Jak zaprojektować system czystego powietrza do zastosowań laboratoryjnych?

Jak zaprojektować system czystego powietrza do zastosowań laboratoryjnych

Czym jest system czystego powietrza dla laboratoriów?

• Usuwanie cząstek unoszących się w powietrzu (kurz, mikroby, aerozole)
• Zawężaniu i odprowadzaniu niebezpiecznych oparów lub gazów
• Utrzymywanie stałej temperatury, wilgotności i ciśnienia
• Zapobieganiu zanieczyszczeniom krzyżowym między strefami laboratorium
• Ochronie pracowników przed narażeniem na szkodliwe substancje

Kluczowe czynniki przy projektowaniu systemu czystego powietrza w laboratorium

1. Identyfikacja wymagań i klasyfikacji laboratorium

• Laboratoria biologiczne : Wymagają ochrony przed zanieczyszczeniem mikrobiologicznym. Systemy czystego powietrza muszą usuwać bakterie, wirusy i zarodniki, często wymagając zastosowania filtracji HEPA oraz ciśnienia ujemnego w celu ograniczenia rozprzestrzeniania się patogenów.
• Laboratoria chemiczne : Skupiają się na usuwaniu toksycznych oparów i lotnych związków organicznych (VOC). Systemy czystego powietrza w takich przypadkach kładą nacisk na skuteczne systemy wyciągowe oraz materiały odporne na działanie chemiczne.
• Laboratoria farmaceutyczne : Wymagają ścisłej kontroli nad poziomem cząstek i mikroorganizmów, aby spełnić standardy Dobrej Praktyki Wytwarzania (GMP). Może być konieczne zastosowanie wyższych współczynników wymiany powietrza oraz klasyfikacji ISO 5–7.
• Laboratoria elektroniczne lub materiałoznawcze : Wymagane są ekstremalnie niskie poziomy cząstek, aby zapobiec uszkodzeniom wrażliwych komponentów. Systemy te często wykorzystują filtry ULPA oraz laminarny przepływ powietrza.

2. Projektowanie przepływu powietrza i kontroli ciśnienia

• Wymiana powietrza na godzinę (ACH) : Liczba cykli wymiany powietrza w laboratorium w ciągu jednej godziny. Wyższy współczynnik ACH zmniejsza akumulację zanieczyszczeń. Przykładowo:
  • Laboratoria ogólne: 6–12 ACH
  • Laboratoria biologicznej bezpieczeństwa: 12–24 ACH
  • Czyste pomieszczenia w przemyśle farmaceuticznym: 20–60 ACH
    Oblicz wartość ACH na podstawie objętości pomieszczenia oraz wydajności przepływu powietrza w systemie czystego powietrza.
• Kierunkowy przepływ powietrza : Projektuj przepływ powietrza tak, aby poruszał się od obszarów czystych do zabrudzonych. W laboratoriach biologicznych powietrze powinno napływać do laboratorium z przyległych pomieszczeń i być odprowadzane bezpośrednio na zewnątrz, aby zawęzić patogeny. W pomieszczeniach czystych jednokierunkowy (laminarny) przepływ powietrza zapewnia usunięcie cząstek z powierzchni roboczych.
• Różnice ciśnienia : Zachowaj gradienty ciśnienia, aby zapobiec przepływowi powietrza z obszarów zanieczyszczonych do czystych. Na przykład:
  • Szafy bezpieczeństwa biologicznego i laboratoria zawierające stosują ciśnienie ujemne (powietrze wpływa do środka, a nie wypływa na zewnątrz).
  • Czyste pomieszczenia farmaceutyczne stosują ciśnienie dodatnie (powietrze wypływa na zewnątrz, zapobiegając zanieczyszczeniu zewnętrznemu).
    Różnice ciśnienia (zazwyczaj 10–25 Pascali) są kontrolowane przez zbalansowanie strumieni powietrza doprowadzanego i odprowadzanego.

