Zapanować nad koloidami


08-05-2020 16:22:20

Z epidemią, która nas dopadła podjęliśmy walkę wszyscy - każdy na swój sposób. W pierwszym szeregu są oczywiście lekarze i służby medyczne. Ale w drugim, i to bardzo szerokim są uczeni - inżynierowie i producenci techniki medycznej. Człowiek nagle zmuszony do walki rozgląda się za potencjalnym orężem, który mógłby wykorzystać. Takim orężem może być  dorobek niektórych ośrodków badawczych.

Jednym z takich ośrodków jest Katedra Inżynierii Procesów Zintegrowanych na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej. Czy jej badania mogą pomóc? To pytanie o wdrożenia, które jak zwykle zależą już od zleceniodawców i inwestorów nauki.

Na pytania Przeglądu odpowiada prof. dr hab. inż. Arkadiusz Moskal, członek Katedry IPZ.

 

- Z jakimi obszarami praktycznymi związane są badania Katedry Inżynierii Procesów Zintegrowanych (przemysł syntez chemicznych, przemysł spożywczy, farmaceutyczny, terapie medyczne itd.)?

- Katedra Inżynierii Procesów Zintegrowanych będąca częścią Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej powstała ponad 10 lat temu z inicjatywy prof. dr hab. inż. Leona Gradonia w wyniku połączenia dwóch zakładów: Zakładu Aparatury Procesowej i Zakładu Procesów Podstawowych i Ochrony Środowiska. Tematyka badawcza realizowana aktualnie w Katedrze skupia się na inżynierii układów rozproszonych, do których zaliczamy różnorodne układy koloidalne (o rozdrobnieniu mikro- i nanometrycznym), w tym aerozole, zawiesiny, emulsje. W Katedrze Inżynierii Procesów Zintegrowanych wyróżnić można dwa podstawowe nurty badawcze: (1)rozdzielanie układów rozproszonych - tu zajmujemy się głównie takimi procesami jak filtracja aerozoli, zawiesin ciekłych i rozdział emulsji (woda, paliwa), przy zastosowaniu struktur filtracyjnych i membran; opis procesów biegnących w organizmie żywym, zwłaszcza procesów związanych z przepływami płynów (powietrze, krew, śluz oskrzelowy, surfaktant płucny) i wymianą masy (np. osadzanie się wdychanych cząstek aerozolowych w układzie oddechowym, dystrybucja leków).

W zakresie nurtu separacyjnego prace badawcze skupiają się na opisie podstawowych mechanizmów odpowiedzialnych za proces filtracji cząstek oraz projektowaniu, wytwarzaniu i testowaniu włókninowych warstw filtracyjnych, a także struktur membranowych, szerokiego zastosowania (m.in. przemysł spożywczy, farmaceutyczny, ochrona środowiska). W przypadku nurtu „biomedycznego”, prace badawcze obejmują m.in. opis procesów powstawania aerozolu w inhalatorach o różnej konstrukcji (proszkowych, nebulizatorów), projektowania urządzeń zapewniających odpowiedni poziom dawkowania aerozolu leczniczego, badania nad przemieszczaniem i osadzeniem się (depozycją) cząstek aerozolowych w układzie oddechowym człowieka, a wreszcie - nad oddziaływaniami fizykochemicznymi cząstek aerozolowych (w tym leków lub wdychanych zanieczyszczeń) z modelową powierzchnią układu oddechowego. Wyniki tych badań mają największe znaczenie dla branży farmaceutycznej. W obydwu nurtach badawczych wykorzystywane są narzędzia inżynierii chemicznej oparte o modelowanie procesów w ujęciu in silico i doświadczenia in vitro.

- Czy, w związku z epidemią, NCBR lub inne czynniki publiczne zwróciły się do Państwa z propozycją podjęcia prac badawczych nad techniczną stroną przemieszczania się tego wirusa w otoczeniu i organizmie człowieka?

