🔬 Labor – Reinraumluft und Probenintegrität Live-Modell
Sie sind die Laborleitung. Ein Aseptik-Bereich der Klasse ISO 7 mit 75 m³ wird von einer RLT-Anlage über HEPA-Filter versorgt; Personen geben Partikel ab, Türen lassen Flurluft herein, und der Abzug saugt eine feste Abluft ab, die dem Raum den Überdruck stehlen kann. Am Ende des Flurs hält ein Ultratiefkühlschrank vier Racks mit Proben bei −80 °C. Alle fünf Minuten bilanziert das Modell die Partikel im Raum, den Luftstrom durch die Türspalten und die Wärme, die in den Tiefkühlschrank fließt. Nur eine Lernsimulation – keine GMP-, Compliance- oder klinische Beratung.
Das lernen Sie
Warum sich ein gut durchmischter Raum bei C = G/Q einpendelt und mit e^(−N·t) erholt: Personen bestimmen den Pegel, Luftwechsel bestimmen die Geschwindigkeit.
Wie eine Druckkaskade wirklich funktioniert: der Versatz zwischen Zuluft und Abluft, das quadratische Gesetz durch Türspalten und was offene Türen und eine feste Abluft des Abzugs damit anrichten.
Wie schnell sich ein ausgefallener −80-°C-Tiefkühlschrank erwärmt (Newtonsches Gesetz) und warum die Proben durch Handeln beim Alarm gerettet werden, nicht erst am Grenzwert.
Simulator
Zeit 0 min
✓Rack bei oder unter −70 °C
!Rack zwischen −70 und −60 °C
⚠Rack über −60 °C (Abweichung)
◍Person im Reinraumoverall
○Person im Laborkittel
•Partikel in der Luft (logarithmische Skala)
❄Verdichter läuft / Abzug in Benutzung
✕Verdichter steht / Abzug im Standby
Regler
Zuluft durch die HEPA-Filter in der Decke. Mehr Luft verdünnt und entfernt Partikel schneller, aber die Ventilatorleistung steigt mit der dritten Potenz des Volumenstroms. Ein beeinträchtigtes Gerät kann nicht liefern, was Sie verlangen.
Jede Person gibt Partikel ab; jede Person, die hinein- oder hinausgeht, öffnet die Tür. Weniger Personen bedeuten auch weniger erledigte Arbeit.
Reinraumoveralls halbieren etwa die ≥0,5-µm-Partikel, die eine Person abgibt, im Vergleich zu einem Laborkittel über Alltagskleidung. Das Umziehen dauert etwa 10 Minuten.
Immer nur eine Schleusentür und kurze Öffnungen: etwa 10 s und 0,5 m³ Flurluft pro Öffnung statt 40 s und 2 m³. Das Warten an der Schleuse kostet etwas Zeit.
Die Abluft folgt der Zuluft minus diesem Versatz, der durch die Türspalten entweicht und den Raum über dem Flur hält. Die Abluft kann nie unter die eigene Abluft von Abzug und Sicherheitswerkbank fallen.
Senkt die feste Abluft von 1100 auf 500 m³/h und macht Luft für den Überdruck des Raums frei. Arbeit, die den Abzug braucht, muss warten.
Stoppt routinemäßiges und neugieriges Öffnen. Jedes Öffnen ersetzt die Luft im Schrank durch Raumluft.
Bringt Racks nach der Anrufzeit (nachts länger) in die freien Plätze des Ersatz-Tiefkühlschranks. Diese Plätze sind die Notreserve des Gebäudes und werden nur für einen Tiefkühlschrank mit Störung oder Alarm freigegeben – eine Anfrage, solange er noch −80 °C hält, wird abgelehnt. Jedes Rack verbringt auf dem Weg etwa zwei Minuten in Raumluft.
Packt die verbleibenden Racks des Tiefkühlschranks mit Trockeneis (10 kg pro Rack, soweit der Vorrat reicht) in isolierte Boxen. Die Box hält −78,5 °C, solange Eis übrig ist.
