Návrhy na udržitelnější čisté prostory

Vzhledem k vysoké spotřebě energie a použití řady jednorázových materiálů se stále více do popředí dostává téma udržitelnosti v technice čistých prostor. Tento vývoj je také posílen politickými předpisy. S přihlédnutím k rovnováze mezi snižováním uhlíkové stopy a zachováním přísných norem čistoty vyvstávají slibná řešení především zvýšením energetické účinnosti v provozu a použitím udržitelných spotřebních materiálů.

Úvod do tématu udržitelnosti

V dnešní době se stále více do popředí dostává globální výzva změny klimatu, rostoucí spotřeba zdrojů a s tím související téma udržitelnosti. Udržitelnost označuje koncept, kdy je možné uspokojit potřeby současné generace, aniž by to omezilo možnosti budoucích generací. Tři dimenze – ekonomická efektivita, sociická spravedlnost a ekologická únosnost – by měly být posuzovány rovnocenně. [1]

V souvislosti s udržitelností byla ze strany politiky implementována řada regulačních opatření, včetně 17 cílů udržitelného rozvoje OSN, Evropského zeleného údělu a německého zákona o ochraně klimatu (viz obrázek 1) [2, 3]. Ty stanovují cíle a předpisy, například klimatickou neutralitu v rámci Evropské unie do roku 2050.

Aby bylo možné tohoto cíle dosáhnout, je důležité, aby evropský průmysl a podniky společně s dalšími aktéry směřovaly k udržitelnějšímu provozu a snižovaly svou uhlíkovou stopu. Klíčovou součástí těchto snah je analýza celého životního cyklu (LCA), která umožňuje komplexní posouzení dopadů produktů a procesů na životní prostředí během jejich celého životního cyklu. Významnou roli hraje kvantifikace emisí skleníkových plynů, protože firmy tak mohou systematicky zaznamenávat své emise a cíleně přijímat opatření. Navíc jsou firmy nad určitou velikostí povinny podle směrnice Corporate Sustainability Report (CSRD) každoročně podávat zprávy o svých emisích a udržitelných aktivitách [4].

To platí také pro firmy, kde jsou používány čisté místnosti, například v farmaceutickém průmyslu, zdravotnické technice nebo výrobě polovodičů. Čisté místnosti díky kontrolovanému prostředí přispívají k minimalizaci kontaminace a tím k zajištění kvality produktů. Některé produkty, například mikroprocesory, by bez čistých místností vůbec nevznikly. Použití čistých místností vede ke snížení odpadu, prodloužení životnosti produktů a zvýšení bezpečnosti pacientů/spotřebitelů. Navíc tyto místnosti významně přispívají k ochraně člověka a životního prostředí.
Na druhou stranu jsou však velmi energeticky náročné. Kvůli extrémně vysokým požadavkům na kvalitu vzduchu, teplotu a vlhkost je spotřeba energie těchto zařízení až 25krát vyšší než u konvenčních průmyslových nebo administrativních budov [5]. Připočítat je třeba také vysokou potřebu řady jednorázových materiálů, například pro čištění a balení.

Tento článek se zaměřuje na přístupy, které mohou vést k udržitelnějším čistým místnostem, především s důrazem na jejich provoz. Dále jsou diskutovány recyklace a opětovné využívání čistých médií a udržitelné spotřební materiály. U všech přístupů je důležitým, ale nezbytným úkolem snížit energetickou náročnost, šetřit zdroje a zároveň zachovat ochranu procesů a produktů, a to i při dodržování požadavků například GMP (Good Manufacturing Practice), bez ztráty kvality.

Přístupy ke zvýšení energetické účinnosti v čistých místnostech

Vzhledem k enormní vysoké spotřebě energie v čistých místnostech je zvýšení energetické účinnosti klíčovým přístupem k dosažení větší udržitelnosti.

Rozměry energetické účinnosti

Při diskusi o energetické účinnosti se často rozlišují tři udržitelné strategie: dostatečnost, efektivita a konzistence. Dostatečnost znamená snižování spotřeby zdrojů tím, že je celkově potřeba méně energie. Efektivita označuje lepší využívání materiálů a energie, zatímco konzistence se zaměřuje na ekologicky šetrné technologie využívající látky z ekosystémů bez jejich poškození. [6]

