Ledejä on sovellettu ilman desinfiointiin, vedenkäsittelyyn, pintojen dekontaminaatioon ja kovettamiseen . Valoa, jonka aallonpituudet ovat välillä 200-280 nm (UV-C), 280-320 nm (UV-B), 320-400 nm (UV-A ja lähellä UV-näkyvää, NUV-Vis) ja 400-470 nm (sininen valo), on tutkittu niiden antimikrobisen tehon ymmärtämiseksi. Pidempiä aallonpituuksia eli infrapuna- ja punaista valoa (630-1000 nm) käytetään esimerkiksi valohoidossa, värjäyksessä, pinnoitteiden kovettamisessa ja musteiden kovettamisessa. Lamppujen lähettämän valoenergian antimikrobinen teho, erityisesti UV-C-alueella, on hyvin dokumentoitu. Useimmissa LED-tutkimuksissa on keskitytty UV-C-LEDien soveltamiseen veden desinfiointiin . Kuitenkin 365 nm:n, 395 nm:n ja 455 nm:n kaltaisilla aallonpituuksilla valoa säteilevien LEDien käyttö on kehittymässä elintarvikkeiden jalostuksessa ja vedenkäsittelyssä.

Jähmeiden elintarvikkeiden LED-käsittely

Jähmeiden elintarvikkeiden LED-käsittelyn tehokkuus riippuu elintarviketuotteiden ja -komponenttien tyypistä ja luonteesta, veden aktiivisuudesta (aw) ja elintarvikkeen pinnan morfologiasta. Parametrit, kuten valon aallonpituus, käsittelyn kesto, annos, valaistuslämpötila, suhteellinen kosteus ja mikrobiologiset parametrit ovat myös tärkeitä. Valmiiksi syötäviksi leikatuilla tuoreilla hedelmillä on suuri markkinakysyntä. Näitä tuotteita säilytetään jääkaapeissa, mutta ne ovat alttiita vastustuskykyisille mikro-organismeille, vaikka niiden kasvu onkin vähäistä alhaisissa lämpötiloissa. LEDit ovat osoittaneet lupaavaa antibakteerista tehoa tällaisissa tuotteissa, vaikka niiden antibakteeriseen tehoon vaikuttavat monet tuote- ja prosessiparametrit, kuten tuotteen tyyppi, koostumus, käsittelylämpötila ja ympäristöolosuhteet. 405 nm:n valoa säteilevät LEDit saivat aikaan 1-1,2 log CFU/cm2 (pesäkkeitä muodostavia yksiköitä cm2 kohti) vähennyksen tuoreessa leikatussa papaijassa, johon oli istutettu salmonellaa. Papaijaa käsiteltiin kokonaisannoksella 1,7 kJ/cm2 4 °C:n lämpötilassa 48 tunnin ajan. Kim et al. tukivat 405 nm:n ledien antibakteerista tehoa toisessa tutkimuksessa, jonka Kim et al. tekivät tuoreelle mangolle ja jossa solujen määrä kolmen kannan cocktailissa, joka sisälsi E. coli O157:H7:ää, kolme L. monocytogenes -serotyyppiä ja viisi Salmonella spp:n serotyyppiä, väheni alle yhteen.6 log CFU/cm2 kokonaisannoksella 2,6-3,5 kJ/cm2 36-48 tunnin ajan. E. coli O157:H7 ja Salmonella vähenivät alle havaitsemisrajan 36 tunnin käsittelyllä 4 °C:ssa ja 10 °C:ssa, mikä osoittaa, että LED:n antibakteerinen teho riippuu bakteerityypistä. Näkyvän valon LED-käsittelyn sterilointivaikutuksia tuoreisiin leikattuihin hedelmiin on myös tutkittu. Ghate et al. testasivat 460 nm:n LED-valon antibakteerisia vaikutuksia eri valaistuslämpötiloissa ja säteilytystehoilla tuoreisiin leikattuihin ananaksiin, jotka olivat infektoituneet S. enterica -cocktaililla. Suurin vähennys 1,72 log CFU/g saavutettiin 92 mW/cm2 säteilyteholla 16 °C:n valaistuslämpötilassa. Säteilytehojen vaihtelulla ei ollut merkittävää vaikutusta inaktivointiin. Suuret energia-annokset, joita käytetään pitkiä aikoja ja joissa kohdepatogeenien väheneminen on pientä, saattavat rajoittaa LED-käsittelyn käytännön sovelluksia, ellei antimikrobista tehoa paranneta.

