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Emprego de Forno Convencional para
Fusão de Seringas Hipodérmicas com o Encapsulamento
das Agulhas
Ted Fortner, Heather Heffner, and Prof. Jonathan Colton*
Georgia Institute of Technology
School of Mechanical Engineering
Atlanta, GA 30332-0405 USA
October 2, 2003
ABSTRATO
São apresentados os resultados de um estudo para
determinar as condições de tempo e temperatura
necessárias para fundir seringas de injeção
tipo padrão. As seringas de polipropileno são
fundidas a fim de constituir um bloco sólido de
material que encapsula as agulhas hipodérmicas
de aço inoxidável presas às seringas,
adequando-as para subseqüente processamento e transformação
em outros produtos. O resultado desejado foi alcançado
após duas horas à temperatura de 200ºC e
pode ser facilmente reproduzido em locais simples, como
uma clínica rural num país em desenvolvimento.
* autor para correspondência:
jonathan.colton@me.gatech.edu
INTRODUÇÃO
Nos últimos anos, vem ocorrendo um grande aumento
no uso de seringas descartáveis em países
em desenvolvimento. A maior disponibilidade de assistência
médica, em especial a medicina preventiva na forma
de vacinação, contribuiu para esse aumento
significativo. O maior número de seringas gerado
deve-se em parte à UNICEF (A Aliança Global
para Vacinação e Imunização
[The Global Alliance for Vaccines & Immunization])
e à WHO (Organização Mundial da Saúde
[World Health Organization]), que incentivam o uso exclusivo
de seringas descartáveis até o final de
2003 (1). Embora essas seringas tenham sido projetadas
para serem usadas apenas uma vez e em seguida descartadas,
isso nem sempre ocorre. Muitas vezes, as agulhas são
descartadas de maneira inadequada e vêm a causar
perfurações acidentais. Também tem
sido constatado que as seringas e agulhas descartáveis
são freqüentemente usadas várias vezes
sem qualquer tipo de esterilização (2).
Na falta de um sistema para o descarte eficiente de agulhas
e seringas usadas, é difícil garantir que
estas não sejam reutilizadas e dessa forma representar
uma ameaça à comunidade, pela exposição
de agulhas contaminadas. Nessas circunstâncias,
a transmissão de doenças transmissíveis
pelo sangue, tais como a Imunodeficiência Humana
(HIV), a hepatite B e a hepatite C, podem se desenvolver
a taxas alarmantes e aos poucos dizimar comunidades (3).
A incineração tem sido um método
usado comumente para a destruição de agulhas
e seringas descartadas. Uma de suas vantagens é
a redução total do volume de detritos quando
o equipamento de incineração é mantido
e operado adequadamente. A incineração também
elimina de maneira eficiente as doenças perigosas
que estão freqüentemente presentes em agulhas
ou seringas usadas. No entanto, esse método de
destruição não é mais aceitável
em muitas regiões do mundo, devido ao grande aumento
que vem ocorrendo na quantidade de seringas e agulhas
que precisam ser destruídas, a necessidade de manusear
os perfuro-cortantes descartados, os efeitos de uma combustão
mal-regulada sobre o meio ambiente, e o lixo perigoso
(4). O método ideal de descarte deveria não
somente eliminar os resíduos perigosos como transformar
as seringas contaminadas em material que possa ser empregado
na criação de novos produtos, dessa forma
contribuindo para a economia da região onde for
adotado.
Esta pesquisa estudou as condições necessárias
para fundir as seringas de polipropileno e encapsular
as agulhas de aço inoxidável com a utilização
de um molde metálico, de modo a impedir a sua reutilização,
reduzir o volume desse lixo, impedir a reutilização
das seringas e agulhas e as perfurações
acidentais resultantes, além de oferecer uma maneira
adequada de reprocessar o material resultante em produtos
úteis. Foi feito um monitoramento da temperatura
das seringas em função do tempo a fim de
garantir a fusão completa do material plástico
e a total esterilização da massa de material.
Além disso, foi calculada a quantidade de energia
necessária para levar a cabo essas etapas. Futuramente,
esses resultados serão úteis para a elaboração
de projetos e sistemas de descarte para uso local nas
nações em desenvolvimento, onde atualmente
escasseiam os métodos de descarte.
