Sterilizzatore a sfiato per asciugacapelli N95 fai da te: 13 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Secondo SONG et al. (2020)[1], il calore di 70°C prodotto da un asciugacapelli per 30 minuti è sufficiente per inattivare i virus in un respiratore N95. Quindi, è un modo fattibile per le persone normali di riutilizzare i propri respiratori N95 durante le attività quotidiane, rispettando alcuni vincoli come: lo sfiato non deve essere contaminato da sangue, lo sfiato non deve essere rotto, ecc.

Gli autori affermano che l'asciugacapelli va acceso e lasciato in riscaldamento per 3, 4 minuti. Quindi, uno sfiato N95 contaminato deve essere inserito all'interno di un sacchetto con chiusura lampo e sottoposto a 30 minuti di calore prodotto dall'asciugacapelli. Dopo questo tempo, i virus sarebbero effettivamente inattivati sulla maschera, secondo i loro studi.

Tutte le azioni sopra indicate non sono automatizzate e ci sono vincoli che possono deteriorare il processo di sterilizzazione come una temperatura di riscaldamento troppo bassa (o troppo alta). Quindi questo progetto mira a utilizzare un asciugacapelli, un microcontrollore (atmega328, disponibile su Arduino UNO), uno shield relè e un sensore di temperatura (lm35) per costruire uno sterilizzatore automatico per maschere basato su SONG et al. risultati.

Forniture

1x Arduino UNO;

1x sensore di temperatura LM35;

1x scudo relè;

1x asciugacapelli a doppia velocità da 1700 W (Taiff Black 1700 W per riferimento)

1x tagliere;

2x cavi jumper maschio-maschio (15 cm ciascuno);

6 cavi jumper maschio-femmina (15 cm ciascuno);

2x cavo elettrico da 0,5 m 15 A;

1x connettore elettrico femmina (secondo lo standard del tuo paese - il Brasile è NBR 14136 2P+T);

1x connettore elettrico maschio (secondo lo standard del tuo paese - il Brasile è NBR 14136 2P+T);

1x Cavo USB tipo A (per programmare Arduino);

1x computer (desktop, notebook, qualsiasi);

1x morsa;

1x coperchio della pentola;

2x elastici;

1x taccuino a spirale con copertina rigida;

1x borsa Ziploc® Quart Size (17,7 cm x 18,8 cm);

1x rotolo di nastro adesivo

1x alimentatore USB da 5 V

Passaggio 1: modellazione automatica dello sterilizzatore a sfiato N95

Come affermato in precedenza, questo progetto mira a costruire uno sterilizzatore automatico basato su SONG et. al (2020). I seguenti passaggi sono necessari per raggiungerlo:

1. Riscaldare l'asciugacapelli per 3 ~ 4 minuti per raggiungere 70°C di temperatura;

2. Lasciare agire l'asciugacapelli per 30 minuti puntandolo verso lo sfiato N95 all'interno di una borsa Ziploc® per inattivare i virus sullo sfiato

Quindi, sono state formulate domande di modellazione per costruire una soluzione:

un. Tutti gli asciugacapelli producono una temperatura di 70°C dopo essere stati riscaldati per 3 ~ 4 minuti?

B. Gli asciugacapelli mantengono una temperatura costante di 70°C dopo 3 ~ 4 minuti di riscaldamento?

C. La temperatura all'interno della borsa Ziploc® è uguale alla temperatura esterna dopo 3 ~ 4 minuti di riscaldamento?

D. La temperatura all'interno della borsa Ziploc® aumenta alla stessa velocità della temperatura all'esterno?

Per rispondere a queste domande sono stati effettuati i seguenti passaggi:

I. Registrare le curve di riscaldamento di due asciugacapelli diversi per 3 ~ 4 minuti per vedere se entrambi possono raggiungere i 70°C

II. Registrare le curve di riscaldamento degli asciugacapelli (il sensore LM35 deve trovarsi all'esterno della borsa Ziploc® in questa fase) per 2 minuti dopo 3 ~ 4 minuti di riscaldamento iniziale

III. Registrare la temperatura all'interno della borsa Ziploc® per 2 minuti dopo 3 ~ 4 minuti di riscaldamento iniziale e confrontarla con i dati registrati nel passaggio II.