Začíná při plánování čistých místností

Normy a směrnice jako VDI 2083 list 4.2 a DIN EN ISO 14644-16 ukazují různé efektivní možnosti a postupy ke zlepšení energetické účinnosti v čistých místnostech. Již při plánování lze řadu přístupů ke snižování spotřeby energie realizovat. Patří sem například minimalizace plochy čisté místnosti a tím i objemu místnosti, což snižuje potřebné větrací objemy. Plánováním a integrací co nejmenších oblastí s turbulence-omezeným vytlačováním (TAV) lze rovněž výrazně ušetřit energii. VDI 2083 doporučuje využití bariérových systémů, například izolátorů při farmaceutickém plnění nebo mini-enkviromentů pro výrobu polovodičů. Tyto technologie odstraňují nutnost energeticky náročných tříd prostředí, jako je GMP třída B, nebo velkých prostor s čistým TAV větráním [7]. I v plánování ventilační techniky je velký potenciál úspor. Strategickým uspořádáním ventilačních systémů lze zkrátit větrací cesty a tím snížit tlakové ztráty. To snižuje energetickou náročnost systému a minimalizuje s tím spojené ztráty energie.

Výměna vzduchu

Velký potenciál úspor spočívá také v přizpůsobené ventilaci čistých místností podle potřeby. Obecně nejsou v normách stanoveny konkrétní hodnoty výměny vzduchu (kromě jednotlivých předpisů, například FDA). Důležité je pouze to, aby větrání dodržovalo limity požadované třídy čisté místnosti pro koncentraci částic ve vzduchu a zajistilo přívod čerstvého vzduchu pro personál. Přesto jsou hodnoty výměny vzduchu často výrazně vyšší, než je nutné.

Hlavním opatřením je minimalizovat tvorbu částic v čisté místnosti. Z toho plyne, že nižší hodnoty výměny vzduchu jsou dostačující k udržení koncentrace částic a celkově je třeba méně energie na větrání. Efektivní opatření ke snížení znečištění částic zahrnují důslednou koncepci oděvů, která zajišťuje, že méně částic uvolňuje personál. Také cílené snížení počtu osob v čisté místnosti přispívá ke snížení uvolňování částic. Navíc může automatizace procesů dále snížit potřebu personálu a tím zvýšit stabilitu a efektivitu procesu.

VDI 2083 doporučuje také zavedení rozumně naplánovaných režimů snižování větrání. Tak lze ušetřit energii tím, že se větrání v době, kdy je místnost nevyužívána, například v noci, sníží. Implementace režimu snižování větrání je založena na posouzení rizik po úspěšném ověření. Monitoring čisté místnosti slouží k prokázání udržení jejího stavu. Podobně lze u dočasně využívaných prostor, například u přepážek, regulovat výměnu vzduchu podle počtu osob a aktivit v místnosti [8]. Integrací čipů do oděvů v čistých místnostech je možné určit počet osob a přizpůsobit výměnu vzduchu [8]. I během údržby lze větrací systém vypnout, což šetří energii. V takovém případě jsou dočasně pozastaveny požadavky, například na GMP status, což usnadňuje provádění prací [7].

Klimatizace

Ohřívání a zvlhčování nebo odvlhčování přívodního vzduchu do čisté místnosti vyžaduje vysokou spotřebu energie. Normy doporučují mírně zvýšit nebo snížit limity pro teplotu a vlhkost vzduchu podle klimatických podmínek. Vzhledem k energetické náročnosti odvlhčování a ochlazování vzduchu je zde možné výrazně ušetřit energii.

Je však důležité, aby tyto změny byly prováděny v přijatelných mezích, aby nedošlo ke snížení komfortu personálu. Naopak je možné upravit oděvní koncepci tak, aby zůstala zachována dobrá pohoda.

Pro další snížení energetické náročnosti klimatizace je vhodné minimalizovat sluneční záření pomocí venkovních stínidel. Tím se čistá místnost méně přehřívá, což v létě vede k menší potřebě chlazení. Kromě optimalizace klimatizace je důležité také snižovat tepelnou zátěž v místnosti. Přístroje, které uvolňují méně tepla, zabrání nadměrnému ohřívání vzduchu, což snižuje potřebu chlazení a celkově spotřebu energie na klimatizaci.

Stejně tak se doporučuje energeticky efektivnější konstrukce čistých místností, například důsledná těsnost a izolace. To přináší výhody jako menší ztráty tepla, omezení nechtěného výměny vzduchu s okolím a lepší udržení tlaku. Tyto opatření významně přispívají ke snížení spotřeby energie.

Oběhové větrání

Dalším důležitým přístupem k větrání je snížení podílu venkovního vzduchu v systému přívodu vzduchu. Tím se snižuje potřeba upravovat, temperovat a zvlhčovat venkovní vzduch, což šetří energii. Toho lze dosáhnout pomocí systémů recirkulace, kdy je většina odváděného vzduchu z čisté místnosti znovu upravena a vrácena zpět. Je třeba zajistit efektivní zabránění křížové kontaminaci.

