BR102021006262A2 - Unidade de tratamento térmico a micro-ondas para inativação microbiológica de resíduos biologicamente inseguros - Google Patents

Abstract

A invenção tratada no presente pedido de patente refere-se a um equipamento automático e seus periféricos, denominado por Unidade de Tratamento Térmico (UTT) por Micro-ondas, para um forno horizontal a micro-ondas, contínuo para desinfecção, esterilização ou inativação microbiológica de materiais ou resíduos contaminados biologicamente por agentes nocivos ou não à saúde humana que é caracterizada pelo fato de usar diversas fontes geradoras de micro-ondas de baixa potência distribuídas ao longo da cavidade de propagação e material disposto em esteira, possuindo um alimentador 7 de materiais com válvulas 15 dosadoras, régua niveladora 16, detector de presença de material, velocidade da esteira e medição de umidade 8, sistema de controle de processo por controlador lógico programável (CLP) e uma câmara de exaustão de vapores d’água.

Description

UNIDADE DE TRATAMENTO TÉRMICO A MICRO-ONDAS PARA INATIVAÇÃO MICROBIOLÓGICA DE RESÍDUOS BIOLOGICAMENTE INSEGUROS

[001] A invenção tratada no presente pedido de Patente refere-se a um equipamento automático e seus periféricos, denominado por Unidade de Tratamento Térmico (UTT), para tratar continuamente resíduos microbiologicamente inseguros ou contaminados por bactérias, vírus e fungos nocivos à saúde humana por meio das ações de ondas eletromagnéticas não ionizantes, micro-ondas.

[002] A destruição dos microrganismos patógenos ocorre por diversos processos químicos ou térmicos. Este pedido de Patente se refere apenas ao tratamento térmico para destruição dos agentes infecciosos e nocivos à saúde humana por meio de micro-ondas.

[003] Entende-se por resíduos contaminados microbiologicamente os resíduos sólidos de serviços de saúde (RSS), resíduos sepulcrais, lodos de estação de tratamento de esgoto (ETE) e quaisquer materiais, inclusive alimentos, onde é necessário reduzir a carga de agentes patogênicos nocivos à saúde humana. Resíduos contaminados são aqueles que envolve grande potencial de riscos ao meio ambiente, entre os quais se destaca a disseminação de doenças infectocontagiosas. Especificamente, resíduos sepulcrais são aqueles produzidos pela rotina do cemitério na reciclagem de covas, restos mortais (ossadas humanas), vestimentas, urnas, materiais decorativos.

[004] Resíduos sólidos de serviços de saúde (RSS) são resíduos gerados por prestadores de assistência médica, odontológica, laboratorial, farmacêutica, instituições de ensino e pesquisa médica relacionados tanto à população humana quanto à veterinária, os quais possuindo potencial de risco, em função da presença de materiais biológicos capazes de causar infecção, efetivamente contaminados e que requerem cuidados específicos de acondicionamento, transporte, armazenamento, coleta, tratamento e disposição final.

[005] Considerando a técnica mais difundida de tratamento térmico, de domínio público e amplamente conhecida, para a desinfecção de resíduos contaminados, por meio do uso de calor úmido em autoclaves, verifica-se que as células vegetativas da maior parte das bactérias não termofílicas, fungos e protozoários morrem quando sujeitas a temperaturas entre 60 e 70°C durante 10 a 30 minutos, dependendo do organismo em causa. Muitos vírus são destruídos por exposição a 60°C durante 30 minutos. No entanto, a destruição de esporos de fungos miceliais só é possível por exposição a temperaturas entre 70 e 80°C, durante, aproximadamente 30 minutos. E endósporos bacterianos produzidos por exemplo por bactérias dos géneros Bacillus e Clostridium, são muito resistentes ao calor. Para os destruir, é necessário sujeitá-los a 121°C durante 1 a 12 minutos, dependendo da espécie. A grande resistência dos endósporos bacterianos à morte térmica, determina as condições de operação dos equipamentos de esterilização com aquecimento indireto ou seja: todo o material deve ser exposto a uma temperatura mínima de 121°C durante, pelo menos, 12 minutos. Quanto maior a temperatura do processo de esterilização, verifica-se um menor o tempo de esterilização ou inativação microbiológica.

