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Curso de Fisicoqumica Aplicada

Carrera de Especializacin en Esterilizacin

Dictado desde 1997 Con un total de 29 horas:

6 horas de clases tericas

14 horas de seminarios y clases de problemas9 horas de clases de laboratorio

Regularizacin con el 75 % de presentismo (integrado

son 6 presentes/8 clases). Recuperacin de 1 presentees posible. Aprobacin con examen final escrito en fechas

oficiales de finales


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Dra. Susana [email protected]

TEMARIO CLASE TERICA I

1. Gases: Ecuacin de estado

2. Termodnmica: Primera y Segunda Ley

3. Esterilizacin por calor hmedo: aspectosfisicoqumicos, caractersticas del vapor de agua

4. Esterilizacin fra: aspectos fisicoqumicos,mecanismos de accin mediados por radicaleslibres del oxgeno


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Comprender los procesosqumicos y fsicos con el fin de

poder predecirlos y controlarlos

Objetivo de la Fisicoqumica


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ESTERILIZACIN POR CALOR

MTODOS DE ESTERILIZACIN

SECOHMEDO

ESTERILIZACIN POR RADIACIN

ESTERILIZACIN GASEOSA (H2O2y otros)

IONIZANTENO IONIZANTE (UV)

ESTERILIZACIN POR FILTRACIN


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GASES1. Grupo de molculas en contnuo movimiento catico, cuya

velocidad de movimiento se incrementa con la temperatura.

2. Un gas se diferencia de un lquido, en que las molculas se

hallan a mayor distancia (interaccin mnima). Gases ideales =

interaccin nula.

3. Propiedades de un gas para el estudio de su comportamiento:

volumen, presin, temperatura, masa.

4. Estas variables se relacionan a partir de una ecuacin de

estado.

5. Ley de Dalton: La presin total en una mezcla de gases

(ideales) es la suma de las presiones de los gases individuales

ocupando el mismo volumen.


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P V = n R T

ECUACION GENERAL DE LOS GASESComportamiento ideal


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Las relaciones P, V, Ten los gases ideales

A volumen constante(condicin del autoclave)

P = T (nR/V)

P = T (constante)


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Fisicoqumica

Termodinmica

Calor TrabajoEnerga

Universo Sistema Entorno


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Permeables

Impermeables

Intercambio de materia

No hay intercambio de materia

Diatrmicos

Adiabticos

Intercambio de calor

No hay intercambio decalor

SA

El sistema y los alrededorespueden interaccionar el uno

con el otro, a travs de losLIMITES


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SISTEMASABIERTOSIntercambianmateria y energacon los alrededores

AISLADOS

CERRADOS


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Ley Cero de la Termodinmica (Joseph Black, Edimburgo, 1770)

El equilibrio trmico implica:la misma temperatura (no el mismo calor)si dos cuerpos estn en equilibrio

trmico y uno de ellos alcanza el

equilibrio con un tercero, elprimero tambin alcanza elequilibrio trmico con el tercero

Los cuerpos que estn en contacto, directamente oa travs del aire, alcanzan la misma temperatura


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Expresin matemtica

U = q + w

Funcin de estado

PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA

Sistema cerrado

No son funciones de estado

U : energa interna


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CALOR Y TRABAJO

q Es la transferencia de energa desde una zona demayor a otra de menor temperatura

dq = C x dT

Como toda forma de energa se puede expresar como elproducto entre un factor intensivo y uno extensivo

C: Capacidad Calorfica

w Aplicacin de una fuerza a lo largo de una distancia

dw = F x dx


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TRABAJO INTENSIVO EXTENSIVO

DIFERENTES TIPOS DE TRABAJO

F dx Fuerza distanciadA Tensin dA

-P dV Presin dVE. dQ Potencial dQ

TRABAJO


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realizado por el sistema

TRABAJO DE COMPRESION Y EXPANSION

realizado sobre el sistema

Pex Pex Pex

dw (-) dw (+)

Expansin (Vf> Vi) compresin (Vf < Vi)

= - PexA dx dw = - Pex dV

En termodinmica la forma ms corriente de realizar trabajo (w),es a travs de un cambio de volumen del sistema

dV

dw = F dx


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PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA

La energa total de un sistema aisladoy del universo permanecen constantes.

