🔬 Зертхана — таза бөлме ауасы және сынама тұтастығы Тірі модель
Сіз зертхана менеджерісіз. 75 m³ ISO 7 асептикалық бөлмені ауа өңдеу қондырғысы HEPA сүзгілері арқылы ауамен қамтамасыз етеді; адамдар бөлшек шығарады, есіктер дәліз ауасын кіргізеді, ал тартпа шкаф бөлменің артық қысымын ұрлауы мүмкін тұрақты сорғыны тартады. Дәлізде ультра-төмен температуралы мұздатқыш төрт сөре сынаманы −80 °C-та ұстайды. Әр бес минут сайын модель бөлмедегі бөлшектерді, есік саңылаулары арқылы ауа ағынын және мұздатқышқа ағатын жылуды теңестіреді. Тек оқу симуляциясы — GMP, сәйкестік немесе клиникалық кеңес емес.
Нені үйренесіз
Жақсы араласқан бөлме неге C = G/Q деңгейіне орнығады және e^(−N·t) түрінде қалпына келеді: адамдар деңгейді, ауа алмасу жылдамдықты белгілейді.
Қысым каскады шын мәнінде қалай жұмыс істейді: беру мен сорғы арасындағы офсет, есік саңылаулары арқылы квадраттық заң және ашық есіктер мен тұрақты тартпа шкаф сорғысы оған не істейді.
Істен шыққан −80 °C мұздатқыш қаншалықты тез жылынады (Ньютон заңы) және сынамаларды шекте емес, дабыл кезінде әрекет ету неге құтқарады.
Симулятор
Уақыт 0 мин
✓Сөре −70 °C немесе одан төмен
!Сөре −70 пен −60 °C арасында
⚠Сөре −60 °C-тан жоғары (ауытқу)
◍Таза бөлме комбинезонындағы адам
○Лабораториялық халаттағы адам
•Ауадағы бөлшектер (логарифмдік шкала)
❄Компрессор жұмыс істеп тұр / тартпа шкаф қолданыста
✕Компрессор тоқтады / тартпа шкаф күту режимінде
Басқару элементтері
Төбедегі HEPA сүзгілері арқылы берілетін ауа. Ауа көп болған сайын бөлшектер жылдамырақ сұйылып тазарады, бірақ желдеткіш қуаты ағынның кубымен өседі. Нашарлаған қондырғы сіз сұраған мөлшерді бере алмайды.
Әркім бөлшек шығарады; кірген немесе шыққан әркім есікті ашады. Адам аз болса, орындалатын жұмыс та аз болады.
Таза бөлме комбинезондары үй киімінің үстіндегі лабораториялық халатпен салыстырғанда адам шығаратын ≥0.5 µm бөлшектерді шамамен екі есе азайтады. Ауыстыру шамамен 10 минут алады.
Бір мезгілде тек бір шлюз есігі және қысқа ашулар: 40 с және 2 m³ орнына ашу сайын шамамен 10 с және 0.5 m³ дәліз ауасы. Шлюзде күту аздап уақыт алады.
Сорғы беруден осы офсетті алып тастағанды ұстанады, ол есік саңылаулары арқылы шығып, бөлмені дәліздің үстінде ұстайды. Сорғы тартпа шкаф пен қауіпсіздік шкафының өз сорғысынан ешқашан төмен түспейді.
Тұрақты сорғыны 1100-ден 500 m³/h-қа дейін азайтып, бөлменің артық қысымы үшін ауа босатады. Тартпа шкафты қажет ететін жұмыс күтеді.
Күнделікті және қызығушылықпен ашуды тоқтатады. Әр ашу шкаф ауасын бөлме ауасымен ауыстырады.
Қызметкерді шақыру уақыты өткен соң (түнде ұзағырақ) сөрелерді резервтік мұздатқыштың бос орындарына көшіреді. Бұл орындар — ғимараттың авариялық резерві, тек ақаулы немесе дабыл берген мұздатқыш үшін ғана босатылады — мұздатқыш әлі −80 °C ұстап тұрғанда жасалған сұраныс қабылданбайды. Әр сөре жолда бөлме ауасында шамамен екі минут болады.
