In aanmerking nemen van condensatie

Figuur 1: Twee theoretische biocontaminatiecycli (beide bij een temperatuur van 23 °C) met verschillende vochtgehalten aan het begin van de conditionering. Tijdens de decontaminatiefase wordt een deel van vH2O2 afgebroken. In dit geval wordt 10 % van vH2O2 afgebroken vanaf de beginwaarde en verdampt er meer H2O2 ter compensatie. Een vergelijkbare situatie doet zich voor bij gebruik van twee verschillende H2O2-oplossingsconcentraties: 12 %-m in de bovenste grafieken en 59 %-m in de onderste grafieken.

Figuur 1: Twee theoretische bio-desinfectiecycli, (beide met een temperatuur van 23 °C) met verschillende vochtigheidsniveaus bij het begin van de conditionering. Tijdens de desinfectiefase zal een deel van de vH2O2 ontleden. In dit geval is 10% van de vH2O2 ontleed van de oorspronkelijke waarde en wordt er meer H2O2 verdampt om te compenseren. Een vergelijkbare situatie wordt weergegeven met twee verschillende concentraties H2O2-oplossing: 12 %-m in de bovenste grafieken en 59 %-m in de onderste grafieken.

Figuur 1: Twee theoretische biodekontaminatiecycli (beide bij een temperatuur van 23 °C) met verschillende vochtgehaltes aan het begin van de conditionering. Tijdens de decontaminatiefase wordt een deel van vH2O2 afgebroken. In dit geval wordt 10 % van vH2O2 afgebroken vanaf de beginwaarde en verdampt er meer H2O2 ter compensatie. Een vergelijkbare situatie doet zich voor bij gebruik van twee verschillende H2O2-oplossingsconcentraties: 12 %-m in de bovenste grafieken en 59 %-m in de onderste grafieken.

Figuur 1: Twee theoretische bio-desinfectiecycli, (beide met een temperatuur van 23 °C) met verschillende vochtigheidsniveaus bij het begin van de conditionering. Tijdens de desinfectiefase zal een deel van de vH2O2 ontleden. In dit geval is 10% van de vH2O2 ontleed van de oorspronkelijke waarde en wordt er meer H2O2 verdampt om dit te compenseren. Een vergelijkbare situatie wordt weergegeven met twee verschillende concentraties H2O2-oplossing: 12 %-m in de bovenste grafieken en 59 %-m in de onderste grafieken.

Figuur 2: Twee biocontaminatiecycli met verschillende oplossingen van vloeibaar H₂O₂ (T = 23 °C). In dit geval wordt 10 % van vH₂O₂ afgebroken vanaf de beginwaarde en verdampt er meer H₂O₂ om te compenseren en het vH₂O₂-gehalte constant te houden.

Figuur 2: Twee bio-desinfectiecycli met verschillende oplossingen van vloeibaar H2O2 (T = 23 °C). In dit geval is 10% van vH2O2 afgebroken van de oorspronkelijke waarde en wordt er meer H2O2 verdampt om te compenseren en het vH2O2-niveau constant te houden.

Figuur 3: Twee biodecontaminatiecycli met verschillende temperaturen. In dit geval wordt 10 % van vH2O2 afgebroken vanaf de beginwaarde en verdampt er meer H2O2 ter compensatie en om het vH2O2-gehalte constant te houden.

Figuur 3: Twee bio-desinfectatiecycli met verschillende temperaturen. In dit geval is 10% van vH2O2 afgebroken van de initiële waarde en wordt er meer H2O2 verdampt om te compenseren en het vH2O2-niveau constant te houden.

Afbeelding 4: ppm vH2O2 als functie van rS/rF-sensormetingen bij 5,0 °C / Figure 4: ppm vH2O2 als functie van RS/RH-sensormetingen bij 5,0 °C

Figuur 5: ppm vH2O2 als functie van rS/rF-sensormetingen bij 50,0 °C

Figuur 6: Maximale vH2O2-ppm bij verschillende temperaturen geproduceerd met 35 % en 59 % H2O2.