IV. Confronta le curve di riscaldamento registrate ai passaggi II e III (temperature interne ed esterne relative al sacco Ziploc®)

I passaggi I, II, III sono stati eseguiti utilizzando un sensore di temperatura LM35 e un algoritmo Arduino sviluppato per informare periodicamente (1Hz - tramite comunicazione seriale USB) la temperatura registrata dal sensore LM35 in funzione del tempo.

L'algoritmo sviluppato per registrare le temperature e le temperature registrate sono disponibili qui [2]

La fase IV è stata realizzata attraverso i dati registrati nelle fasi II e III e attraverso due script Python che hanno generato funzioni di riscaldamento per descrivere il riscaldamento all'interno e all'esterno della borsa Ziploc® e grafici dai dati registrati in entrambe le fasi. Questi script Python (e le librerie necessarie per eseguirli) sono disponibili qui [3].

Quindi, dopo aver eseguito i passaggi I, II, III e IV è possibile rispondere alle domande a, b, c e d.

Per la domanda A. la risposta è No come è possibile vedere, confrontando i dati registrati da 2 diversi asciugacapelli in [2] che un asciugacapelli è in grado di raggiungere 70°C mentre l'altro può raggiungere solo 44°C

Per rispondere alla domanda b, non si tiene conto dell'asciugacapelli che non può raggiungere i 70°C. Ispezionando i dati da quello che è in grado di raggiungere i 70°C (disponibile nel file step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2]) la risposta a b è anche no perché non riesce a mantenere una temperatura costante di 70°C dopo i primi 4 minuti di riscaldamento.

Occorre poi sapere se le temperature all'interno e all'esterno di Ziploc sono uguali (domanda c) e se aumentano con la stessa velocità (domanda d). I dati disponibili nei file step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2] e step_III_heating_data_inside_ziploc_bag.csv [2] sottoposti ad algoritmi di curve fitting e plotting in [3] forniscono risposte a entrambe le domande, che sono entrambe no perché la temperatura all'interno della borsa Ziploc® ha raggiunto un massimo di 70 ~ 71°C mentre la temperatura esterna ha raggiunto un massimo di 77 ~ 78°C e la temperatura interna della borsa Ziploc® è aumentata lentamente rispetto alla sua controparte esterna.

Figura 1 - Curvas de Aquecimento Fora e Dentro do Involucro mostra un grafico delle temperature esterno/interno del sacco Ziploc® in funzione del tempo (la curva arancione corrisponde alla temperatura interna, la curva blu a quella esterna). Come è possibile vedere, le temperature interne ed esterne sono diverse e aumentano anche a velocità diverse, lentamente all'interno della borsa Ziploc rispetto all'esterno. La figura informa inoltre che le funzioni di temperatura sono sotto forma di:

Temperatura(t) = Temperatura ambiente + (Temperatura finale - Temperatura ambiente) x (1 - e^(tasso di aumento della temperatura x t))

Per la temperatura esterna al sacco Ziploc®, la funzione temperatura in termini di tempo è:

T(t) = 25,2 + 49,5 * (1 - e^(-0,058t))

E per la temperatura all'interno della borsa Ziploc®, la funzione temperatura in termini di tempo è:

T(t) = 28,68 + 40,99 * (1 - e^(-0,0182t))

Quindi, con tutti questi dati (e altri risultati empirici) a portata di mano, si può affermare quanto segue su questo processo di modellazione dello sterilizzatore N95 fai da te:

