플라즈마 활성화 과산화수소 미스트 표면 소독기 개발

Abstract

최근 코로나바이러스감염증-19 (COVID-19) 및 중동호흡기증후군 (MERS)과 같은 감염병의 영향으로 병원 환경에서 이를 예방하기위한 효과적이고 효율적인 소독의 중요성이 강조되고 있다. 다양한 종류의 소독기의 살균력을 보고한 연구들이 보고되고 있지만, 이를 정량적으로 검증하고 실제 병원 환경에서 살균 효과의 연관성을 밝힌 연구는 드물다. 본 연구에서는 인체에 위해 정도를 낮추고 높은 수준의 공간/표면 소독이 이루어 질 수 있는 소독 기술을 개발하고 살균 효과 및 인체 유해 정도를 정량적으로 검증하여 병원 환경에서의 살균효과를 확인하고자 하였다. 첫번째로, 인체 위해성을 낮추기 위해 살균력이 보장되는 상대적 저농도 과산화수소 소독액을 선정하고, 소독제로서 소독 효과를 평가하기 위해 유럽 규격(EN-13727, 14476)에 따른 소독제 효능 평가를 실시하였다. 둘째, 저농도 과산화수소의 소독 효과를 극대화 하기 위해 플라즈마 발생장치를 개발, 살균력을 검증하였다. 또한 과산화수소 소독액과 플라즈마 장치를 결합한 소독기를 제작하였고 소독 분사에 최적화 시키는 조건으로 기계적 성능 (분사량, 미스트 입경크기, 분무각)을 정량적으로 검증하였다. 셋째, 개발한 플라즈마 활성화 과산화수소 미스트 소독기를 다양한 분사 거리에 따라 분사하고 시험 균주에 대한 살균력을 확인하였다. 또한 실제 병원 환경의 다양한 구역에서 소독 전/후의 표면을 환경 배양을 통해 소독 효과를 확인하였다. 넷째, 개발 소독기의 인체 위해성을 검증하기위해 분무 소독 시 공기중의 과산화수소와 오존의 농도 분해 시간을 측정하였고, 실제 병원 환경의 다양한 구역에서 분무 시 위해성을 비교 검증 하였다. 첫째, 시험 균주의 최대 로그 감소 > 4.60을 만족하는 최소 농도의 과산화수소 농도는 5.9%였다. 소독액으로 선정한 5.9% 과산화수소의 EN 규격 시험결과, 로그 감소 (Log reduction)는 녹농균 (P. aeruginosa), 대장균 (E. coli), 황색포도상구균 (S. aureus), 장구균 (E. hirae), 메티실린내성황색포도알균 (MRSA), 칸디다균 (C. albicans), 누룩곰팡이균 (A. brasiliensis), 고초균 (B. subtilis), 식중독균 (B. cereus), A형 인플루엔자 바이러스 (IAV, Human influenza A H1N1), 파보바이러스 (PPV, Porcine parvovirus) 및 고양이칼리시바이러스 (FCV, Feline calicivirus)에서 각각 > 5.41, > 5.49, > 5.38, > 5.47, > 5.55, > 4.20, > 4.06, < 3.48, > 4.51, > 2.38, > 3.38 및 > 4.13으로 나타났다. 둘째, 개발한 플라즈마 발생장치에서 활성화된 공기는 100 mm 거리에서 300 초 분사 시, 대장균에 대해 5 로그 감소 이상의 살균력을 보였다. 과산화수소 소독액과 플라즈마를 함께 적용한 표면 소독기를 개발하였고, 평균 분무량은 52.05 mL/min, 분무 시 미스트 입경 크기는 분사건 입구로부터 90 cm 거리에서 최대 입경 크기 53.250 μm, 평균 분무각은 19.5547 °였다. 셋째, 개발한 플라즈마 활성화 과산화수소 미스트 표면 소독기 분사 방식의 효과성 검증 결과, 1 미터 거리에서 15초 분사 하여 지오바실러스 호열균, 대장균, 녹농균, 그리고 황색포도상구균에 대한 로그 감소는 각각 > 5.84, > 5.00, > 5.69, > 6.00 이었다. 실제 병실 환경에서 개발한 표면 소독기 소독 효과를 검증한 결과, 소독 후 집락수가 90% 이상 감소한 표면의 비율은 외래 (85%), 병실 (99%), 그리고 응급실 (100%) 였고, 표면의 재질로 분류 했을 때 90% 이상 감소율은 플라스틱 (97%), 금속 (83%), 목재 (84%), 가죽 (81%), 그리고 기타 (87%) 였다. 넷째, 분무 소독 시 공기중의 과산화수소와 오존의 농도 분해 시간을 측정한 결과, 오존 농도는 모든 23개 구역에서 0 ppm 으로 측정되었다. 과산화수소 농도의 경우, 5 ppm까지 분해되는데 걸리는 시간은 11~132분 이었고, 미국 직업안전위생국 기준인 시간가중 평균노출기준 1 ppm까지 걸리는 시간은 64~235분 이었다. 본 연구를 통해 국내에서 상대적 저농도 과산화수소와 플라즈마 활성화 장치를 결합하여 병원 환경에서 기존 소독 방식보다 짧은 시간 내 사용이 가능하면서 동등한 수준으로의 소독을 수행할 수 있는 소독기를 개발하였다. 이를 통해 균/바이러스 등에 의해 오염된 의료 환경을 보다 효율적으로 소독할 수 있을 것으로 생각한다. |Abstract

