4.6. Проектування чистих приміщень. Методи забезпечення чистоти.

Складовою частиною проекту є розробка будівельної частини проектної документації. Потрібно додержуватися основних принципів забезпечення чистоти на всіх етапах створення чистого приміщення, що включають: розробку концепції забезпечення чистоти, проектування, будівництво, експлуатацію.

Важливо знати вимоги до матеріалів, конструкцій, обладнання і приладів, уміти їх правильно вибирати і застосовувати. Забезпечити необхідний клас чистоти і підтримувати його під час експлуатації можна тільки чітким виконанням основних принципів НВП, дотриманням технології будівництва і послідовною атестацією приміщення на всіх етапах його створення. Можна умовно виділити такі основні принципи створення чистих приміщень, які потрібні у проектуванні (для навчальних проектів це враховується на стадії розробки “Обгрунтування вибору технологічної схеми”):

1. Визначення необхідного виду потоку повітря (однонапрямлений, неоднонаправленный, змішаний) і принципів розділення зон з різними класами чистоти.

2. Формування потоків повітря. Забезпечення необхідної швидкості однонаправленого потоку повітря для приміщень класів (А/В), Р 5 (100) і більше чистих.

3. Забезпечення необхідного балансу повітрообміну, необхідної долі зовнішнього повітря, а для приміщень класів (А/В), Р 5 (100) і менш чистих - кратності повітрообміну.

4. Застосування НЕРА і ULРА фільтрів і багатоступінчастої фільтрації повітря.

5. Забезпечення необхідного перепаду тиску.

6. Використання ефективних проектно-конструкторських рішень, належних матеріалів і обладнання.

7 Контроль параметрів повітря: концентрації частинок, концентрації мікроорганізмів, однонаправленості і швидкості однонаправленого потоку повітря, перепаду тиску, цілісності НЕРА і ULPA фільтрів, часу відновлення параметрів чистого приміщення й ін.

8. Правильна експлуатація чистих приміщень, включаючи вимоги до одягу, порядку очищення і дезінфекції й ін.

9. Навчання персоналу, виконання їм вимог особистої гігієни, поведінки, перевдягання й ін.

10 Правильний вибір підрядчика (для умов реального виробництва), будівництво у відповідності з “протоколом чистоти", атестація чистого приміщення.

4.6.1. Потоки повітря

Потік повітря, у чистих приміщеннях виконує ряд специфічних функцій:

• створює (розгалужує) зони з різною чистотою повітря;

• потік повітря витискає (виносить) забруднення з чистої зони.

Поділ зон з різними класами чистоти може здійснюватись і за рахунок:

принципу заміни (висока швидкість потоку, низький перепад тиску,

принципу перепаду тиску (високий перепад тиску, низька швидкість потоку,

принципу фізичного бар’єра (ізолюючі або бар’єрні технології).

Правильна організація потоків повітря є одним з вирішальних факторів, що визначають ефективність чистих приміщень. Повітряний потік повинний винести з приміщення всі частинки, які виділяються людьми, устаткуванням і матеріалами. При цьому не повинно бути застійних зон з поганим обміном (циркуляцією) повітря. Потік повітря повинен обтікати всі поверхні в чистому приміщенні і видаляти частинки з прилеглого до цих поверхонь простору.

Існує два принципово різних види потоків повітря:

однонаправлений (односпрямований) потік, що часто називають ламінарним, що не зовсім точно,

неоднонаправлений потік, який часто називають також турбулентним.

У чистих приміщеннях класу (А/В), Р 5 (100) і більше чистих використовується однонапрямлений потік повітря. Приміщення класу Р 6 (1000) і менш чисті - це приміщення з неоднонаправленим потоком. Таким чином, клас Р 6 (1000) є межею, яка розділяє ці два види приміщень, які суттєво відрізняються конструкцією і вимогами, які до них пред’являються. Можуть бути змішані потоки повітря, що є комбінацією цих двох видів потоків.

