🔬 ప్రయోగశాల — క్లీన్‌రూమ్ గాలి, నమూనా సమగ్రత లైవ్ మోడల్

ఆధారం — సంఖ్యల వెనుక ఉన్న మోడల్

సిమ్యులేటర్ ఉపయోగించే ప్రతి సంబంధం, దాని మూలంతో. ఊహలుగా గుర్తించిన స్థిరాంకాలు ఉదాహరణ క్రమాంకనాలు.

ISO 14644-1 ప్రతి కణ పరిమాణానికి తరగతి పరిమితిని నిర్దేశిస్తుంది; ఒక తరగతి మెట్టు పది రెట్ల కారకం. 0.5 µm వద్ద ISO 7 ఘనపు మీటరుకు 352,000 కణాలను అనుమతిస్తుంది.

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]

బాగా కలిసిన గదిలో లోపలికి వచ్చే లేదా విడుదలయ్యే ప్రతి కణం సప్లై గాలితో పలుచబడి బయటకు తీసుకెళ్లబడుతుంది; ఉత్పత్తి తొలగింపుకు సమానమైన చోట స్థాయి స్థిరపడుతుంది, 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]

అవాంతరం తర్వాత అధికం గాలి మార్పు రేటుతో ఘాతాంకంగా క్షీణిస్తుంది: 100 రెట్ల తగ్గుదలకు ln(100)/N గంటలు పడుతుంది, ISO 14644-3 రికవరీ పరీక్ష కొలిచేది ఇదే.

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]

మనుషులే ప్రధాన మూలం. ≥0.5 µmకు కొలిచిన సగటులు: సాధారణ దుస్తుల్లో నిమిషానికి సుమారు 2.1 మిలియన్, క్లీన్‌రూమ్ దుస్తుల్లో సుమారు 1.0 మిలియన్; ప్రతి వ్యక్తి, ప్రతి క్షణం భిన్నంగా ఉంటుంది.

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]ఊహ: గది పరిమాణం, AHU సామర్థ్యం, స్థిర ఎగ్జాస్ట్‌లు, లీకేజీ వైశాల్యం, తలుపు సమయాలు, మారే ఘనపరిమాణాలు, ఫ్యాన్ శక్తి, ఫ్రీజర్ ఇన్సులేషన్, కంప్రెసర్ పరిమాణం, ర్యాక్ ఉష్ణ సామర్థ్యం, నిర్వహణ సమయంలో గురికావడం, బ్యాకప్ ఫ్రీజర్ స్లాట్లను అత్యవసరంలో మాత్రమే విడుదల చేయడం, −60 °C SOP పరిమితి ఒక సాధారణ ల్యాబ్‌కు ఉదాహరణ విలువలు; భౌతిక నియమాలు, ప్రచురిత వ్యాప్తి రేట్లు ఉటంకించినట్లే.

ఆఫ్‌సెట్ గాలి తలుపు సందుల నుండి బయటకు లీక్ అవుతుంది; దాన్ని నెట్టడానికి అవసరమైన పీడనం ప్రవాహపు వర్గంతో పెరుగుతుంది. స్థిర ఎగ్జాస్ట్‌లు సప్లై మిగిల్చిన దానికంటే ఎక్కువ తీసుకుంటే గది రుణాత్మకం అయి కారిడార్ గాలిని లోపలికి లాగుతుంది.

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]ఊహ: గది పరిమాణం, AHU సామర్థ్యం, స్థిర ఎగ్జాస్ట్‌లు, లీకేజీ వైశాల్యం, తలుపు సమయాలు, మారే ఘనపరిమాణాలు, ఫ్యాన్ శక్తి, ఫ్రీజర్ ఇన్సులేషన్, కంప్రెసర్ పరిమాణం, ర్యాక్ ఉష్ణ సామర్థ్యం, నిర్వహణ సమయంలో గురికావడం, బ్యాకప్ ఫ్రీజర్ స్లాట్లను అత్యవసరంలో మాత్రమే విడుదల చేయడం, −60 °C SOP పరిమితి ఒక సాధారణ ల్యాబ్‌కు ఉదాహరణ విలువలు; భౌతిక నియమాలు, ప్రచురిత వ్యాప్తి రేట్లు ఉటంకించినట్లే.

