🔬 Labo — Cleanroom-Loft an Intégritéit vun de Proben Live-Modell
Dir sidd de Laborleiter. Eng aseptesch ISO-7-Suite vu 75 m³ gëtt vun enger Loftbehandlungsunitéit duerch HEPA-Filtere gespeist; d'Leit ginn Partikele of, d'Diere loossen Gangloft eran, an den Abzuch zitt eng fix Ofluecht, déi dem Raum säin Iwwerdrock ka klauen. Um Gang hält en Ultratiefkillschaf véier Racke vu Proben bei −80 °C. All fënnef Minutte bilanzéiert de Modell d'Partikele am Raum, de Loftduerchfloss duerch d'Dierespalten an d'Wärem, déi an d'Tiefkillschaf fléisst. Nëmmen eng Léier-Simulatioun — keng GMP-, Compliance- oder klinesch Berodung.
Wat Dir léiere wäert
Firwat e gutt duerchmëschte Raum sech bei C = G/Q astellt a sech wéi e^(−N·t) erhuelt: d'Leit bestëmmen de Wäert, d'Loftwiessel d'Vitess.
Wéi eng Drockkaskad wierklech funktionéiert: den Offset tëscht Zouluecht an Ofluecht, d'Quadratgesetz duerch Dierespalten, a wat oppen Diere an eng fix Abzuchofluecht domat maachen.
Wéi séier e ausgefalent −80-°C-Tiefkillschaf sech opwiermt (Newton säi Gesetz), a firwat d'Proben duerch Handelen beim Alarm gerett ginn, net bei der Limit.
Simulator
Zäit 0 min
✓Rack bei oder ënner −70 °C
!Rack tëscht −70 an −60 °C
⚠Rack iwwer −60 °C (Excursioun)
◍Persoun an engem Cleanroom-Overall
○Persoun an engem Laborkittel
•Partikelen an der Loft (logaritmesch Skala)
❄Kompressor leeft / Abzuch an der Benotzung
✕Kompressor gestoppt / Abzuch am Standby
Reegler
Zouluecht duerch d'HEPA-Filtere an der Plafong. Méi Loft verdënnt a raimt d'Partikele méi séier, awer d'Ventilatorleeschtung klëmmt mat der drëtter Potenz vum Volumenstroum. Eng degradéiert Unitéit kann net liwweren, wat Dir ufrot.
All Mënsch gëtt Partikele of; jiddereen, deen eran- oder erauskënnt, mécht d'Dier op. Manner Leit heescht och manner gemaach Aarbecht.
Cleanroom-Overallen halbéieren ongeféier d'≥0,5-µm-Partikelen, déi e Mënsch ofgëtt, am Verglach mat engem Laborkittel iwwer Alldagskleedung. D'Ëmzéie dauert ongeféier 10 Minutten.
Eng Schleisendier nom aneren a kuerz Openungen: ongeféier 10 s an 0,5 m³ Gangloft pro Openung amplaz vu 40 s an 2 m³. Waarde bei der Schleis kascht e bësse Zäit.
D'Ofluecht follegt der Zouluecht minus dësem Offset; dee Rescht leckt duerch d'Dierespalten erausen a hält de Raum iwwer dem Gang. D'Ofluecht ka ni ënner déi eege Ofluecht vum Abzuch an der Sécherheetswerkbank falen.
Senkt déi fix Ofluecht vun 1100 op 500 m³/h a mécht Loft fir den Iwwerdrock vum Raum fräi. Aarbecht, déi den Abzuch brauch, muss waarden.
Stoppt Routine- an Neigierdsopmaachen. All Openung ersetzt d'Loft am Schaf duerch Raumloft.
Réckelt Racken an déi fräi Plaze vum Reserve-Tiefkillschaf no der Alarméierungszäit (nuets méi laang). D'Plaze sinn d'Noutreserve vum Gebai a gi just fir en Tiefkillschaf mat Panne oder Alarm fräiginn — eng Ufro, soulaang et nach −80 °C hält, gëtt ofgeleent. All Rack verbréngt ënnerwee ongeféier zwou Minutten an der Raumloft.
Packt déi nach verbleiwend Gefrierracken an isoléiert Këschte mat Dréchenäis (10 kg pro Rack, sou wäit de Stock geet). D'Këscht hält −78,5 °C, solaang Äis do ass.
