¿Por qué nos dificulta la vida el polvo?

Figura 3: Foto de una sala limpia en la industria de la microelectrónica

Figura 1: Representación esquemática del flujo de aire laminar en una cabina de limpieza

Figura 2: Diferentes formas de ejecución de cajas de flujo laminar

Tabla 1: Clases de salas limpias según ISO 14644-1

El polvo, que yace en grandes ovillos en las esquinas, se ve bien, y se puede eliminar fácilmente con un plumero. Pero queremos ocuparnos del polvo que ya no se percibe tan bien a simple vista. Para ello, tomamos de manera aleatoria 2 eventos del año pasado. Uno de estos eventos es el polvo del Sahara, ya que el año pasado hubo varios incidentes en los que nos regaló puestas de sol particularmente hermosas, con un brillo rojizo. Este polvo fino, causado naturalmente, puede ser considerable dependiendo de la estación del año, como conocemos de las condiciones meteorológicas influenciadas por el polvo del Sahara. Las cifras son enormes: más de la mitad del aerosol troposférico global y aproximadamente el 35% de la masa de partículas emitidas primariamente consiste en partículas de polvo mineral, de las cuales en Europa aproximadamente la mitad proviene del Sahara y el resto de otras regiones desérticas del mundo. Con aproximadamente 1.8 mil millones de toneladas por año, la erosión eólica de polvo mineral contribuye al balance global de aerosoles. El polvo mineral influye en el sistema Tierra-Atmósfera mediante dispersión y absorción parcial de la radiación solar entrante, además de participar en la formación de nubes a través de núcleos de condensación.

De la arena del Sahara sabemos que puede ser transportada por corrientes de aire a cientos, si no miles de kilómetros, y penetrar en cualquier espacio interior a través de aberturas muy finas. Como conductores de vehículos, también sabemos lo pegajoso y rojizo que es en cada capa de pintura de los autos.

El segundo evento que experimentamos en el cambio de año fue la visibilidad del problema del polvo fino: el aire estaba "para cortarse". Este año, finalmente, volvió a ser posible dar la bienvenida al nuevo año con un gran espectáculo de fuegos artificiales. Aunque los fuegos artificiales son hermosos de ver, las consecuencias, especialmente por lesiones y daños materiales, se discutieron de manera particularmente controversial este año. Sin embargo, se prestó poca atención a los daños relacionados con la salud y económicos, ya que cada año se liberan aproximadamente 2.050 toneladas de polvo fino (PM10) por la quema de fuegos artificiales, principalmente en la noche de Año Nuevo. Esta cantidad equivale aproximadamente a un uno por ciento del total de polvo fino antropogénico liberado anualmente en Alemania.(1)

Debido a sus propiedades físicas, las partículas pequeñas también se llaman frecuentemente partículas en suspensión. El polvo fino es una parte del polvo en suspensión. Como polvo en suspensión ("Particulate Matter": PM en inglés), se denomina a las partículas en el aire que no caen inmediatamente al suelo, sino que permanecen en la atmósfera durante más tiempo. Dependiendo del tamaño de las partículas, diferenciamos varias fracciones: bajo el término "PM10" (PM2,5), se entienden simplificadamente todas las partículas cuyo diámetro aerodinámico es menor a 10 micrómetros (2,5 µm). Ambas fracciones de tamaño se monitorean diariamente en más de 600 estaciones de medición en toda Alemania, y con frecuencia se superan los límites establecidos, aunque en 2021 no se sobrepasó el valor medio anual permitido de 40 µg/m³. En general, la fracción PM10 se denomina polvo fino. El polvo fino no es perceptible a simple vista, solo en ciertas condiciones meteorológicas o, como en el caso del polvo del Sahara o los fuegos artificiales de Año Nuevo, puede verse en forma de una "capa de neblina".

Independientemente de su origen, las propiedades de estas partículas se caracterizan principalmente por dos parámetros: una, su tamaño, o mejor dicho, su diámetro hidrodinámico, y dos, su concentración, es decir, su masa o número de partículas por metro cúbico de aire.

El polvo fino proviene de dos fuentes distintas: naturales y antropogénicas. El polvo fino natural puede, como se explicó, ser causado por erosión del suelo, pero también puede provenir de fuentes biológicas, como observamos en primavera durante la polinización. Los pólenes son desagradables incluso en concentraciones muy bajas para los alérgicos, y otras partículas biológicas como esporas de moho o gérmenes, como bacterias o virus, pueden estropear alimentos o causar enfermedades. Esta proporción del polvo fino de origen natural es inevitable. Sin embargo, una proporción aún mayor, pero evitables, del polvo fino es producida por la actividad humana: este polvo se genera por emisiones de vehículos motorizados, plantas de calefacción central y de calefacción a distancia, chimeneas y calefacciones en viviendas, en la fabricación de metales y acero, o también en la manipulación de materiales a granel. En áreas urbanas, el tráfico rodado es la principal fuente de polvo. Este polvo no solo entra en el aire por los motores —principalmente diésel—, sino también por el desgaste de frenos y neumáticos, y por la remoción de polvo por el viento. Otra fuente importante es la agricultura, ya que las emisiones de precursores gaseosos, especialmente las emisiones de amoníaco de la ganadería, contribuyen a la formación secundaria de polvo fino. Las emisiones antropogénicas de polvo fino en Alemania se estiman en aproximadamente 200.000 toneladas anuales (según la Agencia Ambiental Federal).