Мұздатқышта қалған сөрелерді құрғақ мұзы бар оқшауланған жәшіктерге оралады (әр сөреге 10 kg, қор жеткенше). Мұз қалғанша жәшік −78.5 °C ұстайды.
Көрсеткіштер
Бөлме сыныбы (ISO 14644-1, ≥0.5 µm)
6,86
ескерту
Дәлізге қатысты қысым айырмасы (уақыт бойынша орташа)
12,4Pa
қалыпты
Ең жылы сынама сөресі
-80,0°C
қалыпты
−60 °C-тан жоғары сынама ауытқуы (сөре-минут)
0min
қалыпты
Бөлшектер ≥0.5 µm
256 k/m³
Берілген ауа алмасу
20 1/h
Беру желдеткішінің қуаты
0,45 kW
Бөлмедегі адамдар
3
Жоспармен салыстырғанда орындалған жұмыс
0 % · сыни
Қысым айырмасы, есіктер жабық
12,4 Pa
Осы кезеңдегі есік ашулар
0
Мұздатқыш шкафының температурасы
-80,0 °C
Қалған құрғақ мұз
20,0 kg
Әлі мұздатқыштағы сөрелер
4
Тренд
Дағдарыс сценарийлері
1-деңгей · Асептикалық қадамға дейін сыныпқа оралу
Сағат 08:00. Түні бойы бөлме тартпа шкаф күту режимінде сағатына 5 ауа алмасумен энергия үнемдейтін setback-те жұмыс істеді, ал көше киіміндегі мердігер ішінде жұмысты жаңа ғана аяқтады: есептегіш m³-ке шамамен 3 миллион бөлшекті көрсетеді. Лабораториялық халаттағы алты адам дайындалуда. 08:30-да үш адамдық топ бөлме 10:00-ге дейін ISO 7 немесе одан жақсы болуын талап ететін асептикалық қадамды бастайды. Топты бөлмеде ұстаңыз және желдеткіш шотын ақылға қонымды етіңіз.
Бүкіл қадам бойы бөлме ISO 7 немесе одан жақсы
Қадам кезінде бөлмеде кемінде үш адам
Беру желдеткішінің орташа қуаты ≤ 0.6 kW
2-деңгей · Түнде мұздатқыштың істен шығуы
Сағат 21:00, сіз кезекшісіз. −80 °C мұздатқышта алмастырылмайтын сынамалардың төрт сөресі бар. Шамамен 22:00-де оның компрессоры тоқтайды; сервис маманы тек 07:30-да келе алады. Резервтік мұздатқышта екі сөреге орын бар — бұл ғимараттың авариялық резерві, тек ақаулы немесе дабыл берген мұздатқыш үшін ғана босатылады — және орында 20 kg құрғақ мұз бар, екі жәшікке жетеді. Не сұрасаңыз да, алдымен біреу келуі керек: түнде шамамен 30 минут. Күзет айналымы мұздатқыштың ішіне анда-санда қарап шығады. Зертхананың SOP-ы бойынша ешбір сынама −60 °C-тан жоғары жылынбауы тиіс, ал топ қауіпсіздік қорын сұрайды: сөрелер ешқашан −68 °C-тан жылы болмауы керек.
Түні бойы ешбір сөре −60 °C-тан жоғары емес
Соңында ауытқу минуттары жоқ
Сөрелер ешқашан −68 °C-тан жылы емес (қауіпсіздік қоры)
3-деңгей · Әлсіз ауа өңдегіш, лық толы бөлме
Төрт сағаттық практикалық оқу сессиясында бөлмеде лабораториялық халаттағы жеті адам бар және дәліз есігі арқылы келушілердің тұрақты ағыны өтіп жатыр. Он минуттан кейін беру желдеткіші істен шыға бастайды: ертеңгі жөндеуге дейін ол сыйымдылығының тек 40 %-ын (сағатына 16 ауа алмасу) бере алады. Тартпа шкаф қолданыста және 1100 m³/h тұрақты сорғыны тартады. Бөлмені ISO 7-де ұстаңыз, дәліздің үстінде кемінде 10 Pa ұстаңыз және жоспарланған жұмысты аяқтаңыз.
