Boeing désinfecte les cabines d'avion avec les Far UV (lumière ultraviolette à 222nm)
Par Jamie Childress, Jeff Roberts, Teresa King
Résumé
La lumière ultraviolette (lumière à des longueurs d'onde comprises entre 100nm et 400nm) a des propriétés de désinfection bien connues. Ces propriétés découlent de la capacité de la lumière UV à endommager les protéines et le matériel génomique des bactéries et des virus en perturbant les liaisons chimiques. La plupart des systèmes de désinfection UV utilisent des lampes germicides de longueurs d'onde de 240nm à 280nm, la plus courante étant de 254nm. Malheureusement, l'exposition à la lumière UV-C de 254nm cause également des dommages à la peau et aux yeux chez l'homme.
Cependant, des études récemment publiées ont démontré que la lumière UV à 222nm a les mêmes capacités germicides que la lumière à 254nm sans endommager la peau ou les yeux. Les études suggèrent que cela peut être dû à la longueur d'onde UV plus courte de 222nm (connue sous le nom d'UV lointain, 200 à 235nm) ayant des profondeurs de pénétration réduites dans les tissus vivants par rapport à la lumière de 254nm. Alors que les effets sur les tissus vivants sont diminués, les UV lointains (la lumière de 222nm étant la plus répandue) ont une efficacité accrue pour tuer les bactéries et les virus.
Comme les UV-C standard, la lumière UV lointaine rompt les liaisons ADN des agents pathogènes (bactéries et virus), qui est la principale source de désactivation microbienne. Combinée à la petite taille des bactéries et des virus, par rapport aux cellules de mammifères, la faible profondeur de pénétration des UV lointains désactive avec succès ces agents pathogènes. La littérature actuelle indique également une plus grande désactivation des bactéries à des doses de lumière de 222nm inférieures à celles requises pour la lumière de 254nm.
Cet article donne un aperçu de la technologie Far UV-C 222nm et de sa capacité de désinfection. Les UV lointains à 222nm sont plus sûrs et plus efficaces que les systèmes UV-C existants de 250 à 280nm, avec des avantages qui incluent des dommages UV réduits pour la peau et les yeux, des temps de marche/arrêt plus rapides, une désinfection plus rapide et l'élimination du mercure de la lampe.
Introduction
L'une des conséquences de la pandémie de COVID-19 est un besoin accru d'espaces publics sûrs et désinfectés. Il est impératif de réduire les risques dans l'industrie de l'aviation commerciale, qui a déplacé un milliard de personnes à travers le monde en 2019 (Réf.1). Les inquiétudes généralisées du public concernant les risques pour la santé liés aux voyages ne se sont pas atténuées, malgré des données suggérant que des contrôles techniques tels que la recirculation d'air à volume élevé réduisent considérablement le risque de transmission de maladies en vol (Réf.2 et 3). Les passagers des avions continueront également de s'attendre à des délais d'escale raisonnables et à des tarifs d'avion compétitifs, même si une désinfection plus rigoureuse est nécessaire entre les vols. Des procédures de désinfection approfondies et efficaces doivent être mises en œuvre pour revenir rapidement et à moindre coût aux niveaux de trafic aérien d'avant la pandémie. Bien que la lumière à 254nm soit la source UV prédominante dans les dispositifs de désinfection actuels, l'épidémie de SRAS-CoV-2 a concentré l'intérêt sur la possibilité d'utiliser à la place la lumière UV lointaine dans la plage de 200 à 235nm pour la désinfection. Plus précisément, la désinfection à la lumière 222nm est une alternative intéressante car, contrairement à la désinfection à la lumière de 254nm, il a été démontré dans des études récentes que la lumière à 222nm tue les agents pathogènes (bactéries et virus) sans causer de lésions cutanées et oculaires (Réf. 4 et 8). Selon ces études, l'absence de danger est due au fait que la lumière UV lointaine a une plage de pénétration de seulement quelques micromètres lorsqu'elle interagit avec les composants du système cellulaire et ne peut donc pas atteindre le matériel génétique des cellules vivantes de mammifères. Les agents pathogènes, dont le diamètre est généralement inférieur à un micron, sont entièrement pénétrés par la lumière à 222nm, ce qui entraîne la mort de l'agent pathogène (Réf.7).