-Asciugacapelli diversi possono produrre temperature diverse - Alcuni non saranno in grado di raggiungere i 70°C mentre altri supereranno di molto questo riferimento. Per quelli che non possono raggiungere i 70°C, devono essere spenti dopo il tempo di riscaldamento iniziale (per evitare inutili sprechi di energia) e deve essere visualizzato un messaggio di errore all'operatore della sterilizzatrice che informa di questo problema. Ma per chi supera i 70°C di riferimento, è necessario spegnere l'asciugacapelli quando la temperatura supera una certa temperatura (70 + margine superiore) °C (per evitare danni alla capacità di protezione dello sfiato N95) e accenderlo riaccendere dopo che N95 si è raffreddato a una temperatura inferiore a (70 - margine inferiore) °C, per continuare il processo di sterilizzazione;

-Il sensore di temperatura LM35 non può essere all'interno del sacchetto Ziploc®, perché il sacchetto deve essere sigillato per evitare la contaminazione della stanza con ceppi di virus, quindi la temperatura LM35 deve essere posizionata all'esterno del sacchetto;

-Poiché la temperatura interna è inferiore alla sua controparte esterna e richiede più tempo per aumentare, è obbligatorio capire come avviene il processo di raffreddamento (diminuzione), perché, se la temperatura interna impiega più tempo per diminuire rispetto alla temperatura esterna, quindi, c'è un relazione causale tra il processo di aumento/diminuzione della temperatura interna/esterna del sacco Ziploc® e quindi è possibile utilizzare la temperatura esterna come riferimento per regolare l'intero processo di riscaldamento/raffreddamento. Ma in caso contrario, sarà necessario un altro approccio. Questo porta a una quinta domanda di modellazione:

e. La temperatura all'interno della borsa Ziploc® diminuisce più lentamente che all'esterno?

È stato fatto un quinto passo per rispondere a questa domanda e sono state registrate le temperature ottenute durante il processo di raffreddamento (interno/esterno della borsa Ziploc®) (disponibile qui [4]). Da queste temperature, sono state scoperte le funzioni di raffreddamento (e le rispettive velocità di raffreddamento) per il raffreddamento all'esterno e all'interno della borsa Ziploc®.

La borsa per la funzione di raffreddamento Ziploc® esterna è: 42,17 * e^(-0,0089t) + 33,88

La controparte interna è: 37.31 * e^(-0.0088t) + 30.36

Con questo in mente, è possibile vedere che entrambe le funzioni diminuiscono in modo uguale (-0.0088 ≃ -0.0089) come mostra la Figura 2 - Curvas de Resfriamento Fora e Dentro do Invólucro: (blu/arancione è rispettivamente fuori/dentro la borsa Ziploc®)

Poiché la temperatura all'interno della borsa Ziploc® diminuisce alla stessa velocità della temperatura esterna, la temperatura esterna non può essere utilizzata come riferimento per tenere acceso l'asciugacapelli quando è necessario il riscaldamento perché la temperatura esterna aumenta più velocemente della temperatura interna e quando la temperatura esterna raggiunge (70 + margine superiore) °C la temperatura interna sarebbe inferiore alla temperatura necessaria per sterilizzare lo sfiatatoio. E nel tempo, la temperatura interna sperimenterebbe una diminuzione diluita del suo valore medio. Occorre quindi utilizzare la funzione temperatura interna in termini di tempo per determinare il tempo necessario per aumentare la propria temperatura da (70 - margine inferiore) °C ad almeno 70°C.

Da un margine inferiore di 3°C (e di conseguenza una temperatura iniziale di 67°C) per arrivare a ≃ 70°C è necessario attendere almeno 120 secondi, a seconda della funzione di temperatura in termini di tempo della sacca Ziploc®.

Con tutte le risposte alle domande di modellazione di cui sopra, è possibile costruire una soluzione minimamente praticabile. Naturalmente, ci devono essere caratteristiche e miglioramenti che non possono essere affrontati qui - c'è sempre qualcosa da scoprire o migliorare - ma è che tutti gli elementi suscitati sono in grado di costruire la soluzione necessaria.