Indikatoren
Raumklass (ISO 14644-1, ≥0,5 µm)
6,86
Warnung
Drockënnerscheed zum Gang (Zäitmëttel)
12,4Pa
normal
Wiermste Probenrack
-80,0°C
normal
Probenexcursioun iwwer −60 °C (Rack-Minutten)
0min
normal
Partikelen ≥0,5 µm
256 k/m³
Geliwwert Loftwiessel
20 1/h
Leeschtung vum Zouluechtventilator
0,45 kW
Leit an der Suite
3
Gemaach Aarbecht vs. Plang
0 % · kritesch
Drockënnerscheed, Diere zou
12,4 Pa
Dieropmaachen an dëser Period
0
Temperatur am Tiefkillschaf
-80,0 °C
Dréchenäis iwwreg
20,0 kg
Racken nach am Tiefkillschaf
4
Tendenz
Kriszeszenarien
Niveau 1 · Zréck an d'Klass virum aseptesche Schrëtt
Et ass 08:00. Iwwer Nuecht ass d'Suite am Energiespuermodus mat 5 Loftwiessel pro Stonn gelaf, mam Abzuch am Standby, an en Handwierker a Stroossekleeder huet grad d'Aarbecht dobannen ofgeschloss: de Zieler weist ongeféier 3 Millioune Partikelen pro m³. Sechs Leit a Laborkittel baue sech op. Um 08:30 fänkt en Dräierteam en aseptesche Schrëtt un, dee de Raum bei ISO 7 oder besser bis 10:00 brauch. Haalt d'Equipe am Raum an d'Ventilatorrechnung vernünfteg.
Raum bei ISO 7 oder besser während dem ganze Schrëtt
Op d'mannst dräi Leit an der Suite während dem Schrëtt
Duerchschnëttlech Leeschtung vum Zouluechtventilator ≤ 0,6 kW
Niveau 2 · Ausfall vum Tiefkillschaf an der Nuecht
Et ass 21:00 an Dir hutt Bereetschaft. Am −80-°C-Tiefkillschaf sinn véier Racke mat onersetzleche Proben. Géint 22:00 bleift säi Kompressor stoen; den Servicetechniker kann eréischt um 07:30 kommen. D'Reserve-Tiefkillschaf huet Plaz fir zwee Racken — d'Noutreserve vum Gebai, déi just fir en Tiefkillschaf mat Panne oder Alarm fräiginn gëtt — an et sinn 20 kg Dréchenäis op der Plaz, genuch fir zwou Këschten. Wat Dir och ufrot, als éischt muss een erakommen: nuets ongeféier 30 Minutten. D'Sécherheetsronn kuckt vun Zäit zu Zäit an den Tiefkillschaf. D'SOP vum Labo seet, datt keng Prouf iwwer −60 °C goe darf, an d'Grupp freet no enger Sécherheetsmarge: Racke solle ni méi waarm si wéi −68 °C.
Kee Rack iwwer −60 °C déi ganz Nuecht
Keng Excursiounsminutten um Enn
Racken ni méi waarm wéi −68 °C (Sécherheetsmarge)
Niveau 3 · Schwaache Loftbehandler, voll Raum
Eng véierstonneg praktesch Formatioun huet siwe Leit a Laborkittel an der Suite an e stännege Stroum vu Visiteuren duerch d'Gangdier. Zéng Minutten dran fänkt de Zouluechtventilator un auszefalen: en kann nëmmen nach 40 % vu senger Kapazitéit liwweren (16 Loftwiessel pro Stonn), bis muer eng Reparatur erfollegt. Den Abzuch ass an der Benotzung a zitt 1100 m³/h fix Ofluecht. Haalt de Raum bei ISO 7, haalt op d'mannst 10 Pa iwwer dem Gang, a kritt déi geplangten Aarbecht gemaach.
Raum bei ISO 7 oder besser
Duerchschnëttlechen Drockënnerscheed ≥ 10 Pa
Geplangten Aarbecht gemaach
Basis — de Modell hannert de Zuelen
All Relatioun, déi de Simulator notzt, mat hirer Quell. Konstanten, déi als Annahme markéiert sinn, si Beispillkalibréierungen.