Seafoodit, kuten nilviäiset ja ravut, ovat runsaita proteiinien ja muiden ravintokomponenttien lähteitä, ja ne ovat alttiita mikrobiologiselle kontaminaatiolle monista eri lähteistä, jotka voivat johtua joko pilaantuneisuudesta tai ennakko- tai jälkikäteisestä prosessoinnista. LED-valodiodit, joka on kehittymässä oleva ei-lämpöinen antibakteerinen teknologia, on testattu saastuneilla merenelävillä. Josewinin ja muiden tekemässä tutkimuksessa tutkittiin sinisen LED-valon (460 nm) ja riboflaviinifotosenitisaattorin tehoa savulohessa, johon oli istutettu L. monocytogenes -bakteerin neljän kannan cocktail. LEDin (15 mW/cm2) ja riboflaviinin (100 μM) synergistinen vaikutus johti 1,2 ja 1,1 log CFU/cm2 :n vähenemiseen 4 °C:n ja 12 °C:n ympäristön lämpötiloissa. Merenelävien LED-käsittely saattaa tehdä ne alttiiksi myöhemmälle happamoitumiselle. Tämä raportoitiin tutkimuksessa, jossa tutkittiin L. monocytogenes- ja Salmonella spp.-cocktaililla inokuloitua syötäväksi valmista lohta. Kahdeksan tuntia kestänyt 405 nm:n LED-käsittely, jonka kokonaisannos oli 460,8 J/cm2 , vähensi L. monocytogenes -bakteerin solumääriä 0,4 ja 0,3 log CFU/cm2 ja Salmonella spp:n solumääriä 0,5 log väheni 4 °C:ssa ja 12 °C:ssa. Vaikka inaktivointi oli vähäistä, molempien bakteerien D-arvot (aika, joka tarvitaan 90 % populaation vähentämiseen simuloidussa mahanesteessä) olivat pienemmät kuin käsittelemättömissä näytteissä, ja käsitellyt näytteet olivat herkempiä simuloidulle mahanesteelle. Tämä vaikutus kuitenkin vaihteli molempien kantojen osalta, sillä Salmonella spp. (gramnegatiivinen) osoitti suurempaa herkkyyttä kuin L. monocytogenes (grampositiivinen), mikä osoittaa, että käsittely inaktivoi grampositiivisia ja gramnegatiivisia bakteereja eri tavoin.

Korkean vesipitoisuutensa vuoksi valmiit lihavalmisteet ovat erittäin alttiita elintarvikkeiden välityksellä tarttuvien patogeenien aiheuttamalle saastumiselle. Koska lihan kypsennys tappaa taudinaiheuttajia, mutta vähentää samalla lihan ravintoarvoa, optimaalisen kypsennysajan ja -lämpötilan valitseminen on haasteellista. Kim et al. mittasivat vaikutusta S. Enteritidis -bakteeriin, joka oli inokuloitu kypsennettyyn lihaan 405 nm:n valoa säteilevällä pulssitetulla LED-valolla. Kokonaisannos 3,8 kJ/cm2 4 °C:n lämpötilassa vähensi 0,8-0,9 log CFU/cm2. Samanlainen koe huoneenlämmössä tuotti pienemmän S. Enteritidis -bakteerin vähenemisen. LED-järjestelmät voidaan suunnitella siten, että ne tuottavat joko jatkuvaa tai pulssitettua hoitoa tavoitteen vaatimusten mukaisesti, mutta hoidon tehokkuus voi vaihdella suunnittelun mukaan. Tästä näkökohdasta raportoitiin hiljattain tehdyissä tutkimuksissa, jotka koskivat valkoisia sieniä ja kaupallisia valmismakkaroita. Pulssi-UV-C-LED-käsittely 20 Hz:n taajuudella ja 50 %:n työvuorosuhteella osoitti parempaa antibakteerista tehoa kuin jatkuva UV-C-LED-käsittely kolmen kannan cocktaileja vastaan, jotka sisälsivät E. coli O157:H7:n, S. Typhimuriumin ja L. monocytogenesin. Jatkuva käsittely johti 2, 1,5 ja 2 login vähennyksiin, kun taas pulssitettu LED 5 J/cm2 -annoksella johti 3, 4 ja 4 login vähennyksiin E. coli-, Salmonella- ja Listeria-taudinaiheuttajissa valmismakkaroissa. Valkoisissa sienissä jatkuva säteilytys vähensi E. coli-, Salmonella- ja Listeria-bakteerien määrää 2, 1 ja 1 login verran, ja pulssitoiminen LED-säteilytys vähensi E. coli-, Salmonella- ja Listeria-bakteerien määrää 2, 1,5 ja 1,8 login verran. Näkyvän spektrin valoa säteilevät LEDit vaativat lisäarviointia.

