การออกแบบระบบอากาศสะอาดสำหรับการใช้งานในห้องปฏิบัติการอย่างไร

การออกแบบระบบอากาศสะอาดสำหรับการใช้งานในห้องปฏิบัติการ

ระบบอากาศสะอาดสำหรับห้องปฏิบัติการคืออะไร?

• การกำจัดอนุภาคในอากาศ (ฝุ่น จุลินทรีย์ ละอองลอย)
• การควบคุมและระบายไอระเหยหรือก๊าซที่เป็นอันตราย
• การรักษาอุณหภูมิ ความชื้น และความดันให้คงที่
• การป้องกันการปนเปื้อนข้ามระหว่างพื้นที่ต่าง ๆ ภายในห้องปฏิบัติการ
• การปกป้องเจ้าหน้าที่จากสารอันตรายที่อาจสัมผัสได้

ปัจจัยสำคัญในการออกแบบระบบอากาศสะอาดสำหรับห้องปฏิบัติการ

1. ระบุข้อกำหนดและประเภทของห้องปฏิบัติการ

• ห้องปฏิบัติการทางชีวภาพ : ต้องการการป้องกันการปนเปื้อนจากจุลินทรีย์ ระบบอากาศสะอาดต้องสามารถกรองแบคทีเรีย ไวรัส และสปอร์ได้ มักต้องใช้ตัวกรอง HEPA และแรงดันลบเพื่อกักกันเชื้อโรค
• ห้องปฏิบัติการเคมี : เน้นการกำจัดไอระเหยพิษและสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย (VOCs) ระบบอากาศสะอาดประเภทนี้ให้ความสำคัญกับระบบระบายอากาศที่มีประสิทธิภาพและวัสดุที่ทนทานต่อสารเคมี
• ห้องปฏิบัติการเภสัชกรรม : ต้องควบคุมอนุภาคและระดับจุลินทรีย์อย่างเข้มงวดเพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐานการผลิตยาที่ดี (GMP) อาจจำเป็นต้องมีอัตราการเปลี่ยนอากาศสูงขึ้น รวมถึงอยู่ในระดับการจัดประเภท ISO 5–7
• ห้องปฏิบัติการอิเล็กทรอนิกส์หรือวิทยาศาสตร์วัสดุ ต้องการจำนวนอนุภาคต่ำมากเพื่อป้องกันความเสียหายต่อชิ้นส่วนที่ไวต่อสภาพแวดล้อม ระบบอากาศสะอาดเหล่านี้มักใช้ตัวกรอง ULPA และการไหลเวียนอากาศแบบชั้น (laminar airflow)

2. ออกแบบการไหลของอากาศและการควบคุมแรงดัน

• อัตราการเปลี่ยนอากาศ (ACH) : จำนวนครั้งที่อากาศในห้องปฏิบัติการถูกเปลี่ยนทั้งหมดในหนึ่งชั่วโมง อัตรา ACH ที่สูงจะช่วยลดการสะสมของสารปนเปื้อน เช่น:
  • ห้องปฏิบัติการทั่วไป: 6–12 ACH
  • ห้องปฏิบัติการความปลอดภัยทางชีวภาพ: 12–24 ACH
  • ห้องสะอาดสำหรับอุตสาหกรรมยา: 20–60 ACH
    คำนวณ ACH โดยพิจารณาจากปริมาตรห้องและอัตราการไหลของอากาศที่ระบบอากาศสะอาดจัดส่งเข้ามา
• การไหลของอากาศแบบทิศทาง : ออกแบบการไหลของอากาศให้เคลื่อนที่จากพื้นที่สะอาดไปยังพื้นที่สกปรก ในห้องปฏิบัติการทางชีวภาพ อากาศควรไหลเข้าสู่ห้องปฏิบัติการจากพื้นที่ข้างเคียงและถูกปล่อยทิ้งออกไปภายนอกโดยตรง เพื่อควบคุมเชื้อโรค ในห้องสะอาด (cleanrooms) การไหลของอากาศแบบทางเดียว (laminar) จะช่วยพัดพาสิ่งปนเปื้อนออกจากพื้นผิวทำงาน
• ความแตกต่างของแรงดัน : รักษาความต่างของแรงดันเพื่อป้องกันไม่ให้อากาศไหลจากพื้นที่ปนเปื้อนไปยังพื้นที่สะอาด ตัวอย่างเช่น:
  • ตู้ปลอดภัยชีวภาพและห้องควบคุมเชื้อโรคใช้แรงดันลบ (อากาศไหลเข้ามาด้านใน แต่ไม่ไหลออก)
  • ห้องสะอาดในโรงงานผลิตยาใช้แรงดันบวก (อากาศไหลออกจากด้านใน เพื่อป้องกันการปนเปื้อนจากภายนอก)
    ความแตกต่างของแรงดัน (โดยทั่วไปอยู่ที่ 10–25 พาสคัล) ถูกควบคุมโดยการปรับสมดุลระหว่างอัตราการจ่ายและดูดอากาศออก

