Eficiencia de filtrado de distintos materiales ante partículas de 300

nm. Exposición a aerosoles en SARS-COV-2. Instituto Interuniversitario de Investigación del Sistema Tierra en Andalucía, Universidad de

Granada.

Informe v1, 25 abril 2020. Dada la situación de emergencia provocada por el SARS-COV-2, actualmente existe escasez de mascarillas tanto quirúrgicas como antipartículas de grado P1, P2, N95, y P3. En este informe explicamos su funcionamiento, y finalizamos con una tabla de valores de eficiencia de filtración de aerosoles de 300 nm de distintos filtros, tanto homologados como posibles alternativas factibles en situación de emergencia. Para ello hemos seguido el protocolo del CSIC, de Miguillón et al. [1]. Es importante resaltar que se ha hecho sobre una muestra poco representativa y que este estudio debe entenderse como una mera orientación. Las medidas se han hecho sobre una única muestra de cada filtro y para dar una visión orientativa de su capacidad de filtrado. Por otro lado, en el estudio no se valora la transpirabilidad de los filtros, solo su grado de filtrado. Al estar infectados, liberamos gotas con carga vírica tanto en forma de gotas proyectadas, como aerosoles de una amplia distribución de tamaños, al hablar, estornudar, toser e incluso durante la respiración normal [1]. La carga vírica es proporcional al tamaño de gota emitida, de este modo las gotas más grandes de saliva, con mayor carga vírica [1], caerán al suelo o cualquier otra superficie, y pueden ser paradas por cualquier barrera física: desde un cubrebocas de tela a una visera. Por otro lado, al caer sobre superficies y suelo, y mantenerse activo muchas horas, incluso días, en función de la superficie [2], recomendamos desinfectar cada objeto que entra en nuestro domicilio [3]. Ahora nos centraremos en las gotas potencialmente cargadas de virus que quedan en suspensión, que en lugares con poca ventilación y cerrados, como un ascensor, o ambientes

infecciosos, como la Unidad de Cuidados Intensivos (UCI) de un hospital, son un problema por acumulación, detectándose a 4 metros de pacientes en UCIs, en el aire [4]. Esto es así porque tanto en estornudo, tos o simple exhalación se liberan gotas submicrométricas que por su elevado ratio área/volumen acaban por evaporarse y dejar los virus en suspensión [1], dependiendo de la humedad relativa del ambiente. En suspensión el SARS-CoV-2 se ha comprobado que se mantiene activo por más de 3 horas, aunque con mucha probabilidad es más tiempo dado que el estudio acababa a las 3 horas [2]. Esto, unido al hecho de que los pacientes infectados exhalen constantemente estos aerosoles, y que se generen en muchos procedimiento llevados a cabo en las UCIs, es lo que hace los ambientes tipo UCI muy hostiles para los profesionales sanitarios. En el Anexo I proveemos los cálculos de física de aerosoles demostrando que los aglomerados de este virus de diámetro < 600 nm pueden permanecer en suspensión indefinidamente. Aunque con ventilación adecuada, se pueden eliminar del lugar. Por otro lado, para el resto de personal sanitario, fuera de UCIs, un metaanálisis encuentra que ante la carencia de mascarillas antipartículas, se puede optar por el uso de mascarillas quirúrgicas para ambientes de menor riesgo en hospital [5]. Teniendo en cuenta lo dicho por el artículo del Centro para el Control y Prevención de Enfermedades en USA (CDC) [4], el personal trabajando en UCIs entrarían dentro del ambiente hostil que necesita filtrado antipartículas del mayor grado posible.

Los filtros partículas, como P1, P2, N95 o P3, constan de varias capas de material poroso, con un tamaño de cientos de nanómetros en el mejor de los casos, claramente insuficientes para un virus de 60 nm. Pero si la mascarilla es estanca contra la cara y el virus solo puede atravesar el material filtrante, este se comporta como un laberinto de filamentos con las condiciones necesarias para que el virus acabe en estas debido al movimiento Browniano. Este es el régimen de captura por difusión. Esta captura se ve mejorada con la carga electrostática de la mayoría de polímeros plásticos de las que están hechos estos filtros. De hecho cuanto más pequeño es el aerosol, más fácil se captura por este mecanismo. Y por la misma razón, al incrementar el tamaño disminuye la captura de aerosoles, con un mínimo en 300 nm [1]. Esta es la razón por la cuál la eficiencia de los filtros se define para este tamaño de partícula.

