🔬 Laboratorio — aire de sala branca e integridade das mostras Modelo en directo
Es o xestor do laboratorio. Unha sala aséptica ISO 7 de 75 m³ recibe aire dunha unidade de tratamento de aire a través de filtros HEPA; as persoas desprenden partículas, as portas deixan entrar aire do corredor e a campá de extracción tira dunha extracción fixa que pode roubarlle á sala a súa sobrepresión. Ao fondo do corredor un conxelador de ultrabaixa temperatura mantén catro racks de mostras a −80 °C. Cada cinco minutos o modelo equilibra as partículas na sala, o fluxo de aire polas fendas das portas e o calor que entra no conxelador. Só simulación educativa — non é asesoramento de BPF, cumprimento normativo nin clínico.
O que aprenderás
Por que unha sala ben mesturada se estabiliza en C = G/Q e se recupera como e^(−N·t): as persoas fixan o nivel, as renovacións de aire fixan a velocidade.
Como funciona realmente unha cascada de presións: o desfase entre impulsión e extracción, a lei cuadrática polas fendas das portas e o que lle fan as portas abertas e unha extracción fixa da campá.
Con que rapidez se quenta un conxelador de −80 °C avariado (lei de Newton), e por que as mostras se salvan actuando coa alarma, non no límite.
Simulador
Tempo 0 min
✓Rack a −70 °C ou menos
!Rack entre −70 e −60 °C
⚠Rack por riba de −60 °C (desviación)
◍Persoa cun mono de sala branca
○Persoa cunha bata de laboratorio
•Partículas no aire (escala logarítmica)
❄Compresor en marcha / campá en uso
✕Compresor parado / campá en espera
Controis
Aire de impulsión polos filtros HEPA do teito. Máis aire dilúe e elimina as partículas máis rápido, pero a potencia do ventilador sobe co cubo do caudal. Unha unidade degradada non pode dar o que lle pides.
Todos desprenden partículas; todos os que entran ou saen abren a porta. Menos persoas tamén significa menos traballo feito.
Os monos de sala branca reducen aproximadamente á metade as partículas ≥0,5 µm que desprende unha persoa en comparación cunha bata de laboratorio sobre roupa de interior. Cambiarse leva ao redor de 10 minutos.
Unha porta da esclusa á vez e aberturas curtas: ao redor de 10 s e 0,5 m³ de aire do corredor por abertura en vez de 40 s e 2 m³. Agardar na esclusa custa un pouco de tempo.
A extracción segue á impulsión menos este desfase, que se escapa polas fendas das portas e mantén a sala por riba do corredor. A extracción nunca pode baixar da propia extracción da campá e da cabina de seguridade.
Reduce a extracción fixa de 1100 a 500 m³/h, liberando aire para a sobrepresión da sala. O traballo que precisa a campá agarda.
Detén as aberturas de rutina e de curiosidade. Cada abertura substitúe o aire do armario por aire da sala.
Move racks aos ocos libres do conxelador de reserva despois do tempo de chamada (maior pola noite). Eses ocos son a reserva de emerxencia do edificio e só se liberan para un conxelador en avaría ou alarma — unha solicitude mentres aínda mantén −80 °C é rexeitada. Cada rack pasa ao redor de dous minutos no aire da sala polo camiño.
Empaqueta os racks que quedan no conxelador en arquetas illadas con xeo seco (10 kg por rack, ata onde chegue o stock). A arqueta mantén −78,5 °C mentres quede xeo.
Indicadores
Clase da sala (ISO 14644-1, ≥0,5 µm)
6,86
aviso
Diferenza de presión co corredor (media temporal)
12,4Pa
normal
Rack de mostras máis cálido
-80,0°C
normal
Desviación das mostras por riba de −60 °C (minutos-rack)
0min
normal
Partículas ≥0,5 µm
256 k/m³
Renovacións de aire subministradas
20 1/h
Potencia do ventilador de impulsión
0,45 kW
Persoas na sala
3
Traballo feito fronte ao plan
0 % · crítico
Diferenza de presión, portas pechadas
12,4 Pa
Aberturas de porta neste período
0
Temperatura do armario do conxelador
-80,0 °C
Xeo seco restante
20,0 kg
Racks aínda no conxelador
4
Tendencia
Escenarios de crise
Nivel 1 · De volta á clase antes do paso aséptico
Son as 08:00. Durante a noite a sala funcionou en setback de aforro de enerxía a 5 renovacións de aire por hora coa campá en espera, e un contratista con roupa de rúa acaba de rematar un traballo no interior: o contador marca ao redor de 3 millóns de partículas por m³. Seis persoas con batas de laboratorio están a preparar. Ás 08:30 un equipo de tres persoas comeza un paso aséptico que precisa a sala en ISO 7 ou mellor ata as 10:00. Mantén o equipo na sala e a factura do ventilador sensata.
