Considerazione della condensazione

Figura 1: Due cicli teorici di biodecontaminazione (entrambi a una temperatura di 23 °C) con diversa umidità iniziale durante la fase di condizionamento. Durante la fase di decontaminazione, una parte di vH2O2 viene decomposta. In questo caso, il 10% di vH2O2 viene decomposto dal valore iniziale e più H2O2 evapora per compensare. Una situazione simile si osserva utilizzando due diverse concentrazioni di soluzione di H2O2: 12%-m nelle figure superiori e 59%-m in quelle inferiori.

Figura 1: Due cicli teorici di bio-decontaminazione, (entrambi con temperatura a 23 °C) con diversi livelli di umidità all'inizio della condizionamento. Durante la fase di decontaminazione, una parte di vH2O2 si decomporrà. In questo caso, il 10% di vH2O2 si è decomposto dal suo valore iniziale e più H2O2 viene vaporizzato per compensare. Una situazione simile è mostrata utilizzando due concentrazioni diverse di soluzione di H2O2: 12 %-m nei grafici superiori e 59 %-m nei grafici inferiori.

Figura 1: Due cicli teorici di biodecontaminazione (entrambi a una temperatura di 23 °C) con diversa umidità iniziale durante la fase di condizionamento. Durante la fase di decontaminazione, una parte di vH2O2 viene decomposta. In questo caso, il 10% di vH2O2 viene decomposto rispetto al valore iniziale e più H2O2 evapora per compensare. Una situazione simile si verifica utilizzando due diverse concentrazioni di soluzione di H2O2: 12%-m nelle figure superiori e 59%-m in quelle inferiori.

Figura 1: Due cicli teorici di bio-decontaminazione, (entrambi con temperatura a 23 °C) con diversi livelli di umidità all'inizio della condizionamento. Durante la fase di decontaminazione, una parte di vH2O2 si decomporrà. In questo caso, il 10% di vH2O2 si è decomposto dal suo valore iniziale e più H2O2 viene vaporizzato per compensare. Una situazione simile è mostrata utilizzando due concentrazioni diverse di soluzione di H2O2: 12 %-m nei grafici superiori e 59 %-m nei grafici inferiori.

Figura 2: Due cicli di biodecontaminazione con diverse soluzioni di H2O2 liquido (T = 23 °C). In questo caso, il 10% di vH2O2 viene decomposto dal valore iniziale e viene vaporizzato più H2O2 per compensare e mantenere costantemente il contenuto di vH2O2.

Figura 2: Due cicli di bio-decontaminazione con diverse soluzioni di H2O2 liquido (T = 23 °C). In questo caso, il 10% di vH2O2 si è decomposto dal suo valore iniziale e più H2O2 viene vaporizzato per compensare e mantenere costante il livello di vH2O2.

Figura 3: Due cicli di biodecontaminazione con temperature diverse. In questo caso, il 10% di vH2O2 viene decomposto dal valore iniziale e viene vaporizzato più H2O2 per compensare e mantenere costantemente il contenuto di vH2O2.

Figura 3: Due cicli di bio-decontaminazione con temperature diverse. In questo caso, il 10% di vH2O2 si è decomposto dal suo valore iniziale e più H2O2 viene vaporizzato per compensare e mantenere costante il livello di vH2O2.

Figura 4: ppm vH2O2 in funzione dei valori di sensore RS/RH a 5,0 °C / Figure 4: ppm vH2O2 as a function of RS/RH sensor readings at 5.0 °C

Figura 5: ppm vH2O2 in funzione dei valori di sensore RS/RH a 50,0 °C

Figura 6: ppm massimo di vH2O2 a diverse temperature generate con il 35% e il 59% di H2O2.

Figura 6: ppm massimo di vH2O2 a diverse temperature prodotte con H2O2 al 35% e al 59% in volume.

Figura 7: Punti di condensazione a temperature date e ppm di vH2O2 (ad ogni punto rS = 100 %, la %rF massima varia secondo le curve)

Figura 7. Punti di condensazione a temperature e ppm vH2O2 specifici (ad ogni punto RS = 100 %, il % di umidità relativa massimo varia secondo le curve)

In questo articolo vengono discussi i parametri principali che influenzano il punto di condensazione e le ppm massime di H2O2 in applicazioni con acqua ossigenata vaporizzata. Vengono proposte quattro regole che possono fungere da linee guida per processi di biodecontaminazione ripetibili ed efficaci.

