Sector Técnico

La tecnología está orientada al área medioambiental, más particularmente, corresponde un filtro de aire de aleaciones magnéticas base cobre, útil para reducir microorganismos en suspensión al interior de recintos hospitalarios y otros recintos cerrados con alta densidad de carga microbiana.

Técnica Anterior

La contaminación microbiana es uno de los parámetros más importantes de la contaminación del aire al interior de recintos clínicos (Chang et al., 2015). Dichos microorganismos (bacterias y hongos) causan infecciones intrahospitalarias (nosocomiales), enfermedades contraídas por contacto, por vías respiratorias e infecciones durante cirugía (Chang et al., 2015; Stauning et al., 2018). Esto es un riesgo potencial, no sólo para pacientes, sino que también para los trabajadores de la salud (Cabo Verde et al., 2015). Por esto, las enfermedades nosocomiales son una preocupación de salud mundial y, por esa misma razón, es de vital importancia conocer los límites máximos de carga microbiana en un establecimiento de atención clínica (Bhattacharyya et al., 2015). Sin embargo, la Organización Internacional para la estandarización (ISO) no ha establecido rangos de carga microbiana en ambientes hospitalarios, sólo remitiéndose a estandarizar los rangos de microbiota aérea en laboratorios y los procedimientos para la toma de muestras de aire, para su análisis microbiológico (Napoli et al., 2012; Aguiar et al., 2014; Cabo Verde et al., 2015).

Numerosos estudios acerca de la carga de la microbiota aérea tanto de ambientes clínicos y de otros tipos, han surgido recientemente. Muchos de estos hacen referencia a los rangos de microbiota aérea permitidos por los organismos de salud de los respectivos países (Chang et al., 2015; Cabo Verde et al., 2015; Fujiyoshi et al., 2017; Svajlenka et al., 2018; Stauning et al., 2018). La mayoría trata sobre hongos, habiendo escasa información acerca de bacterias (Fujiyoshi et al., 2017). Entre las mencionadas normas, destacan la norma británica de la Sociedad de Infección de la Salud ( Healthcare Infection Society, HIS) y la italiana del Instituto Italiano para la Seguridad Ocupacional y Prevención (ISPESL), que coinciden en un máximo de 35 UFC nr ³ para espacios vacíos y de 180 UFC nr ³ para espacios ocupados; la norma portuguesa del Ministerio del Ambiente portugués establece un máximo de 350 UFC nr ³ , y la recomendación taiwanesa de la Administración de Protección del Medioambiente (EPA) estima un máximo de 1000 UFC nr ³ (Napoli et al., 2012; Chang et al., 2015; Stauning et al., 2018; Cabo Verde et al., 2015). En Chile, no existen estudios acabados al respecto, por lo que determinar cuantitativamente la cantidad de bacterias y hongos, y disminuirlos en el aire de centros clínicos es primordial. Hasta ahora, los sistemas purificadores de aire de alta eficiencia (HEPA) han representado el estándar de la industria en la filtración de partículas en el aire al interior de los centros clínicos. Estos dispositivos retienen el 99,7% de las partículas de tamaño mayor a 0,3 mhi, lo que es efectivo para hongos como C. albicans, con un diámetro de 5 mhi para levaduras y 2 mhi para hifas, y para bacterias patógenas como S. aureus cuyo diámetro es de 0,5 a 1,5 mhi, E. coli , 0,5 mGh, A. baumanii, 0,9 a 1,6 mhi, P. aeruginosa, 0,5 a 1 mhi , Kocuria rizophila, 1 a 1,5 mhi (Kovács et al., 1999; Dworkin et al., 2006; Day et al., 2017; Lagree et al., 2018). Sin embargo, los HEPA son difíciles de limpiar y mantener cuando ya se ha acumulado material particulado en ellos (Day et al., 2017). Además, el tamaño de poro no es regular y depende fuertemente de la disposición y tamaño de las fibras del polímero del que están constituidos (Balgis et al., 2017). Estos factores hacen que los sistemas HEPA sean más un problema que una solución a largo plazo. Dado esto, el diseño de un filtro de aire con un tamaño de poro regular y con un material de acción bactericida es de vital importancia.

Por otra parte, las propiedades bactericidas de numerosos materiales han sido probadas a lo largo de la historia. El cobre (Cu) se ha posicionado como uno de los metales fundamentales a nivel mundial y está presente en la vida cotidiana del hombre en todos los ámbitos. La tecnología derivada del Cu es muy amplia, debido a la combinación de sus propiedades anticorrosivas, conductividad eléctrica y térmica. Actualmente, además de las excelentes propiedades anticorrosivas, conductividad eléctrica y térmica, el Cu posee propiedades antimicrobianas que no poseen otros metales, que han suscitado un interés creciente de exacerbar su aplicabilidad en todo el mundo.

En 2008, la U.S. Environmental Protection Agency (EPA) aprobó el registro de 275 aleaciones base Cu, reconociendo su propiedad antibacteriana, para su uso en superficies de contacto sólidas con aplicación en salud, posicionando al cobre como el primer metal que cuenta con la certificación de esta propiedad. Lo destacable, según los estudios clínicos realizados en Estados Unidos y Chile, es que la acción del cobre es continua, permanente y altamente efectiva como metal antimicrobiano, capaz de eliminar el 99,99% de las bacterias en un corto período de tiempo. Lo anterior se atribuye a que el cobre es un inhibidor natural del crecimiento de bacterias, donde los microbios desaparecen o inhiben al entrar en contacto con este metal.

