Misurare il vuoto in un’autoclave al plasma: dal problema alla soluzione

Misurare il vuoto: cosa significa?

L’idea di misurare il vuoto potrebbe suonare strana. Come è possibile misurare qualcosa che, per definizione, non esiste? Eppure, nell’ambito ospedaliero, la misurazione del vuoto gioca un ruolo chiave nelle quotidiane attività di sterilizzazione.

In questo articolo esploreremo il tema partendo dalle basi per poi concentrarci su una delle applicazioni più rilevanti, che non solo ha un grande impatto pratico, ma ci ha anche messo alla prova con una sfida inaspettata che abbiamo risolto con successo.

Misurare il vuoto: cosa significa?

Il vuoto non è un concetto astratto o filosofico: è una realtà fisica, ben definita e quantificabile. Si tratta dell’assenza di atomi in uno spazio. Il vuoto assoluto corrisponde a zero atomi, ma questa condizione è praticamente irraggiungibile. Nelle applicazioni tecnologiche si può considerare vuoto anche uno spazio con una quantità estremamente ridotta di molecole d’aria.

Tuttavia, anche se le molecole sono pochissime, non è sempre possibile trascurarle. Per questo, è fondamentale monitorare la loro presenza misurando la pressione.

Misurare il vuoto significa affrontare pressioni così basse da sembrare quasi irrealistiche, dell’ordine di decimillesimi di bar. Sono livelli di accuratezza impossibili per un manometro, ma si possono ottenere grazie a sensori basati sul principio del Vuoto di Pirani, che prende il nome dal suo scopritore.

Il sensore è costituito da un filo elettrico in un ambiente controllato che viene attraversato da una corrente elettrica costante. Non misura la pressione in modo diretto ma attraverso un sistema che sfrutta le conoscenze sul comportamento della materia in modo piuttosto ingegnoso:

Sappiamo che gli atomi scambiano calore tra loro. Quindi più atomi sono presenti nello spazio, maggiore è lo scambio di calore. Nel nostro caso, più molecole d’aria ci sono, maggiore sarà il riscaldamento del filo.

Sappiamo che l’aumento di temperatura del filo comporta un incremento della sua resistenza elettrica.

Possiamo dedurre che la resistenza elettrica è direttamente proporzionale alla quantità di molecole presenti.

Applicando alcune formule, è possibile calcolare con grande precisione la pressione atmosferica partendo dal valore della resistenza.

Se vuoi approfondire questo affascinante argomento, abbiamo descritto il Vuoto di Pirani nel dettaglio in questo articolo.

Un’applicazione concreta: l’autoclave al plasma

Ma a cosa serve misurare il vuoto?

Un esempio pratico è il funzionamento dell’autoclave al plasma, utilizzata soprattutto in ambito medico per la sterilizzazione. Il processo si basa su due passaggi fondamentali:

Eliminazione dell’aria: il vuoto serve a garantire che non rimangano ristagni d’aria, permettendo una distribuzione uniforme della temperatura.

Utilizzo del perossido di idrogeno: si tratta un agente sterilizzante particolarmente potente, più efficace del vapore tradizionale, che viene portato ad ebollizione e si diffonde su tutte le superfici sottoposte al trattamento.

Per assicurare che l’autoclave al plasma funzioni correttamente, è essenziale misurare il vuoto con estrema precisione. Qui entra in gioco il Pirani Vacuum Logger, uno strumento progettato per monitorare pressioni infinitesimali con affidabilità e resistenza anche in condizioni termiche estreme.

Dopo svariati anni dalla messa a punto di questo data logger, ci siamo imbattuti in una criticità inaspettata che ci ha costretti a ripensare la nostra soluzione...

La sfida: proteggere il logger dal perossido di idrogeno

Uno dei nostri clienti ci ha contattato segnalandoci un malfunzionamento del nostro sistema di misurazione del vuoto utilizzato nelle sue autoclavi al plasma.

Pur accendendosi correttamente e connettendosi ai sistemi di raccolta dati, il Pirani Vacuum Logger non rilevava più la pressione, mostrando una lettura piatta.

Ma se il logger funzionava, come mai non tracciava più? Era evidente che ci fosse un malfunzionamento nel sensore.