1. La différence entre la lumière UV lointaine et la lumière UV-C
L'ultraviolet (UV) est la lumière à des longueurs d'onde inférieures à 400nm et supérieures à 100nm, comme le montre le schéma 1 (ci-dessous). Les UV-A sont presque visibles et constituent la bande d'ondes UV communément appelée lumière noire [(Merriam Webster, 2020)]. Les UV-B ont une bande d'ondes légèrement plus courte et sont un facteur majeur dans les coups de soleil. Les UV-A et les UV-B pénètrent facilement dans l'atmosphère terrestre et sont présents à la lumière du jour [(Merriam Webster, 2020)]. D'autre part, les longueurs d'onde UV plus courtes que les UV-B sont bloquées par l'ozone dans la haute atmosphère terrestre et ne sont généralement pas présentes dans la lumière du soleil à la surface de la terre. Ceci est important pour l'efficacité germicide car cela signifie que les agents pathogènes n'ont pas développé de défenses contre les longueurs d'onde UV plus courtes.
Schéma 1 : le spectre UV
Selon la référence, l'ensemble du spectre UV à gauche des UV-B peut être appelé UV-C. Cependant, cet article utilise une définition plus précise du spectre UV qui divise la gamme UV germicide de 200 à 280nm en deux sous-bandes d'ondes : UV-C et UV lointains. La lumière UV-C se situe dans la région 240–280nm du spectre (les sources de 254nm étant les plus répandues) et les UV lointains se situent dans la région de 200 à 235nm (les sources de 222nm étant les plus répandues). Étant donné que les longueurs d'onde plus courtes ont plus d'énergie que les longueurs d'onde plus longues, les UV-C et les UV lointains sont tous deux efficaces pour ajouter de l'énergie aux molécules avec lesquelles ils entrent en contact, à condition qu'une cible d'absorbance soit disponible. C'est cette capacité à ajouter de l'énergie aux molécules qui donne à la lumière UV ses propriétés germicides. La bande d'ondes UV-C est utilisée pour la désinfection germicide depuis des décennies. Bien que les systèmes UV-C dans la gamme de 250 à 280nm soient maintenant disponibles dans le commerce, la plupart des systèmes UV-C actuellement disponibles utilisent une lampe à vapeur de mercure pour générer de la lumière UV-C à 254nm. Les lampes à vapeur de mercure ont été développées pour la première fois pour la désinfection dans les années 1930, et leur utilisation s'est développée au cours des 60 dernières années. Ainsi, la grande majorité des données publiques sur la désinfection UV-C sont spécifiquement des données provenant de lampes à vapeur de mercure de 254nm.
Ce n'est que récemment que les entreprises ont commencé à développer et à commercialiser des lampes dans la gamme d'ondes UV lointain, 222nm étant la plus répandue. La longueur d'onde de 222nm s'avère à la fois plus sûre et plus efficace que les systèmes UV-C 254nm existants (Réf. 4 et 8). Les améliorations du système UV lointain 222nm par rapport aux systèmes UV-C 254nm existants incluent : réduction des dommages aux yeux et à la peau, mise en marche/arrêt plus rapide temps de désinfection plus rapide et l'élimination du mercure (une substance toxique) de la lampe.
Effet de la longueur d'onde sur les liaisons moléculaires pathogènes
Les photons des systèmes UV-C de 235 à 280nm sont absorbés par les molécules d'ADN pathogènes. L'absorbance des UV-C par l'ADN pathogène provoque l'échec de liaisons moléculaires spécifiques de l'ADN. Étant donné que les UV-C causent principalement des dommages à l'ADN des agents pathogènes, le microbe individuel n'est généralement pas tué immédiatement. Cependant, les dommages à l'ADN pathogène peuvent empêcher le microbe de se répliquer. Pour cette raison, un agent pathogène stérilisé par UV-C est appelé "inactivé". Dans de nombreux cas, le microbe peut réparer les dommages à l'ADN et se "réactiver" en utilisant la lumière bleue ordinaire dans un processus appelé photoréactivation. La capacité de photoréactivation a été démontrée pour une grande variété de bactéries et certains virus (Réf.9). Pour cette raison, les données UV-C montrent parfois une efficacité à la fois avant et après la réactivation.
