🔬 מעבדה — אוויר חדר נקי ושלמות דגימות מודל חי

בסיס — המודל שמאחורי המספרים

כל יחס שהסימולטור משתמש בו, עם המקור שלו. קבועים המסומנים כהנחות הם כיולים להמחשה.

ISO 14644-1 קובע את גבול המחלקה לכל גודל חלקיק; צעד של מחלקה אחת הוא פי עשרה. ב-0.5 µm, ISO 7 מתיר 352 000 חלקיקים למטר מעוקב.

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]

בחדר מעורבב היטב כל חלקיק שנכנס או מושר מדולל באוויר האספקה ויוצא החוצה; הרמה מתייצבת במקום שבו היצירה שווה להוצאה, 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]

אחרי הפרעה העודף דועך מעריכית בקצב חילופי האוויר: ירידה פי 100 אורכת ln(100)/N שעות, וזה מה שבדיקת ההתאוששות של ISO 14644-3 מודדת.

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]

אנשים הם המקור העיקרי. ממוצעים שנמדדו ל-≥0.5 µm: כ-2.1 מיליון לדקה בבגדים רגילים, כ-1.0 מיליון בביגוד לחדר נקי; כל אדם וכל רגע שונים.

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]הנחה: גודל החדר, קיבולת ה-AHU, היניקות הקבועות, שטח הדליפה, זמני הדלתות והנפחים המוחלפים, הספק המאוורר, הבידוד של המקפיא וגודל הקומפרסור, קיבול החום של המתלים, החשיפה בזמן הטיפול, שחרור המשבצות של מקפיא הגיבוי רק לחירום וגבול ה-SOP של −60 °C הם ערכים להמחשה עבור מעבדה כללית; החוקים הפיזיקליים ושיעורי הפיזור שפורסמו הם כפי שצוטטו.

האוויר של ההפרש דולף החוצה דרך סדקי הדלת; הלחץ הדרוש כדי לדחוף אותו דרכם גדל בריבוע הספיקה. אם היניקות הקבועות לוקחות יותר מהאספקה, החדר נעשה בלחץ שלילי ושואב אוויר מהמסדרון פנימה.

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]הנחה: גודל החדר, קיבולת ה-AHU, היניקות הקבועות, שטח הדליפה, זמני הדלתות והנפחים המוחלפים, הספק המאוורר, הבידוד של המקפיא וגודל הקומפרסור, קיבול החום של המתלים, החשיפה בזמן הטיפול, שחרור המשבצות של מקפיא הגיבוי רק לחירום וגבול ה-SOP של −60 °C הם ערכים להמחשה עבור מעבדה כללית; החוקים הפיזיקליים ושיעורי הפיזור שפורסמו הם כפי שצוטטו.

לדלת פתוחה אין הפרש לחץ; כל פתיחה מחליפה מעט אוויר מסדרון בחדר. פתיחות קצרות דרך אירלוק מחליפות הרבה פחות.

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]הנחה: גודל החדר, קיבולת ה-AHU, היניקות הקבועות, שטח הדליפה, זמני הדלתות והנפחים המוחלפים, הספק המאוורר, הבידוד של המקפיא וגודל הקומפרסור, קיבול החום של המתלים, החשיפה בזמן הטיפול, שחרור המשבצות של מקפיא הגיבוי רק לחירום וגבול ה-SOP של −60 °C הם ערכים להמחשה עבור מעבדה כללית; החוקים הפיזיקליים ושיעורי הפיזור שפורסמו הם כפי שצוטטו.

הספק המאוורר גדל בחזקה שלישית של ספיקת האוויר: הכפלת חילופי האוויר דורשת פי שמונה מההספק.

P = 0.45 kW·(Q_s / 1500 m³/h)³[8]הנחה: גודל החדר, קיבולת ה-AHU, היניקות הקבועות, שטח הדליפה, זמני הדלתות והנפחים המוחלפים, הספק המאוורר, הבידוד של המקפיא וגודל הקומפרסור, קיבול החום של המתלים, החשיפה בזמן הטיפול, שחרור המשבצות של מקפיא הגיבוי רק לחירום וגבול ה-SOP של −60 °C הם ערכים להמחשה עבור מעבדה כללית; החוקים הפיזיקליים ושיעורי הפיזור שפורסמו הם כפי שצוטטו.

