעביר אוויר מחוטא. נתונים מ-25 השנים האחרונות מראים כי מצב זה רחוק מהמציאות. כאשר מדובר במזהמים ביולוגיים סובמיקרוניים, בטווח הגדלים שבין 0.1 ל-0.4 מיקרון, אפילו טכנולוגיות הפילטור הטובות ביותר לא יכולות לעצור את כולם. פילטר HEPA אשר דרכו זורם ריכוז של 1 מיליון חלקיקים ויאביליים למטר רבוע בקצב זרימה של 1,000 מטר בשלישית/לשעה, יכול לאפשר ל-500,000 חלקיקים בכל שעה לעבור דרכו. במהלך יום אחד, סך של 12 מיליון חלקיקים ביווויאביליים יחדרו את הפילטר ויזהמו את האזור האספטי. חלקיקים אלו יכולים לעבור ניטרול עי שימוש נכון בטכנולוגיית UVGI (UltraViolet Germicidal Irradiation). פרק זה מציג סקירה של הדרך שבה ניתן להנדס אור אולטרהסגול קוטל חיידקים לצורך חיטוי מגוון רחב של מיקרואורגניזמים כדוגמת ווירוסים, חיידקים, ועובשים באוויר בנוסף גם למשטחים מזוהמים כדוגמת קירות או אובייקטים.

מבוא

עדויות הצטברו במהלך השנים האחרונות, שמעקב אחר הקווים וההוראות המנחים הכלליים לעיצוב מערכות איוורור במוסדות שירותי בריאות רחוק מלהבטיח סביבה סטרילית. סטריליות לרוב מוגדרת בתור תמותה של 99.9999% אחוז באוכלוסיית המיקרואורגניזמים. כלומר, רק מיקרואורגניזם אחד מתוך מיליון צפוי לשרוד את החיטוי.

פילטור אוויר מסורתי רגיל עם פילטרי HEPA (High Efficiency Particulate Air) או ULPA (Ultra Low Penetration Air) במערכות איוורור בבתי חולים, במעבדות, ובמרפאות, לצורך פיקוח על פתוגנים אשר נישאים באוויר, מבוצע באופן נרחב. עם זאת, מחקרים רבים הדגימו כי למרות השימוש בפילטרים מסוגים אלו, זיהומי אוויר חיידקיים או וויראליים עדיין מתרחשים במערכות איוורור אלו.

ההסברים השכיחים ביותר לחוסר יעילות של פילטר הם מעקף אוויר דרך מפרקי הפילטר, דליפה מחור בפילטר, והתקנה או תחזוקה בלתי מספקות. למרות שנקודות אלו עדיין תקפות ותמיד ניתן להטמיע בהן שיפור, גורם השורש של נקודות אלו טמון בעובדה שכלל סוגי הפילטרים מדגימים ירידה משמעותית ביעילות הסינון שלהם בטווח מסוים של גדלי חלקיקים. בטווח קריטי זה, החלקיקים או קטנים מידי לסינון או גדולים מידי לסינון דרך דיפוזיה/אלקטרוסטטיקה. זוהי רק השלכה ישירה של העקרונות הבסיסיים של סינון פיזיקלי.

פילטרי HEPA לא שונים מאלו, וגם הם מדגימים חולשה בגודל חלקיק קריטי שהוא בין 0.1 ל-0.4 מיקרונים. היעילות של פילטר HEPA צונחת לערך מינימלי של 99.95% בנקודה קריטית הנקראית MPP (Most Penetrating Particle), שהיא בגודל של בערך 0.2 מיקרונים.

ספקטרום אור UV

מכיוון שטווח זה הוא מחוץ לטווח האור הנראה, הטווח, שאורכו 100 עד 400 ננומטר, אינו נראה לעין האנושית. ספקטרום הUV חולק באופן שרירותי לארבעה חלקים:

  • בנד UV-A (315-400 ננומטר) – נמצא באופן השכיח ביותר באור השמש אשר מגיע לפני כדור הארץ.
  • בנד UV-B (315-280 ננומטר) – בעיקר אחראי לאדמומיות בעור.
  • בנד UV-C (280-200 ננומטר) – היעיל ביותר כקוטל חרקים.
  • UV רחוק או UV וואקום (200-30 ננומטר) – קרינה אשר יוצרת ומייננת אוזון.

