Autor: RUIZ TRUJILLO, Sonia

Título: Experimental research and development of atmospheric plasma generators for pathogen inactivation of surfaces and environments

Fecha: 2025

Materia: ---

Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

Departamento: INGENIERIA MECANICA

Acceso electrónico: https://oa.upm.es/90011/

Director/a(s):

• Director/a: DIAZ LANTADA, Andrés
• Director/a: VEGA MARTINEZ, Patricia

Resumen: The transmission of microorganisms through airborne particles and contaminated surfaces represents a critical public health challenge, particularly in environments where individuals are in close proximity, such as hospitals, schools, and public transportation systems. Microbial pathogens, including bacteria, viruses, and fungi, significantly contribute to healthcareassociated infections and respiratory diseases, resulting in considerable morbidity, mortality, and economic costs worldwide. Current mitigation strategies, such as air filtration, ultraviolet germicidal irradiation (UVGI), and antimicrobial surface treatments, have demonstrated effectiveness but face limitations in terms of efficiency, scalability, and real-world application. This thesis explores the development, modeling, and optimization of atmospheric non-thermal plasma (ANTP) systems as an innovative approach for microbial decontamination in air and on surfaces. This research focuses on studying and industrially developing ANTP devices and configurations generated via corona discharge. Initially, the systems are electrically, chemically, and fluid dynamically perspectives based on geometric and electrical parameters to determine the relationships between these parameters and the mechanisms for system optimization in open environments. Furthermore, the chemistry generated is simulated for closed systems, creating a framework that aligns with experimental data and facilitates system scalability within the operational range. These findings are subsequently applied to the microbial inactivation of airborne and surface microorganisms, correlating the chemical compositions generated with the degree of inactivation achieved. The study also identifies and optimizes the required doses (species concentration × time) to achieve specific inactivation levels, reaching sterilization on surfaces made of different materials. ANTP technology utilizes ionized gases generated by corona discharges to inactivate microorganisms by disrupting their cell membranes and genetic material. These discharges produce highly oxidizing chemical species, such as free radicals, ozone, and nitrogen dioxide, which are responsible for microbial inactivation. Simultaneously, the electrohydrodynamic (EHD) phenomenon generates a flow known as ionic wind, eliminating the need for mechanical components to produce airflow. This approach achieves high levels of inactivation in a single pass and enables the design of completely silent systems, with no moving parts and low energy consumption. The findings aim to establish robust, energy-efficient, scalable, and versatile ANTP based solutions for infection control, contributing to the global effort to reduce the burden of infectious diseases and improve public health resilience. RESUMEN La transmisión de microorganismos a través de partículas en el aire y superficies contaminadas representa un desafío crítico para la salud pública, particularmente en entornos donde las personas están en estrecha proximidad, como hospitales, escuelas y sistemas de transporte público. Los patógenos microbianos, incluidos bacterias, virus y hongos, contribuyen significativamente a las infecciones asociadas a la atención sanitaria (IRAS) y a enfermedades respiratorias, generando una considerable carga de morbilidad, mortalidad y costos económicos a nivel mundial. Las estrategias actuales de mitigación, como la filtración de aire, la irradiación germicida ultravioleta (UVGI) y los tratamientos antimicrobianos para superficies, han demostrado eficacia, pero enfrentan limitaciones en términos de eficiencia, escalabilidad y aplicación práctica en entornos reales. Esta tesis explora el desarrollo, modelado y optimización de sistemas de plasma atmosférico no térmico (ANTP) como un enfoque novedoso para la descontaminación microbiana en el aire y en superficies. En este trabajo de investigación, se estudian y desarrollan industrialmente dispositivos y configuraciones de ANTP generados mediante descarga corona. Inicialmente, los sistemas se analizan desde la perspectiva eléctrica, química y fluidodinámica, basándose en parámetros geométricos y eléctricos, con el objetivo de determinar las relaciones entre estos parámetros y los mecanismos de funcionamiento y optimización en sistemas abiertos. Además, la química generada se simula para sistemas cerrados, creando un modelo que permita ajustar los datos reales obtenidos y facilite su escalado dentro del rango de trabajo. A partir de estas conclusiones, se aplican los sistemas desarrollados a la inactivación microbiana de microorganismos aerotransportados y en superficies, correlacionando las composiciones químicas generadas con el grado de inactivación alcanzado. Se estudian y optimizan las dosis necesarias (concentración de especies × tiempo) para lograr un grado específico de inactivación, alcanzando incluso la esterilización en superficies de diferentes materiales. La tecnología ANTP utiliza gases ionizados generados mediante descargas tipo corona para inactivar microorganismos mediante la alteración de sus membranas celulares y material genético. Estas descargas producen especies químicas altamente oxidantes, como radicales libres, ozono y dióxido de nitrógeno, responsables de la inactivación microbiana. Simultáneamente, el fenómeno de dinámica electrohidrodinámica (EHD) genera un flujo conocido como viento iónico, que elimina la necesidad de componentes mecánicos externos para la generación de flujo de aire. Este enfoque permite alcanzar elevados grados de inactivación en una única pasada y posibilita el diseño de sistemas completamente silenciosos, sin partes móviles y con bajo consumo energético. Los hallazgos buscan establecer soluciones robustas, eficientes en términos energéticos, escalables y versátiles basadas en ANTP para el control de infecciones, contribuyendo al esfuerzo global por reducir la carga de enfermedades infecciosas y mejorar la resiliencia en salud pública.