VDI 2083 doporučuje při plánování nových čistých místností využít větrání s decentralizovanými systémy recirkulace. Tím se zabrání dlouhým vzduchovým cestám a sníží se tlakové ztráty ve ventilačním systému. Zároveň umožňuje flexibilní a nezávislé řízení větrání jednotlivých místností. Přesto musí být zajištěn nepřetržitý přívod čerstvého vzduchu pro personál. Obecně se uvádí 35 m³ čerstvého vzduchu na hodinu na osobu [10]. Navíc lze v systémech recirkulace využít zpětné získávání tepla, kdy je odváděný vzduch odvodněn a teplo využito k předohřevu přívodního vzduchu. To snižuje potřebu externího vytápění a dále šetří energii v čisté místnosti.

Energeticky efektivní systémy/zařízení

Také z hlediska efektivity lze identifikovat řadu úsporných možností. V normě ISO 14644-16 se doporučuje volba ventilátorů s co nejvyšší účinností a vzduchových filtrů s nízkým tlakem ztrát. Rovněž může použití energeticky úsporných předfiltrů vést k menšímu zatížení finálních filtrů a tím i k jejich méně časté výměně. Použití energeticky úsporného LED osvětlení přináší velké úspory energie. Součástí je také efektivní řízení osvětlení, například jeho snížení v klidových fázích [9].

Recyklace a opětovné využívání čistých médií

Výroba čistých médií je kvůli přísným požadavkům často energeticky náročná. VDI 2083 doporučuje opětovné použití a recyklaci čisté vody. Rozlišuje se mezi materiálovým opětovným využitím, kdy je voda přímo znovu použita, a tepelným využitím, kdy je voda využívána jako nosič energie pro skladování tepla nebo parní systémy. Příkladem materiálového využití je kondenzát z čisté páry (například z potrubí s čistou parou) jako voda pro infekční účely (WFI). Dále může být tepelné využití realizováno pomocí odpadního tepla, například k ohřevu jiných procesů nebo k předohřevu vody v topných systémech. Vhodné je použití tepelného čerpadla k efektivnímu využití tepla nebo chladu [7]. Cílem těchto přístupů je částečně využít „ztracenou“ energii, která byla vynaložena na výrobu médií, a tím zvýšit efektivitu. Kromě recyklace a opětovného využívání čistých médií lze výrazně ušetřit i při výrobě čisté vody. Membránová výroba je v tomto ohledu energeticky výrazně efektivnější než energeticky náročná destilace.

Monitorování a řízení spotřeby energie

Nepřetržité sledování spotřeby energie různých zařízení a systémů v čisté místnosti představuje další možnost, jak ušetřit značné množství energie. Automatizované monitorování umožňuje identifikovat potenciál ke zlepšení. Například u větracích systémů lze prostřednictvím kontinuálního sběru a analýzy dat o spotřebě energie cíleně realizovat opatření ke zvýšení efektivity a snížení spotřeby. VDI doporučuje zaznamenávat a hodnotit i změny u stávajících zařízení a v měnících se výrobních podmínkách. To umožňuje průběžně identifikovat další možnosti úspor energie [7].

Proaktivní údržba

Také proaktivní údržba filtrů a zařízení výrazně přispívá k udržitelnosti čistých místností. Pravidelné inspekce a včasná výměna filtrů nejenže zabrání zhoršení kvality vzduchu, ale také minimalizují spotřebu energie, protože znečištěné filtry zvyšují odpor vzduchu a zatěžují ventilační systémy. Stejně tak údržba zařízení, jako jsou ventilátory, klimatické komponenty a senzory, zajišťuje jejich efektivní provoz, čímž se předchází zbytečné spotřebě energie a poruchám. Dobře organizovaná strategie údržby může dlouhodobě vést k úsporám energie.

Vědomá práce personálu

Ačkoliv chování personálu má ve srovnání s technickými opatřeními jen malý vliv na energetickou účinnost, je vhodné cílené vzdělávání a osvěta v této oblasti. Cílem školení je podle příslušných norem zvýšit povědomí o nutnosti dodržování přísných předpisů týkajících se udržitelnosti a legislativních požadavků vzhledem k energeticky náročným procesům a zařízením. Mezi účinná opatření patří například vypínání osvětlení v prostorách, které po pracovní době již nejsou využívány. Elektrická zařízení, která jsou používána jen občas, by měla být vypínána při nečinnosti. Dále je důležité minimalizovat otevírací dobu přepážek a dalších dveří, což snižuje riziko kontaminace a zároveň udržuje tlakové rozdíly co nejmenší [7, 9].

