PL248841B1 - Sposób dezynfekcji powietrza - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób dezynfekcji powietrza w obecności ludzi, ukierunkowanej zwłaszcza na inaktywację wirusów, w tym wirionów SARS-CoV-2, obecnych na stałych cząstkach tzw. jąder kropelkowych, stanowiących pozostałość po odparowaniu kropel bioaerozoli wydzielanych z dróg oddechowych nosicieli. Sposób postępowania zgodnie z wynalazkiem polega na wprowadzaniu do przestrzeni pomieszczenia strumienia aerozolu roztworu ditlenku chloru, w ilościach pozwalających na  uzyskanie stężenia ditlenku chloru w powietrzu nie przekraczającego 0,3 ppmv ClO2, skutecznie inaktywujących wiriony SARS-CoV-2, gdzie do kubatury pomieszczenia wprowadza się ClO2 formie roztworu wodnego o stężeniu od 50 ppm do 400 ppm oraz roztwór ditlenku chloru wprowadzany jest do powietrza w systemie pracy ciągłej urządzenia zamgławiającego lub w układzie pracy z cyklicznymi przerwami.

Description

Opis wynalazku

Dziedzina techniki

Przedmiotem wynalazku jest sposób dezynfekcji powietrza, ukierunkowany zwłaszcza na inaktywację wirusa SARS-CoV-2 w powietrzu, poprzez emisję roztworu wodnego ditlenku chloru w postaci aerozolu do powietrza, w zakresie stężeń skutecznych wirusobójczo oraz poniżej najwyższych dopuszczalnych stężeń w środowisku, umożliwiających przebywanie ludzi.

Stan techniki

Pandemia COVID-19 rozpoczęta na przełomie drugiej i trzeciej dekady 21 wieku, powodowana jest zakażeniami koronawirusem otoczkowym SARS-CoV-2. Powszechnie uznanym sposobem przenoszenia zakażeń wśród ludzi jest droga powietrzna. Emitorami wirusa są jego nosiciele podczas kichania, kaszlenia, mówienia i wydychania. Metodologia działań w zakresie profilaktyki zakażeń wirusem SARS-CoV-2, objęta wytycznymi krajowych i międzynarodowych instytucji wykonujących zadania z zakresu zdrowia publicznego i opracowana na podstawie opinii autorytetów naukowych, oparta jest dotychczas na trzech podstawowych filarach: I. zachowanie dystansu społecznego, II. stosowanie masek ochronnych i III. częsta dezynfekcja rąk i powierzchni. Kolejne obszary działań przewidywane do wdrożenia jako filary praktyki profilaktycznej, to budowa uodpornienia organizmu na zakażenia SARS-CoV-2 poprzez szczepionki, a także wprowadzenie leków skutecznych w walce z rozwiniętą chorobą COVID-19. Dwa ostatnie z wymienionych filarów jeszcze nie istnieją, a skuteczność trzech pierwszych, jakkolwiek wydaje się być oczywistą, jest trudna do określenia. Niekontrolowany rozwój nowych ognisk zakażeń wskazuje, że stan obecnej wiedzy i praktyki w walce z SARS-CoV-2 jest niewystarczający. W tym zakresie, szczególne znaczenie posiada uznany fakt przenoszenia zakażeń drogą powietrzną, poprzez unoszone w powietrzu cząsteczki bioaerozoli wydzielin z układu oddechowego (tzw. jądra kropelkowe), generowane przez nosicieli w trakcie odruchów kaszlu, kichania, czy nawet mówienia lub oddychania.

Postulowanym według wynalazku nowym narzędziem walki z zakażeniami COVID-19, jako IV filar ochrony przeciwko zakażeniom wirusem SARS-CoV-2, jest dezynfekcja powietrza. Wobec priorytetowego znaczenia problemu pandemii COVID-19, zagadnienie mechanizmów transmisji wirusa SARS-CoV-2 drogą powietrzną skupia szczególną uwagę międzynarodowych środowisk naukowych, czego efektem jest rosnąca liczba artykułów publikowanych w renomowanych czasopismach specjalistycznych o zasięgu światowym, prezentujących wyniki z prowadzonych prac badawczych i płynące z nich wnioski istotne dla walki z pandemią. Metoda dezynfekcji powietrza według wynalazku polega na zastosowaniu ditlenku chloru (CIO2) jako substancji wirusobójczej, emitowanej poprzez zamgławianie w postaci aerozolu. Dobór środków, narzędzi i metod w tym zakresie może być dostosowany do rodzajów dezynfekowanych obiektów oraz innych uwarunkowań, jak na przykład poziom stanu zagrożenia lub obecność ludzi, kubatura pomieszczenia, naświetlenie promieniowaniem ultrafiloletowym lub wilgotność względna powietrza. Proponowany wynalazek dotyczy dezynfekcji powietrza w obecności ludzi, poprzez zamgławianie aerozolu o niskim stężeniu CIO2 w powietrzu, bezpiecznym dla długotrwałego przebywania ludzi w obiektach medycznych (gabinety lekarskie, szpitale, karetki pogotowia) oraz w obiektach publicznych (szkoły, żłobki, lotniska, dworce, sklepy, hale sportowe, biura). Dotychczasowe wytyczne i rekomendacje oficjalnych instytucji międzynarodowych i krajowych, odpowiedzialnych za sprawowanie kontroli i nadzoru nad sytuacją epidemiologiczną, nie uwzględniają w sposób dostateczny przeciwdziałań przenoszeniu zakażeń COVID-19 drogą powietrzną. Zalecane mycie/dezynfekcja rąk stanowi część czynności prewencyjnych związanych z ograniczeniem mechanicznego przenoszenia zakażeń z powierzchni twardych. Powszechnie rekomendowane i stosowane zalecenia dezynfekcji powierzchni preparatami alkoholowymi, jakkolwiek skuteczne, dotyczą ograniczonych obszarów dotykowych. Otoczenie zewnętrzne dezynfekowane jest najczęściej roztworami chemicznych preparatów, opartych głównie na czwartorzędowych związkach amoniowych, związkach chloru(I), związkach nadtlenowych i aminach. Zastosowanie wymienionych powyżej substancji chemicznych do dezynfekcji powietrza inhalowanego przez ludzi jest wykluczone, ze względu na ich toksyczne działanie na układ oddechowy. W tym celu znane są zastosowania urządzeń filtrujących, lub przepływowe lampy UVC. Proces zakażania SARS-CoV-2 jest jednak szybszy niż oczyszczenie powietrza przez filtry lub pośrednia inaktywacja promieniami UVC, dlatego stosowanie takich urządzeń nie jest w pełni skuteczne, gdyż nie znajdują się one na drodze bezpośredniego narażenia pomiędzy nosicielem a osobami aktualnie przebywającymi w jego otoczeniu. Substancją spełniającą wymagania skuteczności wobec SARS-CoV-2 w stężeniach bezpiecznych dla inhalacji przez ludzi jest ditlenek chloru (CIO2). Transmisja wirusa SARS-CoV-2 drogą powietrzną powodowana jest przez bioaerozole powstałe w wyniku wydalania do