Односпрямований потік може бути вертикальним або горизонтальним (рис. 4.2.).

НЕРА-фільтри

Атмосферне повітря

Атмосферне повітря

Рециркуляційне повітря

Повітря, що викидається

Рис. 3.2. Однонаправлені потоки повітря: а – вертикальний, б – горизонтальний.

Місця припливу (введення) і витяжки (відведення) однонаправленого потоку повітря повинні розташовуватися, по можливості, один напроти одного, щоб забезпечити прямий хід потоку повітря. Конструктивні рішення приміщень компоновка обладнання і організація робочих місць повинні максимально виключити порушення потоку повітря в робочій зоні.

Суттєве питання в яких випадках варто застосовувати вертикальний потік, а в яких горизонтальний? Властивістю однонаправленого потоку повітря є те, що у всіх точках поперечного переріза потоку, перпендикулярного напряму його руху, чистота повітря однакова. Отже, частини устаткування, що знаходяться в одному поперечному перерізі однонаправленого потоку, оточені зонами з однаковим класом чистоти. Тому процес, що йде в горизонтальній площини або напрямку, варто розташовувати в зоні вертикального однонаправленого потоку. Навпроти, якщо процес протікає у вертикальній площині, його доцільно поміщати в зону горизонтального потоку.

Потрібно мати на увазі, що найкращий рівень чистоти забезпечується поблизу місця припливу повітря. Далі за течією потоку зростає імовірність влучення в нього забруднень. Першою за ходом потоку повинна розташовуватися чиста робоча зона, а потім обладнання, персонал, матеріали й ін.

Найбільше широко застосовуються чисті приміщення з вертикальним потоком повітря, що йде від стельових НЕРА або ULPA фільтрів до витяжних отворів у підлозі або стінах.

У фармацевтичній промисловості і медицині потрібно захистити не тільки від частинок, але і від мікроорганізмів. Через необхідність дезінфекції поверхонь у цих випадках подвійні підлоги не застосовуються.

Якість потоку повітря і чистоти в робочій зоні залежать від розташування і конфігурації устаткування, організації робочих місць, врахування впливу джерел тепла й ін. Сенс однонаправленого потоку полягає в тому, що всі частки, що знаходяться в повітрі чистої зони, повинні уноситися потоком повітря з приміщення. Перепони на шляху потоку створюють турбулізацію повітря і застійні зони, з яких частинки не видаляються. Таким чином, в окремих зонах відбувається накопичення забруднень. Прикладами таких ситуацій є найбільше поширені способи розташування обладнання:

Розташування столу впритул до стіни. У цьому випадку виникає завихрення вертикального потоку повітря. Через це неможливо створити потрібний клас чистоти в робочій зоні. Проблема вирішується просто, якщо відсунути стіл від стіни на довжину не менше 10 см. Потік повітря пройде між стіною і столом, різко покращуючи аеродинамічну картину.

Турбулізація повітря в районі безперервної горизонтальної поверхні. Такими поверхнями можуть бути розташовані в ряд столи, конвеєрні стрічки. Швидкість вертикального потоку повітря починає знижуватися приблизно в 5 см від безперервної горизонтальної поверхні, падаючи майже до нуля біля самої поверхні. Через це створюється небезпека забруднення поблизу такої поверхні. Якщо передбачити перфорацію кришки столу, то потік повітря пройде вниз крізь стіл, практично не змінюючи своєї форми.

Неправильна організація робочого місця, коли оператор змушений нахилятися над робочою поверхнею. Через це виділювані оператором забруднення попадають у робочу зону і на продукт, зводячи до нуля користь від односпрямованого потоку повітря. У чистому приміщенні потрібно приділяти велику увагу ергономіці робочого місця. Потрібно, щоб оператор не знаходився між джерелом потоку повітря і робочою зоною, виконував тільки необхідний мінімум маніпуляцій, не був вимушений тягтися до далеко розташованих предметів, а виділювані з поверхні його рук забруднення не потрапляли на продукт.