[006] Quando se utiliza radiação não-ionizante de micro-ondas, segundo estudos realizados pelo autor no Hospital Universitário da Universidade de Uberaba, onde processou uma centena de amostras de lixo hospitalar infectante (RSS) durante um longo período, há uma redução do tempo de processo e da temperatura máxima capaz de esterilizar diversas cepas de bactérias. Os resultados demonstraram eficiência de 99% com apenas 12 minutos de exposição às micro-ondas e temperatura de processo de 86°C.

[007] Portanto, o processo de esterilização por aquecimento por meio de micro-ondas permite um tratamento em tempo reduzido se comparado aos tempos de autoclavagem, não sendo necessário aguardar o tempo de aquecimento, pressurização, tratamento, despressurização e resfriamento para se ter um ciclo completo. O equipamento objeto desta invenção recebe o material contaminado umedecido e em apenas 6 minutos estará iniciando a inativação microbiológica, operando continuamente enquanto for necessário. Findo o tratamento, ele poderá ser desligado e um procedimento automático de limpeza da parte contaminada é iniciado. Essa parte corresponde à moega de recepção dos resíduos na entrada do equipamento.

[008] O aquecimento de materiais diversos com energia das micro-ondas é de longa data conhecido. Pode-se citar patentes concedidas desde 1947 para essa finalidade, por exemplo: US2495435A/1947 - Method of treating foodstuffs, US3256101A/1963 - Method of microwave heating ou US3809845/1974 - Heating of products in electro-magnetic. Há uma infinidade de patentes relacionadas ao aquecimento de materiais diversos, inclusive aplicada à esterilização ou inativação microbiológica, a exemplo, US3261140A/1963 - Microwave sterilization and vacuumizing of products in flexible packages and apparatus therefor. No Brasil pode-se citar a patente PI0903023-9A2/2010 - Equipamento de esterilização por micro-ondas de substratos e mostos destinados a processos fermentativos, PI 0502010-7 B1/2005 - Equipamento compacto e método de esterilização e inativação microbiana de resíduos sólidos de serviços de saúde, PI 9609045-6 A2/1996 - Vaso pressurizado de microondas e método de esterilização para objetos e líquidos sob pressão, A PI 0800182-0 A2/2008 - Processo contínuo para condicionamento por secagem com micro-ondas de resíduos pastosos ou lamas para descarte e diversos outras.

[009] De modo geral, pode-se verificar algumas características comuns nas patentes que é o uso de recipientes, pressurizados ou não, com a finalidade de aquecimento e/ou esterilização de materiais. Os materiais são colocados dentro dos recipientes e recebem energia de micro-ondas. Normalmente estes recipientes possuem formas cilíndricas para facilitar a operação de carga e descarga, bem como a limpeza. Entretanto, essa geometria cilíndrica apresenta sérias dificuldades na propagação das micro-ondas, levando o equipamento a baixa eficiência energética. Em todos os pedidos não há alguma evidência de estudo de propagação de micro-ondas dentro dos recipientes para garantir que todo o material receba a mesma quantidade de energia e garanta a uniformidade nos resultados.

[010] O uso de esteira para equipamentos a micro-ondas é antigo e é possível observar seu uso em registro feito em 1957 na patente de número 2.887.584, número de série 687.632 nos EUA intitulada por ‘ELECTRON IRRADIATION APPARATUS” e na Grã-Bretanha em 1959 como o GB823545 - NEW PROCESS FOR EXTRACTING OIL FROM CASHEW-NUTS AND APPARATUS FOR CARRYING THIS OUT, um processo contínuo de extração de óleo de castanha de caju. Substitui-se o recipiente por um túnel ou cavidade com geometria adequada ao processo, mas sempre com esteira transparente a micro-ondas.

[011] O uso de uma esteira transportadora de materiais para esterilização aparece mais recentemente no Brasil no pedido de número PI 0104918-6 B1/2001 - Processo para esterilização de produtos de madeira ou bambu que utiliza esteira transparente a micro-ondas, no caso, fibra de vidro ou fibra de vidro com teflon.

