Prise en compte de la condensation

Figure 1 : Deux cycles de biocontamination théorique (tous deux à une température de 23 °C) avec des teneurs en humidité différentes au début de la conditionnement. Pendant la phase de décontamination, une partie du vH2O2 est décomposée. Dans ce cas, 10 % du vH2O2 est décomposé par rapport à la valeur initiale et plus de H2O2 s'évapore pour compenser. Une situation similaire se manifeste lors de l'utilisation de deux concentrations différentes de solution de H2O2 : 12 % en volume dans les graphiques supérieurs et 59 % en volume dans les graphiques inférieurs.

Figure 1 : Deux cycles de bio-désinfection théoriques, (tous deux à une température de 23 °C) avec différents niveaux d'humidité au début du conditionnement. Pendant la phase de désinfection, une partie du vH2O2 se décomposera. Dans ce cas, 10 % du vH2O2 s'est décomposé de sa valeur initiale et plus de H2O2 est vaporisé pour compenser. Une situation similaire est illustrée en utilisant deux concentrations différentes de solution de H2O2 : 12 %-m dans les graphiques supérieurs et 59 %-m dans les graphiques inférieurs.

Figure 1 : Deux cycles de biocontamination théorique (tous deux à une température de 23 °C) avec une humidité initiale différente lors de la phase de conditionnement. Pendant la phase de décontamination, une partie de vH2O2 est décomposée. Dans ce cas, 10 % de vH2O2 est décomposé par rapport à la valeur initiale et plus de H2O2 s'évapore pour compenser. Une situation similaire se manifeste lors de l'utilisation de deux concentrations différentes de solution de H2O2 : 12 % m dans les graphiques supérieurs et 59 % m dans les graphiques inférieurs.

Figure 1 : Deux cycles de bio-désinfection théoriques, (tous deux avec une température à 23 °C) avec différents niveaux d'humidité au début du conditionnement. Pendant la phase de désinfection, une partie du vH2O2 se décomposera. Dans ce cas, 10 % du vH2O2 s'est décomposé de sa valeur initiale et plus de H2O2 est vaporisé pour compenser. Une situation similaire est illustrée en utilisant deux concentrations différentes de solution de H2O2 : 12 %-m dans les graphiques supérieurs et 59 %-m dans les graphiques inférieurs.

Figure 2 : Deux cycles de biocontrôle avec différentes solutions de H₂O₂ liquide (T = 23 °C). Dans ce cas, 10 % de vH₂O₂ est décomposé dès le départ et plus de H₂O₂ s'évapore pour compenser et maintenir constamment la teneur en vH₂O₂.

Figure 2 : Deux cycles de bio-désinfection avec différentes solutions de H₂O₂ liquide (T = 23 °C). Dans ce cas, 10 % de vH₂O₂ s'est décomposé de sa valeur initiale et plus de H₂O₂ est vaporisé pour compenser et maintenir le niveau de vH₂O₂ constant.

Figure 3 : Deux cycles de biocontermination avec des températures différentes. Dans ce cas, 10 % de vH2O2 sont décomposés à partir de la valeur initiale, et plus de H2O2 est évaporé pour compenser et maintenir de manière constante la teneur en vH2O2.

Figure 3 : Deux cycles de bio-décontamination à des températures différentes. Dans ce cas, 10 % du vH2O2 s'est décomposé de sa valeur initiale et plus de H2O2 est vaporisé pour compenser et maintenir le niveau de vH2O2 constant.

Figure 4 : ppm vH2O2 en fonction des valeurs de capteur RS/RH à 5,0 °C

Abbildung 5 : vH2O2-ppm en fonction des valeurs de capteur rS/rF à 50 °C / Figure 5 : ppm vH2O2 en fonction des valeurs de capteur RS/RH à 50,0 °C

Figure 6 : Concentration maximale en vH2O2-ppm à différentes températures produite avec 35 % et 59 % de H2O2.

Figure 6 : ppm maximum vH2O2 à différentes températures produites avec 35 % et 59 vol-% H2O2.

Figure 7 : Points de condensation à des températures données et en ppm de vH2O2 (à chaque point, rS = 100 %, le %rF maximal varie selon la courbe)

Figure 7. Points de condensation à des températures données et ppm vH2O2 (à chaque point RS = 100 %, le %HR maximal varie selon les courbes)

Dans cet article, les principaux paramètres influençant le point de condensation et la concentration maximale en ppm de H2O2 dans les applications d'eau oxygénée vaporisée sont abordés. Quatre règles sont proposées comme lignes directrices pour des processus de biocontamination efficaces et reproductibles.

