Una capa para todos los casos

Se suele ver en ciclistas y senderistas, pero también Ötzi, la momia de glaciar, ya la llevaba puesta y en la momia de turba de Kayhausen también se ha encontrado: un capa: un manto sin mangas, lo más ligero posible, para protección contra el viento y el clima. Hace 5000 años estaba hecho de hierba, en el 364/350 a.C. de piel, y hoy en día de materiales textiles y sintéticos: fácil de empaquetar en poco espacio, desplegar cuando sea necesario y ponerse rápidamente.

Los científicos del Fraunhofer IPA también pensaron en una capa cuando en 2015 diseñaron, junto con una empresa aeroespacial, una sala limpia móvil. Esta debía proteger hardware muy sensible en una sala limpia de alta pureza adicionalmente. «La idea era crear un entorno de sala limpia mediante un sistema móvil y de rápida instalación, autónomo», dice Udo Gommel, jefe del área de Automatización Inteligente y Tecnología de Pureza. Los socios desarrollaron juntos una sala limpia móvil que permite a los usuarios alojar hardware en una superficie de aproximadamente cuatro por cuatro metros en aproximadamente una hora. Así nació el «Entorno Limpio y Protector», abreviado «CAPE®». Ofrece protección temporal contra contaminación particulada y molecular, durante inspecciones de productos o procesos de limpieza, en nuevas instalaciones en salas limpias, durante mantenimiento rutinario y reparaciones. Pero también se pueden imaginar otros usos: como quirófano móvil, como sala de cuarentena en pandemias para proteger a las personas y al medio ambiente de contaminaciones, como CAPE® de mantenimiento en la industria de semiconductores o como centro de pruebas y asesoramiento para aire saludable durante la pandemia de COVID-19.

Aire Saludable

¿Pueden los sistemas de ventilación y purificación de aire proteger contra el Covid-19? ¿Cómo deben diseñarse para ello? ¿Y cómo deben estructurarse los conceptos de higiene y ventilación para reducir la transmisión del virus por aerosoles? Un equipo de investigación de los institutos Fraunhofer de Stuttgart IBP, IGB y IPA ofrece respuestas en un centro de pruebas y asesoramiento para aire saludable. Dentro de la iniciativa Healthy-Air del estado de Baden-Württemberg, buscan ayudar a pequeñas y medianas empresas a implementar conceptos de ventilación para evitar la propagación del coronavirus en sus instalaciones. Pero primero, fue necesario encontrar espacios adecuados.

En busca de un entorno de prueba

Para poder probar y comparar tecnologías de purificación de aire, los científicos diseñaron dos entornos de prueba representativos: una instalación de tamaño similar a una nave industrial y una pequeña oficina como espacio de trabajo. Un desafío fue simplemente replicar el tamaño de una instalación así en un escenario. Otro fue que el espacio contara con tecnología adecuada de ventilación, climatización y limpieza. Además, debía poder desinfectarse en aspectos biológico-virológicos y en cuanto a concentración de partículas. Y, finalmente, este entorno de prueba limpio debía ponerse en funcionamiento en el menor tiempo posible.

Un espacio así (de sala limpia) no estaba disponible para los tres institutos. Lo que sí tenían era un CAPE®, justo el sistema que originalmente habían desarrollado para la industria aeroespacial. Además, un auditorio cerrado por la pandemia permanecía sin uso.

El auditorio más limpio del mundo

El auditorio, nombrado en honor al presidente del Fraunhofer y director del IPA, Hans-Jürgen Warnecke, se encuentra en el centro de instituciones de la Sociedad Fraunhofer en Stuttgart. Puede dividirse con paredes correderas en dos áreas de aproximadamente 95 m² y 92 m², y, según la disposición de asientos, tiene capacidad para entre 78 y 160 personas. A lo largo de casi 14 metros de longitud, el auditorio se ensancha trapezoidalmente hacia el escenario, con un ancho de 17 m en la parte más ancha y 10 m en la más estrecha. Su altura es de aproximadamente 7 m.

