Berücksichtigung von Kondensation

Abbildung 1: Zwei theoretische Biodekontaminationszyklen (beide mit einer Temperatur von 23 °C) mit unterschiedlichem Feuchtegehalt zu Beginn der Konditionierung. Während der Dekontaminationsphase wird ein Teil von vH2O2 zersetzt. In diesem Fall werden 10 % von vH2O2 vom Anfangswert zersetzt und mehr H2O2 zum Ausgleich verdampft. Eine ähnliche Situation zeigt sich unter Verwendung zweier verschiedener H2O2-Lösungskonzentrationen: 12 %-m in den oberen Grafiken und 59 %-m in den unteren Grafiken.

Figure 1: Two theoretical bio-decontamination cycles, (both with Temperature at 23 °C) with different humidity levels at the onset of conditioning. During the decontamination phase, some vH2O2 will decompose. In this case, 10% of vH2O2 has decomposed from its initial value and more H2O2 is vaporized to compensate. A similar situation is shown using two different concentrations of H2O2 solution: 12 %-m in upper graphs and 59 %-m in lower graphs.

Abbildung 1: Zwei theoretische Biodekontaminationszyklen (beide mit einer Temperatur von 23 °C) mit unterschiedlichem Feuchtegehalt zu Beginn der Konditionierung. Während der Dekontaminationsphase wird ein Teil von vH2O2 zersetzt. In diesem Fall werden 10 % von vH2O2 vom Anfangswert zersetzt und mehr H2O2 zum Ausgleich verdampft. Eine ähnliche Situation zeigt sich unter Verwendung zweier verschiedener H2O2-Lösungskonzentrationen: 12 %-m in den oberen Grafiken und 59 %-m in den unteren Grafiken.

Figure 1: Two theoretical bio-decontamination cycles, (both with Temperature at 23 °C) with different humidity levels at the onset of conditioning. During the decontamination phase, some vH2O2 will decompose. In this case, 10% of vH2O2 has decomposed from its initial value and more H2O2 is vaporized to compensate. A similar situation is shown using two different concentrations of H2O2 solution: 12 %-m in upper graphs and 59 %-m in lower graphs.

Abbildung 2: Zwei Biodekontaminationszyklen mit verschiedenen Lösungen an flüssigem H2O2 (T = 23 °C). In diesem Fall werden 10 % von vH2O2 vom Anfangswert zersetzt und mehr H2O2 zum Ausgleich und zur konstanten Aufrechterhaltung des vH2O2-Gehalts verdampft.

Figure 2: Two bio-decontamination cycles with different solutions of liquid H2O2 (T = 23 °C). In this case, 10% of vH2O2 has decomposed from its initial value and more H2O2 is vaporized to compensate and keep the vH2O2 level constant.

Abbildung 3: Zwei Biodekontaminationszyklen mit unterschiedlichen Temperaturen. In diesem Fall werden 10 % von vH2O2 vom Anfangswert zersetzt und mehr H2O2 zum Ausgleich und zur konstanten Aufrechterhaltung des vH2O2-Gehalts verdampft.

Figure 3: Two bio-decontamination cycles with different temperatures. In this case, 10% of vH2O2 has decomposed from its initial value and more H2O2 is vaporized to compensate and keep the vH2O2 level constant.

Abbildung 4: vH2O2-ppm als Funktion von rS/rF-Sensormesswerten bei 5 °C / Figure 4: ppm vH2O2 as a function of RS/RH sensor readings at 5.0 °C

Abbildung 5: vH2O2-ppm als Funktion von rS/rF-Sensormesswerten bei 50 °C / Figure 5: ppm vH2O2 as a function of RS/RH sensor readings at 50.0 °C

Abbildung 6: Maximale vH2O2-ppm bei verschiedenen Temperaturen erzeugt mit 35 % und 59 % an H2O2.

Figure 6: Maximum ppm vH2O2 at various temperatures produced with 35% and 59 vol-% H2O2.

