🔬 Phòng thí nghiệm — không khí phòng sạch và độ toàn vẹn của mẫu Mô hình trực tiếp
Bạn là quản lý phòng thí nghiệm. Một phòng vô trùng ISO 7 rộng 75 m³ được cấp gió bởi một bộ xử lý không khí qua các bộ lọc HEPA; con người phát ra hạt, cửa để không khí hành lang lọt vào, và tủ hút kéo một lượng hút cố định có thể lấy mất áp dương của phòng. Cuối hành lang, một tủ đông siêu lạnh giữ bốn giá mẫu ở −80 °C. Mỗi năm phút, mô hình cân bằng các hạt trong phòng, luồng không khí qua khe cửa và nhiệt chảy vào tủ đông. Chỉ là mô phỏng giáo dục — không phải tư vấn GMP, tuân thủ hay lâm sàng.
Bạn sẽ học được gì
Vì sao một phòng trộn đều ổn định ở C = G/Q và phục hồi theo e^(−N·t): con người quyết định mức, số lần trao đổi không khí quyết định tốc độ.
Thác áp suất thực sự hoạt động như thế nào: độ chênh giữa cấp và hút, quy luật bình phương qua khe cửa, và việc cửa mở cùng lượng hút cố định của tủ hút tác động ra sao.
Một tủ đông −80 °C hỏng ấm lên nhanh đến mức nào (định luật Newton), và vì sao mẫu được cứu nhờ hành động khi có báo động, chứ không phải khi chạm giới hạn.
Trình mô phỏng
Thời gian 0 phút
✓Giá mẫu ở hoặc dưới −70 °C
!Giá mẫu giữa −70 và −60 °C
⚠Giá mẫu trên −60 °C (vượt ngưỡng)
◍Người mặc áo liền quần phòng sạch
○Người mặc áo choàng phòng thí nghiệm
•Hạt trong không khí (thang logarit)
❄Máy nén đang chạy / tủ hút đang dùng
✕Máy nén ngừng / tủ hút ở chế độ chờ
Điều khiển
Không khí cấp qua các bộ lọc HEPA trên trần. Nhiều không khí hơn pha loãng và loại bỏ hạt nhanh hơn, nhưng công suất quạt tăng theo lập phương của lưu lượng. Một thiết bị bị suy giảm không thể cấp được mức bạn yêu cầu.
Ai cũng phát ra hạt; ai đi vào hay đi ra cũng mở cửa. Ít người hơn cũng đồng nghĩa với ít việc được làm hơn.
Áo liền quần phòng sạch giảm khoảng một nửa số hạt ≥0,5 µm mà một người phát ra so với áo choàng phòng thí nghiệm mặc ngoài quần áo thường. Thay đồ mất khoảng 10 phút.
Mỗi lần chỉ mở một cửa khoang đệm và mở ngắn: khoảng 10 s và 0,5 m³ không khí hành lang mỗi lần mở thay vì 40 s và 2 m³. Chờ ở khoang đệm tốn một chút thời gian.
Lượng hút bám theo lượng cấp trừ đi mức chênh này, phần chênh rò qua khe cửa và giữ phòng ở áp cao hơn hành lang. Lượng hút không bao giờ có thể thấp hơn lượng hút riêng của tủ hút và tủ an toàn sinh học.
Giảm lượng hút cố định từ 1100 xuống 500 m³/h, nhường không khí cho áp dương của phòng. Công việc cần tủ hút phải chờ.
Chặn việc mở theo thói quen và vì tò mò. Mỗi lần mở thay không khí trong tủ bằng không khí phòng.
Chuyển các giá vào các ngăn trống của tủ đông dự phòng sau thời gian gọi nhân viên (lâu hơn vào ban đêm). Các ngăn này là dự trữ khẩn cấp của tòa nhà, chỉ được cấp cho tủ đông đang hỏng hoặc báo động — yêu cầu khi tủ vẫn giữ được −80 °C sẽ bị từ chối. Mỗi giá ở trong không khí phòng khoảng hai phút trên đường đi.
Đóng các giá còn lại trong tủ đông vào thùng cách nhiệt với đá khô (10 kg mỗi giá, trong chừng mực còn hàng). Thùng giữ −78,5 °C khi đá còn.