- Niestety nie. Ogłoszony został nabór wniosków badawczych w NCN (szybka ścieżka) związanych ściśle z walką z epidemią i jej rozprzestrzenianiem. Zespół złożony z pracowników Katedry, przystąpił do konkursu z projektem badań nad zachowaniem się masek ochronnych w szczególnych przypadkach wzmożonego przepływu powietrza tj. kaszel i kichanie. Badania te mają odpowiedzieć na pytanie jak maski różnego rodzaju powstrzymują rozprzestrzenianie się wirusa.

- Czy poza filtracją mechaniczną istnieją skuteczniejsze metody przechwytywania aerozoli (elektrostatyczna? magnetyczna? chemiczna?)

- Najskuteczniejszą metodą wychwytywania cząstek aerozolowych ze strumienia powietrza wydaje się metoda wykorzystująca pole elektryczne, mówiąc krótko elektrofiltr. Jest to metoda bardzo skuteczna nawet dla cząstek o wymiarach submikronowych. Niestety zupełnie nie do wykorzystania w przypadku indywidualnych systemów ochrony dróg oddechowych. Istnieją rozwiązania wspomagające filtrację mechaniczną na włóknach, wykorzystujące techniki immobilizacji ładunku elektrycznego na powierzchni włókien. Włókniny wytwarzane z takich specjalnych włókien (elektrety) wykazują zdecydowanie większą sprawność filtracji niż zwykłe włókniny wykorzystujące tyko efekty mechaniczne (dyfuzja, bezpośrednie zaczepienie, bezwładność)

- Urządzenia oczyszczające powietrze zaopatrywane są w filtry HEPA. Instrukcje podają, że HEPA13 i HEPA14 przechwytują cząstki powyżej 0,3 mikrona. Zapach wydzielający się podczas pracy odkurzacza z filtrem HEPA13 wskazuje, że skuteczność filtrowania nawet roztoczy jest wątpliwa. Wirus ma wymiar 0,1 mikrona. Czy wobec tego można powiedzieć, że te filtry są nieskuteczne? Cóż dopiero mówić o maseczkach? Czy możliwe jest zaopatrzenie tkanin filtrujących w warstwy, które spowodują zwiększenie średnicy drobin aerozolu lub zanieczyszczeń tak, by mogły się one zatrzymać?

- Filtry klasy HEPA13 i HEPA14, to wysoko sprawne filtry, których skuteczność całkowita filtracji sięga odpowiednio 99,95% i 99,995%. Są to naprawdę wysoko sprawne filtry, co nie oznacza, że nie penetrują przez nie cząstki aerozolowe. Stąd zapach z odkurzacza, który nawiasem mówiąc, nie do końca związany musi być z emisja cząstek aerozolowych a raczej cząsteczek (molekuł) substancji zapachowej które są o rząd wielkości mniejsze od cząstek aerozolowych. Filtr włókninowy mechaniczny wyłapuje cząstki aerozolowe wykorzystując trzy podstawowe mechanizmy: dyfuzję, bezpośrednie zaczepienie i bezwładność. Dyfuzja odpowiedzialna jest za depozycję cząstek submikronowych. Sprawność tego mechanizmu rośnie w miarę zmniejszania się wymiaru cząstek (mniejsze cząstki „intensywniej” dyfundują w kierunku włókna) a maleje w miarę wzrostu średnicy cząstek. Odwrotna zależność obowiązuje pozostałe dwa mechanizmy (w dużym skrócie).