Abbildung 7: Kondensationspunkte bei gegebenen Temperaturen und vH2O2-ppm (an jedem Punkt rS = 100 %, maximale %rF variiert gemäß den Kurven)

Figure 7. Condensation points at given temperatures and ppm vH2O2 (at each point RS = 100 %, maximum %RH varies according to curves)

In diesem Artikel werden die wichtigsten Parameter besprochen, die sich auf den Kondensationspunkt und auf die maximalen H2O2-ppm in Anwendungen mit verdampftem Wasserstoffperoxid auswirken. Es werden vier Regeln vorgeschlagen, die als Leitlinien für wiederholbare effektive Biodekontaminationsprozesse dienen können.

Verdampftes Wasserstoffperoxid (vH2O2) wird häufig verwendet, um eine Biodekontamination in Isolatoren, Testkammern und Materialschleusen durchzuführen. Aufgrund der bekannten Wirksamkeit bei Raumtemperatur, der breiten Materialverträglichkeit und der Rückstandsfreiheit wird die vH2O2-Biodekontamination auch oft in Krankenhäusern, U-Bahnen, Flugzeugen und Anwendungen eingesetzt, die eine zuverlässige Dekontamination erfordern.

Die Steuerung der Kondensation ist die kritischste Komponente jedes Biodekontaminierungsprozesses. Tropfendes Kondenswasser sollte vermieden werden, da eine Ansammlung von konzentriertem flüssigem Wasserstoffperoxid negative Auswirkungen auf Materialien, Belüftungszeit und gleichmäßige Dekontaminationseffizienz haben kann.

Zu verstehen, wie Prozessparameter Kondensation beeinflussen, bietet auch Erkenntnisse in Bezug auf die maximale Wasserstoffperoxidkonzentration, die in einem Dampfzustand aufrechterhalten werden kann. Feuchtegehalt, Temperatur und Teile pro Million (ppm) von verdampftem Wasserstoffperoxid haben einen kombinierten Einfluss auf den Kondensationspunkt – dem Punkt, an dem die Luft gesättigt ist. Sobald Kondensation erreicht wurde, können die vH2O2-ppm nicht mehr erhöht werden.

Relative Feuchte und relative Sättigung

Im Idealfall wird jeder Schritt im Biodekontaminationszyklus gesteuert und überwacht. Zu den überwachten Parametern gehören typischerweise Temperatur, vH2O2-ppm und Feuchte (gemessen als relative Feuchte und relative Sättigung). Da Wasser (H2O) und Wasserstoffperoxid (H2O2) eine ähnliche molekulare Struktur aufweisen, wirken sich beide auf den Kondensationspunkt der Luft aus. Relative Feuchte (rF) gibt jedoch nur den Wasserdampfgehalt der Luft bei einer bestimmten Temperatur an, während relative Sättigung den Wasserdampfgehalt sowie den Wasserstoffperoxiddampf in der Luft aufzeigt.

In Luft, die Wasserstoffperoxiddampf enthält, tritt Kondensation vor 100 % relativer Feuchte auf. Daher kann der Kondensationspunkt mit der Messung der relativen Sättigung (rS) zuverlässig vorhergesagt werden. Wenn die relative Sättigung einen Wert von 100 %rS erreicht, kondensiert das Dampfgemisch. Relative Feuchte und relative Sättigung unterscheiden sich bei Vorhandensein von vH2O2. Der Unterschied zwischen rF und rS wird weiter durch die Menge an vorhandenem vH2O2 beeinflusst.

Wie angegeben, kann die H2O2-Dampfkonzentration nicht mehr ansteigen, sobald Kondensation auftritt und die relative Sättigung 100 %rS erreicht hat. Tatsächlich nimmt die H2O2-Dampfkonzentration häufig ab, weil Kondensation vH2O2 aus der Luft entzieht. Bei tropfendem Kondenswasser am Ende der Dekontaminationsphase können vH2O2-ppm-Messwerte während der Belüftung anfangs ansteigen, da die Tröpfchen vH2O2 wieder in die Luft freisetzen.

Phasen der vH2O2-BiodekontaminationBiodekontaminationszyklen mit verdampftem Wasserstoffperoxid umfassen typischerweise vier separate Schritte:

Schritt 1: Entfeuchtung:
Die physikalischen Ausgangsbedingungen von Temperatur, Feuchte und Luftzirkulation werden geschaffen. Der zu dekontaminierende Bereich muss möglicherweise vor der Konditionierung entfeuchtet werden, um Kondensation zu verringern. Die Verringerung des Feuchtegehalts auf einen vordefinierten Prozentsatz vor der Konditionierung führt zu einer höheren Anzahl an wiederholbaren Ergebnissen. Während dieser Phase wird noch kein H2O2-Dampf eingeleitet.