EQUIPAMENTO
As seringas de polipropileno utilizadas eram de fabricação
da Becton Dickinson (Franklin Lakes, NJ, USA) com capacidade
de 3 mL. As agulhas também eram fabricadas pela
Becton Dickinson, nos calibres 18 (18G1 nº305195), 23
(23G1 nº305145) e 25 (25G1 nº305125), do tipo ‘slip-tip’
[ponta de encaixe deslizante]. Para fundir as seringas
foi usado um forno de ar quente (convecção)
modelo HAFO 1602, fabricado pela VWR International, West
Chester, PA, USA. Foram utilizados termopares (calibre
24, tipo J) soldados com fios Omega FF-J-24 (Stamford,
CT) com um Monitor de Termopares (DP 116-JF1 ou DPI 116-JC1)
para monitorar a temperatura na amostra que estava sendo
fundida. Como moldes, nos testes preliminares foram usadas
formas descartáveis de alumínio para assar
"Hefty E-Z Elegance" (Pactiv Corp., Lake Forest,
IL) e nos testes finais uma forma de assar não-aderente,
fabricada pela Wilton (Woodridge, IL), com 235 mm x 133
mm x 70 mm (comprimento x largura x altura).
PROCEDIMENTO
Os testes preliminares, usando as panelas de alumínio
Hefty foram realizados para estudar a densificação
do material, as propriedades gerais de fusão das
seringas e sua capacidade de encapsular as agulhas. As
seringas foram colocadas na panela e em seguida num forno
aquecido até 200ºC. As seringas foram monitoradas
para determinar o tempo necessário para fusão
completa. Os resultados desses testes foram utilizados
para a determinação do procedimento nos
testes finais. Os procedimentos para os testes finais,
que empregaram as formas de assar de aço fabricadas
pela Wilton Baking, foram os seguintes:
1. O forno foi aceso e regulado para 200ºC.
2. Foi colocado um termopar no centro da forma de assar.
3. As tampas das seringas foram removidas e as agulhas
presas às seringas. As proteções
das agulhas foram removidas.
4. As capas das seringas, as proteções das
agulhas e as seringas com as agulhas adaptadas foram colocadas
aleatoriamente na forma.
5. A forma foi colocada no forno.
6. A forma foi deixada no forno durante uma hora após
a temperatura do material atingir 170ºC pelos padrões
de esterilização em autoclave seca (5).
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Testes de fusão
Os testes preliminares foram realizados com um pequeno
número de seringas, geralmente de 10 a 20, para
determinar como a massa fundida iria se densificar e se
adaptar ao molde. Após cerca de 20 minutos no forno
a 200ºC, as seringas estavam completamente derretidas
e se adaptavam muito bem ao desenho floral em relevo das
formas de assar Hefty E-Z Elegance. Nesses testes as agulhas
ficaram completamente encapsuladas, sem agulhas expostas.
Os testes finais foram realizados com 100 seringas para
simular o processamento de uma caixa de coleta cheia de
perfuro-cortantes descartados. A finalidade do Teste nº
1 foi determinar o tempo necessário para a forma
contendo as seringas (sem as agulhas) atingir 170ºC no
forno regulado para 200ºC depois das seringas terem sido
colocadas dentro do material. A Figura 1 mostra o gráfico
tempo vs. temperatura.
Conforme pode ser observado, a temperatura das seringas
(triângulos) alcançou 170ºC após 45
minutos, aproximadamente, e acompanhou relativamente bem
a temperatura do forno medida pelo controle de temperatura
(quadrados). O forno foi reajustado para baixo, em 170ºC
depois da forma ter atingido aquela temperatura. A Figura
2 mostra o bloco de material resultante, que se adaptou
ao formato da forma. Suas dimensões finais foram
210 mm de comprimento por 108 mm de largura e 19 mm de
espessura. Na figura a cor azul corresponde às
tampas, o branco, às seringas e êmbolos,
as letras pretas são das marcações
nas seringas, e os círculos pretos das pontas de
borracha dos êmbolos. O fio marrom é o termopar.