PL 248841 Β1 (2) atmosfery kropel śliny i/lub wydzielin z układu oddechowego nosiciela. W trakcie odruchu kaszlu, wydychany strumień powietrza, o stosunkowo wysokiej energii kinetycznej, wykonuje pracę przeciw siłom kohezji i napięciu powierzchniowemu wydzielin fizjologicznych. Prowadzi to do wytworzenia nowej powierzchni cieczy w postaci mgły, składającej się z kropel o średnicy 5-10 μΠΊ. W 0,1 mL może zatem występować około 200 min kropel. Czas pozostawania utworzonych cząstek bioaerozolu w powietrzu zależy od zjawisk fizycznych zachodzących w otaczającej atmosferze, tj. grawitacyjnej sedymentacji powiązanej z odparowaniem wody z powierzchni kropel. Maksymalna szybkość opadania kropli bioaerozolu, a zarazem jej minimalny czas przebywania w atmosferze, w przestrzeni zawartej pomiędzy punktem wygenerowania a poziomem ziemi (ok. 2 m), stanowi efekt równowagi dynamicznej pomiędzy siłą grawitacji a sumą siły wyporu i sił oporu hydraulicznego, wynikającego z ruchu sferycznej cząstki aerozolu w ośrodku lepkim, jakim jest powietrze. Dla przepływu laminarnego, definiowanego nierównością (1) szybkość graniczną opadania cząsteczki aerozolu opisuje prawo Stokesa (równanie 2):

wdp_n

Re ——— < 0.25

2r²gp_a m ^Wg 9 5 gdzie: Re - liczba Reynoldsa, w- prędkość opadania cząstki aerozolu, m/s, d-średnica cząstki (kropli) aerozolu, p_p - gęstość powietrza, kg/m³, η_ρ - współczynnik lepkości dynamicznej powierza, Pas, w_g prędkość graniczna opadania cząstki bioaerozolu, m/s, r - promień cząstki aerozolu m, g - przyspieszenie ziemskie, 9.81 m/s², pa - gęstość kropli/cząsteczki bioaerozolu, kg/m³.

Przykładowa, obliczona z równania (2), prędkość graniczna opadania cząsteczki/kropli bioaerozolu o średnicy 10 pm wynosi ok. 2 cm/min, co daje minimalny czas sedymentacji kropli ok. 10 min. W przypadku wystąpienia prądów konwekcyjnych, czas ten może być dłuższy. Ograniczeniem w stosowaniu równania (2) jest średnica opadającej cząstki, która powinna być istotnie większa od średniej drogi swobodnej cząsteczek powietrza. Zakres obowiązywania powyższego ograniczenia definiuje warunek (równanie 3):

Λ

Kn = - < 0.01 (3)

CL gdzie: K_n - bezwymiarowa liczba kryterialna Knudsena, λ - średnia droga swobodna cząsteczek powietrza.

Poza zakresem stosowalności równania Stokesa, czyli w przypadku mniejszych cząstek, decydującą rolę odgrywają ruchy Browna oraz procesy dyfuzyjne. Kluczowym zjawiskiem, w sposób decydujący przedłużającym czas przebywania cząstek bioaerozolu w powietrzu, jest parowanie. Znaczący wpływ na stan wiedzy nt. czasu przebywania cząstek wydychanych bioaerozoli, stanowiących nośnik wirusów, wywarły wyniki badań Wellsa, opublikowane w 1934 r. (Wells W F, On Air-Borne Infection., Am. J. Epidemio!., 1934;20(3):611 -618). Przyjąwszy założenia wprost proporcjonalnej zależności prędkości opadania kropel bioaerozolu od powierzchni kropli (równanie 2) oraz stałej szybkości parowania, definiowanej zmianą powierzchni kropli w czasie, co wynika ze znanej „reguły d²”, autor uzyskał prosty związek pomiędzy dystansem pokonywanym przez kroplę bioaerozolu - do chwili jej całkowitego odparowania - i kwadratem powierzchni kropli. Efektem powyższych rozważań było skonstruowanie wykresu opadania-parowania kropel bioaerozolu, przedstawionego na Rys. 1.