El Cu es ampliamente usado, principalmente, en el recubrimiento de superficies (Brenner et al., 2003; Marra et al., 011). Dicho metal ha sido investigado sobre bacterias patógenas transmitidas por alimentos, como Salmonella typhimurium y Listeria monocytogenes ; sobre Salmonella entérica, Campylobacter jejuni, E. coli 0157:H7, S. aureus resistente a meticilina (SARM) y, recientemente, se ha informado de la actividad del cobre sobre microorganismos aislados de mastitis bovina, como E. coli, Staphylococcus coagulasa negativa (CNS), S. Uberis y S. aureus (Mittal et al., 2002; Tang et al., 2009; Miaskiewicz-Peska et al., 2011; Salgado et al., 2013; Reyes et al., 2016). En otro estudio, el Cu redujo en 83% las bacterias depositadas en componentes fabricados en base a dicho metal ( World health organization, WHO, 2009). Así, se ha determinado que el Cu reduce la tasa de infección en 58% en salas de pacientes con componentes elaborados de cobre, en comparación a salas con componentes de materiales plásticos y de acero inoxidable, entre otros. Hasta ahora, se ha informado que la acción bactericida del Cu ocurre entre 15 min hasta 60 min de contacto (Bailo et al., 2016; Galani et al., 2016; González et al., 2017). También se ha registrado el efecto bactericida del Cu sobre biopelículas de bacterias patógenas hasta con 6 h de exposición (Singh et al., 2017). Además, SARM, uno de los principales patógenos de las infecciones asociadas a atención de salud (IAAS), desaparece en menos de 1h en una superficie de cobre puro, mientras que en superficies de acero inoxidable SARM permanece viable por sobre 72 h (Salgado et al., 2013). Los estudios expuestos anteriormente, junto a variadas aplicaciones antimicrobianas como tejidos auto-desinfectantes, en guantes de látex, colchones, ropa de cama y pinturas con contenido en cobre para superficies en el ámbito hospitalario y superficies de catéteres, demuestran que el cobre es un efectivo material bactericida.

Por otro lado, la actividad bactericida de materiales magnéticos también es conocida (Staffolani et al., 1991; Háfeli et al., 1997). Sin embargo, escasos estudios se han realizado al respecto y los avances alcanzados son recientes. Así, se ha encontrado que el campo magnético disminuyó el crecimiento de bacterias propias de la placa bacteriana de cavidad oral, como Streptococcus parasanguinis, Staphylococcus epidermidis, Rhodococcus equi y el hongo C. albicans, dándose en esta última especie el efecto más importante (Brkovic et al., 2014). También, se ha informado que biopelículas de P. aeruginosa son suprimidas significativamente por campos magnéticos, los que, además, potencian el efecto de antibióticos como ciprofloxacina (Bandara et al., 2015). La limitación de estos estudios fue que todos probaron materiales magnéticos convencionales basados en ferrita (Fe203), cuyo campo magnético consta con una remanencia de 0,32 T y un rango de energía bajo entre 2 a 80 KJ nr ³ . Los materiales magnéticos de alta energía son aquellos cuyo rango de la misma excede los 80 KJ nr ³ , entre los que destaca el samario cobalto (SmCos) con una energía de 170 KJ nr ³ y una remanencia de 0,92 T (Ramanujan, 2009).

Estudios han demostrado que los campos magnéticos sobre las bacterias afectan su deterioro celular. Particularmente, se demostró que el SmCos, posee una actividad bactericida sobre patógenos como Escherichia coli y Staphylococcus aureus desde 24 h hasta 48 h de exposición (Abdel-Kader et al., 2012). El efecto supresor de microorganismos del SmCos ha sido escasamente investigado, siendo probado principalmente en la elaboración de implantes ortodónticos. Así, el SmCos incluido en brackets dentales, ha demostrado tener un efecto supresor in vitro sobre bacterias propias de la microbiota oral y el hongo C. albicans, siendo este último el más sensible al mencionado material (Staffolani et al., 1991). Además, el uso de combinaciones de 2 antibióticos es ampliamente recomendado para evitar la selección de bacterias resistentes a dichos agentes (Leekha et al., 2011; Paterson et al., 2016).

A continuación, se detallan algunas patentes vinculas con la presente tecnología:

1.- Solicitud WO 2018/199579 (Je Dong Hyun et al.) divulga un filtro de cobre antibacteriano, que usa una red de cobre antibacterial, el cual está configurado de tal manera que el propio filtro tiene una función antibacteriana y esterilizante para erradicar un virus, una bacteria y un hongo del filtro, en donde el miembro antibacteriano de cobre incluye un marco de soporte para mantener una forma y una malla metálica dispuesta dentro del soporte marco, y formada por un filamento de cobre con una pureza del 99% o más o una aleación de cobre con un contenido de cobre del 60% o más.