3. Wybierz systemy filtracji

• Filtry wstępne : Zatrzymują duże cząstki (5 μm i większe), chroniąc droższe filtry przed zapychaniem. Stosowane na wstępnym etapie systemu czystego powietrza, aby wydłużyć żywotność filtrów w kolejnych etapach.
• Filtry HEPA (High-Efficiency Particulate Air) : Usuwają 99,97% cząstek o wielkości 0,3 μm lub większych, niezbędne w laboratoriach biologicznych, szpitalach i zakładach farmaceutycznych. Filtry HEPA odgrywają kluczową rolę w systemach czystego powietrza, chroniąc przed mikrobami i drobnymi cząstkami.
• Filtry ULPA (Ultra-Low Penetration Air) : Jeszcze bardziej efektywne niż HEPA, usuwające 99,999% cząstek o wielkości 0,12 μm lub większych. Stosowane w laboratoriach elektronicznych lub w środowiskach o ekstremalnie czystym powietrzu, gdzie cząstki submikronowe mogą uszkadzać wrażliwe urządzenia.
• Filtry chemiczne : Adsorbują gazy, opary i lotne związki organiczne (VOC) przy użyciu węgla aktywowanego lub medium z zaimpregnowanymi substancjami chemicznymi. Wymagane w laboratoriach chemicznych do usuwania niebezpiecznych par (np. rozpuszczalników, kwasów) z przepływu powietrza.
• Filtracja w fazie gazowej : W przypadku zastosowań specjalistycznych, takich jak usuwanie amoniaku lub formaldehydu, należy stosować ukierunkowane filtry chemiczne zaprojektowane do neutralizacji konkretnych gazów.

4. Projektowanie systemów wywiewu i wentylacji

• Napawy (Fume Hoods) : Podłącz do wywiewu systemu powietrza czystego, aby usuwać opary chemiczne w miejscu ich powstawania. Upewnij się, że napawy mają wystarczającą prędkość powierzchniową (zazwyczaj 0,4–0,6 m/s), aby zawierać opary i zapobiegać ich ucieczce.
• Kraty wywiewu : Umieść otwory wywiewu z dala od otworów poboru powietrza i miejsc przebywania ludzi, aby zapobiec ponownemu wprowadzeniu zanieczyszczeń. Kraty powinny być wystarczająco wysokie (minimum 3 metry ponad poziom dachu), aby bezpiecznie rozpraszać opary.
• Systemy zmiennego przepływu powietrza (VAV) : Dostosuj natężenie przepływu powietrza w zależności od zapotrzebowania (np. podczas otwierania lub zamykania szyb w kabinach wentylacyjnych). Systemy VAV optymalizują zużycie energii, zapewniając odpowiednią wentylację, co zmniejsza koszty eksploatacji systemu czystego powietrza.
• Wyciąg awaryjny : Włącz wentylatory rezerwowe lub systemy nadmierne, aby zapewnić ciągły wyciąg podczas przerw w dostawie energii, co jest krytyczne dla laboratoriów, w których występują substancje silnie toksyczne.

5. Zintegruj kontrolę temperatury i wilgotności

• Temperatura : Zazwyczaj 20–24°C (68–75°F) dla większości laboratoriów. Niektóre zastosowania (np. hodowla komórek) wymagają dokładniejszego sterowania (±1°C).
• Wilgotność : 30–60% wilgotności względnej. Niska wilgotność może powodować wyładowania elektrostatyczne (szkodliwe w laboratoriach elektronicznych), a wysoka wilgotność sprzyja wzrostowi mikroorganizmów (zagrożenie w laboratoriach biologicznych).