Les UV lointains, quant à eux, sont absorbés à la fois par les protéines pathogènes et l'ADN. Bien que les UV lointains soient absorbés par l'ADN pathogène, son deuxième mécanisme de destruction des agents pathogènes rompt les liaisons peptidiques dans le revêtement protéique externe des microbes et des virus unicellulaires. La protéine pathogène absorbe 20 fois plus d'énergie UV lointaine à 222nm que d'énergie UV-C à 254nm pour le même nombre de photons. Ainsi, les liaisons protéiques pathogènes sont 20 fois plus susceptibles d'échouer en raison de l'absorption d'énergie de la lumière à 222nm qu'à 254nm. Ce double mécanisme de destruction des dommages à l'ADN pathogène et des dommages à la coque des protéines augmente considérablement l'efficacité des UV lointains à 222nm par rapport aux UV-C à 254nm et empêche les microbes de photoréactivation. Les schémas 2 et 3 (ci-dessous) montrent les taux d'absorption d'ADN et de protéines pour les UV-C et deux longueurs d'onde UV lointain disponibles dans le commerce à 222 et 230nm.
Schéma 2 : absorption UV par les protéines et l'ADN (reproduction de Harm 1980)
Schéma 3 : coefficients moyens d'absorbance UV dépendant de la longueur d'onde, moyennés sur les mesures pour huit protéines courantes
2. L'efficacité de la lumière Far UV
La dose d'UV (également connue sous le nom de fluence) est mesurée en unités de millijoules par centimètre carré (mJ/cm²). Ce dosage est le produit de l'intensité de la lumière et du temps d'exposition. Un millijoule (mJ) est un millième de watt ou milliwatt (mW) de puissance multiplié par une seconde de temps. Par exemple, 20 mJ/cm² peuvent être atteints en projetant dix milliwatts de puissance lumineuse sur un centimètre carré pendant deux secondes.
La dose exacte d'UV requise pour tuer ou inactiver varie pour des agents pathogènes spécifiques et une longueur d'onde spécifique de lumière UV. En général, la dose d'UV lointain 222nm ou d'UV-C 254nm est similaire pour la plupart des agents pathogènes. Certains agents pathogènes nécessitent aussi peu que deux millijoules par centimètre carré (~2 mJ/cm²) d'UV lointains ou d'UV-C pour être tués ou inactivés. Une grande variété d'agents pathogènes peuvent être tués ou inactivés avec moins de vingt millijoules par centimètre carré (~20 mJ/cm²) de lumière UV lointaine ou UV-C.
La réduction des micro-organismes (tués ou inactivés) est classée à l'aide d'une échelle logarithmique. Une seule réduction logarithmique correspond à une réduction de 90% des organismes. Une réduction de deux logs correspond à une réduction de 99% des organismes, suivie d'une réduction de trois logs (99,9%), etc. Pour la plupart des applications, une réduction de trois logs (99,9%) est suffisante pour réduire considérablement la transmission des agents pathogènes.
Efficacité des UV lointains 222nm contre les coronavirus de surface et aéroportés
Les longueurs d'onde UV-C et Far UV ont toutes deux été testées contre une variété d'agents pathogènes. Cet article se concentre principalement sur l'efficacité contre les coronavirus.
Le Dr David Brenner et d'autres de l'Université de Columbia ont étudié l'efficacité des UV lointains à 222nm contre les coronavirus humains aéroportés alpha HCoV-229E et bêta HCoV-OC43 (Réf.7). Selon leurs recherches, comme le montre le schéma 4, de faibles doses de 1,7 et 1,2 mJ/cm² ont inactivé 99,9% (réduction Log 3) des coronavirus 229E et OC43 en aérosol, respectivement.