Бөлме ISO 7 немесе одан жақсы
Орташа қысым айырмасы ≥ 10 Pa
Жоспарланған жұмыс орындалды
Негіз — сандар артындағы модель
Симулятор қолданатын әрбір қатынас өз дереккөзімен. Жорамал деп белгіленген тұрақтылар — көрнекі калибрлеулер.
ISO 14644-1 әр бөлшек өлшемі үшін сынып шегін белгілейді; бір сынып қадамы он есе. 0.5 µm кезінде ISO 7 текше метрге 352 000 бөлшекке рұқсат береді.
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]
Жақсы араласқан бөлмеде кірген немесе шыққан әр бөлшек беру ауасымен сұйылтылып сыртқа шығарылады; деңгей түзілу мен шығарылу тең болған жерге орнығады, 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]
Ауытқудан кейін артық ауа алмасу қарқынымен экспоненциалды түрде азаяды: 100 есе төмендеу ln(100)/N сағат алады, бұл ISO 14644-3 қалпына келу сынағы өлшейтін нәрсе.
Адамдар — негізгі көз. ≥0.5 µm үшін өлшенген орташалар: үй киімінде минутына шамамен 2.1 миллион, таза бөлме киімінде шамамен 1.0 миллион; әр адам мен әр сәт әртүрлі.
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]Болжам: бөлме өлшемі, AHU қуаты, тұрақты сорғылар, ағу ауданы, есік уақыттары мен алмасатын көлемдер, желдеткіш қуаты, мұздатқыштың оқшаулауы мен компрессор өлшемі, сөрелердің жылу сыйымдылығы, тасымалдау кезіндегі әсер, резервтік мұздатқыш орындарының тек авариялық жағдайда босатылуы және SOP-тағы −60 °C шегі жалпы зертхана үшін алынған мысал мәндер; физикалық заңдар мен жарияланған шашырау қарқындары келтірілгендей.
Офсет ауасы есік саңылаулары арқылы шығады; оны итеру үшін қажетті қысым ағынның квадратымен өседі. Тұрақты сорғылар берудің қалдырғанынан көп алса, бөлме теріс болып, дәліз ауасын ішке тартады.
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]Болжам: бөлме өлшемі, AHU қуаты, тұрақты сорғылар, ағу ауданы, есік уақыттары мен алмасатын көлемдер, желдеткіш қуаты, мұздатқыштың оқшаулауы мен компрессор өлшемі, сөрелердің жылу сыйымдылығы, тасымалдау кезіндегі әсер, резервтік мұздатқыш орындарының тек авариялық жағдайда босатылуы және SOP-тағы −60 °C шегі жалпы зертхана үшін алынған мысал мәндер; физикалық заңдар мен жарияланған шашырау қарқындары келтірілгендей.
Ашық есіктің қысым айырмасы жоқ; әр ашу дәліз ауасының біразын бөлмеге ауыстырады. Шлюз арқылы қысқа ашулар әлдеқайда аз ауыстырады.
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]Болжам: бөлме өлшемі, AHU қуаты, тұрақты сорғылар, ағу ауданы, есік уақыттары мен алмасатын көлемдер, желдеткіш қуаты, мұздатқыштың оқшаулауы мен компрессор өлшемі, сөрелердің жылу сыйымдылығы, тасымалдау кезіндегі әсер, резервтік мұздатқыш орындарының тек авариялық жағдайда босатылуы және SOP-тағы −60 °C шегі жалпы зертхана үшін алынған мысал мәндер; физикалық заңдар мен жарияланған шашырау қарқындары келтірілгендей.
Желдеткіш қуаты ауа ағынының кубымен өседі: ауа алмасуды екі есе арттыру шамамен сегіз есе қуатты қажет етеді.
P = 0.45 kW·(Q_s / 1500 m³/h)³[8]Болжам: бөлме өлшемі, AHU қуаты, тұрақты сорғылар, ағу ауданы, есік уақыттары мен алмасатын көлемдер, желдеткіш қуаты, мұздатқыштың оқшаулауы мен компрессор өлшемі, сөрелердің жылу сыйымдылығы, тасымалдау кезіндегі әсер, резервтік мұздатқыш орындарының тек авариялық жағдайда босатылуы және SOP-тағы −60 °C шегі жалпы зертхана үшін алынған мысал мәндер; физикалық заңдар мен жарияланған шашырау қарқындары келтірілгендей.