6. Wprowadź systemy monitorowania i alarmowania

• Liczniki cząstek : Mierzą stężenie cząstek unoszących się w powietrzu, aby potwierdzić zgodność ze standardami czystości. Zintegruj je z systemem powietrza czystego, aby powiadamiać personel w przypadku przekroczenia dopuszczalnych wartości.
• Czujniki ciśnienia : Śledzą różnicę ciśnienia między pomieszczeniami. Alarmy aktywują się, jeśli ciśnienia odchylają się od ustalonych wartości, co wskazuje na potencjalne ryzyko zanieczyszczenia krzyżowego.
• Czujniki przepływu powietrza : Monitorują natężenie przepływu powietrza nawiewanego i wywiewanego, aby zapewnić odpowiednią wymianę powietrza na godzinę (ACH) oraz równowagę ciśnienia.
• Wskaźniki stanu filtrów : Śledzą stopień zapełnienia filtrów i informują zespół konserwacyjny o konieczności ich wymiany, zapobiegając spadkowi wydajności systemu powietrza czystego.
• Alaramy awaryjne : Sygnały dźwiękowe dotyczące krytycznych problemów, takich jak awarie zasilania, uszkodzenia filtrów lub wycieki niebezpiecznych gazów, umożliwiające szybką reakcję w celu ochrony personelu i eksperymentów.

7. Uwzględnij zgodność materiałów i układu

• Uszczelnienie i konstrukcja : Stosuj szczelną konstrukcję z uszczelnionymi połączeniami w celu zapobieżenia przeciekom powietrza. Unikaj materiałów porowatych (np. drewna), które mogą zatrzymywać zanieczyszczenia; zamiast tego wybieraj gładkie, nieporowate powierzchnie (np. stal nierdzewną, żywicę epoksydową), które łatwo się czyści.
• Rozmieszczenie urządzeń : Ustaw stanowiska pracy w oddaleniu od wlotów/wylotów powietrza, drzwi lub okien, które mogą zaburzać przepływ powietrza. Zadbaj o to, aby wyciągi i szafy bezpieczeństwa były zintegrowane z systemem wyciągowym czystego powietrza w celu maksymalnej wydajności.
• Elastyczność na przyszłe zmiany : Zaprojektuj system czystego powietrza z elementami modułowymi, aby umożliwić przebudowę laboratorium lub zmianę potrzeb badawczych. Uwzględnij dodatkową pojemność kanałów wentylacyjnych lub miejsca na filtry w celu łatwej modernizacji.

Przykłady rzeczywiste projektów systemów czystego powietrza w laboratoriach

Laboratorium poziomu bezpieczeństwa biologicznego 3 (BSL-3)

• Ciśnienie ujemne (-25 Pa w stosunku do sąsiednich pomieszczeń) zapobiegające uwalnianiu patogenów.
• 12–15 krotności wymiany powietrza (ACH) z filtrami HEPA na dopływie i wylocie powietrza.
• Wentylatory wyrzutowe z filtrami HEPA przed odprowadzeniem powietrza na zewnątrz.
• Monitorowanie ciśnienia z sygnalizacją alarmową powiadamiającą personel o awarii ciśnienia.

Laboratorium przygotowawcze farmaceutyczne

• Ciśnienie dodatnie (+15 Pa) zapobiegające zanieczyszczeniom zewnętrznym.
• 30 ACH z filtrowanym powietrzem nawiewnym HEPA i jednokierunkowym przepływem powietrza nad powierzchniami roboczymi.
• Regulacja temperatury na poziomie 22±1°C oraz wilgotności na poziomie 50±5% w celu ochrony stabilności leków.
• Ciągłe liczenie cząstek i monitorowanie w czasie rzeczywistym połączone z centralnym systemem sterowania.

Laboratorium Badań Chemicznych

• Wyciągi zmiennoprzepływowe (VAV) podłączone do systemów wyciągania o dużej wydajności.
• Filtry węglowe w instalacji nawiewu powietrza do usuwania zanieczyszczeń z zewnątrz.
• 8–10 ACH z całkowitym dopływem powietrza zewnętrznego (bez recyrkulacji) w celu zapobieżenia gromadzeniu się związków chemicznych.
• Detektory gazu połączone z aktywacją wyciągu awaryjnego w przypadku niebezpiecznych wycieków.

Często zadawane pytania

Jak często należy wymieniać filtry w systemie czystego powietrza laboratorium?

Jaka jest różnica między ciśnieniem dodatnim a ujemnym w systemach powietrza czystego?

Czy system powietrza czystego można zainstalować w istniejącym laboratorium?

Ile energii zużywa system powietrza czystego w laboratorium?

Jakie normy musi spełniać system oczyszczania powietrza w laboratorium?