Ante la incapacidad de fabricación de suficiente material homologado, y en ausencia de la capacidad de realización de todos los ensayos normalizados a material alternativo, IDAEA-CSIC diseñó un sistema para determinar la capacidad de filtración de materiales que puede servir como marco orientativo en la actual situación de emergencia [1]. Cabe destacar que este sistema no pretende ser una alternativa a los protocolos de certificación ni una réplica de los sistemas normalizados, sino que ha sido diseñado con base en los conocimientos científicos y técnicos sobre filtración de partículas y el SARS-CoV-2 y considerando la viabilidad con los medios de que se dispone.

La Universidad de Granada cuenta con la instrumentación necesaria para replicar el sistema diseñado por IDAEA-CSIC [1], que se basa en la generación de aerosoles, selección de las

partículas de un determinado tamaño (300 nm principalmente), y determinación de la concentración de partículas generada antes y después de pasar por el material a testar. El sistema utilizado por la Universidad de Granada consta de un generador de aerosol (Aerosol Generator, TSI), un clasificador de tamaños de aerosol (SMPS, Electrostatic Classifier Model 3082, TSI) y dos contadores ópticos de partículas (CPC 3775 y 3776, TSI). En el Instituto Interuniversitario de Investigación del Sistema Tierra en Andalucía (IISTA-CEAMA) se ha llevado a cabo el ensayo de diferentes materiales contando con cloruro sódico a 0.5 M. El sistema selecciona partículas de cloruro sódico de un determinado tamaño (300, 100 y 500 nm en este trabajo) y posteriormente se mide la concentración de partículas en ambos contadores de partículas: uno con el filtro antes de la entrada y otro sin filtro. Cada uno de los contadores mide a un flujo de 1.5 lpm (litros por minuto) y ambos equipos han sido comparados antes de las mediciones. Además, el equipo SMPS ha sido calibrado previamente mediante comprobación de látex a 203 nm. El portafiltro acomoda un filtro de 25.9 mm de diámetro y es aprisionado con una junta tórica. Es importante recalcar que el flujo se fija en 1.5 lpm, lo cual permite comparar entre medidas, pero no da información sobre la respirabilidad (o transpirabilidad) del filtro en cuestión. Por otro lado, queremos recalcar que de cada material se escoge una muestra, por lo que los resultados podrían no ser representativos de cada material estudiado. Por ejemplo, se estudió un tipo concreto de bayeta de cocina, y no podemos asegurar que la eficiencia de filtrado no varíe entre marcas. De nuevo, este estudio pretende dar una orientación somera de eficiencias de filtrado, en el contexto de emergencia sanitaria.

Figura 1. Montaje experimental.

Figura 2. Detalle del generador de aerosol y del filtro total.

Figura 3. Celda de medida. Izquierda: entrada de aerosol. Derecha: portafiltro.

Figura 4. Celda montada y aislada con cinta de neopreno. Arriba, presa para la celda.

Antes de comenzar las medidas, se ha comprobado que no existen pérdidas en el portafiltros utilizado. Posteriormente, la metodología seguida para cada medida ha sido la siguiente:

● Con cada una de las muestras situadas en el portafiltros, se usa un filtro total (Parker Balston) para asegurar que no existen fugas.

● Se genera el aerosol, se selecciona el tamaño de aerosol con el clasificador electrostático, a 300 nm (adicionalmente para algunas medidas se seleccionan los tamaños de 100 nm y 500 nm).

● Se hace pasar por un total de 5 minutos, con 4 medidas que se prorratean, obteniendo de este modo una media y una desviación estándar en cada uno de los contadores de partículas.

● Se calcula el porcentaje de filtrado al tamaño de partícula seleccionado dividiendo las partículas por centímetro cúbico pasando por el filtro entre partículas por centímetro cúbico sin pasar por el filtro, ambas medidas simultáneas.

● El error se toma con una cota inferior de 0.01%. Adicionalmente, se tomaron fotografías de los materiales probados con un microscopio de 80 aumentos. A continuación se presentan de mayor grado de filtrado a menor los materiales y resultados obtenidos. Es importante así mismo distinguir entre porcentajes de filtrado de un filtro, y porcentaje de fuga hacia el interior de una mascarilla antipartículas, ya que esta última presentará por norma una eficiencia menor que la del filtro de la que está compuesta, al tener en cuenta factores como estanqueidad contra la cara. Al final presentamos una tabla comparativa entre materiales. 1) Mascarilla FFP3 y filtros HME: Esta mascarilla debe parar al menos el 98% de aerosoles según la norma UNE EN-149:2001+A1. Se compone de las siguientes capas, de cara interior a exterior:

Figura 5. Imágenes con microscopio a 80x de las capas de una mascarilla FFP3.

