Ανασκόπηση Τεχνολογιών Αιχμής

Η αποστείρωση του αέρα εσωτερικών χώρων έγινε επιτακτική ανάγκη, ιδιαίτερα τα τελευταία χρόνια, με την εξέλιξη της πανδημίας SARS-CoV-2. Όσον αφορά τον κλειστό χώρο ενός εργοστασίου επεξεργασίας τροφίμων, η αποστείρωση του αέρα έχει μεγάλη σημασία όχι μόνο για την υγεία των εργαζομένων αλλά κυρίως για την απομάκρυνση παθογόνων και τοξικών παραγόντων που θα μπορούσαν να επηρεάσουν την ποιότητα των προϊόντων. Οι τρόποι μετάδοσης παθογόνων, βακτηρίων και ιών περιλαμβάνουν σταγονίδια αναπνοής, αερολύματα, μολυσμένες επιφάνειες, άμεση επαφή καθώς επίσης και συστήματα αποχετεύσεων. Τεχνολογίες που έχουν αναπτυχθεί για την αντιμετώπιση του προβλήματος αναφέρονται παρακάτω.

• Aπλός μηχανικός καθαρισμός του αέρα χρησιμοποιώντας φίλτρα υψηλής αποτελεσματικότητας (HEPA) τα οποία έχει αναφερθεί ότι μπορούν να αιχμαλωτίσουν σωματίδια μεγαλύτερα από 300 nm σε μέγεθος με αποτελεσματικότητα περίπου 99,97%. Ωστόσο, όταν το φίλτρο είναι κορεσμένο, πρέπει να αλλάξει αμέσως, διαφορετικά θα γίνει δευτερεύουσα πηγή μόλυνσης. Αυτά τα φίλτρα έχουν τη δυνατότητα να κρατούν όλα τα μολυσματικά μικρόβια, ιούς, βακτήρια και μύκητες, καθώς και αερολύματα, αλλά δεν έχουν τη δυνατότητα να απενεργοποιήσουν τους μικροοργανισμούς.
• Ηλεκτροστατικά φίλτρα (ESP-ηλεκτροστατική καθίζηση ή ιονισμός). Σε αυτά τα φίλτρα, τα "μολυσματικά" σωματίδια περνούν μέσα από δύο φορτισμένα πλέγματα ή μεταλλικά ηλεκτρόδια με το ένα να φορτίζει τα σωματίδια (θετικά ή αρνητικά) και το επόμενο να τα συλλέγει ως αντίθετα φορτισμένα. Αρχικά, τα σωματίδια κινούνται από ένα ανεμιστήρα και έχουν μόνο κινητική ενέργεια, η οποία ενισχύεται μέσα στο φίλτρο λόγω της ηλεκτροστατικής έλξης. Ωστόσο, εάν μερικά σωματίδια διαφύγουν από το δεύτερο πλέγμα, τότε χάρη στην κινητική τους ενέργεια και το φορτίο τους, μετατρέπονται σε πραγματικές "βολίδες" που μπορούν να διεισδύσουν μέσα από τις βλεννογόνους μεμβράνες (στόμα, μύτη, μάτια) πολύ ευκολότερα από ό,τι εάν ήταν αφόρτιστα. Με αυτόν τον τρόπο, ο κίνδυνος μόλυνσης αυξάνεται αντί να μειώνεται.
• Χρήση υπεριωδούς ακτινοβολίας (UVGI-Υπεριώδης Βακτηριοκτόνος Ακτινοβολία) . Είναι γνωστό εδώ και δεκαετίες διεθνώς ότι η υπεριώδης ακτινοβολία με μήκη κύματος στη C -περιοχή (100-280 nm-UVC) και κατάλληλη ισχύς για επαρκή χρονική περίοδο, καταστρέφει ιούς, βακτήρια, μύκητες, κλπ. Αυτό συμβαίνει διότι το UVC καταστρέφει το DNA/RNA των παθογόνων έτσι ώστε να μην μπορούν να αναπαράγονται και, συνεπώς, να απενεργοποιούνται. Πρόσφατα