L'eau oxygénée vaporisée (vH2O2) est couramment utilisée pour effectuer une biocontamination dans des isolateurs, des chambres d'essai et des sas de matériel. En raison de son efficacité connue à température ambiante, de sa compatibilité avec une large gamme de matériaux et de l'absence de résidus, la biocontamination par vH2O2 est également fréquemment utilisée dans les hôpitaux, les métros, les avions et d'autres applications nécessitant une décontamination fiable.

Le contrôle de la condensation est la composante la plus critique de tout processus de biocontamination. Il faut éviter la formation de gouttelettes de condensation, car une accumulation d'eau concentrée en liquide peut avoir des effets négatifs sur les matériaux, le temps de ventilation et l'efficacité de la décontamination uniforme.

Comprendre comment les paramètres du processus influencent la condensation permet également d'obtenir des insights sur la concentration maximale de peroxyde d'hydrogène pouvant être maintenue à l'état vapeur. La teneur en humidité, la température et les parties par million (ppm) de vH2O2 ont une influence combinée sur le point de condensation – le point auquel l'air est saturé. Une fois la condensation atteinte, la concentration en ppm de vH2O2 ne peut plus augmenter.

Humidité relative et saturation relative

Idéalement, chaque étape du cycle de biocontamination est contrôlée et surveillée. Les paramètres typiquement surveillés incluent la température, la concentration en ppm de vH2O2 et l'humidité (mesurée en humidité relative et saturation relative). Étant donné que l'eau (H2O) et le peroxyde d'hydrogène (H2O2) ont une structure moléculaire similaire, ils affectent tous deux le point de condensation de l'air. Cependant, l'humidité relative (rF) indique uniquement la teneur en vapeur d'eau de l'air à une température donnée, tandis que la saturation relative (rS) montre à la fois la teneur en vapeur d'eau et en vapeur de peroxyde d'hydrogène dans l'air.

Dans l'air contenant de la vapeur de peroxyde d'hydrogène, la condensation se produit avant que l'humidité relative n'atteigne 100 %. Par conséquent, le point de condensation peut être prédit de manière fiable en mesurant la saturation relative (rS). Lorsqu'elle atteint 100 % rS, le mélange de vapeur condense. Humidité relative et saturation relative diffèrent en présence de vH2O2. La différence entre rF et rS est également influencée par la quantité de vH2O2 présente.

Comme indiqué, la concentration en vapeur de H2O2 ne peut plus augmenter une fois que la condensation se produit et que la saturation relative atteint 100 % rS. En réalité, la concentration en vapeur de H2O2 diminue souvent car la condensation retire vH2O2 de l'air. Lorsqu'il y a des gouttelettes de condensation à la fin de la phase de décontamination, les valeurs en ppm de vH2O2 peuvent initialement augmenter pendant la ventilation, car les gouttelettes libèrent à nouveau du vH2O2 dans l'air.

Phases de la biocontamination par vH2O2

Les cycles de biocontamination par vapeur d'eau oxygénée comprennent généralement quatre étapes distinctes :

Étape 1 : Déshumidification :
Les conditions physiques de départ, telles que la température, l'humidité et la circulation de l'air, sont établies. La zone à décontaminer peut nécessiter une déshumidification préalable pour réduire la condensation. La réduction du taux d'humidité à un pourcentage prédéfini avant la phase de conditionnement conduit à des résultats plus reproductibles. Pendant cette étape, aucune vapeur de H2O2 n'est encore injectée.

Étape 2 : Conditionnement :
La vapeur de peroxyde d'hydrogène est produite à partir d'une solution aqueuse de H2O2 et d'eau, puis injectée dans la zone jusqu'à atteindre la concentration souhaitée en ppm de vH2O2. La concentration du processus peut varier de 140 à 1400 ppm selon la charge microbienne.

Étape 3 : Biocontamination ou temps de séjour :
Les surfaces et micro-organismes sont exposés pendant une durée suffisante à des concentrations létales de vapeur de H2O2. La vapeur de H2O2 se décompose en eau et en oxygène. Cela peut être compensé en injectant de la vapeur de H2O2 pendant cette phase. Les mesures en ppm de vH2O2 peuvent être utilisées pour contrôler le taux d'injection, maintenant ainsi une concentration constante en ppm de vH2O2.