La energa no se crea ni se destruye,

se transforma y se conserva.

En los procesos naturales la

energa totalseconserva

U = q + w


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Primera Ley de la Termodinmica

La energa no se crea ni se destruye, slose transforma y se conserva

Fenmeno molecular subyacente

Los choques elsticos de las molculas


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FUNCION DE ESTADO

Depende nicamente de los estados inicial y final

No depende del camino seguido por el sistema duranteel cambio

Matemticamente corresponde a una diferencial exacta

PresinVolumen

Temperatura

Funciones de estado

No son funciones de estado CalorTrabajo

DUDHDS

DG


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S S

1 2U1 U2

U = U2- U1

PROCESO TERMODINAMICO

En un proceso cclico U = 0


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V = constante P = constante

dU = dq + dw

dU = dqP dV

dU = dqV

dH = dU + d(PV)

dH = dq + VdP

dH = dqP

dH = dq - PdV + VdP + PdV

TRANSFERENCIA DE CALOR

DU = qV DH = qp H: entalpa

wextra= 0


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CAPACIDAD CALORIFICA (1)

Relacin entre el calor (dq) transferido al sistema y lavariacin de temperatura resultante (dT)

P constante

V constante

CP = dqp/dT = dH/ dT H = nCp T

Cv = dqv/dT = dU/ dT U = nCv T


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Para un gas diatmico

Para un gas monoatmico Cv= 3/2R Cp= 5/2R

Cv= 5/2R Cp= 7/2R

CAPACIDAD CALORIFICA (2)


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rp HHH D

rvosT

Hprod

T

H

T

H

PPP

D

Dependencia del Hcon la temperatura (Ley de Kirchhoff)

PPP

P

CrvosCprodC

T

HD

D

dTCHd PDD

D

DDD

2

1

2

1

T

T PdTCHd

)TT(CHH 12P1T2T DDD

)TT(CHH 12PTT 12 DDD


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TERMOQUMICA

Estudia la transferencia de calor (U y H)

absorbido o liberado por las reacciones qumicasToda reaccin qumicatiene un calor de reaccin

asociado

Reaccin exotrmica (libera calor) DH < 0

Reaccin endotrmica (absorbe calor) DH > 0


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Entalpa de procesos qumicos

Es el DHoasociado a

la combustin

el cambio de fasela disolucin

la ionizacinla atomizacin

de 1 mol decompuesto...


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Leyes de la TermoqumicaLey de Hess El cambio trmico, a P o Vconstante, de una reaccin qumica es el mismotanto si se lleva a cabo en una o en varia etapas

Ley de Lavoisier-Laplace El cambio trmico, a Po V constante, de una reaccin qumica dada en unadireccin es de igual magnitud y de signo contrarioal de la reaccin en sentido inverso.

H2O(l) H2O(g)vaporizacin H = - 40.6 kJ/mol

H2

O(g) H2

O(l)condensacin H = + 40.6 kJ/mol


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FUNCIONES TERMODINAMICAS PARA LOSDISTINTOS PROCESOS

PROCESO q w HU

Isotrmico - w -nRTlnVf/V

i 0 0

Isobrico nCp DT -P V nCv DT nCp DT

Isocrico nCv DT 0 nCv DT nCp DT

Adiabtico 0 nCv DT nCv DT nCp DT


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Energa dealimentos

CalorTrabajo

El individuo mantiene su peso constante

Energa qumica Calor, trabajo


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INGESTA: Anlisis de los alimentos

Contenido calrico (kJ/g) Total (kJ)

69 g protenas

76 g grasas

300 g glcidos

17,1

39,3

17,1

1180

2987

5130

9297

ENERGA LIBERADA: Calorimetra directa

9207 kJ/da


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Segunda Ley de la Termodinmica