Kennzahlen
Raumklasse (ISO 14644-1, ≥0,5 µm)
6,86
Warnung
Druckdifferenz zum Flur (Zeitmittel)
12,4Pa
normal
Wärmstes Probenrack
-80,0°C
normal
Probenabweichung über −60 °C (Rack-Minuten)
0min
normal
Partikel ≥0,5 µm
256 k/m³
Gelieferte Luftwechsel
20 1/h
Leistung des Zuluftventilators
0,45 kW
Personen im Bereich
3
Erledigte Arbeit gegenüber Plan
0 % · kritisch
Druckdifferenz, Türen geschlossen
12,4 Pa
Türöffnungen in diesem Zeitraum
0
Temperatur im Tiefkühlschrank
-80,0 °C
Verbleibendes Trockeneis
20,0 kg
Racks noch im Tiefkühlschrank
4
Verlauf
Krisenszenarien
Stufe 1 · Zurück in die Klasse vor dem aseptischen Arbeitsschritt
Es ist 08:00. Über Nacht lief der Bereich im energiesparenden Absenkbetrieb mit 5 Luftwechseln pro Stunde und dem Abzug im Standby, und ein Handwerker in Straßenkleidung hat gerade seine Arbeit im Inneren beendet: Der Zähler zeigt etwa 3 Millionen Partikel pro m³. Sechs Personen in Laborkitteln bereiten sich vor. Um 08:30 beginnt ein Dreierteam einen aseptischen Arbeitsschritt, der bis 10:00 den Raum bei ISO 7 oder besser braucht. Halten Sie das Team im Raum und die Ventilatorkosten vernünftig.
Raum während des Arbeitsschritts durchgehend bei ISO 7 oder besser
Mindestens drei Personen im Bereich während des Arbeitsschritts
Mittlere Leistung des Zuluftventilators ≤ 0,6 kW
Stufe 2 · Tiefkühlschrank-Ausfall in der Nacht
Es ist 21:00 und Sie haben Bereitschaft. Der −80-°C-Tiefkühlschrank enthält vier Racks mit unersetzlichen Proben. Gegen 22:00 bleibt sein Verdichter stehen; der Servicetechniker kann erst um 07:30 kommen. Der Ersatz-Tiefkühlschrank hat Platz für zwei Racks – die Notreserve des Gebäudes, die nur für einen Tiefkühlschrank mit Störung oder Alarm freigegeben wird –, und vor Ort sind 20 kg Trockeneis, genug für zwei Boxen. Was immer Sie anfordern: Zuerst muss jemand herkommen, nachts etwa 30 Minuten. Der Sicherheitsrundgang schaut ab und zu in den Tiefkühlschrank. Die SOP des Labors besagt, dass keine Probe über −60 °C steigen darf, und die Arbeitsgruppe verlangt eine Sicherheitsreserve: Racks sollen nie wärmer als −68 °C werden.
Kein Rack die ganze Nacht über −60 °C
Keine Abweichungsminuten am Ende
Racks nie wärmer als −68 °C (Sicherheitsreserve)
Stufe 3 · Schwache Lüftungsanlage, voller Raum
Ein vierstündiges praktisches Training hat sieben Personen in Laborkitteln im Bereich und einen stetigen Strom von Besuchern durch die Flurtür. Zehn Minuten nach Beginn fällt der Zuluftventilator aus: Er kann nur noch 40 % seiner Kapazität liefern (16 Luftwechsel pro Stunde), bis morgen repariert wird. Der Abzug ist in Benutzung und saugt 1100 m³/h feste Abluft ab. Halten Sie den Raum bei ISO 7, halten Sie mindestens 10 Pa Überdruck gegenüber dem Flur und bringen Sie die geplante Arbeit zu Ende.
Raum bei ISO 7 oder besser
Mittlere Druckdifferenz ≥ 10 Pa
Geplante Arbeit erledigt
Grundlage — das Modell hinter den Zahlen
Jede Beziehung, die der Simulator verwendet, mit ihrer Quelle. Als Annahmen gekennzeichnete Konstanten sind anschauliche Kalibrierungen.
ISO 14644-1 legt den Klassengrenzwert für jede Partikelgröße fest; eine Klassenstufe ist ein Faktor zehn. Bei 0,5 µm erlaubt ISO 7 352.000 Partikel pro Kubikmeter.