Компрессорсыз мұздатқыш кез келген жинақталған дене сияқты жылынады: алғашында тез, бөлме температурасына жақындаған сайын баяу. Уақыт тұрақтысы τ = C/UA сағатты белгілейді.
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]Болжам: бөлме өлшемі, AHU қуаты, тұрақты сорғылар, ағу ауданы, есік уақыттары мен алмасатын көлемдер, желдеткіш қуаты, мұздатқыштың оқшаулауы мен компрессор өлшемі, сөрелердің жылу сыйымдылығы, тасымалдау кезіндегі әсер, резервтік мұздатқыш орындарының тек авариялық жағдайда босатылуы және SOP-тағы −60 °C шегі жалпы зертхана үшін алынған мысал мәндер; физикалық заңдар мен жарияланған шашырау қарқындары келтірілгендей.
Әр ашу суық шкаф ауасын жылы, ылғалды бөлме ауасымен ауыстырады; оның жылуы және қалдыратын қырауы мазмұнды қыздырады.
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]Болжам: бөлме өлшемі, AHU қуаты, тұрақты сорғылар, ағу ауданы, есік уақыттары мен алмасатын көлемдер, желдеткіш қуаты, мұздатқыштың оқшаулауы мен компрессор өлшемі, сөрелердің жылу сыйымдылығы, тасымалдау кезіндегі әсер, резервтік мұздатқыш орындарының тек авариялық жағдайда босатылуы және SOP-тағы −60 °C шегі жалпы зертхана үшін алынған мысал мәндер; физикалық заңдар мен жарияланған шашырау қарқындары келтірілгендей.
Сынамалар айналасын кешігумен ізбе-із қуады; сөрені бөлме ауасымен бір-екі минут алып жүру бірнеше градусқа түседі.
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]Болжам: бөлме өлшемі, AHU қуаты, тұрақты сорғылар, ағу ауданы, есік уақыттары мен алмасатын көлемдер, желдеткіш қуаты, мұздатқыштың оқшаулауы мен компрессор өлшемі, сөрелердің жылу сыйымдылығы, тасымалдау кезіндегі әсер, резервтік мұздатқыш орындарының тек авариялық жағдайда босатылуы және SOP-тағы −60 °C шегі жалпы зертхана үшін алынған мысал мәндер; физикалық заңдар мен жарияланған шашырау қарқындары келтірілгендей.
Құрғақ мұз −78.5 °C-та сублимацияланады және килограммына шамамен 573 kJ сіңіреді: мұз біткенше жәшік сол температурада қалады.
chest at −78.5 °C while ice remains; dm/dt = −(UA_chest·(T_amb + 78.5) + rack heat)/573 kJ/kg[10][11]Болжам: бөлме өлшемі, AHU қуаты, тұрақты сорғылар, ағу ауданы, есік уақыттары мен алмасатын көлемдер, желдеткіш қуаты, мұздатқыштың оқшаулауы мен компрессор өлшемі, сөрелердің жылу сыйымдылығы, тасымалдау кезіндегі әсер, резервтік мұздатқыш орындарының тек авариялық жағдайда босатылуы және SOP-тағы −60 °C шегі жалпы зертхана үшін алынған мысал мәндер; физикалық заңдар мен жарияланған шашырау қарқындары келтірілгендей.
Модель қолданатын басқа пайдалану тұрақтылары.
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/KБолжам: бөлме өлшемі, AHU қуаты, тұрақты сорғылар, ағу ауданы, есік уақыттары мен алмасатын көлемдер, желдеткіш қуаты, мұздатқыштың оқшаулауы мен компрессор өлшемі, сөрелердің жылу сыйымдылығы, тасымалдау кезіндегі әсер, резервтік мұздатқыш орындарының тек авариялық жағдайда босатылуы және SOP-тағы −60 °C шегі жалпы зертхана үшін алынған мысал мәндер; физикалық заңдар мен жарияланған шашырау қарқындары келтірілгендей.
Кездейсоқтық: seed бар mulberry32 генераторы; қолданылатын үлестірімдер — біркелкі, экспоненциалды (кері CDF), қалыпты (Box–Muller), Пуассон (Knuth). Seed көрсетіледі және оны бөлісуге болады.
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