En resumen, podemos decir que las partículas en suspensión (polvo y polvo fino, gérmenes, aerosoles u otras partículas biológicas) están presentes en el aire ambiente y en espacios interiores, y debido a sus pequeñas dimensiones, menores de 10 µm, permanecen en el aire interior durante mucho tiempo o pueden ser transportadas a grandes distancias por el flujo de aire.

¿Dónde y qué debemos proteger del polvo fino?

No solo para los seres humanos, el polvo fino es dañino y puede causar problemas de salud, sino que también productos microelectrónicos, médicos o farmacéuticos pueden verse afectados. Esto es especialmente cierto en la fabricación de componentes mecánicos y electrónicos, cuyas propiedades estructurales están en el rango de micrómetros, como en la microelectrónica, en componentes ópticos de alta resolución, como sensores, especialmente en cámaras y sensores de video, pero también en el almacenamiento de datos.

En productos médico-tecnológicos y farmacéuticos, en particular, las partículas de origen biológico causan molestias, ya que para muchos productos se debe garantizar la esterilidad o no superar ciertos límites en la cantidad de gérmenes.
Los productos cuyas propiedades pueden ser alteradas, afectadas o completamente destruidas por partículas de cualquier origen deben ser protegidos contra partículas de todo tipo, cuando se exigen ciertas cualidades y propiedades del producto.
Al hablar de cargas de partículas en espacios interiores, debemos tener en cuenta dos fuentes. Las partículas de polvo fino que provienen del aire ambiente se pueden controlar bastante bien mediante sistemas de filtración y ventilación adecuados. Pero la segunda fuente de partículas es el propio ser humano, ya que libera una gran cantidad de estas partículas en forma de aerosoles al hablar, respirar o mediante movimientos, en forma de partículas (escamas de piel, fibras de la ropa). Siempre que haya personas involucradas en la producción, fabricación o embalaje, se requiere una acción adicional. Solo a través de la piel y la ropa, en un espacio limpio (clase ISO 8), cada persona libera más de 600 millones de partículas (> 0,5 µm de diámetro) por metro cúbico, según datos del Instituto Fraunhofer para Tecnología de Procesos y Automatización (IPA) de Stuttgart.

¿Cómo podemos proteger los productos del polvo fino?

Entre las diversas técnicas para limpiar el aire interior, las técnicas de filtración han demostrado ser especialmente efectivas, ya que representan una alternativa económica y de bajo costo operativo, además de poder ser instaladas posteriormente. Solo mediante una limpieza adecuada del aire interior se pueden evitar partículas en suspensión y polvo fino.

Por ello, no basta con instalar un sistema de filtración de aire para mantener alejadas las partículas de la fabricación y el embalaje; también se debe crear un concepto estratégico integral. Esto consiste en una serie de medidas, como la limpieza del aire mediante filtros adecuados, el uso de ropa protectora apropiada, la optimización de los procesos de trabajo y la protección directa de los productos contra partículas que puedan ser emitidas por los empleados. En casos de requisitos muy estrictos, también son necesarios pasajes de personal y productos, así como la capacitación del personal y el control de calidad del aire mediante mediciones regulares de la cantidad de partículas.

La calidad de una sala limpia o de áreas más pequeñas, como una caja de flujo laminar, se evalúa según la norma DIN EN ISO 14644, en la que las clases de calidad se definen por la cantidad de partículas en una fracción de tamaño determinada: véase la Tabla 1.(2)

La función de una sala limpia es bastante sencilla; consulte la representación esquemática del flujo de aire laminar en una célula de sala limpia en la Figura 1. El aire del espacio se aspira mediante un ventilador (que nuestros clientes prefieren especialmente por ser muy silencioso, de la serie Super-Silent) y se pasa por un filtro de partículas de alto rendimiento. Ambos componentes están instalados en la parte superior del techo en un módulo de la serie FMS de la empresa Spetec GmbH. El filtro HEPA 14 tiene un factor de aislamiento de 10^4 y reduce la cantidad de partículas, mejorando la calidad del aire interior al menos 10.000 veces en comparación con el aire exterior. La disposición del filtro genera en el área de trabajo tras los paneles de vidrio (o lamas) un flujo laminar de aire, lo que significa que el aire fluye como una cortina de arriba hacia abajo en líneas paralelas, protegiendo la muestra, el producto o el área de trabajo de partículas entrantes mediante una sobrepresión. Las partículas en suspensión en el aire o liberadas por el personal son captadas por el flujo de aire y eliminadas a través de un conducto de extracción o devueltas a la unidad de filtración mediante un conducto de recirculación.

