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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA

ANA FLÁVIA DA MOTTA SALAS

FERNANDA DI GIAIMO MARTINEZ

ESTUDO DA EFICIÊNCIA DE REMOÇÃO DO ÓXIDO DE ETILENO

POR UM SCRUBBER EM UMA PLANTA DE ESTERILIZAÇÃO

LORENA - SP

2015

ANA FLÁVIA DA MOTTA SALAS

FERNANDA DI GIAIMO MARTINEZ

ESTUDO DA EFICIÊNCIA DE REMOÇÃO DO ÓXIDO DE ETILENO

POR UM SCRUBBER EM UMA PLANTA DE ESTERILIZAÇÃO

Monografia apresentada à Escola de Engenharia de Lorena – Universidade de São Paulo como requisito parcial para conclusão da Graduação do curso de Engenheira Química, sob orientação do Prof. Dr. Marco Antonio Carvalho Pereira.

LORENA – SP

2015

AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIOCONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE

Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizadoda Escola de Engenharia de Lorena,

com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)

Salas, Ana Flávia da MottaMartinez, Fernanda DI Giaimo Estudo da eficiência de remoção do óxido de etilenopor um scrubber em uma planta de esterilização / AnaFlávia da Motta Salas; orientador Marco AntonioCarvalho Pereira. - Lorena, 2015. 67 p.

Monografia apresentada como requisito parcialpara a conclusão de Graduação do Curso de EngenhariaQuímica - Escola de Engenharia de Lorena daUniversidade de São Paulo. 2015Orientador: Marco Antonio Carvalho Pereira

1. Scrubber. 2. Esterilização. 3. Eficiência. 4.Óxido de etileno. I. Título. II. Pereira, MarcoAntonio Carvalho, orient.

DEDICATÓRIA

Aos nossos pais, pelo

apoio, pela compreensão,

dedicação e exemplos de

todos os nossos passos até

o dia de hoje.

AGRADECIMENTOS

Primeiramente, a Deus, por nos proporcionar todas as

oportunidades em nossas vidas, incluindo este trabalho.

Às nossas famílias, que nos deram apoio e principalmente

entenderam quando nossas ausências foram necessárias para nos dedicarmos a

este trabalho, e também por todos ensinamentos constantes durante a vida.

Aos nossos amigos, que durante os piores momentos estiveram

ao nosso lado dando todo suporte e nos encorajando a prosseguir.

Ao Prof. Dr. Marco Antônio, pela paciência, comprometimento e

por ser sido um orientador tão presente que nos ajudou muito a entender e não

mediu esforços em nos ajudar para a conclusão deste trabalho.

Aos colegas de trabalhos, principalmente ao Alfredo e Douglas,

que nos deram a oportunidade de desenvolver este projeto e acreditaram em

nosso talento, além do contínuo suporte quando necessário, e também à Bárbara

pela participação ativa, comprometimento e esclarecimento técnico.

EPÍGRAFE

“Quando penso que

cheguei ao meu limite,

descubro que tenho forças

para ir além.”

(Ayrton Senna)

RESUMO

SALAS, A. F. M.; MARTINEZ, F. D. G. Estudo da eficiência de remoção do óxido de etileno por um scrubber em uma planta de esterilização. 2015. 67 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia Química) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2015.

O processo de esterilização por óxido de etileno (EtO) é uma

das tecnologias mais utilizadas atualmente quando trata-se de dispositivos

médico-hospitalares. Além de ser um agente esterilizante de alta eficácia na

inativação microbiana, o óxido de etileno utiliza baixas temperaturas em seu

processo. No entanto, o EtO é altamente tóxico, carcinogênico e teratogênico,

além de inflamável e explosivo quando em contato com o ar, portanto requer um

controle de remoção eficaz. Este trabalho de monografia tem como objetivo

avaliar a eficiência de remoção do gás óxido de etileno, presente em uma

corrente proveniente de um processo de esterilização de dispositivos médico-

hospitalares, pela utilização de um scrubber, que se trata de um lavador de gases.

Foi realizado um estudo de caso em uma multinacional americana, a qual

encontra-se com dificuldades para atingir a eficiência de remoção de óxido de

etileno especificada pelas normas da empresa. Através de fundamentação

teórica, estudo de documentos da companhia, observação in loco e reuniões com

colaboradores da planta e especialistas em scrubber, foi proposto um cálculo de

eficiência mais transparente e de fácil entendimento, além de uma nova

periodicidade para a troca da solução do sistema. Também foram propostas

algumas melhorias para que a eficiência de remoção seja atingida. Entre elas

estão o conserto e reinstalação de um lavador de gases obsoleto pela planta,

instalação de um chuveiro na parte superior do tanque de solução do scrubber,

utilização de um medidor de óxido de etileno na chaminé do sistema, permitindo

um monitoramento constante do sistema, acompanhamento e estudo de

estabilidade da solução do scrubber e determinação da concentração de

etilenoglicol na solução por cromatografia gasosa. Por fim, foi avaliada a

aquisição de um novo sistema completo de scrubber, desenvolvido

especificamente para a empresa estudada.

Palavras-chave: Scrubber, esterilização, eficiência, óxido de etileno.

ABSTRACT

SALAS, A. F. M.; MARTINEZ, F. D. G. Efficiency study of ethylene oxide removal by a scrubber in a sterilization plant. 2015. 67 p. Course Conclusion Paper (Chemical Engineering) - Engineering School of Lorena, University of Sao Paulo, Lorena, 2015.

The sterilization process using ethylene oxide (EtO) is one of the

most popular technologies currently in use when it comes to medical devices.

Apart from being a highly effective sterilizing agent for the microbial deactivation,

the ethylene oxide uses low temperatures in the process. Nevertheless, the EtO is

extremely toxic, carcinogenic and teratogenic, besides being flammable and

explosive when in contact with the atmosphere, thus requiring an efficient removal

control. This paper aims at a proficient evaluation of the EtO gas removal present

in a current from the sterilization process of medical devices by the utilization of a

scrubber, a gas washer device. A case study has been led at an American

multinational company, currently experimenting difficulties to meet the efficient EtO

removal in compliance with the company‘s standards. Through theoretical

grounds, company’s document studies, on-spot checks and regular meetings with

plant employees and scrubber specialists, a more transparent and easy to

understand efficiency calculation has been proposed including a new frequency of

the system solution replacement. Moreover, some proposals for the improvement

of efficient gas removal have been suggested, namely fixing and resettlement of

an obsolete gas washer in place, installation of a shower on top of the scrubber

solution tank, use of an EtO gauge at the system’s exhaust fan thus allowing the

constant monitoring of the system, follow-up and stability study of the scrubber

solution as well as determining the ethylene glycol concentration in the solution by

gas chromatography. Finally, the acquisition of a new and complete scrubber

system particularly developed for the studied company has been put forward.

Key words: Scrubber, sterilization, efficiency, ethylene oxide (EtO)

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Representação esquemática da molécula de óxido de etileno ................. 18

Figura 2 – Reação global de formação do etilenoglicol ............................................. 20

Figura 3 - Primeira etapa da reação de formação de etilenoglicol ............................ 21

Figura 4 - Segunda etapa da reação de formação de etilenoglicol ........................... 21

Figura 5 - Terceira etapa da reação de formação de etilenoglicol ............................ 22

Figura 6 - Tipos de scrubber ..................................................................................... 25

Figura 7 - Diagrama de itens para um sistema de scrubber ..................................... 26

Figura 8 - Scrubber com placas ................................................................................ 28

Figura 9 - Scrubber de pulverização ......................................................................... 28

Figura 10 - Scrubber de Venturi ................................................................................ 29

Figura 11 - Scrubber com várias geometrias ............................................................ 30

Figura 12 - Scrubber de centrifugação ...................................................................... 31

Figura 13 - Scrubber de Arraste ................................................................................ 32

Figura 14 - Scrubber mecânico ................................................................................. 32

Figura 15 - Sistemas de scrubber utilizados no experimento .................................... 33

Figura 16 - Planta de esterilização ............................................................................ 38

Figura 17 - Representação do scrubber utilizado pela empresa ............................... 43

Figura 18- Sala dedicada ao scrubber ...................................................................... 44

Figura 19- Tanque do scrubber ................................................................................. 44

Figura 20 - Tanque de contenção de concreto.......................................................... 45

Figura 21 - Região inferior do scrubber ..................................................................... 45

Figura 22 – Bomba de recirculação .......................................................................... 46

Figura 23 - Sistema de exaustão .............................................................................. 46

Figura 24 - Sistema de scrubber para óxido de etileno ............................................. 50

LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1 - Eficiência de absorção em função do tempo de contato ......................... 34

Gráfico 2 - Eficiência do scrubber em função da concentração de etilenoglicol na

solução ...................................................................................................................... 34

Gráfico 3 - Eficiência de remoção ao longo dos últimos anos ................................... 48

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Resultados dos testes de 2014 para a câmara S#1................................. 52

Tabela 2 - Resultados dos testes de 2014 para a câmara S#2................................. 52

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

DEG Dietilenoglicol

EtO Óxido de Etileno

MEG Monoetilenoglicol

SAL Sterility Assurance Level

TEG Trietilenoglicol

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................... 14

1.1 Contextualização ........................................................................................ 14

1.2 Objetivo geral .............................................................................................. 15

1.3 Objetivos específicos .................................................................................. 16

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ......................................................................... 17

2.1 Óxido de etileno .......................................................................................... 17

2.2 Etilenoglicol ................................................................................................. 18

2.3 Reação do óxido de etileno para formação de etilenoglicol ........................ 20

2.4 Esterilização ............................................................................................... 22

2.5 Mecanismo de esterilização por óxido de etileno ....................................... 23

2.6 Scrubber ..................................................................................................... 24

2.7 O sistema de scrubber ................................................................................ 25

2.8 Mecanismo de coleta de gases .................................................................. 26

2.9 Tipos de scrubbers ..................................................................................... 27

2.9.1 Scrubber com placas 27

2.9.2 Scrubber de pulverização 28

2.9.3 Scrubber de pulverização atomizada com gás 29

2.9.4 Scrubbers de centrifugação 30

2.9.5 Scrubbers de arraste 31

2.9.6 Scrubbers mecânicos 32

2.10 Fatores que influenciam a eficiência de remoção ....................................... 33

3. METODOLOGIA ................................................................................................ 36

3.1 Método de pesquisa.................................................................................... 36

3.2 Objeto de pesquisa ..................................................................................... 36

3.2.1 A empresa 36

3.2.2 A planta de esterilização 37

3.3 Universo (população e amostra) ................................................................. 40

3.4 Coleta de dados .......................................................................................... 41

3.5 Análise de dados ........................................................................................ 42

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ......................................................................... 43