Pohjois-Amerikassa on raportoitu useita tapauksia, joissa juustojen bakteerikontaminaatio on aiheuttanut sairauksia. Juustotuotteiden suuri kosteus edistää elintarvikeperäisten taudinaiheuttajien kasvua ja selviytymistä. Pulssi-LED-käsittelyillä on mahdollista puhdistaa nämä tuotteet. Tuoreessa tutkimuksessa, joka tehtiin viipaloidulle camembert-juustolle, UVC-LED-valo, jonka aallonpituus on 266 nm, vähensi E. coli O157:H7-, S. Typhimurium- ja L. monocytogenes -bakteerikoktaileja sisältävän camembert-juuston pitoisuuksia 4,88, 4,72 ja 3,52 login verran. Myös korkeamman aallonpituuden UVC-LED-käsittelyt (266-279 nm) osoittivat 4-5 login vähennyksiä E. coli O157:H7:ssä ja Salmonella spp:ssa, kun taas Listeria spp:n 3-4 login vähennys viipaloidussa camembert-juustossa saavutettiin käsittelyllä 3 mJ/cm2 .

Matalan vesiaktiivisuuden (aw) elintarvikkeiden, kuten kuivien pähkinöiden, viljan ja lemmikkieläinten ruokien (aw < 0,85) saastuminen on maailmanlaajuinen huolenaihe, koska kukoistavat mikro-organismit kehittävät lopulta vastustuskyvyn puhdistustoimille. Elintarvikeperäiset taudinaiheuttajat voivat selviytyä pitkään lepotilassa ja aktivoitua, kun ne altistuvat suotuisalle ympäristölle. LED-käsittelyjen antibakteerisesta tehosta matalan aw:n elintarvikkeissa on tehty vain vähän tutkimuksia, mutta tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet lupaavia tuloksia. Lacombe et al. käsittelivät kuorettomia manteleita 405 nm:n LED-valolla ja saavuttivat E. coli O157:H7:n, S. Typhimuriumin, E. coli K12:n, E. coli K12:n ja S. Enteritidiksen enimmäisvähennykset 2,44, 0,96, 1,86 ja 0,7 log CFU/g. Lisätutkimuksia tarvitaan, jotta voidaan parantaa matalan vesiaktiivisuuden omaavien elintarvikkeiden LED-käsittelyjen antimikrobista tehoa käyttämällä eri aallonpituisia (275, 365, 395 ja 455 nm) valoenergioita. Kiinteiden elintarvikkeiden LED-käsittelyjen tulokset on lueteltu taulukossa 2.

Elintarvikkeiden pintaominaisuudet vaikuttavat LED-käsittelyn inaktivointitehokkuuteen. UV-C-LED:n vaihtelevat vaikutukset valkoisiin sieniin ja makkaroihin johtuivat todennäköisesti valon rajallisesta tunkeutumisesta elintarvikematriisiin . On kuitenkin epäselvää, miksi grampositiivisten bakteerien eliminointi vaati suuremman LED-annoksen kuin gramnegatiivisten bakteerien eliminointi. Bakteerien inaktivointi parani myös työvuorosuhteen kasvaessa . Näkyvällä alueella 461 nm:n LED käytti parempaa bakteerien inaktivointitehokkuutta kuin 521 nm:n ja 642 nm:n LEDit . Käsittelyn valaistuslämpötila vaikutti LED:n tehoon, joka perustui ja käsittelyssä käytetyn LED:n aallonpituuteen .

LED-käsittely nestemäisissä elintarvikkeissa

Nestemäiset elintarvikkeet, kuten juomat, ovat alttiita kohteita patogeeniselle kontaminaatiolle niiden korkean aw- ja hiilihydraattikoostumuksen vuoksi. Nestemäisiin elintarvikkeisiin lisätään yleensä kemiallisia säilöntäaineita niiden säilyvyysajan pidentämiseksi ja mikrobikasvun vähentämiseksi. Koska lisäaineettomien elintarvikkeiden kysyntä kuitenkin kasvaa ja koska kuluttajat ovat yhä huolestuneempia elintarvikkeiden turvallisista ainesosista, ultraviolettivalon kaltaisia käsittelyjä fyysisenä keinona vähentää patogeenejä on tutkittu laajasti nestemäisissä elintarvikkeissa. Eri lähteistä (esim. elohopealamput, excimer-lamput, mikroaaltolamput) tuotetun UV-käsittelyn desinfiointivaikutuksia nestemäisiin elintarvikkeisiin, kuten omenasiideriin, mehuihin, olueen ja maitoon, on tutkittu. Tutkimukset ovat kattaneet tavanomaisia elintarvikepatogeeneja, kuten E. coli, C. parvum oocysta, S. cerevisiae, L. innocua, hiivat ja homeet. LEDit voivat lähettää valoa laajalla aallonpituusalueella, mukaan lukien näkyvä valo, UVA, UVB ja UVC, joten sen antimikrobista aktiivisuutta on sovellettu useisiin nestemäisiin elintarvikkeisiin.