Étape 4 : Ventilation :
Cette étape finale réduit le reste de vapeur de H2O2 à un niveau sûr. La vapeur de H2O2 peut être catalysée en vapeur d'eau et en oxygène à l'aide d'un catalyseur.

Paramètres du processus influençant la condensation

Dans les graphiques suivants, nous faisons varier la teneur en humidité, la concentration de la solution de H2O2, la température et les ppm de vH2O2. Ceci illustre comment ces facteurs affectent à la fois le point de condensation (saturation relative = 100 % rS) et la concentration maximale de vapeur de H2O2 pouvant être atteinte lors de la phase de biocontamination. Ces graphiques sont des représentations simplifiées de processus réels de biocontamination, montrant comment les paramètres critiques du processus influencent les résultats.

Humidité, point de condensation et vH2O2 maximal atteignable

Une réduction de l'humidité initiale augmente la quantité de vapeur de H2O2 pouvant être utilisée avant la condensation.

Les graphiques suivants (Figure 1) montrent comment la déshumidification influence la concentration maximale en ppm de vH2O2. Dans les figures 1a et 1b, la solution de H2O2 utilisée est à 12 % m; dans les figures 1c et 1d, la concentration est de 59 % m. Les figures 1a et 1b présentent deux cycles de biocontamination similaires, avec des lignes orange indiquant des processus sans déshumidification et une phase de conditionnement débutant à 50 % rF. Les lignes bleues représentent des processus où la déshumidification a été réalisée à 10 % rF avant la phase de conditionnement. Dans les figures 1a et 1c, on voit l’impact de la déshumidification sur la teneur en humidité – indiquée par l’humidité relative et la saturation relative – durant les phases de conditionnement et de séjour. Les figures 1b et 1d montrent l’effet de la déshumidification sur la concentration maximale de vapeur de H2O2 pendant ces phases.

La vapeur de H2O2 vaporisée est injectée dans la chambre jusqu’à ce que la condensation soit atteinte. Il est évident qu’à humidité relative plus élevée au début de la phase de conditionnement (absence de déshumidification), la condensation survient plus tôt. Plus le % rF initial est faible, plus la vH2O2 maximale atteignable avant condensation est élevée.

Durant la phase de décontamination, une partie de vH2O2 est décomposée en eau et oxygène. La quantité de vH2O2 décomposée dépend de conditions telles que les matériaux, la température, l’humidité et le flux d’air. La décomposition réelle sous certaines conditions doit être mesurée. Dans les graphiques suivants, nous supposons que 10 % de vH2O2 est décomposé dès le départ, et que davantage de H2O2 s’évapore pour compenser.

Concentration de la solution de H2O2, point de condensation et vH2O2 maximal atteignable

Lorsque la concentration de la solution de H2O2 augmente, la vapeur de H2O2 disponible avant condensation augmente également.

Les graphiques suivants illustrent deux cycles de biocontamination similaires, utilisant différentes solutions d’H2O2 liquide. La ligne noire représente un cycle avec un rapport de solution de 59 % m H2O2 à 41 % H2O. La ligne bleue montre un cycle avec un rapport de 12 % m H2O2 à 88 % H2O. Les deux conditions débutent avec une humidité relative de 50 % rF et sont déshumidifiées à 10 % rF avant le conditionnement.

La vapeur de H2O2 vaporisée est injectée dans la chambre jusqu’à ce que la condensation soit atteinte. La solution à concentration plus faible (12 % m) contenant 88 % d’eau atteint plus rapidement 100 % de saturation relative que la chambre avec la solution à concentration plus élevée (59 % m). Une fois la condensation atteinte, la concentration en vH2O2 ne peut plus augmenter. La concentration maximale atteignable en vH2O2 avec la solution à 59 % m est de 1 400 ppm (ligne noire) avant condensation. Avec la solution à 12 % m, cette valeur est de 700 ppm.

Température, point de condensation et vH2O2 maximal atteignable

Une augmentation de la température augmente la quantité de vapeur d’eau et de H2O2 que l’air peut contenir, ce qui augmente la vH2O2 maximale atteignable.

Dans les conditions précédentes, la température du cycle de biocontamination était maintenue à 23 °C. À une température donnée, l’air ne peut contenir qu’une quantité limitée de vapeur, qu’il s’agisse de H2O ou de H2O2. En modifiant la température, on modifie à la fois le point de condensation et la concentration maximale de vapeur de H2O2 pouvant être atteinte.