4.1 Observação in loco e/ou in modus operandi ............................................... 43

4.2 Entrevistas com especialistas ..................................................................... 47

4.2.1 Reunião com o supervisor e coordenador de esterilização 47

4.2.2 Visita à empresa portadora de scrubber 48

4.2.3 Reunião com empresa fornecedora de scrubbers 49

4.2.4 Nova reunião com supervisor e coordenador de esterilização 50

4.3 Determinação da eficiência de remoção de óxido de etileno pelo

scrubber ................................................................................................................. 51

4.3.1 Cálculo de eficiência do scrubber conforme empresa 52

4.3.2 Cálculo proposto para a eficiência do scrubber 54

4.4 Determinação da periodicidade de troca da solução do scrubber .............. 57

4.5 Determinação da concentração de etilenoglicol na solução ....................... 60

5. PROPOSTAS DE MELHORIAS PARA O SISTEMA ......................................... 61

5.1 Instalação do equipamento lavador de gases ............................................. 61

5.2 Melhoria no tanque de solução ................................................................... 61

5.3 Utilização de medidor de gás na chaminé do scrubber .............................. 62

5.4 Acompanhamento da solução do scrubber ................................................. 62

5.5 Estudo de estabilidade da solução do scrubber ......................................... 62

5.6 Determinação da concentração de etilenoglicol na solução por

cromatografia gasosa ............................................................................................ 63

5.7 Aquisição de novo sistema de scrubber ..................................................... 64

6. CONCLUSÃO .................................................................................................... 65

REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 66

14

1. INTRODUÇÃO

1.1 Contextualização

Nos últimos anos, vem ocorrendo uma aceleração da diversidade

e da quantidade de artigos médico-hospitalares, em função da sua crescente

utilização e da evolução da ciência médica. Um grande desafio é aliar este

crescimento com a manutenção das características de funcionamento do produto

final, visando sua resistência, segurança e esterilidade.

A produção de dispositivos médico-hospitalares envolve vasta

gama de materiais, os quais exigem métodos esterilizantes compatíveis com a

necessidade do cliente final. Atendendo a tais requisitos, o óxido de etileno (EtO)

é um dos métodos mais utilizados atualmente. No entanto, por se tratar de um

gás utilizado em esterilização e de sua grande eficiência na morte microbiana,

além dos resultados de pesquisas que demonstram ser o EtO um agente

potencialmente carcinogênico e explosivo, há uma preocupação quanto ao

descarte deste gás na atmosfera, não introduzindo quaisquer riscos quando

processado dentro das condições adequadas.

Sendo assim, ganha fundamental importância o controle da

eficiência de limpeza deste gás em processo. Após os processos de exposição e

de limpeza das linhas, o óxido de etileno deve ser neutralizado para então ser

descartado no meio ambiente, sem causar danos tanto a saúde dos trabalhadores

quanto às instalações da planta.

Neste contexto, uma multinacional americana, instalada em São

José dos Campos, cuja divisão de produtos médico-hospitalares conta com uma

planta destinada ao processo de esterilização por óxido de etileno, possui um

grande foco em segurança e preservação do meio ambiente e procura manter os

padrões mais rígidos de controle dos agentes ditos como perigosos. Para isto, foi

desenvolvido um sistema específico para lavagem de gases proveniente dos

processos de esterilização por óxido de etileno, antes do lançamento para a

atmosfera.

O sistema, denominado scrubber, é interligado ao sistema de

evacuação das câmaras de esterilização e dos cilindros de gases e permite o

borbulhamento do gás EtO em uma solução de ácido sulfúrico 5%, presente em

15

um tanque.

O Scrubber tem como objetivo possibilitar a conversão de óxido

de etileno em etilenoglicol, que, além de ser menos tóxico, é líquido e, ao

contrário do óxido de etileno, elimina o risco de inalação de gases letais. A

conversão ocorre devido a uma reação de hidroxilação pelo contato do óxido de

etileno com a água, catalisado por ácido sulfúrico.

A troca da solução do scrubber ocorre a cada 6 meses e a

solução retirada é descartada na estação de tratamento de efluentes da empresa.

Além disto, a companhia anualmente emite um relatório de eficiência do scrubber,

no qual é apresentada, após os devidos cálculos, a porcentagem de remoção do

óxido de etileno através de análises de cromatografia gasosa realizadas na

chaminé do sistema. A eficiência de remoção que deve ser alcançada de acordo

com as normas da empresa é de 99,9%, porém nos últimos 5 anos este valor não

foi atingido. Em 2014, a eficiência apurada foi de 99,78%.

Embora a empresa possua um sólido compromisso com relação à

segurança, o scrubber é um equipamento antigo na planta e, os cálculos

realizados para encontrar a eficiência do sistema não possuem um embasamento

teórico registrado, sendo reportados no relatório anual de forma confusa,

dificultando seu entendimento. Portanto, a empresa identificou como oportunidade

de melhoria a verificação destes cálculos com a criação de um procedimento mais

claro, que possa ser explicado principalmente em auditorias de segurança e meio

ambiente, além de um estudo para avaliar alterações que possam ser realizadas

no sistema para que a eficiência de remoção atinja o valor desejado.

1.2 Objetivo geral

Avaliar a eficiência de remoção de óxido de etileno presente na

corrente gasosa proveniente de um processo de esterilização, através da

utilização de um scrubber.

16

1.3 Objetivos específicos

• Avaliar o cálculo da eficiência de remoção de óxido de etileno

pelo scrubber, realizado anualmente pela empresa;

• Investigar se o tempo de troca da solução está de acordo com

as necessidades do processo;

• Propor melhorias no sistema de remoção de óxido de etileno e

alternativas para o seu monitoramento constante.

17

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Este capítulo apresenta conceitos teóricos básicos e definições

que serão necessários para o entendimento da pesquisa.

2.1 Óxido de etileno

O óxido de etileno foi descoberto por Wurtz em 1859. A partir de

então, foi utilizado em experimentos nos quais diferentes pestes contaminantes

de produtos agrícolas foram destruídas após a exposição ao gás. Em 1928, as

propriedades inseticidas foram demonstradas e formalmente descritas por Cotton

e Roark. Após um ano, Schrader e Bossert patentearam o uso de óxido de etileno

em combinação com dióxido de carbono para destruir efetivamente insetos e

microrganismos e em 1933, Gross e Dixon demonstraram por meio de

experimentos controlados que o EtO era capaz de destruir completamente altas

populações de microrganismos, recebendo uma patente por esta descoberta

(BURGESS; REICH,1997).

Estas demonstrações de que o óxido de etileno possui

propriedades favoráveis à desinfecção promoveram seu uso para pulverizar

quartos de hospitais que acomodavam pacientes doentes. Griffith e Hall

patentearam um processo que utilizava EtO puro, sob vácuo, para diminuir a

contaminação microbiológica na agricultura. Como exemplo de demais

aplicações, misturas gasosas de EtO e CO2 também eram utilizadas em museus e

bibliotecas para controlar a degradação microbiológica de livros, documentos

arquivados e outros artefatos (BURGESS; REICH,1997).

No final da década de 1940 foram publicados relatórios sobre o

uso do gás EtO para esterilização de produtos médicos. Já na metade da década

de 1950 utilizava-se o óxido de etileno puro, em um processo controlado a vácuo,

para esterilizar produtos hospitalares feitos de plástico, incluindo dispositivos

intravenosos e seringas. As aplicações logo passaram a incluir kits cirúrgicos,

embalagens e diferentes conteúdos farmacêuticos. Diferentes processos e

aplicações foram subsequentemente validados, consolidando o EtO como o

agente químico esterilizante de dispositivos médicos mais utilizado (BURGESS;

18

REICH,1997).

O Óxido de Etileno (C2H4O), ilustrado na figura 1, é um gás

liquefeito incolor, de odor etéreo em altas concentrações, cujo peso molecular é

44,05 g/mol e o ponto de ebulição é 10,73°C a 1 atm. É extremamente tóxico,

inflamável, reativo e potencialmente explosivo ao ar. Este se dissolve

prontamente em água e em solventes orgânicos e em geral não é corrosivo. O

óxido de etileno, sob forma líquida, tende a se polimerizar (MARTINS; MOTA,

2014).

Segundo Ribeiro (2013) e Martins e Cardoso (2015) o óxido de

etileno é o mais importante éter cíclico, sendo utilizado como intermediário

químico na fabricação de uma grande variedade de produtos tais como

etilenoglicóis, etanolaminas e ésteres glicólicos. Estes produtos, por sua vez, são

utilizados como matérias-primas para uma série de aplicações, nos segmentos de

alimentos, limpeza, agroquímicos, farmacêuticos, aditivos para combustíveis,

tintas, resinas e etc., porém seu derivado mais importante é o etilenoglicol,

utilizado na fabricação de poliéster, em aditivos de arrefecimento automotivo,

como anticongelante, plastificante e resina para barcos e piscinas. O óxido de

etileno é altamente tóxico, carcinogênico e teratogênico e, portanto, requer muitos

controles de exposição tanto para os produtos quanto para os trabalhadores da

área (SUNDIN, 2014).

Figura 1 - Representação esquemática da molécula de óxido de etileno

Fonte: Ribeiro (2013)

2.2 Etilenoglicol

O etilenoglicol é o resultado da hidratação do óxido de etileno. O

Monoetilenoglicol (MEG), o mais simples da estrutura dos etilenoglicóis, é obtido

19

através da reação de adição de um mol de água em um mol de óxido de eteno

(etileno). Posteriormente, a reação de MEG adicionada a um mol de óxido de

eteno, resulta em Dietilenoglicol (DEG) e consequentemente, adicionando-se

outro mol de óxido de eteno, obtém-se Trietilenoglicol (TEG) (OXITENO, 2015).

O etilenoglicol foi sintetizado pela primeira vez em 1859 pelo

químico francês Charles Adolphe Wurtz, ao realizar a saponificação do diacetato

de etilenoglicol reagindo com hidróxido de potássio. Foi produzido pela primeira

vez em quantidades pequenas durante a Segunda Guerra Mundial, utilizado

inicialmente como refrigerante e um componente de explosivos. Em 1937

começou a produção industrial, por seu precursor óxido de etileno, a preços

baixos (OXITENO, 2015).

Essa produção causou uma revolução no mundo da aviação, pois

substituiu o sistema de refrigeração a água. Como seu ponto de ebulição é

elevado, permite diminuir o tamanho do radiador e, consequentemente, o seu

peso e o arrasto aerodinâmico. Antes da produção do etilenoglicol, os sistemas de

refrigeração, que eram utilizados no efeito de água de alta pressão, eram

volumosos e pouco confiáveis e se houvesse um combate aéreo os aviões

poderiam ser afetados facilmente pelas balas inimigas (OXITENO, 2015).