Tutkimukset LED-käsittelyjen antimikrobisista vaikutuksista nestemäisissä elintarvikkeissa ovat keskittyneet pääasiassa omenamehuun, appelsiinimehuun ja maitoon. Veteen verrattuna nestemäiset elintarvikkeet ovat monimutkaisia järjestelmiä, jotka sisältävät pigmenttejä, kuituja ja liukenemattomia hiukkasia, ja nestemäisten elintarvikkeiden sameus ja väri voivat vaikuttaa LED-käsittelyjen antimikrobiseen tehoon. Lian et al. käyttivät UVA-LED-lamppua arvioidakseen sen desinfiointiaktiivisuutta sekä värillisissä liuoksissa että appelsiinimehussa, joihin oli inokuloitu E. coli DH5α. Erilaisia elintarvikevärejä, karotenoideja, flavonoidi karthamuksen keltaista ja sekoitettuja elintarvikeväriaineita meloniväri-L ja viinirypäleiden väri RCG valmistettiin eri pitoisuuksina 0,001-0,1 %:n pitoisuuksina E. coli DH5α:n kanssa, ja liuosten käsittelyyn käytettiin UVA-LED-valoa, jonka teho oli 126 J/cm2 . Tämä käytetty energiamäärä oli kuitenkin valtava ja teknisesti mahdollinen, erityisesti 365, 395 ja 455 nm:n LEDeillä. Kirjoittajat käyttivät UV-A-LED-valoa, jonka intensiteetti oli 70 mW/cm2 30 minuutin ajan. On raportoitu useita tutkimuksia, joissa osoitetaan, että LEDien lähettämien UV-A- ja sinisen valon pulssien energia-annokset ovat valtavia ja että niitä käytetään mikrobien inaktivointiin erilaisissa kiinteissä/nesteisissä elintarvikematriiseissa. Kuten tässä ja aiemmissa jaksoissa mainittiin, UV-C-LEDien raportoidut energiaannokset olivat kuitenkin huomattavasti pienempiä kuin muiden aallonpituuksien energiaannokset. LED-käsittelyn jälkeinen alhaisempi antimikrobinen aktiivisuus saavutettiin korkeammilla värillisten liuosten pitoisuuksilla, ja solujen lukumäärän log-arvon vähennykset eri väriliuoksissa olivat erilaisia. Suurin log-arvon vähennys 1,75 log CFU/ml saavutettiin 0,001-prosenttisessa β-karoteenia sisältävässä väriliuoksessa, mikä oli kuitenkin paljon pienempi kuin 2,5 log-arvon vähennys fosfaattipuskuroidussa suolaliuoksessa (PBS). Samanlaisia tuloksia saatiin appelsiinimehussa, jossa log-reduktio oli käsittelyn jälkeen paljon pienempi kuin läpinäkyvässä kontrolliliuoksessa. Nestemäisissä elintarvikkeissa olevat pigmentit ja muut suspendoituneet hiukkaset voivat heijastaa ja hajottaa valoa, mikä vähentää bakteerien poistamisen LED-tehokkuutta. Koska ultravioletti A -valon (UVA, 320-400 nm) indusoimat reaktiiviset happilajit (ROS) ovat keskeisiä bakteereja tuhoavalle vaikutukselle, nestemäisissä elintarvikkeissa olevien elintarvikevärien, kuten karotenoidien, antioksidanttinen aktiivisuus voi heikentyä, mikä johtaa hapettumiseen ja laadun muuttumiseen.

Sinistä valoa (400 nm-480 nm) emittoivien ledien kykyä tuhota patogeenejä appelsiinimehussa ja maidossa testattiin . Salmonellan väheneminen 2-5 login verran havaittiin pastöroidussa appelsiinimehussa, johon oli inokuloitu salmonellakoktailia ja jota oli käsitelty 460 nm:n LED:llä eri säteilytehokkuus- ja lämpötilayhdistelmillä . Olosuhteet, joissa Salmonellan inaktivointi oli suurinta, olivat 92 mW/cm2 ja erittäin pitkä käsittelyaika 13,6 tuntia valtavan energiaannoksen ollessa 4500 J/cm2 12 °C:ssa. Kirjoittajat pitivät säteilytehot 92, 147,7 ja 254,7 mW/cm2 säätämällä näytteen etäisyyttä 460 nm:n LED-valonlähteestä ja käyttivät käsittelyyn 4500 J/cm2:n kokonaisannostusta säätämällä käsittelyaikoja, jotka vastasivat vastaavasti 13,6, 8,46 ja 4,91 tuntia. Pitkä käsittelyaika ja tuotteisiin LED-käsittelyn aikana käytetty valtava energiamäärä on perusteltava, jos tätä UV-A- ja sinisen valon pulsseja käyttävää tekniikkaa halutaan kehittää elintarvikkeiden kaupalliseen desinfiointiin. Yksi lähestymistapa olisi tutkia tämän tekniikan käyttöä muihin sovelluksiin (esim. kuumentamiseen tai kuivaamiseen, koska valtava energiankulutus lämmittää ja poistaa vettä tuotteista) yhdessä mikrobien inaktivoinnin kanssa samanaikaisesti.

