"Eenvoudig" is misschien niet het eerste woord dat in je opkomt bij het ontwerpen van zulke gevoelige omgevingen. Dat betekent echter niet dat je geen degelijk cleanroomontwerp kunt realiseren door de problemen in een logische volgorde aan te pakken. Dit artikel behandelt elke belangrijke stap, tot en met handige toepassingsspecifieke tips voor het aanpassen van belastingberekeningen, het plannen van exfiltratiepaden en het bepalen van de juiste hoek voor de technische ruimte ten opzichte van de cleanroomklasse.
Veel productieprocessen vereisen de zeer strenge omgevingsomstandigheden die een cleanroom biedt. Omdat cleanrooms complexe mechanische systemen en hoge bouw-, exploitatie- en energiekosten met zich meebrengen, is het belangrijk om het cleanroomontwerp methodisch aan te pakken. Dit artikel beschrijft een stapsgewijze methode voor het evalueren en ontwerpen van cleanrooms, waarbij rekening wordt gehouden met de personen-/materiaalstroom, de classificatie van de reinheid van de ruimte, de ruimtedruk, de toevoerluchtstroom, de luchtuitstroom, de luchtbalans, de te evalueren variabelen, de selectie van het mechanische systeem, de berekening van de verwarmings-/koelingsbehoefte en de benodigde ondersteunende ruimte.
Stap één: Evalueer de lay-out voor de doorstroming van personen en materialen.
Het is belangrijk om de personen- en materiaalstromen binnen de cleanroom te evalueren. Medewerkers in de cleanroom vormen de grootste bron van besmetting en alle kritische processen moeten worden afgeschermd van toegangsdeuren en -paden voor personeel.
De meest kritieke ruimtes moeten slechts één toegangspunt hebben om te voorkomen dat ze een doorgang vormen naar andere, minder kritieke ruimtes. Sommige farmaceutische en biofarmaceutische processen zijn gevoelig voor kruisbesmetting vanuit andere farmaceutische en biofarmaceutische processen. Proceskruisbesmetting moet zorgvuldig worden geëvalueerd met betrekking tot de aanvoerroutes en -beheersing van grondstoffen, materiaalisolatie tijdens het proces en de afvoerroutes en -beheersing van het eindproduct. Figuur 1 is een voorbeeld van een botcementfabriek met zowel kritieke procesruimtes ("Oplosmiddelverpakking", "Botcementverpakking") met één toegangspunt als luchtsluizen als buffer voor ruimtes met veel personeelsverkeer ("Behandeljas", "Onder de jas").
Stap twee: Bepaal de classificatie van de netheid van de ruimte
Om een cleanroomclassificatie te kunnen kiezen, is het belangrijk om de primaire cleanroomclassificatienorm te kennen en de vereisten voor de deeltjesemissies voor elke reinheidsklasse. De norm 14644-1 van het Institute of Environmental Science and Technology (IEST) beschrijft de verschillende reinheidsklassen (1, 10, 100, 1.000, 10.000 en 100.000) en het toegestane aantal deeltjes bij verschillende deeltjesgroottes.
Een cleanroom van klasse 100 mag bijvoorbeeld maximaal 3.500 deeltjes per kubieke voet bevatten met een grootte van 0,1 micron of meer, 100 deeltjes per kubieke voet met een grootte van 0,5 micron of meer, en 24 deeltjes per kubieke voet met een grootte van 1,0 micron of meer. Deze tabel geeft de toegestane dichtheid van zwevende deeltjes per reinheidsclassificatie weer:
De classificatie van de reinheid van een ruimte heeft een aanzienlijke invloed op de bouw-, onderhouds- en energiekosten van een cleanroom. Het is belangrijk om de afkeurings-/verontreinigingspercentages bij verschillende reinheidsclassificaties en de eisen van regelgevende instanties, zoals de Food and Drug Administration (FDA), zorgvuldig te evalueren. Over het algemeen geldt: hoe gevoeliger het proces, hoe strenger de reinheidsclassificatie moet zijn. Deze tabel geeft reinheidsclassificaties voor diverse productieprocessen:
Uw productieproces vereist mogelijk een strengere reinheidsklasse, afhankelijk van de specifieke eisen. Wees voorzichtig bij het toewijzen van reinheidsclassificaties aan elke ruimte; het verschil in reinheidsclassificatie tussen aangrenzende ruimtes mag niet meer dan twee ordes van grootte bedragen. Het is bijvoorbeeld niet acceptabel dat een cleanroom van klasse 100.000 uitkomt op een cleanroom van klasse 100, maar wel dat een cleanroom van klasse 100.000 uitkomt op een cleanroom van klasse 1.000.
