Revista Minería Chilena Nº467

mayo de 2020

Cómo los fundamentos de ventilación nos pueden ayudar a comprender aspectos del Covid-19

En ventilación de minas se utilizan una serie de principios para el control de contaminantes, entre los que se incluye prevenir la generación, diluir el contaminante y usar elementos de protección personal. El actual escenario plantea nuevos desafíos.

Autores: Raúl Castro, Carlos Valdés, Álvaro Pérez, Omar Salas y Pablo Cid, Universidad de Chile.

Considerando la contingencia respecto del Covid-19, un grupo de investigadores ingenieros de minas del Laboratorio de Block Caving del Departamento de Ingeniería de Minas y del Centro Avanzado de Tecnología para la Minería (AMTC) de la Universidad de Chile decidieron aportar con sus conocimientos y realizar una revisión bibliográfica tanto de la ventilación minera subterránea, como de los mecanismos de propagación del virus 2019- nCoV, con el fin de complementar el conocimiento de este patógeno y concientizar a ciudadanos y minero(a)s.

Principios de la ventilación

En ventilación de minas se utilizan una serie de principios para el control de  contaminantes, entre los que se incluye prevenir la generación, diluir el contaminante y usar elementos de protección personal.

Si bien estos principios se aplican a gases y polvos, se pueden establecer algunos aprendizajes respecto de agentes infecciosos como virus y bacterias, ya que estos bajo ciertas simplificaciones pueden ser tratados como partículas ultrafinas para fines de ventilación.

Generación y fuentes

Entre los agentes contaminantes de una mina subterránea, los gases CO2, CO, SO2, H2S y óxidos nitrosos, junto con los polvos de sílice son los más comunes, y estos pueden generar desde irritación de mucosas hasta la muerte, si se encuentran sobre determinadas concentraciones.

El virus 2019-nCoV es un agente contaminante con gran facilidad de transmisión en el aire a través de las partículas acuosas (gotitas) del estornudo, la tos y la conversación (OMS 2020), y también a través de las superficies (Ong et al. 2020, Bourouiba 2020). De acuerdo con algunos estudios, una persona al estornudar puede emitir varios millones de partículas virales a su alrededor (Cole & Cook 1998), aunque el valor exacto depende de su carga viral. Por estas razones es fundamental entender cómo el virus se desplaza en el espacio, especialmente en el aire, e intentar modelar ese comportamiento.

Modelamiento

El desplazamiento de partículas en el aire depende de su tamaño, ya que en el caso de partículas grandes (> 100 [μm]) el modelamiento puede realizarse en función de la Ley de Stokes y para partículas pequeñas (< 10 [μm]) se recurre a la descripción de un movimiento browniano (McPherson 1993).

Desde un punto de vista práctico, las partículas a las que se hace mención pueden ser gotitas de agua, virus o bacterias. En el caso particular del virus 2019-nCoV se ha comprobado que éste no viaja por el aire de forma autónoma y necesita de estas gotitas (OMS 2020).

Las gotitas de agua más pequeñas pueden alcanzar tamaños de hasta 10 [μm] (OMS 2020). Por otra parte las bacterias tienen tamaños de hasta 1 [μm] y los virus inferiores a 1 [μm].

La Ley de Stokes establece que una partícula, al desplazarse por un fluido, experimenta no sólo las fuerzas de gravedad y empuje (buoyancy), sino también una fuerza viscosa que va en contra del movimiento de ésta.

En la siguiente figura se muestra un análisis, realizado dentro del marco de esta investigación, y que muestra tres escenarios de desplazamiento de gotitas entre 100 y 200 [μm], a velocidades de estornudo de hasta 160 [km/h] (Barral 2020). En el primero, la partícula se mueve en un espacio sin corriente de aire, en el segundo existe una corriente a 2 [m/s] en contra, y en el tercero la corriente tiene la misma velocidad, pero va a favor.

Se puede observar la dependencia de la corriente de aire en el alcance potencial de la emisión.

En el caso de gotitas de agua de menos de 10 [μm] y también patógenos, el desplazamiento estaría dado por movimientos brownianos (McPherson 1993). Estos movimientos son descritos en función de concentraciones de partículas y también por el movimiento de los fluidos, lo que se traduce en que las partículas se mueven desde zonas de mayor concentración hacia otras de menor concentración, y a medida que su tamaño disminuye la influencia del ambiente es mayor. Según su tamaño, estas partículas podrían permanecer horas o incluso días suspendidas en el aire (Minguillón 2020).

Medidas de mitigación

Emisión: La primera forma de combatir la contaminación es a través del control de la emisión y los controles más comunes en minería subterránea incluyen sistemas de captación (para polvos) y de conversión (para gases). En el caso de virus y bacterias, la emisión se da a través de gotitas de agua y por este motivo el control es a través del uso de mascarillas y filtros.

La revisión efectuada ha determinado que estos elementos sí son capaces de reducir la liberación de gotitas contaminadas al aire, puesto que el tamaño de sus poros (0.3 [μm], NIOSH 1996) es menor que el tamaño de las gotitas más pequeñas (aprox. 10 [μm], (Bourouiba et al. 2014, OMS 2020)).

Protección: Los elementos de protección personal se utilizan para minimizar el impacto de accidentes y en el caso de la contaminación se usan para evitar la absorción.