El CAPE® existente tiene una superficie de 100 m² y una altura de 7 m. Se ajustó perfectamente al escenario de una nave industrial simulada, además de algunos cambios adicionales, encajando exactamente en el auditorio disponible. La altura del sistema CAPE® se modificó ligeramente, y se quitaron paneles de las paredes del auditorio para aprovechar mejor el espacio. Luego, los expertos colocaron una pared desmontable. El suelo se cubrió con losetas de suelo para salas limpias. Tras dos días de montaje, se completó el entorno de prueba, cuyo sistema normalmente puede ponerse en marcha en pocas horas y desmontarse rápidamente.

Un cuarto del espacio lo ocupa una especie de sala de reuniones con mesas y sillas. En la sección separada del entorno de prueba, los científicos de Fraunhofer montaron otra configuración que simula una oficina de 25-30 m². En el auditorio más limpio del mundo, los investigadores realizarán hasta el 31 de diciembre de 2021 pruebas de eficacia de tecnologías de purificación de aire. Además, revisarán en un documento técnico cómo afectan los sistemas de ventilación móviles y fijos a la dispersión de aerosoles infecciosos de SARS-CoV-2.

Mediciones con aerosoles artificiales

En el gran entorno de prueba del auditorio, se evalúan los aerosoles. Los aerosoles son, en principio, partículas, gotas suspendidas en el aire que forman una nube. Para medir la concentración de partículas, los científicos utilizan aerosoles artificiales. Los generan evaporando una sustancia oleosa llamada DEHS (Dietilhexil Sebacato). Así se crean aerosoles de gotas que se parecen mucho a los aerosoles contaminados por coronavirus, pero que son inofensivos para las personas y el medio ambiente. La mayor parte de sus partículas miden entre 0,2 y 0,3 μm. Además, flotan en el aire igual que los virus. Las partículas de DEHS de 0,3 μm se evaporan sin dejar residuos en aproximadamente 4 horas. Mientras los coronavirus permanecen en el aire y pueden ser inhalados.

Doce medidores de partículas miden en diferentes lugares y alturas la concentración de partículas. «Vemos claramente en qué zonas hay mayor carga de partículas o en qué áreas la corriente de aire las distribuye mejor, facilitando también el transporte de posibles virus», explica Gommel. «Puedo decir con precisión dónde llega la contaminación de partículas en el lugar de trabajo.»

En el segundo entorno de prueba, la oficina, los expertos evalúan la eliminación de virus. Analizan la actividad y cantidad de virus antes y después de las medidas de limpieza del aire. «Tras las pruebas, podemos sacar conclusiones sobre ajustes necesarios en los sistemas de ventilación o pasos para inactivar los virus», dice Gommel. También existe la posibilidad de desinfectar el espacio con radiación UVC, para devolverlo a su estado original tras cada prueba.

En el entorno de prueba, los científicos miden además productos químicos, temperatura y humedad. La humedad del aire, en particular, influye en el tamaño de las partículas y en el proceso de infección. Cuanto más seco esté el aire, más pequeñas serán las partículas y más tiempo permanecerán en suspensión, pudiendo ser inhaladas. Si el aire está más húmedo, las partículas se aglomeran, aumentan de tamaño y caen por gravedad. Además, en aire seco, las mucosas son más susceptibles a la acumulación de virus, facilitando la infección. Los valores acústicos también son importantes en las pruebas, porque si el nivel de ruido de un dispositivo es demasiado alto, los usuarios apagarán el purificador.

Como si se lo hubiera llevado el viento

El principal método para controlar contaminaciones transmitidas por el aire es la técnica de corriente de aire. Se desarrolló hace 60 a 70 años, típicamente en salas limpias. Aquí, primero se estableció un flujo de aire horizontal. Así, las contaminaciones siempre se alejan de la fuente de contaminación.

«De manera similar, actuamos en los conceptos de purificación de aire. Observamos dónde estarían los aerosoles contaminados por virus menos peligrosos para las personas y dirigimos el flujo de aire en consecuencia, para expulsar la contaminación», explica el experto en salas limpias. El aire pasa por medios filtrantes y se limpia.