Sala en ISO 7 ou mellor durante todo o paso
Polo menos tres persoas na sala durante o paso
Potencia media do ventilador de impulsión ≤ 0,6 kW
Nivel 2 · Avaría do conxelador pola noite
Son as 21:00 e estás de garda. O conxelador de −80 °C garda catro racks de mostras insubstituíbles. Arredor das 22:00 o seu compresor para; o técnico de servizo non pode vir ata as 07:30. O conxelador de reserva ten sitio para dous racks — a reserva de emerxencia do edificio, que só se libera para un conxelador en avaría ou alarma — e hai 20 kg de xeo seco no lugar, abondo para dúas arquetas. Pidas o que pidas, alguén ten que vir primeiro: uns 30 minutos pola noite. A rolda de seguridade bota unha ollada ao conxelador de cando en vez. O SOP do laboratorio di que ningunha mostra pode superar −60 °C, e o grupo pide unha marxe de seguridade: os racks nunca deben estar máis quentes de −68 °C.
Ningún rack por riba de −60 °C en toda a noite
Sen minutos de desviación ao final
Racks nunca máis quentes de −68 °C (marxe de seguridade)
Nivel 3 · Unidade de aire feble, sala chea
Unha sesión práctica de formación de catro horas ten sete persoas con batas de laboratorio na sala e un fluxo constante de visitantes pola porta do corredor. Aos dez minutos, o ventilador de impulsión comeza a fallar: só pode dar o 40 % da súa capacidade (16 renovacións de aire por hora) ata unha reparación mañá. A campá de extracción está en uso e tira de 1100 m³/h de extracción fixa. Mantén a sala en ISO 7, mantén polo menos 10 Pa por riba do corredor e saca adiante o traballo previsto.
Sala en ISO 7 ou mellor
Diferenza media de presión ≥ 10 Pa
Traballo previsto feito
Base — o modelo detrás dos números
Todas as relacións que usa o simulador, coa súa fonte. As constantes marcadas como suposicións son calibracións ilustrativas.
A ISO 14644-1 fixa o límite de clase para cada tamaño de partícula; un paso de clase é un factor de dez. A 0,5 µm, a ISO 7 permite 352.000 partículas por metro cúbico.
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]
Nunha sala ben mesturada cada partícula que entra ou se desprende é diluída polo aire de impulsión e arrastrada fóra; o nivel estabilízase onde a xeración iguala a eliminación, 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]
Despois dunha perturbación o exceso decae exponencialmente ao ritmo de renovacións de aire: unha caída de 100 veces leva ln(100)/N horas, que é o que mide a proba de recuperación da ISO 14644-3.
As persoas son a fonte principal. Medias medidas para ≥0,5 µm: ao redor de 2,1 millóns por minuto con roupa de interior, ao redor de 1,0 millóns con vestimenta de sala branca; cada persoa e cada momento varía.
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]Suposto: o tamaño da sala, a capacidade da UTA, as extraccións fixas, a área de fugas, os tempos de porta e os volumes intercambiados, a potencia do ventilador, o illamento e o tamaño do compresor do conxelador, a capacidade calorífica dos racks, a exposición durante a manipulación, a liberación dos ocos do conxelador de reserva só en emerxencias e o límite do SOP de −60 °C son valores ilustrativos para un laboratorio xenérico; as leis físicas e as taxas de emisión publicadas son as citadas.
O aire do desfase escápase polas fendas das portas; a presión necesaria para empurralo medra co cadrado do caudal. Se as extraccións fixas toman máis do que deixa a impulsión, a sala pasa a negativa e aspira aire do corredor.
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]Suposto: o tamaño da sala, a capacidade da UTA, as extraccións fixas, a área de fugas, os tempos de porta e os volumes intercambiados, a potencia do ventilador, o illamento e o tamaño do compresor do conxelador, a capacidade calorífica dos racks, a exposición durante a manipulación, a liberación dos ocos do conxelador de reserva só en emerxencias e o límite do SOP de −60 °C son valores ilustrativos para un laboratorio xenérico; as leis físicas e as taxas de emisión publicadas son as citadas.
Unha porta aberta non ten diferenza de presión; cada abertura troca un pouco de aire do corredor coa sala. As aberturas curtas a través dunha esclusa intercambian moito menos.