2.- Solicitud US 2018/0085697 (Piry et al.) menciona un medio de filtro con acción antimicrobiana y un filtro de aire de cabina para filtrar aire en el interior de vehículos, que tiene al menos una primera capa de filtro donde se pueden retener los contaminantes, y una segunda capa adyacente a la primera capa que contiene agentes antimicrobianos, entre ellos metales antimicrobianos de cobre o compuestos de cobre.

3.- Patente US 9,561,458 B2 (Baek et al.) resguarda un filtro antibacteriano que comprende un compuesto de azufre a base de cobre. El filtro se procesa fácilmente, no tiene toxicidad y tiene excelente actividad anti bacteriana y desodorizante. Este filtro comprende un portador poroso que incluye microporos formados en el mismo y permite así que un fluido pase a través de los poros.

4 - Solicitud US 2012/0285459 (Sata et al.) resguarda un dispositivo de limpieza y desinfección que incluye un filtro de lámina de cobre del tipo lámina fotocatalítica permeable al aire.

5.- Patente US 5,840,245 (Coombs et al.) protege productos para el filtrado de aire que contiene un agente antimicrobiano, que reduce la cantidad de microorganismos presentes en el aire contaminado cuando éste se hace pasar a través de un filtro de aire. Donde el producto es fibra de vidrio poroso al aire y donde se encuentra un compuesto antimicrobiano orgánico de plata, cobre, oro o zinc.

6.- Solicitudes WO 2019/173849 (Hong et al.) y US 2019/021704 (Shastry et al.) divulgan la fabricación exitosa de espumas de aleación porosa de cobre y níquel, con propiedades potencialmente mejoradas y con una aplicabilidad más amplia respecto de las espumas metálicas puras. El procesamiento de las espumas se logra a través de la reducción de polvo de óxidos o procesos de sinterización del polvo de solución sólida Cu-Ni, con estructuras de poro abierto y variada en tamaño y morfología. Las espumas de estas soluciones sólidas con diferentes % Cu-Ni, ofrecen una resistencia a la corrosión superior respecto de espumas de Cu o Ni puro. 7.- Solicitud CN109778155 (Li Chanjuan) describe un método para preparar espuma de cobre mediante electrodeposición en cuatro etapas, empleando para ello estructura de espuma de poliuretano que se introduce en una solución química de cobre con agentes complejantes seguido de un estabilizador. Luego se realiza la galvanoplastia de cobre, donde el material de espuma se introduce en una solución de sulfato de cobre y luego se electrifica. Finalmente, se realiza la sinterización y reducción de la espuma.

En base a estos antecedentes aún persiste la necesidad de desarrollar nuevas alternativas para el filtrado de aire en lugares semi-cerrados.

Breve descripción de las figuras

Figura 1: Imágenes SEM de la morfología, rugosidad y tamaño de partículas de las aleaciones compuestas de Cu-Co-Fe, procesadas por molienda mecánica Figura 2: Imágenes de las probetas elaboradas, donde (a) corresponde a la probeta cilindrica de cobre puro, (b) corresponde a la misma probeta, pero con mayor acercamiento (50x), donde se observa la morfología de los poros; imágenes (c), (d), (e) y (f) corresponden a imágenes SEM con alta magnificación donde se muestra la superficie basal y lateral de la probeta cilindrica de Cu, con las porosidades interconectadas y la unión superficial entre las partículas de Cu.

Figura 3: Imágenes de difracción de rayos-x (DR-x) de las aleaciones molidas Cu-Co-Fe, donde los espectros identifican las diferentes fases sólidas formadas y los % pp, su parámetro de red, estructura cristalina Figura 4: Gráficos de magnetismo de las aleaciones Cu-Co-Fe.

Figura 5: Gráfica sobre la caída de presión de un filtro magnético.

Figura 6: Diseño y construcción de portafiltros.

Figura 7: Ensamble del sistema de filtrado.

Figura 8: Gráfica sobre el recuento de bacterias en placas de ATS, bajo uso del prototipo a baja carga bacteriana en la sala de espera del Centro de Salud Primaria.

Figura 9: Gráfica sobre el recuento de bacterias en placas de ATS, bajo uso del prototipo a alta carga bacteriana en la sala de espera del Centro de Salud Primaria.

Figura 10: Gráfica sobre el recuento de hongos en placas de agar Sabouraud, bajo uso del prototipo, a baja carga fúngica en la sala de espera del Centro de Salud Primaria.

Figura 11: Gráfica sobre el recuento de hongos en placas de agar Sabouraud, bajo uso del prototipo, a alta carga fúngica en la sala de espera del Centro de Salud Primaria.

Divulgación de la Invención

La presente tecnología corresponde a un filtro de aire de aleaciones magnéticas base cobre, útil para reducir microorganismos en suspensión al interior de recintos hospitalarios y otros recintos cerrados con alta densidad de carga microbiana; además del proceso de elaboración de dicho filtro. Más particularmente, este filtro de aire se compone de placas porosas de aleaciones magnéticas de base cobre, siendo preferentemente aleaciones de Cu-Co-Fe, donde sus aleantes (Co y Fe) pueden encontrarse entre los rangos 5 - 10% p/p de Co y 5 - 10% p/p Fe. Otras aleaciones magnéticas factibles de utilizar en las placas porosas son una mezcla Cu-SmCos donde el rango puede variar entre 10-15%pp de SmCos. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que el valor comercial del SmCo5 es muy superior al de Fe y Co y, por tanto, encarece el costo de las placas porosas. Este filtro de aire ventajosamente provoca el deterioro celular y mortandad rápida sobre diferentes patógenos del tipo Escherichia coli , Staphylococcus aureus, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aerug inosa, Candida albicans y Kocuria rizophila.