Todo proceso espontneo resulta en un incrementoneto de entropa, o desorden, del sistema ms sus

alrededores

S= funcin entropa

dS = dq/T

Su = Ss + Salr


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Gases ideales

Cambios de fases

procesos

Isotrmicos

Isocricos

Isobricos

Adiabticos

Ss = - Se

Ss

Clculo de la entropa

Un sistema y su entorno Su = Ss + Se

Su = 0

Su 0

reversible

irreversible Ss irrev = Ss rev


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Procesos irreversibles

Ss

Se

Su 0

i r reversibleA B

C D

S2

S3S1

Su = Ss + Se S1 + S2 + S3

- dqs/Tdqe/T


=

=

=

reversible

reversible

reversible


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Proceso isotrmico

Proceso isocrico

Proceso isobrico

Proceso adiabtico

Cambios de fases

S = n R ln V2/V1

S = n Cv ln T2/T1

S = n Cp ln T2/T1

S = 0

S = H/T



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Energa libre de Gibbs

Su > 0 Criterio general de espontaneidad

Universo

Sistema

G = H - T S dG = - T dSu

a P y T constantes, wextra= 0

G < 0Proceso espontneo

a P y T constantes,wextra= 0

G = H - T S G = -RT ln Keq


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aA + bB cC + dD

Clculo de funciones termodinmicas

para las reacciones qumicas

Frn = n Fprod - n Frvos

Frn = c FC + d FD - a FA - b FB

Donde F puede ser U, H, S, G o cualquier

otra funcin termodinmica


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La entropa aumenta continuamente

Fenmeno molecular subyacente

El movimiento molecular que dispersa ydesordena a la materia


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Los organismos vivos presentan un alto grado de orden

Organismo vivo

Nutrientes

Luz solar

Calor

Aumentode

Entropa


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Crecimiento:Clula Alrededores Universo

S negativo S positivo S positivo

Estado Estacionario:Clula Alrededores Universo

S cero S positivo S positivo

Degradacin:Clula Alrededores Universo

S positivo S cero S positivo


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Sistema cerrado

No mantiene la vida

Evoluciona haciael equilibrio

Sistema abierto

Mantiene la vida

Estado estacionario


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Requisitos para seleccionar mtodos de esterilizacin

1. Que permita el empleo de una temperatura de trabajo

semejante a la temperatura ambiente.

2. Que permita el empleo de acondicionamiento previodel material a utilizar.

3. Que no produzca alteraciones inadmisibles en elmaterial.

4. Que se pueda esterilizar el material ya envasado.


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La esterilizacin por calor hmedo es confiablepor tres caracteristicas del vapor de agua

T y P del cambio de estado muestran una correlacin

doble: Ec. de Clausius-Clapeyron

El elevado valor de DH de condensacin

La diferencia entre los volmenes molares del estadogaseoso y lquido


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AUTOCLAVE SIMPLE

OLLA A PRESIN

Vlvula Manmetro

TapaCmara

Recipiente

interior Agua

Tapa de vlvula


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Atmospheric pressure

1 atm = 14 psi

Constant pressure

P =1atm

Constant volume Vapour escape to

mantain the pressure

Constant volume

PV= Pext= 1 atm PV= Pext> 1 atm

Pext= Patm= 1 atm Pext=Patm+Plid >1 atm Pext=Patm+Plid >1 atm Pext=Patm+Plid >1 atm

PV= Pext> 1 atm PV= Pext> 1 atm

*

*

Constant pressure

P > 1 atm

AUTOCLAVE SIMPLE

OLLA A PRESIN


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Calor de vaporizacin del agua: 40.6 kJ/mol

Sistema- 40.6 kJ/mol

Entorno

Sudoracin

H2O(l) H2O(g)

Sistema+ 40.6 kJ/mol

Entorno

Esterilizacinpor vapor

H2O(l) H2O(g)

M i d d t i d


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Mecanismo de destruccin demicroorganismos

Bacteria+ 40.6 kJ/mol

CmaraT= cte

Esterilizacin

por vapor

H2O(l) H2O(g)

El calor cedido a los microorganismos producela coagulacin de las protenas celulares y otros

procesos deletreos


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Diferencia de volmenes molares

Bacteria+ 40.6 kJ/mol

CmaraT= cte

Esterilizacin

por vapor

H2O(l) H2O(g)

Vm H2O (g)= 15 litros (a 121C y 202 kPa)

Vm H2O (l)= 0.018 litros (a 20C y 101 kPa)

El d b t t t l


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El vapor debe entrar en contacto con elmaterial a esterilizar

1. No se pueden esterilizar por este medio ampollascon contenido anhidro o soluciones oleosas.

2. Cuando se llenan las ampollas o los frascos hay quetener en cuenta la dilatacin del lquido y la dilatacindel aire del espacio muerto para que no estallen.