Srimagal et al. vertasivat E. coli -bakteerin inaktivointia maidossa käyttämällä sinisiä LED-valonlähteitä, jotka toimivat 405, 433 ja 460 nm:n valonlähteillä, lämpötilojen ollessa 5, 10 ja 15 °C:n lämpötiloissa, ja käsittelyaikoina, jotka vaihtelivat 0:sta 90 minuuttiin. Mikrobien inaktivointi oli suurinta korkeammissa lämpötiloissa ja matalammilla aallonpituuksilla, ja E. coli O157:H7:n vähennys oli suurimmillaan 5,27 log CFU/ml 60 minuutin säteilytyksen jälkeen 405 nm:ssä. 460 nm:n LED johti 2-5 login vähennykseen, ja vaikutus bakteerien inaktivointiin oli voimakkaampi korkeammissa lämpötiloissa, kuten Ghate et al. raportoivat. Molemmissa näissä tutkimuksissa havaittiin merkittäviä muutoksia elintarvikkeiden (appelsiinimehun ja maidon) väreissä sen jälkeen, kun ne oli altistettu sinisille LEDeille, mikä viittaa siihen, että sininen LED muutti nestemäisten elintarvikkeiden laatua. Sinisen alueen LED-valot alentavat bakteerien aktiivisuutta pääasiassa mikro-organismien fotodynaamisen inaktivoinnin (PDI) kautta. LED-valon tuottamat fotonit voivat absorboitua bakteerien endogeenisiin fotosensitisaattoreihin (esim. porfyriineihin, sytokromeihin, flaviineihin) ja NADH:hon, jotka herkistyvät valaisun jälkeen kohdassa ”LED-perusteet” kuvatulla tavalla. Srimagal et al. raportoivat optimaalisista olosuhteista (405 nm, 13,8 °C, 37,83 minuutin ajan), joissa käsitelty maito pastöroitui ilman, että fysikaalis-kemialliset ominaisuudet muuttuivat käsittelemättömään maitoon verrattuna. Jäähdytettynä käsitellyn maidon säilyvyysaika pidentyi merkittävästi ja oli lähes kaksinkertainen käsittelemättömään maitoon verrattuna.

Akgünin ja Ünlütürkin hiljattain julkaisemassa tutkimuksessa tutkittiin E. coli K12:n inaktivointia UVC-LED:llä 254 (0,3 mW/cm2) ja 280 nm (0,3 mW/cm2) sekä UVC-LED:llä, johon oli yhdistetty UVC-LED ja 365 (0,8 mW/cm2) ja 405 nm (0,4 mW/cm2) (UVA-LED), sekä sameassa että kirkkaassa omenamehussa. Emission aallonpituusyhdistelmiin kuuluivat 280 nm/365 nm, 280 nm/405 nm, 254 nm/365 nm, 254 nm/405 nm ja 254 nm/280 nm/365 nm/405 nm. Korkein antimikrobinen aktiivisuus saavutettiin, kun sameaa omenamehua käsiteltiin pelkällä 280 nm:n ja 280 nm/365 nm:n yhdistelmällä, jolloin log-reduktiot olivat 2,0 ± 0,1 ja 2,0 ± 0,4 log CFU/ml 40 minuutin LED-käsittelyllä. Kirkkaassa omenamehussa havaittiin huomattavasti suurempi inaktivoituminen kuin sameassa omenamehussa. Suurin log-reduktio saatiin 4,4 log CFU/ml kirkkaassa omenamehussa, jota käsiteltiin pelkästään 280 nm:llä (771,6 mJ/cm2, 40 min). Hybridijärjestelmä, jota käsiteltiin 280 ja 365 nm:n UV-LED-valoilla, johti 3,9 ± 0,2 log CFU/ml:n log-vähennyksiin, jotka olivat samankaltaisia kuin samean omenamehun 280 nm:n käsittelyssä samalla käsittelyajalla (40 min). Lisäksi osoitettiin, että näillä hybridi-LED-käsittelyillä oli parempi inaktivointivaikutus polyfenolioksidaasiin. Vaikka täysin pastöroitua tilaa (~ 5 login vähennyksiä) ei voitu saavuttaa omenamehussa yhdistetyillä UVA- ja UVC-LEDeillä, tämä tutkimus viittaa siihen, että UVA- ja UVC-LEDeillä on synergistinen desinfiointipotentiaali, jonka avulla voidaan säilyttää elintarvikkeiden värit. Lisädesinfiointivaikutus voitaisiin saada aikaan lisäämällä UVA- ja UVC-LEDien annostusta. UV-LED-yhdistelmän korkeampi hyötysuhde ja alhainen energiankulutus tekevät niistä perinteisiä elohopealamppuja edullisempia polyfenolioksidaasin inaktivoinnissa. Tutkimukset LEDien inaktivointivaikutuksesta nestemäisissä järjestelmissä on lueteltu taulukossa 3.