Testes subseqüentes foram realizados com o forno
a 200ºC antes da forma ser introduzida, a fim de minimizar
o tempo total do ciclo.
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Figura 1: Teste 1 (5
= temperatura do material; <
= temperatura do forno) |
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Figura 2a: Vista de topo do bloco resultante do
Teste 1 |
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Figura 2b: Vista do fundo do bloco resultante do
Teste 1 |
O Teste nº 2, com 100 seringas e 100 agulhas (72 agulhas
calibre 18 e 28 calibre 23), foi realizado para determinar
o tempo necessário para fundir a carga completa
de um coletor de perfuro-cortantes. O gráfico tempo
vs. temperatura deste teste é mostrado na Figura
3.
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Figura 3: Teste 2 (5
= temperatura do material <
= temperatura do forno) |
A temperatura do material (triângulos) alcançou
170ºC após 35 minutos, mais rapidamente do que
no Teste nº 1. Uma curva exponencial tipo (exp(x)) aparece
à medida que a temperatura da forma com agulhas
e seringas se aproxima da temperatura do forno. As Figuras
4a e 4b mostram as partes superior e inferior do bloco
resultante. Novamente, o material amoldou-se bem à
forma, resultando num bloco de aproximadamente 210mm x
108mm x 19 mm [comprimento x largura x espessura]. Desta
vez, pode-se ver a cor rosa das capas das agulhas, assim
como as agulhas que desceram até o fundo do bloco
fundido. As agulhas ficaram relativamente bem encapsuladas,
mas algumas pontas perfuraram a superfície do bloco.
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Figura 4a: Vista da parte superior do bloco resultante
do Teste Nº 2 |
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Figura 4b: Vista da parte inferior do bloco resultante
do Teste nº 2 |
O Teste nº 3 foi realizado para investigar o comportamento
tempo vs. temperatura quando as seringas ainda continham
fluidos. Cem seringas e cem agulhas (45 agulhas calibre
23 e 55 calibre 25) foram colocadas aleatoriamente na
forma de acordo com o procedimento acima descrito. Em
dez seringas foram introduzidos 0,5 ml de água
para simular fluidos remanescentes em seringas e colocados
aleatoriamente na forma. A expectativa era de que o fluido
entrasse em ebulição e evaporasse, deixando
o produto final em estado idêntico ao da fusão
anterior, embora levando mais tempo para alcançar
a temperatura de esterilização. A Figura
5 mostra o gráfico tempo vs. temperatura para o
Teste nº 3.
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Figura 5: Teste nº 3 (5
= temperatura do material, <
= temperatura do forno) |
Neste teste, foram necessários 55 minutos até
a temperatura de 170ºC ser alcançada, mais tempo
do que nos dois anteriores, devido à presença
da água, que aumentou a massa térmica do
material na forma de assar. O bloco de plástico
resultante (Figura 6) tinha a mesma aparência e
dimensões do obtido no teste anterior, mostrando
que os 5mL de fluido tinham evaporado totalmente. Por
conseguinte, qualquer fluido remanescente nas seringas
não deve inibir o ciclo de esterilização
ou deixar quaisquer espaços vazios com inclusões
de gás ou fluido.
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Figura 6a: Vista da parte superior do bloco resultante
do Teste nº 3. |
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Figura 6b: Vista da parte inferior do bloco resultante
do Teste nº 3. |
Densificação
Um dos problemas que surgem no processamento de seringas
é o grande volume de ar, comparado com o volume
de material das seringas. Em todos os testes realizados,
as seringas foram completamente derretidas. Algumas bolhas
de tamanho médio (~1cm de diâmetro) estavam
presentes no topo da superfície superior durante
os testes preliminares. Nos testes em que a temperatura
interna foi mantida a 170ºC, obteve-se uma densificação
quase total. Quando as formas foram retiradas do forno,
pareciam estar cheias de um fluido completamente transparente,
quase como se fosse água. A Tabela 1 mostra um
sumário dos volumes antes e depois dos testes de
fusão.
| Tabela 1: Redução
do volume total |
| Teste nº |
Volume antes da fusão |
Volume após a fusão
(cm3)/td>
| Redução de volume
(cm3) |
| 1 |
1958 |
514 |
74% |
| 2 |
2214 |
591 |
73% |
| 3 |
2214 |
510 |
77% |
| Redução
média de volume |
75% |
Resumindo, alcançou-se uma densificação
quase total e aproximadamente 75% de redução
no volume total, sem bolhas internas, ar ou fluido incorporado.