Przebieg krzywych przedstawionych na Rys. 1 wskazuje, iż w modelowych warunkach zerowej wilgotności względnej (φ = 0), w powietrzu o temperaturze t_pow = 18°C krople, bioaerozolu o średnicach poniżej 170 pm opadające z wysokości ok. 2 m od poziomu ziemi, odparowują, pozostawiając suche reziduum zawartej substancji organicznej, tworzące jednocześnie tzw. jądra kropelkowe (dropletnuclei), unoszone w powietrzu prądami konwekcyjnymi. Praca Wellsa została wielokrotnie weryfikowana dla różnych wilgotności. W pracy Xie i Chwanga (DOI: 10.111 l/j. 1600-0668.2007.00469.x) potwierdzono, iż większość kropel bioaerozolu całkowicie odparowuje w typowych warunkach wilgotności, pozostając w powietrzu w postaci wolno sedymentujących, unoszących się drobin jąder kropelkowych. Jak wyka zano w pracy Verejano i Marr (doi.org/10.1098/rsif.2017.0939) jądra kropelkowe, składające się z substancji organicznych i mineralnych, stanowią nośnik dla indywidualnych cząstek wirusowych, zdolnych do przetrwania poza komórką i jej zakażenia (wirionów), których aktywność przedłuża fakt niecałkowitego odparowania wody. Pozostałości po odparowaniu kropel bioaerozolu (jądra kropelkowe) posiadają wymiary od submikrometrów do około 10 μη i mogą pozostawać zawieszone w powietrzu przez wiele godzin. Każde jądro kropelkowe może zawierać wiele wirionów, a przyjmując godzinny okres półtrwania aktywności wirusa SARS-CoV-2 oraz fakt, że zakażenia typu SARS mogą być potencjalnie powodowane przez pojedynczy wirion, jądra kropelkowe unoszące się w powietrzu odgrywają szczególnie ważną, o ile nie decydującą, rolę w przenoszeniu zakażeń COVID-19. Transport jąder kropelkowych na większe odległości, a tym samym transmisja wirusa, jest podtrzymywana poprzez prądy powietrzne występujące w otoczeniu oraz środowiskach wewnątrz domów, biur, centrów handlowych, samolotowi pojazdów transportu publicznego. Udział wentylacji w przenoszeniu infekcji drogą powietrzną opisano w wielu pracach przeglądowych. Wykazano jej silny związek z zakażeniami m. in. odrą, gruźlicą, ospą wietrzną, ospą, grypą czy wreszcie SARS. W przypadku przestrzeni wewnętrznych obiektów użyteczności publicznej, dodatkowymi czynnikami podnoszącymi ryzyko transmisji wirusa poprzez systemy wentylacji, mogą być czynniki antropogeniczne związane z transportem ciepła emitowanym przez człowieka. Najnowsze badania wykazują, że koronawirus może pozostawać w powietrzu nawet do 3 godzin (doi.org/10.1101/2020.03.09.20033217).

Doniesienia literaturowe dotyczące dowodów naukowych skuteczności wirusobójczej niskich stężeń CIO2, prowadzą do następujących wniosków:

1. Dzięki wolnorodnikowej strukturze cząsteczki ditlenku chloru, związek ten wykazuje wysoką aktywność utleniającą względem elementów struktury białkowej otoczki wirusa SARS-CoV-2, a co za tym idzie, zdolność do jej degradacji.

2. We względnej skali odporności mikroorganizmów na procesy dezynfekcyjne bądź sterylizacyjne, priony i spory bakteryjne posiadają największą wrodzoną odporność. Wirusy otoczkowe (typu SARS-CoV-2), sytuują się na najniższym stopniu oporności. Stężenie skuteczne badanych substancji wirusobójczych potwierdzone dla mikroorganizmów bardziej opornych, uznaje się za wystarczające dla zwalczania pozostałych mikroorganizmów, mniej opornych na dezynfekcję chemiczną.

3. CIO2 jest znaną substancją biobójczą, dla której potwierdzono skuteczność dezynfekcji powietrza przeciwko wirusowi grypy typu A, w stężeniach niższych od stężeń określonych jako najwyższy dopuszczalny poziom w obecności ludzi (NDS), to jest poniżej 0,3 mg/m³.

4. Przebadane wirusy grypy typu A są bardziej oporne na dezynfekcję chemiczną od koronawirusów typu SARS-CoV (Ansaldi i współpr. J. Prev. Med. Hyg., 2004, 45:5-8).