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]
In einem gut durchmischten Raum wird jedes hereinkommende oder abgegebene Partikel von der Zuluft verdünnt und hinausgetragen; der Pegel pendelt sich dort ein, wo Erzeugung gleich Abfuhr ist, 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]
Nach einer Störung klingt der Überschuss mit der Luftwechselrate exponentiell ab: Ein Abfall auf ein Hundertstel dauert ln(100)/N Stunden, was der Erholungstest nach ISO 14644-3 misst.
Personen sind die Hauptquelle. Gemessene Mittelwerte für ≥0,5 µm: etwa 2,1 Millionen pro Minute in Alltagskleidung, etwa 1,0 Millionen in Reinraumbekleidung; jede Person und jeder Moment weicht ab.
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]Annahme: Raumgröße, Kapazität der RLT-Anlage, feste Abluftströme, Leckagefläche, Türzeiten und ausgetauschte Volumina, Ventilatorleistung, Isolierung und Verdichtergröße des Tiefkühlschranks, Wärmekapazität der Racks, Handhabungsbelastung, die Freigabe der Plätze im Ersatz-Tiefkühlschrank nur im Notfall und die SOP-Grenze von −60 °C sind Beispielwerte für ein allgemeines Labor; die physikalischen Gesetze und die veröffentlichten Ausbreitungsraten sind wie zitiert.
Die Versatzluft entweicht durch die Türspalten; der Druck, der nötig ist, sie hindurchzudrücken, wächst mit dem Quadrat des Volumenstroms. Nehmen feste Abluftströme mehr, als die Zuluft übrig lässt, wird der Raum negativ und zieht Flurluft herein.
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]Annahme: Raumgröße, Kapazität der RLT-Anlage, feste Abluftströme, Leckagefläche, Türzeiten und ausgetauschte Volumina, Ventilatorleistung, Isolierung und Verdichtergröße des Tiefkühlschranks, Wärmekapazität der Racks, Handhabungsbelastung, die Freigabe der Plätze im Ersatz-Tiefkühlschrank nur im Notfall und die SOP-Grenze von −60 °C sind Beispielwerte für ein allgemeines Labor; die physikalischen Gesetze und die veröffentlichten Ausbreitungsraten sind wie zitiert.
Eine offene Tür hat keinen Druckunterschied; jedes Öffnen tauscht etwas Flurluft in den Raum. Kurze Öffnungen durch eine Schleuse tauschen weit weniger.
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]Annahme: Raumgröße, Kapazität der RLT-Anlage, feste Abluftströme, Leckagefläche, Türzeiten und ausgetauschte Volumina, Ventilatorleistung, Isolierung und Verdichtergröße des Tiefkühlschranks, Wärmekapazität der Racks, Handhabungsbelastung, die Freigabe der Plätze im Ersatz-Tiefkühlschrank nur im Notfall und die SOP-Grenze von −60 °C sind Beispielwerte für ein allgemeines Labor; die physikalischen Gesetze und die veröffentlichten Ausbreitungsraten sind wie zitiert.
Die Ventilatorleistung wächst mit der dritten Potenz des Volumenstroms: Eine Verdopplung der Luftwechsel braucht etwa die achtfache Leistung.
P = 0.45 kW·(Q_s / 1500 m³/h)³[8]Annahme: Raumgröße, Kapazität der RLT-Anlage, feste Abluftströme, Leckagefläche, Türzeiten und ausgetauschte Volumina, Ventilatorleistung, Isolierung und Verdichtergröße des Tiefkühlschranks, Wärmekapazität der Racks, Handhabungsbelastung, die Freigabe der Plätze im Ersatz-Tiefkühlschrank nur im Notfall und die SOP-Grenze von −60 °C sind Beispielwerte für ein allgemeines Labor; die physikalischen Gesetze und die veröffentlichten Ausbreitungsraten sind wie zitiert.
Ein Tiefkühlschrank ohne Verdichter erwärmt sich wie jeder konzentrierte Körper: zuerst schnell, dann langsamer, je näher er der Raumtemperatur kommt. Die Zeitkonstante τ = C/UA gibt den Takt vor.