Als we kijken naar onze verpakkingsfaciliteit voor botcement (Figuur 1), zien we dat de ruimtes "Aankleden", "Uitkleden" en "Eindverpakking" minder kritisch zijn en een reinheidsclassificatie van klasse 100.000 (ISO 8) hebben. De "Bone Cement Airlock" en "Sterile Airlock" staan in verbinding met kritische ruimtes en hebben een reinheidsclassificatie van klasse 10.000 (ISO 7). "Bone Cement Packaging" is een stoffig, kritisch proces met een reinheidsclassificatie van klasse 10.000 (ISO 7). "Solvent Packaging" is een zeer kritisch proces dat wordt uitgevoerd in laminaire stromingskasten van klasse 100 (ISO 5) in een cleanroom van klasse 1.000 (ISO 6).
Stap drie: Bepaal de ruimtedruk.
Het handhaven van een positieve luchtdruk in de cleanroom, ten opzichte van aangrenzende ruimtes met een lagere reinheidsclassificatie, is essentieel om te voorkomen dat verontreinigingen een cleanroom binnendringen. Het is zeer moeilijk om de reinheidsclassificatie van een ruimte consistent te handhaven wanneer de luchtdruk neutraal of negatief is. Wat moet het drukverschil tussen ruimtes zijn? Verschillende studies hebben de infiltratie van verontreinigingen in een cleanroom vergeleken met het drukverschil tussen de cleanroom en de aangrenzende ongecontroleerde omgeving. Deze studies toonden aan dat een drukverschil van 0,03 tot 0,05 inch waterkolom (wg) effectief is in het verminderen van de infiltratie van verontreinigingen. Drukverschillen boven 0,05 inch wg bieden geen significant betere beheersing van de infiltratie van verontreinigingen dan 0,05 inch wg.
Houd er rekening mee dat een groter drukverschil in de ruimte hogere energiekosten met zich meebrengt en moeilijker te beheersen is. Bovendien vereist een groter drukverschil meer kracht bij het openen en sluiten van deuren. Het aanbevolen maximale drukverschil over een deur is 0,1 inch waterkolom (wg). Bij een drukverschil van 0,1 inch wg vereist een deur van 90 cm bij 210 cm (3 voet bij 7 voet) een kracht van 5 kg (11 pond) om te openen en te sluiten. Een cleanroom moet mogelijk opnieuw worden ingericht om het statische drukverschil over de deuren binnen acceptabele grenzen te houden.
Onze verpakkingsfaciliteit voor botcement wordt gebouwd in een bestaand magazijn met een neutrale ruimtedruk (0,0 inch waterkolom). De luchtsluis tussen het magazijn en de ruimte voor operatiekleding (Gown/Ungown) heeft geen classificatie voor ruimtehygiëne en geen specifieke ruimtedruk. De ruimte voor operatiekleding (Gown/Ungown) heeft een ruimtedruk van 0,03 inch waterkolom. De luchtsluis voor botcement en de steriele luchtsluis hebben een ruimtedruk van 0,06 inch waterkolom. De ruimte voor de eindverpakking heeft een ruimtedruk van 0,06 inch waterkolom. De ruimtedruk voor de botcementverpakking is lager dan die van de luchtsluis voor botcement en de eindverpakking om het stof dat tijdens het verpakken ontstaat, te beperken.