Tenuto conto che il logger è in grado di resistere a escursioni da -80°C a +85°C, abbiamo escluso che il problema fosse nella temperatura. L’autoclave al plasma infatti non va mai oltre questa soglia.

Non abbiamo mai avuto problemi simili con il Pirani Vacuum Logger in altre condizioni, ad esempio nelle installazioni per il monitoraggio dei processi di liofilizzazione.

Abbiamo sospettato subito che il problema fosse il perossido di idrogeno.

Perché il perossido di idrogeno è un problema per i sensori

Il perossido di idrogeno (H₂O₂) è un agente sterilizzante molto efficace, e per questo viene utilizzato nei processi in cui è necessaria una sterilizzazione accurata. Ma è anche una molecola estremamente aggressiva sui metalli, tanto da poter compromettere i componenti elettronici di precisione.

E infatti, una volta esaminato il nostro sensore, abbiamo notato che i circuiti interni erano rovinati, con fili staccati e piste interrotte. Il perossido di idrogeno aveva quindi compromesso il sistema di misurazione.

Era evidente che il Pirani Vacuum Logger aveva bisogno di essere protetto dal perossido di idrogeno. Ma come?

Un filtro per misurare il vuoto in autoclave

Per affrontare il problema, abbiamo sviluppato un filtro da applicare al Pirani Vacuum Logger.

Concettualmente, il filtro di cui avevamo bisogno doveva funzionare come sistema catalizzante per il perossido di idrogeno. In termini pratici, "catalizzare" significa accelerare la decomposizione delle molecole di H₂O₂ in elementi meno reattivi, riducendo così il numero di molecole aggressive che potrebbero entrare in contatto con il sensore del logger.

Non solo abbiamo raggiunto l’obiettivo, ma lo abbiamo fatto senza alcun consumo di energia, sfruttando esclusivamente le proprietà fisiche e chimiche dei materiali impiegati.

Il filtro è composto da un robusto involucro in acciaio e una membrana in silicone che sigilla la camera dove avviene la catalisi. La sua progettazione si basa su tre principi chiave per garantire massima efficacia e durata:

Materiale idoneo. Dopo aver studiato a fondo le proprietà chimiche dell’H₂O₂, abbiamo selezionato il biossido di manganese, un materiale che, combinato con resina epossidica, offre un’elevata capacità catalitica senza mai saturarsi. Questa scelta assicura un’efficacia costante nel tempo.

Design a tappo avvitabile. Il filtro è stato progettato come un tappo avvitabile, che si collega facilmente al Pirani Vacuum Logger tramite un filetto. Questo design rende il filtro modulare, consentendo di montarlo e smontarlo a seconda delle necessità operative.

Labirinto interno per massimizzare la superficie catalitica: All’interno del filtro, l’aria carica di perossido di idrogeno è costretta a seguire un percorso lungo e tortuoso, simile a un labirinto. Questa configurazione aumenta la superficie esposta del materiale catalitico, migliorando ulteriormente l’efficacia del filtro.

La messa a dimora

Il prototipo del filtro, una volta sviluppato nei nostri laboratori, è stato testato direttamente sulle autoclavi del cliente, che si è dimostrato molto collaborativo.

I risultati sono stati immediati e significativi: una volta applicati i filtri, i Pirani Vacuum Logger non hanno più riscontrato problemi. I danni dovuti al perossido di idrogeno sono stati scongiurati!

Grazie al nuovo filtro, il nostro Pirani Vacuum Logger ha acquisito una protezione aggiuntiva, garantendo un monitoraggio ottimale anche in un ambiente particolarmente difficile come l’autoclave al plasma.

La filosofia di Tecnosoft: innovazione e collaborazione

Il filtro Pirani è il risultato di una filosofia aziendale orientata alla sperimentazione e alla collaborazione.

I nostri prodotti nascono dalle esigenze reali dei clienti e da un impegno continuo verso la ricerca di soluzioni su misura.

Collaborare con i clienti e affrontare sfide complesse ci permette di creare dispositivi di misurazione affidabili e personalizzati.

Se la tua azienda ha bisogno di strumenti di misurazione affidabili in situazioni tecnicamente impegnative, contattaci. Siamo pronti a collaborare con te per trovare insieme la soluzione più adatta alle tue esigenze di misurazione.