Sprawność mechanizmu bezwładnościowego i bezpośredniego zaczepienia rośnie w miarę zwiększania się średnicy cząstek i maleje w miarę zmniejszania się ich średnicy. Nakładanie się tych dwóch mechanizmów powoduje, że w obszarze średnic cząstek z przedziału 0,3 – 0,5 mikrona występuje minimum sprawności wyłapywania cząstek przez włókno. Jest to przedział wielkości cząstek najtrudniej filtrowanych przez włókniny. Cząstki mniejsze filtrowane są z większą sprawnością tak samo jak i cząstki większe od tego zakresu. Oznacza to, że jeżeli wirus ma wymiar 0,1 mikrona to jest całkiem dobrze filtrowany przez włókniny. <w linii>

Ważnym staje się tu zagadnienie w jakiej formie wirus jest rozsiewany przez osobę zarażoną. Podczas kaszlu, kichania i rozmawiania człowiek emituje aerozol składający się głównie z jego śliny. Wymiar kropel emitowanych przez człowieka (tu można znaleźć różne dane w publikacja naukowych) jest raczej rzędu kilku mikronów. Tak „duże” krople filtrowane są ze 100% sprawnością przez filtry klasy HEPA 13 i HEPA14. Co do skuteczności masek to należy tu podkreślić, że są dwa typy masek: maski, które mają chronić układ oddechowy noszącego przed zagrożeniami pyłowymi z zewnątrz i maski, które mają chronić otoczenie przed aerozolem emitowanym przez układ oddechowy noszącego. Te pierwsze, są certyfikowane (klasy FFP1, FFP2 i FFP3) i powinny być używane głównie przez osoby zdrowe narażone na kontakt z aerozolem zawierającym wirusy w pierwszej kolejności pracowników ochrony zdrowia. Maski FFP3 są skuteczną bronią przed wirusem od strony filtracji. Niestety w związku z tym, że są one wysoko sprawne to cechują się również wysokim spadkiem ciśnienia, przez co komfort ich użytkowania jest bardzo niski szczególnie przez osoby wykonujące wyczerpujące zajęcia fizyczne. Maski te zazwyczaj zaopatrzone są w zawory zwrotne przez które odprowadzane jest powietrze wydychane przez użytkownika. Z tego względu nie powinny być używane przez osoby chore. Maski drugiego typu potocznie zwane „chirurgicznymi” ograniczają rozprzestrzenianie się aerozolu emitowanego przez noszącego, ale nie zapewniają noszącemu skutecznej ochrony przed wirusem.

Nieznane mi są rozwiązania w których, warstwy włókninowe były by tak przygotowywane, aby powodować wzrost wielkości cząstek aerozolowych.

- Jakie obecnie kierunki badań biomechanicznych nad mikroprzepływami są, zdaniem Pana profesora najbardziej obiecujące medycznie? Na ile analiza biomechaniczna procesów zachodzących w trakcie infekcji może być pomocna w walce z epidemiami? Czy, zdaniem Pana Profesora ośrodki badań medycznych dysponują dostatecznymi kompetencjami technicznymi, by opracowywać skuteczne terapie? Może to jest jedna z przyczyn długotrwałości wdrażania innowacyjnych metod leczenia i zapobiegania?

- Nie jestem lekarzem ani epidemiologiem więc na temat skutecznej terapii w walce z wirusem nie będę się wypowiadał z powodu braku kompetencji. Jestem naukowcem i inżynierem zajmującym się mechaniką aerozoli do ponad 20 lat. Uważam, że z punktu widzenia rozprzestrzeniania się epidemii, bardzo ważne jest określenie stopnia redukcji emisji aerozolu przez zastosowanie masek ochronnych zakrywających twarz i usta. Kluczowe również staje się określenie wielkości kropel emitowanych przez osoby chore podczas kaszlu, kichania i rozmowy. Na wielkość kropel emitowanych wpływ będą miały parametry fizykochemiczne śliny tj. lepkość, napięcie powierzchniowe, gęstość. Wielkości te mogą się zmieniać podczas choroby w stosunku do wielkości u osób zdrowych. Znajomość rozkładu wielkości kropel emitowanych przez chorego może pozwolić na zaprojektowanie układów filtrujących zapobiegających rozprzestrzenianie się wirusa.

- Dziękuję za rozmowę.

jaz.

Komentuje Waldemar Rukść

eNOT.pl - Portal Naczelnej Organizacji Technicznej | eNOT.pl