De lucht die de 'Bone Cement Packaging' binnenstroomt, is afkomstig uit een ruimte met dezelfde reinheidsclassificatie. Luchtinfiltratie mag niet plaatsvinden van een ruimte met een lagere reinheidsclassificatie naar een ruimte met een hogere reinheidsclassificatie. De 'Solvent Packaging' heeft een ruimtedruk van 0,11 inch wg. Let op: het ruimtedrukverschil tussen de minder kritische ruimtes is 0,03 inch wg en het ruimtedrukverschil tussen de zeer kritische 'Solvent Packaging' en de 'Sterile Air Lock' is 0,05 inch wg. Een ruimtedruk van 0,11 inch wg vereist geen speciale structurele verstevigingen voor wanden of plafonds. Ruimtedrukken boven 0,5 inch wg moeten worden geëvalueerd om te bepalen of extra structurele versteviging nodig is.
Stap vier: Bepaal de luchttoevoer naar de ruimte.
De reinheidsclassificatie van de ruimte is de belangrijkste variabele bij het bepalen van de toevoerluchtstroom in een cleanroom. Tabel 3 toont aan dat elke reinheidsclassificatie een luchtverversingssnelheid heeft. Een cleanroom van klasse 100.000 heeft bijvoorbeeld een bereik van 15 tot 30 luchtverversingen per uur (ach). De luchtverversingssnelheid van de cleanroom moet rekening houden met de verwachte activiteiten in de cleanroom. Een cleanroom van klasse 100.000 (ISO 8) met een lage bezettingsgraad, een proces met lage deeltjesproductie en een positieve ruimtedruk ten opzichte van aangrenzende, minder schone ruimtes, zou een luchtverversingssnelheid van 15 ach kunnen gebruiken, terwijl dezelfde cleanroom met een hoge bezettingsgraad, frequent in- en uitgaand verkeer, een proces met hoge deeltjesproductie of een neutrale ruimtedruk waarschijnlijk een luchtverversingssnelheid van 30 ach nodig heeft.
De ontwerper moet zijn specifieke toepassing evalueren en de te gebruiken luchtverversingssnelheid bepalen. Andere variabelen die de luchttoevoer in de ruimte beïnvloeden, zijn de afvoerlucht van processystemen, lucht die via deuren/openingen naar binnen sijpelt en lucht die via deuren/openingen naar buiten gaat. IEST heeft aanbevolen luchtverversingssnelheden gepubliceerd in norm 14644-4.
Figuur 1 laat zien dat de ruimte "Gown/Ungown" de meeste in- en uitgaande bewegingen had, maar geen proceskritische ruimte is, wat resulteert in 20 bewegingen per uur. De "Steriele luchtsluis" en de "Luchtsluis voor botcementverpakkingen" grenzen aan kritische productieruimtes en in het geval van de "Luchtsluis voor botcementverpakkingen" stroomt de lucht vanuit de luchtsluis de verpakkingsruimte in. Hoewel deze luchtsluizen beperkte in- en uitgaande bewegingen hebben en geen deeltjesgenererende processen, is hun cruciale rol als buffer tussen "Gown/Ungown" en de productieprocessen van groot belang, waardoor ze 40 bewegingen per uur hebben.
Bij "Final Packaging" worden de zakken met botcement/oplosmiddel in een secundaire verpakking geplaatst, wat niet kritisch is en resulteert in een snelheid van 20 stuks per uur. "Botcementverpakking" is een kritisch proces met een snelheid van 40 stuks per uur. "Oplosmiddelverpakking" is een zeer kritisch proces dat wordt uitgevoerd in laminaire stromingskasten van klasse 100 (ISO 5) in een cleanroom van klasse 1000 (ISO 6). "Oplosmiddelverpakking" kent een zeer beperkte in- en uitstroom en een lage deeltjesproductie, wat resulteert in een snelheid van 150 stuks per uur.
Classificatie van cleanrooms en luchtverversing per uur
Luchtzuiverheid wordt bereikt door de lucht door HEPA-filters te leiden. Hoe vaker de lucht door de HEPA-filters gaat, hoe minder deeltjes er in de lucht in de ruimte achterblijven. Het volume lucht dat in één uur wordt gefilterd, gedeeld door het volume van de ruimte, geeft het aantal luchtverversingen per uur.
