Cómo diseñar un sistema de aire limpio para aplicaciones de laboratorio?

Cómo diseñar un sistema de aire limpio para aplicaciones en laboratorios

¿Qué es un sistema de aire limpio para laboratorios?

• Eliminar partículas en el aire (polvo, microbios, aerosoles)
• Contener y evacuar humos o gases peligrosos
• Mantener una temperatura, humedad y presión constantes
• Evitar la contaminación cruzada entre zonas del laboratorio
• Proteger a los trabajadores de la exposición a sustancias dañinas

Factores clave en el diseño de un sistema de aire limpio para laboratorio

1. Identificar los Requisitos y Clasificación del Laboratorio

• Laboratorios Biológicos : Necesitan protección contra la contaminación microbiana. Los sistemas de aire limpio deben filtrar bacterias, virus y esporas, requiriendo frecuentemente filtración HEPA y presión negativa para contener los patógenos.
• Laboratorios Químicos : Se enfocan en la eliminación de humos tóxicos y compuestos orgánicos volátiles (COV). Estos sistemas de aire limpio priorizan sistemas de extracción eficientes y materiales resistentes a los productos químicos.
• Laboratorios Farmacéuticos : Requieren un control estricto sobre partículas y niveles microbianos para cumplir con las normas de Buenas Prácticas de Manufactura (GMP). Pueden ser necesarias tasas más altas de renovación de aire y clasificación ISO 5–7.
• Laboratorios de Electrónica o Ciencia de Materiales : Se necesitan recuentos de partículas ultra bajos para prevenir daños a componentes sensibles. Estos sistemas de aire limpio suelen utilizar filtros ULPA y flujo de aire laminar.

2. Diseñar flujo de aire y control de presión

• Tasa de renovación de aire (ACH) : Número de veces que se renueva el aire en el laboratorio por hora. Una tasa más alta de ACH reduce la acumulación de contaminantes. Por ejemplo:
  • Laboratorios generales: 6–12 ACH
  • Laboratorios de seguridad biológica: 12–24 ACH
  • Salas limpias para productos farmacéuticos: 20–60 ACH
    Calcule la tasa ACH basándose en el volumen de la sala y la velocidad de suministro del sistema de aire limpio.
• Flujo de Aire Direccional : Diseñar el flujo de aire para que se mueva desde áreas limpias hacia áreas contaminadas. En laboratorios biológicos, el aire debe ingresar al laboratorio desde espacios adyacentes y ser expulsado directamente al exterior para contener patógenos. En salas limpias, un flujo de aire unidireccional (laminar) garantiza que las partículas sean arrastradas desde las superficies de trabajo.
• Diferenciales de Presión : Mantener gradientes de presión para prevenir que el aire fluya desde zonas contaminadas hacia zonas limpias. Por ejemplo:
  • Las cabinas de seguridad biológica y los laboratorios de contención utilizan presión negativa (el aire entra, pero no sale).
  • Las salas limpias farmacéuticas usan presión positiva (el aire sale, evitando la contaminación externa).
    Las diferencias de presión (típicamente de 10 a 25 Pascales) se controlan equilibrando las tasas de flujo de aire de suministro y extracción.

3. Seleccione Sistemas de Filtración

• Pre-filtros : Captura partículas grandes (5μm y superiores) para proteger a los filtros más costosos del obstrucción. Se utiliza en la etapa inicial del sistema de aire limpio para prolongar la vida útil de los filtros posteriores.
• Filtros HEPA (High-Efficiency Particulate Air) : Eliminan el 99,97% de las partículas de 0,3μm o más, esenciales para laboratorios biológicos, hospitales y instalaciones farmacéuticas. Los filtros HEPA son fundamentales en los sistemas de aire limpio para proteger contra microbios y partículas finas.
• Filtros ULPA (Ultra-Low Penetration Air) : Aún más eficientes que los HEPA, eliminan el 99,999% de las partículas de 0,12μm o más. Se utilizan en laboratorios electrónicos o ambientes ultra limpios donde partículas submicrónicas podrían dañar equipos sensibles.
• Filtros químicos : Adsorben gases, humos y COV mediante carbón activado o medios impregnados químicamente. Son necesarios en laboratorios químicos para eliminar vapores peligrosos (por ejemplo, disolventes, ácidos) de la corriente de aire.
• Filtración en fase gaseosa : Para aplicaciones especializadas, como la eliminación de amoníaco o formaldehído, utilice filtros químicos específicos diseñados para neutralizar gases concretos.