La obtención de placas de cobre magnético se logra, reforzando polvo de cobre de alta pureza, con una dispersión de partículas muy finas de naturaleza magnética. Donde las aleaciones Cu-Co-Fe o Cu-SmCos son procesadas mediante pulvimetalurgia, a través de una molienda mecánica de mezcla de polvos de los elementos Cu, Co y Fe, o Cu y SmCos generando polvos de la aleación compuesta requerida. Esta técnica permite obtener aleaciones estables con una composición homogénea.

Específicamente, el proceso de elaboración del filtro de aire comprende las siguientes etapas: a. Obtención de las aleaciones magnéticas mediante molienda mecánica: a.1. Preparación de la mezcla de polvos de los elementos Cu, Co y Fe: se deben pesar los polvos de Fe y Co en la proporción fijada, entre 5 - 10%p/p para un contenido máximo de 15% de estos aleantes y cobre en polvo entre 90 - 95% p/p. Esta manipulación de polvos se debe realizar al interior de una cámara libre de oxígeno, la cual debe estar conectada a una bomba extractora de aire y a gas de argón con 99,9% de pureza, de manera de extraer aire e inyectar argón puro en al menos 3 ciclos de vaciado aire-argón y 3 ciclos de llenado de argón, para eliminar la probabilidad de contaminación y oxidación superficial de los polvos. A continuación, los polvos de Cu-Fe-Co se deben introducir en un contenedor cilindrico de plástico con bolas de cerámicas, también bajo argón, se debe cerrar herméticamente el cilindro y ubicarlo en un molino de barras a baja velocidad (20 - 30 rpm) durante 15 a 30 min (dependiendo del volumen de polvo). Lo anterior permite homogeneizar la mezcla de polvos y reducir así fenómenos de segregación química de elementos en el producto final consolidado. a.2. Proceso aleado mecánico: en un molino planetario compuesto por jarros de acero inoxidable martensítico de al menos 500cc, se deben introducir bolas de 20 mm de diámetro de acero inoxidable martensítico en cada jarro, la mezcla de polvo homogeneizada y un agente dispersante del tipo preferente etilenglicol o copolímero de fósforo y ácido carboxílico (PCA) (1 - 5%vol.), que se dispersa en gotas sobre las bolas y la mezcla de polvo. La cantidad de gotas añadidas es acorde al volumen de polvos Cu-Co-Fe que se mezclan (por cada 50 g de polvo se requieren 3%vol. de gotas). Este molino debe operar a una velocidad entre 200 - 250 rpm durante 5 - 20 h de molienda efectiva, con ciclos de detención y operación, cambiando sentido de giro y con una razón de carga entre masa bolas/masa polvo igual a 10/1 o 20/1. Los dispersantes actúan como agente controlador del proceso para minimizar la aglomeración de las partículas durante la molienda y reducir así la soldadura en frío entre partículas que se produce por excesiva deformación plástica de las partículas dúctiles durante los impactos de éstas entre bolas y bolas con la pared. Estos dispersantes, además, actúan como lubricante y refrigerante, y son removidos fácilmente en la primera fase de la sinterización. Una vez completada la molienda, se retiran los jarros del molino conteniendo las bolas y la aleación en polvo, los que se introducen al interior de una cámara libre de oxígeno, donde se hace vacío y se aplica argón puro, repitiendo los ciclos de llenado/vaciado para evitar la contaminación de la mezcla aleada por oxígeno, una vez abiertos. El contenido de aleación en polvo se puede almacenar en vacío en contenedores mayores, durante períodos largos hasta su utilización en la fabricación de las placas porosas. b. Compactación de las placas porosas de aleaciones de cobre:

La consolidación de las aleaciones se realiza a través de la compactación en caliente bajo atmósfera inerte de argón puro, preferentemente, en una prensa caliente. Se utiliza una matriz de grafito, donde la cavidad interna de ésta y el punzón que compacta el polvo de aleación magnética poseen el diámetro final de las placas porosas. Para ello, se deben mezclar los polvos de cobre y de la aleación magnética correspondiente (generando un compuesto base Cu) con un agente espaciador tipo preferente, NaCI (30 - 50% p/p) con un tamaño de partícula entre 100 a 400 micrones acorde a la densidad y tamaño de los poros requeridos, para asegurar el paso eficiente del aire a través de la placa-filtro. El mezclado de los polvos se realiza durante 10 - 20 min, para asegurar la homogeneidad de mezclado. Se adiciona proporcionalmente un 1% en peso de aglutinante (etanol) en forma de gotas a la mezcla de polvo y, a continuación, esta mezcla se debe verter en una matriz de grafito de prensa caliente. Las mezclas se pre-consolidan a diferentes temperaturas que varían entre 350 - 450°C, aplicando una carga variable entre 500 - 1000 kg, en atmósfera de argón para prevenir la oxidación del material. Una vez extraídas las muestras del proceso de prensado en caliente, son sometidas a ciclos de remoción del agente espaciador en agua destilada caliente a 60°C, hasta comprobar por diferencia de masa que todo el espaciador fue removido. c. Preforma de compactación de las placas porosas:

Se realiza a través de una sinterización convencional a una temperatura inferior o igual a 750°C durante al menos 30 minutos en atmósfera de argón, obteniendo la placa porosa base cobre permeable con resistencia mecánica adecuada para la aplicación propuesta.