De hierboven voorgestelde luchtverversingen per uur zijn slechts een richtlijn. Ze dienen te worden berekend door een HVAC-expert voor cleanrooms, aangezien er rekening moet worden gehouden met vele factoren, zoals de grootte van de ruimte, het aantal personen in de ruimte, de aanwezige apparatuur, de processen, de warmteopname, enzovoort.
Stap vijf: Bepaal de luchtuitstroom uit de ruimte.
De meeste cleanrooms staan onder overdruk, waardoor er geplande luchtuitstroom plaatsvindt naar aangrenzende ruimtes met een lagere statische druk, en ongeplande luchtuitstroom via stopcontacten, verlichtingsarmaturen, raamkozijnen, deurkozijnen, de overgang tussen wand en vloer, de overgang tussen wand en plafond en toegangsdeuren. Het is belangrijk te begrijpen dat ruimtes niet hermetisch zijn afgesloten en dat er wel degelijk luchtlekkage optreedt. Een goed afgesloten cleanroom heeft een volumeverlies van 1% tot 2%. Is deze lekkage slecht? Niet per se.
Ten eerste is het onmogelijk om lekkage volledig te elimineren. Ten tweede, bij gebruik van actieve luchttoevoer-, retour- en afvoerregelaars, moet er minimaal 10% verschil zijn tussen de toevoer- en retourluchtstroom om de toevoer-, retour- en afvoerkleppen statisch van elkaar te ontkoppelen. De hoeveelheid lucht die door deuren ontsnapt, is afhankelijk van de deurafmetingen, het drukverschil over de deur en hoe goed de deur is afgedicht (pakkingen, deursluiting, sluiting).
We weten dat de geplande in- en uitstroom van lucht van de ene ruimte naar de andere gaat. Waar gaat de ongeplande uitstroom naartoe? De lucht ontsnapt binnen de spouw en via de bovenkant. Kijkend naar ons voorbeeldproject (Figuur 1), bedraagt de luchtuitstroom door de deur van 90 x 210 cm 190 cfm bij een statische drukverschil van 0,03 inch wg en 270 cfm bij een statische drukverschil van 0,05 inch wg.
Stap zes: Bepaal de luchtbalans in de ruimte
De luchtbalans van een ruimte wordt berekend door alle luchtstromen die de ruimte binnenkomen (toevoer, infiltratie) en alle luchtstromen die de ruimte verlaten (afvoer, exfiltratie, retour) bij elkaar op te tellen. Kijkend naar de luchtbalans van de botcementproductiefaciliteit (Figuur 2), heeft "Solvent Packaging" een toevoerluchtstroom van 2250 cfm en een luchtexfiltratie van 270 cfm naar de "Steriele luchtsluis", wat resulteert in een retourluchtstroom van 1980 cfm. "Steriele luchtsluis" heeft een toevoerluchtstroom van 290 cfm, een infiltratie van 270 cfm vanuit "Solvent Packaging" en een exfiltratie van 190 cfm naar "Gown/Ungown", wat resulteert in een retourluchtstroom van 370 cfm.
De ruimte voor het verpakken van botcement heeft een toevoerluchtstroom van 600 cfm, een luchtfiltratie van 190 cfm via de luchtsluis voor botcement, een stofafzuiging van 300 cfm en een retourluchtstroom van 490 cfm. De luchtsluis voor botcement heeft een toevoerluchtstroom van 380 cfm en een exfiltratie van 190 cfm naar de ruimte voor het verpakken van botcement. De ruimte voor het verpakken van botcement heeft een toevoerluchtstroom van 670 cfm en een exfiltratie van 190 cfm naar de ruimte voor het aantrekken/uitkleden van operatiekleding. De ruimte voor het verpakken van botcement heeft een toevoerluchtstroom van 670 cfm, een exfiltratie van 190 cfm naar de ruimte voor het aantrekken/uitkleden van operatiekleding en een retourluchtstroom van 480 cfm. De ruimte voor het verkleden/uitkleden van operatiekleding heeft een toevoerluchtstroom van 480 cfm, een infiltratie van 570 cfm, een exfiltratie van 190 cfm en een retourluchtstroom van 860 cfm.
