Как спроектировать систему очистки воздуха для лабораторных приложений?

Как спроектировать систему чистого воздуха для лабораторных приложений

Что такое система чистого воздуха для лабораторий?

• Удалении воздушных частиц (пыль, микроорганизмы, аэрозоли)
• Контроле и отводе опасных паров или газов
• Поддержании постоянной температуры, влажности и давления
• Предотвращении перекрестного загрязнения между зонами лаборатории
• Защите работников от воздействия вредных веществ

Основные факторы при проектировании лабораторной системы чистого воздуха

1. Определение требований и классификации лаборатории

• Биологические лаборатории : Требуется защита от микробиологического загрязнения. Системы чистого воздуха должны фильтровать бактерии, вирусы и споры, зачастую необходимы HEPA-фильтры и отрицательное давление для предотвращения распространения патогенов.
• Химические лаборатории : Основная задача — удаление токсичных паров и летучих органических соединений (ЛОС). Такие системы очистки воздуха предусматривают эффективную систему вытяжной вентиляции и материалы, устойчивые к химическим воздействиям.
• Фармацевтические лаборатории : Требуется строгий контроль за уровнем частиц и микроорганизмов для соблюдения принципов надлежащей производственной практики (GMP). Может потребоваться более высокая кратность обмена воздуха и классификация по стандартам ISO 5–7.
• Электронные или лаборатории материаловедения : Требуется сверхнизкое количество частиц для предотвращения повреждения чувствительных компонентов. В таких системах чистого воздуха часто используются фильтры ULPA и ламинарный воздушный поток.

2. Проектирование воздушного потока и контроля давления

• Кратность воздухообмена (ACH) : Количество раз, когда воздух в лаборатории заменяется за час. Более высокая кратность воздухообмена снижает накопление загрязняющих веществ. Например:
  • Общие лаборатории: 6–12 ACH
  • Лаборатории биологической безопасности: 12–24 ACH
  • Чистые помещения для фармацевтики: 20–60 ACH
    Рассчитайте кратность воздухообмена на основе объема помещения и скорости подачи воздушного потока системы очистки воздуха.
• Направленный воздушный поток : Спроектируйте воздушный поток так, чтобы он двигался от чистых зон к загрязненным. В биологических лабораториях воздух должен поступать в лабораторию из смежных помещений и выводиться наружу, чтобы предотвратить распространение патогенов. В чистых помещениях однонаправленный (ламинарный) воздушный поток обеспечивает удаление частиц с рабочих поверхностей.
• Разность давлений : Поддерживайте градиент давления, чтобы предотвратить движение воздуха из загрязненных зон в чистые. Например:
  • Биологические безопасные шкафы и лаборатории с изоляцией используют отрицательное давление (воздух поступает внутрь, но не выходит наружу).
  • Фармацевтические чистые помещения используют положительное давление (воздух выходит наружу, предотвращая внешнее загрязнение).
    Разница давления (обычно 10–25 Паскалей) регулируется балансом между притоком и вытяжкой воздуха.

3. Выбор системы фильтрации

• Предварительные фильтры : Захватывают крупные частицы (5 мкм и более), чтобы защитить более дорогие фильтры от засорения. Используются на начальном этапе системы очистки воздуха для продления срока службы последующих фильтров.
• HEPA (High-Efficiency Particulate Air) фильтры : Удаляют 99,97% частиц размером 0,3 мкм и более, необходимы для биологических лабораторий, больниц и фармацевтических предприятий. HEPA-фильтры играют ключевую роль в системах очистки воздуха для защиты от микроорганизмов и мелких частиц.
• ULPA (Ultra-Low Penetration Air) фильтры : Даже более эффективны, чем HEPA, удаляют 99,999% частиц размером 0,12 мкм и более. Используются в электронных лабораториях или сверхчистых помещениях, где субмикронные частицы могут повредить чувствительное оборудование.
• Химические фильтры : Адсорбируют газы, пары и ЛОС с помощью активированного угля или пропитанных химическими веществами сред. Необходимы в химических лабораториях для удаления опасных паров (например, растворителей, кислот) из воздушного потока.
• Фильтрация в газовой фазе : Для специализированных применений, таких как удаление аммиака или формальдегида, используйте целевые химические фильтры, предназначенные для нейтрализации конкретных газов.