Chỉ số
Cấp phòng (ISO 14644-1, ≥0,5 µm)
6,86
cảnh báo
Chênh áp so với hành lang (trung bình theo thời gian)
12,4Pa
bình thường
Giá mẫu ấm nhất
-80,0°C
bình thường
Mẫu vượt quá −60 °C (phút-giá)
0min
bình thường
Hạt ≥0,5 µm
256 k/m³
Số lần trao đổi không khí đạt được
20 1/h
Công suất quạt cấp gió
0,45 kW
Số người trong phòng
3
Công việc đã làm so với kế hoạch
0 % · nguy kịch
Chênh áp, cửa đóng
12,4 Pa
Số lần mở cửa trong kỳ này
0
Nhiệt độ buồng tủ đông
-80,0 °C
Đá khô còn lại
20,0 kg
Số giá còn trong tủ đông
4
Xu hướng
Kịch bản khủng hoảng
Cấp 1 · Trở lại đúng cấp trước bước vô trùng
Lúc 08:00. Suốt đêm, phòng chạy ở chế độ setback tiết kiệm năng lượng với 5 lần trao đổi không khí mỗi giờ và tủ hút ở chế độ chờ, và một nhà thầu mặc quần áo thường vừa làm xong việc bên trong: máy đếm hiển thị khoảng 3 triệu hạt mỗi m³. Sáu người mặc áo choàng phòng thí nghiệm đang chuẩn bị. Lúc 08:30, một nhóm ba người bắt đầu một bước vô trùng cần phòng ở ISO 7 hoặc tốt hơn cho đến 10:00. Giữ nhóm ở lại trong phòng và hóa đơn quạt ở mức hợp lý.
Phòng ở ISO 7 hoặc tốt hơn trong suốt bước vô trùng
Ít nhất ba người trong phòng trong suốt bước
Công suất quạt cấp gió trung bình ≤ 0,6 kW
Cấp 2 · Tủ đông hỏng vào ban đêm
Lúc 21:00 và bạn đang trực. Tủ đông −80 °C chứa bốn giá mẫu không thể thay thế. Khoảng 22:00 máy nén của nó ngừng; kỹ thuật viên dịch vụ chỉ có thể đến lúc 07:30. Tủ đông dự phòng có chỗ cho hai giá — dự trữ khẩn cấp của tòa nhà, chỉ được cấp cho tủ đông đang hỏng hoặc báo động — và tại chỗ có 20 kg đá khô, đủ cho hai thùng. Dù bạn yêu cầu gì, trước hết phải có người đến: khoảng 30 phút vào ban đêm. Bảo vệ đi tuần thỉnh thoảng nhìn vào tủ đông. SOP của phòng thí nghiệm quy định không mẫu nào được vượt quá −60 °C, và nhóm yêu cầu một biên an toàn: các giá không bao giờ được ấm hơn −68 °C.
Không giá nào trên −60 °C suốt đêm
Không có phút vượt ngưỡng nào lúc kết thúc
Giá không bao giờ ấm hơn −68 °C (biên an toàn)
Cấp 3 · Bộ xử lý không khí yếu, phòng đầy người
Một buổi thực hành bốn giờ có bảy người mặc áo choàng phòng thí nghiệm trong phòng và dòng khách liên tục qua cửa hành lang. Mười phút sau, quạt cấp gió bắt đầu hỏng: nó chỉ có thể cấp 40 % công suất (16 lần trao đổi không khí mỗi giờ) cho đến khi sửa vào ngày mai. Tủ hút đang được dùng và kéo 1100 m³/h lượng hút cố định. Giữ phòng ở ISO 7, giữ áp cao hơn hành lang ít nhất 10 Pa, và hoàn thành công việc đã lên kế hoạch.
Phòng ở ISO 7 hoặc tốt hơn
Chênh áp trung bình ≥ 10 Pa
Công việc đã lên kế hoạch được hoàn thành
Cơ sở — mô hình đằng sau các con số
Mọi quan hệ mà trình mô phỏng sử dụng, kèm nguồn. Các hằng số đánh dấu là giả định là các hiệu chỉnh minh họa.
