Diseño, construcción y ensayo de un horno Poupinel para esterilización

MARCO DEL PROYECTO Omnia Vincit Amor, conocida como OVA, es una asociación fundada por un grupo de jóvenes médicos estudiantes a raíz de la pandemia vivida en el año 2020. Esta asociación es consciente de la importancia que tiene la implantación de una buena educación y cultura de la higiene en la salud para la prevención de enfermedades. Por ello, realiza diferentes actividades como formaciones para familias donde se dan nociones básicas a niños y adultos para reforzar los conocimientos sobre la higiene personal. Además, la asociación también se enfoca en la preparación, vigilancia y respuesta eficaz a brotes epidémicos, brindando un apoyo efectivo a estas actividades. Por otro lado, OVA realiza voluntarios esporádicamente en la ciudad de Madrid, donde se realiza un acompañamiento a la gente sin hogar y se les proporciona alimentos, ropa e incluso material sanitario en ocasiones. Por último, OVA está realizando un proceso de integración en la ciudad de Ebebiyín, en Guinea Ecuatorial, donde se realizarán tareas no sólo como las comentadas anteriormente si no también labores de apoyo en intervenciones quirúrgicas y otros tratamientos. A raíz de diversos viajes de la asociación, se comprobó cómo la higiene es uno de los factores más precarios en ese momento y una de las causas de la mayoría de las enfermedades e infecciones. Como ayuda para contrarrestar esta situación surge este proyecto, basado en la implementación de un esterilizador quirúrgico portátil en esta región de Guinea Ecuatorial. El equipo de OVA junto a este documento serán los encargados de transmitir los conocimientos para su correcta utilización y, llegado el caso, para la réplica de este u otro dispositivo similar. MOTIVACIÓN DEL PROYECTO Guinea Ecuatorial es uno de los países más desiguales del mundo donde aproximadamente el 70% de sus habitantes vive con apenas un dólar al día. En este país se enfrentan a graves problemas de mortalidad y morbilidad. Las principales causas de muerte son el SIDA (VIH), el paludismo y las sepsis generalizadas provocadas por diversas infecciones. La salud infantil también es motivo de preocupación, puesto que la mortalidad infantil es alta, con 65 de cada 1.000 niños falleciendo antes de cumplir un año y 51 de cada 1.000 muriendo antes de los 5 años. La mortalidad de mujeres adultas, especialmente materna, también es un tema preocupante. La tasa de mortalidad de mujeres de 15 a 49 años es menor que la de los hombres en el mismo rango de edad, pero las muertes maternas representan el 18% de todas las muertes en mujeres de este grupo. En resumen, Guinea Ecuatorial enfrenta importantes desafíos en su sistema de salud y bienestar social, con altas tasas de mortalidad, desnutrición y problemas en la atención materna e infantil, siendo fundamental que se tomen medidas para abordar estas problemáticas y mejorar la calidad de vida de la población. PROPUESTA DE SOLUCIÓN Durante las conversaciones con la asociación, uno de los temas que más se remarcó fue la falta de higiene que existía en dichos hospitales, una de las principales razones del contagio de enfermedades y la prioridad dentro de un espacio médico. Otro de los objetivos futuros de la organización era no limitarse a realizar intervenciones en los hospitales ya construidos en el país si no poder trasladar las intervenciones a los lugares más lejanos y aislados en forma de hospitales de campaña. En ese sentido, los esterilizadores actuales no cuentan con una portabilidad eficiente puesto que están pensados para su manejo en sitios fijos y concretos. Además, el coste fijo de estos esterilizadores es muy elevado sumado al coste variable del consumo de electricidad, algo limitante en este tipo de países. Por tanto, se propuso el diseño y fabricación de un esterilizador quirúrgico portátil. DESARROLLO DEL PROYECTO La esterilización es el proceso mediante el cual se destruyen todos los microorganismos viables presentes en un objeto o superficie, en este caso, del material quirúrgico a utilizar. Este proceso puede ser llevado a cabo mediante una gran variedad de opciones como por calor seco, calor húmedo (mediante vapor), por diferentes tipos de radiaciones, agentes químicos... etc. De entre todos los procesos existentes, se realizó una valoración basada en un bloque técnico, donde se tenían en cuenta factores como el volumen de la muestra, la fuente de energía para esterilizar, complejidad del proceso...etc. Por otro lado, se analizó un bloque de implementación de ese proceso en Guinea, es decir, la viabilidad real que tenía dicho proceso en un entorno limitado, con personal no cualificado y con condiciones no estándar. Finalmente, en base los dos bloques mencionados, se eligió como proceso final la esterilización por calor seco. Este proceso utiliza aire a altas temperaturas para la eliminación de los microorganismos. Ese aire caliente puede conseguirse mediante diferentes fuentes de energía, cambiando el nombre del dispositivo según ésta. Siendo: - Horno Poupinel: Energía eléctrica como fuente de energía. - Horno Pasteur: Gas como fuente de energía. Puesto que la energía eléctrica es una fuente mucho más accesible, tanto económicamente como técnicamente, se ha optado por esta opción para la construcción del horno. Por otro lado, el proceso de esterilización tiene dos parámetros fundamentales, el tiempo y la temperatura. Dichos parámetros tienen valores diferentes según se trate de un material u otro y según el grado de contaminación. Para este proyecto, se ha considerado un tiempo de esterilización de 30 minutos a una temperatura de 180º C. Para el diseño del esterilizador, se han tomado como referencia los componentes utilizados en los distintos modelos del mercado gracias a los cuales se ha realizado un diseño conceptual inicial del esterilizador. Este diseño ha permitido definir parámetros como el volumen interior de la cámara de calentamiento, las dimensiones exteriores esperables, el material