Estas placas porosas con porosidad distorsionada e interconectada, permiten que el aire al ingresar, circule a través de todas las cavernas irregulares e interconectadas, extendiendo el recorrido del aire en un tiempo suficiente para que las bacterias estén por un periodo más extenso en contacto con superficies de cobre magnético. Por contraposición, una porosidad de morfología tubular recta y de superficie lisa, no facilitará que las bacterias queden atrapadas en esa superficie.

Finalmente, la eficiencia del sistema de filtrado del aire, reduce considerablemente el tiempo de mortandad de las bacterias, superior al 50% en promedio respecto a cobre puro, lo que dependerá del tipo de bacteria. El magnetismo remanente del cobre magnético, provoca el deterioro celular y mortandad rápida sobre diferentes patógenos, como Escherichia coli , Staphylococcus aureus, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa y Candida albicans. Además, las placas porosas ventajosamente facilitan la extracción y limpieza del filtro de aire, que sólo se limita a un lavado y secado normal, a diferencia de los filtros comerciales que necesitan ser reemplazados cada cuatro meses.

Ejemplos de aplicación

Ejemplo 1. Proceso de elaboración de filtros de aire.

Se procedió primeramente a la obtención de placas porosas a partir de 6 aleaciones magnéticas, las que se detallan a continuación, con su respectiva velocidad y tiempo de molienda (parámetros de operación molienda mecánica):

A. Cu-5%Co-5%Fe con 156 rpm y 30 h de molienda;

B. Cu-5%Co-5%Fe con 156 rpm y 30 h de molienda;

C. Cu-10%Co-5%Fe con 250 rpm y 20 h de molienda;

D. Cu-5%Co-5%Fe 250 rpm con 20 h de molienda;

E. Cu-5%Co-10%Fe con 200 rpm y 20 h de molienda;

F. Cu-15%SmCo5Con 180 rpm y 10 h de molienda.

El proceso aplicado fue similar para todas las aleaciones propuestas y se describe en detalle a continuación como ejemplo para la aleación E: a. Molienda mecánica: se utilizó un molino de bolas Planetario, marca RETSCH modelo PM400, que permitía trabajar como máximo con 4 jarros de 500cc, simultáneamente. Se utilizaron sólo 2 jarros a la vez por molienda. Inicialmente, en un contenedor de plástico, se adicionaron los polvos de los elementos Co, Fe y Cu (según los % en peso de la aleación a desarrollar), los que fueron previamente pesados en balanza de precisión (3 dígitos después de coma) dispuesta al interior de una cámara interna de la denominada caja de Guantes, la cual estaba conectada a una bomba extractora de aire y a gas de argón con 99,9% de pureza, para extraer el aire e inyectar argón puro durante 3 ciclos de vaciado aire-argón y 3 ciclos de llenado de argón. A continuación, se agregaron 13 bolas de acero inoxidable martensítico de 20 mm de diámetro por recipiente/jarro de molienda de 500 cc y se incorporó la mezcla homogénea de polvos de Cu- 10%Fe-5%Co (% en peso) del molino de barras y 2% en volumen de etilenglicol como dispersante/lubricante, que se dispersó en gotas, sobre las bolas y la mezcla de polvo. El molino de bolas operó a una velocidad de 200 rpm durante 20 h de molienda, con detenciones de 10 minutos cada 20 min de molienda y cambio de giro en cada reinicio. Se utilizó una razón de carga entre masa bolas/masa polvo igual 10/1. Una vez finalizada la molienda se aplicó vacío en la cámara interna y se adicionó argón puro, repitiendo los ciclos de llenado/vaciado para evitar la contaminación de la mezcla aleada por oxígeno, una vez abiertos. La Figura 1, muestra las imágenes SEM de la morfología, rugosidad y tamaño de partículas de las diferentes aleaciones compuestas de Cu-Co-Fe y Cu-SmCos, procesadas por molienda mecánica. b. Compactación de las placas porosas de cobre y aleaciones de cobre: la consolidación de las aleaciones se realizó a través de la compactación en caliente bajo atmósfera inerte de argón puro, en una prensa con horno incorporado, que podía trabajar en vacío, argón y otras atmósferas, conocidas como ΉOT PRESS” o Prensa Caliente. Se utilizó una matriz de grafito, donde la cavidad interna de ésta y el punzón que compactaba el polvo de aleación magnética serían el equivalente al diámetro final de las placas porosas. Para ello, se mezclaron polvos de cobre y de la aleación magnética con 30% p/p de NaCI como agente espaciador con un tamaño de partícula entre 100 a 400 micrones acorde a la densidad y tamaño de los poros requeridos, para asegurar el paso eficiente del aire a través de la placa-filtro. El mezclado de los polvos se realizó durante 15 min, para asegurar la homogeneidad de mezclado. Se adicionó un 1% en peso de etanol como aglutinante en forma de gotas a la mezcla y, a continuación, esta mezcla fue vertida en una matriz de grafito de la prensa caliente. Las mezclas se pre-consolidaron a diferentes temperaturas (350 - 450°C), aplicando una carga variable entre 500 - 1000 kg, en atmósfera de argón para prevenir la oxidación del material. Una vez extraídas las muestras del proceso de prensado en caliente, éstas fueron sometidas a ciclos de remoción del agente espaciador en agua destilada caliente a 60°C, hasta comprobar por diferencia de masa que todo el espaciador había sido removido. c. Preforma de compactación de las placas: se realizó a través de una sinterización convencional a una temperatura de 700°C durante 30 minutos en atmósfera de argón extrapuro, obteniendo la placa porosa de base cobre permeable con resistencia mecánica.

