Proč nám prach ztěžuje život?

Obrázek 3: Fotografie čistého prostoru v mikroelektronickém průmyslu

Obrázek 1: Schématické znázornění laminárního proudění vzduchu v čistící místnosti

Obrázek 2: Různé provedení laminárních proudových boxů

Tabulka 1: Třídy čistých prostor podle ISO 14644-1

Prach, který leží ve velkých shlucích v rozích, je dobře vidět a dá se snadno odstranit utíráním prachem. Ale chceme se zabývat prachem, který už není tak dobře viditelný pouhým okem. K tomu si náhodně vybereme 2 události z posledního roku. Jednou z nich je saharský prach, protože v loňském roce došlo hned k několika událostem, kdy nám jemný prach ze Sahary dopřál obzvlášť krásné, červenící se západy slunce. Tento přirozeně vznikající jemný prach může být podle ročního období značný, jak známe z počasí ovlivněného saharským prachem. Čísla jsou ohromující: více než polovina globálního troposférického aerosolu a asi 35 % primárně emitované částicové hmoty se skládá z minerálních prachových částic, z nichž v Evropě přibližně polovina pochází ze Sahary a zbytek z jiných pouštních oblastí Země. S přibližně 1,8 miliardami tun ročně přispívá větrná eroze minerálního prachu k celosvětové bilanci aerosolu. Minerální prach ovlivňuje systém Země-Atmosféra jak rozptylem a částečnou absorpcí dopadající sluneční záře, tak i při tvorbě oblaků jako kondenzační jádra.

O saharském prachu víme, že je nesen vzdušnými proudy na vzdálenosti stovek, ne-li tisíců kilometrů, a může proniknout skrze nejjemnější otvory do každého vnitřního prostoru. Jako řidiči víme také, jak ztuhlý a červený se drží na každém autě lakovaném povrchu.

Druhou událostí, kterou jsme zažili na přelomu roku, bylo viditelné znečištění jemným prachem: vzduch byl „na ostří“. Letos se konečně opět stalo, že nový rok jsme přivítali ohňostrojem. Ohňostroj je sice krásný na pohled, ale jeho následky, zejména zranění a škody na majetku, byly letos zvlášť diskutované. Méně pozornosti bylo věnováno zdravotním a ekonomickým škodám, protože každý rok při zapálení ohňostrojů uvolní přibližně 2 050 tun jemného prachu (PM10), většinou během silvestrovské noci. Tato množství odpovídají asi jednomu procentu celkového antropogenního uvolnění jemného prachu za rok v Německu. (1)

Vzhledem ke své fyzikální vlastnosti jsou malé částice často označovány jako suspendované částice. Jemný prach je součástí suspendovaného prachu. Pod pojmem suspendovaný prach (anglicky "Particulate Matter": PM) rozumíme částice ve vzduchu, které nespadnou ihned na zem, ale zůstávají delší dobu ve „vzdušném sloupci“. Podle „velikosti zrn“ prachových částic rozlišujeme různé frakce: pod zkratkou „PM10“ (PM2,5) se zjednodušeně rozumí všechny prachové částice s aerodynamickým průměrem menším než 10 mikrometrů (2,5 µm). Obě zmíněné velikostní frakce jsou denně monitorovány na více než 600 měřicích místech po celé Německu, a často dochází k denním překročením limitních hodnot, i když povolená roční průměrná hodnota 40 µg/m³ v roce 2021 již nebyla překročena. Obecně je frakce PM10 označována jako jemný prach. Jemný prach není pouhým okem viditelný, pouze za určitých povětrnostních podmínek nebo například při saharském prachu či silvestrovském ohňostroji ho lze vidět ve formě „mlhy“.

Bez ohledu na jejich zdroj jsou vlastnosti těchto částic hlavně určovány dvěma parametry, a to velikostí, přesněji hydrodynamickým průměrem, a koncentrací, tj. jejich hmotností nebo počtem částic na krychlový metr vzduchu.

Jemný prach pochází ze dvou různých zdrojů: z přirozených a antropogenních. Přirozený jemný prach může být, jak bylo vysvětleno, způsoben erozí půdy, ale také pochází z biologických zdrojů, například z pylové sezóny na jaře, kdy je pyl pro alergiky nepříjemný i v nejmenších koncentracích, a jiné biologické suspendované částice, jako spory plísní nebo mikroorganismy (bakterie nebo viry), mohou kazit potraviny nebo způsobovat nemoci. Tento podíl přirozeného jemného prachu je nevyhnutelný. Nicméně ještě větší, ale možné zabránitelný podíl jemného prachu je způsoben lidskou činností: vzniká emisemi z motorových vozidel, tepláren, kamen, kotlů v obytných domech, při výrobě kovů a oceli nebo při manipulaci s odpadem. Ve městech je hlavním zdrojem doprava. Jemný prach se do ovzduší dostává nejen z motorů – především z naftových motorů – ale také od brzd a pneumatik, a také při víření prachu. Dalším významným zdrojem je zemědělství, protože emise plynných předchůdců, zejména amoniaku z chovu zvířat, přispívají ke sekundární tvorbě jemného prachu. Emise antropogenního jemného prachu se v Německu odhaduje na přibližně 200 000 tun ročně (dle údajů Umweltbundesamt).