ISO 14644-1 đặt giới hạn cấp cho từng kích thước hạt; một bậc cấp là hệ số mười. Ở 0,5 µm, ISO 7 cho phép 352 000 hạt trên mỗi mét khối.
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]
Trong một phòng trộn đều, mọi hạt đi vào hoặc được phát ra đều bị không khí cấp pha loãng và cuốn đi; nồng độ ổn định ở nơi lượng phát sinh bằng lượng loại bỏ, 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]
Sau một nhiễu loạn, phần dư giảm theo hàm mũ với tốc độ bằng số lần trao đổi không khí: giảm 100 lần mất ln(100)/N giờ, đó là điều mà phép thử phục hồi ISO 14644-3 đo.
Con người là nguồn chính. Trung bình đã đo cho ≥0,5 µm: khoảng 2,1 triệu mỗi phút với quần áo thường, khoảng 1,0 triệu với trang phục phòng sạch; mỗi người và mỗi thời điểm đều khác nhau.
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]Giả định: kích thước phòng, công suất AHU, các đường hút cố định, diện tích rò rỉ, thời gian mở cửa và thể tích trao đổi, công suất quạt, lớp cách nhiệt và cỡ máy nén của tủ đông, nhiệt dung của giá mẫu, mức phơi nhiễm khi thao tác, việc chỉ cấp ngăn của tủ đông dự phòng khi khẩn cấp và giới hạn SOP −60 °C là các giá trị minh họa cho một phòng thí nghiệm điển hình; các định luật vật lý và tốc độ phát tán đã công bố đúng như được trích dẫn.
Không khí dư rò ra qua khe cửa; áp lực cần để đẩy nó qua tăng theo bình phương lưu lượng. Nếu các đường hút cố định lấy nhiều hơn phần cấp còn lại, phòng thành áp âm và hút không khí hành lang vào.
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]Giả định: kích thước phòng, công suất AHU, các đường hút cố định, diện tích rò rỉ, thời gian mở cửa và thể tích trao đổi, công suất quạt, lớp cách nhiệt và cỡ máy nén của tủ đông, nhiệt dung của giá mẫu, mức phơi nhiễm khi thao tác, việc chỉ cấp ngăn của tủ đông dự phòng khi khẩn cấp và giới hạn SOP −60 °C là các giá trị minh họa cho một phòng thí nghiệm điển hình; các định luật vật lý và tốc độ phát tán đã công bố đúng như được trích dẫn.
Một cánh cửa đang mở không có chênh áp; mỗi lần mở đổi một ít không khí hành lang vào phòng. Mở ngắn qua khoang đệm đổi ít hơn nhiều.
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]Giả định: kích thước phòng, công suất AHU, các đường hút cố định, diện tích rò rỉ, thời gian mở cửa và thể tích trao đổi, công suất quạt, lớp cách nhiệt và cỡ máy nén của tủ đông, nhiệt dung của giá mẫu, mức phơi nhiễm khi thao tác, việc chỉ cấp ngăn của tủ đông dự phòng khi khẩn cấp và giới hạn SOP −60 °C là các giá trị minh họa cho một phòng thí nghiệm điển hình; các định luật vật lý và tốc độ phát tán đã công bố đúng như được trích dẫn.
Công suất quạt tăng theo lập phương lưu lượng không khí: nhân đôi số lần trao đổi không khí tốn khoảng tám lần công suất.
P = 0.45 kW·(Q_s / 1500 m³/h)³[8]Giả định: kích thước phòng, công suất AHU, các đường hút cố định, diện tích rò rỉ, thời gian mở cửa và thể tích trao đổi, công suất quạt, lớp cách nhiệt và cỡ máy nén của tủ đông, nhiệt dung của giá mẫu, mức phơi nhiễm khi thao tác, việc chỉ cấp ngăn của tủ đông dự phòng khi khẩn cấp và giới hạn SOP −60 °C là các giá trị minh họa cho một phòng thí nghiệm điển hình; các định luật vật lý và tốc độ phát tán đã công bố đúng như được trích dẫn.