Sinisen valon ja UVC-valon yhdistelmä UVA-LEDien kanssa on osoittanut synergistisiä vaikutuksia bakteerien inaktivoinnissa ja ruoan laadun säilyttämisessä. Nestemäisten elintarvikkeiden luonne (hiukkaskoko, sameus ja väri), annostus, säteilytysaika ja lämpötila olisi optimoitava, kun nestemäisten elintarvikkeiden LED-dekontaminaatiota suoritetaan. LEDien yhdistämistä muihin ei-lämpöteknologioihin tai miedompiin lämpökäsittelyihin olisi tutkittava dekontaminaation tehokkuuden parantamiseksi.

Veden LED-käsittely

Turvallinen juomavesi on maailmanlaajuisesti tärkeää erityisesti maissa, joissa resurssit ovat rajalliset. Noin 1,2 miljardilla ihmisellä ei ole mahdollisuutta saada saastumatonta juomavettä . Miljoonat ihmiset kuolevat vuosittain veden välityksellä leviäviin sairauksiin . Vesivälitteiset mikro-organismit aiheuttavat suolistoinfektioita, kuten ripulia, lavantautia, koleraa, punatautia, amebiaasia, salmonelloosia, shigelloosia ja A-hepatiittia . Jäteveden käsittelyyn käytetään perinteisesti kemikaaleja ja huomattavan paljon energiaa, mikä tekee niistä kalliita ja monille yhteiskunnille mahdottomia käyttää. Kehittyneiden maiden kehittyneet vedenkäsittelymenetelmät ovat myös kalliita, ja ne sisältävät lämpökäsittelyjä, kemiallisia desinfiointimenetelmiä (klooraus, otsoni, klooridioksidi, kloraminointi) ja metalli-ioneja (Ag ja Cu) mikrobipitoisuuden vähentämiseksi. Sen lisäksi, että perinteiset veden desinfiointimenetelmät ovat kalliita, ne ovat usein tehottomia ja kestämättömiä. Niinpä tehokkaita, taloudellisia ja kestäviä tekniikoita, joilla on mahdollisimman vähän haitallisia vaikutuksia ympäristöön, tutkitaan edelleen niiden soveltamiseksi veden desinfiointiin ja dekontaminaatioon .

Maailmanlaajuisesti on asennettu yli 7000 kunnallista UV-desinfiointilaitetta, ja kotitalouskäyttöön on saatavilla pieniä desinfiointijärjestelmiä . Veden desinfioinnilla UV-valon avulla on useita etuja perinteisiin desinfiointimenetelmiin verrattuna. UV-valolla on antimikrobinen teho, se tuottaa vain vähän jäämiä ja sivutuotteita, sen ympäristövaikutukset ovat vähäiset ja se on yhteensopiva nykyisten teollisuusprosessien kanssa. Toisin kuin kemialliset vedenkäsittelymenetelmät, UV-vedenkäsittely ei tuota lääkeresistenttejä bakteereja . Perinteisten UV-lähteiden haittapuolia ovat helppo rikkoutuminen ja tarve huolelliseen hävittämiseen, koska elohopealamppu voi saastuttaa ympäristöä.