3. No resisten bien los frascos con tapas de goma consellos de aluminio, ni las jeringas prellenadas, o latas.


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Gases esterilizantes: condiciones ideales


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Gases esterilizantes: condiciones ideales(Russell)

1. Alta actividad microbicida.

2. Cintica de inactivacin microbial que permita predecir elproceso de esterilizacin.

3. Capacidad de controlar todas las variables.

4. Capacidad de penetrar en los empaques.

5. Compatibilidad con un amplio rango de materiales. 6. Ausencia de residuos en productos esterilizados.

7. Temperatura de trabajo inferior a 65C.

8. Inocuidad para el operador, facilidad para transporte,almacenamiento y aprovisionamiento.

9. Tiempo de procesamiento breve.

10. Bajo costo.

E t ili i f t ili i i f


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Esterilizacin fra, esterilizacin qumica fra,esterilizacin por gases

1. Se desarrollaron para esterilizar materiales que noresisten el calor hmedo o las radiaciones ionizantes

2. Implican el uso de gases

3. Se clasifican de acuerdo a su mecanismo de accin en:

Alquilantes: xido de etileno, formaldehdo.

Oxidantes: Acido peractico, perxido de hidrgeno, ozono

Radicales libres


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Radicales libresEspecies activas

Reacciones de generacin

Efectos fisiolgicos

Aplicaciones en procesos de esterilizacinradiacin UV

esterilizacin qumica fra por perxido de hidrgenoesterilizacin qumica fra por perxido de hidrgeno

ms vapor

esterilizacin qumica fra por perxido de hidrgenoen plasma


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Radicales libres

Se entiende por Radical Libre a toda especiede existencia independiente con al menosun electrn desapareado.

Tipos de radicales libres


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Tipos de radicales libres

Radicales libres del oxgenoanin superxido

radical hidroxilo

Radicales del carbonoradicales alquilo

Radicales del nitrgeno

xido ntrico


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Otras especies activas

Perxido de hidrgenoalta constante de permeabilidad en membranas

biolgicas Oxgeno singulete, carbonilos excitados

emiten energa al volver al estado fundamental

complejos ferrilos y perferrilospueden intervenir en la iniciacin de cadenas de

oxidacin lipdica


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Tiempo de vida media de algunas especies reactivas

Radical libre Vida media

HO. 10-9sRO. 10-6s1O2 10-5sONOO- 0.05-1 s

NO. 1-10 sROO. 7 sQ.-(tar) das


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Formas en que existe el oxgeno

1. Ozono (O3): principalmente en altitud

2. Oxgeno monoatmico (O): forma transiente reconocidaen qumica atmosfrica

3. Dioxgeno (O2)

Perdiendo e- O2 e - + O2+

dioxigenilo radical

Ganando e- O2- ; H2O2 ; .OH ; H2O


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Reacciones que generan radicales libres del oxgeno

I. O2

- Autooxidacin de molculas de bajo peso molecular

Reacciones enzimticas

Transporte mitocondrial de electrones

II. H2O2 Dismutacin de O2-

Doble reduccin directa de oxgeno molecular

III. OH Reaccin de Haber Weiss

Reaccin de Fenton


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Reaccin de Fenton

Fe2+

+ H2O2 Fe3+

+ HO-

+ HO

Reaccin de Haber-Weiss

O2- + Fe3+ Fe2+ + O2

Fe2+ + H2O

2Fe3+ + HO- + HO

O2- + H2O2

O2 + HO- + HO


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Se producen radicales libres del oxgeno en condicionesfisiolgicas?