הפרעות UV לדנ"א ורנ"א

גילוי החיטוי המיקרוביאלי עי אור UV התרחש כבר ב-1877. מאוחר יותר, ב-1928, פ.ל גייטס זיהה את אורך הגל הספציפי של אור הUV אשר אחראי על האפקט קוטל החיידקים הנצפה. המנגנונים הפיזיקליים הבסיסיים המפורטים אשר מסבירים את הקשר בין אורכי גל ספציפיים של אור, לבין קשרים מולקולריים בדנא/רנא, נחשפו עי המכניקה הקוונטית, אשר פותחה במהלך החצי הראשון של המאה ה-20. מחקרים ביוכימיים חדשניים יותר הדגימו כי אורכי הגל היעילים ביותר כקוטלי חיידקים של 265 ננומטר, הוא גם טווח הספיגה המקסימלי של חומצות גרעין. על בסיס מתאם זה, רוב הנזקים הנגרמים למיקרובים אשר עוברים חיטוי נמצאו בחומר הגנטי שלהם. המנגנון המזוהה העיקרי בחיטוי UV, שעבר אימות, הוא נזקים מולקולריים מצטברים בגדילי הדנא או רנא. פירוק חומצות הגרעין עי קרינת UV הוא בעל השפעה מכרעת על האורגניזם ומונע ממיקרואורגניזמים לזהם מאכסן. בתוך המגבלות של הדיוק הניסויי, נראה כי הפעולה הפוגעת של הUV קוטל החיידקים היא עצמאית לאופי האורגניזם ובניגוד לאנטיביוטיקה, לא עלו סימנים לפיתוח עמידות כנגדה לאחר כמעט 100 שנים של שימוש נרחב בחיטוי מים לשתייה. רוב אם לא כל מקורות האור קוטלי החרקים הזמינים בשוק מבוססים על טכנולוגיית צינור פלואורסנטי ופולטים בין 30 עד ל-35% מהכוח שהם קולטים ב-253.7 ננומטר, אורך גל מאוד קרוב לאורך גל קוטל החרקים המקסימלי של 265 ננומטר.

לכן, חיטוי UVGI של מיקרואורגניזמים מושג פרקטית בעלויות נמוכות ובשכיחות גבוהה עי אורך גל של 253.7 ננומטר. האנרגיה הקוונטית אשר נישאת עי פוטונים מUV-C גבוהה מספיק כדי לפרק את רוב הקשרים הכימיים הבודדים בין אטומי פחמן, מימן, חמצן, וחנקן. ההפרעות המולקולריות אשר נגרמות עי הפוטונים האנרגטיים הללו גורמות לנזקים בלתי הפיכים בחומצות הגרעין של המיקרואורגניזם, עד שהוא כבר לא וויאבילי.

מבין מגוון של נזקי קרינת UV לדנא, כמו לדוגמא יצירת דימרים פירימידיניםציקלובוטאניים (CPDים) ותוצרי 6-4 של פירימידיןפירימידון (6-4 PPים), CPDים נוצרים עי היווצרות קשרים קובלנטים בין שני פירימידינים שכנים. עם זאת, UV-C בדכ יוצר דימרים של טימין בכמות הגדולה ביותר, דימרים של ציטוזין בכמות נמוכה, ודימרים משולבים בכמות ביניים. בווירוסי רנא שהוקרנו בUV, הנוקלאוטיד אוראציל יוצר PPים. במינון קרינה גבוה מספיק כדי לעורר את מנגנוני התיקון של חומצות הגרעין, נזקים מובילים לשינויים בלתי הפיכים, לליקויים בשכפול ובשעתוק הגנטי, ובסופו של דבר למות האורגניזם.

מינון UV – חישוב התגובה

עמ לרכוש הבנה מתמטית של יכולת ניבוי התהליך של חיטוי הUVGI, עוזר להסתכל על זה כאנלוגיה למטח של פוטונים אשר נוחתים על המיקרוב. כל פוטון נושא איתו כמות מסוימת של אנרגיה אשר נקראת קוואנטם , בערך אשר קשור לאורך הגל עפי נוסחת פלאנקאינשטיין:

𝑬𝝀=𝒉 𝒄/𝝀 (נוסחא 1).

