Thiết kế Hệ thống Không khí Sạch cho Ứng dụng Phòng thí nghiệm như thế nào?

Thiết kế Hệ thống Không khí Sạch cho Ứng dụng Phòng Thí nghiệm như thế nào

Hệ thống Không khí Sạch cho Phòng thí nghiệm là gì?

• Loại bỏ các hạt lơ lửng trong không khí (bụi, vi sinh vật, aerosol)
• Kiểm soát và thải ra ngoài các khí hoặc hơi độc hại
• Duy trì nhiệt độ, độ ẩm và áp suất ổn định
• Ngăn ngừa sự lây nhiễm chéo giữa các khu vực trong phòng thí nghiệm
• Bảo vệ nhân viên khỏi tiếp xúc với các chất có hại

Các Yếu Tố Chính Khi Thiết Kế Hệ Thống Không Khí Sạch Cho Phòng Thí Nghiệm

1. Xác định Yêu cầu và Phân loại Phòng thí nghiệm

• Phòng thí nghiệm Sinh học : Cần được bảo vệ khỏi ô nhiễm vi sinh. Hệ thống không khí sạch phải lọc được vi khuẩn, virus và bào tử, thường yêu cầu sử dụng bộ lọc HEPA và áp suất âm để kiểm soát mầm bệnh.
• Phòng thí nghiệm Hóa học : Tập trung vào việc loại bỏ khí độc và hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs). Các hệ thống không khí sạch này ưu tiên hệ thống hút khí hiệu quả và vật liệu chịu được hóa chất.
• Phòng thí nghiệm Dược phẩm : Yêu cầu kiểm soát nghiêm ngặt các hạt và mức độ vi sinh để đáp ứng các tiêu chuẩn Thực hành Sản xuất Tốt (GMP). Tỷ lệ thay đổi không khí cao hơn và phân loại ISO 5–7 có thể là cần thiết.
• Phòng thí nghiệm Điện tử hoặc Khoa học Vật liệu : Cần mức độ hạt cực thấp để ngăn gây hư hại cho các linh kiện nhạy cảm. Các hệ thống không khí sạch này thường sử dụng bộ lọc ULPA và luồng không khí tầng dòng.

2. Thiết kế lưu lượng không khí và kiểm soát áp suất

• Tần suất thay đổi không khí (ACH) : Số lần không khí trong phòng thí nghiệm được thay thế trong một giờ. Tần suất ACH cao hơn sẽ làm giảm sự tích tụ chất gây ô nhiễm. Ví dụ:
  • Phòng thí nghiệm thông thường: 6–12 ACH
  • Phòng thí nghiệm an toàn sinh học: 12–24 ACH
  • Phòng sạch trong ngành dược phẩm: 20–60 ACH
    Tính toán ACH dựa trên thể tích phòng và lưu lượng không khí cấp của hệ thống không khí sạch.
• Dòng khí định hướng : Thiết kế dòng không khí di chuyển từ khu vực sạch sang khu vực bẩn. Trong phòng thí nghiệm sinh học, không khí nên được đưa vào phòng thí nghiệm từ các không gian liền kề và thải trực tiếp ra bên ngoài để kiểm soát mầm bệnh. Trong phòng sạch, dòng không khí một chiều (laminar) giúp đẩy các hạt bụi ra khỏi bề mặt làm việc.
• Chênh lệch áp suất : Duy trì độ dốc áp suất để ngăn không khí di chuyển từ khu vực nhiễm bẩn sang khu vực sạch. Ví dụ:
  • Tủ an toàn sinh học và phòng cách ly sử dụng áp suất âm (không khí đi vào trong, không thoát ra ngoài).
  • Phòng sạch trong ngành dược sử dụng áp suất dương (không khí thoát ra ngoài, ngăn ngừa ô nhiễm từ môi trường bên ngoài).
    Chênh lệch áp suất (thường là 10–25 Pascals) được điều khiển bằng cách cân bằng lưu lượng không khí cấp vào và thải ra.

