🔬 Laboratorija — švariosios patalpos oras ir mėginių vientisumas Gyvas modelis
Esate laboratorijos vadovas. 75 m³ ISO 7 aseptinę patalpą per HEPA filtrus aprūpina oro ruošimo agregatas; žmonės išskiria daleles, durys įleidžia koridoriaus orą, o traukos spinta ištraukia pastovų oro kiekį, galintį pavogti patalpos viršslėgį. Koridoriumi toliau stovi itin žemos temperatūros šaldiklis, kuriame keturi mėginių stovai laikomi ties −80 °C. Kas penkias minutes modelis subalansuoja dalelių kiekį patalpoje, oro srautą pro durų tarpus ir į šaldiklį tekančią šilumą. Tik mokomoji simuliacija — tai ne GMP, atitikties ar klinikinė konsultacija.
Ko išmoksite
Kodėl gerai išmaišyta patalpa nusistovi ties C = G/Q ir atsigauna kaip e^(−N·t): žmonės nustato lygį, oro apykaitos — greitį.
Kaip iš tikrųjų veikia slėgių kaskada: tiekimo ir ištraukimo skirtumas, kvadratinis dėsnis pro durų tarpus ir ką jai daro atviros durys bei pastovus traukos spintos ištraukimas.
Kaip greitai sugedęs −80 °C šaldiklis šyla (Niutono dėsnis) ir kodėl mėginius išgelbsti veiksmai suveikus aliarmui, o ne pasiekus ribą.
Simuliatorius
Laikas 0 min.
✓Stovas ties −70 °C ar žemiau
!Stovas tarp −70 ir −60 °C
⚠Stovas virš −60 °C (nukrypimas)
◍Žmogus švariosios patalpos kombinezone
○Žmogus laboratorijos chalate
•Ore esančios dalelės (logaritminė skalė)
❄Kompresorius veikia / spinta naudojama
✕Kompresorius sustojęs / spinta budėjimo režimu
Valdikliai
Tiekiamas oras per lubų HEPA filtrus. Daugiau oro greičiau skiedžia ir pašalina daleles, bet ventiliatoriaus galia auga srauto kubu. Sugedęs agregatas negali patiekti to, ko prašote.
Kiekvienas išskiria daleles; kiekvienas įeinantis ar išeinantis atidaro duris. Mažiau žmonių reiškia ir mažiau nuveikto darbo.
Švariosios patalpos kombinezonai maždaug perpus sumažina ≥0,5 µm daleles, kurias išskiria žmogus, palyginti su laboratorijos chalatu virš kasdienių drabužių. Persirengimas trunka apie 10 minučių.
Vienos šliuzo durys vienu metu ir trumpi atidarymai: apie 10 s ir 0,5 m³ koridoriaus oro per atidarymą vietoj 40 s ir 2 m³. Laukimas prie šliuzo atima šiek tiek laiko.
Ištraukimas seka tiekimą atėmus šį skirtumą; perteklius nuteka pro durų tarpus ir išlaiko patalpą aukštesnio slėgio nei koridorius. Ištraukimas niekada negali nukristi žemiau paties traukos ir saugos spintos ištraukimo.
Sumažina pastovią ištraukimą nuo 1100 iki 500 m³/h ir atlaisvina orą patalpos viršslėgiui. Darbai, kuriems reikia spintos, laukia.
Sustabdo įprastus ir smalsumo atidarymus. Kiekvienas atidarymas pakeičia spintos orą kambario oru.
Perkelia stovus į laisvas atsarginio šaldiklio vietas po iškvietimo laiko (naktį ilgesnio). Šios vietos yra pastato avarinis rezervas, atlaisvinamas tik sugedusiam ar aliarmą keliančiam šaldikliui — prašymas, kol šis dar laiko −80 °C, atmetamas. Kiekvienas stovas pakeliui apie dvi minutes būna kambario ore.
Likusius šaldiklio stovus sudeda į izoliuotas dėžes su sausu ledu (10 kg stovui, kiek leidžia atsargos). Dėžė išlaiko −78,5 °C, kol yra ledo.