Figura 6. Portafiltro con la muestra de una mascarilla FFP3.

Eficiencia de filtrado: 300 nm: 99.99±0.01% 100 nm: 99.99±0.01% 500 nm: 99.99±0.01% 2) Filtro “Breathing filter” HME (estos deben estar sólo disponibles para hospitales): Eficiencia de filtrado: 300 nm: 99.99±0.01% 100 nm: 99.99±0.01% 500 nm: 99.99±0.01% Tras usarlo 5 horas y media, la eficiencia es la siguiente: 300 nm: 99.67±0.01%

3) Mascarilla quirúgica:

Figura 7. Imágenes con microscopio a 80x de las capas interior y exterior de una mascarilla

quirúrgica.

Figura 8. Portafiltro con la muestra de una mascarilla quirúrgica.

Eficiencia de filtrado: 300 nm: 75.9±0.8% 100 nm: 87±10% 500 nm: 83.3±0.8%

4) Alga nori (cuidado: fragil a la torsión):

Figura 9. Imágenes con microscopio a 80x de lámina de alga nori.

Figura 10. Portafiltro con la muestra de alga nori.

Eficiencia de filtrado: 300 nm: 69±3%

5) Bayeta de cocina y gamuza atrapapolvo: Tanto la bayeta de cocina (65% viscosa, 20% poliéster, 15% polipropileno) como la gamuza atrapapolvo (92% poliéster, 8% polipropileno) son de la marca Bosque Verde.

Figura 11. Imágenes con microscopio a 80x de la gamuza atrapapolvo y la bayeta de cocina.

5.a) Primero comprobamos la eficiencia de una capa de bayeta de cocina:

Figura 12. Portafiltro con una capa de bayeta de cocina.

Eficiencia de filtrado: 300 nm: 31±6%

5.b) Probamos doble capa de bayeta de cocina + 1 capa de gamuza atrapapolvo:

Figura 13. Portafiltro con dos capas de bayeta de cocina y una capa de gamuza atrapapolvo.

Eficiencia de filtrado: 300 nm: 50±10% 6) Tela de poliéster de 94 g/cm2 y 270 g/cm2:

Figura 14. Imágenes con microscopio a 80x de la tela de poliéster de 94 (izquierda) y 270

(derecha) g/cm2.

Figura 15. Portafiltro con dos capas de bayeta de cocina y una capa de gamuza atrapapolvo.

Eficiencia de filtrado de tela de poliéster de 94 g/cm2: 300 nm: 34±9% Eficiencia de filtrado de tela de poliéster de 270 g/cm2: 300 nm: 31±8%

7) Gorro quirúrgico de celulosa, 2 láminas:

Figura 16. Imágenes con microscopio a 80x del gorro quirúrgico de celulosa.

Figura 17. Portafiltro con dos capas de gorro quirúrgico de celulosa.

Eficiencia de filtrado: 300 nm: 28±7% Tabla comparativa de eficiencias de filtrado, a 300 nm (1.5 l/min):

FFP3 99.99±0.01%

HME (breathing filter) 99.99±0.01% (tras 5h30min de uso: 99.67±0.01%)

Quirúrgica 75.9±0.8%

Alga nori 69±3%

Bayeta 31±6%

Bayeta 2 capas + gamuza atrapapolvo 50±10%

Tela poliéster 94 g/cm2 34±9%

Tela poliéster 270 g/cm2 31±8%

Gorro celulosa 2 capas 28±7%

Informe redactado por M.A. Fernandez-Rodriguez (Universidad de Barcelona). Colaboradores: J.A. Casquero-Vera, F.J. Olmo-Reyes, y L. Alados-Arboledas (Universidad de Granada, Instituto Interuniversitario de Investigación del Sistema Tierra en Andalucía). Agradecemos a la Universidad de Granada el soporte a estas medidas dentro de su plan de actuación COVID-19. Versión v1, 25 abril 2020.