O etilenoglicol, comumente conhecido como glicol, é um líquido

incolor, inodoro, com sabor agridoce e pouco volátil em temperatura ambiente. É

produzido industrialmente a partir do etileno. Quando adicionado à água, eleva o

ponto de ebulição da mistura, ao mesmo tempo em que reduz o ponto de

congelamento, por isso é utilizado como anticongelante em diversas aplicações,

como aditivo para água em radiadores de veículos. Pode ser utilizado na

fabricação de plásticos, filmes para embalagens, resinas alquílicas, na

composição de formulações de óleos para usinagens, plastificantes para papel

celofane, na formulação de tintas, agrotóxicos e papel, como solvente para

nitrocelulose, acetato de celulose, cosméticos, entre outros usos. O etilenoglicol é

altamente hidrossolúvel e por isso tende a se concentrar no meio aquoso, seja em

água superficial ou subterrânea. Apresenta grande mobilidade no solo. Existe

pouca volatilização para a atmosfera a partir do solo ou da água. Aerossóis e

vapores podem transportar a substância para a atmosfera onde é degradada por

oxidação fotoquímica em cerca de 1,4 dias. O etilenoglicol é biodegradado em

questão de dias ou semanas na água e no solo, tanto em condições aeróbias

20

quanto anaeróbias. A substância tem tempo de residência curto em todos os

meios e não é passível de bioacumulação nos organismos vivos (CETESB, 2014).

A ingestão de grandes quantidades de etilenoglicol por curto

prazo causa depressão do sistema nervoso, incluindo vômito, sonolência,

insuficiência respiratória, convulsões, alterações metabólicas, distúrbio

gastrintestinal, efeitos cardiopulmonares, dano renal e coma. O sabor adocicado

aumenta o risco de ingestão por crianças e animais. Um estudo com indivíduos

que inalaram baixos níveis do composto por um mês mostrou irritação da

garganta e trato aéreo superior. Os sinais e sintomas relacionados com exposição

crônica são cefaleia, dor nas costas e irritação ocular. Exposições a

concentrações mais elevadas podem irritar o trato respiratório com sensação de

queimação na garganta e traqueia, especialmente ao tossir (CETESB, 2014).

2.3 Reação do óxido de etileno para formação de etilenoglicol

Segundo Martins e Cardoso (2015), os produtos obtidos da

reação do óxido de etileno são os éteres de etilenoglicol. A reação de hidroxilação

catalítica do óxido de etileno pode ser realizada na presença de uma grande

variedade de catalisadores básicos ou ácidos, na qual existem algumas

diferenças nas reações, tendo influência no desempenho do reator e no

mecanismo de reação. A figura 2 apresenta a reação global de formação do

etilenoglicol.

Figura 2 – Reação global de formação do etilenoglicol

Fonte: Martins e Cardoso (2015)

Os catalisadores ácidos podem ser utilizados em baixas

temperaturas quando comparados com os catalisadores básicos que precisam de

altas temperaturas para reagir. Por outro lado, os catalisadores ácidos têm grande

formação de subprodutos e tem a desvantagem de serem altamente corrosivos,

enquanto que os catalisadores básicos tem total controle dos subprodutos

21

obtidos, sendo então mais fácil separá-los no final do tempo de contato

(MARTINS; CARDOSO, 2015).

As etapas da reação de etoxilação na presença de ácidos são

aplicadas quando o catalisador possuir a classificação de ácidos de Bronsted,

onde o ácido é a espécie química doadora de prótons H+ (MARTINS; CARDOSO,

2015).

A figura 3 refere-se à primeira etapa e é uma reação rápida, onde

o H+ do catalisador utilizado reage com o óxido de etileno e obtém-se uma reação

reversível que apresenta-se em equilíbrio químico (MARTINS; CARDOSO, 2015).

Figura 3 - Primeira etapa da reação de formação de etilenoglicol


Quando o catalisador ácido utilizado for um ácido forte como

H2SO4 o anel de óxido de etileno que foi protonado é aberto gerando então um

carbocátion, esta etapa de transformação é uma etapa lenta e não está

relacionada com a concentração do reagente que irá ligar-se ao óxido de etileno

protonado (figura 4) (MARTINS; CARDOSO, 2015).

Figura 4 - Segunda etapa da reação de formação de etilenoglicol


A etapa final (figura 5) é classificada como sendo uma

substituição nucleofílica do tipo SN 1, se o carbocátion formado não reagir com

grande velocidade com o composto ROH, poderá ocorrer uma isomerização,

obtendo o produto acetaldeído e outros subprodutos (MARTINS; CARDOSO,

2015).

22

Figura 5 - Terceira etapa da reação de formação de etilenoglicol


Se um ácido fraco for escolhido para processar a reação

obteremos então uma reação do tipo SN 2, sendo uma substituição nucleofílica bi-

molecular e a cinética da reação dependerá da concentração do EO protonado e

do composto ROH (MARTINS; CARDOSO, 2015).

2.4 Esterilização

Esterilização é, por definição, um processo que elimina todas as

formas de vida microbiana, utilizando-se agentes físicos, químicos ou físico-

químicos. É geralmente expressa em termos do Sterility Assurance Level (SAL),

que é a probabilidade de sobrevivência de microrganismos viáveis após o

processo de esterilização. Para que um processo seja considerado esterilizante,

deve-se obter um SAL de 10-6. Isto indica que há a probabilidade de sobrevivência

de um microrganismo em um milhão. Este SAL deve ser obtido nas condições

mais críticas do processo e para isto o processo de esterilização deve ser

validado (COSTA et al.,1990).

Segundo Burgess e Reich (1997), há vários métodos de

esterilização difundidos e utilizados no mercado nacional e internacional.

Atualmente, as tecnologias mais utilizadas para esterilização de dispositivos

médicos industriais são por vapor, óxido de etileno e radiação gama. O óxido de

etileno possui vantagens comparadas às outras tecnologias. É um agente

esterilizante que possui alta eficácia na inativação microbiana, agindo como

bactericida, fungicida, esporicida e virucida, amplamente utilizado para

esterilização de dispositivos médicos termo sensíveis, por utilizar baixas

temperaturas em seu processo. Além disto, o EtO possui alta taxa de difusão e

apresenta compatibilidade com uma grande variedade de embalagens e produtos,

os quais não poderiam ser esterilizados pelos demais métodos (SUNDIN, 2014).

Outra vantagem é que o processo possui flexibilidade nas variáveis de controle,

23

possibilitando ajustar parâmetros de maneira a preservar a integridade dos

dispositivos médicos. No entanto, existem algumas dificuldades com relação aos

riscos potenciais para pacientes, trabalhadores e para o meio ambiente, assim

como riscos associados ao seu manuseio (MENDES; BRANDÃO; SILVA, 2007).

2.5 Mecanismo de esterilização por óxido de etileno

O mecanismo de ação da esterilização por óxido de etileno é uma

reação de deslocamento in vivo, devido a uma reação nucleofílica de sitio ativo

dos ácidos nucléicos no interior da célula com a molécula de EtO, modificando e

inibindo a síntese de proteínas, o que leva a uma alteração ou destruição do ciclo

de vida da célula (AIR LIQUIDE, 2015).

Segundo Martins e Mota (2014), a alta reatividade do óxido de

etileno, devido ao anel formado pelos átomos de carbono e oxigênio ser

extremamente tensionado podendo ser aberto facilmente, em combinação com a

sua alta difusividade e penetração, são fatores importantes para a inativação de

microrganismos (MENDES; BRANDÃO; SILVA, 2007).

Esta inativação é resultado de uma reação de alquilação, que é a

substituição de átomo de hidrogênio por radicais alquil nos grupos sulfidril (SH-) e

hidroxil (HO-), presentes em constituintes celulares, tais como proteínas, ácidos

nucléicos, peptídeos, aminoácidos e enzimas, o que leva a uma consequente

descaracterização da molécula (ZANON, 1987). Evidências experimentais indicam

que a reação primária do EtO é com ácidos nucléicos, causando perda na

capacidade de reprodução do microrganismo (BURGESS; REICH, 1997).

A esterilização é realizada na presença de vapor de água. A água

é um solvente ionizante e inicia a reação de alquilação formando um complexo

ativado com grupos funcionais não protonado. As moléculas de EtO são então

solubilizadas pela camada de água que envolve os microrganismos facilitando o

contato com os sítios de reação (AIR LIQUIDE, 2015).

24

2.6 Scrubber

Scrubber é um equipamento com a função de lavar gases,

utilizado para controlar a poluição do ar. O objetivo principal é a remoção de

material particulado de um fluxo de gás proveniente de processos industriais ou

comerciais, através da colisão das partículas de gases com gotas por meio de

lavagem, geralmente com água. São produzidos com materiais selecionados e

que apresentam alta resistência à corrosão e reações químicas (JMS

EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS, 2013).

A colisão ocorre através do rompimento da tensão superficial da

gota de água, por exemplo, atravessando sua superfície e ficando retida. As

partículas que ficam umidificadas após este processo, aumentam sua massa e a

tendência de aglutinar, e podem ser removidas através de meios mecânicos

simples, como eliminador de gotas. Com o objetivo de promover interação entre

as partículas e gotas é necessário que uma quantidade de energia seja utilizada,

para nebulizar o meio de lavagem e dessa forma, melhorar a mistura de gotas e

partículas com sprays de alta pressão (JMS EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS,

2013).

O princípio de funcionamento de um scrubber com orifícios é

extremamente simples. A restrição ao fluxo de gás que passa por um orifício

causa uma aceleração deste a altas velocidades, o que nebuliza o meio de

lavagem e assim, com a turbulência gerada após o orifício, a mistura necessária

entre as partículas e as gotas é realizada. No primeiro momento, a bomba d’água

aumenta o nível do líquido de lavagem até o distribuidor, que está localizado no

topo do leito de recheio. Em seguida, o líquido desce por gravidade pelo recheio,

ficando assim, umedecido continuamente. Enquanto isso, os gases poluídos

fazem o caminho inverso, sendo forçados através do meio de recheio em

contracorrente. A principal característica do scrubber é apresentar maior afinidade

com os poluentes comparado com os gases, sendo que o meio líquido garante

que os poluentes saiam dos gases e passem para o líquido de lavagem.

Normalmente, o meio líquido é composto por água e algum reagente com a

função de neutralizar, e assim estabilizar os poluentes (VENTCENTER, 2013).

As principais características de um scrubber são: coletar

partículas e gases simultaneamente, capacidade de realizar o abaixamento da

25

temperatura dos gases (função secundária), permitir a coleta e neutralização de

gases, que são corrosivos, e névoas, além do investimento inicial e consumo de

energia serem baixos (APOIO PROJETOS ENGENHARIA, 2013).

A figura 6 apresenta esquematicamente diferentes tipos de

scrubbers.