Development of Plasma-Activated Hydrogen Peroxide Mist Disinfector

Choi, Jongbong Department of Biomedical Engineering Graduate School of Biomedical Science & Engineering Hanyang University

Recently, the importance of effective and efficient disinfection in the hospital environment have been emphasized to prevent infectious diseases such as Coronavirus infectious disease-19 (COVID-19) and Middle east respiratory syndrome (MERS). Although various studies have been reported for the disinfection efficacy of various types of disinfectors, the quantitatively verify of disinfection efficacy and correlation with in various hospital environments has rarely been analyzed. In this this study, we aimed to develop disinfection technology that have high disinfection efficacy with less harmful to the human for surface/space environment, and verify the efficacy of disinfection and harmfulness in various hospital environments. First, a relatively low-concentration hydrogen peroxide disinfectant solution with guaranteed disinfection efficacy and less harmful was selected, and disinfectant efficacy was evaluated according to European standards (EN-13727, 14476) as a disinfectant. Second, plasma generator to maximize the disinfection efficacy of low concentration hydrogen peroxide was developed and the disinfection efficacy was verified. In addition, disinfector combining hydrogen peroxide disinfectant and a plasma was manufactured, and the mechanical performance (spraying volume, mist particle size, spray angle) was quantitatively verified under conditions optimized for spraying. Third, the developed plasma-activated hydrogen peroxide mist disinfector was sprayed according to various spraying distances, and the disinfection efficacy was confirmed for various bacteria. Also the disinfection efficacy was verified by culturing the surfaces before and after disinfection in various hospital environments. Fourth, decomposition time for hydrogen peroxide and ozone of developed disinfector was measured for harmful test in chamber and various hospital environment. First, the minimum concentration of hydrogen peroxide satisfying the maximum log reduction for G. stearothermophilus bacteria was 5.9 % hydrogen peroxide. As a result of the EN standard test for 5.9 % hydrogen peroxide selected as a disinfectant, the log reduction for P. aeruginosa, E. coli, S. aureus, E. hirae, MRSA, C. albicans, A. brasiliensis, B. subtilis, B. cereus, Human influenza A, Porcine parvovirus, and Feline calicivirus were > 5.41, > 5.49, > 5.38, > 5.47, > 5.55, > 4.20, > 4.06, < 3.48, > 4.51, > 2.38, > 3.38, and > 4.13, respectively. Second, the developed plasma showed the more than 5 log reduction for E. coli bacteria at 300 seconds contact time and 100 mm distance. The surface disinfector applied with hydrogen peroxide disinfectant and plasma was developed. The average spraying volume was 52.05 mL/min, the mist particle size was 53.250 μm at a distance of 90 cm from the spray gun, and the average spray angle was 19.5547 °. Third, as result of verifying the disinfection efficacy with developed disinfector by spraying at a distance of 1 meter for 15 seconds, the log reduction for G. stearothermophilus, E. coli, P. aeruginosa, and S. aureus were > 5.84, > 5.00, > 5.69, and > 6.00, respectively. In hospital environment, the proportion of surfaces that showed a percentage decrease in CFU values of more than 90% after disinfection were as follows: OPDs (85%), hospital wards (99%), and emergency rooms (100%); plastic (97%), metal (83%), wood (84%), leather (81%), and others (87%). Fourth, as a result of measuring the decomposition time of hydrogen peroxide and ozone during disinfection, the ozone concentration was measured 0 ppm in all 23 hospital rooms. In the case of hydrogen peroxide concentration, it took 11 to 132 minutes to decompose to 5 ppm, and 64 to 235 minutes to decompose to 1 ppm (TWA exposure standard of the Occupational Safety and Health Administration). In this study, we have developed surface disinfector that shorter disinfection time than the existing disinfection method with same disinfection efficacy level. Therefore plasma-activated hydrogen peroxide mist disinfector can be considered appropriate as an effective and efficient method to disinfect various hospital environments.