Figuur 6: Maximale ppm vH2O2 bij verschillende temperaturen geproduceerd met 35% en 59 vol-% H2O2.

Figuur 7: Condensatiepunten bij gegeven temperaturen en vH2O2-ppm (bij elk punt rS = 100 %, maximale %rF varieert volgens de curves)

Figuur 7. Condensatiepunten bij gegeven temperaturen en ppm vH2O2 (bij elk punt RS = 100 %, het maximale %RH varieert volgens de curves)

In dit artikel worden de belangrijkste parameters besproken die invloed hebben op het condensatiepunt en de maximale H2O2-ppm in toepassingen met verdampt waterstofperoxide. Er worden vier regels voorgesteld die als leidraad kunnen dienen voor herhaalbare effectieve biocontaminatieprocessen.

Verdampt waterstofperoxide (vH2O2) wordt vaak gebruikt om een biocontaminatie uit te voeren in isolatoren, testkamers en materiaalpoorten. Vanwege de bekende werkzaamheid bij kamertemperatuur, de brede materiaalcompatibiliteit en de achterblijvende resten wordt vH2O2-biocontaminatie ook vaak toegepast in ziekenhuizen, metro’s, vliegtuigen en toepassingen die een betrouwbare desinfectie vereisen.

Het beheersen van condensatie is de kritischste component van elk biocontaminatieproces. Druipend condenswater moet worden voorkomen, omdat een ophoping van geconcentreerd vloeibaar waterstofperoxide negatieve effecten kan hebben op materialen, beluchtingstijd en een gelijkmatige desinfectie-efficiëntie.

Inzicht in hoe procesparameters condensatie beïnvloeden, biedt ook inzicht in de maximale waterstofperoxideconcentratie die in dampvorm kan worden gehandhaafd. Vochtgehalte, temperatuur en parts per million (ppm) van verdampt waterstofperoxide hebben een gecombineerde invloed op het condensatiepunt – het punt waarop de lucht verzadigd is. Zodra condensatie is bereikt, kunnen de vH2O2-ppm niet meer worden verhoogd.

Relatieve vochtigheid en relatieve verzadiging

Idealiter wordt elke stap in de biocontaminatiecyclus geregeld en bewaakt. Typische parameters die worden gecontroleerd, zijn temperatuur, vH2O2-ppm en vochtigheid (gemeten als relatieve vochtigheid en relatieve verzadiging). Omdat water (H2O) en waterstofperoxide (H2O2) een vergelijkbare moleculaire structuur hebben, beïnvloeden beide het condensatiepunt van de lucht. Relatieve vochtigheid (rF) geeft echter alleen het waterdampgehalte van de lucht aan bij een bepaalde temperatuur, terwijl relatieve verzadiging het waterdampgehalte en de waterstofperoxidedamp in de lucht weergeeft.

In lucht die waterstofperoxidedamp bevat, treedt condensatie op vóór 100 % relatieve vochtigheid. Daarom kan het condensatiepunt betrouwbaar worden voorspeld door de meting van de relatieve verzadiging (rS). Wanneer de relatieve verzadiging 100 %rS bereikt, condenseert het dampmengsel. Relatieve vochtigheid en relatieve verzadiging verschillen bij aanwezigheid van vH2O2. Het verschil tussen rF en rS wordt verder beïnvloed door de hoeveelheid aanwezige vH2O2.

Zoals aangegeven, kan de waterstofperoxide-dampconcentratie niet meer toenemen zodra condensatie optreedt en de relatieve verzadiging 100 %rS bereikt. In feite neemt de waterstofperoxide-dampconcentratie vaak af omdat condensatie vH2O2 uit de lucht verwijdert. Bij druppelend condenswater aan het einde van de decontaminatiefase kunnen de vH2O2-ppm-metingen tijdens de beluchting aanvankelijk toenemen, omdat de druppels vH2O2 weer in de lucht worden vrijgegeven.