Figura 6 - Tipos de scrubber

Fonte: Apoio Projetos Engenharia (2013)

2.7 O sistema de scrubber

Em geral o sistema de scrubber inclui um grande número de

componentes essenciais para a operação, que consiste em sistema de entrada e

canalização que transporta o gás até o purificador, sistema de coleta de gases,

estrutura de suporte ao scrubber, sistema de canalização para ventilação, sistema

de ventilação e chaminé. A figura 7 oferece um diagrama dos itens a serem

considerados em um sistema de scrubber (CALVERT, 1977).

26

Figura 7 - Diagrama de itens para um sistema de scrubber

Fonte: Calvert (1977)

2.8 Mecanismo de coleta de gases

Segundo Calvert (1977), os mecanismos básicos de coleta de

partículas de gases incluem:

Sedimentação gravitacional: este mecanismo tem pouca

relevância em relação a partículas pequenas suficientemente para exigir um

purificador.

Centrífuga: partículas podem ser “giradas para fora” de uma

corrente de gás pela força centrífuga induzida por alterações da direção do fluxo

de gás.

Superfície de impacto: quando uma corrente de gás flui em

torno de um objeto pequeno, a inércia das partículas faz com que eles continuem

a se mover em direção ao objeto, sendo alguns deles coletados.

Gradientes de temperaturas: se há transferência de calor do

gás para o líquido, haverá um gradiente de temperatura correspondente, e

partículas finas serão impulsionadas em direção à superfície fria por

27

bombardeamento molecular diferencial resultante do gradiente. Este efeito

raramente será de grande importância em um lavador.

Difusão: a transferência de massa no interior do lavador de

gases, como pode ser causada por condensação de vapor de água do gás sobre

uma superfície de líquido frio, exerce uma força sobre as partículas que lhes induz

a se depositar sobre a superfície.

2.9 Tipos de scrubbers

Os scrubbers podem ser classificados através dos seus

mecanismos de coletas de gases. Alguns scrubbers são designados para coleta

de gases e outros para transferência de massas. Deve haver contato entre as

fases gás-líquido nos dois tipos de operações e qualquer scrubber pode coletar

partículas e gases até certo ponto. O grau em que as partículas são coletadas e

as características de transferência de massa de um scrubber são determinados a

partir da aplicação com requisitos específicos de purificação (CALVERT, 1977).

2.9.1 Scrubber com placas

Consiste em uma torre vertical com um ou mais pratos (bandejas)

transversalmente montados no interior do scrubber. Gás é injetado pela parte

inferior da torre e deve passar através das perfurações, ranhuras, válvulas ou

outras aberturas em cada placa antes de sair pela parte superior da torre.

Usualmente, líquido é introduzido pelo topo dos pratos, e o fluxo sucessivamente

atravessa cada prato à medida que se move para baixo, para a saída na parte

inferior. O gás que passa através das aberturas em cada uma das placas mistura-

se com o líquido que flui através dele. O contato gás-líquido faz a transferência de

massa ou remoção de partículas. A figura 8 mostra vários tipos de blocos e uma

torre. Scrubbers de placas são geralmente nomeados pela quantidade de placas

que contêm; por exemplo, uma torre contendo sete pratos é chamada de torre

com sete placas (CALVERT, 1977).

28

Figura 8 - Scrubber com placas


2.9.2 Scrubber de pulverização

O scrubber de pulverização coleta partículas ou gases em

gotículas de líquido que foram atomizadas por bicos de pulverização. As

propriedades das gotículas são determinadas pela configuração do injetor, o

líquido a ser atomizado e a pressão no bocal. Sprays que saem do bico são

dirigidos para uma câmara moldada de modo a conduzir o gás por meio de

gotículas atomizadas. Os trajetos de escoamento dos gases horizontais e

verticais podem ser utilizados, assim como os de pulverização, em contracorrente

ou com fluxo cruzado para o gás (figura 9) (CALVERT, 1977).

Figura 9 - Scrubber de pulverização


29

2.9.3 Scrubber de pulverização atomizada com gás

Dispositivos de pulverização atomizada com gás usam uma

corrente de gás em movimento para primeiramente atomizar líquido em gotas, e,

em seguida, acelerar as gotas. Dispositivos típicos deste modelo são os lavadores

de Venturi (figura 10) e os vários purificadores do tipo diafragma. São utilizadas

elevadas velocidades de gás de 60-120 m/s para aumentar a velocidade relativa

entre o gás e as gotas de líquido e promover a coleta de partículas. Muitos

lavadores de pulverização atomizada com gás utilizam seções convergentes

enquanto que os lavadores do tipo Venturi são divergentes, porém esta

modificação não traz muitos benefícios para o equipamento. Várias geometrias

têm sido usadas com sucesso, tal como ilustrado na figura 11 (CALVERT, 1977).

Figura 10 - Scrubber de Venturi


30

Figura 11 - Scrubber com várias geometrias


2.9.4 Scrubbers de centrifugação

Purificadores centrífugos, geralmente de forma cilíndrica,

conferem um movimento giratório para o gás que passa através deles. A rotação

pode ser de introdução tangencial de gases para dentro do purificador de gás, ou

a partir da direção da corrente de gás de encontro a chapas de turbulência

estacionárias. Em um coletor de centrífuga seco (ciclone), as paredes podem ser

molhadas para impedir o arrastamento de partículas que deveriam ser coletadas.

Muitas vezes, os sprays são dirigidos através do fluxo de gás em rotação para

coletar as partículas por impacto em gotas de pulverização. Os sprays podem ser

dirigidos para fora a partir de um tubo de distribuição central, ou para dentro a

partir da parede do coletor, como mostrado na Figura 12. Sprays de ligações

dirigidas para dentro a partir da parede são mais facilmente utilizados para

manutenção, uma vez que eles podem ser acessíveis pelo lado de fora do

purificador de gases (CALVERT, 1977).

31

Figura 12 - Scrubber de centrifugação


2.9.5 Scrubbers de arraste

Purificadores do tipo de arraste (spray auto induzido) apresentam

uma concha que retém líquido, de modo que o gás é introduzido no purificador e

colide com as espumas de alumínio sobre a superfície do líquido (figura 13). Este

contato atomiza um pouco do líquido em gotículas que são aderidas pelo gás e

agem como partícula de coleta e de transferência de massa pela superfície. O gás

de saída na coleta é geralmente gerado de modo a alterar a direção da mistura de

gás-líquido que flui através dele, reduzindo o arrastamento das gotículas

(CALVERT, 1977).

32

Figura 13 - Scrubber de Arraste


2.9.6 Scrubbers mecânicos

Purificadores auxiliados mecanicamente incorporam um

dispositivo acionado por motor entre a entrada e a saída do corpo purificador.

Muitas vezes, os dispositivos a motor são as pás do ventilador, utilizados para

mover o ar através do purificador. As partículas são recolhidas pelo impacto sobre

as pás do ventilador à medida que o gás se move através do dispositivo.

Geralmente líquido é introduzido no centro das pás rotativas, por exemplo, alguns

líquidos atomizados após o impacto com o ventilador, lavando as partículas

recolhidas. A última porção atomiza uma vez que deixa as pás do ventilador. O

líquido é recapturado pela caixa do ventilador, que drena para uma fossa

(CALVERT, 1977).

A Figura 14 mostra uma configuração que tem sido utilizada para

auxiliar mecanicamente o fluxo de fluido.

Figura 14 - Scrubber mecânico


33

2.10 Fatores que influenciam a eficiência de remoção

Arsenijević et al. (2011) realizaram na Universidade de Belgrado,

na Sérvia, uma investigação experimental da absorção de óxido de etileno em

soluções diluídas de ácido sulfúrico com o objetivo de avaliar a aplicabilidade

deste procedimento, assim como obter parâmetros para a realização em escalas

industriais.

Dentre os parâmetros básicos que definem a eficiência de um

scrubber está o tempo de contato, que é o quociente entre a altura da coluna de

enchimento do scrubber e a velocidade de fluxo da mistura de gás. Para

investigar uma maior faixa de tempos de contato, o estudo experimental foi

conduzido em um sistema com dois ou três scrubbers em série, representados na

figura 15 (ARSENIJEVIĆ et al., 2011).

Figura 15 - Sistemas de scrubber utilizados no experimento

Fonte: Arsenijević et al. (2011)

O gráfico 1 apresenta a eficiência de absorção do EtO em função

do tempo de contato (Tk), para uma concentração em massa constante de

etilenoglicol de 15,4% e temperatura da solução de 45.6±2.5 °C (ARSENIJEVIĆ et

al., 2011).

34

Gráfico 1 - Eficiência de absorção em função do tempo de contato

Fonte: Adaptado de Arsenijević et al. (2011)

Os resultados experimentais obtidos mostram que o elevado grau

de remoção de EtO (> 98%) pode ser atingido quando o tempo de contato é

suficientemente longo (cerca de 25 segundos) (ARSENIJEVIĆ et al., 2011).

O gráfico 2 apresenta a eficiência do scrubber em função da

concentração de etilenoglicol na solução para diferentes tempos de contato (Tk)

(ARSENIJEVIĆ et al., 2011).

Gráfico 2 - Eficiência do scrubber em função da concentração de etilenoglicol na solução

Fonte: Adaptado de Arsenijević et al. (2011)

Concentração de Etilenoglicol (%)

Eficiê

ncia

(%

)

Eficiê

ncia

(%

)

35

O processo é eficaz até que a concentração de etilenoglicol

formado na solução atinja um valor de cerca de 20% (ARSENIJEVIĆ et al., 2011).

Arsenijević et al. (2011) também verificaram a influência de

diferentes concentrações de ácido sulfúrico. O sistema possuía inicialmente a

concentração de 5% e foram realizadas experiências com o aumento (7%) ou

diminuição (3%) da concentração de ácido. A eficiência do scrubber aumentou

ligeiramente com o aumento da concentração. Porém, o benefício a ser obtido

através da utilização de maior concentração de ácidos foi insignificante em

comparação ao seu consumo. Por outro lado, a redução da concentração para

3% acarreta o risco da hidrólise ser incompleta, sendo, portanto, a concentração

de 5% a mais recomendada.

36

3. METODOLOGIA

3.1 Método de pesquisa

Para a realização desse projeto foi utilizada a metodologia de

estudo de caso. Segundo Yin (2015), este é um tipo de pesquisa qualitativa que

tem como objeto uma unidade que será analisada. Possui foco em questões do

tipo “como” e/ou “por quê” para investigar um fenômeno contemporâneo, em seu

contexto no mundo real. Além disto, o pesquisador possuiu pouco ou nenhum

controle sobre o fenômeno.

Desta maneira, através do estudo de caso, este trabalho descreve

situações ou fatos como sucederam, comprova ou contrasta efeitos e relações

presentes no caso e proporciona conhecimento acerca do fenômeno estudado. A

complexidade da unidade é estudada de maneira aprofundada, utilizando-se de

diferentes meios para recolhimento de dados, como observação direta e indireta,

entrevistas, documentos e questionários (ARAÚJO, 2008).