3. Chọn hệ thống lọc

• Bộ lọc sơ cấp : Bắt giữ các hạt lớn (5μm trở lên) để bảo vệ các bộ lọc đắt tiền hơn khỏi bị tắc nghẽn. Được sử dụng trong giai đoạn ban đầu của hệ thống không khí sạch nhằm kéo dài tuổi thọ cho các bộ lọc phía sau.
• Bộ lọc HEPA (High-Efficiency Particulate Air) : Loại bỏ 99,97% các hạt có kích thước 0,3μm hoặc lớn hơn, rất cần thiết cho các phòng thí nghiệm sinh học, bệnh viện và cơ sở sản xuất dược phẩm. Bộ lọc HEPA đóng vai trò quan trọng trong hệ thống không khí sạch nhằm bảo vệ khỏi vi sinh vật và các hạt siêu mịn.
• Bộ lọc ULPA (Ultra-Low Penetration Air) : Hiệu quả cao hơn cả HEPA, loại bỏ 99,999% các hạt có kích thước 0,12μm hoặc lớn hơn. Được sử dụng trong phòng thí nghiệm điện tử hoặc các môi trường siêu sạch nơi mà các hạt dưới micromet có thể gây hư hại thiết bị nhạy cảm.
• Bộ lọc hóa chất : Hấp phụ khí, hơi và VOC bằng than hoạt tính hoặc vật liệu tẩm hóa chất. Được yêu cầu trong các phòng thí nghiệm hóa học để loại bỏ hơi độc hại (ví dụ: dung môi, axit) khỏi dòng không khí.
• Lọc pha khí : Đối với các ứng dụng chuyên biệt, ví dụ như loại bỏ amoniac hoặc formaldehyde, hãy sử dụng các bộ lọc hóa chất chuyên dụng được thiết kế để trung hòa các loại khí cụ thể.

4. Thiết kế hệ thống khí thải và thông gió

• Tủ hút khí độc : Kết nối với hệ thống khí thải của hệ thống không khí sạch để loại bỏ hơi hóa chất tại nguồn. Đảm bảo tủ hút khí độc có tốc độ gió mặt ngoài đủ (thông thường từ 0,4–0,6 m/giây) để giữ được hơi khí độc và ngăn không để rò rỉ.
• Ống khói thải : Đặt các đầu nối khí thải cách xa các cửa lấy không khí và khu vực có người ở để tránh việc chất gây ô nhiễm quay trở lại bên trong. Các ống khói phải đủ cao (tối thiểu 3 mét so với mặt mái) để phát tán hơi khí độc một cách an toàn.
• Hệ thống lưu lượng không khí biến đổi (VAV) : Điều chỉnh lưu lượng không khí dựa trên nhu cầu thực tế (ví dụ: khi cửa trước tủ hút khí độc được mở ra hoặc đóng vào). Hệ thống VAV giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng trong khi vẫn đảm bảo thông gió đầy đủ, từ đó giảm chi phí vận hành của hệ thống không khí sạch.
• Hút Khẩn Cấp : Bao gồm quạt dự phòng hoặc hệ thống dự phòng để đảm bảo hoạt động hút khí liên tục trong trường hợp mất điện, điều này đặc biệt quan trọng đối với các phòng thí nghiệm xử lý các chất độc hại cao.

5. Tích Hợp Kiểm Soát Nhiệt Độ và Độ Ẩm

• Nhiệt độ : Thông thường từ 20–24°C (68–75°F) cho hầu hết các phòng thí nghiệm. Một số ứng dụng cụ thể (ví dụ: nuôi cấy tế bào) yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn (±1°C).
• Độ ẩm : Độ ẩm tương đối từ 30–60%. Độ ẩm thấp có thể gây ra tĩnh điện (gây hại trong phòng thí nghiệm điện tử), trong khi độ ẩm cao lại thúc đẩy sự phát triển của vi sinh vật (gây rủi ro trong phòng thí nghiệm sinh học).

6. Bao gồm Hệ thống giám sát và Báo động

• Máy đếm hạt : Đo nồng độ hạt trong không khí để xác minh việc tuân thủ các tiêu chuẩn về độ sạch. Tích hợp với hệ thống không khí sạch để cảnh báo nhân viên nếu số lượng hạt vượt quá giới hạn.
• Cảm biến áp suất : Theo dõi chênh lệch áp suất giữa các phòng. Hệ thống báo động sẽ kích hoạt nếu áp suất lệch khỏi mức cài đặt, cho thấy nguy cơ ô nhiễm chéo.
• Các thước đo lưu lượng không khí : Giám sát lưu lượng không khí cấp và thải để đảm bảo tốc độ thay đổi không khí (ACH) và cân bằng áp suất phù hợp.
• Chỉ báo tình trạng bộ lọc : Theo dõi mức độ bám bẩn của bộ lọc và cảnh báo nhóm bảo trì khi cần thay thế, ngăn ngừa tình trạng giảm hiệu suất của hệ thống không khí sạch.
• Báo động khẩn cấp : Cảnh báo âm thanh cho các vấn đề nghiêm trọng như mất điện, rò rỉ bộ lọc hoặc rò rỉ khí độc hại, cho phép phản ứng nhanh để bảo vệ nhân viên và thí nghiệm.