מקפיא בלי הקומפרסור שלו מתחמם כמו כל גוף מקובץ: מהר בהתחלה, ואז לאט יותר ככל שהוא מתקרב לטמפרטורת החדר. קבוע הזמן τ = C/UA קובע את השעון.

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]הנחה: גודל החדר, קיבולת ה-AHU, היניקות הקבועות, שטח הדליפה, זמני הדלתות והנפחים המוחלפים, הספק המאוורר, הבידוד של המקפיא וגודל הקומפרסור, קיבול החום של המתלים, החשיפה בזמן הטיפול, שחרור המשבצות של מקפיא הגיבוי רק לחירום וגבול ה-SOP של −60 °C הם ערכים להמחשה עבור מעבדה כללית; החוקים הפיזיקליים ושיעורי הפיזור שפורסמו הם כפי שצוטטו.

כל פתיחה מחליפה את אוויר הארון הקר באוויר חם ולח של החדר; החום שלו והכפור שהוא משאיר מחממים את התכולה.

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]הנחה: גודל החדר, קיבולת ה-AHU, היניקות הקבועות, שטח הדליפה, זמני הדלתות והנפחים המוחלפים, הספק המאוורר, הבידוד של המקפיא וגודל הקומפרסור, קיבול החום של המתלים, החשיפה בזמן הטיפול, שחרור המשבצות של מקפיא הגיבוי רק לחירום וגבול ה-SOP של −60 °C הם ערכים להמחשה עבור מעבדה כללית; החוקים הפיזיקליים ושיעורי הפיזור שפורסמו הם כפי שצוטטו.

דגימות עוקבות אחר סביבתן בפיגור; נשיאת מתלה באוויר החדר כמה דקות עולה בכמה מעלות.

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]הנחה: גודל החדר, קיבולת ה-AHU, היניקות הקבועות, שטח הדליפה, זמני הדלתות והנפחים המוחלפים, הספק המאוורר, הבידוד של המקפיא וגודל הקומפרסור, קיבול החום של המתלים, החשיפה בזמן הטיפול, שחרור המשבצות של מקפיא הגיבוי רק לחירום וגבול ה-SOP של −60 °C הם ערכים להמחשה עבור מעבדה כללית; החוקים הפיזיקליים ושיעורי הפיזור שפורסמו הם כפי שצוטטו.

קרח יבש מתנדף ב-−78.5 °C וסופג כ-573 kJ לכל קילוגרם: הארגז נשאר בטמפרטורה הזאת עד שהקרח נגמר.

chest at −78.5 °C while ice remains; dm/dt = −(UA_chest·(T_amb + 78.5) + rack heat)/573 kJ/kg[10][11]הנחה: גודל החדר, קיבולת ה-AHU, היניקות הקבועות, שטח הדליפה, זמני הדלתות והנפחים המוחלפים, הספק המאוורר, הבידוד של המקפיא וגודל הקומפרסור, קיבול החום של המתלים, החשיפה בזמן הטיפול, שחרור המשבצות של מקפיא הגיבוי רק לחירום וגבול ה-SOP של −60 °C הם ערכים להמחשה עבור מעבדה כללית; החוקים הפיזיקליים ושיעורי הפיזור שפורסמו הם כפי שצוטטו.

קבועי הפעלה נוספים שבהם משתמש המודל.

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/Kהנחה: גודל החדר, קיבולת ה-AHU, היניקות הקבועות, שטח הדליפה, זמני הדלתות והנפחים המוחלפים, הספק המאוורר, הבידוד של המקפיא וגודל הקומפרסור, קיבול החום של המתלים, החשיפה בזמן הטיפול, שחרור המשבצות של מקפיא הגיבוי רק לחירום וגבול ה-SOP של −60 °C הם ערכים להמחשה עבור מעבדה כללית; החוקים הפיזיקליים ושיעורי הפיזור שפורסמו הם כפי שצוטטו.

אקראיות: מחולל mulberry32 עם זרע; ההתפלגויות שבשימוש — אחידה, מעריכית (CDF הפוך), נורמלית (Box–Muller), פואסון (Knuth). הזרע מוצג וניתן לשיתוף.

מקורות

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