Todas las placas-probetas obtenidas presentaron un diámetro de 25,4 mm y una altura de 16 mm, las que se observan en la Figura 2, donde (a) corresponde a la probeta cilindrica de cobre puro y (b) a la misma probeta, pero con mayor magnificación (50x). Se puede apreciar la distribución regular y homogénea de los poros luego de la eliminación de la sal de cloruro de sodio. En la misma Figura 2, pero con mayor magnificación (c, d, e y f) se muestran imágenes SEM de la superficie basal y lateral de la probeta cilindrica de Cu, con las porosidades interconectadas. En particular en la Figura 2 (e) se exhibe la unión superficial entre las partículas de Cu. Ejemplo 2. Evaluación de las propiedades de los filtros de aire.

Para la determinación de las propiedades de los materiales aleados en polvo elaborados en el Ejemplo 1, se realizaron los siguientes ensayos:

2.1.- Difracción de Rayos-X (DRx): este ensayo se realizó con la finalidad de evaluar las fases sólidas precipitadas y/o generadas durante la molienda mecánica. Específicamente, permitió evaluar la estructura cristalina, los parámetros de red y el % p/p de cada fase presente en cada aleación. El ensayo consistió en colocar polvo de aleación procesada por aleado mecánico en un portamuestra cilindrico de 2 cm diámetro y a una altura de 3 mm. La aleación en polvo debía ser de morfología y tamaño de partícula bastante homogénea. Si era muy granular o heterogénea, se debía moler en mortero hasta obtener un tamaño de partículas homogéneas. Este portamuestra se introdujo en un equipo de Difracción Bruker D4 Endeavour, utilizando radiación de Cu-Ka bajo 40kV y 20 mA en un rango de 5 - 90°. Las propiedades estructurales fueron estudiadas en el CENIM de Madrid (España) mediante refinamiento Rietveld, obteniendo la estructura cristalina, parámetros de red y % en peso de cada fase sólida. Los patrones de DR-x con sus respectivos refinamientos se presentan en la Figura 3, donde específicamente, los espectros corresponden a las aleaciones en polvo de: Cu-10%Co con 200 rpm y 30 h de molienda (A); Cu-5%Co-5%Fe 156 rpm y 30 h de molienda (B); Cu-10%Co-5%Fe con 250 rpm y 20 h de molienda (C); Cu-5%Co-5%Fe 200 rpm con 20 h de molienda (D); Cu-5%Co-10%Fe con 200 rpm y 20 h de molienda (E); y Cu-15%SmCos con 180 rpm y 10 h de molienda (F). Los resultados de DR-x de las 6 aleaciones, se resumen en la Tabla 1.

Tabla 1 . Resultados de Difracción de Rayos-x para diferentes variables de procesamiento

Los resultados de DR-x obtenidos de las 6 aleaciones desarrolladas, donde variaban los %pp de aleantes Co y Fe, además de la velocidad y tiempo de molienda, indican: la aleación B era muy heterogénea y se oxidó formando cuprita (CU2O). Las mejores aleaciones en polvo procesadas fueron C, D, E y F, donde el Co y Fe estaban disueltos en el cobre en solución sólida; y en particular la aleación D, evidenció una fase magnética FeCo, que incrementó el magnetismo remanente. Además, las aleaciones C, D y E resultaron más económicas comparadas con F (SmCo5) y requirieron sólo 20h de molienda respecto de A y B, que requirieron de 30h.

2.2.- Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) y Microanálisis con Espectrometría de Energía Dispersada (EDS): se realizaron estos ensayos con la finalidad de evaluar la morfología y tamaño de partículas de las aleaciones en polvo. Con el EDS se realizó un microanálisis composicional a las partículas de aleación; donde se evaluó la distribución y % de los elementos en diferentes áreas. Los resultados promedios de los microanálisis puntuales y de área realizados a las 6 aleaciones, mostraron homogeneidad química relativa de Fe, Co y también de SmCos (muestra F) entre las diferentes zonas de cada muestra analizada con EDS, con variaciones menores dependiendo del área o puntos seleccionados.