[012] Em todas as patentes publicadas não há alguma referência em relação a eficiência dos métodos e equipamentos, consumo de energia em função da massa de material a ser esterilizado. Usam fontes geradoras de micro-ondas com aplicação da energia em pontos focais sem uma demonstração de estudo da propagação das ondas eletromagnéticas. Também não permitem um controle refinado de potência e não descrevem detalhadamente os sistemas de controle da operação de forma a garantir o sucesso do tratamento.

[013] O presente Pedido, além de não apresentar os inconvenientes descritos anteriormente, foi concebido para trabalhar com diversas fontes geradoras de micro-ondas dispostas ao longo de uma cavidade, mediante a um estudo detalhado de propagação de ondas, controladas por um sistema de controle de temperatura e movimentação da esteira em malha fechada para garantir que o aquecimento em cada ponto da esteira esteja acima da temperatura mínima de eficácia do tratamento, no caso temperatura maior que 86°C.

[014] O equipamento Unidade de Tratamento Térmico (UTT) inova nos seguintes aspectos: utiliza esteira metálica em aço inoxidável não transparente a micro-ondas, cavidade em aço inox de dimensões variando de 1,2 m a 2,4 de largura e altura variável em função do tipo de esteira, não se limitando a essas dimensões, isolação térmica ao longo de todo túnel, leito de material a ser tratado com altura de até 120 cm, alimentação contínua, uso de diversas fontes geradoras de micro-ondas instaladas na parte superior do túnel, na frequência de 2,4MHz, de baixa potência distribuídas ao longo da cavidade de forma a manter uma distância de 2 ou 3 comprimentos de onda entre as fontes e o leito de material a ser tratado, sistema de controle ajustável automaticamente em função do objetivo final da descontaminação com medição de temperaturas diretamente no material e da velocidade da esteira, permitindo obter a completa inativação microbiológica com segurança e registro da memória de massa do processo para rastreamento futuro.

[015] A eficiência do método de esterilização da UTT a micro-ondas pode ser demonstrada nos testes realizados em campo. O equipamento foi alimentado com resíduos infectantes e colhidas três amostras em três pontos distintos, denominadas por testemunhas, antes de energizar as válvulas emissoras de micro-ondas e depois de transcorrido 12 minutos de funcionamento, o equipamento foi desligado e colhidas amostras nos mesmos locais das amostras testemunhas para avaliar a eficiência do processo. Todas as amostras foram submetidas a um meio de cultura para que as UFC pudessem se desenvolver. E pode-se notar que o número de Unidades Formadoras de Colônias de Bactérias (UFC) foi reduzido a zero, permitindo a completa inativação microbiológica do resíduo infectante tratado, atestando a eficiência do método de esterilização a micro-ondas.

[016] Em mais de cinquenta amostras de material colhidas na entrada do equipamento UTT e na saída depois de processado com aplicação das micro-ondas, pode-se notar o elevado índice de contaminação inicial dos resíduos de saúde colhidos em Hospital, mostrando picos de mais de 9 milhões de UFC de bactérias e depois de processados na UTT, mostraram a maioria das amostras com valores zerados ou muito próximas a zero.

[017] Para o desenvolvimento e projeto da Unidade de Tratamento Térmico foi necessário extenso estudo para determinar a melhor geometria da cavidade ou túnel de forma a permitir que a emissão de micro-ondas atinja uniformemente o material. Na figura 1, embora sem dimensões, mostra o corte transversal da cavidade 1, o local de instalação das fontes geradoras de micro-ondas 2 e a camada de material ou resíduo contaminado 3 sobre a esteira metálica. A imagem 4 ilustra o resultado final da modelagem matemática para se obter maior eficiência energética na aplicação da energia. Verifica-se que não há reflexão de ondas e que elas são absorvidas pelo material.

[018] Para se chegar a esse resultado foi necessário conciliar uma série de dados elétricos, dimensões, custos e vantagens construtivas. Nota-se que as cores vermelha e azul mostram os ciclos positivo e negativo da onda eletromagnética senoidal que representa a propagação das micro-ondas. Quanto maior a intensidade da cor maior a quantidade de energia e as cores claras representam a passagem da onda pelo valor zero. Um ciclo completo é representado pela cor azul e vermelha, podendo notar a presenta de 3 ciclos da emissão da onda até à esteira, representada na base da imagem hachurada.

