ES2275425B2 - Dispositivo neumatico para la produccion de un aerosol esterilizado mediante vaporizacion parcial. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo neumático para la producción de un aerosol esterilizado mediante vaporización parcial. El objeto de la presente invención es un dispositivo de producción de aerosol esterilizado o limitado en su potencial actividad microbiana patógena a partir de un líquido mediante el uso de un vapor de impulsión que es obtenido por vaporización de una parte de la propia corriente líquida destinada a ser atomizada. El dispositivo consta de un depósito de líquido, abierto o no a la atmósfera; un conducto de alimentación, que tiene su origen en el citado depósito; y una bomba de impulsión situada en dicho conducto que facilita la extracción de líquido.
Description
Dispositivo neumático para la producción de un
aerosol esterilizado mediante vaporización parcial.
El objeto de la presente invención es un
dispositivo de producción de aerosol esterilizado o limitado en su
potencial actividad microbiana patógena a partir de un líquido
mediante el uso de un vapor de impulsión que es obtenido por
vaporización de una parte de la propia corriente liquida destinada
a ser atomizada. El dispositivo consta de un depósito de líquido,
abierto o no a la atmósfera; un conducto de alimentación, que tiene
su origen en el citado depósito; y una bomba de impulsión situada en
dicho conducto que facilita la extracción de líquido. Aguas abajo
de la bomba, el conducto de alimentación se bifurca originando dos
líneas: una línea de producción de vapor y una línea de líquido;
ambas líneas disponen de válvulas para regular el reparto de
caudales; el cambio de fase en la línea de producción de vapor
tiene lugar en una cámara de vaporización, donde se dispone de
algún medio de adición de calor (por ejemplo, una resistencia
eléctrica). La línea de líquido puede opcionalmente contar con un
intercambiador de calor que eleve la temperatura del líquido sin
llegar a evaporarlo. Los dos extremos de la línea de vapor y línea
de líquido alimentan un cabezal de mezclado y atomización basado en
la producción de una entrefase libre e inestable entre dos
corrientes fluidas. El aerosol que se obtiene en el cabezal sale a
la atmósfera exterior para su uso. La incorporación de energía
térmica en, al menos, la producción de la fase de vapor, que tiene
un efecto concomitante limitando la presencia de agentes patógenos,
se puede regular para asegurar la esterilización parcial o completa
del aerosol.
La generación de aerosoles a partir de un
líquido está presente en infinidad de aplicaciones en todos los
sectores de actividad. En particular, en muchos de ellos se parte
de líquidos en los que existe la posibilidad de que haya presencia
de agentes patógenos, como por ejemplo agua o disoluciones de base
acuosa.
Por ejemplo, los aparatos humidificadores
aportan vapor de agua a recintos secos con objeto de aumentar su
humedad relativa y garantizar el confort de las personas. También
son empleados en procesos industriales en donde se requiere una
humedad en el ambiente determinada incluso saturándolo, como podría
ser el caso de un invernadero. Por otro lado, también hay unos
dispositivos usados para enfriar/acondicionar un recinto a través
del enfriamiento evaporativo, es decir, se extrae calor del ambiente
a través de la evaporación de un líquido, generalmente agua, que se
encuentra en contacto con el ambiente a acondicionar.
Para ambos dispositivos existen diversas
técnicas de ejecución entre las que se encuentra la generación de
un aerosol que se pone en contacto con el ambiente de modo que las
gotas generadas se evaporen. En el caso de que dicho líquido se
trate de agua, el efecto conseguido es aumentar la humedad relativa
del recinto (humidificadores) y enfriar la estancia (enfriadores
evaporativos). Este último sistema es cada vez más empleado por la
eficiencia energética del proceso en comparación con un equipo
convencional de aire acondicionado que use gas refrigerante y
compresor.