Một tủ đông mất máy nén ấm lên như mọi vật thể tập trung: nhanh lúc đầu, rồi chậm dần khi tiến gần nhiệt độ phòng. Hằng số thời gian τ = C/UA đặt nhịp đồng hồ.
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]Giả định: kích thước phòng, công suất AHU, các đường hút cố định, diện tích rò rỉ, thời gian mở cửa và thể tích trao đổi, công suất quạt, lớp cách nhiệt và cỡ máy nén của tủ đông, nhiệt dung của giá mẫu, mức phơi nhiễm khi thao tác, việc chỉ cấp ngăn của tủ đông dự phòng khi khẩn cấp và giới hạn SOP −60 °C là các giá trị minh họa cho một phòng thí nghiệm điển hình; các định luật vật lý và tốc độ phát tán đã công bố đúng như được trích dẫn.
Mỗi lần mở thay không khí lạnh trong tủ bằng không khí phòng ấm và ẩm; nhiệt của nó và lớp băng giá nó để lại làm ấm các vật bên trong.
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]Giả định: kích thước phòng, công suất AHU, các đường hút cố định, diện tích rò rỉ, thời gian mở cửa và thể tích trao đổi, công suất quạt, lớp cách nhiệt và cỡ máy nén của tủ đông, nhiệt dung của giá mẫu, mức phơi nhiễm khi thao tác, việc chỉ cấp ngăn của tủ đông dự phòng khi khẩn cấp và giới hạn SOP −60 °C là các giá trị minh họa cho một phòng thí nghiệm điển hình; các định luật vật lý và tốc độ phát tán đã công bố đúng như được trích dẫn.
Mẫu biến đổi theo môi trường xung quanh với độ trễ; mang một giá qua không khí phòng trong vài phút làm tăng vài độ.
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]Giả định: kích thước phòng, công suất AHU, các đường hút cố định, diện tích rò rỉ, thời gian mở cửa và thể tích trao đổi, công suất quạt, lớp cách nhiệt và cỡ máy nén của tủ đông, nhiệt dung của giá mẫu, mức phơi nhiễm khi thao tác, việc chỉ cấp ngăn của tủ đông dự phòng khi khẩn cấp và giới hạn SOP −60 °C là các giá trị minh họa cho một phòng thí nghiệm điển hình; các định luật vật lý và tốc độ phát tán đã công bố đúng như được trích dẫn.
Đá khô thăng hoa ở −78,5 °C và hấp thụ khoảng 573 kJ mỗi kilôgam: thùng giữ ở nhiệt độ đó cho đến khi hết đá.
chest at −78.5 °C while ice remains; dm/dt = −(UA_chest·(T_amb + 78.5) + rack heat)/573 kJ/kg[10][11]Giả định: kích thước phòng, công suất AHU, các đường hút cố định, diện tích rò rỉ, thời gian mở cửa và thể tích trao đổi, công suất quạt, lớp cách nhiệt và cỡ máy nén của tủ đông, nhiệt dung của giá mẫu, mức phơi nhiễm khi thao tác, việc chỉ cấp ngăn của tủ đông dự phòng khi khẩn cấp và giới hạn SOP −60 °C là các giá trị minh họa cho một phòng thí nghiệm điển hình; các định luật vật lý và tốc độ phát tán đã công bố đúng như được trích dẫn.
Các hằng số vận hành khác mà mô hình sử dụng.
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/KGiả định: kích thước phòng, công suất AHU, các đường hút cố định, diện tích rò rỉ, thời gian mở cửa và thể tích trao đổi, công suất quạt, lớp cách nhiệt và cỡ máy nén của tủ đông, nhiệt dung của giá mẫu, mức phơi nhiễm khi thao tác, việc chỉ cấp ngăn của tủ đông dự phòng khi khẩn cấp và giới hạn SOP −60 °C là các giá trị minh họa cho một phòng thí nghiệm điển hình; các định luật vật lý và tốc độ phát tán đã công bố đúng như được trích dẫn.
Tính ngẫu nhiên: bộ sinh mulberry32 có seed; các phân phối được dùng — đều, mũ (CDF nghịch đảo), chuẩn (Box–Muller), Poisson (Knuth). Seed được hiển thị và có thể chia sẻ.
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