[019] O estudo de propagação define as dimensões da cavidade para otimizar o consumo de energia elétrica. Com este estudo a eficiência energética do equipamento subiu de 55% para 73%, permitindo obter um consumo otimizado de energia elétrica na esterilização.

[020] A Figura 2 apresenta uma visão panorâmica de Unidade de Tratamento Térmico por Micro-ondas, é basicamente composta por uma cavidade de propagação de micro-ondas 5 onde são instalados os geradores de micro-ondas 6, com isolação térmica 5, contendo algum equipamento para alimentação de material a ser descontaminado, podendo ser alimentado por pá carregadeira em moega de alimentação 7, sendo disposto em silo ao final do processo. Há um sistema de controle de processo que permite a operação em automático do equipamento, garantindo a eficácia e eficiência do processo.

[021] Em 7 mostra-se uma moega de alimentação, por onde o resíduo contaminado é alimentado. Há ali, na base da moega, duas válvulas 15 que se abrem e fecham alternadamente para permitir a alimentação do material sobre a esteira metálica e proteger o ambiente contra vazamentos de micro-ondas e saída de vapores frios contaminados. Ou seja, o ambiente interno do forno nunca estará em contato direto com o externo, embora o equipamento não trabalhe pressurizado, pois há na saída da esteira um bloqueador de micro-ondas 17 que impede o vazamento pela saída. Isso é importante para oferecer segurança às pessoas próximas do equipamento.

[022] Após à utilização da UTT, o sistema de controle promove a lavagem da moega de alimentação com produtos antibactericidas de forma a garantir que o equipamento não contribua para a contaminação de operadores ou técnicos de manutenção em caso de alguma intervenção. Os líquidos biologicamente inertes são coletados e guiados ao esgoto se não houver nenhum impacto ambiental. Caso contrário deverão receber a correta destinação.

[023] O material a ser alimentado deve apresentar uma umidade mínima de 10% em massa. Há um sistema de controle de umidade 8 que fará aspersão de água sobre o material caso apresente umidade inferior a 10%. Isso visa garantir a perfeita homogeneização e esterilização.

[024] Em 5, apresenta-se a cavidade ou túnel com os geradores de micro-ondas 6 e sensores de temperatura 9 necessários para o funcionamento seguro da Unidade de Tratamento Térmico de forma a garantir os objetivos da descontaminação. O número de geradores de micro-ondas 6 e potência é calculado em função da vazão mássica de material a ser processado, pela umidade média e pelo tempo desejado para realização do trabalho. Em 5 mostra que os geradores de micro-ondas 6 estão distribuídos ao longo de toda a cavidade para garantir melhor uniformidade na distribuição de energia e na propagação das ondas eletromagnéticas.

[025] Em 10 apresenta-se a câmara de exaustão de vapores d’água produzidos internamente pelo aquecimento do material, onde os vapores esterilizados e inertes são direcionados para a atmosfera através de chaminés instalada em 11. Em 12 apresentam-se os ventiladores do sistema de exaustão que contribui para o direcionamento dos vapores d’água para a chaminé em 11. Em 5 mostra o túnel com isolação térmica para reduzir o consumo de energia elétrica e a condensação de água nas paredes do forno.

[026] Na esteira, dentro da cavidade 5, há uma régua niveladora 16 logo após a moega 7 que permite ajustar a altura do material a ser tratado e um dispositivo de detecção de presença de material para que os geradores de ondas só sejam energizados na presença de material. Isso garante que as válvulas de magnetrons, que geram as micro-ondas, não funcionarão a vazio, o que poderia levar a danos elétricos.

[027] A esteira 13 é de material metálico para aumentar a resistência mecânica a tração, mas poderia ser em fibra de vidro com teflon. Preferencialmente ela deve ser construída em aço inoxidável para evitar corrosões, incrustações e facilitar a higienização. E também evitar crescimento de bactérias, não poderá apresentar quinas vivas e nem reentrâncias. E as correntes de tração não podem permitir acúmulo de resíduos.

[028] A esteira 13 é tracionada por um moto-redutor 14 acionado por um inversor de frequência que recebe o comando do controlador lógico programável (CLP), mostrado no diagrama da figura 3. O sensor de velocidade de deslocamento da esteira 16 estalado logo na entrada da UTT para permitir que o controlador lógico programável receba essa informação e atue, conforme lógica do programa, sobre a frequência do inversor para ajustar a velocidade de rotação do moto-redutor 14.