En un proceso de humidificación a partir de la
evaporación de las gotas de un aerosol, es importante que el tamaño
de las gotas sea inferior a un determinado tamaño crítico
(dependiente de las condiciones climáticas pero que suele ser
inferior a unas 50 micras) para que queden en suspensión en el
ambiente y posteriormente se evaporen. De no ser así, las gotas
pueden no completar su evaporación en el tiempo deseado e impactar
contra superficies cercanas generando deposición de agua en las
mismas. Las técnicas de atomización de líquidos se podrían enumerar
en atomización centrífuga, por presión hidrostática o
hidrodinámica, neumática, electrohidrodinámica y ultrasónica. En la
atomización neumática se recurre a un segundo fluido, generalmente
un gas, que interacciona con el líquido atomizado transmitiéndole
parte de su energía que se invierte en generación de superficie, es
decir, en romper el líquido en gotas para formar un aerosol. La
atomización neumática, en general consigue buenos rendimientos con
una presión moderada.
Otras técnicas para humidificar ambientes se
basan en la evaporación directa de agua y la introducción de este
vapor generado en el ambiente. También se recurre a un sistema que
consiste en pasar una corriente de aire por una cortina de agua con
la consecuente transferencia de humedad a esta corriente de
aire.
En todos estos procesos de humidificación se
necesita un reservorio de agua liquida que nutrirá a los sistemas
generadores de humedad. Las condiciones para que surjan colonias de
bacterias patógenas, como el caso de Legionella pneumophila,
son muy favorables en estos sistemas de almacenamiento de agua
destinada a la humidificación y otros usos, por lo que los
humidificadores ambientales han sido asociados a amplios brotes de
legionelosis comunitaria.
Existen métodos para descontaminar estos
depósitos de Legionella, principalmente mediante la
hipercloración del agua, aunque también puede usarse como
alternativa el precalentamiento a 71-77ºC. También
se encuentran otras patentes como la
WO2005092473-A1 en la que se describe un filtro
constituido por materiales tratados con agentes con propiedades
antimicrobianas. La patente JP2004209395-A se
refiere a otro método en el cuál se añade al agua distintos
compuestos que eliminan microbios como la Legionella.
Definitivamente en la patente US2003089651-A1 se
recoge un sistema en el que se trata una corriente de agua mediante
una unidad de rayos ultravioleta esterilizadora, un dispositivo en
el cuál el agua es químicamente alterada y un mecanismo que mezcla
el agua con vapor, todo con el fin de esterilizar completamente la
corriente de agua.
Constituye el objeto de la presente invención un
dispositivo de atomización neumática de un líquido mediante el uso
de vapor de impulsión, de manera que ambos fluidos son expulsados
al exterior tras su mezcla, produciéndose la salida del líquido en
forma de aerosol o suspensión de gotas arrastrada por la corriente
de gas. El dispositivo (ver figura 1) consta de un depósito de
líquido (1), abierto o no a la atmósfera; un conducto de
alimentación (2), que tiene su origen en el citado depósito; una
bomba de impulsión (3) situada en dicho conducto que provee la
extracción de líquido; aguas abajo de la bomba, el conducto de
alimentación se bifurca en un conector (4) originando dos líneas:
una línea de producción de vapor (6) y una línea de líquido (5);
ambas líneas disponen de válvulas o elementos pasivos de regulación
(7) para asegurar un reparto de caudales tal que el caudal másico
de líquido a vaporizar está entre 0.01 y 0.99 veces el caudal
másico total del líquido; el cambio de fase en la línea de
producción de vapor tiene lugar en una cámara de vaporización (8),
donde se dispone de algún medio de adición o recepción de calor (por
ejemplo, una resistencia eléctrica, o una zona donde inciden los
rayos de un colector solar); los dos extremos de dichas línea de
vapor y línea de líquido alimentan un cabezal de mezclado y
atomización (10) basado en la producción de una entrefase libre e
inestable entre dos corrientes fluidas; el aerosol que se obtiene en
dicho cabezal sale a la atmósfera exterior para su uso; la
aportación térmica en dicha cámara de vaporización (8) y el caudal
de ambas fases se puede ajustar para satisfacer el objetivo de
esterilizar total o parcialmente el aerosol generado.
Opcionalmente, el dispositivo incluye en la
línea de líquido un intercambiador de calor (9) que eleva la
temperatura del líquido sin producir su evaporación.
Figura 1: esquema del dispositivo de
atomización
Figura 2: esquema del dispositivo de atomización
incluyendo un intercambiador de calor en la línea de líquido.
- 1.
- depósito de líquido destinado a ser atomizado
- 2.
- conducto de alimentación
- 3.
- bomba de impulsión
- 4.
- bifurcación en T
- 5.
- línea de líquido
- 6.