כאשר:

h = קבוע פלאנק = 6.626 x 10-34 Joule.sec

c = מהירות האור בוואקום = 2.998 x 108 m/sec

Λ = אורך גל, m

תוך שימוש במשוואת פלאנקאינשטיין, האנרגיה אשר מועברת עי כל פוטון UV-C באורך גל של 253.7 ננומטר שווה ל7.83 x 10-19 Joule. לכן, מספר הפוטונים פר גאול הוא ההופכי לכך, כלומר, 1.28 x 1018 photons per Joule.

אם ניזכר שוואט אחד של כוח מוגדר בתור קצב של גאול אחד של אנרגיה לשניה, אז עוצמת UV של 100 וואט/מטר בריבוע מספקת זרימה של 1.28 x 1020 פוטונים לשניה פר מטר רבוע. כעת, בהינתן שוירוס בקוטר של 0.2 מיקרון מייצג שטח פנים של רק 3.14 x 10 -14 מטר בריבוע, למרות גודלו הקטן, הוירוס יקבל מטח של ארבעה מיליון פוטונים כל שניה! בהינתן זמן חשיפה מספק להתקפה פוטונית זו, נזקים פוטוכימיים יצטברו מספיק כדי לגרום לכך שהאורגניזם יהיה בלתי מתפקד ביולוגית. במציאות, ללא קשר למספר העצום של הפוטונים אשר נורה על הוירוס, רק מספר מאוד קטן פוגע במטרה בצורה מוצלחת אשר מובילה לריאקציות פוטוכימיות. גודל החתך האפקטיבי של המטרה, אשר גורם לאינאקטיבציה של מיקרוב, הוא פונקציה של מספר רב של פרמטרים, ביניהם הquantum chemical yield, שכבות ההגנה החיצוניות של הקפסיד, וההתפלגות הספציפית של רצף הדנא שלו.

שיטה מנבאת מבטיחה ושימושית, אשר מבוססת על קונספט מטח הפוטונים לעיל ועל הסתברות לפגיעה מוצלחת פורסמה עמ לנבא את רגישות הUV של מיקרואורגניזם כפונקציה של הגנום שלהם ללא שימוש בפרוצדורת המעבדה הניסויית הקלאסית.

בהתבסס על אנלוגיית מטח הUV אשר תוארה לעיל, ניתן לכתוב יחס מתמטי עמ לבטא את התגובה למינון UV של אוכלוסיית מיקרואורגניזמים. זה סטטיסטית הוגן להסיק כי קצב הדעיכה של האוכלוסיה המיקרוביאלית ישתנה בהתאם למספר הפגיעות המוצלחות של הפוטונים על תקופת זמן מסוימת. קצב זה של פגיעות מוצלחות יכול להיות מתואר עי תוצר כוח הUV פר שטח חתך I, מספר הביואורגניזמים N, האינאקטיבציית UV האפקטיבית על שטח חתך k, נקרא גם קבוע הרגישות לUV, וזמן החשיפה t כדלהלן:

קצב פגיעה = 𝒅𝑵/𝒅𝒕=𝒌 𝑵 I t (משוואה 2).

כאשר:

N0 = המספר ההתחלתי של מיקרואורגניזמים.

Nt  = מספר המיקרואורגניזמים אשר שרדו בזמן t

K = קבוע רגישות לUV תלוי מיקרואורגניזם, במטר בריבוע/לגאול

I = עוצמת קרינת הUV אשר התקבלה עי המיקרואורגניזם, בוואט/מטר בריבוע

T = זמן חשיפה, בשניות

פרקציית המיקרואורגניזמים מתוך המספר ההתחלתי שלהם, אשר שרדו בכל נקודת זמן שהיא, נקראת יחס השרידות S וניתן לבטא אותה כדלהלן:

𝑺=𝑵𝒕𝑵𝟎 (משוואה 4)

הפרקציה המחוטאת היא מה שנקרא קצב החיטוי, והיא פשוט 1 מינוס יחס השרידות.