En la Figura 2 se presentan las imágenes SEM de la morfología y tamaño de partículas de las aleaciones compuestas procesadas por molienda mecánica: Cu-5%Co-5%Fe producidas bajo 156 rpm y 30 h de molienda- 500x (A); Cu- 5%Co-5%Fe con 156 rpm y 30 h de molienda - 500x (B); Cu-10%Co-5%Fe con 250 rpm y 20 h de molienda - 500x (C); Cu-5%Co-5%Fe 250 rpm con 20 h de molienda - 500x (D); Cu-5%Co-10%Fe con 200 rpm y 20 h de molienda - 500x (E); Cu-15%SmCo5 con 180 rpm y 10 h de molienda - 500x (F). Se deduce de estos resultados, que el tamaño y morfología de las partículas obtenidas, depende de la cantidad %p/p de aleantes (Fe, Co y otros), del tiempo y velocidad de molienda.

2.3.- Magnetismo: este ensayo permitió evaluar las propiedades magnéticas de las aleaciones en polvo.

El ensayo de mediciones magnéticas, se realizó con un Magnetómetro de muestra Vibrante (VSM) de 1 TESLA. Este ensayo permitió evaluar y conocer el comportamiento magnético de las aleaciones de base cobre magnéticas. La curva de Histéresis que se obtuvo para cada aleación, y permitió deducir el Campo Coercitivo y el magnetismo remanente, además del magnetismo de saturación. Para conocer y verificar la eficiencia de la aleación magnética, es importante que el magnetismo remanente (permanece) en la placa porosa, es el magnetismo que rompe la coraza de las bacterias y produce la mortandad de éstas. En la Figura 4 se presentan los resultados obtenidos para la determinación magnética realizada a las aleaciones Cu-10%Co-5%Fe con 250 rpm y 20 h de molienda - 500x (C); Cu-5%Co-5%Fe 200 rpm con 20 h de molienda - 500x (D); y Cu-5%Co-10%Fe con 200 rpm y 20 h de molienda - 500x(E). La Tabla 2 muestra los valores de Campo Coercitivo (He) y magnetismo remanente (Br) obtenidos para cada aleación, acorde a su composición química y parámetros de molienda. Los resultados indican que todas las aleaciones tienen magnetismo remanente adecuado para eliminar bacterias. Las aleaciones E y F exhibieron mayor magnetismo remanente y eliminaron en menor tiempo las bacterias. Debe considerarse que la aleación E y D son más económicas de procesar.

Tabla 2. Resultados de propiedades magnéticas

2.4.- Espectrometría por Absorción Atómica: este ensayo se realizó para evaluar la contaminación de las aleaciones por presencia de hierro (Fe) y cromo (Cr), como desgaste del acero inoxidable de bolas y paredes del jarro durante la molienda. Los resultados indicaron que no hubo contaminación por cromo (Cr) y la contaminación por hierro (Fe) fue del orden de 0,7 - 1,0%p/p en las diferentes aleaciones, atribuible al desgaste de paredes de los jarros y de las bolas.

Ejemplo 3. Evaluación de un prototipo para la validación del filtro de aire.

3.1.- Construcción del prototipo de filtro de aire.

Para validar los filtros desarrollados en el Ejemplo 1, se diseñó, dimensionó y construyó un prototipo para eliminar microorganismos presentes en el aire. Particularmente, se validó para filtros de cobre de 25 mm de diámetro y de un espesor de 5 mm. El sistema se dimensionó para tener una sobrepresión aguas arriba de los filtros de 250 a 300 Pa.

Se adaptó un ventilador comercial a las restricciones que imponía el filtro de bacterias, para lo cual se incorporó un bypass con la finalidad de determinar las propiedades del filtro a ensayar a través de su pérdida de carga y del flujo de aire que circulaba a través de él. Este prototipo fue capaz de filtrar un flujo de aire de 4,22 a 4,77 m ³ /h. El diseño del sistema de filtrado de aire estuvo compuesto por un filtro de partículas y polvo; un ventilador; a continuación, un filtro de bacterias y finalmente una zona de descarga de aire del filtro de bacterias. Donde el filtro de partículas y polvo se ubicó a la entrada del ventilador para proteger a los filtros magnéticos de bacterias de la entrada de partículas de mayor tamaño que los pudiesen tapar, y con ello, aumentar su pérdida de carga. Además, se consideró para el diseño las gráficas de caída de presión de cada filtro, que se muestran en la Figura 5.

Por último, para el prototipo se consideró el uso de seis filtros magnéticos de 25 mm de diámetro y 5 mm de espesor. Estos filtros se instalaron sobre una placa de cobre con la finalidad de no tener materiales distintos que generaran con el uso (humedad) corrosión por pila galvánica en la zona de ensamblado, y hacer más eficiente el sistema, según la disposición mostrada en la Figura 6. Una vez dimensionado todas las variables del sistema de filtrado, se procedió a ensamblar cada una de las piezas que componían el diseño, según se puede apreciar en la Figura 7.

3.2. Evaluación del prototipo de filtro de aire en un Recinto de Atención Médica.

El prototipo de los filtros magnéticos se evaluó en un recinto de atención médica para la determinación de la carga microbiana (bacterias y hongos) del aire. Específicamente, para la toma de muestras se consideró el recinto médico Centro Comunitario de Salud Familiar (CECOSF) Centinela, comuna de Talcahuano, Región del Bío-Bío, Chile. Este recinto tiene una superficie de 258 m ² y está destinado para 5.000 usuarios al mes, de la zona cercana.