O presente projeto apresenta uma análise do sistema de scrubber para

remoção de óxido de etileno de uma corrente gasosa proveniente do processo de

esterilização da indústria em questão. Após a coleta de dados, foi realizada uma

análise das relações entre as variáveis para uma posterior determinação dos

efeitos resultantes no sistema. Por fim, foram propostas melhorias ao sistema, a

fim de se aumentar a eficiência de remoção e permitir o seu acompanhamento

constante.

3.2 Objeto de pesquisa

3.2.1 A empresa

A empresa em questão é uma multinacional americana, fundada

em 1886, que hoje está estruturada nos setores de produtos farmacêuticos,

médico-hospitalares e de consumo.

No Brasil, a companhia iniciou suas atividades em 1933, em São

Paulo, com o objetivo suprir o mercado brasileiro com produtos de uso hospitalar

37

e doméstico. Hoje a empresa conta com 5 mil colaboradores, 4 escritórios

regionais de vendas, 3 centros de distribuição, 910 mil m² de parque industrial,

sendo 700 mil m² de área verde e 11 fábricas localizadas em São José dos

Campos - SP, o maior complexo industrial da empresa no mundo.

Em termos mundiais, sua família de companhias compreende a

sexta maior companhia de saúde e bem-estar, a maior companhia de dispositivos

médicos e diagnósticos e a sexta maior companhia farmacêutica. São mais de

275 companhias em mais de 60 países, empregando aproximadamente 128.700

pessoas. Seus produtos chegam a 175 países e fazem parte do dia-a-dia de mais

de 1 bilhão de pessoas ao redor do mundo.

A divisão de produtos médico-hospitalares, instalada em São José

dos Campos, possui uma planta destinada ao processo de esterilização por óxido

de etileno, que será o foco deste trabalho.

3.2.2 A planta de esterilização

A unidade atual de esterilização por óxido de etileno de produtos

médico-hospitalares foi inaugurada em 1991. Além da preocupação ecológica, a

unidade é fruto da demanda crescente e de uma centralização no Brasil do

abastecimento desses produtos para toda a América Latina.

Anteriormente, a empresa vinha empregando como meio

esterilizante uma mistura gasosa composta por 88% de gás fréon e 12% de óxido

de etileno. No entanto, o fréon é um dos principais causadores de danos

atmosféricos, principalmente pela destruição da camada de ozônio. Além disto, a

utilização de outros processos de esterilização, como vapor e radiação gama,

seria inadequada nesses casos, pois provoca alterações indesejáveis nas

características físico-químicas dos produtos. Portanto, a alternativa foi substituir o

gás fréon por nitrogênio, que passou a compor 65% da mistura contra 35% de gás

EtO.

O prédio da unidade de esterilização possui 1700m² e suas salas

estão dispostas de forma a permitir um fluxo de materiais sem risco de mistura e

fácil locomoção dos funcionários. A figura 16 apresenta a planta de esterilização

estudada.

38

Figura 16 - Planta de esterilização

Fonte: Empresa estudada

39

Da sala de controle, através de sistemas computadorizados é

possível monitorar, operar e controlar a distância o funcionamento de todos os

equipamentos do processo. Além disso, com o objetivo de garantir segurança

total aos funcionários, processos e instalações, estão implantados sistemas

duplos de monitoramento. Um deles colhe e analisa amostras do ar respirado,

visando controlar a presença do óxido de etileno abaixo de 1 ppm, um nível

extremamente baixo, e aciona o sistema de alarme sonoro e visual caso a

concentração atinja 3 ppm. O outro sistema de segurança monitora paralelamente

todos os ambientes e em caso de vazamento aciona automaticamente além dos

alarmes o sistema de ventilação e exaustão.

A atual unidade de esterilização é empregada principalmente no

processo de produção de suturas médicas. O produto acabado é transportado

inicialmente para a sala de esterilização primária, onde é colocado no interior das

câmaras de esterilização. Por processo a vácuo, todo o ar das câmaras é

eliminado, devido ao EtO ser explosivo na presença de oxigênio, e somente então

é injetada a mistura de óxido de etileno e nitrogênio. Através de uma abertura na

embalagem o gás elimina os possíveis microrganismos existentes no produto.

Após a esterilização primária, é necessário evitar qualquer risco

de recontaminação. Assim, o produto passa para a sala limpa, onde as

embalagens são seladas. Estas possuem filtros do tipo ULPA, isto é, filtros que

retém partículas ultrapequenas, garantindo a qualidade asséptica da sala. Tudo

isso constitui um sistema fechado de circulação e filtragem de ar. A sala limpa tem

70 m² e é uma das poucas classes ISO 5 da América Latina no setor médico

hospitalar. Isso significa que o ar é trocado mais de 540 vezes por hora, com

renovação de 10%, garantindo um índice de menos de 100 partículas em

suspensão por ft³, cujas dimensões não excedem 0,5µm, determinando absoluta

eliminação de microrganismos. Para o trabalho nesse local, os funcionários

passam por uma completa assepsia e se paramentam adequadamente em uma

antessala também preparada para o controle contra contaminação.

Até o momento da selagem da embalagem, o processo consome

cerca de 18 horas. Após sua completa vedação, o produto ainda recebe uma

segunda embalagem para identificação e acabamento.

Uma nova esterilização também é realizada, desta vez em um

esterilizador secundário, o que leva mais 10 horas. A mistura gasosa de óxido de

40

etileno e nitrogênio penetra os poros da segunda embalagem eliminando os

microrganismos. Após esta etapa do processo, são recolhidas amostras para

análises laboratoriais que são inoculadas e incubadas para se verificar a

eficiência da esterilização, sendo mantidas em observação diária pelo período de

5 dias.

Paralelamente, na unidade de esterilização os lotes de produtos

de onde foram extraídas as amostras percorrem túneis de aeração a quente para

retirada completa de resíduos do gás esterilizante. Essa passagem leva cerca de

um dia.

O produto recebe então uma proteção de celofane para garantir a

inviolabilidade até o uso final e aguarda o resultado dos exames laboratoriais.

Caso não se verifique crescimento de microrganismos, o produto está estéril e

pronto para comercialização. O processo total de esterilização por óxido de

etileno dura cerca de 10 dias.

Além dessas instalações, a planta conta também em área próxima

ao prédio principal com uma sala de armazenagem dos gases utilizados no

processo, com sistemas de geração de energia de emergência, de resfriamento

de água e de ar e com um sistema de lavagem de gases, denominado scrubber,

no qual o óxido de etileno residual do processo é captado e tratado evitando sua

liberação para a atmosfera.

3.3 Universo (população e amostra)

O universo de análise é a planta de esterilização de uma

multinacional americana do segmento médico-hospitalar, localizada no município

de São José dos Campos –SP, sendo o trabalho desenvolvido no sistema de

scrubber, responsável pela lavagem de gases provenientes das câmaras de

esterilização para posterior descarte em condições seguras ao meio ambiente e

aos trabalhadores da área. O projeto contou com a ajuda de colaboradores

específicos, como supervisor e coordenador da área de esterilização, engenheiros

de segurança e meio ambiente, engenheiros de processo, responsáveis pela

manutenção e também com informações colhidas juntos a diferentes empresas

que possuem sistema de lavagem de gás EtO ou que fornecem esta tecnologia.

41

3.4 Coleta de dados

Para a metodologia de estudo de caso, é fundamental que a

coleta de dados faça utilização de mais de uma técnica de pesquisa para garantir

a qualidade dos resultados obtidos. Neste trabalho, a coleta de dados foi

realizada por meio de aprofundamento da revisão bibliográfica, análise de

documentos, reuniões com colaboradores, (reuniões ou contatos ou entrevistas...)

com pessoas de empresas que possuem sistemas para remoção/neutralização de

gás EtO e de empresas que fornecem estas tecnologias. Também foram

realizadas observações e visitas ao chão da fábrica para verificar in loco e/ou in

modus operandis do fenômeno estudado.

O aprofundamento da revisão bibliográfica foi necessário para

melhor entendimento do processo. Sendo um dos objetivos específicos a revisão

do método para cálculo da eficiência de remoção de óxido de etileno e devido ao

fato de a empresa não possuir documentos com embasamento teórico, parte do

tempo deste projeto foi dedicado ao seu esclarecimento e à procura na literatura

por métodos existentes. Da mesma forma, foi realizada uma pesquisa

aprofundada relacionada à reação de neutralização que ocorre no sistema e à

solução utilizada, a fim de determinar os fatores que influenciam no seu tempo de

troca.

A análise de documentos foi realizada baseando-se em relatórios

anteriores de eficiência de remoção, estudos de estabilidade da solução de ácido

sulfúrico, métodos de teste para determinação da composição da solução e

memória de cálculo para a reação de neutralização existentes na empresa.

As reuniões com colaboradores, por sua vez, foram realizadas

com pessoas de diferentes hierarquias dentro da empresa. Foram feitas reuniões

com supervisor, coordenador e técnicos de esterilização da planta, a fim de

entendimento do sistema e do problema a ser resolvido, com engenheiros de

segurança e meio ambiente, engenheiros de processo e com responsáveis pela

manutenção. Também foram realizadas reuniões com pessoas de diferentes

empresas que possuem sistema de lavagem de gás EtO ou que fornecem esta

tecnologia, com o objetivo de buscar melhorias através de benchmarking.

Também foram feitas visitas ao chão da fábrica para se verificar a

atual situação da área do scrubber e registrar as observações inerentes ao

42

processo.

3.5 Análise de dados

Logo após a coleta dos dados, estes foram examinados e

organizados de acordo com o melhor meio de visualização e interpretação dos

mesmos. Foram realizadas atas das reuniões e estas foram arquivadas. Todos os

pontos apresentados pelos participantes foram analisados e discutidos. A análise

dos documentos foi apresentada em formatos de acordo com cada conteúdo

selecionado. As observações in loco, por sua vez, seguiram o mesmo critério da

análise dos documentos, mas focando em fotos e descrição do sistema. Após

organização dos dados, foi feito um estudo para encontrar a melhor maneira de

se atingir a eficiência de remoção de óxido de etileno desejada, interligando os

conceitos teóricos e de benchmarking adquiridos à prática na indústria, de modo a

se atingir o objetivo deste trabalho.

43

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1 Observação in loco e/ou in modus operandi

Foi realizada uma visita à planta de esterilização de dispositivos

médico-hospitalares por óxido de etileno para entendimento do sistema específico

de lavagem dos gases proveniente das câmaras de esterilização, para evitar seu

lançamento à atmosfera.

A corrente de gases é composta de óxido de etileno e nitrogênio,

sendo o segundo inerte ao processo. Após as fases do ciclo de esterilização nas

quais há a exposição dos produtos ao gás EtO e também durante a limpeza das

linhas, os gases são enviados ao scrubber devido à formação de vácuo causada

pela utilização de bombas de anel líquido.

