Este artículo se publicó por primera vez en el Anuario AEIH 2021.

El artículo trata de la utilización del plasma frio en la desinfección del medio ambientes mediante su simple introducción forzada o inducida en una cámara de ionización. Los procedimientos de tipo plasma frío, consisten en descargas de energía eléctrica sobre el aire circulante, obteniendo de esta descarga la producción de plasma. El objetivo básico es la alteración y destrucción de las partículas vehiculizadas hasta la cámara de descarga, sin alterar la temperatura del aire tratado.

La palabra plasma se usa para nombrar un gas ionizado y el nombre se le atribuye a Irving Langmuir (1927).

Es conocido, que, si se suministra de forma constante y durante cierto tiempo, energía a una materia, en función de la potencia aplicada, su temperatura aumenta y puede llegar a cambiar su  estado, pasando de sólido a líquido y posteriormente a gaseoso si el suministro de energía se mantiene. Llegado a este punto se rompe la capa de electrones existente y surgen partículas cargadas de forma positiva y negativa una vez formado el plasma.

Este denominado cuarto  estado de la materia corresponde al 99% de toda la materia que compone el universo.

En el pasado, hablar de plasma suponía, que para alcanzar este denominado cuarto estado de la materia, era necesario obtener altas temperaturas, la presencia en el conjunto de electrones libres, iones, cationes y otras muchas especies reactivas, hacían del plasma un buen candidato, siempre y cuando se solventaban los niveles de alta temperatura, para obtener la descontaminación del aire y superficies [1].

El desarrollo industrial, en primer lugar  de los filtros electrostáticos, basados en este tipo de descargas y posteriormente la aplicación del plasma frío en medicina como elemento desinfectante, fue un avance más en toda esta tecnología [2].

La eficacia mostrada por medio del plasma  frío frente a bacterias tan recalcitrantes como:   Staphylococcus aureus resistentes a la meticilina (MRSA), Enterococcus spp. resistentes a la vancomicina (VRE), Escherichia coli, y Acinetobacter baumannii. [2] fue un aliciente más en el desarrollo de los dispositivos para tratar los ambientes interiores. Las experiencias realizadas en 2012 tras el brote de MERS CoV en oriente medio, mostró la eficacia de este método en el control de coronavirus.

Estudios posteriores, utilizando por medio de cámara de plasma frío, frente a bacterias Gram negativas y Gram positivas de relevancia clínica, así como frente al hongo Candida albicans.  Bacillus subtilis, Bacillus pumilus , Bacillus atrophaeus y Geobacillus stearothermophilus, confirmaron los resultados según la  evaluación hecha por  Tobias G. Klämpfl et all. En 2014 [3].

Revisando diversos  estudios científicos, podemos apreciar como Yang-Fang Li, et all. en 2012 [4] completa un estudio sobre plasma frío y la desinfección de superficies. También Machala  publica en 2012 su libro titulado “Plasma para bio descontaminación, medicina y seguridad alimentaria” donde especifica el uso y la utilidad como descontaminante del plasma frio [5].

El reto estaba planteado y se trataba de dar un paso más y utilizar el plasma frío en la desinfección del aire ambiental, tratando de que este, por su simple introducción forzada o inducida en una cámara de ionización, adaptada a estas necesidades, consiguiera su depuración.

Para ello, fue necesario que distintas disciplinas se integraran en estudios científicos, relacionando diversos tipos de microorganismos y la facultad de estos dispositivos para obtener una desinfección o esterilización. Esto se consiguió al mejorar  la eficacia de las cámaras, con el desarrollo de  modelos más potentes, que incluyen las denominadas cámaras de generación de plasma en multi serie, combinando con mayor eficacia la frecuencia y el voltaje aplicado. 