Fasen van vH2O2-biocontaminatie

Biocontaminatiecycli met verdampt waterstofperoxide omvatten doorgaans vier afzonderlijke stappen:

Stap 1: Ontvochtiging:
De fysische uitgangscondities van temperatuur, vochtigheid en luchtcirculatie worden gecreëerd. Het te decontamineren gebied moet mogelijk vóór de conditionering worden ontvochtigd om condensatie te verminderen. Het verlagen van het vochtgehalte tot een vooraf gedefinieerd percentage vóór de conditionering leidt tot een hogere herhaalbaarheid van resultaten. Tijdens deze fase wordt nog geen H2O2-damp ingebracht.

Stap 2: Conditionering:
Waterstofperoxidedamp wordt uit een waterige oplossing van H2O2 en H2O geproduceerd en in het gebied geïnjecteerd totdat de gewenste vH2O2-ppm-concentratie is bereikt. Procesconcentraties kunnen variëren van 140 tot 1.400 ppm, afhankelijk van de microbiële belasting.

Stap 3: Biocontaminatie of verblijftijd:
Oppervlakken en micro-organismen worden gedurende voldoende lange tijd blootgesteld aan dodelijke concentraties waterstofperoxidedamp. H2O2-damp ontleedt in water en zuurstof. Dit kan worden gecompenseerd door tijdens deze fase verdampt H2O2 toe te voegen. De vH2O2-ppm-metingen kunnen worden gebruikt om de injectiesnelheden te regelen, zodat een constante vH2O2-ppm-waarde wordt gehandhaafd.

Stap 4: Beluchting:
Deze laatste stap verlaagt de resterende H2O2-damp tot een veilig niveau. vH2O2 kan worden gekatalyseerd tot waterdamp en zuurstof met behulp van een katalysator.

Procesparameters die condensatie beïnvloeden

In de volgende grafieken variëren we vochtgehalte, H2O2-oplossingsconcentratie, temperatuur en vH2O2-ppm. Dit dient ter illustratie van hoe deze factoren zowel het condensatiepunt (relatieve verzadiging = 100 %rS) als de maximaal bereikbare waterstofperoxideconcentratie tijdens de biocontaminatiefase beïnvloeden. Deze grafieken zijn vereenvoudigde weergaven van echte biocontaminatieprocessen om te laten zien hoe kritieke procesparameters de resultaten beïnvloeden.

Vocht, condensatiepunt en maximaal bereikbare vH2O2

Een verlaging van het beginvochtgehalte verhoogt de hoeveelheid H2O2-damp die vóór condensatie kan worden gebruikt.

De onderstaande grafieken (Figuur 1) tonen hoe ontvochtiging de maximaal bereikbare vH2O2-ppm beïnvloedt. In figuren 1a en 1b wordt de gebruikte waterstofperoxidelösung van 12 %-m weergegeven; figuren 1c en 1d tonen een oplossing met 59 %-m. In de figuren 1a en 1b worden twee anderszins vergelijkbare biocontaminatiecycli weergegeven; oranje lijnen tonen processen zonder ontvochtiging en een conditioneringsfase die begint met een relatieve vochtigheid van 50 %. De blauwe lijnen geven processen aan waarbij de ontvochtiging vóór de conditioneringsfase is afgerond op 10 %rF. In de figuren 1a en 1c ziet u de effecten van ontvochtiging op het vochtgehalte – weergegeven door relatieve vochtigheid en relatieve verzadiging – tijdens de conditionerings- en verblijffasen. Figuren 1b en 1d tonen de invloed van ontvochtiging op de maximaal bereikbare waterstofperoxidedamp tijdens de conditionerings- en verblijffasen.

Verdampt H2O2 wordt in de kamer geïnjecteerd totdat condensatie optreedt. Het is duidelijk dat bij een hogere relatieve vochtigheid aan het begin van de conditioneringsfase (omdat geen ontvochtiging is uitgevoerd) condensatie eerder plaatsvindt. Hoe lager het %rF aan het begin van de conditionering, des te hoger de maximaal bereikbare vH2O2-ppm voordat condensatie optreedt.