חיטוי = 𝟏𝑺=𝟏𝒆𝒌𝑰𝒕 (משוואה 5)

כפי שהסברנו לעיל, ניתן להגדיר מינון UV קוטל חיידקים עי המספר הכולל של פוטוני הUV אשר נפלטו פר יחידת שטח במהלך תקופת זמן, אשר ניתן לכתוב בתור:

מינון UV = 𝑰× 𝒕 in Joule/m2 (משוואה 6)

עי החלפת משוואה (6) במשוואה (5), סוף סוף נקבל את יחס המינוןתגובה המאומת היטב של UV קוטל החיידקים:

חיטוי = 𝟏𝒆𝒌 𝐔𝐕 Dose (משוואה 7).

מה שמשוואה 7 חושפת הוא שמינון ספציפי יוביל לקצב חיטוי מסוים, באם המינון מורכב מעוצמה נמוכה וזמן חשיפה ארוך, או מעוצמה גבוהה וזמן קצר. הבדל משמעותי בין חיטוי משטח לבין חיטוי אווירי הוא זמן החשיפה הזמין. בעוד שזמן החשיפה לחיטוי כל מערכת איוורור יכול להיות כמה שניות ועד לפרקציות שנייה כתלות במהירויות זרימת האוויר, זמן החשיפה יכול להיות דקות ועד שעות כשמדובר במשטחים נייחים כדוגמת קירות, רצפות, או נחשולי קירור או חימום. לכן, עוצמות הUV למיקרואורגניזמים המושאים באוויר צריכות להיות פי כמה וכמה חזקות יותר מאשר אלו בהן משתמשים באופן שכיח בחיטוי משטחים.

הגרף באיור 6 מייצג את היחס האקספוננציאלי לזמן הדעיכה לחלק מהמיקרואורגניזמים תחת קבוע עוצמת UVGI של 10 מיליוולט/סמ בריבוע. הוא מראה שקיימים הבדלים משמעותיים בזמן החשיפה הדרוש לאותה רמה של חיטוי בין רוב או לפחות חלק מהמיקרואורגניזמים הרגישים לUV. זה שדורש את המינון הגבוה ביותר יהיה זה אשר יקבע את סדר הגדלים של מערכת הUV.

מסקנות

כאשר מהונדסות כמו שצריך, מערכות אולטרהסגול קוטלות חרקים יכולות להיות יעילות במיוחד לחיטוי ציוד, משטחים, ומערכות איוורור בתחום הרפואי. יישומים כוללים חיטוי ציוד רפואי, חדרים שלמים, קירות ורצפות, נחשולי קירור, וחדרי ניתוח. UVGI הוא טכנולוגיה זולה, צפויה, ובוגרת להסרת גדילה מיקרוביאלית. מוסדות לבריאות הציבור כדוגמת הCDC (המרכז לפיקוח על מחלות) ממליצים על השימוש בUVGI לצורך הפרעה למעבר של פתוגנים במערכות איוורור של בניינים.

חוסר השכיחות הנוכחית של חיטוי UV הוא בעיקר מפאת הדעה השגויה כי פילטרי אוויר של HEPA מספיקים לסיפוק אוויר מחוטא. שנים של הצטברות של עדויות הדגימו כי פילטרים בהחלט נחוצים, אך לא מספיקים. כאשר אנו מתמודדים עם מזהמים ביולוגיים סובמיקרוניים, בטווח גדלים של 0.1 ל-0.4 מיקרון, אפילו טכנולוגיות הפילטור הטובות ביותר אינן מצליחות לעצור את כולם. בניגוד לפילטרים, טכנולוגיית UVGI אינה כולאת את המזהמים הביולוגיים, אך יכולה לחטא אותם ביעילות בשימוש במינון נכון של אולטרהסגול. טכנולוגיית הUVGI היא בעלת היכולת לחטא מגוון רחב של מיקרואורגניזמים, כדוגמת ווירוסים, חיידקים, ועובשים, אשר נמצאים בזרמי אוויר בנוסף לקירות או אובייקטים מזוהמים.