🔬 ላብራቶሪ — የንጹህ ክፍል አየርና የናሙና ታማኝነት ቀጥታ ሞዴል

መሠረት — ከቁጥሮቹ በስተጀርባ ያለው ሞዴል

ሲሙሌተሩ የሚጠቀምበት እያንዳንዱ ግንኙነት ከምንጩ ጋር። በግምት የተመለከቱ ቋሚዎች ማሳያ ማስተካከያዎች ናቸው።

ISO 14644-1 ለእያንዳንዱ የቅንጣት መጠን የክፍል ገደቡን ያስቀምጣል፤ አንድ የክፍል ደረጃ የአሥር ብዜት ነው። በ0.5 µm ISO 7 በኪዩቢክ ሜትር 352 000 ቅንጣቶችን ይፈቅዳል።

Cn = 10^N·(0.1/D)^2.08 ⇒ N = log10(C) + 2.08·log10(D/0.1); ISO 7 at 0.5 µm = 352 000 /m³, ISO 5 = 3 520 /m³[1]

በደንብ በተደባለቀ ክፍል ውስጥ የሚገባ ወይም የሚለቀቅ እያንዳንዱ ቅንጣት በአቅርቦት አየር ይቀልጣል እና ይወሰዳል፤ ደረጃው ማመንጨት ከማስወገድ ጋር እኩል በሆነበት ይረጋጋል፣ C = G/Q።

V·dC/dt = G + Q_s·(1−η)·(f·C_out + (1−f)·C) + (Q_in + Q_door)·C_corr − (Q_s + Q_in + Q_door)·C (exact solution per 5-min tick); steady C = G/Q[5][7]

ከሁከት በኋላ ትርፉ በአየር ለውጥ መጠን ገላጭ በሆነ መንገድ ይደበዝዛል፦ 100 እጥፍ መውረድ ln(100)/N ሰዓት ይወስዳል፣ ይህም የISO 14644-3 የማገገሚያ ፈተና የሚለካው ነው።

C(t) − C∞ = (C₀ − C∞)·e^(−N·t); 100:1 recovery t = ln(100)/N (20 1/h → 13.8 min, 5 1/h → 55 min)[2][5][3]

ሰዎች ዋነኛ ምንጭ ናቸው። ለ≥0.5 µm የተለኩ አማካዮች፦ በውስጥ ልብስ በደቂቃ ወደ 2.1 ሚሊዮን፣ በንጹህ ክፍል ልብስ ወደ 1.0 ሚሊዮን፤ እያንዳንዱ ሰውና ቅጽበት ይለያያል።

G = Σ people e·exp(0.3·z − 0.045), z ~ N(0,1); e = 35 500 /s (lab coat over indoor clothing; measured for indoor clothing), 17 000 /s (cleanroom coverall), ≥ 0.5 µm[4]ግምት፦ የክፍሉ መጠን፣ የAHU አቅም፣ ቋሚ ማውጫዎች፣ የፍሳሽ ስፋት፣ የበር ጊዜዎችና የተለዋወጡ መጠኖች፣ የማራገቢያ ኃይል፣ የማቀዝቀዣ መከለያና የኮምፕሬሰር መጠን፣ የመደርደሪያ የሙቀት አቅም፣ የአያያዝ ተጋላጭነት፣ የመጠባበቂያ ማቀዝቀዣው ቦታዎች በአደጋ ጊዜ ብቻ መለቀቃቸው እና የ−60 °C SOP ገደብ ለአጠቃላይ ላብራቶሪ ማሳያ እሴቶች ናቸው፤ የፊዚክስ ሕጎችና የታተሙ የስርጭት ምጣኔዎች እንደተጠቀሱት ናቸው።

የማካካሻ አየር በበር ክፍተቶች ይወጣል፤ ለመግፋቱ የሚያስፈልገው ግፊት ከፍሰቱ ካሬ ጋር ይጨምራል። ቋሚ ማውጫዎች አቅርቦቱ ከሚተወው በላይ ከወሰዱ ክፍሉ አሉታዊ ይሆናል እና የኮሪደር አየር ይስባል።