Tijdens de decontaminatiefase wordt een deel van vH2O2 afgebroken tot water en zuurstof. De hoeveelheid vH2O2 die afbreekt, hangt af van omstandigheden zoals materialen, temperatuur, vochtigheid en luchtstroom. De daadwerkelijk te verwachten afbraak onder bepaalde omstandigheden moet worden gemeten. In de onderstaande grafieken is aangenomen dat 10 % van vH2O2 wordt afgebroken vanaf de beginwaarde en dat meer H2O2 wordt verdampt om dit te compenseren.

H2O2-oplossingsconcentratie, condensatiepunt en maximaal bereikbare vH2O2

Wanneer de H2O2-oplossingsconcentratie toeneemt, neemt de waterstofperoxidedamp toe die vóór condensatie kan worden gebruikt.

De onderstaande grafieken illustreren twee anderszins vergelijkbare biocontaminatiecycli met verschillende oplossingen van vloeibaar H2O2. De zwarte lijn vertegenwoordigt een cyclus met een oplossing van 59 %-m H2O2, en de blauwe lijn een cyclus met 12 %-m H2O2. Beide condities beginnen met een vochtgehalte van 50 %rF en worden vóór de conditionering ontvochtigd tot 10 %rF.

Verdampt H2O2 wordt in de kamer geïnjecteerd totdat condensatie optreedt. Omdat de lagere oplossing (12 %-m) 88 % water bevat, bereikt de kamer sneller 100 % relatieve verzadiging dan de kamer waarin de hogere oplossing (59 %-m) wordt geïnjecteerd. Zodra condensatie is bereikt, kan de vH2O2-waarde niet meer toenemen. Daarom bedraagt de maximaal bereikbare vH2O2-concentratie met de 59 %-m oplossing 1.400 ppm (zwarte lijn) vóór condensatie. De maximaal bereikbare vH2O2-concentratie met de 12 %-m oplossing is 700 ppm.

Temperatuur, condensatiepunt en maximaal bereikbare vH2O2

Een verhoging van de temperatuur verhoogt de hoeveelheid water- en waterstofperoxidedamp die de lucht kan vasthouden, waardoor het maximaal bereikbare vH2O2 toeneemt.

Onder de vorige omstandigheden werd de temperatuur van de biocontaminatiecyclus op 23 °C gehouden. Bij een bepaalde temperatuur kan de lucht slechts een bepaalde hoeveelheid damp opnemen, ongeacht of het water of waterstofperoxide is. Door de temperatuur te wijzigen, veranderen we zowel het condensatiepunt als de maximaal bereikbare waterstofperoxidedampconcentratie.

In de figuren 3a en 3b worden twee anderszins vergelijkbare biocontaminatiecycli weergegeven. De zwarte lijnen geven een temperatuur van 40 °C aan, en de blauwe lijnen een temperatuur van 23 °C. In beide gevallen wordt een ontvochtiging uitgevoerd om het vocht vóór de conditionering op 10 % te brengen, en wordt een oplossing van 59 %-m H2O2 gebruikt. De zwarte lijn in figuur 3b toont dat een temperatuur van 40 °C een hogere vH2O2-ppm-waarde mogelijk maakt dan 23 °C, weergegeven door de blauwe lijn.

We kunnen de invloed van temperatuur verder onderzoeken door naar vocht te kijken, zowel relatieve vochtigheid als relatieve verzadiging. In figuur 4 ziet u de vH2O2-ppm bij een temperatuur van 5 °C. De relatieve verzadiging ligt op de x-as en de relatieve vochtigheid op de y-as. De coördinatielijnen binnen de x- en y-assen vertegenwoordigen de waterdampconcentratie van 0 tot ongeveer 500 ppm. De lijn op 0 ppm stelt damp voor die alleen met zuiver water is gegenereerd. Wanneer de H2O2-oplossingsconcentratie wordt verhoogd, neemt ook vH2O2 toe. Theoretisch vertegenwoordigt de lijn langs de x-as een dampgehalte dat is gegenereerd door een 100-%-H2O2-vloeistof. Condensatie treedt op zodra de relatieve verzadiging 100 %rS bereikt en de vH2O2-ppm daarna niet meer kan worden verhoogd. Bij een temperatuur van 5 °C, een aanvankelijke relatieve vochtigheid van 0 %rF en verdamping van een 100 %-m H2O2-oplossing, is de theoretisch maximaal bereikbare vH2O2-ppm dus 548 ppm.