Les figures 3a et 3b montrent deux cycles de biocontamination similaires, l’un à 40 °C et l’autre à 23 °C. Les lignes noires indiquent 40 °C, et les lignes bleues 23 °C. Dans les deux cas, une déshumidification est effectuée pour réduire l’humidité à 10 %, et une solution de H2O2 à 59 % m est utilisée. La ligne noire dans la figure 3b montre que la température de 40 °C permet une concentration maximale en vH2O2 plus élevée qu’à 23 °C, représentée par la ligne bleue.

Nous pouvons approfondir l’étude de l’impact de la température en considérant l’humidité, à la fois l’humidité relative et la saturation relative. Sur la figure 4, on voit la concentration en ppm de vH2O2 à 5 °C. La saturation relative est sur l’axe x, et l’humidité relative sur l’axe y. Les lignes de coordonnées dans ces axes représentent la concentration de vapeur de H2O2 de 0 à environ 500 ppm. La ligne à 0 ppm correspond à une vapeur générée uniquement par de l’eau pure. En augmentant la concentration de la solution de H2O2, la vH2O2 augmente également. Théoriquement, la ligne le long de l’axe x représente une vapeur produite par une solution à 100 % H2O2. La condensation se produit lorsque la saturation relative atteint 100 %, et la concentration en ppm de vH2O2 ne peut plus augmenter. À 5 °C, avec une humidité initiale de 0 % rF et une solution à 100 % m H2O2, la valeur maximale théorique de vH2O2 est de 548 ppm.

Dans la figure 5, toutes les conditions sont identiques à celles de la figure 4 (0 % rF, solution à 100 % m), sauf que la température est portée à 50 °C. La valeur maximale théorique de vH2O2 est alors de 13 019 ppm.

La figure 6 montre la concentration maximale en vH2O2 à différentes températures et pour différentes concentrations de solution de H2O2. Deux concentrations courantes sont comparées : 35 % et 59 %. La ligne bleue indique une solution à 35 %, et la valeur maximale en ppm de vH2O2 à 40 °C est de 4 210. La même température avec une solution à 59 % donne une concentration maximale en ppm de 5 461.

Concentration de vapeur de H2O2 et point de condensation

Une augmentation de la concentration de la vapeur de H2O2 réduit la quantité de vapeur d’eau que l’air peut contenir, entraînant une condensation plus précoce.

Chaque point dans la figure 7 représente un point de condensation, indiquant que la saturation relative a atteint 100 %. La température est sur l’axe x, et la concentration en ppm de vH2O2 sur l’axe y. La courbe montre la saturation maximale relative à une température et une concentration données en vH2O2-ppm.

Comme on le voit, à 20 °C et 300 ppm de H2O2, l’humidité relative est de 60 % et la saturation relative de 100 %. En augmentant la vapeur de H2O2 à 600 ppm à cette température, l’humidité relative passe à 39 %, mais la saturation relative reste à 100 %.

En augmentant la température à 40 °C avec une concentration de vH2O2 de 300 ppm, l’humidité relative atteint 87 % et la saturation relative 100 %. Plus la température est élevée, plus l’air peut contenir de vapeur d’eau. L’humidité relative augmente.

Quatre règles pour les paramètres du processus vH2O2

1. Une réduction de l’humidité initiale augmente la quantité de vapeur de H2O2 pouvant être utilisée avant la condensation.

2. Lorsqu’on augmente la concentration de la solution de H2O2, la vapeur de H2O2 utilisable avant condensation augmente également.

3. Une augmentation de la température augmente la quantité de vapeur d’eau et de H2O2 que l’air peut contenir, ce qui augmente la vH2O2 maximale atteignable en ppm.

4. Lorsqu’on augmente la concentration de vapeur de H2O2, la quantité de vapeur d’eau que l’air peut absorber diminue, ce qui entraîne une condensation plus précoce.

Conclusion

Nous avons montré comment une connaissance approfondie du rapport entre les paramètres critiques du processus permet de développer des cycles de biocontamination par vH2O2 efficaces et reproductibles. La mesure de paramètres individuels est souvent insuffisante pour la surveillance et inefficace pour le contrôle du processus. Nous avons également expliqué pourquoi la saturation relative est une valeur clé pour prédire précisément la condensation. C’est pourquoi la technologie unique Vaisala PEROXCAP® mesure plusieurs paramètres en une seule unité de mesure, notamment la concentration en ppm de vapeur de H2O2, la température, le point de rosée, la pression de vapeur et l’humidité (humidité relative et saturation relative).