Rodikliai
Patalpos klasė (ISO 14644-1, ≥0,5 µm)
6,86
įspėjimas
Slėgio skirtumas su koridoriumi (laiko vidurkis)
12,4Pa
normali
Šilčiausias mėginių stovas
−80,0°C
normali
Mėginių nukrypimas virš −60 °C (stovo minutės)
0min
normali
Dalelės ≥0,5 µm
256 k/m³
Patiektos oro apykaitos
20 1/h
Tiekimo ventiliatoriaus galia
0,45 kW
Žmonės patalpoje
3
Atliktas darbas, palyginti su planu
0 % · kritinė
Slėgio skirtumas, durys uždarytos
12,4 Pa
Durų atidarymai per šį laikotarpį
0
Šaldiklio spintos temperatūra
−80,0 °C
Likęs sausas ledas
20,0 kg
Stovai, vis dar šaldiklyje
4
Tendencija
Krizių scenarijai
1 lygis · Atgal į klasę prieš aseptinį žingsnį
Yra 08:00. Per naktį patalpa veikė energijos taupymo sumažintu režimu — 5 oro apykaitos per valandą, o traukos spinta budėjimo režimu, o dabar baigė darbą viduje gatvės drabužiais apsirengęs rangovas: skaitiklis rodo apie 3 milijonus dalelių viename m³. Šeši žmonės laboratorijos chalatais ruošiasi darbui. 08:30 trijų žmonių komanda pradeda aseptinį žingsnį, kuriam iki 10:00 reikia ISO 7 ar geresnės patalpos. Išlaikykite komandą patalpoje ir ventiliatoriaus sąskaitą pagrįstą.
Patalpa ISO 7 ar geresnės klasės viso žingsnio metu
Bent trys žmonės patalpoje žingsnio metu
Vidutinė tiekimo ventiliatoriaus galia ≤ 0,6 kW
2 lygis · Šaldiklio gedimas naktį
Yra 21:00, ir jūs budite. −80 °C šaldiklyje yra keturi stovai su nepakeičiamais mėginiais. Apie 22:00 jo kompresorius sustoja; serviso technikas gali atvykti tik 07:30. Atsarginiame šaldiklyje yra vietos dviem stovams — tai pastato avarinis rezervas, atlaisvinamas tik sugedusiam ar aliarmą keliančiam šaldikliui, — o vietoje yra 20 kg sauso ledo, užtenka dviem dėžėms. Kad ir ko paprašytumėte, pirmiausia kažkas turi atvykti: naktį apie 30 minučių. Apsaugos obchodas kartkartėmis pažiūri į šaldiklį. Laboratorijos SOP nustato, kad joks mėginys negali pakilti virš −60 °C, o grupė prašo saugos atsargos: stovai niekada neturi būti šiltesni nei −68 °C.
Joks stovas visą naktį nepakyla virš −60 °C
Pabaigoje nėra nukrypimo minučių
Stovai niekada šiltesni nei −68 °C (saugos atsarga)
3 lygis · Silpnas oro agregatas, pilna patalpa
Keturių valandų praktiniuose mokymuose patalpoje yra septyni žmonės laboratorijos chalatais, o pro koridoriaus duris nuolat ateina lankytojai. Po dešimties minučių tiekimo ventiliatorius pradeda gesti: iki rytojaus remonto jis gali patiekti tik 40 % savo pajėgumo (16 oro apykaitų per valandą). Traukos spinta naudojama ir ištraukia 1100 m³/h pastovaus ištraukimo. Išlaikykite patalpą ISO 7, bent 10 Pa virš koridoriaus ir atlikite suplanuotą darbą.
Patalpa ISO 7 ar geresnės klasės
Vidutinis slėgio skirtumas ≥ 10 Pa
Suplanuotas darbas atliktas
Pagrindas — modelis už skaičių
Kiekviena simuliatoriaus naudojama priklausomybė su savo šaltiniu. Konstantos, pažymėtos kaip prielaidos, yra iliustraciniai kalibravimai.
ISO 14644-1 nustato kiekvieno dalelių dydžio klasės ribą; vienas klasės žingsnis yra dešimt kartų. Ties 0,5 µm ISO 7 leidžia 352 000 dalelių kubiniame metre.