Song et al. raportoivat mikro-organismien, kuten E. coli ja kolibakteeri MS2:n inaktivoimisesta laboratoriovedessä ja E. coli ja kolibakteerien kokonaismäärän inaktivoimisesta jätevedessä jatkuvilla ja pulssitetuilla 265 nm:n LED-käsittelyillä. Kaikkien mikro-organismien inaktivointitasot olivat samankaltaisia sekä jatkuvissa että pulssitetuissa LED-käsittelyissä eri pulssikuvioilla vastaavalla UV-energian annostuksella. Pulssi-LED-käsittelyt inaktivoivat mikro-organismeja yhtä tehokkaasti kuin perinteisten ksenonlamppujen tuottamat pulssit, ja ne tarjoavat suuren tehon lämpöhallinnan veden desinfiointiin. Patogeenisten bakteerien (Legionella pneumophila, Pseudomonas aeruginosa) ja korvaavien lajien (Bacillus subtilis -itiöt, bakteriofagi Qβ, E. coli) inaktivointi raportoitiin eri aallonpituuksilla (265, 280 ja 300 nm) valoa säteilevillä UV-LED-lampuilla, ja sitä verrattiin bakteerien inaktivointiin tavanomaisella matalapaine-UV-lamppujen (LPUV) valoa säteilevällä lamppuvalaisimella, joka säteilee valoa 254 nm:ssä. Mikro-organismien inaktivoinnin kinetiikka määritettiin matemaattisesti LED-energiavastekäyrien avulla eri aallonpituuksilla käyttäen monikohdemallia. Kunkin lajin inaktivointiprofiili osoitti joko lineaarista tai sigmoidista selviytymiskäyrää. LED-käsittelyt olivat tehokkaampia kuin LPUV-käsittelyt P. aeruginosan, L. pneumophilan ja korvikemikro-organismien inaktivoinnissa vedessä. 265 nm:n LED osoitti kaikkien testattujen mikro-organismien inaktivointinopeusvakion perusteella tehokkainta energiatehokkuutta E. coli -bakteeria lukuun ottamatta. 280 nm:n LED-käsittely kulutti vähiten sähköenergiaa testattujen mikro-organismien 3 login vähennykseen (0,15-1,11 kWh/m3) verrattuna 265 ja 300 nm:n LED-käsittelyihin (0,24-17,4 kWh/m3).

Li et al. arvioivat E. coli -bakteerin inaktivointia 265 ja 280 nm:n LED-käsittelyillä erikseen sekä 265, 280 (50 %) nm:n ja 265, 280 (75 %) nm:n yhdistelmillä. Vertaileva tutkimus E. coli -bakteerin fotoreaktivoinnista ja pimeän korjaamisesta tehtiin myös kvantitatiivisesti LEDeillä ja LPUV:lla. Tulokset osoittivat, että 265, 280 nm:n LED-yhdistelmällä ei ollut synergististä vaikutusta E. coli -bakteerin inaktivointiin. 265 nm:n LED-käsiteltyjen bakteerien reaktivaatio oli verrattavissa LPUV-käsiteltyihin bakteereihin. E. coli, jota käsiteltiin 280 nm:n LED-valolla 6,9 mJ/cm2 , osoitti alhaisinta fotoreaktivoitumis- ja pimeäkorjausprosenttia. Tässä tutkimuksessa todettiin, että vedessä 280 nm:n LED inaktivoi E. coli -bakteerin tehokkaammin kuin 265 nm:n LED, mikä johtuu 280 nm:n LED:n suuremmasta lähtötehosta ja bakteerien uudelleenaktivoitumisen paremmasta estämisestä. 260 nm:n ja 280 nm:n LEDien synergististä antimikrobista tehoa arvioitiin E. coli -bakteeria, B. pumilus -itiöitä, MS2-kolifagia ja ihmisen adenovirus tyyppi 2:ta (HAdV2) vastaan, ja sen tehoa verrattiin elohopeahöyrylamppujen tehoon matalissa ja keskisuurissa paineissa. 260 nm:n LED soveltui parhaiten MS2-kolifagin inaktivointiin, kun taas keskipaineinen UV-lamppu inaktivoi HAdV2:n ja B. pumiluksen tehokkaammin kuin muut UV-lähteet . Samankaltaisia havaintoja tehtiin Sholtesin ym. tutkimuksessa, jossa E. coli B:n, B. atrophaeuksen ja MS2:n inaktivointiin käytettiin 260 nm:n LED-valoa ja matalapaine-UV-lamppuja. E. coli B:n ja MS-2:n inaktivaatiokinetiikka oli samanlainen LED- ja LPUV-käsittelyillä. Kaikkien UV-säteilyn lähteiden osalta mikro-organismien 4 login vähenemiseen tarvittavat annokset olivat B. atrophaeuksen ja MS2:n osalta suuremmat kuin E. coli B:n osalta. Chatterley ja Linden käsittelivät E. coli -bakteeria vedessä 265 nm:n LED:llä ja tavanomaisella LPUV-laitteella. LED antoi suuremman antimikrobisen tehon kuin LPUV-lamput, mutta sen desinfiointikustannukset olivat korkeammat. Gross et al. raportoivat veden desinfioinnista 280 nm:n LED:llä E. coli- ja B. subtilis -bakteerien inaktivoimiseksi käyttäen kahta erilaista lasista (soodakalkki ja kvartsi) ohjattua valaisinta desinfiointitehokkuuden lisäämiseksi. Lähes kaikki säteilyvalo ohjautui näytteisiin kokonaisheijastuksen ansiosta. B. subtiliksen ja E. coli -bakteerin desinfiointinopeus ja -tehokkuus paranivat tällä valo-ohjatulla menetelmällä.