2 a 4 % del oxgeno es metabolizado a especies reactivas deloxgeno en condiciones fisiolgicas

Se generan en mitocondria, retculo endoplsmico, peroxisomasy como resultado de la actividad de enzimas citoslicas

Dnde son producidas las especies activas del oxgeno anivel celular?


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Radiaciones ultravioletas (UV)


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Radiaciones ultravioletas (UV) Radiaciones UV producidas artificialmente

en la regin de 253,7 nm se han usado para elmantenimiento de las reas aspticas. Valorlimitado como agente esterilizante.

Inactivacin de microorganismos depende dela dosis de energa. Vara con el sistemabiolgico.

Mecanismo de accin: generacin dedmeros de timina en el DNA y oxidaciones.


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Radiaciones ultravioletas (UV)

Resistencia:Formas vegetativas: formas ms susceptiblesEsporas bacterianas : 3 a 10 veces ms resistentes.Esporas fngicas: 100 a 1000 veces ms resistentes

Requerimientos para la esterilizacin:Esporas bacterianas en superficies de acero inoxidable:

800 mW. min.cm-2

Esporas negras de Aspergillus niger:5000 mW. min.cm-2

R di i lt i l t (UV)


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- Util como mtodo germicida auxiliar.

- Desventajas:

penetracin limitada.

necesidad de empleo en material limpio ylibre de restos que puedan proteger a losmicroorganismos.

Microorganismos que poseen capacidad dereparacin de los daos al DNA mediantefotoreparacin y reparacin oscura.

Radiaciones ultravioleta (UV)


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Dao a protenas

Determinacin de contenido de grupos carbonilosDeterminacin de disulfuros

Determinacin de bases modificadas (oxodG)

Dao a DNA

Dao a lpidos

Determinacin de sustancias reactivas al cido tiobarbitrico


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ESTERILIZACIN QUMICA FRA

Usos:Se emplea para productos o componentes deplstico que no toleran las condiciones deesterilizacin por calor hmedo o seco

Sustancias:

Se emplean gases y vapores con propiedadesgermicidas: xido de etileno, xidos depropileno, formaldehido, betapropiolactona,perxido de hidrgeno, cido peractico, etc.


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Perxido de hidrgeno H2O2(Russell)

Lquido incoloro

Sus productos finales son inocuos (H2O y O2)

Se ha usado como lquido, vapor y plasma


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Perxido de hidrgenoH2O2

Producto lquido a temperatura ambiente

Puede vaporizarse y el gas resultante es un

agente esterilizante efectivo para materialesenvasados y equipos utilizados en elprocesamiento de materiales estriles

Uso frecuente: esterilizacin de aislantes (barreras,

Ambientes controlados, etc.)


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Perxido de hidrgenoms vapor

Combinacin de calor hmedo ms H2O2para aumentar la eficiencia

Ventajas: a) los ciclos de tiempos ms breves

b) mejor remocin del perxido residual

c) permite la exposicin a presin atmosfrica

d) el equipo para el suministro de aire puede hallarsefuera del rea de procesamiento

Proceso


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Proceso

Temperatura del rea de procesamiento: 80C mediante

la introduccin de aire seco calentado por filtros HEPA

Introduccin del vapor lleva la temperatura a 100C.Durante el ciclo de vapor se introduce el perxido dehidrgeno que es transportado por el vapor

Al completar el ciclo se reemplaza la introduccin de vapory perxido de hidrgeno reanudando la de aire seco calentado

para secar y limpiar los residuos

Introduccin de aire fro para que alcance la temperaturadeseada.


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PLASMA

Es el cuarto estado de la materia

A medida que se adquiere energa (calor) se transformasecuencialmente de slido a lquido a gas y a plasma

Cuando a un gas se le aplica una gran energa se vuelve unplasma, con elementos ionizados (con cargas compensadas)


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2H2O22H2O + O2

Energa dealto voltaje

Plasma(e- + iones)

Radicales libresy

especies excitadas

Aceleraciny colisin

H2O2 resultamuy eficiente:

1. Necesita baja energapara generar radicales

libres.2. Las especiesformadas son las msreactivas.

1ra+y+2da+ley+de+la+termodin%25e1mica+8-6-10.ppt

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