Q_off = Q_s − max(E_fixed, Q_s − offset); ΔP = ρ/2·(Q_off/(C_d·A))², C_d = 0.61, A = 0.02 m²; ΔP_avg = ΔP·(1 − time doors open)[6][3][5]ግምት፦ የክፍሉ መጠን፣ የAHU አቅም፣ ቋሚ ማውጫዎች፣ የፍሳሽ ስፋት፣ የበር ጊዜዎችና የተለዋወጡ መጠኖች፣ የማራገቢያ ኃይል፣ የማቀዝቀዣ መከለያና የኮምፕሬሰር መጠን፣ የመደርደሪያ የሙቀት አቅም፣ የአያያዝ ተጋላጭነት፣ የመጠባበቂያ ማቀዝቀዣው ቦታዎች በአደጋ ጊዜ ብቻ መለቀቃቸው እና የ−60 °C SOP ገደብ ለአጠቃላይ ላብራቶሪ ማሳያ እሴቶች ናቸው፤ የፊዚክስ ሕጎችና የታተሙ የስርጭት ምጣኔዎች እንደተጠቀሱት ናቸው።

ክፍት በር የግፊት ልዩነት የለውም፤ እያንዳንዱ መክፈት የተወሰነ የኮሪደር አየር ወደ ክፍሉ ይለዋወጣል። በአየር መቆለፊያ አጭር መከፈቶች እጅግ ያነሰ ይለዋወጣሉ።

openings ~ Poisson((1·people + traffic)·Δt) + people in/out; per opening 40 s and 2 m³ of corridor air exchanged (10 s, 0.5 m³ with airlock discipline)[3][5]ግምት፦ የክፍሉ መጠን፣ የAHU አቅም፣ ቋሚ ማውጫዎች፣ የፍሳሽ ስፋት፣ የበር ጊዜዎችና የተለዋወጡ መጠኖች፣ የማራገቢያ ኃይል፣ የማቀዝቀዣ መከለያና የኮምፕሬሰር መጠን፣ የመደርደሪያ የሙቀት አቅም፣ የአያያዝ ተጋላጭነት፣ የመጠባበቂያ ማቀዝቀዣው ቦታዎች በአደጋ ጊዜ ብቻ መለቀቃቸው እና የ−60 °C SOP ገደብ ለአጠቃላይ ላብራቶሪ ማሳያ እሴቶች ናቸው፤ የፊዚክስ ሕጎችና የታተሙ የስርጭት ምጣኔዎች እንደተጠቀሱት ናቸው።

የማራገቢያ ኃይል ከአየር ፍሰቱ ኪዩብ ጋር ይጨምራል፦ የአየር ለውጦችን ማባዛት ወደ ስምንት እጥፍ ኃይል ይወስዳል።

P = 0.45 kW·(Q_s / 1500 m³/h)³[8]ግምት፦ የክፍሉ መጠን፣ የAHU አቅም፣ ቋሚ ማውጫዎች፣ የፍሳሽ ስፋት፣ የበር ጊዜዎችና የተለዋወጡ መጠኖች፣ የማራገቢያ ኃይል፣ የማቀዝቀዣ መከለያና የኮምፕሬሰር መጠን፣ የመደርደሪያ የሙቀት አቅም፣ የአያያዝ ተጋላጭነት፣ የመጠባበቂያ ማቀዝቀዣው ቦታዎች በአደጋ ጊዜ ብቻ መለቀቃቸው እና የ−60 °C SOP ገደብ ለአጠቃላይ ላብራቶሪ ማሳያ እሴቶች ናቸው፤ የፊዚክስ ሕጎችና የታተሙ የስርጭት ምጣኔዎች እንደተጠቀሱት ናቸው።

ያለ ኮምፕሬሰሩ ማቀዝቀዣ እንደማንኛውም የተጠቃለለ አካል ይሞቃል፦ መጀመሪያ በፍጥነት፣ ወደ ክፍል ሙቀት ሲቀርብ እየዘገየ። τ = C/UA የጊዜ ቋሚ ሰዓቱን ይወስናል።

C·dT/dt = UA·(T_amb − T) + Q_door − Q_comp; T(t) = T_amb + (T₀ − T_amb)·e^(−t/τ), τ = C/UA = 20 h; −80 → −60 °C in τ·ln(102/82) ≈ 4.4 h[9]ግምት፦ የክፍሉ መጠን፣ የAHU አቅም፣ ቋሚ ማውጫዎች፣ የፍሳሽ ስፋት፣ የበር ጊዜዎችና የተለዋወጡ መጠኖች፣ የማራገቢያ ኃይል፣ የማቀዝቀዣ መከለያና የኮምፕሬሰር መጠን፣ የመደርደሪያ የሙቀት አቅም፣ የአያያዝ ተጋላጭነት፣ የመጠባበቂያ ማቀዝቀዣው ቦታዎች በአደጋ ጊዜ ብቻ መለቀቃቸው እና የ−60 °C SOP ገደብ ለአጠቃላይ ላብራቶሪ ማሳያ እሴቶች ናቸው፤ የፊዚክስ ሕጎችና የታተሙ የስርጭት ምጣኔዎች እንደተጠቀሱት ናቸው።