4. Diseñar Sistemas de Extracción y Ventilación

• Campanas Extractoras : Conéctese al sistema de escape del sistema de aire limpio para eliminar los vapores químicos en su origen. Asegúrese de que las campanas extractoras tengan una velocidad frontal suficiente (generalmente 0.4–0.6 m/s) para contener los humos y prevenir fugas.
• Tubos de Escape : Coloque las salidas de escape lejos de las entradas de aire y de las zonas ocupadas para evitar la reincorporación de contaminantes. Los tubos deben ser lo suficientemente altos (mínimo 3 metros por encima del nivel del techo) para dispersar los humos de forma segura.
• Sistemas de Volumen de Aire Variable (VAV) : Ajustar los caudales de aire según la demanda (por ejemplo, cuando las ventanas de las campanas extractoras se abren o cierran). Los sistemas VAV optimizan el consumo energético manteniendo una ventilación adecuada, reduciendo los costos operativos del sistema de aire limpio.
• Extracción de Emergencia : Incluir ventiladores de reserva o sistemas redundantes para garantizar la extracción continua durante cortes de energía, fundamental para laboratorios que manipulan sustancias altamente tóxicas.

5. Integrar Control de Temperatura y Humedad

• Temperatura : Normalmente entre 20–24 °C (68–75 °F) para la mayoría de los laboratorios. Algunas aplicaciones (por ejemplo, cultivo celular) requieren controles más precisos (±1 °C).
• Humedad : 30–60 % de humedad relativa. Una humedad baja puede generar electricidad estática (perjudicial en laboratorios electrónicos), mientras que una humedad alta favorece el crecimiento microbiano (riesgo en laboratorios biológicos).

6. Incluir sistemas de monitoreo y alarmas

• Contadores de partículas : Mida las concentraciones de partículas en el aire para verificar el cumplimiento con los estándares de limpieza. Integre con el sistema de aire limpio para alertar al personal si las partículas exceden los límites.
• Sensores de presión : Supervise las diferencias de presión entre salas. Las alarmas se activan si las presiones se desvían de los valores establecidos, indicando riesgos potenciales de contaminación cruzada.
• Medidores de flujo de aire : Monitoree las tasas de caudal de aire de suministro y de extracción para garantizar una renovación de aire adecuada (ACH) y equilibrio de presión.
• Indicadores del estado de los filtros : Supervise la carga de los filtros y alerte al equipo de mantenimiento cuando sea necesario reemplazarlos, evitando caídas de eficiencia en el sistema de aire limpio.
• Alarmas de emergencia : Alertas sonoras para problemas críticos como fallos de alimentación, rupturas de filtros o fugas de gases peligrosos, permitiendo una rápida respuesta para proteger al personal y los experimentos.

7. Considerar la compatibilidad de materiales y diseño

• Sellado y construcción : Utilizar una construcción hermética con juntas selladas para prevenir fugas de aire. Evitar materiales porosos (por ejemplo, madera) que puedan atrapar contaminantes; en su lugar, elegir superficies lisas y no porosas (por ejemplo, acero inoxidable, resina epóxica) que sean fáciles de limpiar.
• Colocación de Equipos : Colocar las estaciones de trabajo lejos de las rejillas de ventilación, puertas o ventanas que puedan interrumpir el flujo de aire. Asegurar que las campanas extractoras y los armarios de seguridad estén integrados con el sistema de extracción del sistema de aire limpio para maximizar su eficiencia.
• Flexibilidad para cambios futuros : Diseñar el sistema de aire limpio con componentes modulares para adaptarse a reorganizaciones del laboratorio o necesidades de investigación cambiantes. Incluir capacidad adicional en conductos o ranuras para filtros para facilitar actualizaciones.

Ejemplos reales de diseños de sistemas de aire limpio en laboratorios

Laboratorio de Nivel de Seguridad Biológica 3 (BSL-3)

• Presión negativa (-25 Pa en relación con las áreas adyacentes) para prevenir la liberación de patógenos.
• 12–15 renovaciones de aire por hora (ACH) con filtros HEPA en el aire de suministro y de extracción.
• Ventiladores de extracción dedicados con filtros HEPA antes de la descarga al exterior.
• Monitoreo de presión con alarmas para alertar al personal en caso de fallos en la presión.

Laboratorio de Preparación Farmacéutica

• Presión positiva (+15 Pa) para prevenir contaminación externa.
• 30 ACH con aire de suministro filtrado con HEPA y flujo de aire unidireccional sobre las superficies de trabajo.
• Control de temperatura a 22±1°C y humedad al 50±5% para proteger la estabilidad del medicamento.
• Conteo continuo de partículas y monitoreo en tiempo real vinculado a un sistema central de control.

Laboratorio de Investigación Química

• Campanas extractoras VAV conectadas a sistemas de extracción de alta capacidad.
• Filtros de carbón en el aire de suministro para eliminar contaminantes externos.
• 8–10 ACH con entrada del 100% de aire exterior (sin recirculación) para prevenir la acumulación de productos químicos.
• Detectores de gas vinculados a la activación de extracción de emergencia para fugas peligrosas.

Preguntas frecuentes

¿Con qué frecuencia deben reemplazarse los filtros en un sistema de aire limpio de laboratorio?

¿Cuál es la diferencia entre presión positiva y presión negativa en sistemas de aire limpio?

¿Se puede adaptar un sistema de aire limpio en un laboratorio existente?

¿Cuánta energía consume un sistema de aire limpio en un laboratorio?

¿Qué normas debe cumplir un sistema de aire limpio en laboratorios?