L'acqua ossigenata vaporizzata (vH2O2) viene frequentemente utilizzata per eseguire la biodecontaminazione in isolatori, camere di prova e passaggi di materiale. Per la sua efficacia nota a temperatura ambiente, la compatibilità con molti materiali e l'assenza di residui, la biodecontaminazione con vH2O2 viene spesso impiegata anche in ospedali, metropolitane, aerei e applicazioni che richiedono una decontaminazione affidabile.

Il controllo della condensazione è la componente più critica di ogni processo di biodecontaminazione. È importante evitare gocce di condensa, poiché l'accumulo di acqua ossigenata concentrata può avere effetti negativi sui materiali, sui tempi di ventilazione e sull'efficienza uniforme della decontaminazione.

Comprendere come i parametri di processo influenzano la condensazione fornisce anche approfondimenti sulla concentrazione massima di acqua ossigenata che può essere mantenuta in stato di vapore. Contenuto di umidità, temperatura e parti per milione (ppm) di acqua ossigenata vaporizzata hanno un effetto combinato sul punto di condensazione — il punto in cui l'aria è satura. Una volta raggiunta la condensazione, le ppm di vH2O2 non possono più essere aumentate.

Umidità relativa e saturazione relativa

Idealmente, ogni fase del ciclo di biodecontaminazione viene controllata e monitorata. I parametri tipicamente controllati includono temperatura, ppm di vH2O2 e umidità (misurata come umidità relativa e saturazione relativa). Poiché acqua (H2O) e acqua ossigenata (H2O2) hanno strutture molecolari simili, entrambi influenzano il punto di condensazione dell'aria. Tuttavia, l'umidità relativa (rF) indica solo il contenuto di vapore acqueo dell'aria a una determinata temperatura, mentre la saturazione relativa mostra sia il contenuto di vapore acqueo che quello di vapore di H2O2 nell'aria.

In aria contenente vapore di H2O2, la condensazione avviene prima del 100% di umidità relativa. Pertanto, il punto di condensazione può essere previsto in modo affidabile misurando la saturazione relativa (rS). Quando la saturazione relativa raggiunge il valore del 100%rS, il miscuglio di vapore condensa. Umidità relativa e saturazione relativa differiscono in presenza di vH2O2. La differenza tra rF e rS è ulteriormente influenzata dalla quantità di vH2O2 presente.

Come indicato, la concentrazione di vapore di H2O2 non può più aumentare una volta che si verifica la condensazione e la saturazione relativa raggiunge il 100%rS. In realtà, la concentrazione di vH2O2 in vapore spesso diminuisce perché la condensazione rimuove vH2O2 dall'aria. Con gocce di condensa che si formano alla fine della fase di decontaminazione, i valori di ppm di vH2O2 durante la ventilazione possono inizialmente aumentare, poiché le gocce di vH2O2 rilasciano nuovamente vapore nell'aria.

Fasi della biodecontaminazione con vH2O2

Le fasi del ciclo di biodecontaminazione con acqua ossigenata vaporizzata tipicamente comprendono quattro passaggi distinti:

Fase 1: Disidratazione:
Vengono create le condizioni fisiche di temperatura, umidità e circolazione dell'aria. La zona da decontaminare potrebbe dover essere disidratata prima della condizionamento per ridurre la condensazione. Ridurre il contenuto di umidità a una percentuale predefinita prima del condizionamento porta a risultati più ripetibili. In questa fase, non viene ancora immesso vapore di H2O2.

Fase 2: Condizionamento:
Il vapore di acqua ossigenata viene prodotto da una soluzione acquosa di H2O2 e H2O e iniettato nell'area fino a raggiungere la concentrazione desiderata di ppm di vH2O2. Le concentrazioni di processo possono variare da 140 a 1.400 ppm, a seconda del carico microbico.

Fase 3: Biodecontaminazione o tempo di permanenza:
Superfici e microrganismi vengono esposti per un tempo sufficiente a concentrazioni letali di vapore di acqua ossigenata. L'H2O2 in vapore si decompone in acqua e ossigeno. Questo può essere compensato iniettando vapore di H2O2 durante questa fase. Le misurazioni di ppm di vH2O2 possono essere utilizzate per controllare le portate di iniezione, mantenendo un valore costante di ppm di vH2O2.

Fase 4: Ventilazione:
Quest'ultima fase riduce il residuo di vapore di H2O2 a un livello sicuro. Il vH2O2 può essere catalizzato in vapore acqueo e ossigeno tramite un catalizzatore.