No tanque do scrubber, os gases são borbulhados na porção mais

inferior do equipamento, onde passam pelos tubos dispersores para a formação

de microbolhas. Estas, em contato com a coluna de solução ácida, reagem com a

água transformando o óxido de etileno em etilenoglicol, visto que na mistura de

EtO e nitrogênio, o nitrogênio é um gás inerte e não participa da reação química.

Uma ilustração do equipamento encontra-se na figura 17.

Figura 17 - Representação do scrubber utilizado pela empresa


44

O sistema de lavagem de gases localiza-se em uma sala

dedicada e confinada fora do prédio principal, ilustrada na figura 18. Esta é

equipada com sistema de ventilação forçada contínua, mantendo assim uma

pressão negativa. Os equipamentos e dispositivos elétricos nela instalados são do

tipo a prova de explosão, incluindo-se a bomba e motores dos sistemas de

exaustão.

Figura 18- Sala dedicada ao scrubber


O scrubber é constituído de um tanque de polietileno com tampa e

conexões em PVC, cuja capacidade é de 1000L, conforme figura 19.

Figura 19- Tanque do scrubber


45

Este tanque está instalado dentro de uma área de contenção de

concreto (figura 20), a qual possui capacidade para acomodar a instalação com

mais um tanque de polietileno de mesma capacidade do tanque atual. A região de

contenção foi dimensionada de tal modo a possibilitar um eventual aumento de

capacidade e instalação na planta de esterilização.

Figura 20 - Tanque de contenção de concreto


A região inferior do tanque é composta de tubos dispersores

instalados em uma base de PVC em forma de disco, a qual pode acondicionar até

248 unidades destes. Os tubos possuem em sua parte superior uma tampa de

porcelana sintetizada cuja função é promover a formação de microbolhas, como

se pode observar na figura 21.

Figura 21 - Região inferior do scrubber


46

O sistema também possui uma bomba de recirculação (figura

22), construída em PVC e resistente ao ácido, equipada com motor elétrico a

prova de explosão e conexões e válvulas também em PVC. A bomba tem como

função efetuar a transferência da solução ácida quando da troca da mesma e

realizar a recirculação da solução do tanque.

Figura 22 – Bomba de recirculação


Por fim, um sistema de exaustão (figura 23) diretamente instalado

no tanque confere um fluxo constante de retirada de gases da superfície da

solução, promovendo sua exaustão através da manutenção de um diferencial de

pressão.

Figura 23 - Sistema de exaustão


Quanto à operação do scrubber, este está automaticamente

47

condicionado ao sistema de esterilização por óxido de etileno, permanecendo

ligado continuamente. O funcionamento do sistema está interligado ao sistema de

vácuo que, através do Controlador Lógico Programável (CLP) dedicado a cada

esterilizador ou sistema de gases, direciona a abertura das válvulas para o fluxo

até o tanque do scrubber.

No painel da sala de controle existe uma lâmpada piloto que,

quando está acesa, indica que o sistema está com problemas. Essa indicação

está também conectada a um alarme sonoro. O acionamento desse alarme deve

ser imediatamente investigado através de uma inspeção e/ou manutenção

elétrica.

Cabe aos técnicos de esterilização e instrumentistas da área EtO

as inspeções periódicas do sistema bem como a verificação de vazamentos e

nível da solução.

A capacidade do scrubber está relacionada com a concentração e

as propriedades de cada gás, assim como, com a profundidade do recheio do

equipamento, tipo e tamanho de corpos de reagentes e enchimento ou aditivos do

líquido utilizado para a lavagem. Umas das principais vantagens deste

equipamento é que o corpo básico do lavador não tem alteração, ou seja, é

possível adaptar o aparelho para atender até exigências ambientais mais severas

alterando somente alguns detalhes do equipamento.

4.2 Entrevistas com especialistas

4.2.1 Reunião com o supervisor e coordenador de esterilização

Inicialmente, foi realizada uma reunião com o supervisor e o

coordenador da planta de esterilização para o entendimento do problema em

questão e quais os objetivos da empresa perante a eficiência de remoção de

óxido de etileno da corrente gasosa proveniente dos esterilizadores, pela

utilização do scrubber.

A empresa desenvolveu um método para análise da eficiência de

remoção e reporta anualmente estes dados na forma de um relatório. Segundo

eles, nos últimos anos a eficiência desejada pela companhia, que é de 99,9% não

48

está sendo atingida, o que gerou a abertura de não-conformidades. Portanto, isto

resultou em planos de investigação e ação nos quais devem ser analisados o

método do cálculo de eficiência de remoção, gerando um documento com

embasamento teórico para a empresa e o tempo de troca da solução,

anteriormente determinado em 6 meses. Também devem ser feitas propostas de

melhorias de maneira a atingir a eficiência e permitir um melhor monitoramento

deste indicador. O gráfico 3 apresenta a eficiência de remoção de gás EtO, nos

últimos 10 anos.

Gráfico 3 - Eficiência de remoção ao longo dos últimos anos

Fonte: Elaborado pelas autoras

4.2.2 Visita à empresa portadora de scrubber

Como forma de Benchmarking, foi realizado um contato com um

engenheiro de uma empresa fornecedora de cilindros de óxido de etileno, que

também possui um scrubber como solução para o descarte do gás ao meio

ambiente após a transformação de óxido de etileno em etilenoglicol.

A empresa possui um tanque de 6000 litros, com solução aquosa

2% de ácido sulfúrico e o sistema é semelhante ao apresentado neste projeto.

Ao ser questionado quanto ao controle de eficiência de remoção

de EtO, o engenheiro informou que existe um acompanhamento da densidade da

solução até que esta atinja 1,05 g/cm³, sendo realizada então a sua troca. No

entanto, esta informação não possui embasamento teórico registrado. Ele

99,20%

99,40%

99,60%

99,80%

100,00%

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014

EFIC

IÊN

CIA

DE

REM

OÇ

ÃO

(%

)

DATA

Eficiência de remoção EtO pelo Scrubber

49

também afirmou que a empresa nunca foi questionada em auditorias a respeito

deste acompanhamento do sistema pela sua densidade.

4.2.3 Reunião com empresa fornecedora de scrubbers

Durante pesquisa realizada para o aprofundamento de revisão

bibliográfica, foi encontrada em site de empresa fornecedora de scrubbers uma

aplicação do equipamento em uma planta de esterilização em New Jersey, o qual

atinge eficiência de remoção acima de 99%. O sistema foi instalado em 1987,

sendo customizado especialmente para a aplicação e vem demonstrando

excelente desempenho de acordo com a empresa.

Foi realizado então um contato com representante de vendas da

empresa no Brasil e agendada uma reunião para o entendimento de sua

tecnologia.

Um questionário técnico com algumas informações sobre o

processo estudado foi elaborado pelas autoras e pelo coordenador da planta e

enviado ao fornecedor possibilitando que o equipamento fosse customizado da

melhor forma possível.

O representante realizou uma visita à planta de esterilização

estudada, onde foi realizada uma reunião na qual foram apresentados alguns

modelos de equipamentos existentes em indústrias que atingem eficiências de

remoção de 99 a 99,99%, de acordo com a necessidade do cliente. O

representante apresentou também uma visão geral do seu sistema de scrubber

específico para óxido de etileno.

Este sistema é composto por três componentes: coluna

empacotada de alta eficiência, um tanque de reator e um tanque de alimentação

da solução. Primeiramente, o EtO que entra no sistema é absorvido pela fase

líquida pelo uso de uma coluna de alta densidade que oferece uma área de

superfície de contato ideal.

Posteriormente, o gás EtO absorvido pela solução é convertido

em etilenoglicol no tanque do reator. A adição de um ácido catalisador no circuito

do scrubber minimiza o tamanho necessário do tanque, o qual é desenhado para

garantir o máximo de conversão do óxido de etileno em etilenoglicol.

50

O líquido sai do tanque de reator, livre de EtO, e pode ser

reciclado através de um trocador de calor retornando para a coluna empacotada.

Conforme o óxido de etileno é absorvido e convertido, o volume

circulado necessariamente aumenta. Por este motivo, o sistema utiliza um tanque

de alimentação da solução. Este tanque permite capacidade suficiente para que o

nível do tanque dure por mais tempo, permitindo que o sistema possa ser utilizado

continuamente, praticamente sem fluxos de resíduos. A figura 24 apresenta um

esquema do sistema proposto pela empresa fornecedora de scrubbers.

Figura 24 - Sistema de scrubber para óxido de etileno

Fonte: Empresa fornecedora de scrubbers

4.2.4 Nova reunião com supervisor e coordenador de esterilização

Foi realizada uma nova reunião com o supervisor e coordenador

da planta para discutir o sistema apresentado pelo fornecedor de scrubbers,

conforme item 4.2.3. Nesta reunião foi citado que a empresa estudada possuiu no

passado um equipamento semelhante ao lavador de gases de coluna

empacotada apresentado pelo fornecedor de scrubbers. No entanto, a bomba de

51

circulação da solução constantemente apresentava problemas, o que causou a

obsolescência do equipamento. Por fim, foi avaliada com o time de manutenção

da empresa a possibilidade de substituição da bomba e reinstalação do

equipamento.

4.3 Determinação da eficiência de remoção de óxido de etileno pelo

scrubber

A eficiência de remoção de EtO pelo sistema de lavagem de

gases é determinada utilizando-se as câmaras 1 e 2 de esterilização secundária,

que representam os piores casos com relação à exposição a altas concentrações

de óxido de etileno.

Para avaliação da eficiência de remoção são realizados ciclos de

esterilização simulados, seguindo todas as etapas do processo de esterilização

secundária. Para tal avaliação, são contempladas as etapas de Pulsos de Diluição

(Vapor e Nitrogênio), Injeção de EtO e Hold, Exaustão, Exposição, Pulsos Finais e

Aeração.

São instaladas mangueiras na tubulação de saída do scrubber e,

com o auxílio de seringas, são coletadas quatro amostras para cada esterilizador,

conforme os níveis de pressão na câmara, durante diferentes etapas do ciclo de

esterilização. As amostras são então analisadas por cromatografia gasosa com

detector de ionização de chama, imediatamente após suas retiradas, por uma

empresa terceirizada contratada. O cromatógrafo é instalado em uma unidade

móvel destinada a esse fim e para cada amostra determina os valores de

concentração de óxido de etileno em ppm.

O cálculo de eficiência de remoção é realizado da seguinte

maneira: após coletar e determinar a concentração (ppm) da saída de gás do

scrubber para cada amostra, o pior resultado obtido é inserido em uma planilha de

Excel que calcula automaticamente o valor de eficiência de remoção. No entanto,

este cálculo não é transparente para a área responsável, pois não há um

detalhamento de uma lógica passo a passo de como ele é efetivamente

calculado. Os resultados obtidos nos últimos 5 anos estão apresentados no

gráfico 3 (página 48).