Конструкція устаткування, не пристосована до чистих приміщень. Устаткування не повинне мати виступаючих частин, які б заважали обтіканню повітрям робочої зони.

Наявність джерел тепла. В цьому випадку, з урахуванням величини тепловиділень, передбачити місцеве відведення повітря або подачу його в цю зону з підвищеною швидкістю.

Варто мати на увазі, що потік повітря по-різному обтікає поверхні різної форми. У зоні предмета з прямокутними або гострими краями утворяться потоки турбулізованого повітря, що призведе до небезпеки повторного осадження часток. При обтіканні повітрям циліндричних предметів або предметів із закругленими краями аеродинамічна картина значно краще, і частинки, які знаходяться у повітрі надійно уносяться з цієї зони. Звідси випливає важливий практичний висновок: використовувані в чистих приміщеннях предмети і конструкції повинні мати закруглені кути і краї, а також гладкі поверхні.

На якість однонаправленого потоку повітря великий вплив має конструкція розподільника повітря , через який повітря проходить безпосередньо в чисте приміщення. Цей розподільник розташовується між камерою статичного тиску і чистим приміщенням або безпосередньо між НЕРА фільтрами і чистим приміщенням. Він може виконуватися у вигляді грат, або у вигляді одинарної або подвійної сітки. Важливе значення має розмір отворів і відстань між отворами, через які проходить повітря. Чим більше ця відстань, тим більше "мертві зони" і тим гірше якість потоку.

Імовірно, одним із кращих рішень у цьому плані є сітчасті розподільники повітря. Прикладом можуть служити CG-розподільники повітря швейцарської фірми Luwa. Вони представляють собою конструкцію з двох строго паралельних плетених сіток з синтетичного матеріалу або металу круглого перерізу з отворами невеликого розміру. Така геометрія дозволяє значно зменшити локальні турбулентності і забезпечити кращий захист чистих зон. Рис. 4.3. дає уявлення про розходження між розмірами отворів такого розподільника, характері потоку повітря безпосередньо за ним і металевими перфорованими гратами.

CG-розподільники добре захищають поверхню фільтруючого матеріалу від механічних ушкоджень і легко монтуються на фільтрі будь-яких розмірів. Це дозволяє значно поліпшити характер обтікання предметів потоком повітря.

Перфорований лист (1:1) Сітчастий розподільник

(CG) повітря (50:1)

Рис. 4.3. Потік повітря за різних розподільників.

Альтернативою однонаправленого потоку є неоднонапрямлений потік повітря – потік повітря, що не відповідає визначенню односпрямованого потоку; при цьому повітря, що надходить у контрольований простір, змішується з внутрішнім повітрям приміщення. Якщо в чистих приміщеннях і чистих зонах з однонаправленого потоком отвору для припливного повітря займають часто всю площу стелі (стіни), то в приміщеннях більше низького класу чистоти з неоднонаправленным потоком, припливні отвори займають лише частину стелі, іноді зовсім невелику. Витяжні отвори також можуть розташовуватися по різному. Через це потоки повітря в приміщенні мають складну картину. Можлива наявність "мертвих" або застійних зон, які не обтікаються чистим повітрям і з яких не видаляються забруднення.

Як визначити базові характеристики потоку повітря, у першу чергу вид потоку, його форму, напрям і швидкість?