Schritt 2: Konditionierung:
Wasserstoffperoxiddampf wird aus einer wässrigen Lösung an H2O2 und H2O hergestellt und in den Bereich injiziert, bis die gewünschte vH2O2-ppm-Konzentration erreicht wurde. Prozesskonzentrationen können je nach mikrobieller Last von 140 bis 1 400 ppm reichen.

Schritt 3: Biodekontamination oder Verweilzeit:
Oberflächen und Mikroorganismen werden ausreichend lange tödlichen Konzentrationen von Wasserstoffperoxiddampf ausgesetzt. H2O2-Dampf zerfällt in Wasser und Sauerstoff. Dies kann durch Injizieren von verdampftem H2O2 während dieser Phase ausgeglichen werden. Die vH2O2-ppm-Messungen können zur Steuerung der Injektionsraten verwendet werden, wodurch ein konstanter vH2O2-ppm-Wert aufrechterhalten wird.

Schritt 4: Belüftung:
Dieser letzte Schritt senkt den restlichen H2O2-Dampf auf ein sicheres Niveau. vH2O2 kann mithilfe eines Katalysators in Wasserdampf und Sauerstoff katalysiert werden.

Prozessparameter, die Kondensation beeinflussen

In den folgenden Grafiken variieren wir Feuchtegehalt, H2O2-Lösungskonzentration, Temperatur und vH2O2-ppm. Dies dient zur Veranschaulichung, wie sich diese Faktoren sowohl auf den Kondensationspunkt (relative Sättigung = 100 %rS) als auch auf die maximal erreichbare Konzentration von Wasserstoffperoxiddampf während der Biodekontaminationsphase auswirken. Diese Grafiken sind vereinfachte Darstellungen realer Biodekontaminationsprozesse, um zu zeigen, wie kritische Prozessparameter die Ergebnisse beeinflussen.

Feuchte, Kondensationspunkt und maximal erreichbares vH2O2

Eine Verringerung der Anfangsfeuchte erhöht die Menge an H2O2-Dampf, die vor der Kondensation verwendet werden kann.

Die folgenden Grafiken (Abbildung 1) zeigen, wie sich Entfeuchtung auf die maximal erreichbaren vH2O2-ppm auswirkt. In den Abbildungen 1a und 1b beträgt die verwendete Wasserstoffperoxidlösung 12 %-m; Abbildungen 1c und 1d zeigen eine Lösungskonzentration von 59 %-m. In den Abbildungen 1a und 1b werden zwei ansonsten ähnliche Biodekontaminationszyklen dargestellt; orangefarbene Linien zeigen Prozesse ohne Entfeuchtung und eine Konditionierungsphase, die mit einer relativen Feuchte von 50 %rF beginnt. Die blauen Linien geben Prozesse an, bei denen die Entfeuchtung auf 10 %rF vor der Konditionierungsphase abgeschlossen wurde. In den Abbildungen 1a und 1c sehen Sie die Auswirkungen der Entfeuchtung auf den Feuchteanteil – angezeigt durch relative Feuchte und relative Sättigung – während der Konditionierungs- und Verweilphasen. Abbildungen 1b und 1d zeigen den Einfluss der Entfeuchtung auf den maximal erreichbaren Wasserstoffperoxiddampf während der Konditionierungsund Verweilphasen.

Verdampftes H2O2 wird in die Kammer injiziert, bis Kondensation erreicht wurde. Es ist zu erkennen, dass bei einer höheren relativen Feuchte zu Beginn der Konditionierungsphase (weil keine Entfeuchtung durchgeführt wurde) Kondensation früher auftritt. Je niedriger die %rF am Anfang der Konditionierung ist, desto höher sind die maximal erreichbaren vH2O2-ppm, bevor Kondensation auftritt.

Während der Dekontaminationsphase wird ein Teil von vH2O2 in Wasser und Sauerstoff zersetzt. Die Menge an vH2O2, die zerfällt, hängt von Bedingungen wie Materialien, Temperatur, Feuchte und Luftstrom ab. Die unter bestimmten Bedingungen tatsächlich zu erwartende Zersetzung muss gemessen werden. In den folgenden Grafiken haben wir angenommen, dass 10 % von vH2O2 vom Anfangswert zersetzt und mehr H2O2 zum Ausgleich verdampft werden.