52

As tabelas 1 e 2 apresentam os resultados dos testes de 2014

para as câmaras secundárias 1 e 2, respectivamente, relacionando a pressão da

câmara no momento em que a amostra foi retirada com a concentração de óxido

de etileno obtida por cromatografia gasosa.

Tabela 1 - Resultados dos testes de 2014 para a câmara S#1

Leitura Pressão (PSI) Concentração (ppm)

1 20,0 76,3

2 18,0 357,7

3 16,0 869,0

4 14,5 390,5


Tabela 2 - Resultados dos testes de 2014 para a câmara S#2

Leitura Pressão (PSI) Concentração (ppm)

1 20,0 14,5

2 18,0 83,1

3 16,0 211,4

4 14,5 137,2


A partir dos dados das tabelas 1 e 2, a empresa possui uma

lógica de cálculo que é apresentada a seguir, de difícil entendimento por parte dos

gestores da planta. A seção 4.3.1 detalha a lógica usada pela empresa que foi

devidamente “traduzida” por estas autoras, já que não existe na empresa nenhum

detalhamento deste cálculo.

4.3.1 Cálculo de eficiência do scrubber conforme empresa

Os seguintes dados são obtidos a partir do equipamento e das

principais variáveis significativas para o processo.

53

Volume câmara = 2,64 m3

Massa de EtO injetado = 2,5 kg

Pressão final = 21,0 PSI = 1,47 kg/cm2

Pressão diferencial = 7,0 PSI = 0,4921 kg/cm2

Pressão total do interior da câmara = 1,4921 kg/cm2

A partir destes dados é feita uma regra de proporcionalidade

direta entre a massa do gás de óxido de etileno e seu volume correspondente, o

que fornece como resultado o volume em m3 de EtO na câmara devido à injeção

de 2,5 kg do gás, conforme equação 1.

dEtO = 95,43 g ----------- 0,052 m3

2500 g ------------ Volume de EtO Volume de EtO = 1,36 m3

O volume de gás EtO obtido na equação (1) é então dividido pelo

resultado da multiplicação entre o volume total da câmara e a pressão total no

interior da câmara. Este resultado é então multiplicado por 1.000.000 para ser

transformado em ppm. O valor final obtido representa a concentração total de EtO

na câmara.

Concentração de EtO (ppm) =Volume de EtO

Volume total x Pressão totalx1000000

Concentração de EtO (ppm) =1,36

2,64 x 1,4921 x 1000000

Concentração de EtO (ppm) = 345265 ppm

Então, é separado o maior resultado de concentração de EtO

obtido por cromatografia gasosa nos testes realizados pela empresa terceirizada

contratada, conforme tabelas 1 e 2 (página 52).

Maior concentração de EtO por cromatografia = 869 ppm

(1)

(2)

(3)

(4)

54

Por fim, o cálculo da eficiência do scrubber é realizado a partir da

divisão da maior concentração de EtO obtida por cromatografia gasosa (equação

4), nomeado de Concentração de EtO (saída), dividido pela concentração total de

EtO na câmara (equação 3), nomeado de Concentração de EtO (entrada). O valor

obtido representa a quantidade de óxido de etileno que está sendo liberada ainda

para o meio ambiente, chamado de EtO remanescente. Este número é

multiplicado por 100 para que seja transformado em percentual, conforme

apresentado na equação 5.

EtO remanescente = Concentração de EtO (saída)

Concentração de EtO (entrada)x100

EtO remanescente = 869 ppm

345265 ppm x 100

EtO remanescente = 0,252%

A eficiência de remoção do scrubber (equação 7) é dada pela

remoção total (100%) subtraída pela quantidade de óxido de etileno que está

sendo liberada para o meio ambiente (EtO remanescente, vide equação 6).

Eficiência de remoção = Remoção total − EtO remanescente

Eficiência de remoção = 100% − 0,252%

Eficiência de remoção = 99,748%

4.3.2 Cálculo proposto para a eficiência do scrubber

Considerando que os cálculos de eficiência de remoção de óxido

de etileno realizados pela empresa são de difícil entendimento e não possuem um

embasamento teórico registrado, uma das atividades do trabalho desenvolvido

nesta monografia foi confrontar o resultado obtido pela companhia no ano de

(5)

(7)

(6)

(8)

55

2014 com o resultado obtido através de um cálculo baseado na literatura. Desta

forma, foi proposto o seguinte cálculo detalhado para eficiência de remoção:

Os seguintes dados são obtidos a partir do equipamento e das

principais variáveis significativas para o processo com as conversões

necessárias:

Massa de EtO = 2500g

Massa molar EtO = 44,05g/mol

Temperatura da câmara = 329 K

V = 2640L

P = 21 PSI = 1,429 atm

Constante universal de gases, R = 0,082 [(atm x L) / (mol x K)]

A concentração em ppm é o número de mols de gás EtO contido

em 1 milhão de mols de gases totais. Para se calcular o número de mols de EtO,

utiliza-se a equação 9:

Número de mols EtO = Massa EtO

Massa Molar EtO

Número de mols EtO = 2500 g

44,05 g/mol

Número de mols EtO = 56,75 mols

Para se calcular o número de mols total do ar utiliza-se a equação

de estado do gás ideal (equação 11), onde P= Pressão, V= Volume, n = número

de mols, R= constante universal dos gases e T= Temperatura.

P x V = n x R x T

1,429atm x 2640 L = Ntotal de ar x 0,082 [(atm x L) / (mol x K) ] x 329 K

Ntotal de ar = 139,84 mol

(10)

(15)

(9)

(11)

(12)

56

Para se determinar a concentração total de EtO em ppm na

câmara de esterilização secundária, propõe-se usar a seguinte regra de

proporcionalidade direta utilizando os valores calculados nas equações 10 e 12:

56,75 mols EtO ------------------ 139,84 mols totais

Concentração de EtO ------------------ 1.000.000 mols totais

Concentração de EtO = 405.820,94 ppm (14)

Utilizando-se da mesma lógica das equações 5 a 8, descritas no

item 4.3.1, o cálculo da eficiência do scrubber é realizado a partir da divisão da

maior concentração de EtO obtida por cromatografia gasosa (equação 4)

nomeado de Concentração de EtO (saída), dividido pela concentração total de

EtO na câmara (equação 14), nomeado de Concentração de EtO (entrada).

Conforme cálculos obtidos na equação 5 o valor obtido representa a quantidade

de óxido de etileno que está sendo liberada ainda para o meio ambiente,

chamado de EtO remanescente. Este número é multiplicado por 100 para que

seja transformado em percentual.

EtO remanescente = Concentração de EtO (saída)

Concentração de EtO (entrada)x100

EtO remanescente = 869 ppm

405820,94 x 100

EtO remanescente = 0,214%

Utilizando a mesma lógica de raciocínio calculado na equação 7,

a eficiência de remoção do scrubber é dada por:

Eficiência de remoção = Remoção total − EtO remanescente

Eficiência de remoção = 100% − 0,214%

(13)

(15)

(5)

(7)

57

Eficiência de remoção = 99,786%

Portanto, após detalhamento e entendimento do cálculo utilizando

os dados de 2014 e comparando o valor que é calculado automaticamente na

planilha do Excel (99,748%, da equação 8) com o valor obtido pelo cálculo

proposto (99,786%, da equação 16) foi observado que os resultados são muito

próximos, porém o segundo apresenta maior clareza e embasamento teórico.

Desta forma a empresa terá um documento mais transparente e detalhado para

que possa ser apresentado quando houver questionamentos. Além disto, ficou

provado que a eficiência de remoção realmente não está atingindo o valor

desejado de 99,9% e, portanto, devem ser apresentadas propostas de melhorias

para que o sistema atinja este valor esperado.

4.4 Determinação da periodicidade de troca da solução do scrubber

Como parte da coleta de dados realizada a partir da análise de

documentos, foi encontrada na companhia uma memória de cálculo para

determinação da periodicidade de troca da solução do scrubber.

Partindo-se da condição de que o óxido de etileno reage com a

água, havendo formação de etilenoglicol (equação 17) e sabendo-se que em meio

ácido essa reação é acelerada devido a presença do catalisador H2S04, o qual

não é consumido na reação, a possibilidade da geração de outras substâncias é

desprezada e aplica-se a relação estequiométrica para a reação esperada,

conforme equações 18 e 19.

EtO + H20 → EtG

Número de mols EtO = número de mols H2O

Massa de EtO

Massa Molar de EtO=

Massa de H20

Massa Molar de H20

Substituindo-se os valores de massa molar na equação 19,

(17)

(18)

(19)

(16)

58

obtém-se uma relação entre as massas de EtO e H2O (equação 20):

Massa de EtO

44,05 g/mol=

Massa de H20

18 g/mol

Considerando-se um consumo mensal de 225kg de óxido de

etileno, e substituindo o valor na equação 20, obtém-se a massa de água

necessária para a reação de neutralização, conforme equação 21.

225 kg/mês

44,05 g/mol=

Massa de H20

18 g/mol

Massa de H20 =225

kgmês

x 18g

mol

44,05g

mol

Massa de H20 = 91,94 kg/mês

Portanto, são necessários 91,94 kg de água para neutralização de

225kg de óxido de etileno, consumidos mensalmente. Considerando-se também

que o scrubber opera com um volume total de água de 800 L, ou seja, 800 Kg, a

periodicidade de troca da solução pode ser definida conforme mostra a equação

22.

Periodicidade de troca da solução =Massa total de H20 no Scrubber

Massa de H20 neutralizada por mês

Periodicidade de troca da solução = 800 kg

91,94 kg/mês

Periodicidade de troca da solução = 8,7 meses

Atribuindo-se um fator de segurança, foi definido, portanto que a

solução deveria ser substituída a cada 6 meses para garantir o bom

funcionamento do equipamento.

(20)

(22)

(21)

(23)

59

Foram então realizadas reuniões com o coordenador e supervisor

da planta de esterilização para análise do cálculo e do valor obtido. Em virtude

deste cálculo ter sido realizado há alguns anos na empresa e que desde então a

demanda de produtos médico-hospitalares vem aumentando, ocasionando assim

maior número de ciclos de esterilização, o consumo mensal de óxido de etileno

passou de 225kg para 520 kg aproximadamente. Portanto, deve ser estipulado

um novo período para troca da solução de acordo com o consumo atual. Foi

considerado a mesma lógica de raciocínio utilizada na equação 20.

Massa de EtO

44,05 g/mol=

Massa de H20

18 g/mol

520 kg/mês

44,05 g/mol=

Massa de H20

18 g/mol

Massa de H20 =520

kgmês

x 18g

mol

44,05g

mol

Massa de H20 = 212,49 kg/mês

Portanto, são necessários 212,49 kg de água para neutralização

de 520kg de óxido de etileno, consumidos mensalmente. Considerando-se que o

scrubber opera com o volume total de água de 800 L, ou seja, 800 Kg, a nova

periodicidade de troca da solução pode ser calculada pelo uso da equação 22,

apresentada anteriormente.

