Verification of a Combined Variable Approach for the Microbiological Validation of Monochromatic- and Polychromatic UV Systems

Die vorliegende Doktorarbeit untersucht zentrale Aspekte der Validierung von UV-Desinfektionssystemen, die mit Nieder- oder Mitteldruck-Quecksilberdampflampen betrieben werden. In Deutschland müssen diese Systeme vor dem kommunalen Einsatz validiert werden. Akkreditierte Laboratorien führen hierzu Biodosimetrie im Großmaßstab durch, um die keimtötende Wirkung zu überprüfen und Betriebsparameter festzulegen. Dabei wird ein gut charakterisierter, nicht pathogener Testmikroorganismus verwendet, aktuell Bacillus subtilis Sporen.
Mit der Einführung neuer DIN-Normen für Mitteldrucklampensysteme und LED-basierte Systeme ergibt sich die Notwendigkeit, das veraltete Wirkungsspektrum von Bacillus subtilis Sporen mit modernsten Techniken neu zu definieren. ... mehrDaraus ergibt sich die erste Hypothese:
Hypothese 1:
Bacillus subtilis ist für zukünftige Teststandards möglicherweise nicht mehr als Ersatzmikroorganismus geeignet. Dies gilt insbesondere für die Validierung von polychromatischen UV-Desinfektionssystemen (mit Mitteldrucklampen oder LEDs). In dieser Studie wurde das Wirkungsspektrum von Bacillus subtilis Sporen bei 19 monochromatischen Wellenlängen zwischen 220 nm und 320 nm mit einem abstimmbaren, laserbasierten Aufbau bestimmt, der ein hochauflösendes Spektrum, insbesondere zwischen 260 nm und 285 nm, ergab. Eine vergleichende Analyse mit Literaturdaten [Cabaj et al., 2002] zeigte eine signifikant höhere UV-Empfindlichkeit zwischen 260 nm und 280 nm sowie einen starken Abfall der Inaktivierung oberhalb von 280 nm, wobei ab 290 nm keine weitere Inaktivierung mehr beobachtet wurde.

Die zweite Hypothese dieser Arbeit befasst sich mit der Optimierung der derzeit in Europa angewandten Methodik des biodosimetrischen Verfahrens und wird wie folgt formuliert:
Hypothese 2:
Der „combined variable“-Ansatz, der Methodik für die Biodosimetrie aus dem amerikanischen UV-Desinfektionshandbuchs (UVDGM), bietet eine größere Flexibilität, Effizienz und Sicherheit bei der Validierung und Überwachung von UV-Systemen im Vergleich zum traditionellen europäischen „intensity setpoint“-Verfahren. Bei diesem Testverfahren werden die reaktorspezifischen Fluenzverteilungen berücksichtigt, indem die spezifische UV-Empfindlichkeit (DL) von Mikroorganismen einbezogen wird. Dadurch kann eine präzisere Desinfektionswirksamkeit für wasserrelevante Pathogene abgeschätzt werden. Bei polychromatischen Systemen wird die Methodik zusätzlich durch einen Korrekturfaktor erweitert, um die Abhängigkeit der Desinfektionswirksamkeit von der Wellenlänge für verschiedene Mikroorganismen einzuberechnen.
Die Anwendbarkeit dieses alternativen Testverfahrens wurde theoretisch mittels Simulationswerkzeugen bewertet. Die theoretischen Ergebnisse bestätigten die erheblichen Vorteile des alternativen Ansatzes und zeigten Defizite in der bestehenden Methodik auf.
Diese Arbeit leistet einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung und Optimierung der UV-Desinfektionstechnologie und trägt zur Verbesserung der öffentlichen Gesundheit und Sicherheit bei.

This dissertation examines key aspects of the validation of UV disinfection systems that use low-pressure or medium-pressure mercury vapor lamps. These systems must be validated before their municipal use in Germany. Accredited laboratories conduct large-scale biodosimetry to verify germicidal efficacy and establish operating parameters. A well-characterized, non-pathogenic surrogate microbe, currently Bacillus subtilis spores, is used for this purpose.
With the introduction of new DIN standards for medium-pressure lamp systems and LED-based systems, it becomes necessary to redefine the outdated action spectrum of Bacillus subtilis spores using state-of-the-art techniques. ... mehrThis leads to the first hypothesis:
Hypothesis 1:
Bacillus subtilis may no longer be suitable as a surrogate microbe for future test standards, particularly for the validation of polychromatic UV disinfection systems (using medium-pressure lamps or LEDs). In this study, the action spectrum of Bacillus subtilis spores was determined at 19 mono-chromatic wavelengths between 220 nm and 320 nm using a tunable laser-based setup that provided a high-resolution spectrum, especially between 260 nm and 285 nm. A comparative analysis with literature data [Cabaj et al., 2002] revealed significantly higher UV sensitivity between 260 nm and 280 nm, with a sharp decline in inactivation above 280 nm, and no further inactivation observed from 290 nm onwards.

The second hypothesis of this work deals with the optimization of the biodosimetric method currently used in Europe and is formulated as follows:
Hypothesis 2:
The "combined variable" approach, a methodology for biodosimetry from the American UV Disinfection Guidance Manual (UVDGM), offers greater flexibility, efficiency, and safety in the validation and monitoring of UV systems compared to the traditional European "intensity setpoint" approach. This method takes reactor-specific fluence distributions into account by incorporating the specific UV sensitivity (DL) of microbes, allowing for a precise estimation of disinfection efficacy for waterborne pathogens. For polychromatic systems, the methodology is further refined by an action spectrum correction factor (ASCF) to account for the dependence of the disinfection efficacy on the wavelength of various microbes.
The effectiveness of this alternative testing method was evaluated theoretically using simulation tools. The theoretical results confirmed the significant advantages of the alternative approach and highlighted deficiencies in the existing methodology.
This work makes a substantial contribution to the advancement and optimization of UV disinfection technology, thereby enhancing public health and safety.