Cosa hanno in comune gli aerosol, le particelle di polvere e i microbi?

(Immagine 2: Foto di una Flow-Box (Spetec Clean Boy® Mini))

(Immagine 1: Dimensioni delle particelle a confronto)

Tabella 1: Classi di camere bianche secondo ISO 14644-1

La risposta a questa domanda complessa è di natura fisica ed è piuttosto semplice da dare: si tratta della grandezza che è comune a tutte e tre le particelle che agiscono in modo diverso, meglio detto la loro estensione.

Quali grandezze possiedono queste particelle?

Le proporzioni di grandezza di alcuni oggetti selezionati sono rappresentate nella figura 1.

La scala di grandezza va dall’atomo con 10^-10 m fino a un’arancia con un diametro di 10 cm (0,1 m). In questo articolo ci interessano oggetti più piccoli di 0,1 mm, cioè 100 µm, e che quindi non sono più visibili ad occhio nudo, e perciò appartengono agli oggetti micro, che sebbene invisibili, possono influenzare significativamente la nostra vita.

Le particelle sferiche (particelle, aerosol, microbi) con diametri inferiori a 30 µm possono essere trasportate nell’aria su grandi distanze, e recentemente scienziati giapponesi hanno anche dimostrato che gli aerosol prodotti dall’uomo possono rimanere nell’aria fino a 20 minuti, se non si arieggia, prima di cadere a terra sotto l’effetto della gravità.

Per aerosol si intende una miscela eterogenea (dispersione) di particelle solide o liquide sospese in un gas. Le particelle sospese sono chiamate particelle di aerosol o aerosol particles. Le più piccole sono di pochi nanometri e non possono più essere viste con un microscopio ottico, ma solo con un microscopio elettronico, come ad esempio virus, mentre il diametro degli aerosol che ci interessano qui si colloca nella gamma dei micrometri. Gli aerosol sono attualmente molto discussi perché vengono prodotti inevitabilmente dall’uomo durante la respirazione e la parola, ma soprattutto durante il canto, e altri possono ri-inalarli, se non si adottano adeguate misure di protezione, ad esempio mantenendo la distanza o indossando una mascherina, o si depositano sulle superfici, modificando così le caratteristiche del prodotto.

Per bioaerosol si intendono tutte le concentrazioni di particelle di origine biologica presenti nell’atmosfera, contenenti funghi, batteri, virus o pollini, così come le loro componenti delle pareti cellulari e i prodotti metabolici (ad esempio le micotossine), o particelle a cui queste bioparticelle si attaccano. In senso più ampio, tutte le particelle di origine biologica, come ad esempio le squame della pelle o i frammenti di fibre, sono considerate bioaerosol. L’uomo stesso è il principale produttore di bioaerosol negli ambienti interni. Durante l’espirazione, minuscoli goccioloni vengono rilasciati nell’aria circostante, e ad ogni movimento si staccano squame, particelle di pelle e fibre dei vestiti, che spesso rimangono sospese nell’aria per molto tempo.

Tra le particelle biologiche più grandi, con diametri aerodinamici tra 10 µm e 100 µm, ci sono pollini, mentre i virus di solito hanno diametri tra 0,02 µm e 0,4 µm. Se si considera che i pollini abbastanza grandi possono percorrere grandi distanze per scatenare allergie anche a distanza, anche particelle più piccole, come i virus trasportati dal flusso d’aria, possono penetrare anche negli ambienti interni, e non vengono più rimossi dall’aria condizionata moderna. Senza ventilazione e ricambio d’aria, possono rimanere sospese nell’aria per molte ore, senza entrare in contatto con superfici dove potrebbero essere assorbite.

