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53.2 Nuovi Prodotti: Il plasma freddo contro i virus

L’evento pandemico ha impartito una forte spinta verso lo sviluppo di nuovi sistemi per la sanificazione degli ambienti, e nella generale confusione sono stati proposti sistemi di dubbia efficienza, quando addirittura dannosi per le opere d’arte e per le persone che in quegli ambienti ci devono lavorare.
Il virus SARS-Covid 19 ha dimensioni attorno 0,1 micron, e i normali sistemi di filtraggio non sono capaci di trattenerlo. Anche i più efficienti filtri HEPA (High EfficiencyParticulate Air filter), possono trattenere particelle con diametro fino 0,3 micron, e non quelle più piccole.
Sono stati quindi utilizzati per la disinfezione dell’aria sistemi fisici come le radiazioni ultraviolette (UV), o chimici, come acqua ossigenata e ozono.
L’ozono (O3), è un gas presente in natura e prodotto dall’azione dei raggi UV-Csull’ossigeno (O2), e la cui efficacia come disinfettante è ampiamente riconosciuta [1].
L’azione ossidante esplicata dall’ozono ha fatto sì che da un secolo venga utilizzato come agente battericida, fungicida e inattivante dei virus.  I virus sono più resistenti dei batteri e richiedono maggiori concentrazioni di ozono per la sanificazione, ben superiore al limite di sicurezza di 0,05 ppm. L’ozono non è in grado di eliminare ivirus ma li inattiva inibendo i recettori virali utilizzati per creare un legame con la parete della cellula da invadere.
La sua concentrazione, misurata in prossimità del suolo, è compresa tra 0.005 e 0.05 ppm, e quest’ultimo è il limite massimo accettabile per l’uomo. Superando questo limite si innalza drasticamente il rischio di sviluppare tumori della pelle e altre patologie. Per questo le sanificazioni con ozono devono svolgersi senza persone presenti.
Per quanto riguarda il settore dei beni culturali gli agenti ossidanti, come radiazioni UV, acqua ossigenata e ozono, possono danneggiare tutti i materiali organici che costituiscono i manufatti artistici, dai leganti alle vernici, dalla carta ai tessuti, dai coloranti ai pigmenti.
Per questo nelle Linee guida ICR - Misure di contenimento per il contagio da Coronavirus - Verifica delle compatibilità̀ con le esigenze di tutela e conservazione del patrimonio culturale (uscite l’08 Maggio 2020,  http://www.icr.beniculturali.it/pagina.cfm?usz=1andamp;uid=182andamp;idnew=731), emanate dal Ministero dei Beni Culturali, si fa espressamente divieto di utilizzare tali sistemi nelle disinfezioni degli ambienti museali (in particolare “E’ da evitare l’uso di ozono, che nonostante la comprovata capacità virucida ha un forte potere ossidante in grado di provocare danni a molti materiali, come corrosione dei metalli e alterazione di macromolecole biologiche tra cui aminoacidi e lipidi”[2]) e dei laboratori di restauro.
Nelle stesse Linee Guida si indicano le soluzioni idroalcoliche con il 70% minimo di alcool e i disinfettanti contenenti sali di ammonio quaternari, come soluzioni valide per la sanificazione delle superfici, ma non per la loro nebulizzazione nell’ambiente.
Qual è allora la soluzione percorribile per la sanificazione dell’aria negli ambienti di lavoro?
Ci viene in aiuto la nuova tecnologia basata sul plasma freddo.


Cos’è il plasma freddo?

Se andiamo con la memoria a quello che ci è stato insegnato a scienze sugli stati della materia, ci torneranno in mente i tre termini: solido, liquido e gassoso. Potremmo anche ricordare che un solido riscaldato passa (spesso) allo stato liquido e, con ulteriore fornitura di energia termica, allo stato gassoso. Dobbiamo aggiungere alle nostre conoscenze un quarto stato, raramente descritto nonostante sia il più abbondante quantitativamente nell’universo: il plasma. Dal punto di vista energetico si pone ad un livello ancora superiore al gas, perché parte delle particelle che lo compongono non sono elettricamente neutre ma sono cariche positivamente o negativamente. Nel loro complesso le cariche positive e negative raggiungono la neutralità.

Il plasma lo si ottiene ionizzando parte degli atomi o delle molecole che compongono il gas di partenza, e questo è possibile sia per semplice riscaldamento (plasma caldo, quello che compone, ad esempio, il sole), sia fornendo elettricità(come quello contenuto nel tubo a neon). È questo secondo caso (plasma freddo), che ci interessa per le sue applicazioni nella sanificazione. Il fatto che le particelle siano ionizzate rende il plasma reattivo, dato che ci troveremo in presenza di specie instabili, che tenderanno a stabilizzarsi reagendo con la materia circostante. In particolare, restringeremo la discussione alla ionizzazione tramite la presenza di un campo elettrico dei componenti dell’aria presente nell’ambiente, costituita da una miscela di ossigeno e azoto. Parte dell’ossigeno e dell’azoto verranno ionizzati, e potranno inattivare batteri e virus, come è stato dimostrato da numerosi studi sviluppati negli ultimi 30 anni.