Desse modo, o armazenamento e transporte de blocos de
plástico ficaria mais prático e econômico
do que se as seringas e agulhas descartadas fossem manuseadas
no seu estado original.
Encapsulamento de agulhas
Nos Testes nºs 2 e 3, 100 seringas com agulhas foram
colocadas aleatoriamente numa forma de assar, com as capas
das seringas e das agulhas despejadas separada e aleatoriamente
na forma. Devido ao ponto de fusão do polipropileno
ser de aproximadamente 171ºC (6), o processamento a 200ºC
assegura a fusão completa das seringas. Devido
à sua maior densidade em relação
ao polipropileno, contava-se que as agulhas de aço
inoxidável descessem até o fundo da forma
quando aquecidas. As amostras obtidas nos Testes nºs 2
e 3 confirmaram essa expectativa (ver figuras 4b e 6b),
porquanto quase todas as agulhas estão visíveis
na parte inferior da amostra. Apesar de quase todas as
agulhas ficarem no fundo do bloco, algumas atravessaram
a sua superfície, mas apenas o suficiente para
arranhar a pele, sem perfurá-la e causar sangramento,
o que criaria um risco na manipulação do
bloco, risco que, no entanto. pode ser reduzido facilmente,
colocando-se uma tela metálica sobre suportes no
fundo da forma de assar ou molde. Isso permitiria ao polipropileno
derretido atravessar a tela, retendo as agulhas acima
da superfície inferior do bloco. Um outro método
consistiria em revestir o fundo da forma ou molde com
uma camada de plástico, de modo a impedir que as
agulhas perfurassem a superfície. Mesmo com a pequeníssima
quantidade de pontas de agulha protuberantes no fundo
do bloco, o uso de luvas de couro ou luvas descartáveis
de nitrito seria proteção adequada contra
possíveis arranhões.
Análise da Energia
A energia necessária para aquecer as seringas
de polipropileno até a temperatura de fusão
(e.g., temperatura de esterilização) pode
ser calculada pela Equação 1, que leva em
conta a transformação (fusão) da
fase sólida para a fase líquida.
onde q = energia necessária (J), m = massa (kg),
H f = temperatura de fusão (J/kg),
c p = calor específico (J/kg °C), D
T = diferença entre a temperatura inicial
e a temperatura final (°C).
A equação 2 permite calcular a quantidade
de energia necessária para elevar a temperatura
das formas de metal que contém as seringas plásticas
e as que contém as agulhas de aço inoxidável.
Neste caso, não há fusão.
A Tabela 2 relaciona as propriedades dos materiais de
cada componente utilizado nas experiências.
| Tabela
2: Propriedades dos materiais |
| Material |
Densidade (g/cm3)
|
Calor específico
(J/gºC) |
Calor de fusão(J/g)
|
| polipropileno |
0,9103
(ref.6) |
1.789
)ref; 6) |
209
(ref. 7) |
| borracha de butil |
0,95
(ref. 8) |
1.884
(ref. 8) |
|
| aço inoxidável
(310) |
8 (ref.
9) |
0,5
(ref. 9) |
|
| alumínio |
2,6989
(ref. 10) |
0,896
(ref 10) |
|
A massa total de polipropileno na seringa de 3 mL e o
sistema de agulha era de 4,118 gramas. A massa da ponta
do êmbolo, que se presumiu ser borracha butílica,
era de 0,191 gramas, e a agulha de aço inoxidável
pesavam 0,039 gramas. A massa total da agulha inclui o
adesivo usado para mantê-la no lugar com a ponta
deslizante, mas esse valor era insignificante.