3. เลือกระบบกรองอากาศ

• ตัวกรองขั้นต้น : จับอนุภาคขนาดใหญ่ (5 ไมครอนขึ้นไป) เพื่อป้องกันไม่ให้ตัวกรองที่มีราคาแพงอุดตัน ใช้ในขั้นตอนแรกของระบบอากาศสะอาด เพื่อยืดอายุการใช้งานของตัวกรองในลำดับถัดไป
• ตัวกรอง HEPA (High-Efficiency Particulate Air) : กำจัดอนุภาคขนาด 0.3 ไมครอนหรือใหญ่กว่าได้ถึงร้อยละ 99.97 ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในห้องปฏิบัติการทางชีวภาพ โรงพยาบาล และสถานที่ผลิตยา ตัวกรอง HEPA มีบทบาทสำคัญในระบบอากาศสะอาด เพื่อปกป้องจากการปนเปื้อนของจุลินทรีย์และอนุภาคขนาดเล็ก
• ตัวกรอง ULPA (Ultra-Low Penetration Air) : มีประสิทธิภาพสูงกว่า HEPA สามารถกำจัดอนุภาคขนาด 0.12 ไมครอนหรือใหญ่กว่าได้ถึงร้อยละ 99.999 ใช้ในห้องปฏิบัติการด้านอิเล็กทรอนิกส์หรือสภาพแวดล้อมที่ต้องการความสะอาดสูงเป็นพิเศษ ซึ่งอนุภาคขนาดเล็กกว่าหนึ่งไมครอนอาจก่อให้เกิดความเสียหายกับอุปกรณ์ที่ไวต่อการรบกวน
• ตัวกรองเคมี : ดูดซับก๊าซ ไอ และสาร VOCs โดยใช้ถ่านกัมมันต์หรือสื่อกรองที่ผ่านการเคลือบสารเคมี เหมาะสำหรับใช้ในห้องปฏิบัติการเคมี เพื่อกำจัดไอสารอันตราย (เช่น ตัวทำละลาย กรด) ออกจากกระแสอากาศ
• การกรองในเฟสก๊าซ สำหรับการใช้งานเฉพาะทาง เช่น การกำจัดแอมโมเนียหรือฟอร์มาลดีไฮด์ ควรใช้ตัวกรองสารเคมีเฉพาะทางที่ออกแบบมาเพื่อทำให้ก๊าซเฉพาะชนิดเป็นกลาง