Schéma 4 : survie du coronavirus en fonction de la dose de lumière UV lointaine. La survie fractionnaire, témoins PFUUV/PFU, est tracée en fonction de la dose d'UV lointain à 222nm
Une étude connexe publiée dans l'American Journal of Infection Control a examiné l'efficacité des UV lointains 222nm contre le virus SARS-CoV-2 sur les surfaces (Réf. 10). Dans cette étude, une dose d'UV lointains 222nm de 3 mJ/cm² entraîne une réduction de 99,7% du virus SARS-CoV-2 viable sur une surface.
Ces deux études combinées montrent que même une dose de 2 à 3 mJ/cm² d'UV lointains à 222nm sera efficace pour lutter contre la transmission du virus responsable du COVID-19. Ce niveau d'UV lointain est facilement atteint en utilisant des lampes de 222nm.
De plus, Boeing a évalué l'efficacité d'une lampe Far UV 222nm contre des virus et des bactéries représentatifs dans un environnement de laboratoire pour obtenir une indication des performances. Un test similaire a été effectué avec un prototype de système Far UV 222nm installé dans un avion d'essai en vol Boeing ecoDemonstrator 777 en novembre 2019 pour valider les performances.
L'objectif d'efficacité était une réduction de 99,9% des agents pathogènes après une exposition de 5 secondes. Boeing a pu obtenir une réduction de 99,9% (log 3) pour tous les organismes testés, dont les suivants : bactérie Escherichia coli, bactérie Pseudomonas aeruginosa (planctonique et biofilm), le champignon Aspergillus niger, le bactériophage MS2 (substitut du norovirus) et le levure Rhodotorula mucilaginosa. Une réduction de 99,999% a été obtenue pour E. coli et P. aeruginosa planctonique.
3. Aperçu de la technologie UV lointain 222nm
Toutes les lampes Far UV 222nm disponibles dans le commerce ont des lampes à excimères en leur cœur. Les lampes à excimères sont une technologie d'éclairage qui excitent un gaz à l'aide de décharges électriques à haute tension. Différents mélanges de gaz génèrent différentes fréquences de lumière. La lumière UV lointaine de 222nm est produite par des lampes à excimère remplies d'un mélange de krypton (Kr) et de gaz chlorure (Cl) (normalement moins de 3% de chlorure). Ces lampes à excimère Kr/Cl peuvent être fabriquées dans de nombreux facteurs de forme, mais sont généralement cylindriques. Les lampes à excimère Kr/Cl 222nm éliminent l'utilisation de matériaux dangereux tels que le mercure.
Les lampes à excimère 222nm sont fiables et peuvent durer des milliers d'heures. Elles sont capables de supporter des vibrations élevées et des températures thermiques élevées. Elles peuvent être allumées et éteintes instantanément à pleine puissance. L'intensité de sortie de la lumière de 222nm peut être modifiée en modifiant la puissance d'entrée, permettant à la lampe d'être instantanément éclairée ou atténuée selon les besoins. Les lampes à excimère peuvent fonctionner à des niveaux de puissance allant de quelques watts à des kilowatts.
Applications Boeing avec les UV lointains 222nm
Boeing a développé un prototype de baguette mobile Far UV 222nm utilisant une lampe cylindrique Kr/Cl, comme le montre la photo 5 (ci-dessous), pour répondre au besoin à court terme d'un système de désinfection UV sûr, manuel et entièrement mobile pour les espaces complexes où une instrumentation sensible peut exister.
Photo 5 : lampe à excimère Kr/Cl 222nm dans le prototype de baguette mobile Boeing Far UV 222nm
Le prototype de baguette mobile Boeing Far UV 222nm, lorsqu'il est utilisé conformément aux instructions, désinfectera efficacement les surfaces à contact élevé par un seul opérateur et pourra traiter une zone telle que le poste de pilotage en moins de 15 minutes. Il est capable de produire les 3 mJ/cm² nécessaires à la désinfection du SRAS-CoV-2 en une fraction de seconde à des plages opérationnelles.