εμφανίστηκαν πλήθος συσκευών για τη χρήση του UVC για να ακτινοβολούν την αέρια ροή που περνά από τη συσκευή προκειμένου να καταστραφούν παθογόνα και ιούς. Ωστόσο, στην πράξη αυτό είναι αδύνατο διότι η ταχύτητα του αεροζόλ που ταξιδεύει μέσα από τη συσκευή είναι τόσο μεγάλη ώστε ο χρόνος ακτινοβολίας είναι ανεπαρκής για την καταστροφή των παθογόνων. Σύμφωνα με επιστημονικές έρευνες,,,, έχει διαπιστωθεί, για παράδειγμα, ότι το UVC για να καταστρέψει το SARS-COV-2 απαιτεί ισχύ μεγαλύτερη από 5000 µW/cm2 για ένα χρονικό διάστημα από 10 έως 40 sec. Ωστόσο, ο μέγιστος χρόνος κράτησης ιών στον χώρο ακτινοβολίας σε τέτοια συσκευή είναι πολύ μικρότερος από 1 sec. Πρέπει επίσης να αναφερθεί ότι είναι αδύνατο να χρησιμοποιηθεί η UVC ακτινοβολία σε ανοιχτούς χώρους λόγω των κινδύνων για την ανθρώπινη υγεία.
• Φωτοκαταλυτικοί καθαριστές αέρα βασισμένοι στη συνδυασμένη χρήση ημιαγωγών καταλυτών (π.χ. TiO2) με υπεριώδη ακτινοβολία. Η υπεριώδης φωτοκαταλυτική οξείδωση (PCO) χρησιμοποιείται ευρέως για την αποτοξίνωση και αποστείρωση αέρα και νερού, διότι έχει πολλά πλεονεκτήματα, συμπεριλαμβανομένης της ταυτόχρονης επεξεργασίας μιγμάτων διαφόρων ρύπων, σχετικά χαμηλού κόστους και ευκολίας λειτουργίας και συντήρησης. Τα πιο κοινά τεχνητά μήκη κύματος UV είναι τα 254 nm (UV-C) και 365 nm (UV-A), τα οποία θεωρούνται οι ιδανικές πηγές UV φωτός για αποστείρωση λόγω της υψηλής τους αποτελεσματικότητας στην απενεργοποίηση βακτηρίων και πρωτόζωων. Γενικά, η UV φωτοκαταλυτική απενεργοποίηση βακτηρίων οφείλεται κυρίως στην καταστροφή των κυτταρικών τοιχωμάτων, μεμβρανών, ενζύμων και πυρηνικών οξέων από τα δραστικά είδη οξυγόνου (ROS) και τα σταθερά τους προϊόντα, και η απενεργοποίηση ιών με φωτοκαταλυτική οξείδωση οφείλεται στην καταστροφή των πρωτεϊνών του ιού και του γονιδιώματος του. Ωστόσο, αυτά τα συστήματα UV-PCO αντιμετωπίζουν ακόμα πολλές προκλήσεις, συμπεριλαμβανομένης της χαμηλής φωτοκαταλυτικής ενεργότητας όταν ο χρόνος ακτινοβολίας είναι χαμηλός, του ανασυνδυασμού των ηλεκτρονίων, και της συσσώρευσης ενδιάμεσων συστατικών. Επιπλέον, ένα μείζον πρόβλημα της χρήσης σύγχρονων φωτοκαταλυτικών υλικών είναι ο τρόπος χρήσης τους. Αυτά τα υλικά εφαρμόζονται στις επιφάνειες ενός "αποστειρωτικού θαλάμου" με την προσδοκία ότι η αέρια ροή που περνά από αυτήν θα αποστειρωθεί. Αυτό δεν συμβαίνει, καθώς μόνο μέρος της αέριας ροής θα επηρεαζόταν από την παρουσία των φωτοκαταλυτικών υλικών, ενώ το κέντρο της αέριας ροής θα παρέμενε πρακτικά ανεπηρέαστο.

