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

Simuliatorius

Laikas 0 min.
Patalpos klasė (ISO 14644-1, ≥0,5 µm) 6,86 · Dalelės ≥0,5 µm 256 k/m³ · Slėgio skirtumas su koridoriumi (laiko vidurkis) 12,4 Pa · Patiektos oro apykaitos 20 · Žmonės patalpoje 3 · Šaldiklio spintos temperatūra −80,0 °C · Šilčiausias mėginių stovas −80,0 °C · Mėginių nukrypimas virš −60 °C (stovo minutės) 0 minAseptinė patalpaISO 6,9Tiekimas 20/h · 0,45 kW○○○Traukosspinta⇡→ 12,4 PaKoridorius⇄ 0−80 °C šaldiklis❄−80,0 °C1✓ −80°2✓ −80°3✓ −80°4✓ −80°Atsarginis šaldiklisSauso ledo dėžė20,0 kgDalelės ≥0,5 µm 256 k/m³Atliktas darbas, palyginti su planu 0%Šilčiausias mėginių stovas −80,0 °CMėginių nukrypimas virš −60 °C (stovominutės) 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 µm256 k/m³
Patiektos oro apykaitos20 1/h
Tiekimo ventiliatoriaus galia0,45 kW
Žmonės patalpoje3
Atliktas darbas, palyginti su planu0 % · kritinė
Slėgio skirtumas, durys uždarytos12,4 Pa
Durų atidarymai per šį laikotarpį0
Šaldiklio spintos temperatūra−80,0 °C
Likęs sausas ledas20,0 kg
Stovai, vis dar šaldiklyje4

Tendencija

Patalpos klasė (ISO 14644-1, ≥0,5 µm): — 9,004,00

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.
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]
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.

Šaltiniai

  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

Kas tuo užsiima profesionaliai

Mokomasis modelis — netinka operaciniams sprendimams. Tikri objektai kiekvieną konstantą pritaiko savo įrangai ir duomenims.