Primeramente, se procedió a filtrar el aire de la sala de espera del recinto de salud, donde el muestreo se realizó de manera activa (por impacto en placa), mediante un muestreador de aire MAS-100 NT (Merck, Alemania, n° de serie: 15986), equipo recomendado por el Instituto de Salud Pública de Chile para toma de muestra microbiológica de aire. Para proceder a la toma de muestras de aire, este equipo fue dispuesto en el centro de la sala, sobre una mesa a una altura de 1 m para simular la zona de respiración y se programó para colectar 250 L de aire a un flujo de 100 L min ¹ (Valenzuela 2011; Cabo Verde et al., 2015). El aire filtrado impactó sobre placas conteniendo 20 ml_ de agar tripticasa-soya (medio de cultivo para bacterias) y agar Sabouraud (medio de cultivo para hongos).

Para estudiar el efecto del prototipo de filtro de aire en base a cobre magnetizado, se procedió a encender éste y permitir su funcionamiento por 2 - 3 h; transcurrido este tiempo se procedió a tomar muestras de aire de la misma forma descrita anteriormente. Se debe tener en consideración que el equipo MAS-100 NT se encontraba a la misma altura antes descrita y, en este caso, junto a la salida de aire del prototipo filtrador magnético. Dicho experimento fue repetido 3 veces, y el muestreo con cada tipo de medio de cultivo se realizó por triplicado. 3.2.1.- Recuento de microorganismos.

Se realizó el recuento de las colonias obtenidas en las placas de medio de cultivo sólido descritas en el punto anterior. Dado que el septo del MAS-100 NT tenía 300 agujeros y por ellos podía ingresar más de un microorganismo e impactar la placa con medio sólido, se debió corregir los recuentos en función del número de perforaciones, según la expresión de Feller que se detalla a continuación (Valenzuela 2011): S -í- 0,5

Pr = 1 n ¿V - r 4- Q,s! (1)

Donde Pr es el número probable (calculado) de colonias bacterianas en la placa del instrumento de muestreo, expresado en unidades formadoras de colonia (UFC); res el recuento observado de colonias de la placa expresado en UFC; y N es el total de orificios de la tapa a través de la cual se recibe el aire del área que se muestrea en dirección a la placa de Petri con el medio de cultivo sólido (En este caso N= 300).

El recuento calculado ( Pr) estaba dado por cada 250 L de muestra de aire. Finalmente se informó el recuento calculado por cada metro cúbico, expresado en UFC nr ³ (Nunes et al., 2005; Yao y Mainelis, 2007; Van Droogenbroeck et al., 2009; Chang y Chou, 2011; Valenzuela 2011 ; Aguiar et al., 2014; Cabo Verde et al., 2015; Chang et al., 2015; Stauning et al., 2018). Los datos de recuento fueron graficados cronológicamente.

Se consideró una baja carga de microorganismos, cuando el recuento inicial estuvo bajo 180 UFC nr ³ según la recomendación británica del HIS, que es la norma más restrictiva a nivel mundial y se asumió alta carga de microorganismos cuando el recuento inicial fue mayor a 1.000 UFC nr ³ según la norma taiwanesa, que es la menos restrictiva en el mundo (Chang et al., 2015; Stauning et al., 2018).

3.2.2.- Análisis estadístico de la carga microbiana de aire en la sala de espera del CECOSF Centinela.

Los datos obtenidos en cada tiempo, en condiciones sin filtración y con filtración de aire mediante el prototipo de filtro de aire en base a cobre magnetizado, fueron comparados y analizados mediante Test t student (Graph Pad, USA, 2016).

Se observó una disminución sostenida y significativa del recuento bacteriano después de 2 y 3 h de encendido el prototipo de filtro de aire en base a cobre magnetizado (P < 0,05). En cambio, en relación con el recuento de hongos, no se observaron diferencias significativas con y sin uso del prototipo de filtro de aire en base a cobre magnetizado (P > 0,05).

Por otro lado, se observó una mayor carga de microorganismos a humedad relativa mayores tanto internas como externas, siendo estas diferencias estadísticamente significativas (P < 0,05). Sin embargo, las temperaturas no mostraron diferencias significativas a baja o alta carga de microorganismos (P > 0,05). De igual manera, no se observó diferencia significativa entre número de personas a baja o alta carga de microorganismos (P > 0,05). 3.2.3.- Recuento bacteriano y fúngico en la sala del Centro de salud.

Los resultados del recuento bacteriano y fúngico en la sala de espera del CECOSF Centinela, fueron expresados en los gráficos para baja y alta carga bacteriana (Figuras 8 y 9, respectivamente) y para alta y baja carga fúngica (Figuras 10 y 11, respectivamente).

El prototipo de filtro de aire de Cu magnetizado disminuyó significativamente el recuento bacteriano del aire de la sala de espera en el centro de salud, tanto a baja carga bacteriana (Figura 9), como a alta carga (Figura 10). Este efecto bactericida coincidió con lo descrito en la literatura en cuanto al Cu, a materiales magnéticos y su combinación. Sin embargo, este es el primer estudio en el que se ha probado su efectividad como filtro de aire (Souli et al., 2013; Zeiger et al., 2014; Rózahska et al., 2018; Rubín et al., 2018; Zhang et al., 2018). Estos resultados sugieren fuertemente que el prototipo de filtro de aire en base a aleación Cu-magnético es apto para su producción.