Alle voorwaarden in figuur 5 zijn hetzelfde als in figuur 4 (0 %rF, 100 %-m oplossing), en alleen de temperatuur is gewijzigd naar 50 °C. De theoretisch maximaal bereikbare vH2O2-ppm bedraagt nu 13.019.

Figuur 6 toont de maximale vH2O2-ppm bij verschillende temperaturen en met gebruik van verschillende H2O2-oplossingsconcentraties. We vergelijken twee veelgebruikte oplossingen: 35 % en 59 %. De blauwe trendlijn vertegenwoordigt een 35 %-H2O2-oplossing. Bij een temperatuur van 40 °C bedraagt de maximaal bereikbare vH2O2-ppm 4.210. Bij dezelfde temperatuur (40 °C) geeft een 59 %-H2O2-oplossing een maximaal bereik van 5.461 ppm.

H2O2-dampconcentratie en condensatiepunt

Wanneer de H2O2-dampconcentratie toeneemt, neemt de hoeveelheid waterdamp die de lucht kan vasthouden af, en treedt condensatie eerder op.

Elk punt in figuur 7 vertegenwoordigt een condensatiepunt en betekent dat rS 100 % heeft bereikt. De temperatuur ligt op de x-as en vH2O2-ppm op de y-as. De curve in de grafieken toont de maximale relatieve vochtigheid bij een bepaalde temperatuur en vH2O2-ppm-concentratie.

Zoals te zien is, bedraagt de relatieve vochtigheid bij 20 °C en 300 ppm waterstofperoxide 60 % en de relatieve verzadiging 100 %. Wanneer we vH2O2 bij 20 °C verhogen tot 600 ppm, bedraagt de relatieve vochtigheid 39 % en de relatieve verzadiging 100 %.

Door de temperatuur te verhogen naar 40 °C met een vH2O2-concentratie van 300 ppm, bereikt de relatieve vochtigheid 87 % en de relatieve verzadiging 100 %. Hoe hoger de temperatuur, des te meer waterdamp de lucht kan opnemen. De relatieve vochtigheid neemt toe.

Vier regels voor vH2O2-procesparameters

1. Een verlaging van het beginvochtgehalte verhoogt de hoeveelheid H2O2-damp die vóór condensatie kan worden gebruikt.

2. Wanneer de H2O2-oplossingsconcentratie wordt verhoogd, neemt de H2O2-damp toe die vóór condensatie kan worden ingezet.

3. Een verhoging van de temperatuur verhoogt de hoeveelheid water- en waterstofperoxidedamp die de lucht kan vasthouden, waardoor de maximaal bereikbare vH2O2-ppm toeneemt.

4. Wanneer de H2O2-dampconcentratie wordt verhoogd, neemt de hoeveelheid waterdamp die de lucht kan opnemen af. Daarom treedt condensatie eerder op.

Conclusie

We hebben aangetoond hoe een gedegen kennis van de verhouding tussen kritieke procesparameters het ontwikkelen van effectieve herhaalbare vH2O2-biocontaminatiecycli mogelijk maakt. Enkelparametermetingen zijn vaak onvoldoende voor monitoring en ineffectief voor procescontrole. We hebben ook uitgelegd waarom de relatieve verzadiging een belangrijke waarde is voor het nauwkeurig voorspellen van condensatie. Om die reden meet de unieke Vaisala PEROXCAP®-technologie meerdere parameters in één meeteenheid, waaronder waterstofperoxidedamp-ppm, temperatuur, dauwpunt, dampdruk en vochtigheid (relatieve vochtigheid en relatieve verzadiging).