We hebben nu de luchtstromen voor toevoer, infiltratie, exfiltratie, afvoer en retour van de cleanroom bepaald. De uiteindelijke retourluchtstroom zal tijdens het opstarten worden aangepast om rekening te houden met onverwachte luchtexfiltratie.
Stap zeven: Beoordeel de resterende variabelen
Andere variabelen die geëvalueerd moeten worden, zijn onder meer:
Temperatuur: Medewerkers in cleanrooms dragen overalls of beschermende pakken over hun gewone kleding om de vorming van deeltjes en mogelijke besmetting te verminderen. Vanwege deze extra kleding is het belangrijk om de temperatuur in de cleanroom lager te houden voor het comfort van de medewerkers. Een temperatuur tussen 19°C en 21°C zorgt voor comfortabele omstandigheden.
Luchtvochtigheid: Door de hoge luchtstroom in een cleanroom ontstaat een grote elektrostatische lading. Wanneer het plafond en de wanden een hoge elektrostatische lading hebben en de relatieve luchtvochtigheid laag is, hechten zwevende deeltjes zich aan de oppervlakken. Wanneer de relatieve luchtvochtigheid toeneemt, ontlaadt de elektrostatische lading zich en komen alle opgevangen deeltjes in korte tijd vrij, waardoor de cleanroom niet meer aan de specificaties voldoet. Een hoge elektrostatische lading kan ook materialen beschadigen die gevoelig zijn voor elektrostatische ontlading. Het is belangrijk om de relatieve luchtvochtigheid hoog genoeg te houden om de opbouw van elektrostatische lading te verminderen. Een relatieve luchtvochtigheid van 45% ± 5% wordt beschouwd als het optimale niveau.
Laminariteit: Bij zeer kritische processen kan laminaire luchtstroom vereist zijn om de kans te verkleinen dat verontreinigingen in de luchtstroom tussen het HEPA-filter en het proces terechtkomen. De IEST-norm #IEST-WG-CC006 beschrijft de eisen voor laminaire luchtstroom.
Elektrostatische ontlading: Naast de bevochtiging van de ruimte zijn sommige processen zeer gevoelig voor schade door elektrostatische ontlading. In dat geval is het noodzakelijk om een geaarde, geleidende vloer te installeren.
Geluidsniveaus en trillingen: Sommige precisieprocessen zijn zeer gevoelig voor geluid en trillingen.
Stap acht: Bepaal de lay-out van het mechanische systeem.
Een aantal variabelen beïnvloedt de lay-out van het mechanische systeem van een cleanroom: beschikbare ruimte, budget, procesvereisten, reinheidsclassificatie, vereiste betrouwbaarheid, energiekosten, bouwvoorschriften en het lokale klimaat. In tegenstelling tot normale airconditioningsystemen hebben cleanroom-airconditioningsystemen aanzienlijk meer toevoerlucht dan nodig is om aan de koel- en verwarmingsbehoeften te voldoen.
In cleanrooms van klasse 100.000 (ISO 8) en lagere klassen, zoals klasse 10.000 (ISO 7), kan alle lucht door de luchtbehandelingsunit (AHU) gaan. Zoals te zien is in figuur 3, worden de retourlucht en de buitenlucht gemengd, gefilterd, gekoeld, opnieuw verwarmd en bevochtigd voordat ze naar de HEPA-filters in het plafond worden geleid. Om recirculatie van verontreinigingen in de cleanroom te voorkomen, wordt de retourlucht afgezogen door lage wandretouren. In cleanrooms van hogere klassen, zoals klasse 10.000 (ISO 7), zijn de luchtstromen te hoog om alle lucht door de AHU te laten gaan. Zoals te zien is in figuur 4, wordt een klein deel van de retourlucht teruggevoerd naar de AHU voor conditionering. De resterende lucht wordt teruggevoerd naar de circulatieventilator.