Jedno z najbardziej wszechstronnych przeglądowych opracowań naukowych poświęconych tematyce oddziaływania niskich stężeń CIO2 w kontekście SARS-CoV-2, stanowi artykuł Aly-Kullai i współpracowników (doi.org/10.1556/2060.2020.00015). Według cytowanych autorów już w latach 80-tych XX wieku badano reaktywność 21 aminokwasów wobec CIO2. Wykazano, iż badane reakcje zachodzą spontanicznie z sześcioma aminokwasami, przy czym reaktywność względem cysteiny, tyrozyny i tryptofanu jest nadzwyczaj wysoka. Dynamiczna reakcja CIO2 z cysteiną, tyrozyną i tryptofanem powoduje ich biochemiczną inaktywację, a tym samym degradację białek budulcowych i funkcjonalnych mikroorganizmów. W przypadku cysteiny, mechanizm destrukcji polega na utlenieniu grup hydrosulfidowych (-SH) do mostków disulfidowych (-S-S-), i w konsekwencji blokowaniu jej funkcji biochemicznych. Obecnie wiadomo, że białko kapsydowe koronawirusa SARS-CoV-2 zawiera 54 reszty tyrozyny, 12 reszt tryptofanu i 40 reszt cysteiny. Zakładając, że w roztworze wodnym wymienione reszty aminokwasowe kapsydu są zdolne do reakcji z CIO2, można wnioskować o możliwości przebiegu szybkiej inaktywacji wirusów - nawet w rozcieńczonym roztworze, np. o stężeniu 0,1 ppm CIO2. Mechanizm inaktywacji wiriona pod wpływem CIO2 polega zatem na degradacji otoczki kapsydowej, bez konieczności penetracji do wnętrza wirionu i interakcji z jego materiałem genetycznym. W warunkach zamgławiania roztworem wodnym CIO2 przestrzeni powietrza następuje zwilżanie powierzchni jąder kropelkowych zawierających wiriony.

Cysteina, tyrozyna i tryptofan stanowią również budulec tkanki ludzkiej. Rodzi się zatem pytanie o możliwą szkodliwość CIO2 w stosunku do organizmu ludzkiego, przy stężeniach bójczych względem wirusa SARS-CoV-2. W tym kontekście, po pierwsze, wirusy i bakterie osiągają dużo mniejsze rozmiary niż komórki tkanek ludzkich i zwierzęcych. Szacuje się, że wirus wielkości 200 nm jest kilkaset razy mniejszy od najmniejszej komórki ludzkiej osiągającej wielkość 60 000 nm. W oparciu o przyjęcie dyfuzyjnego modelu reakcji stwierdzono, że czas potrzebny do zabicia komórki żywego organizmu jest proporcjonalny do kwadratu jej charakterystycznej wielkości - np. średnicy (doi: 10.1371/journal.pone.0079162). Dla przykładu: stosując roztwór CIO2 o stężeniu 0,25 mg/L, bakteria o średnicy 1 um zostaje inaktywowana w ciągu 3,6 s. Czas ten jest wystarczający dla degradacji struktur białek, zbudowanych z cysteiny, tyrozyny i/lub tryptofanu. W oparciu o przytoczoną wcześniej regułę można przyjąć, iż czas potrzebny do zniszczenia znacznie większej komórki ludzkiej o wymiarze liniowym ok. 60 um, będzie proporcjonalny do kwadratu ilorazu wymiarów porównywanych komórek, co odpowiada czasowi ok. 4 h, zaś czas inaktywacji pojedynczego wiriona osiągnie ok. 0,2 s. Po drugie, komórki człowieka i zwierząt zawierają glutation, który obok witamin C i E pełni rolę przeciwutleniacza, neutralizując działanie wolnych rodników i utleniaczy. Glutation jest tripeptydem zbudowanym z kwasu glutaminowego, glicyny i cysteiny. Pod wpływem CIO2 reszta cysteinowa glutationu, utlenia się w porównywalnym tempie jak wolna cysteina, za sprawą obecności reaktywnej grupy holowej. Proces ten neutralizuje cząsteczki CIO2 i zapewnia barierę ochronną komórki ludzkiej (doi.org/10.1021/ic0609554). Ponadto, komórka ludzka posiada potencjał odtwarzania zużywanego glutationu jak i jego rezerw. W organizmach wielokomórkowych zachodzi również nieprzerwany międzykomórkowy transport przeciwutleniaczy, co stanowi dodatkowe zabezpieczenie. Wirusowe RNA nie generuje przeciwutleniaczy i pozbawione jest ww. bariery ochronnej neutralizującej CIO2. Najbardziej wrażliwym organem na działanie inhalacyjne toksycznych gazów w organizmie człowieka są płuca, w szczególności pęcherzyki płucne, w których odbywa się wymiana gazowa. Wykazano, iż w tkance płuc znajduje się 2,5x więcej kwasu askorbinowego i 100x więcej glutationu niż w osoczu, co stanowi silną barierę ochronną organizmu (doi.org/10.1021/ic0609554).

Wobec przytoczonych wyżej uwarunkowań kinetycznych oraz występowania naturalnych, biochemicznych mechanizmów obronnych można przyjąć, iż wpływ ditlenku chloru na organizm ludzki, w stężeniach dopuszczalnych regulacjami prawnymi jest minimalny. Jednocześnie, na podstawie opisanych badań naukowych, są to stężenia skuteczne w zwalczaniu wirusa otoczkowego SARS-CoV-2.

Dowody skuteczności wirusobójczej omawianych niskich stężeń CIO2 wynikają z następujących faktów:

• Skuteczność biobójcza w dezynfekcji powietrza, badania modelowe in vitro:

W badaniach naukowych udokumentowano skuteczność dezynfekcji powietrza na poziomie stężeń 0,01-0,1 mg/m³ CIO2 względem bakteriofagów. Uzyskano skuteczność w 99.99% dla 0,01 mg/m³ w czasie 120 min, dla 0,02 mg/m³ w czasie 60 min oraz dla stężenia 0,1 mg/m³ w czasie 30 min (DOI: 10.1159/000444503).