Stručně řečeno, můžeme říci, že suspendované částice (prachové a jemné prachové částice, mikroorganismy, aerosoly nebo jiné biologické částice) se vyskytují všude v okolním vzduchu i v interiérech a kvůli jejich malým rozměrům menším než 10 µm mohou dlouhodobě zůstat ve vzduchu nebo být přenášeny vzdušnými proudy na velké vzdálenosti.

Kde a co musíme chránit před jemným prachem?

Nejen člověku je jemný prach škodlivý a může způsobit zdravotní problémy, ale také mikroelektronické, lékařské nebo farmaceutické výrobky mohou být poškozeny! To platí obzvlášť pro výrobu mechanických a elektronických součástek, jejichž strukturální vlastnosti jsou v mikrometrech, například v mikroelektronice, u vysoce rozlišovacích optických komponent, jako jsou senzory, zejména u kamerových a videokamerových snímačů, ale i v oblasti ukládání dat.

U lékařských a farmaceutických výrobků jsou zvlášť problematické částice biologického původu, protože pro mnoho produktů musí být zaručena sterilita a počet mikroorganismů nesmí překročit stanovené limity.
Produkty, jejichž vlastnosti mohou být jakýmikoli částicemi, bez ohledu na jejich původ, ovlivněny, poškozeny nebo úplně zničeny, musí být chráněny před jakýmikoli částicemi, pokud jsou požadovány určité vlastnosti a kvality produktu.
Když mluvíme o znečištění interiérů částicemi, musíme sledovat dva zdroje. Jemný prach z okolního vzduchu lze poměrně snadno zvládnout vhodnými ventilacemi a filtračními zařízeními. Druhým zdrojem jsou však lidé sami, protože uvolňují velké množství těchto suspendovaných částic jako aerosol při mluvení, při každém nádechu nebo přímo jako částice (odlupky kůže, vlákna z oblečení) při pohybu. Kdykoli jsou lidé zapojeni do výroby, montáže nebo balení, je proto třeba přijmout další opatření. Pouhým odchodem kůže a oblečení uvolní každá osoba v čistém prostoru (ISO třída 8) více než 600 milionů částic (> 0,5 µm) na krychlový metr, jak ukazují údaje Fraunhoferova institutu pro procesní techniku a automatizaci (IPA) ze Stuttgartu.

Jak můžeme chránit výrobky před jemným prachem?

Mezi různými technickými možnostmi čištění vzduchu v místnosti se osvědčily filtrační techniky, protože představují cenově dostupnou a provozně nenákladnou alternativu a lze je dodatečně instalovat. Pouze správným čištěním vzduchu lze zabránit suspendovaným částicím a jemnému prachu!

Instalace filtračního zařízení na čištění vzduchu však nestačí k tomu, aby se od výrobků a balení udržel prach daleko, ale je třeba vytvořit strategický celkový koncept. Ten zahrnuje řadu opatření, jako je čištění vzduchu pomocí vhodných filtračních zařízení, nošení vhodného ochranného oblečení, optimalizaci pracovních postupů a přímé stínění výrobků před částicemi, které mohou emitovat zaměstnanci. U zvlášť vysokých požadavků jsou nezbytné také osobní a výrobní komory, stejně jako školení personálu a pravidelné měření počtu částic ve vzduchu.

Kvalita čistého prostoru nebo příslušných menších čistých prostor, například flow-boxu, je posuzována podle normy DIN EN ISO 14644, ve které jsou třídy kvality definovány podle počtu částic v dané velikostní frakci: viz tabulka 1.(2)

Funkce čistého prostoru je poměrně jednoduchá, viz schematické znázornění laminárního proudění vzduchu v čistícím boxu na obrázku 1. Vzduch je nasáván ventilátorem (nejčastěji naši zákazníci preferují velmi tichá ventilátory řady Super-Silent) a proháněn přes vysokovýkonný filtr na částice. Obě komponenty jsou umístěny v horní části stropu v modulu řady FMS od firmy Spetec GmbH. HEPA filtr třídy 14 má izolační faktor 10^4 a snižuje počet částic a zlepšuje kvalitu vzduchu uvnitř minimálně o 10 000krát oproti okolnímu prostředí. Díky uspořádání filtru je v pracovní oblasti za skleněnými deskami (nebo lamelami) vytvářen laminární proud vzduchu, což znamená, že vzduch proudí jako záclona shora dolů v paralelních proudnicích a vzduchotěsně chrání vzorek, výrobek nebo pracovní prostor před vniknutím částic. Suspendované částice ve vzduchu nebo uvolněné personálem jsou zachycovány proudem vzduchu a odstraňovány odvodním kanálem nebo vraceny zpět do filtrační jednotky přes zpětný kanál.