እያንዳንዱ መክፈት ቀዝቃዛውን የካቢኔ አየር በሞቃትና እርጥብ የክፍል አየር ይተካል፤ ሙቀቱና የሚተወው ብርድ ይዘቱን ያሞቃሉ።

Q_door = 2·ρ·V_cab·c_p·(T_amb − T) (cabinet air replaced, ×2 for moisture and frost); V_cab = 0.7 m³ → ≈ 1.2 K per opening at −80 °C[9]ግምት፦ የክፍሉ መጠን፣ የAHU አቅም፣ ቋሚ ማውጫዎች፣ የፍሳሽ ስፋት፣ የበር ጊዜዎችና የተለዋወጡ መጠኖች፣ የማራገቢያ ኃይል፣ የማቀዝቀዣ መከለያና የኮምፕሬሰር መጠን፣ የመደርደሪያ የሙቀት አቅም፣ የአያያዝ ተጋላጭነት፣ የመጠባበቂያ ማቀዝቀዣው ቦታዎች በአደጋ ጊዜ ብቻ መለቀቃቸው እና የ−60 °C SOP ገደብ ለአጠቃላይ ላብራቶሪ ማሳያ እሴቶች ናቸው፤ የፊዚክስ ሕጎችና የታተሙ የስርጭት ምጣኔዎች እንደተጠቀሱት ናቸው።

ናሙናዎች አካባቢያቸውን በመዘግየት ይከተላሉ፤ መደርደሪያን ለሁለት ደቂቃ ያህል በክፍል አየር ውስጥ መሸከም ብዙ ዲግሪዎችን ያስወጣል።

T_rack ← lag(T_rack, T_surroundings, τ = 1 h); handling: 2 min in room air with τ = 0.5 h (≈ +6 K from −75 °C); excursion = Σ racks minutes above −60 °C[9][11]ግምት፦ የክፍሉ መጠን፣ የAHU አቅም፣ ቋሚ ማውጫዎች፣ የፍሳሽ ስፋት፣ የበር ጊዜዎችና የተለዋወጡ መጠኖች፣ የማራገቢያ ኃይል፣ የማቀዝቀዣ መከለያና የኮምፕሬሰር መጠን፣ የመደርደሪያ የሙቀት አቅም፣ የአያያዝ ተጋላጭነት፣ የመጠባበቂያ ማቀዝቀዣው ቦታዎች በአደጋ ጊዜ ብቻ መለቀቃቸው እና የ−60 °C SOP ገደብ ለአጠቃላይ ላብራቶሪ ማሳያ እሴቶች ናቸው፤ የፊዚክስ ሕጎችና የታተሙ የስርጭት ምጣኔዎች እንደተጠቀሱት ናቸው።

ደረቅ በረዶ በ−78.5 °C ይተናል እና በኪሎግራም ወደ 573 kJ ይወስዳል፦ በረዶው እስኪያልቅ ድረስ ሣጥኑ በዚያ ሙቀት ይቆያል።

chest at −78.5 °C while ice remains; dm/dt = −(UA_chest·(T_amb + 78.5) + rack heat)/573 kJ/kg[10][11]ግምት፦ የክፍሉ መጠን፣ የAHU አቅም፣ ቋሚ ማውጫዎች፣ የፍሳሽ ስፋት፣ የበር ጊዜዎችና የተለዋወጡ መጠኖች፣ የማራገቢያ ኃይል፣ የማቀዝቀዣ መከለያና የኮምፕሬሰር መጠን፣ የመደርደሪያ የሙቀት አቅም፣ የአያያዝ ተጋላጭነት፣ የመጠባበቂያ ማቀዝቀዣው ቦታዎች በአደጋ ጊዜ ብቻ መለቀቃቸው እና የ−60 °C SOP ገደብ ለአጠቃላይ ላብራቶሪ ማሳያ እሴቶች ናቸው፤ የፊዚክስ ሕጎችና የታተሙ የስርጭት ምጣኔዎች እንደተጠቀሱት ናቸው።