Ολικός Στόχος του Έργου

Ανάπτυξη ενός νέου και μεγαλύτερου συστήματος αποστείρωσης αέρα εσωτερικού χώρου με συνδυασμένη χρήση υπεριώδους ακτινοβολίας, ειδικών φίλτρων HEPA- μεγάλης γωνίας, υφάσματος νανο-ινών χαλαζία και φωτοκαταλυτικής επίστρωσης έτσι ώστε να μεγιστοποιηθεί ο ρυθμός δέσμευσης και διάσπασης παθογόνων μικρο-οργανισμών και τοξικών παραγόντων και να εξασφαλιστούν τα αυστηρά πρότυπα υγιεινής και ασφάλειας που απαιτούνται για βιομηχανίες επεξεργασίας και παραγωγής τροφίμων.

Επιμέρους επιστημονικοί και τεχνολογικοί στόχοι του έργου

• Ανακατασκευή μεγαλύτερων διατάξεων με ικανότητα επεξεργασίας υπερδιπλάσιας παροχής αέρα (800-1000 m3/hr).
• Βελτίωση της απόδοσης της διάταξης αποστείρωσης αέρα με την επίστρωση φωτοκαταλυτικών νανοσωματιδίων σε δύο πορώδη υλικά (φίλτρο HEPA, ύφασμα χαλαζία) με αύξηση τουλάχιστον κατά μία τάξη μεγέθους της φωτοκαταλυτικής οξείδωσης / διάσπασης των βιοαερολυμάτων που συλλαμβάνονται και κατακρατούνται στους πόρους και των δύο μέσων.
• Συστηματική παραμετρική ανάλυση διερεύνησης της ανεξάρτητης επίδρασης κάθε στοιχείου της μονάδας (φίλτρο, UV-λάμπες, ύφασμα χαλαζια, φωτοκατάλυτης) καθώς επίσης και των αλληλεπιδράσεων τους στη σύλληψη και καταστροφή παθογόνων.
• Συσχέτιση των φυσικοχημικών ιδιοτήτων των επικαλυμμένων με φωτοκαταλύτη υποστρωμάτων με την ικανότητα τους να παραμένουν διαπερατά στον αέρα, να συλλαμβάνουν αιωρούμενα μικρο- / νανο-σωματίδια (αερολύματα) και να απενεργοποιούν τους παθογόνους οργανισμούς.
• Ανακατασκευή μεγαλύτερων διατάξεων με ικανότητα επεξεργασίας υπερδιπλάσιας παροχής αέρα (800-1000 m3/hr).
• Επιλογή των πλέον αποδοτικών φωτοκαταλυτικών νανοσωματιδίων και μεθόδου επίστρωσης τους σε φίλτρα HEPA και ύφασμα χαλαζία, ικανών να συλλαμβάνουν και να διασπούν ταχέως βακτήρια, ιούς, μύκητες και πτητικές οργανικές ενώσεις υπό ρεαλιστικές συνθήκες λειτουργίας της μονάδας καθαρισμού αέρα.
• Ταξινόμηση φίλτρων επικαλυμμένων με φωτοκαταλυτικά υλικά και συσχέτιση των μικροσκοπικών και μακροσκοπικών ιδιοτήτων τους με τύπο φωτοκαταλύτη/ μέθοδο επίστρωσης χρησιμοποιώντας πολυμεταβλητή στατιστική ανάλυση.
• Ανάπτυξη τεχνητού νευρωνικού δικτύου προσομοίωσης της επεξεργασίας αερομεταφερόμενων παθογόνων από φίλτρα τροποποιημένα με επίστρωση φωτοκαταλύτη και επιλογή της βέλτιστης συνταγής κατασκευής τους, αξιοποιώντας μετρήσεις απενεργοποίησης μικρο-οργανισμών και αναγέννησης φωτοκαταλυτών.
• Συσχέτιση των παραμέτρων λειτουργίας της μονάδας καθαρισμού αέρα με την ποιότητα του αέρα του εργοστασίου παρασκευής αλλαντικών της CRETAFARM ως προς χημικούς (CO, CO2, NOx, VOCs, PM2.5) και βιολογικούς (βακτήρια, ιοί, μύκητες) παράγοντες.
• Βελτιστοποίηση της συνθηκών λειτουργίας μονάδων καθαρισμού αέρα στο εργοστάσιο παρασκευής αλλαντικών της CRETAFARM με προσομοιώσεις υπολογιστικής ρευστοδυναμικής.