Alternativou k velkému čistícímu boxu jsou pro řadu aplikací menší moduly, tzv. laminární flow-boxy, jejichž různé varianty jsou znázorněny na obrázku 2. Ty byly vyvinuty pro různé použití při výrobě, montáži nebo balení mikroelektronických či optoelektronických součástek. Podle varianty jsou dostupné také jako certifikované pracovní stoly třídy ISO 5 v různých velikostech nebo vyrobené z určitých materiálů, aby splnily požadavky směrnice GMP, přílohy Biokontaminace, a trvale zabránily růstu mikroorganismů v pracovním prostoru.

Kombinací čistých prostor nebo laminárních flow-boxů je možné vytvořit celé výrobní linky tak, že se výrobek v žádném bodě výrobního procesu nedostane do kontaktu s částicemi jakéhokoli druhu. Umístění nebo uspořádání, ale i návrh jednotlivých komponentů lze přizpůsobit potřebám zákazníka.

Příklad použití: Montáž mikroelektronických senzorů pro vysoce rozlišovací videokamery

Zde bude diskutován koncept čistého prostoru na příkladu. Při montáži vysoce rozlišovacích kamerových a videových senzorů mohou i nejmenší prachové částice způsobit obrovské rušivé faktory. Čím vyšší rozlišení kamer, tím složitější je výroba a montáž. Aby se zabránilo jakémukoli znečištění jejich video technických systémů, rozhodl se jeden zákazník pro instalaci čistého prostoru třídy ISO 5 od SPETEC GmbH z Erding. Požadavek na vysoce rozlišovací a stále rychlejší kamerové senzory roste stále, stejně jako nároky na kvalitu.

Čistota od prachu je při montáži senzorů do kamer nezbytná, aby byly chráněny velmi citlivé komponenty v složitých mikroelektronických systémech. Společně vypracovaný koncept zahrnoval kromě typických rozměrů čistého prostoru také požadavek na co nejlepší pracovní podmínky z ergonomického hlediska.

Instalovaná čistící buňka SPETEC s rozměry 9 x 4 m, viz fotografie na obrázku 3, sestává z plošně spojitého stěnového systému z hliníkových pevných dílů a průhledových oken, dále posuvných dveří pro personální komoru, a také jedné jednokřídlé dveře jako nouzového východu a servisního vstupu/výstupu. Kromě klimatizace bylo do prostoru instalováno šest laminárních modulů „SuSi Super Silent“ pro filtrace vzduchu, aby na čtyřech pracovních nebo montážních stanovištích, stejně jako v celém podniku, byla zajištěna ergonomicky co nejlepší pracovní prostředí a minimalizován hlukový podkres. Personál nosí bezprašivé oblečení, čepice, roušky a návleky na obuv, čímž se výrazně snižují emise částic od zaměstnanců, a tím je možné udržet čistotu prostoru i během různých pracovních kroků.

Instalovaná zařízení SPETEC® Laminar Flow Module FMS používají vysokovýkonný filtr typu H14 s účinností zachycení 99,995 %, čímž je dosažen izolační faktor 10^4. To znamená, že kvalita vzduchu pod laminárním proudem je oproti okolí minimálně 10 000krát lepší a koncentrace částic uvnitř zařízení se sníží z přibližně 15 milionů na m³ na asi 1 500 částic větších než 0,5 µm.

Součástí instalace je také měřicí přístroj na částice, materiálová komora s tlakové čištěním, odsávací zařízení u pracovního stolu pro lokální aerosoly vznikající při pájení, vhodné LED osvětlení v stropě a speciální flow-box v komoře pro předčištění elektronických a optických součástek. V této konfiguraci je i při plném obsazení zajištěna třída čistoty ISO 5, což je denně kontrolováno a dokumentováno.

V čistící buňce jsou dále umístěny šatní skříň a sedací lavice. Podle firmy je tak zajištěna nejvyšší možná čistota při montážním procesu a tím i maximální kvalita výrobku, když jsou senzorové desky a objektivy různých typů kamer těsně spojeny za těchto optimálních podmínek.

Závěr

Stručně řečeno, laminární flow-boxy jsou ideální pro ochranu výrobků před částicemi a mikroorganismy, pokud výrobní kroky vyžadují málo prostoru. Pokud rostou požadavky zákazníka, lze pomocí kombinace modulů čistých prostor vybudovat celou výrobní linku. Pokud je potřeba větší prostor nebo je požadováno, aby byly boxy průchozí, protože je nutná složitější výroba nebo balení, je ideálním řešením čistý prostor nebo čistící buňka. Existující čistý prostor lze kdykoli rozšířit pomocí modulárního systému. To chrání zákazníka před nákladnými chybami při investicích a je zvlášť udržitelné, protože lze začlenit stávající komponenty do nového konceptu.

Společnost SPETEC GmbH má desetileté zkušenosti s vývojem a použitím čistých prostorů a zařízení na čištění vzduchu a svým zákazníkům nabízí nejen technické řešení, ale také společně s nimi vyvíjí nákladově efektivní strategický celkový koncept. +

(1) Jemný prach z silvestrovského ohňostroje / Umweltbundesamt
(2) https://www.beuth.de/de/norm/din-en-iso-14644-1/238330395