[029] A figura 3 mostra o diagrama do sistema de controle utilizado para a automação do processo. O coração do sistema é o controlador lógico que carrega a inteligência do controle. Ele recebe os valores das temperaturas dos sensores 9 instalados nas diversas zonas de medição ao longo da cavidade. E para controlar as temperaturas utiliza-se do acionamento elétrico das válvulas emissoras de micro-ondas e da variação da velocidade da esteira através de 14. Cada sensor de temperatura 9 envia a informação de temperatura ao controlador lógico programável que compara com a referência (Set Point) de temperatura em cada zona e, se houver erro, gerará uma ação de controle proporcional, integral e derivativa (PID) para acionar as válvulas geradoras de micro-ondas, ligando-as e desligando-as por um determinado tempo e simultaneamente manipulará a velocidade da esteira, de forma a garantir que a temperatura medida esteja sempre próxima do valor desejado.

Claims (5)

1. UNIDADE DE TRATAMENTO TÉRMICO A MICRO-ONDAS PARA INATIVAÇÃO MICROBIOLÓGICA DE RESÍDUOS BIOLOGICAMENTE INSEGUROS ou contaminados por bactérias, vírus e fungos nocivos à saúde humana, tais como: restos sepulcrais, resíduos sólidos de saúde, lodos de estação de tratamento de esgoto e alimentos contaminados, por meio das ações de ondas eletromagnéticas não ionizantes, micro-ondas, em esteira metálica, CARACTERIZADA por: túnel ou cavidade 1 com geometria adequada para otimizar a distribuição de energia eletromagnética para garantir a inativação ou esterilização microbiológica de agentes infectantes com menor consumo de energia elétrica e maior rendimento; esteira com régua controladora da espessura de material a ser tratado, com sensor de presença 16 e sensor de umidade acoplado a um controlador de umidade 8 que calcula o volume de água a ser atomizada sobre o material para sua hidratação dentro dos padrões estabelecidos para otimizar os resultados da inativação microbiológica; sistema de alimentação com válvulas duplas de gavetas 15, instaladas abaixo da moega 7, para controlar a alimentação e evitar vazamentos de microondas. Sistema de controle de velocidade através de moto-redutor 14 acionado por inversor de frequência e controlador lógico programável; por uso de bloqueador 17 contra vazamento de micro-ondas permitindo o equipamento operar com a saída aberta para a atmosfera; uso de sistema de exaustão de vapores d’água 10,11 e 12.
2. Unidade de Tratamento Térmico (UTT) a micro-ondas para inativação microbiológica de resíduos biologicamente inseguros contendo um túnel ou cavidade de propagação de micro-ondas 5, esteira de metal ou em fibra de vidro com teflon 13, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA por ser construída em diversos comprimentos e materiais de forma a permitir a inativar ou esterilizar materiais contaminados microbiologicamente e nocivos o não à saúde humana, podendo ser utilizado para esterilizar alimentos e aumentar a vida de prateleiras de produtos alimentícios.
3. Unidade de Tratamento Térmico (UTT) por Micro-ondas possui um sistema de alimentação, de acordo com a reivindicação 1, 2, CARACTERIZADA por moega de recepção de material a ser tratado com válvula dupla de gavetas 15 para dosar a quantidade de resíduo a ser alimentado evitando a entrada de ar.
4. Unidade de Tratamento Térmico (UTT) por Micro-ondas possui um sistema de alimentação, de acordo com a reivindicação 1, 2 e 3 CARACTERIZADA por sistema de controle de velocidade da esteira por meio de controlador lógico programável (CLP), sensor de velocidade de esteira 16, inversor de frequência e moto-redutor 14, visando conferir a velocidade correta de deslocamento segundo um programa de controle do processo instalado no CLP.
5. Unidade de Tratamento Térmico (UTT) por Micro-ondas possui sensores de temperatura para medir a temperatura interna do forno, de acordo com a reivindicação 1, 2, 3 e 4, CARACTERIZADA por estarem instalados ao longo do túnel numa distância média de 1 metro entre sensores.

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