7. Cân nhắc Tính tương thích của Vật liệu và Bố trí

• Kín và Kết cấu : Sử dụng kết cấu kín với các mối nối được bịt kín để ngăn rò rỉ không khí. Tránh sử dụng các vật liệu xốp (ví dụ: gỗ) có thể giữ lại chất gây ô nhiễm; thay vào đó, hãy chọn các bề mặt mịn, không xốp (ví dụ: thép không gỉ, nhựa epoxy) dễ dàng làm sạch.
• Sắp xếp Thiết bị : Đặt các trạm làm việc tránh xa các lỗ thông gió, cửa ra vào hoặc cửa sổ có thể làm rối loạn dòng không khí. Đảm bảo tủ hút và tủ an toàn được tích hợp với hệ thống thoát khí của hệ thống không khí sạch để tối ưu hóa hiệu suất.
• Tính linh hoạt cho các Thay đổi trong Tương lai : Thiết kế hệ thống không khí sạch với các thành phần mô-đun để thích ứng với việc sắp xếp lại phòng thí nghiệm hoặc nhu cầu nghiên cứu thay đổi. Bao gồm thêm khả năng chịu tải của hệ thống ống dẫn hoặc khe chứa bộ lọc để dễ dàng nâng cấp.

Những Ví dụ Thực tế về Thiết kế Hệ thống Không khí Sạch cho Phòng Thí Nghiệm

Phòng thí nghiệm An toàn Sinh học Cấp 3 (BSL-3)

• Áp suất âm (-25 Pa so với các khu vực lân cận) để ngăn chặn việc giải phóng mầm bệnh.
• 12–15 lần thay đổi không khí mỗi giờ (ACH) với bộ lọc HEPA trên cả hệ thống cấp và thoát khí.
• Quạt thoát khí riêng biệt với bộ lọc HEPA trước khi thải ra môi trường bên ngoài.
• Giám sát áp suất đi kèm cảnh báo để thông báo cho nhân viên khi có sự cố về áp suất.

Phòng Pha chế Dược phẩm

• Áp suất dương (+15 Pa) để ngăn ngừa sự nhiễm bẩn từ bên ngoài.
• 30 lần thay khí/giờ (ACH) với không khí cấp có lọc HEPA và dòng khí một chiều trên bề mặt làm việc.
• Điều khiển nhiệt độ ở 22±1°C và độ ẩm ở 50±5% nhằm bảo vệ tính ổn định của thuốc.
• Đếm hạt liên tục và giám sát theo thời gian thực được kết nối với hệ thống điều khiển trung tâm.

Phòng thí nghiệm nghiên cứu hóa học

• Tủ hút VAV được kết nối với hệ thống thoát khí công suất lớn.
• Bộ lọc carbon trong hệ thống không khí cấp để loại bỏ chất ô nhiễm từ môi trường bên ngoài.
• 8–10 lần thay khí/giờ (ACH) với 100% không khí tươi (không tái tuần hoàn) nhằm ngăn ngừa tích tụ hóa chất.
• Cảm biến phát hiện khí gas được kết nối với hệ thống thoát khí khẩn cấp khi có rò rỉ nguy hiểm.

Câu hỏi thường gặp

Bao lâu thì nên thay thế các bộ lọc trong hệ thống không khí sạch của phòng thí nghiệm?

Sự khác biệt giữa áp suất dương và áp suất âm trong hệ thống không khí sạch là gì?

Hệ thống không khí sạch có thể được lắp đặt bổ sung vào phòng thí nghiệm hiện có hay không?

Hệ thống không khí sạch của phòng thí nghiệm tiêu thụ bao nhiêu năng lượng?

Hệ thống không khí sạch trong phòng thí nghiệm phải đáp ứng những tiêu chuẩn nào?