En el contexto de minas subterráneas, los filtros son imprescindibles y uno de los más usados es el P100 (Janssen et al. 2003). La revisión ha determinado que estos filtros serían eficaces cuando el virus está en forma acuosa (gotitas), y no serían efectivos cuando el virus se encuentra aislado, debido a su bajo tamaño (0.06 y 0.14 [μm] (Singhal 2020)). Desde hace unos años varias empresas han venido incorporando elementos con características antimicrobianas, como el cobre (Borkow et al. 2007), en prendas de vestir y también filtros, logrando hoy una importancia significativa.

Ventilación: Cada agente contaminante puede ser controlado en función de un caudal mínimo de aire que impide que dicho contaminante alcance una cierta concentración; en el caso de la minería en Chile estas concentraciones están reglamentadas en el D.S. N°594.

La ventilación, que consiste en inyectar y mover aire dentro de una mina, permite mantener las concentraciones bajo límites establecidos y medidos.

Respecto a virus y bacterias, si bien no está normado, existen concentraciones mínimas para desencadenar sus respectivas enfermedades y que son llamadas dosis infecciosas. En el caso del virus 2019-nCoV, la revisión llevada a cabo no ha podido determinar cuál es esta dosis infecciosa ya que aún está en proceso de investigación. Si consideramos virus homólogos como SARS-CoV (2002) y MERS-CoV (2012), se tiene que la dosis infecciosa es del orden de 103 partículas en ambos casos (Roberts & Vogel 2004; Douglas & Kocher 2018). Esto quiere decir que bastan unos cuantos miles de partículas virales para que el individuo desarrolle ese tipo de enfermedades.

Este dato vuelve imprescindible la correcta ventilación de los ambientes, medido en renovaciones por hora, especialmente de aquellos cerrados, ya que esta acción permite diluir y disminuir la concentración de las partículas infecciosas.

Discusión

En base a la revisión bibliográfica realizada y el aporte técnico de este grupo de ingenieros, se ha podido concluir que, en primer lugar, el virus 2019-nCoV tiene una alta capacidad de contagio, con tan sólo unos cuantos miles de partículas necesarias para desencadenar la enfermedad. En segundo lugar, éste se transporta a través del aire en forma acuosa y puede alcanzar grandes distancias; finalmente, las actuales herramientas de protección personal normadas, como las que actualmente se utilizan en minería, pueden ayudar a mitigar el riesgo.

Otras medidas de protección no certificadas tienen el riesgo de ser cuestionables en cuanto a su efectividad.

Una de las aristas interesantes que surge de esta revisión es la capacidad antimicrobiana del cobre. Existen hoy esfuerzos en esta área en el país, respecto de su aplicación en mascarillas y otros objetos de protección.

Esta es sin duda un área en la que Chile puede aportar de forma relevante, ya que es el principal productor de cobre del planeta. Las consideraciones técnicas de la ventilación nos pueden dar una mirada complementaria y necesaria en el combate a esta pandemia.

Referencias

– Barral, M. (2020). La ciencia del estornudo: hasta 8 metros de asombroso alcance. Heraldo.

– Borkow, G., Sidwell, R. W., Smee, D. F., Barnard, D. L., Morrey, J. D., Lara-Villegas, H. H., Gabbay, J. (2007). Neutralizing Viruses in Suspensions by Copper Oxide-Based Filters. Antimicrobic Agents Chemother, 51(7): 2605–2607.

– Bourouiba, L. (2020). Turbulent Gas Clouds and Respiratory Pathogen Emissions. JAMA.

– Bourouiba, L., Dehandschoewercker, E., & Bush, J. W. (2014). Violent expiratory events: on coughing and sneezing. Journal of Fluid Mechanics (2014), pág. 537-563. Cambridge University Press 2014.

– Cole, E. C., & Cook, C. E. (1998). Characterization of infectious aerosols in health care facilities: An aid to effective engineering controls and preventive strategies. Durham, North Carolina: Am J Infect Control.

– Douglas, M.G., Kocher, J. F., Scobey, T., Baric, R. S., & Cockrell, A. S. (2017). Adaptive evolution influences the infectious dose of MERS-CoV necessary to achieve severe respiratory disease. Elsevier Public Health Emergency Collection, 517: 98–107.

– Janssen, L. L., Bidwell, J. O., Mullins, H. E. & Nelson, T. J. (2003). Efficiency of Degrated Electret Filters: Part I – Laboratory Testing Against NaCl and DOP before and after Exposure to Workplace Aerosols. Journal of the International Society for Respiratory Protection, 20, 71 – 80 (2020).

– McPherson, M. J. (1993). Subsurface Ventilation and Environmental Engineering (Vol. 1). Springer Science & Business Media B. Y.

– Ministerio de Salud. (2000). D.S. N° 594. Santiago, Chile.

– Minguillón, M. C. (2020). Emisión y exposición a SARS-CoV-2 y opciones de filtración. Instituto de Diagnóstico Ambiental y Estudios del Agua (IDAEA), CSIC.

– Ong, S. W., Tan, Y. K., & Chia, P. Y. (2020). Air, Surface Environmental, and Personal Protective Equipment Contamination by Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) From a Symptomatic Patient. JAMA.

– Roberts, A., Vogel, L., Guarner, J., Hayes, N., Murphy, B., Zaki, S. & Subbarao, K. (2005). Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus Infection of Golden Syrian Hamsters. Journal of Virology, 79(1): 503–511.

– Singhal, T. (2020). A Review of Coronavirus Disease-2019 (COVID-19). Indian Journal of Pediatrics, 87, 281–286 (2020).

– The National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH). (1996). Guide to the Selection and Use of Particulate Respirators. CDC.

– World Health Organization (WHO). (2020). Modes of transmission of virus causing COVID-19: implications for IPC precaution recommendations.