Questo porta all'elaborazione di un algoritmo da scrivere in Arduino, al fine di realizzare il modello stabilito.

Fase 2: Algoritmo di funzionamento dello sterilizzatore automatico dello sfiato N95

Sulla base dei requisiti e delle domande di modellazione emerse nel passaggio 2, sono stati sviluppati gli algoritmi descritti nell'immagine sopra e sono disponibili per il download su github.com/diegoascanio/N95HairDryerSterilizer

Passaggio 3: caricamento del codice su Arduino

1. Scarica la libreria di timer Arduino - https://github.com/brunocalou/Timer/archive/master.zip [5]
2. Scarica il codice sorgente dello sterilizzatore per asciugacapelli N95 -
3. Apri Arduino IDE
4. Aggiungi libreria timer Arduino: Sketch -> Includi libreria -> Aggiungi libreria. ZIP e seleziona il file Timer-master.zip, dalla cartella in cui è stato scaricato
5. Estrai il file n95hairdryersterilizer-master.zip
6. Apri il file n95hairdryersterilizer.ino con Arduino IDE
7. Accetta la richiesta di creare una cartella di sketch e sposta lì n95hairdryersterilizer.ino
8. Inserisci il cavo USB di tipo A in Arduino UNO
9. Inserisci il cavo USB di tipo A nel PC
10. Nell'IDE di Arduino, con lo schizzo già aperto, fare clic su Schizzo -> Carica (Ctrl + U) per caricare il codice su Arduino
11. Arduino è pronto per funzionare!

Passaggio 4: cablaggio dello schermo del relè ai connettori elettrici

Costruzione del cavo di alimentazione dello schermo del relè:

1. Collegare il pin di terra dal connettore maschio elettrico al pin di terra del connettore femmina elettrico con cavo elettrico 15A;

2. Cablare un pin dal connettore maschio elettrico direttamente al connettore C della schermatura del relè con un cavo elettrico da 15 A;

3. Collegare l'altro pin dal connettore elettrico maschio al pin sinistro del connettore elettrico femmina con cavo elettrico 15A;

4. Collegare il pin destro dal connettore elettrico femmina direttamente al connettore NA dello schermo del relè con un cavo elettrico da 15A;

Collegamento dell'asciugacapelli al cavo di alimentazione Relay Shield:

5. Collegare il connettore maschio elettrico dell'asciugacapelli al connettore femmina elettrico del cavo di alimentazione Relay Shield

Passaggio 5: cablaggio dello schermo del relè ad Arduino

1. Collegare GND da Arduino alla linea negativa di Breadboard con cavo jumper maschio-maschio;

2. Collegare il pin 5V da Arduino alla linea positiva di Breadboard con un cavo jumper maschio-maschio;

3. Collegare il pin digitale n. 2 di Arduino al pin di segnale di Relay Shield con un cavo jumper maschio-femmina;

4. Collegare il pin 5V dal Relay Shield alla linea positiva del Breadboard con un cavo jumper maschio-femmina;

5. Collegare il pin GND dallo schermo del relè alla linea negativa della breadboard con un cavo di collegamento maschio-femmina;

Passaggio 6: cablaggio del sensore di temperatura LM35 ad Arduino

Prendendo come riferimento frontale il lato piatto del sensore LM35:

1. Collegare il pin 5V (1° pin da sinistra a destra) da LM35 nella linea positiva di Breadboard con cavo jumper femmina-maschio;

2. Collegare il pin del segnale (2° pin da sinistra a destra) da LM35 al pin A0 di Arduino con un cavo jumper femmina-maschio;

3. Collegare il pin GND (1° pin da sinistra a destra) da LM35 alla linea negativa di Breadboard con cavo jumper femmina-maschio;