H2O2-Lösungskonzentration, Kondensationspunkt und maximal erreichbares vH2O2

Wenn sich die H2O2-Lösungskonzentration erhöht, nimmt der H2O2-Dampf zu, der vor der Kondensation eingesetzt werden kann.

Die folgenden Grafiken veranschaulichen zwei ansonsten ähnliche Biodekontaminationszyklen mit unterschiedlichen Lösungen an flüssigem H2O2. Die schwarze Linie repräsentiert einen Biodekontaminationszyklus mit einem Lösungsverhältnis von 59 %-m H2O2 zu 41 % H2O. Die blaue Linie zeigt einen Zyklus mit einem Lösungsverhältnis von 12 %-m H2O2 zu 88 % H2O. Beide Bedingungen weisen einen Anfangsfeuchtegehalt von 50 %rF auf und werden vor der Konditionierung auf 10 %rF entfeuchtet.

Verdampftes H2O2 wird in die Kammer injiziert, bis Kondensation erreicht wurde. Da die niedrigere Lösungskonzentration (12 %-m) 88 % Wasser enthält, erreicht die Kammer schneller 100 % relative Sättigung als die Kammer, in die die höhere Lösungskonzentration (59 %-m) injiziert wurde. Sobald Kondensation erreicht wurde, kann der vH2O2-Gehalt nicht mehr ansteigen. Daher beträgt die maximal erreichbare vH2O2-Konzentration mit der 59-%-m-Lösung 1 400 ppm (schwarze Linie) vor der Kondensation. Die maximal erreichbare vH2O2-Konzentration mit der 12-%-m-Lösung beträgt 700 ppm.

Temperatur, Kondensationspunkt und maximal erreichbares vH2O2

Eine Steigerung der Temperatur erhöht die Menge an Wasser- und Wasserstoffperoxiddampf, die die Luft halten kann, wodurch das maximal erreichbare vH2O2 zunimmt.

Unter den vorherigen Bedingungen wurde die Temperatur des Biodekontaminationszyklus bei 23 °C gehalten. Bei einer bestimmten Temperatur kann Luft nur eine bestimmte Menge Dampf aufnehmen, ganz gleich, ob H2O oder H2O2. Durch Änderung der Temperatur verändern wir sowohl den Kondensationspunkt als auch die maximal erreichbare Wasserstoffperoxiddampfkonzentration.

In den Abbildungen 3a und 3b werden zwei ansonsten ähnliche Biodekontaminationszyklen dargestellt. Die schwarzen Linien repräsentieren die Temperatur von 40 °C, und die blauen Linien geben die Temperatur von 23 °C an. In beiden Fällen wird eine Entfeuchtung durchgeführt, um Feuchte vor der Konditionierung auf 10 % zu senken, und bei beiden wird eine H2O2-Lösungskonzentration von 59 %-m eingesetzt. Die schwarze Linie in Abbildung 3b zeigt, dass die Temperatur von 40 °C einen höheren vH2O2-ppm-Wert zulässt als die Temperatur von 23 °C, dargestellt durch die blaue Linie.

Wir können den Einfluss von Temperatur weiter untersuchen, indem wir Feuchte betrachten, sowohl die relative Feuchte als auch die relative Sättigung. In der Abbildung 4 sehen Sie die vH2O2-ppm mit einer Temperatur von 5 °C. Die relative Sättigung liegt auf der x-Achse und die relative Feuchte auf der y-Achse. Die Koordinatenlinien innerhalb der x- und y-Achsen repräsentieren die H2O2-Dampfkonzentration von 0 bis etwa 500 ppm. Die 0-ppm-Linie stellt Dampf dar, der nur mit reinem Wasser erzeugt wurde. Wenn die H2O2-Lösungskonzentration erhöht wird, nimmt auch vH2O2 zu. Theoretisch repräsentiert die Linie entlang der x-Achse einen Dampfgehalt, der durch eine 100-%-H2O2-Flüssigkeit erzeugt wurde. Kondensation tritt auf, sobald die relative Sättigung 100 %rS beträgt und die vH2O2-ppm danach nicht mehr erhöht werden können. Bei einer Temperatur von 5 °C, einer anfänglichen relativen Feuchte von 0 %rF und der Verdampfung einer 100-%-m-H2O2-Lösung beträgt der theoretisch maximal erreichbare vH2O2-ppm-Wert demnach 548 ppm.