ሞዴሉ የሚጠቀምባቸው ሌሎች የአሠራር ቋሚዎች።

room 75 m³, AHU ≤ 40 air changes/h × health · HEPA 99.95 %, 20 % outdoor air at 35·10⁶ /m³ · corridor 2·10⁶ /m³ · fixed exhaust 1100 m³/h (hood in use) / 500 m³/h (standby) · gowning change 10 min · 1 door trip per person-hour · work × 0.8 with the hood in standby, × 0.95 with airlock discipline · freezer UA 2 W/K, compressor 600 W, alarm −70 °C, SOP limit −60 °C · 4 racks of 15 kJ/K · backup freezer −80 °C, its free slots released only for a freezer in fault or alarm (emergency reserve) · 10 kg dry ice per rack, chest UA 0.25 W/Kግምት፦ የክፍሉ መጠን፣ የAHU አቅም፣ ቋሚ ማውጫዎች፣ የፍሳሽ ስፋት፣ የበር ጊዜዎችና የተለዋወጡ መጠኖች፣ የማራገቢያ ኃይል፣ የማቀዝቀዣ መከለያና የኮምፕሬሰር መጠን፣ የመደርደሪያ የሙቀት አቅም፣ የአያያዝ ተጋላጭነት፣ የመጠባበቂያ ማቀዝቀዣው ቦታዎች በአደጋ ጊዜ ብቻ መለቀቃቸው እና የ−60 °C SOP ገደብ ለአጠቃላይ ላብራቶሪ ማሳያ እሴቶች ናቸው፤ የፊዚክስ ሕጎችና የታተሙ የስርጭት ምጣኔዎች እንደተጠቀሱት ናቸው።

አጋጣሚነት፦ ዘር ያለው የ mulberry32 አመንጪ፤ ጥቅም ላይ የዋሉ ስርጭቶች — ወጥ፣ ገላጭ (የተገላቢጦሽ CDF)፣ መደበኛ (ቦክስ–ሙለር)፣ ፖይሰን (ክኑት)። ዘሩ ይታያል፤ ሊጋራም ይችላል።

ምንጮች

1. ISO 14644-1:2015 Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification of air cleanliness by particle concentration (Cn = 10^N·(0.1/D)^2.08) — ISO, 2015
2. ISO 14644-3:2019 Cleanrooms and associated controlled environments — Part 3: Test methods (recovery test, 100:1 recovery time) — ISO, 2019
3. EudraLex Vol. 4, Annex 1: Manufacture of Sterile Medicinal Products (C(2022) 5938) — §4.13 airlock entry and exit doors not opened simultaneously (interlock for grade A/B, visual/audible warning for C/D), §4.14 adjacent rooms of different grades: air pressure difference of a minimum of 10 Pascals (guidance value), §4.29 iii and Table 5 Note 1: "clean up" period, guidance value of less than 20 minutes — European Commission, 2022
4. W. Whyte, M. Hejab — Particle and microbial airborne dispersion from people, European Journal of Parenteral & Pharmaceutical Sciences 12(2):39–46 (≥0.5 µm: 2.13·10⁶/min indoor clothing, 1.02·10⁶/min cleanroom garments) — Pharmaceutical and Healthcare Sciences Society, 2007
5. W. Whyte — Cleanroom Technology: Fundamentals of Design, Testing and Operation, 2nd ed. (well-mixed dilution C = G/Q, decay and recovery, pressure cascades, door openings) — Wiley, 2010
6. ASHRAE Handbook — Fundamentals, ch. 16 Ventilation and Infiltration (flow through openings Q = C_d·A·√(2ΔP/ρ)) — ASHRAE, 2021
7. EN 1822-1:2019 High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA) — Part 1: Classification (H13 ≥ 99.95 % at MPPS) — CEN, 2019
8. Fan affinity laws: flow ∝ speed, pressure ∝ speed², power ∝ speed³ — U.S. DOE — Improving Fan System Performance: A Sourcebook for Industry
9. F. P. Incropera, D. P. DeWitt et al. — Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 7th ed., §5.1–5.3 lumped capacitance (Newton cooling, τ = ρVc/hA) — Wiley, 2011
10. NIST Chemistry WebBook — Carbon dioxide, phase change data (ΔsubH = 25.2 kJ/mol at 195 K, Giauque & Egan 1937 → ≈ 573 kJ/kg; sublimation at 194.7 K = −78.5 °C at 1 atm) — NIST
11. ISBER Best Practices: Recommendations for Repositories, 5th ed. (storage equipment monitoring and alarms, backup storage capacity, emergency plans) — International Society for Biological and Environmental Repositories, 2023