• Skuteczność biobójcza w dezynfekcji powietrza, badania na gryzoniach in vivo:

W badaniach skuteczności wirusobójczej prowadzonych na myszach uzyskano wynik zerowej śmiertelności populacji infekowanej wirusem grypy typu A. Stężenie CIO2 w powietrzu wynosiło wówczas 0,03 mg/m³. Dla porównania, wśród populacji myszy, względem której nie zastosowano dezynfekcji, umieralność wyniosła 70% (doi: 10.1371/journal.pone.0079162).

• Skuteczność biobójcza w dezynfekcji powietrza (badania na ludziach w szkołach i koszarach):

Szczególnie cenne wnioski wydają się płynąć z obserwacji efektów zastosowania niewielkich stężeń gazowego CIO2 w naturalnych środowiskach ludzkich. W pracy Ogaty i Shibaty (DOI: 10.1099/vir.0.83393-0) przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych i statystycznych wpływu systematycznej dezynfekcji gazowym ditlenkiem chloru pomieszczeń klas szkolnych, na absencję chorobową uczniów. Badania prowadzono pośród populacji młodzieży szkoły podstawowej, szczególnie narażonej na infekcje wirusowe. Wyniki badań wykazały około 3-krotny spadek absencji chorobowej wśród populacji uczniów pozostających w pomieszczeniach dezynfekowanych gazowym ditlenkiem chloru. Uzyskany wynik poparto starannie przeprowadzonymi statystycznymi testami istotności. Podobne wyniki uzyskano w badaniach przeprowadzonych pośród żołnierzy jednostek wojskowych (DOI: 10.4058/jsei.25.277).

Zastosowane stężenie skuteczne CIO2 mieści się poniżej najwyższego dopuszczalnego stężenia bezpiecznego dla ludzi. Według europejskich rekomendacji, sformułowanych na podstawie listy Chińskiego Stowarzyszenia Farmaceutycznego oraz opinii Międzynarodowej Federacji Farmaceutycznej, ditlenek chloru znajduje się na liście substancji wirusobójczych, skutecznych w walce z COVID-19.

Znane z opisu stanu techniki rozwiązania wynalazków EP 1955719 B1 oraz US 8,486,431 B2 zastrzegają możliwość kontroli infekcji oraz leczenia infekcji wirusowych niskimi stężeniami ditlenku chloru w formie gazowej, w zakresie 0,0001 do 0,1000 ppm. Istotna różnica w stosunku do zgłaszanego wynalazku polega na dezynfekcji powietrza aerozolowym roztworem wodnym CIO2. Według proponowanego wynalazku stosowany jest więc całkowicie odmienny sposób dezynfekcji powietrza, gdzie emitowana mgła roztworu wodnego CIO2 zapewnia efektywne zwilżanie powierzchni jądra kropelkowego nośnika wirionu, która może być również pozbawioną wilgoci pozostałością organiczną jądra nośnika. Oddziaływanie aerozolem CIO2 powoduje zwilżenie powierzchni nośnika przez wilgoć kropli mgły z zawartością substancji dezynfekującej, warunkującą możliwość lub zwielokratniającą kinetykę dyfuzji CIO2 do powierzchni otoczki (kapsydu) wiriona oraz natychmiastową inaktywację zawartych w niej łańcuchów peptydowych. Pojedyncze cząsteczki gazowego CIO2 są kilkadziesiąt tysięcy razy mniejsze od kropli mgły o średnicy 4 μm, i ich proporcja do jadra kropelkowego nośników wirionów jest niezwykle mała oraz możliwość dyfuzji do zwilżonej otoczki wiriona jest równie niska. Z kolei wielkość kropel mgły jest równoważna do wielkości jąder kropelkowych nośników wirionów i efektywność ich zwilżenia jest wymierna, powodując efektywną dyfuzję lokalnie stężonego roztworowego CIO2 do kapsydu wiriona, w porównaniu do pojedynczych cząsteczek gazu w powietrzu. Znaczenie omawianych zjawisk dyfuzji potwierdzone jest również wymiernym pozytywnym wpływem skuteczności dezynfekcji chemicznej wirusów w formie mokrej, w stosunku do formy suchej (doi: 10.1111/j.1472-765X.2011.03156.x).

Problemem optymalizacyjnym rozwiązania jest utrzymywanie wilgotności powietrza i stężenia CIO2 w dezynfekowanym pomieszczeniu na poziomie optymalnym dla skutecznej dezynfekcji i komfortu przebywania ludzi, to jest najlepiej w zakresie najbliższym 40% - 60% wilgotności względnej oraz stężenia CIO2 poniżej 0,3 mg/m³. W tym celu, w zależności od kubatury dezynfekowanego pomieszczenia konieczne jest odpowiednie dobranie stężenia roztworu CIO2, czasu emisji i natężenia strumienia roztworu zamgławiającego. Utrzymanie wymaganych parametrów umożliwia zastosowanie okresowego uruchamiania emisji mgły roztworu CIO2, na przykład 0,5 minuty zamgławiania co 4 minuty. Można również dobierać stężenie emitowanego roztworu CIO2 w zakresie od 50 ppm do 400 ppm, nieklasyfikowanym jeszcze pod względem bezpieczeństwa chemicznego. Dobór wyższego stężenia roztworu, w omawianym zakresie, stwarza możliwość mniejszą emisji wilgoci do otoczenia. Obniżanie stężenia CIO2 w zamgławiającym roztworze roboczym umożliwia też zwiększanie strumienia emitowanego aerozolu dla podwyższenia zbyt niskiej wilgotności względnej powietrza w otoczeniu, przy zachowaniu nieprzekraczalnej granicy stężeń 0,3 mg/m³ CIO2 w powietrzu. Podobne efekty sterowania parametrami stężenia CIO2 w powietrzu daje regulowanie interwałów czasowych emisji strumienia aerozolu w czasie. Omawiane zagadnienia i możliwości regulacji strumienia emitowanego roztworu CIO2 są istotne gdyż dobór parametrów pracy urządzenia zamgławiającego powinien uwzględniać wymagane kryteria komfortowej dla przebywania ludzi wilgotności względnej oraz bezpiecznego stężenia CIO2 w powietrzu. W tym zakresie należy nie tylko brać pod uwagę kubaturę zamgławianego pomieszczenia, ale również naświetlenie dzienne, degradujące CIO2. Naświetlenie uzależnione jest z kolei nie tylko od architektury budowlanej dezynfekowanego pomieszczenia, np. wielkości otworów okiennych, ale również od pory dnia lub nocy powiązanej także z porą roku. Stopniową degradację emitowanego CIO2 narażonego na działanie promieniowania ultrafioletowego oznaczono na poziomie do kilkunastu % w ciągu godziny. Powoduje to między innymi brak występowania zjawiska akumulacji i nadmiernego wzrostu stężenia CIO2 w czasie. Dlatego odpowiednia wiedza i doświadczenie pozwalają na optymalne operowanie i dobór parametrów pracy urządzenia zamgławiającego według wynalazku, dla dezynfekcji pomieszczeń w określonych uwarunkowaniach.