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]Suposto: o tamaño da sala, a capacidade da UTA, as extraccións fixas, a área de fugas, os tempos de porta e os volumes intercambiados, a potencia do ventilador, o illamento e o tamaño do compresor do conxelador, a capacidade calorífica dos racks, a exposición durante a manipulación, a liberación dos ocos do conxelador de reserva só en emerxencias e o límite do SOP de −60 °C son valores ilustrativos para un laboratorio xenérico; as leis físicas e as taxas de emisión publicadas son as citadas.
A potencia do ventilador medra co cubo do caudal de aire: duplicar as renovacións leva ao redor de oito veces a potencia.
P = 0.45 kW·(Q_s / 1500 m³/h)³[8]Suposto: o tamaño da sala, a capacidade da UTA, as extraccións fixas, a área de fugas, os tempos de porta e os volumes intercambiados, a potencia do ventilador, o illamento e o tamaño do compresor do conxelador, a capacidade calorífica dos racks, a exposición durante a manipulación, a liberación dos ocos do conxelador de reserva só en emerxencias e o límite do SOP de −60 °C son valores ilustrativos para un laboratorio xenérico; as leis físicas e as taxas de emisión publicadas son as citadas.
Un conxelador sen o seu compresor quéntase como calquera corpo concentrado: rápido ao principio, despois máis lento a medida que se achega á temperatura ambiente. A constante de tempo τ = C/UA marca o reloxo.
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]Suposto: o tamaño da sala, a capacidade da UTA, as extraccións fixas, a área de fugas, os tempos de porta e os volumes intercambiados, a potencia do ventilador, o illamento e o tamaño do compresor do conxelador, a capacidade calorífica dos racks, a exposición durante a manipulación, a liberación dos ocos do conxelador de reserva só en emerxencias e o límite do SOP de −60 °C son valores ilustrativos para un laboratorio xenérico; as leis físicas e as taxas de emisión publicadas son as citadas.
Cada abertura substitúe o aire frío do armario por aire cálido e húmido da sala; a súa calor e a escarcha que deixa quentan o contido.
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]Suposto: o tamaño da sala, a capacidade da UTA, as extraccións fixas, a área de fugas, os tempos de porta e os volumes intercambiados, a potencia do ventilador, o illamento e o tamaño do compresor do conxelador, a capacidade calorífica dos racks, a exposición durante a manipulación, a liberación dos ocos do conxelador de reserva só en emerxencias e o límite do SOP de −60 °C son valores ilustrativos para un laboratorio xenérico; as leis físicas e as taxas de emisión publicadas son as citadas.
As mostras seguen o seu contorno con retraso; levar un rack polo aire da sala un par de minutos custa varios graos.
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]Suposto: o tamaño da sala, a capacidade da UTA, as extraccións fixas, a área de fugas, os tempos de porta e os volumes intercambiados, a potencia do ventilador, o illamento e o tamaño do compresor do conxelador, a capacidade calorífica dos racks, a exposición durante a manipulación, a liberación dos ocos do conxelador de reserva só en emerxencias e o límite do SOP de −60 °C son valores ilustrativos para un laboratorio xenérico; as leis físicas e as taxas de emisión publicadas son as citadas.
O xeo seco sublima a −78,5 °C e absorbe ao redor de 573 kJ por quilogramo: a arqueta permanece a esa temperatura ata que se acaba o xeo.
chest at −78.5 °C while ice remains; dm/dt = −(UA_chest·(T_amb + 78.5) + rack heat)/573 kJ/kg[10][11]Suposto: o tamaño da sala, a capacidade da UTA, as extraccións fixas, a área de fugas, os tempos de porta e os volumes intercambiados, a potencia do ventilador, o illamento e o tamaño do compresor do conxelador, a capacidade calorífica dos racks, a exposición durante a manipulación, a liberación dos ocos do conxelador de reserva só en emerxencias e o límite do SOP de −60 °C son valores ilustrativos para un laboratorio xenérico; as leis físicas e as taxas de emisión publicadas son as citadas.
Outras constantes de funcionamento que usa o modelo.
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/KSuposto: o tamaño da sala, a capacidade da UTA, as extraccións fixas, a área de fugas, os tempos de porta e os volumes intercambiados, a potencia do ventilador, o illamento e o tamaño do compresor do conxelador, a capacidade calorífica dos racks, a exposición durante a manipulación, a liberación dos ocos do conxelador de reserva só en emerxencias e o límite do SOP de −60 °C son valores ilustrativos para un laboratorio xenérico; as leis físicas e as taxas de emisión publicadas son as citadas.
Aleatoriedade: un xerador mulberry32 con semente; distribucións usadas — uniforme, exponencial (CDF inversa), normal (Box–Muller), Poisson (Knuth). A semente móstrase e pódese compartir.
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