- línea de producción de vapor
- 7.
- válvulas de regulación de caudal
- 8.
- cámara de vaporización
- 9.
- intercambiador de calor (opcional)
- 10.
- cabezal de mezclado y atomización
- 11.
- conducto extracción de líquido
El dispositivo objeto de la presente invención
consta de un cabezal atomizador neumático (10) donde convergen dos
corrientes, la del líquido a ser atomizado (5) y la del gas (6), que
será vapor proveniente de un líquido vaporizable. Para conseguir la
impulsión de ambas corrientes al cabezal se emplea una bomba (3). El
caudal que impulsa esta bomba se divide en dos mediante una
bifurcación (4). Una parte será vaporizada y la otra atomizada. El
reparto de caudales se controla con elementos pasivos de regulación
(7). El caudal destinado a ser atomizado se conduce al cabezal
atomizador, mientras el otro atraviesa un sistema vaporizador (8)
para después dirigirse al cabezal atomizador. Al entrar en contacto
el vapor y el líquido en el proceso de atomización, la corriente de
líquido eleva su temperatura, ocasionándose una esterilización
parcial o total del mismo. Por lo tanto con este sistema que se
basa en asegurar el contacto íntimo entre la corriente de líquido y
el vapor, al menos en el instante de ser atomizado el líquido, se
realiza la tarea doble de atomización y esterilización del
líquido.
El sistema de vaporización se realiza al paso
del agua por éste, por lo que permite al sistema trabajar en
régimen continuo, debiéndose ceder la potencia térmica justa para
vaporizar a este caudal.
Una de las ventajas de este sistema de
atomización en su función humidificadora es el menor consumo de
potencia, sobre todo en los arranques del dispositivo, frente a
otros sistemas de vaporización en los cuales se suministra la
potencia térmica a todo un volumen de agua para producir la
completa evaporación del agua aportada al ambiente. Por contra, el
sistema que se presenta en esta invención sólo invierte energía en
vaporizar una parte del agua aportada utilizando además la presión
de vapor del vapor generado para romper la corriente de líquido en
gotas. El resto del líquido sale al exterior y completa su
evaporación mediante la absorción de la energía necesaria del
entorno (al cual enfría por tanto). De este modo, la energía que se
precisa aportar en el dispositivo es mucho menor que la de otros
sistemas humidificadores que producen la evaporación total del
agua.
Las ventajas en cuanto al potencial
esterilizador del dispositivo son intrínsecas al propio sistema, ya
que el empleo de vapor como gas de alimentación para un atomizador
neumático, asegura que en el proceso de formación de gotas existirá
un mezclado íntimo entre líquido y vapor, con la consiguiente
esterilización del líquido.
En el caso de que fuese no suficiente el
contacto entre el líquido y el vapor en el proceso de atomización
para la esterilización se podría modificar el sistema, incluyendo
algún elemento intercambiador de modo que se le ceda calor al
conducto del líquido aumentando su temperatura consiguiendo
disminuir la actividad microbiana. Como última opción, se podría
inyectar todo el caudal de agua en el vaporizador y hacer una
extracción del fondo del depósito de la cámara de vaporización del
líquido a atomizar y una extracción de la parte superior del vapor
que servirá de gas para llevar a cabo la atomización neumática, de
modo que el líquido que se atomiza, alcanza la temperatura de
vaporización en equilibrio con su vapor dentro de la cámara de
vaporización, por lo que se maximiza la esterilización del
líquido.
Se puede realizar un ejemplo de esta invención
usando como líquido agua. Para llevar a cabo el montaje del
dispositivo se construye un sistema a escala reducida. Para ello se
usa un depósito de almacenamiento de agua (1). La impulsión del agua
desde el depósito al circuito se consigue con microbombas
volumétricas (3) basadas en un diodo que controla un pequeño pistón
que son capaces de suministrar caudales del orden de los 0 a 20
ml/min a presiones de 0 a 4 bares. El consumo eléctrico de dicha
bomba es de unos 20 W. El circuito hidráulico del sistema se puede
materializar con conducciones metálicas, de plástico de alta
temperatura o una combinación de ambas, con diámetros internos de
la sección de paso menores a 1 mm. El circuito hidráulico se compone
de un conducto principal (2) que se divide en una bifurcación (4).