L’uomo non solo espira aerosol, ma li inspira facilmente. Circa il 10% di tutte le particelle inalate rimangono nel tratto respiratorio, mentre le altre vengono espulse di nuovo o eliminate dall’attività dei ciglia nei polmoni. Le particelle che possono raggiungere almeno i bronchi sono chiamate a livello polmonare. Ciò include tutte le particelle di aerosol con diametro inferiore a circa 10 micrometri (PM10). Particelle più grandi vengono già eliminate nel naso o nella gola, o non possono essere inalate affatto. Le particelle con diametro tra 0,5 e 1 micrometro sono quelle che meno si eliminano, e ciò significa che penetrano più profondamente nei polmoni. Ovunque si liberino polveri, aerosol o particelle durante una produzione, bisogna proteggere le persone da queste particelle. Ricordiamo tutti le costose bonifiche di amianto, perché anche singole fibre di amianto possono causare il cancro ai polmoni.

Il microbo è la forma abbreviata di microorganismo, cioè un organismo con estensione nel range dei micrometri sotto 0,1 mm, e che quindi non è più visibile ad occhio nudo. Tutti i microbi sono costituiti da una cellula. Se il nucleo cellulare, di solito con una doppia membrana che racchiude il DNA, è ben sviluppato, si parla di eucarioti, mentre i procarioti non possiedono un nucleo cellulare. Anche lieviti, alghe, protozoi (come le amebe) e funghi mucilaginosi soddisfano il criterio di piccole dimensioni, ma le definizioni più recenti di microbi includono solo batteri, archei (anch’essi organismi unicellulari senza nucleo, molto simili ai batteri) e lieviti. Batteri e lieviti sono spesso utilizzati nell’industria alimentare per ottenere determinate caratteristiche del prodotto, ad esempio nella produzione di birra, ma possono anche causare il deterioramento di prodotti, come si sa dai muffe o dai batteri coli.

In sintesi, possiamo affermare che le particelle sospese (polveri, germi, aerosol o bioaerosol) sono presenti ovunque nell’aria e negli ambienti interni, e a causa delle loro piccole dimensioni inferiori a 100 µm, possono rimanere nell’aria per molto tempo o essere trasportate su grandi distanze dal flusso d’aria.

Dove e come dobbiamo proteggerci da queste particelle sospese?

Molte delle particelle sospese sopra menzionate possono modificare o addirittura compromettere le caratteristiche del prodotto.

Nel settore alimentare, tutti i microrganismi trasportati dall’aria sono indesiderati, ma sono comunque presenti in ogni ambiente. Lo sappiamo per esperienza, perché molti alimenti sono molto sensibili. Così il pane inizia a muffire, il latte si acidifica o la frutta marcisce se esposta senza protezione a questi organismi. Per questo, i prodotti delicati e di valore devono essere protetti dai microrganismi.

Nella produzione ottica ed elettronica, le particelle di polvere sono il peggior nemico del produttore, perché sono anch’esse presenti in ogni ambiente. Durante la produzione di componenti ottici o elettronici, le particelle possono alterare, compromettere o distruggere completamente il funzionamento del prodotto, e perciò questi devono essere protetti da qualsiasi tipo di particella.

Nel settore farmaceutico e della tecnologia medica, la sterilità e l’assenza di germi sono di fondamentale importanza, ma i germi sono presenti in ogni ambiente. Perciò, strumenti medici come siringhe, bisturi o materiali di medicazione e cerotti devono essere sterilizzati e conservati in modo sterile. Una confezione sterile può essere garantita facilmente con un flusso d’aria filtrata, ma una conservazione sterile può essere più complessa. In modo coerente, negli ospedali anche i pazienti devono essere trattati e conservati in modo sterile, specialmente quando sono stati identificati germi multiresistenti.