4. ออกแบบระบบระบายอากาศและระบบระบายอากาศ

• ตู้ดูดไอสารเคมี เชื่อมต่อกับระบบระบายอากาศของระบบอากาศสะอาด เพื่อขจัดไอระเหยของสารเคมีตั้งแต่ต้นทาง ควรมั่นใจว่าตู้ดูดไอสารเคมีมีความเร็วลมที่เหมาะสม (โดยทั่วไป 0.4–0.6 เมตรต่อวินาที) เพื่อกักเก็บไอสารเคมีและป้องกันการรั่วไหล
• ปล่องระบายอากาศ ติดตั้งทางออกของระบบระบายอากาศให้อยู่ห่างจากช่องดูดอากาศและพื้นที่ที่มีคนใช้งาน เพื่อป้องกันการกลับเข้ามาของมลพิษ ปล่องควรมีความสูงเพียงพอ (อย่างน้อย 3 เมตรเหนือระดับหลังคา) เพื่อให้ไอระเหยกระจายตัวได้อย่างปลอดภัย
• ระบบปรับอากาศแบบแปรผันตามปริมาณอากาศ (VAV) ปรับอัตราการไหลของอากาศตามความต้องการ (เช่น เมื่อเปิดหรือปิดบานกั้นของเครื่องดูดควัน) ระบบ VAV ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานในขณะที่ยังคงการระบายอากาศที่เหมาะสม และลดต้นทุนการดำเนินงานของระบบอากาศสะอาด
• ระบบระบายอากาศฉุกเฉิน : มีพัดลมสำรองหรือระบบสำรองเพื่อให้แน่ใจว่าการระบายอากาศดำเนินต่อไปได้แม้ในกรณีไฟฟ้าดับ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในห้องปฏิบัติการที่จัดการสารพิษรุนแรง

5. ผนวกรวมระบบควบคุมอุณหภูมิและความชื้น

• อุณหภูมิ : โดยทั่วไปที่ 20–24°C (68–75°F) สำหรับห้องปฏิบัติการส่วนใหญ่ บางการใช้งาน (เช่น การเพาะเลี้ยงเซลล์) ต้องการการควบคุมที่แม่นยำมากขึ้น (±1°C)
• ความชื้น : ความชื้นสัมพัทธ์ 30–60% ความชื้นต่ำอาจก่อให้เกิดไฟฟ้าสถิต (ซึ่งเป็นอันตรายในห้องปฏิบัติการอิเล็กทรอนิกส์) ในขณะที่ความชื้นสูงส่งเสริมการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ (เป็นความเสี่ยงในห้องปฏิบัติการชีวภาพ)

6. รวมระบบตรวจสอบและระบบแจ้งเตือน

• เครื่องวัดจำนวนอนุภาค : วัดความเข้มข้นของอนุภาคในอากาศ เพื่อตรวจสอบว่าเป็นไปตามมาตรฐานความสะอาด ระบบควรเชื่อมต่อกับระบบอากาศสะอาดเพื่อแจ้งเตือนเจ้าหน้าที่ หากจำนวนอนุภาคมากเกินกว่าที่กำหนด
• เครื่องตรวจจับแรงดัน : ติดตามความแตกต่างของแรงดันระหว่างห้อง สัญญาณเตือนจะทำงานหากแรงดันเปลี่ยนแปลงจากค่าที่ตั้งไว้ ซึ่งบ่งชี้ถึงความเสี่ยงในการปนเปื้อนข้าม
• มาตรวัดปริมาณอากาศ : ตรวจสอบอัตราการไหลของอากาศทั้งที่ส่งเข้ามาและที่ปล่อยออก เพื่อให้มั่นใจถึงอัตราการเปลี่ยนถ่ายอากาศ (ACH) และสมดุลแรงดันที่เหมาะสม
• ตัวบ่งชี้สถานะตัวกรอง : ติดตามระดับการอุดตันของตัวกรอง และแจ้งเตือนทีมบำรุงรักษาเมื่อถึงเวลาเปลี่ยนตัวกรอง เพื่อป้องกันการลดประสิทธิภาพของระบบอากาศสะอาด
• สัญญาณเตือนฉุกเฉิน : สัญญาณเตือนเสียงสำหรับปัญหาสำคัญ เช่น การไฟฟ้าดับ การรั่วของตัวกรอง หรือการรั่วไหลของก๊าซอันตราย เพื่อให้สามารถตอบสนองได้อย่างรวดเร็วในการปกป้องบุคลากรและทดลอง