Alle Bedingungen in Abbildung 5 sind dieselben wie in Abbildung 4 (0 %rF, 100-%-m-Lösung), und nur die Temperatur wurde auf 50 °C geändert. Der theoretisch maximal erreichbare vH2O2-ppm-Wert beträgt nun 13 019.

Abbildung 6 zeigt die maximalen vH2O2-ppm bei verschiedenen Temperaturen und unter Verwendung unterschiedlicher H2O2-Lösungskonzentrationen. Wir vergleichen zwei häufig verwendete H2O2-Lösungskonzentrationen: 35 % und 59 %. Die blaue Trendlinie repräsentiert eine 35-%-H2O2-Lösung. Bei einer Temperatur von 40 °C beträgt der maximal erreichbare vH2O2-ppmWert 4 210. Bei gleicher Temperatur (40 °C) ergibt eine 59-%-H2O2-Lösung einen maximal erreichbaren vH2O2-ppm-Wert von 5 461.

H2O2-Dampfkonzentration und Kondensationspunkt

Wenn die H2O2-Dampfkonzentration erhöht wird, nimmt die Wasserdampfmenge, die die Luft halten kann, ab, und Kondensation tritt früher auf.

Jeder Punkt in Abbildung 7 stellt einen Kondensationspunkt dar und bedeutet, dass rS 100 % erreicht hat. Die Temperatur liegt auf der x-Achse und vH2O2-ppm auf der y-Achse. Die Kurve in den Grafiken zeigt die maximale relative Feuchte bei einer bestimmten Temperatur und Konzentration von vH2O2-ppm.

Wie zu sehen ist, beträgt die relative Feuchte bei 20 °C und 300 ppm Wasserstoffperoxid 60 % und die relative Sättigung 100 %. Wenn wir vH2O2 bei 20 °C auf 600 ppm erhöhen, dann beträgt die relative Feuchte 39 % und die relative Sättigung 100 %.

Durch Erhöhung der Lufttemperatur auf 40 °C mit einer vH2O2-Konzentration von 300 ppm erreicht die relative Feuchte 87 % und die relative Sättigung 100 %. Je höher die Temperatur ist, desto mehr Wasserdampf kann von der Luft aufgenommen werden. Relative Feuchte wird erhöht.

Vier Regeln für vH2O2-Prozessparameter

1. Eine Verringerung der Anfangsfeuchte erhöht die Menge an H2O2-Dampf, die vor der Kondensation verwendet werden kann.

2. Wenn sich die H2O2-Lösungskonzentration erhöht, nimmt der H2O2-Dampf zu, der vor der Kondensation eingesetzt werden kann.

3. Eine Steigerung der Temperatur erhöht die Menge an Wasser- und Wasserstoffperoxiddampf, die die Luft halten kann, wodurch die maximal erreichbaren vH2O2-ppm zunehmen.

4. Wenn die H2O2-Dampfkonzentration erhöht wird, nimmt die Wasserdampfmenge, die die Luft aufnehmen kann, ab. Deshalb tritt Kondensation früher auf.

Schlussfolgerung

Wir haben gezeigt, wie ein fundiertes Wissen über das Verhältnis zwischen kritischen Prozessparametern die Entwicklung effektiver wiederholbarer vH2O2-Biodekontaminationszyklen ermöglicht. Einzelparametermessungen sind für die Überwachung oft unzureichend und für die Prozesssteuerung unwirksam. Wir haben auch aufgezeigt, warum die relative Sättigung ein wichtiger Wert für die genaue Vorhersage der Kondensation ist. Aus diesem Grund misst die einzigartige Vaisala PEROXCAP® Technologie mehrere Parameter in einer einzigen Messeinheit, darunter Wasserstoffperoxiddampfppm, Temperatur, Taupunkt, Dampfdruck und Feuchte (relative Feuchte sowie relative Sättigung).