Є два методи моделювання: фізичне моделювання і чисельне комп’ютерне моделювання. Фізичне моделювання може бути обов’язковим етапом при атестації вже побудованого приміщення. Існує декілька прийомів, які відрізняються своєю складністю. Один з найбільше простих – візуалізація повітряного потоку за допомогою спеціальних трубок, які виділяють видимий дим при проходженні через них повітря. Отримати реальну картину потоків повітря в готовому приміщенні - корисна і важлива задача. Але якщо на цьому етапі виявлені суттєві помилки в проекті, виправити їх може виявитися складно або взагалі неможливо. Тому важливе значення має моделювання потоків повітря на етапі проектування, коли закладається концепція проекту і його основні рішення. Воно дозволяє врахувати усе різноманіття факторів, що впливають, на ранніх стадіях проектування, визначити аеродинамічну картину усередині приміщення і оцінити, як впливає зміна положення фільтрів, устаткування та ін. на потоки повітря і клас чистоти в різних зонах чистого приміщення.

Концентрація аерозольних часток і мікроорганізмів у повітрі чистого приміщення визначається взаємодією повітряних потоків, їхньою формою і напрямком, джерелами забруднень і тепла, конфігурацією і розташуванням устаткування, кількістю, місцем перебування й одягом персоналу, розташуванням місць припливу і витяжки повітря й інших факторів. Зміна кожного з цих елементів спричиняє зміну потоків повітря і рівня забрудненості.

Сучасні методи комп’ютерного моделювання дозволяють одержувати картину потоків повітря з обліком перерахованих параметрів. При цьому будуються лінії струму повітря з указівкою швидкостей руху повітря, температури та ін. Це дозволяє оптимізувати планувальні рішення і параметри системи підготовки повітря.

Методи чисельного моделювання потоків повітря базуються на системі нестаціонарних рівнянь Навьє-Стокса із залученням моделі турбулентності, рівнянь балансу енергії теплопровідного газу і концентрації забруднень. При комп’ютерному моделюванні об’єм чистого приміщення розбивається на сотні тисяч зон, кожна з яких описує параметри виділення тепла, забруднень і власне параметри повітря у своєму об’ємі. Рівняння описують усі ці зони. Побудована по такому способу система з безлічі рівнянь дає дискретну модель чистого приміщення.

Цей метод широко застосовується в мікроелектроніці, фармацевтичному виробництві і медицині. В Англії за допомогою комп’ютерного моделювання – соmputational fluid dynamics ведуться дослідження потоків повітря в харчовому виробництві. Показовий досвід застосування чисельного моделювання фармацевтичною компанією Хірон (Chiron Corp.). На початку проект чистого приміщення для наповнення флаконів ін’єкційним препаратом було виконаю традиційними емпіричними методами. Перевірка за допомогою комп’ютерної моделі показала, що потік повітря, спускаючись згори донизу від зони наповнення класу (А/В) 5 (100), досягав підлоги, відбивався від нього і повертався нагору, несучи із собою ризик забруднення. При цьому відбитий потік йшов як у сторону автоклаву, так і у бік лінії наповнення, несучи із собою небезпеку забруднення. Подальша зміна проекту усунула цей шкідливий ефект за рахунок деякого перепланування і зміни розташування НЕРА – фільтрів.

Комп’ютерне моделювання потоків повітря в чистих приміщеннях для кожного конкретного випадку стало важливим етапом створення чистого приміщення.

Це має виключно важливе значення, оскільки фізичне моделювання або вимагає великих витрат, або взагалі неможливо, поки об’єкт повністю не закінчений. Чисті приміщення звичайно вимагають індивідуальних рішень, типові проекти, тут, як правило, не використовуються. Комп’ютерне моделювання – наочний і недорогий спосіб рішення задач проектування на етапах принципових рішень, ескізного пророблення і робочого проектування.

Якщо по яким-небудь причинам важко провести чисельне моделювання, корисно провести спрощену комп’ютерну оцінку параметрів чистого приміщення. При цьому визначається динаміка зміни концентрації частинок у залежності від обраних типів фінішних фільтрів або передфільтрів, кратності повітрообміну, кількості персоналу в приміщенні, використовуваного одягу, пиловиділення устаткування й ін. Це дозволяє оцінити і такий важливий показник як час відновлення чистого приміщення після значного підвищення концентрації частинок у ньому.