4. Проектирование вытяжных и вентиляционных систем

• Вытяжные шкафы : Подключите к вытяжной системе чистого воздуха для удаления химических паров непосредственно в источнике. Убедитесь, что вытяжные шкафы имеют достаточную скорость воздушного потока на лицевой стороне (обычно 0,4–0,6 м/с), чтобы удерживать пары и предотвращать их утечку.
• Вытяжные трубы : Расположите вытяжные отверстия вдали от воздухозаборников и заселенных зон, чтобы предотвратить повторное попадание загрязняющих веществ. Трубы должны быть достаточно высокими (минимум 3 метра над уровнем крыши), чтобы безопасно рассеивать пары.
• Системы с переменным объемом воздуха (VAV) : Регулируйте скорость воздушного потока в зависимости от потребности (например, при открытии или закрытии шторок вытяжного шкафа). Системы VAV оптимизируют потребление энергии, обеспечивая надлежащую вентиляцию и снижая эксплуатационные расходы системы чистого воздуха.
• Аварийная вытяжка : Включите резервные вентиляторы или избыточные системы, чтобы обеспечить непрерывную вытяжку во время отключения электроэнергии, что критически важно для лабораторий, в которых обращаются с высокотоксичными веществами.

5. Интеграция контроля температуры и влажности

• Температура : Обычно 20–24 °C (68–75 °F) для большинства лабораторий. Некоторые приложения (например, культивирование клеток) требуют более точного контроля (±1 °C).
• Влажность : Относительная влажность 30–60%. Низкая влажность может вызывать статическое электричество (вредное в электронных лабораториях), а высокая влажность способствует росту микроорганизмов (опасность в биологических лабораториях).

6. Включите системы мониторинга и сигнализации

• Счетчики частиц : Измеряют концентрацию частиц в воздухе для проверки соответствия стандартам чистоты. Интегрируются с системой очистки воздуха для оповещения персонала в случае превышения установленных пределов.
• Датчики давления : Отслеживают перепады давления между помещениями. Сигнализация срабатывает при отклонении давления от заданных значений, что указывает на возможные риски перекрестного загрязнения.
• Датчики массового расхода воздуха : Отслеживают объемы приточного и вытяжного воздуха для обеспечения надлежащего воздухообмена и баланса давления.
• Индикаторы состояния фильтров : Отслеживают степень загрузки фильтров и информируют обслуживающий персонал о необходимости замены, предотвращая снижение эффективности системы очистки воздуха.
• Аварийные сигнализаторы : Звуковые оповещения о критических ситуациях, таких как отключение электроэнергии, нарушение фильтров или утечка опасных газов, позволяют быстро реагировать для защиты персонала и экспериментов.

7. Учитывайте совместимость материалов и планировки

• Герметичность и конструкция : Используйте герметичную конструкцию с уплотненными соединениями для предотвращения утечек воздуха. Избегайте пористых материалов (например, дерева), которые могут удерживать загрязнения; вместо этого выбирайте гладкие, непористые поверхности (например, нержавеющую сталь, эпоксидную смолу), которые легко очищаются.
• Размещение оборудования : Располагайте рабочие места вдали от вентиляционных отверстий, дверей или окон, которые могут нарушать воздушный поток. Убедитесь, что вытяжные шкафы и защитные боксы интегрированы с вытяжной системой чистого воздуха для максимальной эффективности.
• Гибкость для будущих изменений : Проектируйте систему чистого воздуха с модульными компонентами, чтобы обеспечить возможность перепланировки лаборатории или изменения исследовательских потребностей. Включите дополнительные возможности воздуховодов или слоты для фильтров для удобного обновления.

Примеры проектов систем чистого воздуха для лабораторий

Лаборатория биологической безопасности уровня 3 (BSL-3)

• Отрицательное давление (-25 Па относительно соседних зон) для предотвращения выхода патогенов.
• 12–15 ACH с HEPA-фильтрами на приточном и вытяжном воздухе.
• Специальные вытяжные вентиляторы с HEPA-фильтрами перед выбросом наружу.
• Контроль давления с сигнализацией для оповещения персонала о сбое давления.

Лаборатория для приготовления лекарственных средств

• Положительное давление (+15 Па) для предотвращения внешнего загрязнения.
• 30 ACH с HEPA-фильтрованным приточным воздухом и однонаправленным воздушным потоком над рабочими поверхностями.
• Контроль температуры на уровне 22±1°C и влажности на уровне 50±5% для обеспечения стабильности лекарств.
• Непрерывный подсчет частиц и мониторинг в реальном времени, подключенный к центральной системе управления.

Лаборатория химических исследований

• Вытяжные шкафы с переменным объемом воздуха (VAV), подключенные к системам вытяжки высокой мощности.
• Угольные фильтры в системе приточного воздуха для удаления внешних загрязнителей.
• 8–10 ACH с 100% подачей наружного воздуха (без рециркуляции) для предотвращения накопления химических веществ.
• Датчики газа, подключенные к системе аварийной вытяжки для активации при утечках опасных веществ.

Часто задаваемые вопросы

Как часто следует заменять фильтры в лабораторной системе чистого воздуха?

В чем разница между положительным и отрицательным давлением в системах очистки воздуха?

Можно ли модернизировать существующую лабораторию, установив в нее систему очистки воздуха?

Какое количество энергии потребляет система очистки воздуха в лаборатории?

Каким стандартам должна соответствовать система очистки воздуха лаборатории?