E. coli -bakteerin inaktivointia testattiin altistusajan ja LED-fluenssin suhteen panos- ja läpivirtausreaktoreiden välillä säteilyhuippuarvoilla 265, 280 ja 310 nm. Valon aallonpituusyhdistelmien (265/310, 265/280/310, 280/310 ja 265/280 nm) inaktivointitehokkuutta testattiin. Ajasta riippuva inaktivointitehokkuus oli suurimmillaan 280 nm:n LED-valoilla, kun taas 265 nm:n LED-valoilla oli suurin fluenssista riippuvainen tehokkuus. Eräjärjestelmässä 265 ja 280 nm:n LEDit tarvitsivat 10,8 ja 13,8 mJ/cm2:n annoksen E. coli -bakteerin 4 login vähennyksen saavuttamiseksi. 310 nm:n LED tarvitsi 56,9 mJ/cm2 -annoksen vain 0,6 log inaktivointiin. Yhdistetyillä 265/280, 265/310, 280/310 ja 265/280/310 nm:n emissioilla havaittiin alhaisempi inaktivointitehokkuus ja pienempi lähtöteho läpivirtausreaktorissa. 265 nm:n LED-käsittelyn tehokkuus veden desinfioinnissa oli myös ajasta riippuvainen . Tulokset osoittivat, että näytteen sameus vaikutti bakteerien inaktivointiin, ja parempi tehokkuus saavutettiin vähemmän sameissa vesinäytteissä. Nämä tulokset viittaavat siihen, että hiukkasten kertyminen nesteisiin voi suojata mikro-organismeja UV-valoaltistukselta.

Hamamoto et al. desinfioivat vettä UV-A-LEDeillä (365 nm) ja matalapaine-UV-C-lampulla (254 nm). Staphylococcus aureuksen, Vibrio parahaemolyticuksen, enteropatogeenisen E. colin ja E. coli DH5α:n inaktivoituminen oli yli 3 log CFU/ml 80 minuutin suurienergisen UV-A LED-käsittelyn jälkeen. Tämä havainto sai tukea Morin ym. tutkimuksessa, jossa 365 nm:n (UV-A) LED osoitti antimikrobisia vaikutuksia E. coli DH5α:ta, enteropatogeenistä E. coli -bakteeria, Vibrio parahaemolyticus -bakteeria, Staphylococcus aureus -bakteeria ja Salmonella Enteritidis -bakteeria vastaan. Vilhunen et al. havainnoivat 269 ja 276 nm:n vaikutusta E. coli -bakteerin inaktivoitumiseen kahdessa fotolyyttisessä panosreaktorissa, jotka erosivat toisistaan emittoitujen aallonpituuksien suhteen eri testialustoilla, mukaan lukien ultrapuhdas vesi, ravinne ja vesi sekä ravinne ja vesi, jossa on humushappoja. LEDit olivat tehokkaita E. coli -bakteerin tuhoamisessa jopa alhaisella optisella teholla. Tutkimus osoitti, että LED-aallonpituudet olivat tehokkaita E. coli -bakteerin inaktivoinnissa, mutta testiympäristöllä ei ollut suurta vaikutusta inaktivointiin.

Monissa tutkimuksissa on osoitettu, että UV-LED voi korvata veden desinfioinnissa käytettävät tavanomaiset hoitomenetelmät ja että se tarjoaa hyötyjä, joita tavanomaisissa käsittelyissä ei ole. Eniten tutkittu UV-spektrin alue veden desinfioinnissa on 200-300 nm:n välillä, ja 265 nm:n aallonpituus on yleisimmin käytetty aallonpituus, ja E. coli on tutkituin mikro-organismi. Veden desinfiointia yhdellä aallonpituudella verrattiin veden desinfiointiin, jossa käytettiin kahden aallonpituuden yhdistelmää. Tiedot eivät kuitenkaan olleet johdonmukaisia, joten johtopäätöksiä ei tehty. Se, että eri mikro-organismit reagoivat eri tavoin saman aallonpituuden valoenergiaan, voi johtua UV-valonlähteestä, fluenssinopeudesta, UV-annoksesta ja altistusajasta. On tarpeen kehittää vakiomuotoinen toimintamenetelmä, jolla määritetään mikrobien inaktivointiin vedessä tarvittava annos ja määritetään LED-mikrobien inaktivointimekanismi.