Los dos conductos que surgen tras la bifurcación contienen los
caudales destinados a atomizar (5) y a vaporizar (6). La regulación
de caudales se lleva a cabo con válvulas de aguja (7). Se inyecta
continuadamente un porcentaje del caudal total de agua a un sistema
de vaporización (8) cuya presión de vapor generado sea menor a 4
bares, manteniendo una vaporización continua. El vaporizador (8)
consta de un recipiente en cuyo interior existe una resistencia
eléctrica que cede potencia térmica al agua que se vaporiza en su
interior. El volumen de dicha cámara de vaporización es de 8
cm^{3}. La entrada de agua al vaporizador se sitúa en el fondo
del recipiente y la salida del vapor en la parte superior. La
potencia térmica suministrada por el vaporizador debe ser ajustada
al caudal que se pretenda vaporizar. El caudal de líquido restante
es enviado al cabezal atomizador para ser atomizado. Se emplea un
cabezal atomizador neumático (10) de alta eficiencia para la
generación del aerosol.
El sistema descrito ha sido probado con un
caudal total de 10 ml/min, del cual 3 ml/min son evaporados y el
resto (7 mL/min) se destina a ser atomizado (6). La potencia térmica
consumida es de unos 100 W, provenientes de una resistencia
eléctrica. En estas condiciones se consigue un aerosol con un
tamaño medio de gota inferior a 25 micras.
Para estudiar el efecto esterilizador que se
consigue mediante el dispositivo de la invención se ha llevado a
cabo una experiencia con Legionella pneumophila serogrupo 1
que comprendía los siguientes pasos:
a) Preparación del inóculo inicial
- Inocular 250 ml de agua destilada estéril con un cultivo de 48-72 horas de L. pneumophila serogrupo 1 ATCC hasta alcanzar una turbidez equivalente al 0,5 de McFarland (Abs 0.08-0.10 a 620 nm).
b) Siembra del total del volumen recuperado con
un separador de vapor.
- a.
- Se recoge en un recipiente estéril el total del volumen líquido de salida (aproximadamente el 70% del tanque inicial) con un dispositivo de recogida del vapor de agua. Dicho dispositivo fue diseñado y fabricado para recoger todo el líquido atomizado que sale del nebulizador mediante una superficie de impacto en la que las gotas se depositaban para posteriormente caer por gravedad en un colector inferior.
- b.
- Se filtran con un filtro de nitrocelulosa estéril de 0,2 \mum con bomba de presión.
- c.
- Se toman el filtro con pinzas estériles y se introducen en contenedores con 10 ml de agua estéril. Se agitan en vortex durante 5 minutos.
- d.
- Se mezcla, agitando en un vortex, 10 ml de muestra con 10 ml de solución ácida 0.2 M HCl/KCl pH 2.2 durante 4 minutos.
- e.
- Se diluyen las muestras tratadas con agua destilada estéril 1/10, 1/100, 1/1000, 1/10000.
- f.
- Se siembran 100 \mul de las muestras tratadas directamente y 100 \mul de las correspondientes diluciones en 2 placas de medio BCYE y 2 placas de medio GVPC.
c) Incubación y recuento de colonias
- a.
- Se incuban todas las placas inoculadas a 36º \pm 1ºC durante 10 días
- b.
- Se efectúan recuentos a los 5 y 7 días, realizando una identificación preliminar mediante pase a Agar sangre y BCYE.
d) Comparación entre el tanque (control) y la
salida del atomizador (prueba)
- Se compara la disminución del log10 de colonias viables de Legionella a la salida del atomizador respecto al recuento obtenido del tanque con los diferentes procedimientos de siembra. Los resultados se resumen en la tabla
Recuento (ufc/ml) | |||||
5 días | 7 días | ||||
Dilución | GVPC | BCYE | GVPC | BCYE | |
Control | 10^{-3} | 3 x 10^{4} | 1 x 10^{4} | 3 x 10^{4} | 1 x 10^{4} |
Prueba | Sin diluir | 0 | 0 | 0 | 0 |
10^{-1} | 0 | 0 | 0 | 0 | |
10^{-2} | 0 | 0 | 0 | 0 | |
10^{-3} | 0 | 0 | 0 | 0 |
Tras 7 días no se recupera Legionella
tras la salida del nebulizador en las condiciones del
experimento.
