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La pandemia de COVID-19 inundó el mercado con todo tipo dispositivos que, mientras cubrieran nariz y boca, parecían convertirse mágicamente en elementos de protección personal, en respiradores. Creo que esta situación fue resultado de una verdadera pandemia semántica en donde podíamos escuchar denominaciones como "barbijo N95", "barbijo KN95", "tapaboca", "cubreboca", "respirador KN95 sin filtro", "barbijo comunitario", "mascarilla quirúrgica" junto con "respirador NIOSH N95" y "respirador CE FFP2" que, para el usuario no laboral, significaba igual eficacia de protección. Claramente, los dos últimos son dispositivos de protección respiratoria, el resto no y muchos de ellos son tan eficaces como taparse la boca con la mano.

Actualmente, el virus SARS-CoV-2 está contenido y controlado pero su cepa semántica sigue circulando libremente. La intención de este artículo es divulgar la tecnología utilizada en los respiradores para partículas, responsable de su eficiencia de filtrado cercana al 100%, y dejar en claro que no está presente en los cubrebocas o en las mascarillas quirúrgicas, fundamentando técnicamente lo antedicho con un poco de humor.

El medio tradicional para separar partículas en general es el tamiz: una malla que separa las partículas de un determinado fluido en función de su tamaño (Fig. 1); es decir, las partículas de tamaño mayor al orificio de la malla quedarán retenidas y separadas del fluido útil. Si pensamos en un tamiz como medio de acción filtrante para protección respiratoria nos encontramos con que la dimensión del orificio entre hilos de la malla debería ser del orden de los micrones o menor lo que dificultaría seriamente la respiración ya que tendríamos una resistencia a la inhalación muy elevada. Por otro lado, los aerosoles del ambiente están formados por partículas de diversos tamaños que taparían los orificios del tamiz (saturación) impidiendo la respiración. Si aceptáramos esto como válido y razonando por el absurdo, el mejor filtro sería un tamiz sin orificios: no podemos respirar, es cierto, pero no deja pasar ningún contaminante. Es obvio, por tanto, que el tamiz no es el medio eficiente para el filtrado de partículas.

Fig. 1

Concluimos que el medio filtrante para protección respiratoria debe presentar simultáneamente baja resistencia a la respiración y alta eficiencia de filtrado.

El medio filtrante que satisface ambas condiciones es fabricado mediante fibras sintéticas (polímeros como polipropileno, poliéster, polietileno) dispuestas aleatoriamente por lo que se denomina tela no tejida (nonwoven fabric) para diferenciarlo del tamiz o malla que tienen una distribución geométrica de los hilos. Se fabrica por extrusión y el proceso se denomina melt blowing (soplado de fusión). En la figura 2 podemos ver una imagen amplificada de un medio filtrante para partículas. Es importante observar la relación de tamaño entre el diámetro variable de las fibras y el espacio entre ellas (mucho mayor) por donde circula el aire inhalado.

La imagen también evidencia que el mecanismo de retención de la partícula en el elemento filtrante no puede ser la luz entre fibras ya que resulta (en términos relativos) muy grande. El concepto inherente a un medio filtrante no tejido es que la partícula es retenida por la fibra, no por el espacio entre ellas.

La esencia de un medio filtrante para respiradores se basa en la distribución aleatoria de las fibras sintéticas que lo componen. Esto hace que las líneas de flujo del aire inhalado en el que viajan los contaminantes particulados siga una trayectoria extensa y sinuosa que facilita la colisión de la partícula con alguna fibra. Es aquí cuando actúan fuerzas que la capturan y la retienen adherida a la fibra siendo bastante difícil de remover. Entre las fuerzas que actúan están las de Van der Waals, electrostáticas o de tensión superficial (en el caso de los líquidos).

Los mecanismos y la estrategia de retención podemos explicarlos mediante el siguiente gráfico que muestra el corte de un respirador (Fig. 3). A la izquierda de la imagen tenemos el ambiente contaminado, a la derecha el usuario y entre ellos el respirador.

Fig. 3 (Referencia: Manual de Proteção Respiratória - Autores: Maurício Torloni y Antonio Vladimir Vieira - Publicado por: ABHO-Associação Brasileira de Higienistas Ocupacionais)
  • A – Intercepción: también denominada intercepción directa ya que la partícula A es retenida por la fibra cuando pasa sobre una línea de flujo cercana (color rojo en la imagen).
  • B – Inercia: partículas de cierta masa (B), que son transportadas por el aire aspirado a gran velocidad, no pueden cambiar bruscamente su trayectoria, como sí lo hace el aire, por el principio de inercia y colisionan directamente con una fibra quedando retenidas en su superficie por las fuerzas mencionadas (color verde en la imagen).
  • C – Difusión: las partículas más pequeñas migran aleatoriamente(*) de las líneas de flujo haciendo que colisionen con alguna fibra quedando retenidas (color naranja en la imagen).
    (*) El fenómeno se denomina movimiento browniano y es el movimiento aleatorio que se observa en las partículas que se hallan en un medio fluido (líquido o gas), como resultado de choques contra las moléculas de dicho fluido.
  • D – Tamizado: partículas de cierto tamaño (D) quedan retenidas por el efecto tamiz de la luz existente entre fibras (color azul en la imagen).
  • E – Atracción electrostática: dado que las fuerzas de Van der Waals son más débiles que las eléctricas es habitual cargar eléctricamente a las fibras textiles para que, de este modo, las partículas puedan ser retenidas por acción electrostática directa o inducción eléctrica preliminar y luego atracción electrostática (color violeta en la imagen).

    Estos mecanismos actúan simultáneamente pero su eficacia dependerá del tamaño de la partícula. La difusión es más efectiva para partículas de menor tamaño mientras que la intercepción e inercia lo son para partículas de mayor tamaño. La acción electrostática es prácticamente independiente del tamaño de la partícula. El resultado es que las las partículas más difíciles de retener se ubican en el rango de 0,3 a 0,6 μm. Por esta razón los respiradores se ensayan con un aerosol de partículas uniformes en el rango citado.

    Los tamaños de partículas se dan generalmente como un diámetro, es decir, asumiendo que son esféricas cuando en la práctica no lo son. Esto es una convención para material particulado y el tamaño se expresa mediante su diámetro aerodinámico. Cuando hablamos de partículas menores a 10 μm estamos hablando de su diámetro aerodinámico, definido como aquel de una partícula esférica con densidad unitaria (1 gramo/cm3) que tiene la misma velocidad final que la partícula real.

    Los parámetros mediante los cuales se define el desempeño de un filtro para partículas se denominan eficiencia y penetración y son complementarios.

  • Penetración (P): relación porcentual entre la concentración del aerosol de ensayo a la salida del filtro (luego de atravesarlo) (Cs) respecto del de la entrada del mismo (Ce).
  • Eficiencia (E): reducción porcentual de concentración respecto de la entrada.

EEUU expresa el desempeño en términos de eficiencia y Europa lo hace en términos de penetración.

Acerca de Libus

Libus, es una empresa argentina que desde hace 20 años viene diseñando y fabricando elementos de protección personal para la cabeza, con materiales de gran calidad y confort. Tiene su planta modelo en Berazategui, Provincia de Buenos Aires, con un moderno laboratorio de ensayo y medición para testear productos que poseen todas las certificaciones nacionales e internacionales necesarias para su comercialización y uso.