Streszczenie wynalazku.

Istota wynalazku polega na sposobie dezynfekcji powietrza w obecności ludzi, gdzie ditlenek chloru wprowadzany jest do powietrza poprzez ultradźwiękowe, mechaniczne lub wykorzystujące sprężone powietrze urządzenia zamgławiające i w bramach dezynfekcyjnych, charakteryzujący się tym, że do kubatury pomieszczenia wprowadza się CIO2 w formie roztworu wodnego o stężeniu od 50 ppm do 400 ppm, w postaci aerozolu, gdzie stężenie CIO2 w jednostkowej objętości powietrza nie przekracza 0,3 mg/m³ oraz roztwór ditlenku chloru wprowadzany jest do powietrza poprzez zamgławianie w systemie pracy ciągłej urządzenia zamgławiającego lub w układzie pracy z cyklicznymi przerwami, to jest w relacji jednostek czasu pracy do jednostek czasu przerwy od 1 do 0 przy pracy ciągłej, do 1 do 10.

Skuteczności sposobu wg wynalazku oparta jest na następujących zjawiskach:

1) oddziaływanie kropel aerozolu roztworu CIO2 z cząsteczkami stałych jąder kropelkowych zawierających wirus, prowadzące do osadzania cząstek stałych na kroplach aerozolu roztworu CIO2, pełniących rolę kolektorów cząstek stałych, analogicznie do zjawisk wykorzystywanych w inżynierii usuwania pyłów oraz zwilżania powierzchni wychwyconych cząstek jąder kropelkowych przez roztwór CIO2,

PL 248841 Β1

2) oddziaływanie na osadzone i zwilżone cząsteczki jąder kropelkowych roztworem wodnym ditlenku chloru o stosunkowo wysokim stężeniu (50-400 ppm) w odniesieniu do rozpuszczalnika (woda) przy znikomym stężeniu odniesionym do masy powietrza w pomieszczeniu (poniżej 0.3 mg/m³), poprzez bezpośredni kontakt z roztworem na powierzchni jądra kropelkowego oraz z gazowym CIO2 zdesorbowanym w mikro i mezoporach jądra kropelkowego.

Skuteczność metody wg wynalazku w aspekcie oddziaływań kropel aerozolu roztworu CIO2 z cząsteczkami stałych jąder kropelkowych zawierających wirus, zależy od sprawności osadzania cząstek stałych na kroplach aerozolu roztworu CIO2 determinowanych mechanizmem osadzania, zależnym od rozmiaru cząsteczek stałych. Na rysunku 2. przedstawiono schemat obrazujący trzy mechanizmy osadzania cząstek stałych na kroplach aerozolu.

W przypadku cząstek o średnicach zewnętrznych mniejszych od 1 μητ, osadzanie ich na powierzchni kropli może przebiegać na drodze wychwytu poprzez bezpośredni kontakt z powierzchnią kropli lub, w przypadku cząstek o rozmiarach porównywalnych ze średnią drogą swobodną cząstek powietrza, na drodze dyfuzji brownowskiej. Cząsteczki jąder kropelkowych wykazują średnice powyżej 1 μητ, toteż na skutek stosunkowo wysokiej masy, opierają się siłom aerodynamicznym generowanym przez przepływy powietrza opływającego kroplę roztworu a stąd nie zmieniają w sposób istotny kierunku ruchu, zatem podlegają inercyjnemu mechanizmowi osadzania na skutek bezpośrednich kolizji. Sprawność osadzania cząstek stałych na pojedynczej kropli (ηι) w obszarze inercyjnym, przy szybkościach poruszania się cząstek w zakresie stokesowskim, jest funkcją bezwymiarowej liczby Stokesa (Stk) daną równaniem (3):

?)/ = f(y/Stk) O) gdzie:

, ' PP (4) ' Ppow '

Oraz: d_p - średnica cząstki jądra kropelkowego, m; u - prędkość względna jądra kropelkowego względem kropli aerozolu CIO2, m/s; p_p - gęstość materiału jądra kropelkowego, kg/m³; p_pow - lepkość powietrza, Pas; d_c - średnica kropli aerozolu roztworu CIO2, m.