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]Annahme: Raumgröße, Kapazität der RLT-Anlage, feste Abluftströme, Leckagefläche, Türzeiten und ausgetauschte Volumina, Ventilatorleistung, Isolierung und Verdichtergröße des Tiefkühlschranks, Wärmekapazität der Racks, Handhabungsbelastung, die Freigabe der Plätze im Ersatz-Tiefkühlschrank nur im Notfall und die SOP-Grenze von −60 °C sind Beispielwerte für ein allgemeines Labor; die physikalischen Gesetze und die veröffentlichten Ausbreitungsraten sind wie zitiert.
Jedes Öffnen ersetzt die kalte Schrankluft durch warme, feuchte Raumluft; deren Wärme und der zurückbleibende Reif erwärmen den Inhalt.
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]Annahme: Raumgröße, Kapazität der RLT-Anlage, feste Abluftströme, Leckagefläche, Türzeiten und ausgetauschte Volumina, Ventilatorleistung, Isolierung und Verdichtergröße des Tiefkühlschranks, Wärmekapazität der Racks, Handhabungsbelastung, die Freigabe der Plätze im Ersatz-Tiefkühlschrank nur im Notfall und die SOP-Grenze von −60 °C sind Beispielwerte für ein allgemeines Labor; die physikalischen Gesetze und die veröffentlichten Ausbreitungsraten sind wie zitiert.
Proben folgen ihrer Umgebung mit Verzögerung; ein Rack ein paar Minuten durch Raumluft zu tragen kostet mehrere Grad.
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]Annahme: Raumgröße, Kapazität der RLT-Anlage, feste Abluftströme, Leckagefläche, Türzeiten und ausgetauschte Volumina, Ventilatorleistung, Isolierung und Verdichtergröße des Tiefkühlschranks, Wärmekapazität der Racks, Handhabungsbelastung, die Freigabe der Plätze im Ersatz-Tiefkühlschrank nur im Notfall und die SOP-Grenze von −60 °C sind Beispielwerte für ein allgemeines Labor; die physikalischen Gesetze und die veröffentlichten Ausbreitungsraten sind wie zitiert.
Trockeneis sublimiert bei −78,5 °C und nimmt etwa 573 kJ pro Kilogramm auf: Die Box bleibt auf dieser Temperatur, bis das Eis aufgebraucht ist.
chest at −78.5 °C while ice remains; dm/dt = −(UA_chest·(T_amb + 78.5) + rack heat)/573 kJ/kg[10][11]Annahme: Raumgröße, Kapazität der RLT-Anlage, feste Abluftströme, Leckagefläche, Türzeiten und ausgetauschte Volumina, Ventilatorleistung, Isolierung und Verdichtergröße des Tiefkühlschranks, Wärmekapazität der Racks, Handhabungsbelastung, die Freigabe der Plätze im Ersatz-Tiefkühlschrank nur im Notfall und die SOP-Grenze von −60 °C sind Beispielwerte für ein allgemeines Labor; die physikalischen Gesetze und die veröffentlichten Ausbreitungsraten sind wie zitiert.
Weitere Betriebskonstanten des Modells.
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/KAnnahme: Raumgröße, Kapazität der RLT-Anlage, feste Abluftströme, Leckagefläche, Türzeiten und ausgetauschte Volumina, Ventilatorleistung, Isolierung und Verdichtergröße des Tiefkühlschranks, Wärmekapazität der Racks, Handhabungsbelastung, die Freigabe der Plätze im Ersatz-Tiefkühlschrank nur im Notfall und die SOP-Grenze von −60 °C sind Beispielwerte für ein allgemeines Labor; die physikalischen Gesetze und die veröffentlichten Ausbreitungsraten sind wie zitiert.
Zufall: ein Mulberry32-Generator mit Seed; verwendete Verteilungen — gleichverteilt, exponentiell (inverse Verteilungsfunktion), normal (Box–Muller), Poisson (Knuth). Der Seed wird angezeigt und lässt sich teilen.
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
ASHRAE Handbook — Fundamentals, ch. 16 Ventilation and Infiltration (flow through openings Q = C_d·A·√(2ΔP/ρ)) — ASHRAE, 2021
EN 1822-1:2019 High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA) — Part 1: Classification (H13 ≥ 99.95 % at MPPS) — CEN, 2019
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
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