Parametri di processo che influenzano la condensazione

Nelle seguenti figure variamo il contenuto di umidità, la concentrazione della soluzione di H2O2, la temperatura e le ppm di vH2O2. Questo serve a illustrare come questi fattori influenzano sia il punto di condensazione (saturazione relativa = 100%rS) sia la concentrazione massima di vapore di H2O2 raggiungibile durante la fase di biodecontaminazione. Queste figure sono rappresentazioni semplificate di processi reali di biodecontaminazione, per mostrare come i parametri critici di processo influenzano i risultati.

Umidità, punto di condensazione e massimo vH2O2 raggiungibile

Una riduzione dell'umidità iniziale aumenta la quantità di vapore di H2O2 che può essere utilizzata prima della condensazione.

Le seguenti figure (Figura 1) mostrano come la disidratazione influisce sul massimo di ppm di vH2O2 raggiungibili. Nelle figure 1a e 1b, la soluzione di H2O2 utilizzata è al 12%; le figure 1c e 1d mostrano una concentrazione di soluzione del 59%. In 1a e 1b sono rappresentati due cicli di biodecontaminazione simili; le linee arancioni indicano processi senza disidratazione e con fase di condizionamento che inizia con un'umidità relativa del 50%. Le linee blu rappresentano processi in cui la disidratazione si è conclusa prima del condizionamento al 10% di umidità relativa. In 1a e 1c si osservano gli effetti della disidratazione sulla percentuale di umidità — indicata come umidità relativa e saturazione relativa — durante le fasi di condizionamento e di permanenza. Le figure 1b e 1d mostrano l'influenza della disidratazione sul massimo di vH2O2 in vapore durante le fasi di condizionamento e permanenza.

Il vapore di H2O2 vaporizzato viene iniettato nella camera fino a raggiungere la condensazione. È evidente che, con un'umidità relativa più alta all'inizio della fase di condizionamento (perché non è stata effettuata disidratazione), la condensazione avviene prima. Più bassa è la %rF all'inizio del condizionamento, maggiori sono le ppm di vH2O2 raggiungibili prima che si verifichi la condensazione.

Durante la fase di decontaminazione, una parte di vH2O2 si decompone in acqua e ossigeno. La quantità di vH2O2 che si decompone dipende da condizioni come materiali, temperatura, umidità e flusso d'aria. La decomposizione effettiva sotto certe condizioni deve essere misurata. Nelle figure successive, si assume che il 10% di vH2O2 si decomponga dall'inizio e che venga vaporizzato più H2O2 per compensare.

Concentrazione di soluzione di H2O2, punto di condensazione e massimo vH2O2 raggiungibile

Aumentando la concentrazione della soluzione di H2O2, aumenta anche il vapore di H2O2 che può essere immesso prima della condensazione.

Le seguenti figure illustrano due cicli di biodecontaminazione simili con diverse soluzioni di H2O2 liquido. La linea nera rappresenta un ciclo con rapporto di soluzione del 59% di H2O2 e 41% di H2O. La linea blu mostra un ciclo con rapporto del 12% di H2O2 e 88% di H2O. Entrambi i cicli iniziano con un contenuto di umidità del 50%rF e vengono disidratati prima del condizionamento al 10%rF.

Il vapore di H2O2 vaporizzato viene iniettato nella camera fino a raggiungere la condensazione. Poiché la soluzione a concentrazione più bassa (12%) contiene l'88% di acqua, la camera raggiunge più rapidamente il 100% di saturazione relativa rispetto a quella con soluzione a concentrazione più alta (59%). Una volta raggiunta la condensazione, il livello di ppm di vH2O2 non può più aumentare. Pertanto, la concentrazione massima di vH2O2 raggiungibile con la soluzione del 59% è di 1.400 ppm (linea nera) prima della condensazione. Con la soluzione del 12%, il massimo è di 700 ppm.

Temperatura, punto di condensazione e massimo vH2O2 raggiungibile

Aumentare la temperatura aumenta la quantità di vapore di acqua e di acqua ossigenata che l'aria può contenere, incrementando così il massimo di vH2O2 raggiungibile.

Sotto le condizioni precedenti, la temperatura del ciclo di biodecontaminazione è stata mantenuta a 23 °C. A una certa temperatura, l'aria può contenere solo una quantità limitata di vapore, sia di H2O che di H2O2. Modificando la temperatura, si cambiano sia il punto di condensazione che la concentrazione massima di vapore di H2O2 che può essere raggiunta.