V tabulce 1 jsou shrnuty identifikované přístupy ke zvýšení energetické účinnosti. U každého je doplněno, jaké úspory přinášejí a na jaké aspekty a důsledky je třeba brát zřetel.

 

Udržitelné spotřební materiály

Pokud jde o udržitelnost v čistých místnostech, žádná cesta nevede kolem spotřebního materiálu. Vzhledem k přísným požadavkům na čistotu se často používá jednorázové vybavení, které je po použití likvidováno. Udržitelnější přístupy se zaměřují především na snižování obalových materiálů a efektivní opětovné využívání vybavení a materiálů s cílem snížit celkové množství odpadu. To spadá pod koncept cirkulární ekonomiky (kruh výroby a spotřeby). Dlouhodobě zavedeným příkladem v průmyslu je opětovné použití čistících oděvů v několika cyklech díky efektivním pracím. To přispívá k šetření zdrojů a udržitelnosti v čistých místnostech.

Dalším krokem je využívání biologicky rozložitelných materiálů, například biobázovaných plastů. Příkladem jsou vyvíjené kompostovatelné rukavice vyrobené z biobázované směsi polymléčnanu. Díky možnosti jejich průmyslového kompostování je jejich dopad na životní prostředí výrazně nižší než u rukavic z běžného syntetického plastu [11].

Nejen odpadové materiály je třeba recyklovat. Důležitý je také vývoj spotřebního materiálu vyrobeného z recyklovaných materiálů, které musí být vysoké kvality a splňovat standardy a požadavky zavedených materiálů. Klíčovým faktorem je třídění odpadu podle druhu. Příklad recyklovaných čistících utěrek z plastových lahví je znázorněn na obrázku 2 [12]. Jak je vidět, recyklované plastové lahve jsou v několika krocích zpracovávány na částicově nízké čistící utěrky.

Podobně se z recyklovaných materiálů, konkrétně PET lahví, vyrábí i čistící oděvy do čistých místností. Důkazy o tom, že tkanina, ze které jsou oděvy vyrobeny, splňuje požadavky i pro kritické procesy, poskytly různé textilní výzkumné instituce. Tato nová oděvní řada tak může bez omezení přispívat k udržitelnosti v čistých místnostech [13]. Použitím recyklovaných spotřebních předmětů se snižuje spotřeba nerozložitelného plastu, což je významný krok směrem k udržitelnosti.

Dalším velmi důležitým aspektem je téma balení. Většina jednorázových materiálů je dnes balena v plastu, což vede k velkému množství plastového odpadu. Proto jsou vyvíjena i udržitelnější řešení balení. Příkladem jsou opakovaně použitelné obaly pro čistící mop v čistých místnostech z 100% recyklovaného PET materiálu, které pojmou 5 nebo 10 mopů. Vyrobené z textilního materiálu vhodného do čistých místností jsou omyvatelné a sterilizovatelné [14]. Stejně tak jsou dostupné opakovaně použitelné sterilizační sáčky. Kromě možnosti opětovného použití jsou řešeny i problémy běžných plastových sterilizačních sáčků, které jsou při sterilizaci často trhány nebo poškozeny, například u komponent s ostrými rohy [15].

Závěr a výhled

Souhrnně lze říci, že udržitelnost je jedním z nejpalčivějších témat naší doby – i v technice čistých prostor. Cíle stanovené evropskou a národní politikou k dosažení klimatické neutrality vedou k nutnosti, aby i čisté místnosti byly udržitelnější. Mnoho průkopnických přístupů z pokynů VDI 2083 list 4.2 a normy DIN EN ISO 14644-16 může zvýšit energetickou efektivitu v čistých místnostech od plánování, přes provoz až po rekonstrukci stávajících prostor. Navíc přibývá inovativních vývojů a novinek od firem v oboru, které otevírají nové cesty ke zvýšení udržitelnosti provozu čistých místností. Zejména se rychle rozvíjí trh s udržitelnými spotřebními materiály. V souladu s konceptem cirkulární ekonomiky vznikají stále nové produkty z recyklovaných nebo biologicky rozložitelných materiálů, které mohou významně přispět ke snižování množství odpadu v čistých místnostech a budou tak i nadále rozvíjeny.