ISO 14644-1 setzt d'Klassegrenz fir all Partikelgréisst; ee Klasseschrëtt ass e Facteur vun zéng. Bei 0,5 µm erlaabt ISO 7 352 000 Partikelen 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]
An engem gutt duerchmëschte Raum gëtt all Partikel, dee ukënnt oder ofgi gëtt, vun der Zouluecht verdënnt an erausgedroen; de Wäert stellt sech do an, wou Generatioun gläich Ofdroe ass, 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]
No enger Stéierung fält den Iwwerschoss exponentiell mat der Loftwiesselrate of: e 100-facht Ofnehmen dauert ln(100)/N Stonnen, wat den ISO-14644-3-Erhuelungstest mësst.
D'Leit sinn déi Haaptquell. Gemoossen Duerchschnëtter fir ≥0,5 µm: ongeféier 2,1 Millioune pro Minutt an Alldagskleedung, ongeféier 1,0 Millioun a Cleanroom-Kleedung; all Persoun a all Moment variéiert.
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]Annahm: Raumgréisst, AHU-Kapazitéit, fix Ofluechten, Leckfläch, Dierenzäiten an ausgetosche Volumen, Ventilatorleeschtung, Isolatioun vum Tiefkillschaf a Kompressorgréisst, Wärmekapazitéit vun de Racken, Expositioun bei der Handhabung, d'Fräigabe vun de Plaze vum Reserve-Tiefkillschaf nëmmen am Noutfall an d'−60-°C-SOP-Limit si Beispillwäerter fir e generescht Labo; d'Gesetzer vun der Physik an déi publizéiert Dispersiounsraten si wéi zitéiert.
D'Offsetloft leckt duerch d'Dierespalten erausen; den Drock, deen noutwendeg ass, fir se duerchzedrécken, wiisst mam Quadrat vum Duerchfloss. Wann fix Ofluechten méi huelen, wéi d'Zouluecht iwwreg léisst, gëtt de Raum negativ a zitt Gangloft eran.
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]Annahm: Raumgréisst, AHU-Kapazitéit, fix Ofluechten, Leckfläch, Dierenzäiten an ausgetosche Volumen, Ventilatorleeschtung, Isolatioun vum Tiefkillschaf a Kompressorgréisst, Wärmekapazitéit vun de Racken, Expositioun bei der Handhabung, d'Fräigabe vun de Plaze vum Reserve-Tiefkillschaf nëmmen am Noutfall an d'−60-°C-SOP-Limit si Beispillwäerter fir e generescht Labo; d'Gesetzer vun der Physik an déi publizéiert Dispersiounsraten si wéi zitéiert.
Eng oppen Dier huet keen Drockënnerscheed; all Openung tauscht e bëssen Gangloft an de Raum aus. Kuerz Openungen duerch eng Schleis tauschen vill manner aus.
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]Annahm: Raumgréisst, AHU-Kapazitéit, fix Ofluechten, Leckfläch, Dierenzäiten an ausgetosche Volumen, Ventilatorleeschtung, Isolatioun vum Tiefkillschaf a Kompressorgréisst, Wärmekapazitéit vun de Racken, Expositioun bei der Handhabung, d'Fräigabe vun de Plaze vum Reserve-Tiefkillschaf nëmmen am Noutfall an d'−60-°C-SOP-Limit si Beispillwäerter fir e generescht Labo; d'Gesetzer vun der Physik an déi publizéiert Dispersiounsraten si wéi zitéiert.
D'Ventilatorleeschtung wiisst mat der drëtter Potenz vum Loftduerchfloss: d'Loftwiessel verduebelen brauch ongeféier aachtmol d'Leeschtung.
P = 0.45 kW·(Q_s / 1500 m³/h)³[8]Annahm: Raumgréisst, AHU-Kapazitéit, fix Ofluechten, Leckfläch, Dierenzäiten an ausgetosche Volumen, Ventilatorleeschtung, Isolatioun vum Tiefkillschaf a Kompressorgréisst, Wärmekapazitéit vun de Racken, Expositioun bei der Handhabung, d'Fräigabe vun de Plaze vum Reserve-Tiefkillschaf nëmmen am Noutfall an d'−60-°C-SOP-Limit si Beispillwäerter fir e generescht Labo; d'Gesetzer vun der Physik an déi publizéiert Dispersiounsraten si wéi zitéiert.