Alternatieven voor traditionele luchtbehandelingsinstallaties
Ventilatorfilterunits, ook wel geïntegreerde ventilatormodules genoemd, zijn een modulaire filtratieoplossing voor cleanrooms met enkele voordelen ten opzichte van traditionele luchtbehandelingssystemen. Ze worden toegepast in zowel kleine als grote ruimtes met een reinheidsclassificatie van ISO-klasse 3. De luchtverversingssnelheid en de reinheidseisen bepalen het aantal benodigde ventilatorfilters. Een cleanroomplafond van ISO-klasse 8 vereist mogelijk slechts 5-15% plafonddekking, terwijl een cleanroom van ISO-klasse 3 of lager 60-100% dekking nodig heeft.
Stap negen: Voer de verwarmings-/koelingsberekeningen uit.
Houd bij het uitvoeren van de verwarmings-/koelingsberekeningen voor de cleanroom rekening met het volgende:
Gebruik de meest conservatieve klimaatomstandigheden (99,6% verwarmingsontwerp, 0,4% drogeboltemperatuur/mediaan natteboltemperatuur koelontwerp en 0,4% natteboltemperatuur/mediaan drogeboltemperatuur koelontwerpgegevens).
Neem filtratie mee in de berekeningen.
Neem de warmte van het verdeelstuk van de luchtbevochtiger mee in de berekeningen.
Neem de procesbelasting mee in de berekeningen.
Neem de warmte van de recirculatieventilator mee in de berekeningen.
Stap tien: Vecht voor ruimte in de machinekamer.
Cleanrooms zijn mechanisch en elektrisch intensief. Naarmate de reinheidsclassificatie van de cleanroom strenger wordt, is er meer mechanische infrastructuur nodig om de cleanroom adequaat te ondersteunen. Neem bijvoorbeeld een cleanroom van 1.000 vierkante voet (ca. 93 m²): een cleanroom van klasse 100.000 (ISO 8) heeft 250 tot 400 vierkante voet (ca. 23 tot 37 m²) ondersteunende ruimte nodig, een cleanroom van klasse 10.000 (ISO 7) heeft 250 tot 750 vierkante voet (ca. 23 tot 70 m²) ondersteunende ruimte nodig, een cleanroom van klasse 1.000 (ISO 6) heeft 500 tot 1.000 vierkante voet (ca. 46 tot 93 m²) ondersteunende ruimte nodig en een cleanroom van klasse 100 (ISO 5) heeft 750 tot 1.500 vierkante voet (ca. 70 tot 140 m²) ondersteunende ruimte nodig.
De daadwerkelijke benodigde oppervlakte voor de ondersteunende apparatuur varieert afhankelijk van de luchtstroom en complexiteit van de luchtbehandelingsunit (eenvoudig: filter, verwarmingsspiraal, koelspiraal en ventilator; complex: geluidsdemper, retourventilator, ontlastingsluchtsectie, buitenluchtinlaat, filtersectie, verwarmingssectie, koelsectie, luchtbevochtiger, toevoerventilator en persplenum) en het aantal specifieke cleanroom-ondersteunende systemen (afzuiging, recirculatie-luchtunits, gekoeld water, warm water, stoom en DI/RO-water). Het is belangrijk om de benodigde oppervlakte voor de mechanische apparatuur vroegtijdig in het ontwerpproces met de projectarchitect te bespreken.
Slotgedachten
Cleanrooms zijn net als raceauto's. Goed ontworpen en gebouwd zijn het uiterst efficiënte machines. Slecht ontworpen en gebouwd werken ze slecht en zijn ze onbetrouwbaar. Cleanrooms kennen veel potentiële valkuilen, en het is aan te raden om bij uw eerste paar cleanroomprojecten toezicht te houden op een engineer met ruime cleanroomervaring.
Bron: gotopac
Geplaatst op: 14 april 2020