తెరిచి ఉన్న తలుపుకు పీడన తేడా ఉండదు; ప్రతి తెరుపు కొంత కారిడార్ గాలిని గదిలోకి మారుస్తుంది. ఎయిర్‌లాక్ ద్వారా చిన్న తెరుపులు చాలా తక్కువ మారుస్తాయి.

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]ఊహ: గది పరిమాణం, AHU సామర్థ్యం, స్థిర ఎగ్జాస్ట్‌లు, లీకేజీ వైశాల్యం, తలుపు సమయాలు, మారే ఘనపరిమాణాలు, ఫ్యాన్ శక్తి, ఫ్రీజర్ ఇన్సులేషన్, కంప్రెసర్ పరిమాణం, ర్యాక్ ఉష్ణ సామర్థ్యం, నిర్వహణ సమయంలో గురికావడం, బ్యాకప్ ఫ్రీజర్ స్లాట్లను అత్యవసరంలో మాత్రమే విడుదల చేయడం, −60 °C SOP పరిమితి ఒక సాధారణ ల్యాబ్‌కు ఉదాహరణ విలువలు; భౌతిక నియమాలు, ప్రచురిత వ్యాప్తి రేట్లు ఉటంకించినట్లే.

ఫ్యాన్ శక్తి గాలి ప్రవాహపు ఘనంతో పెరుగుతుంది: గాలి మార్పులను రెట్టింపు చేస్తే సుమారు ఎనిమిది రెట్ల శక్తి కావాలి.

P = 0.45 kW·(Q_s / 1500 m³/h)³[8]ఊహ: గది పరిమాణం, AHU సామర్థ్యం, స్థిర ఎగ్జాస్ట్‌లు, లీకేజీ వైశాల్యం, తలుపు సమయాలు, మారే ఘనపరిమాణాలు, ఫ్యాన్ శక్తి, ఫ్రీజర్ ఇన్సులేషన్, కంప్రెసర్ పరిమాణం, ర్యాక్ ఉష్ణ సామర్థ్యం, నిర్వహణ సమయంలో గురికావడం, బ్యాకప్ ఫ్రీజర్ స్లాట్లను అత్యవసరంలో మాత్రమే విడుదల చేయడం, −60 °C SOP పరిమితి ఒక సాధారణ ల్యాబ్‌కు ఉదాహరణ విలువలు; భౌతిక నియమాలు, ప్రచురిత వ్యాప్తి రేట్లు ఉటంకించినట్లే.

కంప్రెసర్ లేని ఫ్రీజర్ ఏ ఒక్క ముద్ద వస్తువులాగే వేడెక్కుతుంది: మొదట వేగంగా, గది ఉష్ణోగ్రతకు చేరువవుతున్న కొద్దీ నెమ్మదిగా. కాల స్థిరాంకం τ = C/UA గడియారాన్ని నిర్ణయిస్తుంది.

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]ఊహ: గది పరిమాణం, AHU సామర్థ్యం, స్థిర ఎగ్జాస్ట్‌లు, లీకేజీ వైశాల్యం, తలుపు సమయాలు, మారే ఘనపరిమాణాలు, ఫ్యాన్ శక్తి, ఫ్రీజర్ ఇన్సులేషన్, కంప్రెసర్ పరిమాణం, ర్యాక్ ఉష్ణ సామర్థ్యం, నిర్వహణ సమయంలో గురికావడం, బ్యాకప్ ఫ్రీజర్ స్లాట్లను అత్యవసరంలో మాత్రమే విడుదల చేయడం, −60 °C SOP పరిమితి ఒక సాధారణ ల్యాబ్‌కు ఉదాహరణ విలువలు; భౌతిక నియమాలు, ప్రచురిత వ్యాప్తి రేట్లు ఉటంకించినట్లే.

ప్రతి తెరుపు చల్లని క్యాబినెట్ గాలిని వెచ్చని, తేమ గది గాలితో మార్చుతుంది; దాని వేడి, వదిలే మంచు లోపలి వాటిని వేడెక్కిస్తాయి.

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]ఊహ: గది పరిమాణం, AHU సామర్థ్యం, స్థిర ఎగ్జాస్ట్‌లు, లీకేజీ వైశాల్యం, తలుపు సమయాలు, మారే ఘనపరిమాణాలు, ఫ్యాన్ శక్తి, ఫ్రీజర్ ఇన్సులేషన్, కంప్రెసర్ పరిమాణం, ర్యాక్ ఉష్ణ సామర్థ్యం, నిర్వహణ సమయంలో గురికావడం, బ్యాకప్ ఫ్రీజర్ స్లాట్లను అత్యవసరంలో మాత్రమే విడుదల చేయడం, −60 °C SOP పరిమితి ఒక సాధారణ ల్యాబ్‌కు ఉదాహరణ విలువలు; భౌతిక నియమాలు, ప్రచురిత వ్యాప్తి రేట్లు ఉటంకించినట్లే.

