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Impianti 14-05

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Impianti 14-05-19
Sterilizzazioni a freddo
Ossido di etilene (EtO)
A causa della tossicità, cancerogenicità ed esplosività dell’EtO, gli oggetti sterilizzati con questo tipo di
processo devono essere posti in appositi armadi di ventilazione, dove avviene appunto la ventilazione
forzata degli oggetti con aria ad una temperatura di 40°C-50°C, che favorisce la rimozione del gas. A loro
volta gli armadi devono essere situati in appositi locali mantenuti in sottopressione rispetto all’ambiente
esterno e ventilati grazie all’impianto di condizionamento, che garantisce le pressioni differenziali, oltre ad
un adeguato numero di ricambi orari. Poiché se la concentrazione dell’EtO in aria raggiunge valori vicini al
3% si rischia esplosione, il numero dei ricambi d’aria viene aggiustato per evitare questo rischio: ciò avviene
grazie a un sensore di concentrazione che, non appena la concentrazione nel locale si avvicina alla soglia di
sicurezza stabilita, segnala al ventilatore che condiziona il locale di commutare la sua velocità ad un livello
più alto, in modo da garantire più ricambi orari.
Gas plasma
La sterilizzazione con gas plasma è un processo a metà tra il chimico e il fisico. Il gas plasma è una miscela
gassosa di elettroni, ioni, radicali liberi, anche noto come il quarto stato della materia. Il gas plasma
interstellare, che circonda il sole, presenta solo ioni ed elettroni ed ha una temperatura elevata. Quello
invece utilizzato in sterilizzazione ha una temperatura più bassa e presenta anche specie neutre
chimicamente instabili che partecipano attivamente al processo di sterilizzazione attraverso reazioni
chimiche ad esempio con le membrane cellulari.
Si ottiene a partire da un gas precursore, rarefatto, che viene reso sede di un campo EM nell’ambito delle
radiofrequenze o delle microonde (da 10 a 30×103MHz). Il campo EM accelera le particelle cariche, strappa
gli elettroni e provoca la formazione di elettroni, ioni e specie instabili. Durante questo processo avviene
anche l’emissione di raggi UV, anch’essi agenti sterilizzanti. Il vantaggio del gas plasma è che una volta
spento il campo EM, le specie si ricombinano tra loro e non ci sono residui tossici o umidità da rimuovere:
gli oggetti non devono essere sottoposti a trattamenti-post sterilizzazione.
La tipica sterilizzatrice, attualmente leader nel settore in quanto detentrice del brevetto, utilizza un campo
a 13,56 MHz e come gas precursore acqua ossigenata. Una soluzione liquida di acqua e acqua ossigenata
viene inserita nella camera sottovuoto dove quindi vaporizza; il vapore di acqua ossigenata viene quindi
irradiato dal campo a RF e si forma gas plasma. L’acqua ossigenata è già di per sé un agente sterilizzante:
l’azione sterilizzante del gas plasma è però amplificata rispetto a quella del gas precursore grazie alla
formazione dei raggi UV e delle altre specie che, distribuendosi uniformemente nella camera, agiscono
localmente sui microrganismi. Per dimostrare che non è l’acqua ossigenata il principale responsabile del
processo di sterilizzazione, sono stati effettuati test con gas plasma ottenuto da argon, che è un gas inerte
(non ha azione biocida) e l’azione sterilizzante è risultata efficacie. Tali risultati sono importanti non solo
per la ricerca, ma anche perché l’uso di tecnologie alternative può essere molto oneroso per l’ospedale
(un’autoclave per gas plasma costa sui 180000€, contro i 20000€ di una a vapore), e i vantaggi che se ne
possono trarre devono essere reali.
CICLO
Avviene a freddo (45°C) e
sottovuoto (al di sotto della
pressione atmosferica). Si parte
da una p=1atm e si crea il vuoto
rimuovendo l’aria dalla camera.
Segue l’iniezione della soluzione
acquosa di acqua ossigenata, che
esce da una valvola e vaporizza a
contatto con il vuoto; a causa
della formazione di vapore la
pressione in camera aumenta,
fino a raggiungere 0,1atm, quindi si attende un tempo opportuno per permettere la penetrazione del
vapore nel carico. Questa fase può essere eseguita anche attraverso l’uso di diffusori che dirigono il vapore
all’interno del carico, quando ad esempio gli oggetti da sterilizzare presentano tubicini, circuiti e altri
elementi difficili da raggiungere. Si riduce nuovamente la pressione: il gas presente in camera diventa più
rarefatto e a questo punto si accende la RF, che permette la formazione di gas plasma. Si lascia agire il gas
plasma per un tempo opportuno, relativamente all’azione biocida delle specie presenti. Infine si ha una
fase di ventilazione della camera in cui viene inserita aria medicinale per rimuovere i composti chimici
residui.
Materiali sterilizzabili: materiali di guarnizione/finitura di dispositivi anche sofisticati che si rovinerebbero
ad alta temperatura
1.
2.
3.
4.
5.