Passaggio 7: collegamento dell'asciugacapelli alla morsa

1. Fissare la morsa su un tavolo

2. Metti l'asciugacapelli nella morsa

3. Regolare la morsa per lasciare l'asciugacapelli ben attaccato

Passaggio 8: preparazione del supporto per sacca Ziploc®

1. Scegli il quaderno a spirale con copertina rigida e inserisci due elastici come mostrato nella prima immagine;

2. Scegli un vaso (come quello mostrato nella seconda immagine) o qualsiasi cosa che possa essere usata come supporto per lasciare il quaderno a spirale con copertina rigida in posizione diritta;

3. Posiziona il quaderno a spirale con copertina rigida con due elastici nella parte superiore del coperchio della pentola (come mostrato nella terza immagine)

Passaggio 9: posizionare lo sfiato all'interno della borsa Ziploc®

1. Mettere con cura lo sfiato N95 all'interno del sacchetto Ziploc® e sigillarlo di conseguenza, per evitare possibili contaminazioni della stanza (Immagine 1);

2. Posiziona Ziploc® Bag al suo supporto (costruito sul passaggio precedente), tirando i due elastici posti sopra il quaderno a spirale con copertina rigida (Immagine 2);

Passaggio 10: collegamento del sensore di temperatura alla borsa Ziploc® all'esterno

1. Fissare il sensore LM35 all'esterno della borsa Ziploc® con un po' di nastro adesivo, come mostrato sopra;

Passaggio 11: posizionare lo sfiato N95 e il suo supporto nella posizione corretta

1. N95 Breather dovrebbe essere a 12,5 cm di distanza dall'asciugacapelli. Se posizionato a una distanza maggiore, la temperatura non aumenterà oltre i 70°C e la sterilizzazione non avverrà come dovrebbe. Se collocato a distanza ravvicinata, la temperatura aumenterebbe ben oltre i 70°C, danneggiando l'apparato respiratorio. Quindi 12,5 cm è la distanza ottimale per un asciugacapelli da 1700 W.

Se l'asciugacapelli ha una potenza maggiore o minore, la distanza deve essere opportunamente regolata in modo da mantenere la temperatura il più possibile vicina ai 70°C. Il software di Arduino stampa la temperatura ogni 1 secondo, in modo da rendere fattibile questo processo di regolazione per diversi asciugacapelli;

Passaggio 12: mettere tutto al lavoro

Dopo aver eseguito tutti i collegamenti dei passaggi precedenti, collegare il connettore maschio elettrico del cavo di alimentazione Relay Shield a una presa di corrente e inserire il cavo USB di tipo A in Arduino e in un alimentatore USB (o porta USB del computer). Quindi, lo sterilizzatore inizierà a funzionare proprio come nel video sopra

Passaggio 13: riferimenti

1. Canzone Wuhui1, Pan Bin2, Kan Haidong2等. Valutazione dell'inattivazione al calore della contaminazione da virus sulla maschera medica[J]. GIORNALE DI MICROBI E INFEZIONI, 2020, 15(1): 31-35. (disponibile su https://jmi.fudan.edu.cn/EN/10.3969/j.issn.1673-6184.2020.01.006, accesso 8 aprile 2020)

2. Santos, Diego Ascanio. Algoritmo di cattura della temperatura e set di dati della temperatura nel tempo, 2020. (disponibile su https://gist.github.com/DiegoAscanio/865d61e3b774aa614c00287e24857f83, accesso il 9 aprile 2020)

3. Santos, Diego Ascanio. Algoritmi di Fitting/Plotting e relativi requisiti, 2020. (Disponibile su https://gist.github.com/DiegoAscanio/261f7702dac87ea854f6a0262c060abf, accesso il 9 aprile 2020)

4. Santos, Diego Ascanio. Dataset di raffreddamento della temperatura, 2020. (disponibile su https://gist.github.com/DiegoAscanio/c0d63cd8270ee517137affacfe98bafe, accesso il 09 aprile 2020)