Pelas fórmulas acima transcritas, a energia total
exigida para aquecer 100 seringas a partir da temperatura
ambiente (20ºC) até 200ºC seria de 226kJ. Para
a forma de alumínio, pesando 16,13g, seriam necessários
2,6kJ para elevar a temperatura até 200ºC. De maneira
semelhante, a forma de aço para pão, pesando
393 kg, precisaria de aproximadamente 35,4kJ para elevar
sua temperatura até 200ºC. Os valores para a forma
devem ser somados aos correspondentes para os materiais
das seringas, a fim de se determinar a energia total necessária.
No cálculo do custo total, é necessário
levar em conta os tipos de combustível disponíveis
no local e respectivo custo. Nesta pesquisa, foi usada
a eletricidade, mas existem diversas alternativas, como
as relacionadas na Tabela 3. A eficiência do processo
de aquecimento também precisa ser considerada a
fim de se determinar a quantidade necessária de
combustível. Em seguida, será preciso conhecer
o custo local dos combustíveis. De posse de todas
essas informações, o custo total da fusão
e encapsulamento pode ser determinado. Mas isso excede
o escopo desta pesquisa.
| Tabela
3: Combustíveis e correspondentes valores
caloríficos |
| Tipo de combustível
|
Valor
calorífico (MJ/kg) |
| Madeira (0% de umidade)
(11) |
20,4
|
| Gasolina (12) |
43,8
|
| Querosene (12) |
43,5
|
| Propano (13) |
50,4
|
| Parafina (14) |
42.4
|
| Óleo combustível
(leve) (12) |
42,3
|
| Esterco de gado (15)
|
17,2
|
| Carvão mineral
(antracito) (16) |
30,0
|
CONCLUSÕES
O uso de um forno de convecção comum para
fundir seringas de polipropileno é um método
eficiente e simples de obter a redução do
volume total de seringas e agulhas, desativar quaisquer
patógenos e encapsular agulhas a fim de assegurar
o seu manuseio em segurança e impedir a sua reutilização
como seringas e agulhas. O método aqui descrito
pode ser adotado nos países em desenvolvimento
sem a necessidade de equipamento caro ou volumoso, porquanto
diversos modelos de forno podem ser fabricados com o emprego
de materiais e combustíveis disponíveis
na região.
REFERÊNCIAS
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in Immunization Services." World Health Organization;
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bloodborne pathogens: a review. Bull World Health Organ.
1999, 77(10):789-800.
(4) World Health Organization, "Wastes from Health-Care
Activities, Fact sheet number 253, October 2000.
(5) Jamani, F. et al. "Testing of Several Methods of Sterilization
in Dental Practice." Eastern Mediterranean Health Journal,
1995, 1(1):80-86.
(6) Brandrup, J., and E. H. Immergut. Polymer Handbook.
New York: John Wiley & Sons, Inc., 1975, pp. 111-216.
(7) Brandrup, J., and E. H. Immergut. Polymer Handbook.
New York: John Wiley & Sons, Inc., 1975, pp. V-24.
(8) Bolz, R. E., and G. L. Tuve. Handbook of Tables
for Applied Engineering Science. Boca Raton, FL: CRC
Press, Inc., 1973, p. 157.
(9) Beddoes, J., and J. G. Parr. Introduction to Stainless
Steels. Materials Park, OH: ASM International, 1999,
p. 68.
(10) The Aluminum Data Book. Richmond, VA: Reynolds
Metals Company, 1959, p. 38.
(11) Avallone, E. A., and T. Baumeister 111. Marks'
Standard Handbook for Mechanical Engineers. New York:
McGraw - Hill, 1996, p. 7-9.
(12) Kutz, M. Mechanical Engineers' Handbook. New
York: John Wiley & Sons, Inc., 1986, p. 1694.
(13) Bolz, R. E., and G. L. Tuve. Handbook of Tables
for Applied Engineering Science. Boca Raton, FL: CRC
Press, Inc., 1973, p. 388.
(14) -"Physical Science with Computers." Vernier Software,
Portland Oregon, 2003.
(15) Avallone, E. A., and T. Baumeister 111. Marks'
Standard Handbook for Mechanical Engineers. New York:
McGraw - Hill, 1996, p. 7-10.
(16) Avallone, E. A., and T. Baumeister 111. Marks'
Standard Handbook for Mechanical Engineers. New York:
McGraw - Hill, 1996, p. 7-4. |
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