La presente invención tiene aplicación en todas
aquellas actividades en las que se necesite la generación de un
aerosol a partir de un líquido en el que pueda haber presencia de
agentes patógenos, microorganismos, etc.
Las aplicaciones en el sector industrial
recorten todos aquellos procesos en los que se vea involucrada la
necesidad de generación de spray a partir de un líquido y se
disponga de una corriente de vapor. En procesos de humidificación
es realmente ventajoso por su eficiencia energética y por su
carácter esterilizador. En depuración de aguas se puede aplicar en
algún tratamiento intermedio o final para garantizar la
esterilización del agua.
En las aplicaciones de pinturas se puede usar
debido a la ventaja de obtenerse una atomización más fina de la
pintura por verse alterada su viscosidad por el efecto de la
temperatura del vapor sobre la pintura. En el campo de inyección de
combustibles, por ejemplo en calderas de gas, al introducir vapor
en la cámara de combustión, las temperaturas dentro de ésta serán
menores, lo que conlleva una disminución de formación del
contaminante NOx, cuyas reacciones de formación están gobernadas por
la temperatura dentro de la cámara de combustión. Especialmente
interesante en turbinas de vapor o ciclos combinados, donde el
vapor necesario para la atomización se podría obtener de
extracciones de los últimos escalonamientos de la turbina de
vapor.
Dentro del lavado de gases en centrales
térmicas, para reducir el contaminante NOx, se emplean equipos
donde se pulveriza urea o agua con el fin de combinarse con este
contaminante y reducir su concentración en el gas y pasar al fango.
De nuevo se podría obtener el vapor necesario de extracciones de
los escalonamientos finales de la turbina a presiones bajas, tal
que la contribución a aportar potencia de este vapor sea
despreciable y su uso para descontaminar los gases de combustión
sea más apropiado. Además, haciendo uso de atomizadores neumáticos,
en vez de las duchas convencionales, los tamaños de las gotas son
menores. Así se obtiene mayor superficie de transferencia y por
tanto los tamaños de los equipos de lavado de gases se ven reducidos
en igual proporción que aumentamos la superficie de transferencia.
Si se emplea vapor en vez de aire para asistir los atomizadores
neumáticos dentro de este interés de purificación de gases
contaminados, ya se estaría introduciendo agua como agente para
reducir el NOx.
Claims (2)
1. Dispositivo de atomización neumática de un
líquido mediante el uso de vapor de impulsión, siendo ambos fluidos
expulsados al exterior tras su mezcla, produciéndose la salida del
líquido en forma de aerosol o suspensión de gotas arrastrada por la
corriente de gas; el dispositivo consta de un depósito de líquido
(1), abierto o no a la atmósfera; un conducto de alimentación (2),
que tiene su origen en el citado depósito; una bomba de impulsión
(3) situada en dicho conducto que provee la extracción de líquido;
aguas abajo de la bomba, el conducto de alimentación se bifurca en
un conector (4) originando dos líneas: una línea de producción de
vapor (6) y una línea de líquido (5); ambas líneas disponen de
válvulas o elementos pasivos de regulación (7) para asegurar un
reparto de caudales tal que el caudal másico de líquido a vaporizar
está entre 0.01 y 0.99 veces el caudal másico total del líquido; el
cambio de fase en la línea de producción de vapor tiene lugar en
una cámara de vaporización (8), donde se dispone de algún medio de
adición o recepción de calor (por ejemplo, una resistencia
eléctrica, o una zona donde inciden los rayos de un colector
solar); los dos extremos de dichas línea de vapor y línea de
líquido alimentan un cabezal de mezclado y atomización (10) basado
en la producción de una entrefase libre e inestable entre dos
corrientes fluidas; el aerosol que se obtiene en dicho cabezal sale
a la atmósfera exterior para su uso; la aportación térmica en dicha
cámara de vaporización (8) y el caudal de ambas fases se puede
ajustar para satisfacer el objetivo de esterilizar total o
parcialmente el aerosol generado.
2. Dispositivo para la atomización neumática de
un líquido según la reivindicación primera, caracterizado
porque dicha línea de líquido dispone de un intercambiador de calor
(9) que eleva la temperatura del líquido sin producir su
evaporación.
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