Sprawność osadzania (wychwytywania) cząstek jąder kropelkowych w przestrzeni zawierającej n kropel opisuje równanie (5):

η = 1 - (1 - >h)ⁿ (5)

Równanie (5) wskazuje, iż przy prędkościach cząstek aerozolu stosowanych w urządzeniach generujących aerozol roztworu CIO2 zgodnie z wynalazkiem, sprawność osadzania cząstek jąder kropelkowych na kroplach aerozolu CIO2 będzie stuprocentowa (η = 1) co wskazuje na wysoką skuteczność metody wg wynalazku. Zakażone wirionami stałe cząsteczki jąder kropelkowych, wychwycone przez krople aerozolu wytwarzane w trakcie zabiegu generowania mgły/aerozolu roztworu CIO2, poddawane są bezpośredniemu oddziaływaniu roztworu CIO2 o stosunkowo wysokim stężeniu (50-400 ppm). Zarówno przesłanki płynące z badań, których wyniki opublikowano w literaturze naukowej, jak i badania własne autorów niniejszego opracowania patentowego prowadzone nad skutecznością biobójczą ciekłych preparatów opartych o roztwory ditlenku chloru o stężeniach w zakresie 50-400 ppm, dowodzą ich wysokiej skuteczności w inaktywacji większości mikroorganizmów patogennych, a tym samym wirusów, jako najmniej opornych na dezynfekcję chemiczną. Powyższe przesłanki dowodzą także skuteczności metody według wynalazku w inaktywacji wirusa Sars-Cov-2.

Rozwiązanie według wynalazku zapewniając wielokrotnie zwiększone stężenie lokalne CIO2 zawartego w kropli aeozolu emitowanej mgły oraz wielokrotnie większą szybkość dyfuzji ditlenku chloru do kapsydu wirionu w zwilżonej powierzchni jądra kropelkowego nośnika, w porównaniu do CIO2 w formie gazowej oraz o niższych stężeniach, zapewnia jednocześnie wysoką skuteczność wirusobójczą oraz stężenie CIO2 w inhalowanym powietrzu na poziomie poniżej najwyższego dopuszczalnego stężenia, to jest poniżej 0,3 mg/m³, umożliwiając stałe przebywanie osób.

PL 248841 Β1

Sposób dezynfekcji powietrza według wynalazku ilustrują następujące przykłady:

Przykład 1

Do zbiornika zamgławiacza ultradźwiękowego, o pojemności nominalnej 7 dm³ wprowadzono 5 dm³ wody, a następnie 25 ml preparatu rynkowego Annex 5 o stężeniu 12,5% stabilizowanego ditlenku chloru i 25 ml aktywatora MEXACID A, zawierającego 16% kwasu octowego (preparaty firmy ΜΕΧΕΟ z Kędzierzyna-Koźla), otrzymując roztwór o stężeniu 100 ppm aktywnego CIO2, zmierzonym metodą UV-VIS z wykorzystaniem spektrofotometru Hitachi ET-2900, przy długości fali λ = 358 nm.

Zamgławiacz ultradźwiękowy, o wydajności 415 g aerozolu na godzinę, uruchomiono w pomieszczeniu o kubaturze 100 m³, gdzie na wylocie urządzenia zamgławiającego stężenie CIO2 w aerozolu, zmierzone przy pomocy zwilżonego paska wskaźnikowego dedykowanego do pomiaru stężenia ditlenku chloru (ΟΧΥ Stick, Bio-Cide Int., Norman, USA) wskazywało 50 ppm. Dokonane pomiary stężenia gazowego CIO2 w powietrzu, w zależności od czasu emisji oraz odległości od urządzenia zamgławiającego, wykonane aparatem GasAlert Extreme - detektor (Honeywell, Calgary, Canada) przedstawiono w Tabeli 1.

Tabela 1. Stężenie w powietrzu CIO2 wobec stężenia zamgławianego roztworu, C=100 ppm CIO2 oraz w trybie pracy charakteryzowanym relacją czasu pracy (P) i czasu przerwy - interwału (I): P/l= 1/0 (praca ciągła)

Czas emisji, minuty	Odległość od nawilżacza, m	Wilgotność względna, %
5	2	l	0,5
Stężenie CIO2 w powietrzu, mg/m3
0	-	-	-	-	71
30	-	0,03	0,03	0,03	72
60	0,03	0,05	0,04	0,05	75
90	0,06	0,06	0,07	0,08	76
120	0,06	0,09	0,1	0,1	80

Przykład 2

Doświadczenie przeprowadzono jak w przykładzie 1, z tą różnicą, że do zbiornika ultradźwiękowego urządzenia zamgławiającego wprowadzono 50 ml preparatu rynkowego Annex 5 o stężeniu 12,5% stabilizowanego ditlenku chloru i 50 ml aktywatora MEXACID A zawierającego 16% kwasu octowego, otrzymując roztwór o stężeniu 200 ppm aktywnego CIO2. Dokonane pomiary stężenia gazowego CIO2 w powietrzu, w zależności od czasu emisji oraz odległości od urządzenia zamgławiającego przedstawiono w Tabeli 2.