Dans le même sens, France UV-C propose différents modèles de lampes Far UV 222nm, des modules à intégrer dans les plafonds des bus par exemple, une borne mains, un portique de désinfection et une valise portable avec sa lampe pour désinfecter tous les endroits où il n'est pas facile d'amener du courant et où la désinfection doit se faire efficacement, sans produits chimiques et plus rapidement qu'en faisant appel à une équipe d'entretien.
La valise Far UV-C 222nm de France UV-C, en vente dans notre boutique en ligne :
Cela contraste avec les ampoules au mercure UV-C 254nm standard, qui nécessitent un temps de préchauffage important pour atteindre la pleine puissance d'éclairage et contenir le mercure chimique toxique. Le mercure n'est pas autorisé sur les avions commerciaux sans une dérogation de la FAA, ce qui rend les lampes au mercure difficiles à qualifier pour une utilisation dans les avions.
Boeing a vérifié la sécurité du système, la compatibilité des matériaux et l'efficacité du système d'ampoule excimère Far UV 222nm utilisé dans le prototype de baguette mobile Boeing. Cela comprenait la réalisation d'une série de tests d'exposition à des composants électroniques individuels des postes de pilotage 737MAX, 787 et 777 à l'aide d'unités flambant neuves dans des environnements contrôlés simulant à la fois les états sous tension et hors tension. Boeing a également évalué la compatibilité des matériaux, les interférences électromagnétiques (EMI) et les niveaux d'ozone.
Avant l'effort de développement de la baguette UV mobile Far UV 222nm, The Boeing Clean Cabin Fresh Lavatory (Photo 6) était une étude de développement de produit en 2016 qui explorait l'utilisation d'une lampe à excimère Kr / Cl 222nm dans un cadre de toilettes pour désinfecter les toilettes après chaque utilisation. L'apprentissage et la technologie développés pour ce projet ont contribué de manière significative au développement rapide du prototype de baguette mobile Boeing Far UV 222nm.
Photo 6 : Concept de développement de produits Boeing de mise en œuvre de Far UV 222nm dans les toilettes du 787
4. Sécurité des UV lointains 222nm
Toutes les parois cellulaires sont constituées de protéines et les longueurs d'onde de l'UV lointain entre 200 et 230nm interagissent fortement avec les protéines. Plusieurs études universitaires ont démontré que la lumière de 222nm ne pénètre généralement pas plus profondément que trois microns dans la surface d'une paroi cellulaire (Réf. 5). Dans le cas des microbes pathogènes, leur diamètre est généralement de 0,1 à 1 micron. Ainsi, ils sont entièrement pénétrés et détruits. Les cellules humaines, en revanche, ont généralement un diamètre supérieur à 40 microns et ne sont pas entièrement pénétrées par la lumière UV à 222nm. Ces études ont montré que la couche externe de la peau et la couche lacrymale des yeux forment un bouclier protéique pour les cellules en dessous (Réf.5).
Des études universitaires supplémentaires sur la sécurité de l'exposition de la peau et des yeux des mammifères à des longueurs d'onde UV lointaines de 200 à 235nm ont été menées. L'ensemble des données indique que la longueur d'onde des UV lointains ne cause pas de lésions cutanées ou oculaires. Une étude de 60 semaines sur des souris sans poils exposées huit heures par jour à une lumière de 222nm est menée par l'Université de Columbia. Les données actuelles de l'étude n'indiquent aucun dommage cutané ou oculaire au cours des 60 semaines (Réf.11).
Limites d'exposition aux UV réglementaires du gouvernement
Il n'y a pas de limites d'exposition aux rayonnements UV réglementaires du gouvernement américain. Cependant, une organisation non gouvernementale, l'American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH), publie des valeurs limites d'exposition (TLV), qui sont des limites d'exposition recommandées sur une journée de huit heures et sont largement utilisées comme lignes directrices. Les limites d'exposition aux UV dépendent de la longueur d'onde, allant de 3 mJ/cm² à 100 000 mJ/cm².