La variabilidad de las frecuencias aplicables, desde tan sólo 1 Khz hasta 70 Mhz, y la potencia del voltaje utilizado indica rangos amplios con la capacidad de generar  plasma frío. En la generación se producen además longitudes de onda entre 254 y 900 nm, obteniendo en el manejo  adecuado de estos parámetros, resultados diversos en función de los microorganismos que se quieren controlar en el medio ambiente interior. Lo ideal es que los arcos generados tengan longitudes de onda amplios, abarcando en mayor medida aquellos que afectan al mayor número de microorganismos. Los rangos dentro de los espectros que han mostrado mayor capacidad germicida, fueron entre 254-381 nm. Otro de los efectos que produce la formación del plasma es que las descargas provocan la disgregación de los electrones de las partículas, ya sean biogénicas o no, expuestas a las zonas de difusión del plasma frio.

Según algunos estudios realizados, el dibujo que presenta N. O’Connor es  muy clarificador, de la forma de acción del plasma frío, en las bacterias, ver figura 1 [6].

Figura 1

Los procedimientos del tipo denominado plasma frio, consiste en descargas de energía eléctrica sobre el aire circulante, obteniendo de  esta descarga la producción de plasma. El objetivo básico, es la alteración y destrucción de las partículas vehiculizadas hasta la cámara de descarga sin alterar la temperatura del aire tratado [7].

Valores de descargas de entre 10 y 50 Kv. (kilo voltios) se suelen utilizar en las descargas para producir plasmas de esta naturaleza fría.

La temperatura del aire circulante para un buen rendimiento debería estar entre 0 y 40ºC, y la humedad relativa debe ser de un máximo del 75%, sin alcanzar en ningún caso el punto de rocío.

En este orden se situaría lo que bien podríamos denominar como Cámara de plasma a presión atmosférica o plasma no térmico en sus siglas en idioma ingles APPC-NTP (Atmospheric Presure Plasma chamber-No thermal Plasma)

Los parámetros de alimentación de entrada al dispositivo deben establecerse en cuanto a:

• Frecuencia
• Voltaje
• Amperaje
• Condiciones del aire (sus parámetros de actividad Tª y Hr)
• Caudal máximo del aire circulante

Condiciones de funcionamiento en la salida del dispositivo:

• Capacidad desinfectante esterilizante, entre 99,99 y 100%
• Neutralización de  especies reactivas: (N2+,  O2+,  NO+, O3) (6)
• Control de temperatura del aire (entrada sobre salida (alteración ˂ 2ºC)

Llegados a esta cuestión, la definición simplificada del plasma frío es la de un gas altamente ionizado compuesto por electrones libres, iones positivos y negativos, radicales libres, átomos y moléculas en estado excitado o básico.

La condición, de los plasmas fríos, se produce al pasar la casi totalidad de la energía generada  sólo a  los electrones y con ellos la elevación exclusiva de la temperatura de estos, de ello se obtiene que los componentes neutros permanezcan a la temperatura ambiente.

En la figura 2 y 3 se puede apreciar una descarga producida por 4 y 8 coronas en serie [8,9].

Figura 2

De los procedimientos de descargas para la obtención de plasma frío, hemos podido estudiar 3 procedimientos de 3 marcas diferentes en cuanto a sus características técnicas llegando a la conclusión de que la descarga en corona, denominado técnicamente como descarga en corona de barrera dieléctrica, es el dispositivo idóneo según nuestra propia apreciación, apreciación que iremos exponiendo  en las páginas siguientes [1].

Uno de los procedimientos establecidos para el control de la eficacia de los sistemas es el pro-puesto por Michael Gallager (2004 y que representa en uno de sus trabajos en la figura 4 [10].

Figura 3. Efecto de una descarga de plasma frío en ubicación tubular

Figura 4. Patohgen Detection and Remediation Facility (PDRF)

Si la generación de plasma, está correctamente aplicada en cuanto a diseño, voltaje, frecuencia y disposición del catalizador, no genera gases raros o haluros, que salgan fuera del dispositivo, quedando el ambiente a la salida del aire purificado en el propio dispositivo, que debe estar  libre de producción artificial de nitrógeno, radicales libres, nitrosio u ozono. (N2+,  O2+,  NO+, O3) [11] [12].