Tabela 2. Stężenie w powietrzu CIO2 wobec stężenia zamgławianego roztworu, C=200 ppmCICh oraz w trybie pracy charakteryzowanym relacją czasu pracy (P) i czasu przerwy - interwału (I): P/l=1/0 (praca ciągła)

Czas emisji, minuty	Odległość od nawilżacza, m	Wilgotność względna, %
5	2	1	0,5
Stężenie CIO2 w powietrzu, mg/m3
0	-	-	-	-	71
30	0,06	0,07	0,07	0,08	74
60	0,11	0,13	0,13	0,14	76
90	0,14	0,19	0,2	0,22	78
120	0,19	0,22	0,23	0,24	80

PL 248841 Β1

Przykład 3

Doświadczenie przeprowadzono jak w przykładzie 2, z tą różnicą, że procesor sterujący urządzeniem zamgławiającym ustawiono na pracę cykliczną w trybie pracy 30 sekund co 4 minuty. Dokonane pomiary stężenia gazowego CIO2 w powietrzu, w zależności od czasu emisji oraz odległości od urządzenia zamgławiającego przedstawiono w Tabeli 3.

Tabela 3. Stężenie w powietrzu CIO2 wobec stężenia zamgławianego roztworu, C=200 ppm CIO2 oraz w trybie pracy charakteryzowanym relacją czasu pracy (P) i czasu przerwy - interwału (I): P/l=1/8 (praca cykliczna)

Czas emisji, minuty	Odległość od nawilżacza, m	Wilgotność względna, %
5	2	1	0,5
Stężenie CIO2 w powietrzu, mg/m3
0	-	-	-	-	63
30	-	-	-	-	66
60	-	-	-	-	67
90	-	-	-	-	67
120	-	-	-	-	67

Przykład 4

Doświadczenie przeprowadzono jak w przykładzie 2, z tą różnicą, że procesor urządzenia zamgławiającego ustawiono na pracę cykliczną w trybie pracy 120 sekund co 4 minuty. Po uruchomieniu zamgławiacza ultradźwiękowego, w trakcie pracy uzyskano na wylocie urządzenia stężenie aerozolu 100 ppm CIO2, zmierzone paskiem wskaźnikowym dedykowanym do ditlenku chloru. Dokonane pomiary stężenia gazowego CIO2 w powietrzu, w zależności od czasu emisji oraz odległości od urządzenia zamgławiającego przedstawiono w Tabeli 4.

Tabela 4. Stężenie w powietrzu CIO2 wobec stężenia zamgławianego roztworu CIO2, C=200 ppm oraz w trybie pracy charakteryzowanym relacją czasu pracy (P) i czasu przerwy - interwału (I): P/l=1/2

Czas emisji, minuty	Odległość od nawilżacza, m	Wilgotność względna, %
5	2	1	0,5
Stężenie CIO2 w powietrzu, mg/m3
0	-	-	-	-	63
30	0,03	0,03	0,03	0,03	66
60	0,04	0,04	0,03	0,04	67
90	0,04	0,04	0,04	0,04	67
120	0,03	0,04	0,04	0,04	67

Przykład 5

Doświadczenie przeprowadzono jak w przykładzie 2, z tą różnicą, że do zbiornika ultradźwiękowego urządzenia zamgławiającego w prowadzono 100 ml preparatu rynkowego Annex 5 o stężeniu 12,5% stabilizowanego ditlenku chloru i 100 ml aktywatora MEXACID A o stężeniu 12,5% kwasu octowego, otrzymując roztwór o stężeniu 400 ppm aktywnego CIO2 oraz procesor urządzenia zamgławiają

PL 248841 Β1 cego ustawiono na pracę cykliczną w trybie pracy 120 sekund co 4 minuty. Po uruchomieniu zamgławiacza ultradźwiękowego, w trakcie pracy uzyskano na wylocie urządzenia stężenie aerozolu powyżej 100 ppm CIO2, zmierzone paskiem wskaźnikowym dedykowanym do ditlenku chloru. Dokonane pomiary stężenia gazowego CIO2 w powietrzu, w zależności od czasu emisji oraz odległości od urządzenia zamgławiającego przedstawiono w Tabeli 5.

Tabela 5. Stężenie w powietrzu CIO2 wobec stężenia zamgławianego roztworu CIO2, C=400 ppm oraz trybu pracy charakteryzowanego relacją czasu pracy (P) i czasu przerwy (interwał I): P/l=1/8

Czas emisji, minuty	Odległość od nawilżacza, m	Wilgotność względna, %
5	2	1	0,5
Stężenie CIO2 w powietrzu, mg/m3
0	-	-	-	-	67
30	0,00	0,03	0,03	0,03	68
60	0,03	0,03	0,03	0,03	70
90	0,03	0,03	0,03	0,03	70
120	0,03	0,03	0,03	0,03	70

Claims (1)

1. Sposób dezynfekcji powietrza ditlenkiem chloru w obecności ludzi, gdzie ditlenek chloru wprowadzany jest do powietrza poprzez ultradźwiękowe, mechaniczne lub wykorzystujące sprężone powietrze urządzenia zamgławiające i w bramach dezynfekcyjnych, znamienny tym, że:

do kubatury pomieszczenia wprowadza się CIO2 w formie roztworu wodnego o stężeniu od 50 ppm do 400 ppm, w postaci aerozolu, gdzie stężenie CIO2 w jednostkowej objętości powietrza nie przekracza 0,3 mg/m³ oraz roztwór ditlenku chloru wprowadzany jest do powietrza poprzez zamgławianie w systemie pracy ciągłej urządzenia zamgławiającego lub w układzie pracy z cyklicznymi przerwami, to jest w relacji jednostek czasu pracy do jednostek czasu przerwy od 1 do 0 przy pracy ciągłej, do 1 do 10.