Referencias

[1] Minguillón et al. Emisión y exposición a SARS-CoV-2 y opciones de filtración, Instituto de Diagnóstico Ambiental y Estudios del Agua (IDAEA), CSIC, Informe v3, 15 abril 2020. https://www.csic.es/sites/default/files/informe_caracteristicas_sars-cov-2_y_opciones_filtracion_idaea-csic_15_abril.pdf [2] van Doremalen et al. Aerosol and Surface Stability of SARS-CoV-2 as Compared with SARS-CoV-1, The New England Journal of Medicine, 16 abril 2020. https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMc2004973 [3] del Caño. Cómo evitar contagios al hacer la compra (y otros consejos para el súper), El País, 15 marzo 2020. https://elcomidista.elpais.com/elcomidista/2020/03/15/articulo/1584282396_748921.html [4] Guo et al. Aerosol and Surface Distribution of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 in Hospital Wards, Wuhan, China, Emerging Infectious Diseases, 10 abril 2020. https://wwwnc.cdc.gov/eid/article/26/7/20-0885_article [5] Bartoszko et al. Medical Masks vs N95 Respirators for Preventing COVID-19 in Health Care Workers A Systematic Review and Meta-Analysis of Randomized Trials, Influenza and Other Respiratory Viruses, 4 abril 2020. https://doi.org/10.1111/irv.12745 [6] Zhu et al. A Novel Coronavirus from Patients with Pneumonia in China, The New England Journal of Medicine, 20 febrero 2020. https://dx.doi.org/10.1056/NEJMoa2001017 [7] Nakagomi. Fundamentals of Ultracentrifugal Virus Purification, Beckman Coulter, https://www.beckman.com/resources/reading-material/interviews/fundamentals-of-ultracentrifugal-virus-purification

Anexo I: Aquí discutiremos la razón física por la que estos virus en aerosol, por debajo de un cierto tamaño, no sedimentan (imagen reproducida con permiso del Prof. Lucio Isa, del ETH-Zurich):

Tenemos por un lado la velocidad de sedimentación vs que extraemos de la gravedad menos el rozamiento por viscosidad del fluido/gas, en nuestro caso aire. Para una distancia característica R (radio del virus, tomamos el más pequeño publicado, 30 nm [6]) tenemos un tiempo característico ts= R/vs. Cuanto más pequeño sea este tiempo más grande es vs dominando así la sedimentación.

Por otro lado tenemos la difusión Browniana con la expresión de Einstein-Stokes. En este caso tD es tanto más pequeño cuanta más difusión haya, y por lo tanto más domina la difusión.

Queremos comparar ambas, así que dividimos tD/ts que se iguala a 1 en la imagen para ver el caso en que son del mismo orden, pero en nuestro caso particular será un número distinto.

Despreciando cualquier otra componente de las gotas en suspensión que no sean virus, la densidad es de unos 700 kg/m3 (1700 kg/m3 es la densidad de flotabilidad en agua) [7]. El radio R de virus más pequeño es 30 nm, g es la aceleración de la gravedad y KBT= 4.11e-21 J a temperatura ambiente.

Con estos datos:

tD = 10-6 ts

Por lo tanto, tD es 6 órdenes de magnitud menor que tS, y el virus aislado en aerosol está claramente dominado por la difusión y por lo tanto no sedimenta.

Explicado de otro modo, en lo que al virus le da tiempo a caer un radio por sedimentación ya ha sufrido del orden de 6 órdenes de magnitud más movimiento Browniano. Esto quiere decir que en aire estándar en reposo un virus aislado se queda en suspensión indefinidamente.

Una visión microscópica del fenómeno es que al ser tan pequeños, aunque puedan sedimentar por densidad, los choques con las moléculas de gas en el que están suspendidas no les dejan, en tanto que estos son aleatorios y también ocurren desde abajo hacia arriba, incrementado substancialmente el tiempo de suspensión de la partícula.

Pero esto es aire estándar en reposo, una corriente de aire lo arrastra, la lluvia lo precipita, etc.

Veamos ahora cuántos virus necesitamos juntos formando una sola entidad o aglomerado para que el tiempo de sedimentación sea comparable al de difusión y podamos considerar que con mucho tiempo podrían sedimentar:

tD/ts=1,

El resultado nos muestra un radio de “aglomerado” de virus de aproximadamente 600 nm, en los que caben del orden de 100 virus, despreciando otras componentes del aglomerado.

La mayoría de aglomerados cumplen este tamaño o mayor, y terminan por sedimentar con el tiempo. Pero habrá una fracción de estos aerosoles que sea menor en tamaño y se mantenga en suspensión por mucho tiempo, y esto no es despreciable en un entorno donde se incorporan estos aerosoles infecciosos todo el tiempo, por la exhalación, tos, estornudos y procedimientos médicos de pacientes infectados, esto es, en una UCI de hospital.