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]
Gerai išmaišytoje patalpoje kiekviena patekusi ar išskirta dalelė skiedžiama tiekiamu oru ir išnešama; lygis nusistovi, kai susidarymas lygus pašalinimui, 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]
Po sutrikimo perteklius mažėja eksponentiškai oro apykaitų sparta: 100 kartų sumažėjimas trunka ln(100)/N valandų — tai ir matuoja ISO 14644-3 atsigavimo bandymas.
Žmonės yra pagrindinis šaltinis. Išmatuoti ≥0,5 µm vidurkiai: apie 2,1 mln. per minutę kasdienių drabužių, apie 1,0 mln. švariosios patalpos aprangoje; skiriasi pagal žmogų ir momentą.
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]Prielaida: patalpos dydis, oro ruošimo agregato pajėgumas, pastovūs ištraukimai, nuotėkio plotas, durų laikai ir iškeičiami tūriai, ventiliatoriaus galia, šaldiklio izoliacija ir kompresoriaus dydis, stovų šiluminė talpa, poveikis perkeliant, atsarginio šaldiklio vietų atlaisvinimas tik avariniu atveju ir −60 °C SOP riba yra iliustraciniai tipinės laboratorijos dydžiai; fizikos dėsniai ir paskelbtos sklaidos spartos yra tokie, kaip nurodyta.
Skirtumo oras nuteka pro durų tarpus; slėgis, reikalingas jam prastumti, auga srauto kvadratu. Jei pastovūs ištraukimai paima daugiau, nei lieka iš tiekimo, patalpoje susidaro neigiamas slėgis ir įtraukiamas koridoriaus oras.
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]Prielaida: patalpos dydis, oro ruošimo agregato pajėgumas, pastovūs ištraukimai, nuotėkio plotas, durų laikai ir iškeičiami tūriai, ventiliatoriaus galia, šaldiklio izoliacija ir kompresoriaus dydis, stovų šiluminė talpa, poveikis perkeliant, atsarginio šaldiklio vietų atlaisvinimas tik avariniu atveju ir −60 °C SOP riba yra iliustraciniai tipinės laboratorijos dydžiai; fizikos dėsniai ir paskelbtos sklaidos spartos yra tokie, kaip nurodyta.
Atviros durys neturi slėgio skirtumo; kiekvienas atidarymas apkeičia dalį koridoriaus oro į patalpą. Trumpi atidarymai per šliuzą apkeičia daug mažiau.
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]Prielaida: patalpos dydis, oro ruošimo agregato pajėgumas, pastovūs ištraukimai, nuotėkio plotas, durų laikai ir iškeičiami tūriai, ventiliatoriaus galia, šaldiklio izoliacija ir kompresoriaus dydis, stovų šiluminė talpa, poveikis perkeliant, atsarginio šaldiklio vietų atlaisvinimas tik avariniu atveju ir −60 °C SOP riba yra iliustraciniai tipinės laboratorijos dydžiai; fizikos dėsniai ir paskelbtos sklaidos spartos yra tokie, kaip nurodyta.
Ventiliatoriaus galia auga oro srauto kubu: padvigubinus oro apykaitas reikia maždaug aštuonis kartus daugiau galios.
P = 0.45 kW·(Q_s / 1500 m³/h)³[8]Prielaida: patalpos dydis, oro ruošimo agregato pajėgumas, pastovūs ištraukimai, nuotėkio plotas, durų laikai ir iškeičiami tūriai, ventiliatoriaus galia, šaldiklio izoliacija ir kompresoriaus dydis, stovų šiluminė talpa, poveikis perkeliant, atsarginio šaldiklio vietų atlaisvinimas tik avariniu atveju ir −60 °C SOP riba yra iliustraciniai tipinės laboratorijos dydžiai; fizikos dėsniai ir paskelbtos sklaidos spartos yra tokie, kaip nurodyta.
Šaldiklis be kompresoriaus šyla kaip bet koks sutelktasis kūnas: iš pradžių greitai, paskui lėčiau, artėjant prie kambario temperatūros. Laiko pastovioji τ = C/UA nustato laikrodį.