7. พิจารณาความเข้ากันได้ของวัสดุและรูปแบบการวางผัง

• การปิดผนึกและการก่อสร้าง : ใช้โครงสร้างที่ปิดสนิทด้วยข้อต่อที่ปิดผนึกเพื่อป้องกันการรั่วของอากาศ หลีกเลี่ยงวัสดุที่มีรูพรุน (เช่น ไม้) ซึ่งอาจกักเก็บมลพิษ ให้เลือกใช้วัสดุผิวเรียบที่ไม่มีรูพรุน (เช่น สแตนเลส เรซินอีพ็อกซี) ที่ทำความสะอาดได้ง่าย
• การวางเครื่องจักร : จัดวางสถานีทำงานให้ห่างจากช่องระบายอากาศ ประตู หรือหน้าต่างที่อาจรบกวนการไหลเวียนของอากาศ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าตู้ดูดควันและตู้ความปลอดภัยเชื่อมต่อกับระบบระบายอากาศของระบบอากาศสะอาดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด
• ความยืดหยุ่นสำหรับการเปลี่ยนแปลงในอนาคต : ออกแบบระบบอากาศสะอาดด้วยชิ้นส่วนแบบโมดูลาร์เพื่อรองรับการจัดเรียงห้องใหม่หรือความต้องการในการวิจัยที่เปลี่ยนแปลง รวมช่องสำหรับท่อระบายอากาศเพิ่มเติมหรือช่องสำหรับตัวกรองเพื่อให้อัปเกรดได้ง่าย

ตัวอย่างการออกแบบระบบอากาศสะอาดสำหรับห้องปฏิบัติการจากประสบการณ์จริง

ห้องปฏิบัติการระดับความปลอดภัยทางชีวภาพ 3 (BSL-3)

• แรงดันลบ (-25 พาสคัล เมื่อเทียบกับพื้นที่ข้างเคียง) เพื่อป้องกันการแพร่กระจายของเชื้อโรค
• การเปลี่ยนถ่ายอากาศ 12–15 ครั้งต่อชั่วโมง พร้อมติดตั้งตัวกรอง HEPA ทั้งช่องอากาศเข้าและช่องระบายอากาศ
• พัดลมระบายอากาศเฉพาะทาง พร้อมตัวกรอง HEPA ก่อนปล่อยอากาศสู่ภายนอก
• ระบบตรวจสอบแรงดันพร้อมสัญญาณเตือน เพื่อแจ้งเตือนเจ้าหน้าที่กรณีแรงดันผิดปกติ

ห้องปฏิบัติการผสมยาเภสัชกรรม

• แรงดันบวก (+15 พาสคัล) เพื่อป้องกันการปนเปื้อนจากภายนอก
• 30 ACH พร้อมอากาศที่ส่งผ่านเข้ามาผ่านตัวกรอง HEPA และการไหลเวียนของอากาศแบบทางเดียวเหนือพื้นผิวการทำงาน
• ควบคุมอุณหภูมิที่ 22±1°C และความชื้นที่ 50±5% เพื่อปกป้องความเสถียรของยา
• การนับอนุภาคแบบต่อเนื่องและการตรวจสอบแบบเรียลไทม์ที่เชื่อมต่อกับระบบควบคุมกลาง

ห้องปฏิบัติการวิจัยเคมี

• เครื่องดูดควันแบบ VAV ที่เชื่อมต่อกับระบบระบายอากาศความจุสูง
• ตัวกรองคาร์บอนในอากาศที่นำเข้ามาเพื่อกำจัดมลพิษจากภายนอก
• 8–10 ACH พร้อมอากาศสดจากภายนอกเต็มที่ (ไม่มีการหมุนเวียน) เพื่อป้องกันการสะสมของสารเคมี
• เครื่องตรวจจับก๊าซที่เชื่อมโยงกับการเปิดใช้งานระบบระบายฉุกเฉินเมื่อมีการรั่วไหลของสารอันตราย

คำถามที่พบบ่อย

ควรเปลี่ยนตัวกรองในระบบอากาศสะอาดของห้องปฏิบัติการบ่อยแค่ไหน?

ความแตกต่างระหว่างแรงดันบวกกับแรงดันลบในระบบอากาศสะอาดคืออะไร

ระบบอากาศสะอาดสามารถติดตั้งเพิ่มเติมในห้องปฏิบัติการที่มีอยู่เดิมได้หรือไม่

ระบบอากาศสะอาดในห้องปฏิบัติการใช้พลังงานมากแค่ไหน

ระบบท่ออากาศสะอาดของห้องปฏิบัติการต้องเป็นไปตามมาตรฐานใดบ้าง