Periodicidade de troca da solução = Massa total de H20 no Scrubber

Massa de H20 neutralizada por mês

Periodicidade de troca da solução = 800 kg

212,49 kg/mês

Periodicidade de troca da solução = 3,76 meses (25)

(20)

(22)

(24)

60

Atribuindo-se novamente um fator de segurança, foi proposto que

a solução seja substituída a cada 3 meses, e não a cada 6 meses como vem

sendo feito há anos. Espera-se com isso que a eficiência de remoção seja

atingida considerando-se o maior consumo mensal de óxido de etileno.

4.5 Determinação da concentração de etilenoglicol na solução

Considerando que a concentração de etilenoglicol na solução de

scrubber, obtido através da reação do óxido de etileno e água tendo ácido

sulfúrico 5% como catalisador da reação, é um fator que exerce influência na

eficiência de remoção, foram realizados testes para determinar o seu valor.

Foram definidas duas possíveis técnicas para determinar

quantitativamente a concentração de etilenoglicol na solução, sendo a primeira

técnica por espectro de UV-Vis e a segunda técnica por espectro de

Infravermelho.

A técnica de espectro de UV-Vis consiste na interação da

radiação com a matéria, podendo ocorrer alguns processos como: reflexão,

espalhamento, absorção, fluorescência e reações químicas. E a energia das

moléculas é expressa como a soma de três tipos de energias diferentes:

rotacional, vibracional e eletrônica.

A técnica de espectro de Infravermelho é a medição do

comprimento de onda e intensidade da absorção de luz infravermelha de uma

amostra, utilizada para identificar amostras orgânicas e organometálicas, onde o

método implica a análise dos movimentos de rotação e vibração dos átomos de

uma molécula.

Porém, ao realizar os testes nas técnicas de infravermelho e UV-

Vis, observou-se que as amostras padrão apresentavam uma quantidade grande

de água o que interferiu diretamente na leitura dos resultados, não sendo possível

determinar com confiabilidade a concentração de etilenoglicol a partir das técnicas

citadas ao longo deste capitulo.

61

5. PROPOSTAS DE MELHORIAS PARA O SISTEMA

Neste capítulo estão apresentadas algumas propostas para o

aumento da eficiência de remoção scrubber e melhorias do sistema em geral.

5.1 Instalação do equipamento lavador de gases

Conforme citado no item 4.2.4, a empresa estudada possui um

equipamento semelhante ao lavador de gases de coluna empacotada

apresentado pelo fornecedor de scrubbers que encontra-se inativo devido a

problemas na bomba de circulação da solução. Foi avaliada a possibilidade de

substituição da bomba e reinstalação do equipamento. O lavador de gases será

alocado após o tanque de solução, de maneira a neutralizar o EtO remanescente

do tanque, que é direcionado para a chaminé. O equipamento possui uma

espécie de chuveiro que lava o EtO ao longo de uma coluna empacotada, em

contracorrente. Desta forma, espera-se que a eficiência do sistema aumente,

possibilitando atingir o valor estipulado de 99,9%. Por fim, foi definido que o

cálculo de eficiência de remoção para o relatório de 2015 será realizado apenas

após implementação deste lavador de gases.

5.2 Melhoria no tanque de solução

Considerando que possa haver a persistência do problema de

eficiência de remoção de óxido de etileno mesmo após instalação do lavador de

gases, conforme proposta do item 4.6.1, foi avaliada a instalação de um chuveiro

na parte superior do tanque de reação já existente. Desta forma, a solução é

recirculada, ao invés de permanecer parada ao fundo do tanque, e entra em

contato com o gás que foi borbulhado e não reagiu, escapando em direção a

chaminé. As gotas provenientes do chuveiro, ou spray, ao se chocarem com o

EtO enviam-no de volta a solução, aumentando o tempo de contato do gás com a

água e possibilitando maior conversão a etilenoglicol.

62

5.3 Utilização de medidor de gás na chaminé do scrubber

Para realização de um monitoramento constante da eficiência de

remoção de óxido de etileno, foi pesquisado um medidor de gás EtO para ser

instalado na chaminé do scrubber. Embora não forneça uma leitura tão precisa

quanto a cromatografia gasosa realizada anualmente, o equipamento permite a

leitura instantânea da quantidade de óxido de etileno liberado para atmosfera.

O medidor de óxido de etileno possui uma faixa de leitura de 1 a

1000 ppm de EtO, sendo possível programá-lo para disparar alarmes em duas

concentrações diferentes. Sabe-se que a concentração de óxido de etileno que é

direcionada para a entrada do scrubber, segundo item 4.3, é de aproximadamente

405.800 ppm e portanto, uma eficiência de remoção de 99,9% significa uma

concentração máxima na chaminé de 405,8 ppm. Baseando-se nesta lógica,

pode-se estipular valores de alerta e ação, permitindo a tomada de ações como

manutenções no scrubber e até mesmo indicando que a solução atingiu a sua

concentração de saturação, sendo necessário substituí-la.

Foram realizadas algumas cotações e chegou-se ao valor de

R$5.060,00 para aquisição do medidor.

5.4 Acompanhamento da solução do scrubber

Após realizar o cálculo de periodicidade de troca da solução e

propor que seja substituída a cada trimestre, uma das propostas deste projeto é

que a empresa realize um acompanhamento da solução do scrubber, através de

leituras de densidade e de teor de ácido sulfúrico, para avaliar o seu

comportamento durante os 3 meses de utilização.

5.5 Estudo de estabilidade da solução do scrubber

Além do acompanhamento da solução, é necessário realizar um

estudo de estabilidade para a solução de ácido sulfúrico 5% de forma a

comprovar que esta se apresenta estável durante o período de troca. Baseando-

63

se em documentos e estudos de estabilidades já realizados pela empresa, pode-

se realizar a análise de 3 lotes da solução, nos tempos 0, 45 e 90 dias, para os

testes de doseamento de ácido sulfúrico e aparência.

Todos os resultados devem apresentar valores dentro do

especificado. Para o doseamento de ácido sulfúrico o limite especificado é de 4,8

a 5,2% e para aparência a solução deve ser incolor, translúcida e isenta de

materiais em suspensão. Caso a solução com 90 dias esteja dentro dos valores

especificados significa que estará apta para a utilização no scrubber durante todo

o seu período para troca.

5.6 Determinação da concentração de etilenoglicol na solução por

cromatografia gasosa

A cada troca de solução propõe-se que seja determinada a

concentração de etilenoglicol na solução, de maneira a acompanhar estes

valores, possibilitando investigações caso a concentração apresente um valor

abaixo da média, o que indica uma baixa conversão de óxido de etileno em

etilenoglicol.

Devido aos testes realizados pelas técnicas de UV-Vis e

Infravermelho serem insuficientes para a determinação da concentração de

etilenoglicol na solução, propõe-se que seja utilizada a técnica de cromatografia

gasosa. Esta poderá ser realizada por empresa externa, com um custo

aproximado de R$ 380,00 por análise, ou pode-se desenvolver uma metodologia

para que esta seja realizada em laboratório químico da companhia que já possui o

cromatógrafo.

A técnica de cromatografia gasosa tem a finalidade de separar

uma mistura por interação dos seus componentes entre a fase estacionária, que

pode ser uma fase líquida ou uma fase sólida, e uma fase móvel (gás de arraste),

que pode ser uma fase líquida ou uma fase gasosa. A fase estacionária está

localizada na fase interna da coluna, e a fase móvel move-se sobre a fase

estacionária dentro da coluna.

As interações intermoleculares atraem as moléculas com maior

interação para a fase estacionária presente na coluna escolhida. O detector

64

utilizado para a determinação de etilenoglicol por cromatografia gasosa é o DIC

(Detector por ionização em chama). A coluna utilizada é a DB-624, 0,53mm X 30

m X 3,0 μm, podendo ser substituída por uma coluna com equivalentes

características.

Deve-se preparar as amostras e as soluções padrão e de

trabalho. Injeta-se primeiramente a solução padrão depois a solução trabalho e

então injeta-se a amostra devidamente preparada. O tempo de retenção do pico

de etilenoglicol está em torno de aproximadamente 7,8 minutos.

5.7 Aquisição de novo sistema de scrubber

Caso após implementar todas as melhorias propostas acima o

sistema continue apresentando eficiência de remoção abaixo de 99,9%, foi cotada

a aquisição de um novo sistema completo de scrubber. O fornecedor desenvolveu

um sistema específico apropriado para as condições da empresa estudada. Este

sistema é composto por uma coluna empacotada de alta eficiência, um tanque de

reator e um tanque de alimentação da solução, além de bombas de recirculação e

trocador de calor, conforme descrito no item 4.1.7. O novo sistema possui uma

solução com concentração de ácido sulfúrico de 9%, trabalhando a 30°C e 9 psi.

Por fim, o valor estipulado foi de US$ 154.726,00 para aquisição e instalação do

sistema, sendo que a empresa garante a remoção desejada e oferece suporte a

possíveis problemas encontrados.

65

6. CONCLUSÃO

A partir da metodologia do estudo de caso, foi possível observar e

identificar algumas oportunidades de melhorias no sistema de remoção de gases,

denominado scrubber, presente em uma planta de esterilização de produtos

médico-hospitalares.

O cálculo de eficiência realizado pela empresa foi estudado e

pode-se confirmar seu valor através de um cálculo proposto baseado na literatura.

Com isto, a empresa passou a possuir um documento mais transparente e livre de

possíveis questionamentos. Além disto, foi possível determinar uma nova

periodicidade para a troca de solução do scrubber, devido ao aumento no

consumo de óxido de etileno nos últimos anos.

Foram propostas algumas melhorias no sistema para que se

atinja o valor de eficiência desejado. Foi avaliado o conserto de um equipamento

lavador de gases considerado obsoleto pela planta, para reinstalação em série

com o tanque do scrubber de forma a neutralizar os gases remanescentes. Foi

proposta também a instalação de um chuveiro na parte superior do tanque, de

maneira a aumentar o tempo de contato do EtO com a solução. Como forma de

acompanhamento da eficiência do sistema, foi proposta a utilização de um

medidor de óxido de etileno na chaminé, permitindo seu monitoramento

constante, além do acompanhamento da densidade e teor de ácido na solução,

da realização de um estudo de estabilidade e da determinação da concentração

de etilenoglicol por cromatografia gasosa na solução.

Por fim, caso a empresa implemente as melhorias propostas e o

sistema continue apresentando eficiência de remoção de óxido de etileno abaixo

do valor estipulado, foi avaliada e orçada a aquisição de um novo sistema

completo de scrubber, desenvolvido exclusivamente para a empresa estudada e

com suporte a possíveis problemas encontrados garantido pelo fornecedor.

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REFERÊNCIAS

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