Quando si parla di carichi di particelle negli ambienti interni, bisogna tenere presente due fonti di particelle. Le particelle di polvere provenienti dall’aria circostante possono essere controllate con sistemi di filtrazione e ventilazione adeguati. Tuttavia, la seconda fonte di particelle, l’uomo, è molto più difficile da controllare, perché rilascia un’enorme quantità di queste particelle come aerosol o direttamente come particelle (squame della pelle, fibre dei vestiti) ad ogni respiro e movimento. Quando le persone sono coinvolte in produzione, assemblaggio o confezionamento, è necessario intervenire. Solo una corretta pulizia dell’aria e la schermatura dei prodotti possono proteggerli dall’azione dell’uomo, o viceversa, in alcuni casi, anche l’uomo stesso deve essere protetto dalle emissioni, in particolare da polveri o aerosol prodotti durante il lavoro.

Tutti questi esempi dimostrano che prodotti e persone devono essere protetti da vari tipi di particelle e aerosol.

Come si può tenere lontane queste particelle dai propri prodotti?

Solo attraverso una corretta pulizia dell’aria si possono rimuovere le particelle sospese! Tra le varie tecniche di filtrazione per la pulizia dell’aria, si sono dimostrate particolarmente efficaci le tecniche di filtrazione, perché rappresentano un’alternativa economica e a basso costo di gestione, e possono essere installate anche successivamente.

Il criterio principale per valutare la qualità di una camera bianca o di ambienti simili, come una flow-box, è la norma DIN EN ISO 14644, che definisce le classificazioni delle camere bianche. Le diverse classi ISO sono riassunte nella tabella 1. (1)

In base alle esigenze, si possono anche installare camere bianche complete in aree di produzione, o, se lo spazio è limitato, si possono allestire piccole scatole che creano un ambiente di camera bianca locale.

Un esempio di flow-box, come il Spetec Clean Boy® Mini (Spetec GmbH, Erding, Germania), è mostrato nella foto in figura 1. È stato testato, certificato e classificato come ISO 5 (vecchio: Classe 100) dal Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, il che significa che all’interno della scatola possono essere presenti al massimo 100 particelle di diametro minimo di 0,5 µm per metro cubo (3,5 particelle per litro o 3.520 particelle per m³). La flow box ha quindi un fattore di isolamento di 10⁴ e riduce di conseguenza il numero di particelle, migliorando la qualità dell’aria di almeno 10.000 volte rispetto all’aria ambiente nel settore di produzione. Lo stesso vale anche per le camere bianche più grandi — qui si può comunque adattare la qualità dell’aria alle richieste e alle specifiche del cliente. Tutte le camere bianche vengono installate, misurate e successivamente certificate sul posto dalla ditta Spetec GmbH.

Valutando la qualità dell’aria all’interno di una camera bianca o di una flow-box lamellare, non è importante se la particella è un aerosol, un germe, una cellula di lievito o un batterio, perché la rimozione avviene solo in base alle dimensioni della particella, e non in base alle sue caratteristiche chimiche o biologiche.

Il funzionamento di una flow-box è molto semplice. L’aria viene aspirata da un ventilatore (come mostrato nella figura 2, installato nella parte superiore della struttura), e passata attraverso un filtro a particelle. La disposizione dei filtri crea un flusso d’aria laminare nel settore di lavoro dietro le lastre di plexiglas. Questo significa che l’aria scorre come una cortina dall’alto verso il basso lungo linee di flusso parallele, e il campione o il prodotto sono protetti da un sovraccarico di pressione che impedisce l’ingresso di particelle. Le particelle o altre particelle sospese presenti nell’aria e che sono comunque entrate, ad esempio durante la regolazione o il cambio di prodotti, vengono catturate dal flusso d’aria e rimosse attraverso le feritoie nel pavimento della flow-box o convogliate dall’apertura frontale.

Attraverso la combinazione di camere bianche o flow-box lamellari, si possono creare intere linee di produzione, in modo che il prodotto non entri mai in contatto con particelle di qualsiasi tipo durante il processo di produzione. La disposizione e la progettazione, così come la configurazione di singoli componenti, possono essere adattate alle esigenze del cliente.

(1) https://www.beuth.de/de/norm/din-en-iso-14644-1/238330395