E Tiefkillschaf ouni Kompressor wiermt sech op wéi all konzentréierte Kierper: am Ufank séier, dann méi lues, wann et sech der Raumtemperatur närt. D'Zäitkonstant τ = C/UA gëtt den Takt un.
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]Annahm: Raumgréisst, AHU-Kapazitéit, fix Ofluechten, Leckfläch, Dierenzäiten an ausgetosche Volumen, Ventilatorleeschtung, Isolatioun vum Tiefkillschaf a Kompressorgréisst, Wärmekapazitéit vun de Racken, Expositioun bei der Handhabung, d'Fräigabe vun de Plaze vum Reserve-Tiefkillschaf nëmmen am Noutfall an d'−60-°C-SOP-Limit si Beispillwäerter fir e generescht Labo; d'Gesetzer vun der Physik an déi publizéiert Dispersiounsraten si wéi zitéiert.
All Openung ersetzt déi kal Loft am Schaf duerch waarm, fiicht Raumloft; hir Wärem an de Reif, deen se hannerléisst, wiermen den Inhalt op.
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]Annahm: Raumgréisst, AHU-Kapazitéit, fix Ofluechten, Leckfläch, Dierenzäiten an ausgetosche Volumen, Ventilatorleeschtung, Isolatioun vum Tiefkillschaf a Kompressorgréisst, Wärmekapazitéit vun de Racken, Expositioun bei der Handhabung, d'Fräigabe vun de Plaze vum Reserve-Tiefkillschaf nëmmen am Noutfall an d'−60-°C-SOP-Limit si Beispillwäerter fir e generescht Labo; d'Gesetzer vun der Physik an déi publizéiert Dispersiounsraten si wéi zitéiert.
D'Proben follegen hirer Ëmgéigend mat enger Verzögerung; e Rack e puer Minutten duerch Raumloft ze droen kascht e puer 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]Annahm: Raumgréisst, AHU-Kapazitéit, fix Ofluechten, Leckfläch, Dierenzäiten an ausgetosche Volumen, Ventilatorleeschtung, Isolatioun vum Tiefkillschaf a Kompressorgréisst, Wärmekapazitéit vun de Racken, Expositioun bei der Handhabung, d'Fräigabe vun de Plaze vum Reserve-Tiefkillschaf nëmmen am Noutfall an d'−60-°C-SOP-Limit si Beispillwäerter fir e generescht Labo; d'Gesetzer vun der Physik an déi publizéiert Dispersiounsraten si wéi zitéiert.
Dréchenäis sublimeiert bei −78,5 °C an absorbéiert ongeféier 573 kJ pro Kilogramm: d'Këscht bleift bei där Temperatur, bis d'Äis fort ass.
chest at −78.5 °C while ice remains; dm/dt = −(UA_chest·(T_amb + 78.5) + rack heat)/573 kJ/kg[10][11]Annahm: Raumgréisst, AHU-Kapazitéit, fix Ofluechten, Leckfläch, Dierenzäiten an ausgetosche Volumen, Ventilatorleeschtung, Isolatioun vum Tiefkillschaf a Kompressorgréisst, Wärmekapazitéit vun de Racken, Expositioun bei der Handhabung, d'Fräigabe vun de Plaze vum Reserve-Tiefkillschaf nëmmen am Noutfall an d'−60-°C-SOP-Limit si Beispillwäerter fir e generescht Labo; d'Gesetzer vun der Physik an déi publizéiert Dispersiounsraten si wéi zitéiert.
Aner Betribskonstanten, déi de Modell notzt.
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/KAnnahm: Raumgréisst, AHU-Kapazitéit, fix Ofluechten, Leckfläch, Dierenzäiten an ausgetosche Volumen, Ventilatorleeschtung, Isolatioun vum Tiefkillschaf a Kompressorgréisst, Wärmekapazitéit vun de Racken, Expositioun bei der Handhabung, d'Fräigabe vun de Plaze vum Reserve-Tiefkillschaf nëmmen am Noutfall an d'−60-°C-SOP-Limit si Beispillwäerter fir e generescht Labo; d'Gesetzer vun der Physik an déi publizéiert Dispersiounsraten si wéi zitéiert.
Zoufall: e Mulberry32-Generator mat Seed; benotzt Verdeelungen — uniform, exponentiell (invers CDF), normal (Box–Muller), Poisson (Knuth). De Seed gëtt ugewisen a kann deelt ginn.
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