Acciaio
Lattice
Nylon
Silicone
Teflon
Oggetti sterilizzabili:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
capsule Petri (recipienti per la coltura di microrganismi)
cateteri
cavi delle fibre ottiche
cavi elettrici
defibrillatori
drenaggi (in polietilene)
endoscopi
termometri
telecamere
La fase di sterilizzazione con gas plasma, come per le altre tipologie di sterilizzazione, presuppone le fasi di
raccolta, decontaminazione, pulizia, risciacquo, selezione e confezionamento. Le confezioni sono fatte di
materiali compatibili con il gas plasma e devono essere dotate di indicatori chimici (di processo e di
sterilizzazione) e biologici. Materiali e indicatori sono forniti dal costruttore dell’autoclave a gas plasma: i
costi sostenuti dall’ospedale riguardano anche questo tipo di prodotti.
Progetto
Calcolo delle portate G
Caso estivo. Attraverso le pareti entra del calore; mediante delle aperture, le bocchette di immissione e di
espulsione, si immette e si fa fuoriuscire fluido dalla stanza:
GI=portata di aria secca entrante, a temperatura ti e titolo di vapore xi
GU=portata di aria secca uscente a temperatura tu e titolo di vapore xu
Titolo di vapore: massa di vapore/kg di aria secca
All’interno della stanza ci sono ta e ua corrispondenti ad un certo titolo di vapore xa.
In termini di massa si ha, oltre alla massa di aria secca, anche massa di vapore entrante/uscente dalla
stanza:
Mvi=Gixi=massa di vapore entrante
Mvu=Guxu=massa di vapore uscente
Il vapore entra nella stanza non solo attraverso le bocchette ma anche a causa di sorgenti endogene
(persone): definiamo gV la massa di vapore relativa.
Bilancio massa vapore:
Gixi-Guxu+gv=0
tutto quello che entra meno tutto quello che esce è = 0, in quanto ipotizziamo un regime stazionario
(funzionamento stazionario dell’impianto)
Bilancio massa aria secca:
Gi-Gu=0 ovvero Gi=Gu=G
Quindi nel bilancio di massa del vapore avrò:
G(xi-xu)+gv=0
Bilancio energia
Primo principio della termodinamica per sistemi aperti: variazione di entalpia tra ingresso e uscita (inizio e
fine trasformazione) = Q + L (=lavoro scambiato=0)
G(hi-hu)-Q=0
L’entalpia h dell’aria è formata da 2 contributi: un pezzo di calore sensibile cpt e un pezzo di calore latente
rx. Infatti, portandosi dietro del vapore, oltre alla massa del vapore, l’aria secca si porta dietro anche un
corredino di energia ovvero il calore latente di vaporizzazione, che il vapore potrebbe cedere condensando:
cpti+rxi-(cptu+rxu)
hi
hu
Il calore Q è tutto quello scambiato attraverso le pareti, quello dovuto ai carichi interni (qv) e quello dovuto
alle sorgenti endogene (rgv).
Le due equazioni di bilancio ci aiutano in quanto una è in termini di entalpia, l’altra in termini di titolo che
sono rispettivamente ordinata e ascissa del diagramma psicrometrico.
G(xi-xu)= -gv
G(hi-hu)= Q
Nel diagramma l’asse delle ordinate vero, delle entalpie, è inclinato a circa 40°; l’asse verticale è quello su
cu si va a leggere il valore delle isoterme corrispondenti alle isoentalpiche, che sono ortogonali all’asse delle
ordinate.
Se faccio il rapporto delle due equazioni, ho un Δ h/ Δ x = termine noto
Q è noto dal calcolo dei carichi; gv è noto dal calcolo del calore emesso dalle persone presenti nella stanza.
Sul diagramma psicrometrico Δ h/ Δ x = costante, è una retta. Quindi, note ad esempio le condizioni di
uscita, ho la retta di immissione, cioè la retta passante per u(xu;hu) e con coefficiente angolare gv/Q: tale
retta passa per tutti quei punti che mi danno condizioni buone di immissione.
Se consideriamo la bocchetta di espulsione nei pressi della zona abitata della stanza, possiamo assumere
come condizioni di uscita quelle dell’aria ambiente, che conosciamo:
xu=xa
hu=ha
per ricavare le condizioni di ingresso, non possiamo prendere però qualsiasi punto sulla retta: ho un Δ t
massimo che devo rispettare, ti-ta= 8°C (per l’estate, 15°C per l’inverno).
Se per determinare il punto di immissione si utilizza questo metodo, nel Q vanno conteggiati sia i calori
sensibili che i calori latenti delle persone.
In alternativa, possiamo svincolarci dal soddisfare i requisiti sulla umidità relativa: in tal caso, per il calcolo
delle portate la formula da utilizzare è
Q/(Cp× Δ t) = G (*)
il calore Q considerato è solo quello sensibile, in quanto trascuriamo il titolo del vapore, x.
Se calcoliamo G come Q/Δ h (bilancio energia) allora Q è sia sensibile che latente; se invece usiamo la (*),
sul diagramma psicometrico si va a prendere la curva alla ta desiderata, ci si sposta sulla retta a 45° e si
scende sull’asse delle ascisse determinando xi: abbiamo trovato una verticale di immissione, quindi
possiamo scegliere una ti di immissione e calcolare la G. Stiamo usando solo il pezzo sensibile dell’entalpia
cioè ti -ta e trascurando il pezzo latente, e possiamo farlo perché il suo effetto non è esorbitante.
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