Feasibility study on UV-C incorporation in processing units for disinfection

Abstract

Ultraviolet-C (UV‑C) irradiation is a promising non-chemical complement to conventional cleaning processes in processing units intended for cleaning items such as utensils, textiles and laboratory equipment. This thesis evaluates the technical feasibility of integrating UV‑C light-emitting diodes (LEDs) into such units, with a focus on liquid-phase treatment of the washing liquid. A design-space exploration and patent landscape analysis are first used to compare direct item irradiation, liquid treatment and biofilm control routes, leading to selection of liquid-phase UV‑C treatment as the most controllable and model-friendly option. The work then combines UV–Vis spectroscopy of process-liquid samples from multiple cleaning stages with a physics-based radiation model that describes multi-LED UV‑C fluence in a rectangular treatment volume as a function of LED power, array geometry, optical attenuation and wall/interface losses. Angular irradiance measurements are used to parameterise the LED radiation profile, and additional experiments compare the effect of different inner wall materials on non–line-of-sight irradiance. The integrated assessment shows that, for optically favourable process stages and realistic LED configurations, a reference fluence on the order of 40 mJ/cm^(-2) can be delivered to well-mixed liquid volumes, whereas highly attenuating stages remain unsuitable for UV‑C treatment. Liquid-phase UV‑C LED integration thus appears technically feasible as a supplementary disinfection step in cleaning-related processing units, but its performance and energy use ultimately depend on process-liquid quality and hydrodynamics. Hydrodynamic investigations in processing units, together with microbial validation experiments, are therefore recommended as future work.

Popular Abstract (Swedish)

UV-C är ljus med väldigt hög energi som ligger utanför det synliga spektrumet och filtreras bort av atmosfären. Ljus med denna höga energi har visats kunna inaktivera mikroorganismer, såsom bakterier, virus och svamp. Detta sker framför allt genom att ljuset effektivt tas upp av DNA och RNA, vilket förstör mikroorganismernas fortplantningsförmåga.

I samband med att ljusdioder (LED) blev alltmer integrerade i tekniken, bland annat på grund av deras energieffektivitet, upptäcktes flera användningsområden för UV-C-LED:er. Det vill säga LED:er som sänder ut detta mikroorganisminaktiverande ljus. En av de tillämpningar som kanske nådde ut bredast var vattenflaskor som renar vattnet inuti med hjälp av UV-C.

Samtidigt som tekniken förbättras och fler användningsområden hittas, har användningen av UV-C i rengöringsmaskiner inte blivit särskilt populär eller undersökt. I det här examensarbetet undersöktes därför om det skulle vara genomförbart att integrera UV-C-LED:er i rengöringsmaskiner. Förhoppningen var att tekniken antingen skulle kunna förbättra rengöringen eller göra processen mer energisnål, eftersom man då kanske inte skulle behöva använda lika mycket av andra mikroorganisminaktiverande metoder, såsom kokande vatten eller kemiska substanser.

Examensarbetet inleddes med en litteraturstudie och en undersökning av befintliga patent som var aktuella för våra implementeringsidéer. Vi undersökte sedan möjligheten att inaktivera mikroorganismer direkt på de artiklar som ska rengöras i rengöringsmaskiner. Det innebär att ljus riktas mot artiklarna för att förstöra de mikroorganismer som sitter på eller i dem. Denna idé mötte dock snabbt problem, eftersom ljuset inte passerar särskilt bra genom andra medier än luft. Skuggning, alltså att bara en sida av en artikel är exponerad för ljuset, hade därför inneburit att vi inte med säkerhet hade kunnat påstå att artiklarna blivit fullständigt desinfekterade.

Vi började därför istället undersöka om man skulle kunna få mikroorganismerna att lossna från artiklarna, så att de istället befinner sig i det omkringliggande mediet, exempelvis vatten. På så sätt skulle de vattenbundna mikroorganismerna kunna inaktiveras innan de hinner sätta sig fast på artiklarna igen.

För att undersöka detta behövde vi veta hur klart rengöringsmaskinernas medium är. Detta var viktigt för att kunna avgöra hur väl ljuset kan färdas i systemet utan att blockeras av smuts i mediet. Vi utförde därför ett experiment med UV-Vis-spektroskopi och fann att mediets smutsighetsgrad spelar otroligt stor roll.

Vi undersökte även om UV-C-LED:er skulle kunna användas för att inaktivera biofilmer på systemets inre väggar. Biofilmer kan bidra till dålig lukt i systemet, och en sådan tillämpning skulle därför kunna vara värdefull för att minska illaluktande lukt över tid. Våra resultat visade att detta skulle kunna vara genomförbart, men att det beror på om ljuset når alla relevanta ytor, inklusive hörn.

Vi skapade sedan en generell modell av våra UV-C-LED:er i MATLAB, en programvara där vi kunde simulera utfallet i olika system med medier av olika smutsighetsgrader. Därefter utförde vi ett valideringsexperiment för att säkerställa att modellen uppförde sig så likt verkligheten som möjligt och därmed kunde ge bättre uppskattningar.

Slutligen utförde vi ett experiment på hur reflektiviteten hos systemets inre väggar påverkar hur ljuset färdas i systemet. Vi undersökte om reflekterande material, såsom aluminium, kan förbättra ljusenhetligheten och ljustäckningen. Det visade sig vara otroligt användbart, både för att nå hörn som ljuset annars inte hade nått och för att ge en ökad ljusdos i systemet.

Sammanfattningsvis fann vi att det är genomförbart att integrera UV-C-LED:er i rengöringsmaskiner. Däremot behöver man noggrant överväga var de placeras, vilka mikroorganismer man specifikt vill inaktivera, mediets optiska egenskaper och materialet på systemets inre väggar. Arbetets mål var att bana väg för framtida arbete och fysisk implementering, för att i slutändan kunna nå en värdefull produkt eller tillämpning. Detta mål uppnåddes.

• author: Ilander, Tobias and Mayahi, Farhan
• supervisor: Debashree Banerjee; Johan Svensson Bonde; Marius Stüchelli
• organization: Pure and Applied Biochemistry
• alternative title: Feasibility of Integrating UV-C in Processing Units
• alternative title: Integrering av UV-C i Processystem för Rengöring av Föremål
• course: KBKM05 20261
• year: 2026
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: UV‑C LED disinfection, liquid-phase treatment, cleaning process optimization, applied biochemistry
• language: English
• id: 9241348
• date added to LUP: 2026-07-03 13:05:27
• date last changed: 2026-07-03 13:05:27