Al contrario dell’ozono,con la sua violenta azione ossidante che – come abbiamo visto - ne impedisce l’utilizzo in prossimità sia delle opere d’arte,sia degli esseri umani, il plasma freddo non ha nessuna interazione che ne limiti l’uso, e si propone quindi come il sistema migliore per la sanificazione nel settore della conservazione dei beni culturali.
A riprova di questo, un nuovo filone di ricerca è rivolto all’applicazione di un flusso di plasma freddo concentrato in una “penna” (detto anche plasma atmosferico), per la pulitura di superfici sensibili non trattabili con il lasero per le quali vi sia la necessità di agire in maniera graduale [3].

Lotta a batteri e virus prima e dopo il Covid-19

Come abbiamo accennato, sono più di 30 anni che il plasma viene testato come sistema inibente l’azione di batteri e virus [4]. Una ricca bibliografia descrive gli effetti su norovirus, adenovirus e virus dell’epatite [5]. Naturalmente non esistono ancora studi condotti sul Covid-19, e per questo ci si orienta in base ai positivi risultati ottenuti sui virus respiratori, come quelli dell’influenza e della SARS.

I vari studi concordano sul fatto che l’inattivazione dei virus è dovuta alla formazione di ioni instabili e di vita brevissima: ossigeno reattivo (reactiveoxygenspecies, ROS) ed azoto reattivo (reactivenitrogenspecies, RNS), mentre i sistemi fisici basati sulle radiazioni UV o sugli effetti termici sono di scarso o di nessun effetto. Con la ionizzazione dell’aria ottenuta tramite campi elettrici, quindi con la produzione di plasma freddo, vengono a formarsi le specie reattive sopra citate, un fenomeno che esiste anche in natura e che porta alla purificazione dell’aria (ne percepiamo l’effetto, ad esempio, al termine di un temporale).


I meccanismi con cui il plasma freddo agisce sui microrganismi sono riassunti nella seguente tabella [6]:

Costituente del microrganismo Azione del plasma Effetti sui microrganismi
Superfice della cellula Bombardamento di radicali
Effetto “incisione”
Provoca lesioni non riparabili alla superficie dei microrganismi.
Distrugge le spore.
Membrana della cellula Induce la perforazione e aumenta la permeabilità delle membrane Perforazione della membrana cellulare e altri danni
DNA Rottura tra le proteine della membrana e il DNA Aumenta il rilascio di DNA
Parziale idrolisi del DNA
Proteine Ossidazione Attacco del sistema enzimatico

Quindi l’azione del plasma si esplica non solo sui virus, ma anche su batteri e muffe, altri patogeni che circolano normalmente nell’aria.
In conclusione, le apparecchiature basate su questa tecnologia permettono una corretta sanificazione, a patto che venga anche annullata l’emissione di ozono, che sempre si forma al momento della formazione del plasma. Per questo gli apparecchi Q3 e Q7, ora commercializzati da CTS, sono dotati di un sistema che elimina l’ozono all’uscita, e sono certificati per il rilascio massimo di ozono di 0,05 ppm (dai test dell’agenzia di certificazione TUVRheinlandrisulta addirittura inferiore 0,01 ppm).
Al momento di scegliere l’apparecchio più funzionale alle proprie esigenze, è fondamentale valutare la cubatura dell’ambiente che si deve sanificare, e la portata dell’apparecchio. Q3 ha una portata di 350 m3/h, il che vuol dire che per una stanza 5x5 m, di altezza 3 m, ossia 75 m3, si avrà un ricambio completo dell’aria ogni 15 minuti circa. Il Q7 ha una portata più che doppia (800 m3/h).

Non meno importante per una corretta valutazione è l’impatto della manutenzione: alcune apparecchiature richiedono un cambio dei filtri semestrale, cosa che ha un notevole impatto sui costi di gestione. I filtri dei Q3/Q7 hanno durate molto maggiori, e la cella dove viene generato il plasma può essere pulita con un semplice panno, senza alcun costo aggiuntivo.

Riassumendo, i sanificatori Q3 e Q7 (Link: https://www.ctseurope.com/dettaglio-news.php?id=459#)  possono realizzare un ambiente salubre riducendo, con un’efficienza superiore al 99%:
•    virus, batteri e muffe;
•    polveri sottili (PM2,5);
•    sostanze organiche volatili (COV);
•    formaldeide.

Riferimenti
1)    Prot. n. 24482 del 31 luglio 1996 del Ministero della Salute “presidio naturale per la sterilizzazione di ambienti contaminati da batteri, virus, spore, ecc.” e “agente disinfettante e disinfestante nel trattamento dell’aria e dell’acqua” con CNSA del 27 ottobre 2010.
2)    Pubblicate il 29/5/2020 http://www.icr.beniculturali.it/pagina.cfm?usz=1andamp;uid=182andamp;idnew=738
3)    A customisedatmospheric pressure plasma jet for conservationrequirements, A. Patelli, E. Verga, L. Nodari, S. M. Petrillo, A. Delva, P. Ugo, P. Scopece; 2018 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 364.
4)    Kelly-Wintenberg, K. et al; Use of a oneatmosphereuniformglowdischarge plasma to kill a broadspectrum of microorganisms. J. Vac. Sci. Technol. A 17, (1999) 1539–1544.
5)    Filipic A. et al.;Cold Plasma, a new hope in the field of virusesinactivation, Trends in Biotechnology, November 2020, Vol.38, n.11, 1278-1291.
6)    Tratta da Kwong et al.; “Potential Applications of Non-thermal Plasma in AnimalHusbandry to ImproveInfrastructure”, In vivo 33 (2019) 999-1010.


Pubblicato in: Bollettino CTS
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