utilizado para su construcción, espacio disponible para material aislante...etc. De este modo se han podido realizar análisis y estudios para determinar las pérdidas del aparato, su consumo, la fuente de calor necesaria...etc. Se ha realizado un estudio dividido en dos partes, en la parte transitoria o de calentamiento, y la parte estacionaria o de esterilización. Se ha considerado un tiempo aceptable de 15 minutos para el primer periodo y un tiempo de 30 minutos para el segundo, establecido según las fuentes citadas. ANÁLISIS RÉGIMEN PERMANENTE Las pérdidas que se producen en régimen permanente vienen dadas en base al calor almacenado en las paredes del dispositivo y a la convección y radiación de la superficie exterior del dispositivo por el hecho de estar a una temperatura diferente a la del ambiente. Una vez conocidas estas pérdidas, se puede estimar el consumo del aparato durante el proceso de esterilización, que será ligeramente superior a este valor debido a factores de construcción y a pérdidas adicionales. ANÁLISIS RÉGIMEN TRANSITORIO El régimen transitorio es el proceso previo al régimen permanente, por tanto, engloba, no solo el calentamiento de la cámara de aire si no el calentamiento de todos los materiales hasta su temperatura en régimen permanente. Teniendo en cuenta las temperaturas obtenidas en el cálculo anterior haciendo referencia al régimen permanente, se obtiene la energía necesaria. Considerando el tiempo de 15 minutos, la potencia necesaria para alcanzar el régimen permanente es de 420,91 W. Las pérdidas no son constantes si no que dependen de la temperatura, por tanto, al ir calentándose la cámara, las pérdidas irán aumentando, alcanzando su máximo al llegar al régimen permanente con un valor de 145,01 W. Para este proyecto se escoge una resistencia de 2000W, la cual supera con margen el valor necesario de 565,9 W Para el dimensionamiento de la batería, sin embargo, es necesario separar conceptualmente esta cifra puesto que las baterías se dimensionan por la energía que tienen que aportar, la cual depende del tiempo. Se añade un factor de seguridad de un 10% para sobredimensionar la batería y protegerla en términos de profundidad de descarga y de vida útil. Con respecto a este punto, será importante tratar con los integrantes de la ONG y valorar qué se prioriza y se antepone al resto. En caso de buscar una movilidad puntual, como podría ser, para la realización de intervenciones en hospitales de campaña durante periodos más largos, sería conveniente una batería de mayor capacidad y con mayor potencial de número usos. Si, por el contrario, se busca la realización rápida y puntual de intervenciones en diferentes puntos, podría ser interesante el uso de baterías más ligeras aun con menor número de usos, cargando la batería durante el transporte hasta el punto de acción. Para esta última opción, es importante tener en mente la capacidad de carga de la batería del coche y la necesidad de implementar un inversor de corriente con una potencia nominal adecuada para la carga de la batería. Por otro lado, sería interesante considerar un sistema de recarga mediante un kit de energía solar. DISCUSIÓN DE RESULTADOS Comprobación de la viabilidad técnica Para comprobar realmente la viabilidad del dispositivo, se realizaron diferentes ensayos para la toma de datos y la comprobación del correcto funcionamiento de la cámara. Se sacan diversas conclusiones: - El periodo transitorio es de 800 segundos y el proceso estacionario es de 1800 segundos. - Al utilizar un sistema de control mediante PID modificable, al pasar de un ensayo a otro, la velocidad de calentamiento, así como la amortiguación del sistema son diferentes. Igualmente, la potencia consumida en el calentamiento es diferente puesto que en el segundo ensayo se tiene en cuenta la inercia térmica. - La potencia consumida en el régimen permanente no es constante, si no que resulta diferente al tratarse de un sistema de control de tipo ON/OFF Cabe destacar que la energía consumida para el modelo teórico ha sido considerada sin pérdidas de calor puesto que varían con la temperatura, por tanto, se ha multiplicado por el factor de protección de la batería, es decir, un 10% simulando dichas pérdidas. Teniendo en cuenta esto existe un error asociado a otras pérdidas no consideradas y a factores de construcción que hacen que el dispositivo consuma más potencia. Comprobación de la viabilidad económica Teniendo en cuenta los valores de consumo obtenidos anteriormente, es posible realizar una comparativa del prototipo con los principales modelos del mercado. CONCLUSIONES Para terminar, se puede concluir desde un punto de vista técnico que se ha conseguido un producto viable tanto técnicamente como económicamente. Siendo un producto competitivo con sus similares del mercado y que cumple con las funcionalidades esperables de él. Se trata de un producto de bajo consumo y gran capacidad ideal para su utilización en lugares donde la energía no es abundante. Por otro lado, en vista de los resultados obtenidos y su relación con el modelo teórico, se puede concluir con que el proceso de cálculo teórico resulta aceptable con respecto al resultado obtenido, con errores menores al 10%. Sin embargo, este proyecto no finaliza en este documento puesto que quedan pendientes partes del proyecto como la prueba final en la Universidad San Pablo CEU. Una vez realizada dicha prueba, se pasará a la fabricación del módulo de la batería y a su implementación en Guinea durante el mes de febrero. Como líneas futuras para proyectos similares y para éste mismo, existen mejoras a considerar en el sistema de control. Al tratarse de un PID, existe una gran variedad de comportamientos que se pueden conseguir modificando los valores del controlador. Sería interesante considerar un estudio únicamente de esto puesto que afectaría directamente al consumo del dispositivo. Además, la utilización de otro tipo de aislamiento para la reducción del tamaño del dispositivo sería otra de las líneas a seguir