Los purificadores de aire funcionan con diferentes sistemas. Algunos aspiran el aire por detrás y lo expulsan por delante. La desventaja de este método es el llamado «efecto de enfriamiento» (Chillfactor). Algunas personas sienten corrientes de aire, se enfrían y se quejan de molestias.

Otros purificadores usan un difusor para distribuir el aire hacia arriba. Este método busca, mediante la turbulencia en la habitación, reducir la concentración de partículas en el aire de manera uniforme. Como al hablar, el aire caliente sube y se espera que allí haya más aerosoles contaminados, algunos fabricantes colocan los dispositivos en el techo y aspiran el aire desde arriba, en lugar de desde la altura del puesto de trabajo. La humedad en la boca y en la pronunciación también se refleja en las gotas emitidas en visores y protectores. Esto muestra que los aerosoles no se dispersan inmediatamente hacia arriba, sino que permanecen en fase de dispersión. La pregunta clave es: ¿qué puede afectar a los empleados en su puesto de trabajo? Como están sentados en sus escritorios, también debe evaluarse el área de trabajo. En cualquier caso, hay que pensar cuidadosamente en la ubicación del purificador de aire.

Comienzan las pruebas

Tras el desarrollo y validación de métodos y la construcción del entorno de prueba, comienzan las pruebas. Ya se han recibido las primeras órdenes. Los resultados se comparan y se realiza una evaluación cruzada que se proporciona a los fabricantes. Allí, pueden ver cómo se posiciona su dispositivo en comparación con el resultado medio. El fabricante y el modelo del dispositivo están en gris, solo el fabricante puede ver cómo se clasifica su dispositivo en el ranking respecto a los otros.

CAPE® de mantenimiento en la industria de semiconductores

La industria de semiconductores tiene los requisitos más estrictos en cuanto a libertad de contaminación. Sus salas blancas de producción también deben estar libres de componentes químicos que puedan interferir en procesos de recubrimiento, por ejemplo. En tareas de mantenimiento o montaje, surgen problemas similares a los de la industria aeroespacial. Solo era cuestión de tiempo que los expertos del IPA presentaran el concepto a los productores de semiconductores. «El reto era configurar el sistema para que, durante los intervalos de mantenimiento, permaneciera instalado en áreas de producción y equipos durante 1 a 3 días, y pudiera desmontarse rápidamente», explica Gommel.

Se tuvo que idear una nueva estrategia. Se creó un sistema CAPE® flexible y desplegable. Se instala una vez en el techo, con un marco rígido, y luego se deja caer desde el techo sobre la máquina a mantener. Dentro, se aspira el aire para evitar que la contaminación salga durante el mantenimiento.

El punto clave fue la técnica de corriente de aire. Normalmente, el aire se introduce desde arriba y se extrae por un suelo doble perforado. Los sistemas de techo instalados allí cubren el techo con filtros para operación continua. Pero en el CAPE®, se debe extraer más aire del volumen total del que entra desde arriba, para crear una presión negativa y evitar que la contaminación escape. La pared del CAPE® es crucial. Permite que el aire entre y salga, manteniendo la presión negativa. Para ello, se emplea un textil con una superficie de apertura de flujo definida con precisión.

De este sistema CAPE® de mantenimiento, los ingenieros desarrollaron una aplicación especial que se puede colocar sobre el equipo. «2ndSCIN» es el nombre del traje a medida para máquinas. Ofrece protección contra contaminaciones emitidas y prolonga los ciclos de mantenimiento.

Además de la industria aeroespacial y de semiconductores, otros sectores como óptica, alimentación, farmacéutica y médica también demandan salas limpias móviles y autónomas.

Incluso otras industrias muestran interés, como lo demuestra un pedido de un sistema CAPE® de 150 m² por parte de un proveedor automotriz bávaro.

Un CAPE® puede adquirirse como producto estándar o como modelo personalizado. En la concepción y fabricación de modelos a medida, se consideran el uso previsto, el tamaño deseado y la clase de pureza del aire requerida.