Nelle figure 3a e 3b sono rappresentati due cicli di biodecontaminazione simili, con linee nere che indicano 40 °C e linee blu che indicano 23 °C. In entrambi i casi, viene effettuato un disidratazione per ridurre l'umidità prima del condizionamento al 10%, e viene utilizzata una soluzione di H2O2 al 59%. La linea nera in figura 3b mostra che a 40 °C si consente un valore di ppm di vH2O2 più alto rispetto a 23 °C, rappresentato dalla linea blu.

Possiamo approfondire l'influenza della temperatura considerando anche l'umidità, sia relativa che di saturazione. In figura 4 si vede il ppm di vH2O2 a 5 °C. L'asse x rappresenta la saturazione relativa e l'asse y l'umidità relativa. Le linee di coordinate all'interno degli assi rappresentano concentrazioni di vapore di H2O2 da 0 a circa 500 ppm. La linea a 0 ppm rappresenta vapore generato solo con acqua pura. Se si aumenta la concentrazione della soluzione di H2O2, anche vH2O2 aumenta. Teoricamente, la linea lungo l'asse x rappresenta un contenuto di vapore generato da una soluzione di H2O2 al 100%. La condensazione si verifica quando la saturazione relativa raggiunge il 100%rS, e le ppm di vH2O2 non possono più aumentare. A 5 °C, con umidità relativa iniziale dello 0%rF e vaporizzando una soluzione al 100%m di H2O2, il massimo teorico di ppm di vH2O2 è di 548 ppm.

Tutte le condizioni in figura 5 sono uguali a quelle di figura 4 (0%rF, soluzione al 100%), tranne che la temperatura è stata aumentata a 50 °C. Il massimo teorico di ppm di vH2O2 ora è di 13.019.

La figura 6 mostra i ppm massimi di vH2O2 a diverse temperature e con concentrazioni di soluzione di H2O2 differenti. Confrontiamo due concentrazioni comunemente usate: 35% e 59%. La linea blu rappresenta una soluzione al 35% di H2O2. A 40 °C, il massimo ppm di vH2O2 raggiungibile è di 4.210. Alla stessa temperatura, una soluzione al 59% di H2O2 permette di raggiungere un massimo di 5.461 ppm.

Concentrazione di vapore di H2O2 e punto di condensazione

Aumentando la concentrazione di H2O2 in soluzione, si riduce la quantità di vapore d'acqua che l'aria può contenere, e la condensazione avviene prima.

Ogni punto in figura 7 rappresenta un punto di condensazione e indica che si è raggiunto il saturamento del 100%rS. La temperatura è sull'asse x e ppm di vH2O2 sull'asse y. La curva nei grafici mostra la massima umidità relativa a una data temperatura e concentrazione di ppm di vH2O2.

Come si può vedere, a 20 °C e 300 ppm di acqua ossigenata, l'umidità relativa è del 60% e la saturazione relativa è del 100%. Se aumentiamo vH2O2 a 600 ppm a 20 °C, l'umidità relativa scende al 39% e la saturazione relativa rimane al 100%.

Aumentando la temperatura a 40 °C con una concentrazione di 300 ppm di vH2O2, l'umidità relativa sale all'87% e la saturazione relativa al 100%. Più alta è la temperatura, più vapore d'acqua può essere assorbito dall'aria. L'umidità relativa aumenta.

Quattro regole per i parametri di processo di vH2O2

1. Una riduzione dell'umidità iniziale aumenta la quantità di vapore di H2O2 che può essere utilizzata prima della condensazione.

2. Se si aumenta la concentrazione della soluzione di H2O2, aumenta anche il vapore di H2O2 che può essere immesso prima della condensazione.

3. Un aumento della temperatura aumenta la quantità di vapore di acqua e di acqua ossigenata che l'aria può contenere, incrementando così il massimo di ppm di vH2O2 raggiungibile.

4. Se si aumenta la concentrazione di vapore di H2O2, la quantità di vapore d'acqua che l'aria può assorbire diminuisce, quindi la condensazione avviene prima.

Conclusioni

Abbiamo mostrato come una conoscenza approfondita della relazione tra i parametri critici di processo consenta di sviluppare cicli di biodecontaminazione con vH2O2 efficaci e ripetibili. La misurazione di singoli parametri spesso non è sufficiente per il monitoraggio e risulta inefficace per il controllo del processo. Abbiamo anche evidenziato perché la saturazione relativa sia un valore importante per prevedere accuratamente la condensazione. Per questo motivo, la tecnologia unica Vaisala PEROXCAP® misura più parametri in un'unica unità di misura, tra cui ppm di vapore di H2O2, temperatura, punto di rugiada, pressione di vapore e umidità (umidità relativa e saturazione relativa).