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]Prielaida: patalpos dydis, oro ruošimo agregato pajėgumas, pastovūs ištraukimai, nuotėkio plotas, durų laikai ir iškeičiami tūriai, ventiliatoriaus galia, šaldiklio izoliacija ir kompresoriaus dydis, stovų šiluminė talpa, poveikis perkeliant, atsarginio šaldiklio vietų atlaisvinimas tik avariniu atveju ir −60 °C SOP riba yra iliustraciniai tipinės laboratorijos dydžiai; fizikos dėsniai ir paskelbtos sklaidos spartos yra tokie, kaip nurodyta.
Kiekvienas atidarymas pakeičia šaltą spintos orą šiltu drėgnu kambario oru; jo šiluma ir šerkšnas, kurį jis palieka, sušildo turinį.
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]Prielaida: patalpos dydis, oro ruošimo agregato pajėgumas, pastovūs ištraukimai, nuotėkio plotas, durų laikai ir iškeičiami tūriai, ventiliatoriaus galia, šaldiklio izoliacija ir kompresoriaus dydis, stovų šiluminė talpa, poveikis perkeliant, atsarginio šaldiklio vietų atlaisvinimas tik avariniu atveju ir −60 °C SOP riba yra iliustraciniai tipinės laboratorijos dydžiai; fizikos dėsniai ir paskelbtos sklaidos spartos yra tokie, kaip nurodyta.
Mėginiai seka aplinką su vėlavimu; nešant stovą kambario oru porą minučių, jis sušyla keliais laipsniais.
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]Prielaida: patalpos dydis, oro ruošimo agregato pajėgumas, pastovūs ištraukimai, nuotėkio plotas, durų laikai ir iškeičiami tūriai, ventiliatoriaus galia, šaldiklio izoliacija ir kompresoriaus dydis, stovų šiluminė talpa, poveikis perkeliant, atsarginio šaldiklio vietų atlaisvinimas tik avariniu atveju ir −60 °C SOP riba yra iliustraciniai tipinės laboratorijos dydžiai; fizikos dėsniai ir paskelbtos sklaidos spartos yra tokie, kaip nurodyta.
Sausas ledas sublimuojasi ties −78,5 °C ir sugeria apie 573 kJ kilogramui: dėžė išlaiko tokią temperatūrą, kol ledas išnyksta.
chest at −78.5 °C while ice remains; dm/dt = −(UA_chest·(T_amb + 78.5) + rack heat)/573 kJ/kg[10][11]Prielaida: patalpos dydis, oro ruošimo agregato pajėgumas, pastovūs ištraukimai, nuotėkio plotas, durų laikai ir iškeičiami tūriai, ventiliatoriaus galia, šaldiklio izoliacija ir kompresoriaus dydis, stovų šiluminė talpa, poveikis perkeliant, atsarginio šaldiklio vietų atlaisvinimas tik avariniu atveju ir −60 °C SOP riba yra iliustraciniai tipinės laboratorijos dydžiai; fizikos dėsniai ir paskelbtos sklaidos spartos yra tokie, kaip nurodyta.
Kitos modelio naudojamos veikimo konstantos.
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/KPrielaida: patalpos dydis, oro ruošimo agregato pajėgumas, pastovūs ištraukimai, nuotėkio plotas, durų laikai ir iškeičiami tūriai, ventiliatoriaus galia, šaldiklio izoliacija ir kompresoriaus dydis, stovų šiluminė talpa, poveikis perkeliant, atsarginio šaldiklio vietų atlaisvinimas tik avariniu atveju ir −60 °C SOP riba yra iliustraciniai tipinės laboratorijos dydžiai; fizikos dėsniai ir paskelbtos sklaidos spartos yra tokie, kaip nurodyta.
Atsitiktinumas: mulberry32 generatorius su pradiniu skaičiumi; naudojami skirstiniai — tolygusis, eksponentinis (atvirkštinė pasiskirstymo funkcija), normalusis (Box–Muller), Puasono (Knuth). Pradinis skaičius rodomas ir juo galima dalytis.
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