నమూనాలు తమ పరిసరాలను ఆలస్యంగా అనుసరిస్తాయి; ర్యాక్‌ను రెండు నిమిషాలు గది గాలిలో మోసుకెళ్తే అనేక డిగ్రీలు కోల్పోతుంది.

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]ఊహ: గది పరిమాణం, AHU సామర్థ్యం, స్థిర ఎగ్జాస్ట్‌లు, లీకేజీ వైశాల్యం, తలుపు సమయాలు, మారే ఘనపరిమాణాలు, ఫ్యాన్ శక్తి, ఫ్రీజర్ ఇన్సులేషన్, కంప్రెసర్ పరిమాణం, ర్యాక్ ఉష్ణ సామర్థ్యం, నిర్వహణ సమయంలో గురికావడం, బ్యాకప్ ఫ్రీజర్ స్లాట్లను అత్యవసరంలో మాత్రమే విడుదల చేయడం, −60 °C SOP పరిమితి ఒక సాధారణ ల్యాబ్‌కు ఉదాహరణ విలువలు; భౌతిక నియమాలు, ప్రచురిత వ్యాప్తి రేట్లు ఉటంకించినట్లే.

డ్రై ఐస్ −78.5 °C వద్ద ఉత్పతనం చెంది కిలోగ్రాముకు సుమారు 573 kJ శోషిస్తుంది: ఐస్ అయిపోయే వరకు చెస్ట్ ఆ ఉష్ణోగ్రత వద్దే ఉంటుంది.

chest at −78.5 °C while ice remains; dm/dt = −(UA_chest·(T_amb + 78.5) + rack heat)/573 kJ/kg[10][11]ఊహ: గది పరిమాణం, AHU సామర్థ్యం, స్థిర ఎగ్జాస్ట్‌లు, లీకేజీ వైశాల్యం, తలుపు సమయాలు, మారే ఘనపరిమాణాలు, ఫ్యాన్ శక్తి, ఫ్రీజర్ ఇన్సులేషన్, కంప్రెసర్ పరిమాణం, ర్యాక్ ఉష్ణ సామర్థ్యం, నిర్వహణ సమయంలో గురికావడం, బ్యాకప్ ఫ్రీజర్ స్లాట్లను అత్యవసరంలో మాత్రమే విడుదల చేయడం, −60 °C SOP పరిమితి ఒక సాధారణ ల్యాబ్‌కు ఉదాహరణ విలువలు; భౌతిక నియమాలు, ప్రచురిత వ్యాప్తి రేట్లు ఉటంకించినట్లే.

మోడల్ ఉపయోగించే ఇతర నిర్వహణ స్థిరాంకాలు.

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/Kఊహ: గది పరిమాణం, AHU సామర్థ్యం, స్థిర ఎగ్జాస్ట్‌లు, లీకేజీ వైశాల్యం, తలుపు సమయాలు, మారే ఘనపరిమాణాలు, ఫ్యాన్ శక్తి, ఫ్రీజర్ ఇన్సులేషన్, కంప్రెసర్ పరిమాణం, ర్యాక్ ఉష్ణ సామర్థ్యం, నిర్వహణ సమయంలో గురికావడం, బ్యాకప్ ఫ్రీజర్ స్లాట్లను అత్యవసరంలో మాత్రమే విడుదల చేయడం, −60 °C SOP పరిమితి ఒక సాధారణ ల్యాబ్‌కు ఉదాహరణ విలువలు; భౌతిక నియమాలు, ప్రచురిత వ్యాప్తి రేట్లు ఉటంకించినట్లే.

యాదృచ్ఛికత: సీడ్‌తో కూడిన mulberry32 జనరేటర్; ఉపయోగించిన పంపిణీలు — ఏకరీతి, ఘాతాంక (విలోమ CDF), సాధారణ (Box–Muller), పాయిసన్ (Knuth). సీడ్ చూపబడుతుంది, పంచుకోవచ్చు.

మూలాలు

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