Udržitelnost se vyplatí nejen firmám: může zlepšit image značky, přilákat investory a zvýšit atraktivitu jako zaměstnavatel. Navíc mohou udržitelné koncepty minimalizovat rizika, snižovat náklady a zvyšovat efektivitu procesů. I v budoucnu bude klíčové zajistit nejvyšší kvalitu produktů, bezpečnost zaměstnanců a ochranu životního prostředí. Vzhledem k vysokým regulačním požadavkům na kvalitu a bezpečnost, které často brání udržitelnému rozvoji, může jejich budoucí podoba zásadně ovlivnit, jak se budou strategie udržitelnosti v čistých místnostech dále rozvíjet. V zájmu udržitelnosti by bylo vhodné, aby se v budoucnu minimálně nezpřísňovaly požadavky, a naopak aby byl zachován co největší prostor pro opatření směřující k udržitelnosti a aby se tím přispělo k řešení globálních klimatických výzev.

Seznam literatury:

[1] Německé spolkové ministerstvo pro hospodářskou spolupráci a rozvoj (2024): Udržitelnost (udržitelný rozvoj). Dostupné online na https://www.bmz.de/de/service/lexikon/nachhaltigkeit-nachhaltige-entwicklung-14700, naposledy ověřeno 20.09.2024.
[2] Evropská komise (2024): Evropský zelený úděl. Dostupné online na https://commission.europa.eu/strategy-and-policy/priorities-2019-2024/european-green-deal_de, naposledy ověřeno 20.09.2024.
[3] Německá spolková vláda (2024): Plán pro klima. Dostupné online na https://www.bundesregierung.de/breg-de/themen/tipps-fuer-verbraucher/klimaschutzgesetz-2197410, naposledy ověřeno 20.09.2024.
[4] Úřad pro životní prostředí (2024): Zpráva o životním prostředí - směrnice CSR. Dostupné online na https://www.umweltbundesamt.de/umweltberichterstattung-csr-richtlinie, naposledy ověřeno 20.09.2024.
[5] Loomans, M.G.L.C.; Ludlage, T.B.J.; van den Oever, H.; Molenaar, P.C.A.; Kort, H.S.M.; Joosten, P.H.J. (2020): Experimentální studie na znečištění čistých prostor při použití snížené ventilace a hierarchie tlaku v rámci řízené filtrace. In: Building and Environment 176
[6] Svaz na ochranu přírody a životního prostředí v Německu (2024): Strategie udržitelnosti. Dostupné online na https://www.bund-bawue.de/themen/mensch-umwelt/nachhaltigkeit/nachhaltigkeitsstrategien/, naposledy ověřeno 08.10.2024.
[7] Spolek německých inženýrů (2011): VDI 2083 list 4.2 - Technologie čistých prostor, energetická účinnost.
[8] Zolg, Theresa; Beck, Maike; Schmid, Andreas (2023): Svět čistých prostor budoucnosti. ReinRaum-Technik 3/2023. Dostupné online na https://www.chemanager-online.com/news/die-reinraumwelt-von-morgen, naposledy ověřeno 13.12.2024.
[9] Německý institut pro normy (2020): DIN EN ISO 14644-16 - Energetická účinnost čistých prostor a systémů čištění vzduchu.
[10] Flechl, Harald (2024): Kapitola 3.I.10.2 Návrh a výpočtové základy. GMP poradce. Dostupné online na https://gmp-berater.gmp-verlag.de/?action=infounit&value=RGooPoVxCb&uilang=de-DE&anchorLink=Practice_03_Raeume_03I_032_xml, naposledy ověřeno 16.12.2024.
[11] Ansell (bez data): MICROFLEX® 31-103 Kompostovatelné rukavice. Dostupné online na https://www.ansell.com/eu/en/brands/microflex/microflex-31-103, naposledy ověřeno 12.12.2024.
[12] Contec Inc. (2020): Jít čistě a zeleně: recyklovaný polyesterový čistící hadr. Dostupné online na https://cleanroomtechnology.com/going-clean-and-green-a-recycled-polyester-cleanroom-wipe-170406, naposledy ověřeno 25.09.2024.
[13] Dastex Reinraumzubehör (2022): Oděvy do čistých prostor z recyklovaných materiálů. Dostupné online na https://www.dastex.com/aktuelles/artikel/reinraumbekleidung-aus-recyclingmaterial/, naposledy ověřeno 04.11.2024.
[14] CWS Cleanrooms Cleaning GmbH (2024): Čisté prostory a dezinfekce. Dostupné online na https://www.cws.com/de-DE/reinraum/reinigung/reinraumreinigung, naposledy ověřeno 04.11.2024.
[15] Elis (bez data): Opakovaně použitelné sterilizační sáčky. Dostupné online na https://de.elis.com/de/wiederverwendbare-sterilisationsbeutel, naposledy ověřeno 12.12.2024.