Le schéma 7 montre les valeurs TLV actuelles pour les longueurs d'onde UV. Notez que bien que la lumière à 222nm soit souvent plus efficace contre les agents pathogènes que la lumière dans la plage de 254 à 270nm, la TLV est beaucoup plus élevée. La TLV pour 222nm, 254nm et 270nm est respectivement de 23, 6 et 3 mJ/cm². Étant donné que la dose de désinfection du coronavirus est d'environ 3 mJ/cm², à 270nm, la dose de désinfection et le seuil limite d'exposition humaine sont les mêmes. Cela implique que même une exposition accidentelle à une lumière de 270nm peut dépasser la limite de seuil.
Schéma 7 : valeurs limites de seuil (TLV) pour la lumière UV
La TLV actuelle pour la lumière de 222nm ne reflète pas les données récentes indiquant que la lumière UV lointaine (200 à 235nm) ne provoque pas les lésions de l'ADN, l'érythème, la photokératite et d'autres effets associés à l'exposition à la lumière de 254nm. La Conférence américaine des hygiénistes industriels gouvernementaux (ACGIH) examine actuellement les données de sécurité à 222nm dans le but de réviser à la hausse la TLV pour la lumière à 222nm. Les progrès vers cette révision sont en cours. Bien que des études ont montré que la lumière 222nm est plus sûre que la lumière 254nm, l'utilisation d'un équipement de protection individuelle (EPI) approprié reste nécessaire lors de l'utilisation de systèmes 222nm haute puissance jusqu'à ce que l'ACGIH révise la TLV.
Génération d'ozone
Toutes les lampes UV génèrent un certain niveau d'ozone et il faut donc faire attention à cela. La majeure partie de l'ozone générée par les lampes à excimère de 222nm est le résultat d'une interaction à haute tension au niveau des électrodes extérieures. Cela peut être atténué en plaçant la lampe derrière un verre transparent UV scellé. De plus, une partie de l'ozone est générée par l'interaction des photons à 222nm avec l'air. Ceci est généralement atténué par l'échange d'air.
5. Synthèse
La lumière ultraviolette (UV) dans la longueur d'onde de 222nm a les mêmes capacités germicides que la lumière de 254nm pour tuer ou inactiver les agents pathogènes (bactéries et virus) sans les mêmes effets néfastes qu'une exposition à 254nm sur la peau ou les yeux. Cela est dû aux longueurs d'onde UV plus courtes (appelées UV lointains, longueur d'onde de 200 à 235nm), qui ont des profondeurs de pénétration réduites dans les tissus vivants par rapport à la lumière UV-C standard (240 à 280nm). Alors que les effets sur les tissus vivants, tels que la peau et les yeux, sont diminués, les UV lointains (la lumière de 222nm étant la plus répandue) ont une efficacité accrue pour tuer les bactéries et les virus.
Comme les UV-C standard, la lumière UV lointaine rompt les liaisons de l'ADN pathogène. De plus, Far UV est très efficace pour rompre les liaisons protéiques dans les enveloppes membranaires des agents pathogènes, y compris le SRAS CoV-2. Cette même interaction protéique rend Far UV 222nm beaucoup plus sûr pour l'exposition humaine, notamment : réduction des dommages causés par les UV à la peau et aux yeux, temps d'allumage/extinction plus rapides, désinfection plus rapides et élimination du mercure de la lampe.
Boeing a récemment conclu des licences de brevet et de technologie avec Healthe® Inc. et FarUV Technologies. En vertu de ces licences, les deux sociétés produiront et distribueront une baguette mobile commerciale Far UV 222nm, aidant les compagnies aériennes et potentiellement d'autres à réduire l'impact de la pandémie de coronavirus.
Références
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https://www.nationalacademies.org/event/09-16-2020/the-second-gilbert-w-beebe-webinar-safety-and-efficacy-of-uvc-to-fight-covid-19
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