Design and Validation of a Hydrogen Peroxide Vapour Decontamination System

La pandémie de la COVID-19 a eu de nombreux effet sur la société, dans plusieurs domaines. La pénurie d'Équipements de Protection Individuelle (EPI) causée par l'augmentation soudaine de la demande a été catastrophique, et de nombreux membres du personnel de la santé se sont retrouvés avec des EPI inadéquats, voire inexistants. Les masques de protection N95 étaient une denrée particulièrement rare, car de nombreux consommateurs n'appartenant pas au secteur des soins de santé ont également essayé de les emmagasiner. La décontamination des équipements à usage unique tels que les masques N95 est devenue une mesure de crise qui pouvait au moins fournir des équipements stériles, même s'ils étaient usagés. Les systèmes de décontamination des EPI se présentent sous de nombreuses formes, avec différents cas d'utilisation et caractéristiques. Les systèmes au peroxyde d'hydrogène vaporisé offrent une bonne couverture, une bonne pénétration des couches et une bonne efficacité de désinfection, ce qui les rend viables pour la décontamination des masques N95. Des systèmes commerciaux utilisant cette technologie existent, mais ils sont volumineux, dispendieux et rares en dehors des grands centres de soins. Afin de fournir des capacités de décontamination dans les environnements à faibles ressources tels que les cliniques mobiles, les petits hôpitaux et les pays en voie de développement, un système au peroxyde d'hydrogène vaporisé a été construit en utilisant des composants commerciaux, dans une optique à libre accès (open source). La méthode utilisée pour atteindre une concentration élevée de peroxyde d'hydrogène ($H_2O_2$) gazeux est appelée "flash vaporization". Son utilisation a nécessité la conception d'une boucle pour retirer la vapeur d'eau de l'atmosphère et régénérer l'$H_2O_2$ gazeux en continu. Ces composants ont été placés dans une enceinte étanche aux gaz contenant les capteurs nécessaires au contrôle et au suivi du cycle. Il a été utilisé avec succès pour désinfecter des masques N95, prouvant la validité de la méthode et ouvrant la possibilité d'un déploiement rapide en cas de crises futures, pour un coût abordable. Des expériences ont révélé les paramètres de contrôle critiques pour obtenir une efficacité maximale du système au-delà du seuil de décontamination. La température de vaporization, la concentration initiale de la solution de peroxyde d'hydrogène et le taux de désintégration du gaz se sont avérés très importants pour atteindre les résultats souhaités. Dans l'ensemble, le système conçu démontre qu'un système au peroxyde d'hydrogène vaporisé peu coûteux peut être construit à partir de composants commerciaux et désinfecter efficacement les EPI. La conception a été mise en libre accès (open-source) et est disponible pour les utilisateurs qui souhaitent construire le système tel quel, ou le modifier selon leurs besoins.

Abstract

The effects of the COVID-19 pandemic were immense on many spheres of society, and are still felt today. Personal Protective Equipment (PPE) shortages caused by the sudden large increase in its demand were dire, and many healthcare personnel found themselves with inadequate PPE, or none at all. N95 Filtering Facepiece Respirators (FFRs) were a particularly scarce commodity, as many non-healthcare consumers also tried to stockpile them. Decontamination of single-use equipment such as N95 masks became a crisis measure that promised to at least provide sterile equipment, even if in used state. Decontamination systems for PPE come in many forms, with different use cases and defining characteristics. Vaporized hydrogen peroxide (VHP) systems offer good coverage, layer penetration and disinfection efficiency, making it viable for N95 mask decontamination. Commercial systems using this technology exist, but are large, thus expensive and rare outside of major healthcare centers. To provide decontamination capabilities to low-resource settings such as mobile clinics, small hospitals and developing countries, an open-source VHP design was built using commercial off-the-shelf (COTS) components. The method used to reach a high concentration of gaseous hydrogen peroxide ($H_2O_2$) is called flash vaporization. Using it required the use of a loop design to remove water vapour from the atmosphere and continuously regenerate gaseous $H_2O_2$. These components were placed in a gastight enclosure containing sensors necessary for cycle control and monitoring. It was successfully used to disinfect N95 masks, proving the method valid and opening the possibility to rapid deployment in case of future crises, for an affordable cost. Experiments revealed the critical control parameters to achieve maximum system efficiency above the decontamination threshold. Vaporization temperature, initial hydrogen peroxide solution concentration and the decay rate of gaseous $H_2O_2$ were found to be very important to reach desired results. Overall, the system designed demonstrates that an inexpensive VHP system can be built from COTS components and efficiently disinfect PPE. The design has been open-sourced and is available for users who wish to build it as is, or modify it to their needs.