Alternativamente, en lugar de una gran sala limpia, muchos usos han adoptado módulos más pequeños, como las cabinas de flujo laminar, y en la Figura 2 se muestran diferentes configuraciones diseñadas para distintas aplicaciones en la fabricación, montaje o embalaje de componentes microelectrónicos u optoelectrónicos. Según la variante, estas también están disponibles como bancos de trabajo certificados de clase ISO 5 en diferentes tamaños o fabricadas con ciertos materiales para cumplir con las directrices GMP, Anexo Biocontaminación, y para evitar de manera permanente gérmenes en el área de trabajo.

Mediante la combinación de salas limpias o cabinas de flujo laminar, se pueden construir líneas de producción completas, de modo que el producto en ningún momento del proceso de fabricación entre en contacto con partículas de cualquier tipo. La disposición o configuración, así como el diseño de componentes individuales, pueden adaptarse a las necesidades del cliente.

Ejemplo de aplicación: montaje de sensores microelectrónicos para cámaras de video de alta resolución

En este apartado, se discutirá un concepto de sala limpia a partir de un ejemplo. En el montaje de sensores de cámaras y videos de alta resolución, incluso las partículas de polvo más pequeñas pueden convertirse en grandes factores de interferencia. Cuanto mayor sea la resolución de las cámaras, más complejo será su fabricación y montaje. Para evitar cualquier contaminación en sus sistemas de tecnología de video, un cliente optó por la instalación de una sala limpia de clase ISO 5 de SPETEC GmbH en Erding, ya que la demanda de sensores de cámaras de alta resolución y cada vez más rápidos crece constantemente, al igual que los requisitos de calidad.

La pureza en partículas es necesaria en el montaje de los sensores instalados en las cámaras para proteger los componentes muy sensibles al polvo en estos sistemas microelectrónicos complejos. El concepto elaborado en conjunto para esto incluyó, además de los tamaños típicos de salas limpias, la exigencia de las mejores condiciones de trabajo en términos ergonómicos.

La sala limpia instalada de SPETEC, con dimensiones de 9 x 4 m, véase la foto en la Figura 3, consiste en un sistema de paredes de aluminio con elementos fijos y ventanas, así como puertas correderas para la esclusa de personal, además de una puerta abatible como salida de emergencia y entrada de servicio. Además de la climatización, se instalaron seis módulos de flujo laminar en versión "SuSi Super Silent" para la filtración del aire, con el fin de garantizar condiciones de trabajo ergonómicas óptimas en los cuatro puestos de trabajo o montaje, y minimizar el ruido de fondo. El personal usa ropa sin pelusas, gorros, mascarillas y cubrezapatos, reduciendo drásticamente las emisiones de partículas por parte de los empleados, para mantener la pureza en la sala limpia durante los diferentes procesos de trabajo.

Los módulos de flujo laminar SPETEC® instalados utilizan un filtro de alto rendimiento tipo H14 con un grado de captura del 99,995%, logrando un factor de aislamiento de 10^4. Esto significa que la calidad del aire bajo el módulo de flujo laminar se mejora al menos 10.000 veces en comparación con el entorno exterior, y la concentración de partículas dentro de la unidad, que ronda los 15 millones/m³, se reduce a aproximadamente 1.500 partículas de tamaño superior a 0,5 µm.

Además, la instalación incluye un medidor de partículas, una esclusa de material con limpieza por aire comprimido, un sistema de extracción en una mesa de trabajo para aerosoles locales, como los que se generan al soldar, una iluminación LED coordinada en el techo, y una cabina adicional en la esclusa para la prelimpieza de componentes electrónicos y ópticos. Con esta configuración, incluso con personal completo, se garantiza una clase de sala limpia ISO 5, lo cual se controla y documenta diariamente.

En la sala limpia hay también un armario para ropa y un banco, asegurando, según la empresa, la máxima pureza en el proceso de montaje y, por tanto, la máxima calidad del producto, cuando las placas de sensores y lentes de diferentes tipos de cámaras se enroscan de forma hermética en estas condiciones óptimas.

Conclusión

En resumen, las cabinas de flujo laminar son ideales para proteger productos de partículas y gérmenes siempre que los pasos de producción requieran poco espacio. Cuando las necesidades del cliente crecen, se puede construir una línea de producción completa combinando módulos de salas limpias. Si se requiere un gran espacio o que las cabinas sean transitables, debido a la producción o embalaje más complejos, una sala limpia o una célula de sala limpia es la solución ideal. Una sala limpia existente puede ampliarse en cualquier momento mediante el sistema modular utilizado, evitando inversiones costosas y siendo especialmente sostenible, ya que los componentes existentes pueden integrarse en un nuevo concepto.

La empresa SPETEC GmbH cuenta con décadas de experiencia en el desarrollo y aplicación de sistemas de salas limpias y sistemas de filtración de aire, ofreciendo a sus clientes no solo una solución técnica, sino también desarrollando junto con ellos un concepto estratégico rentable y completo. +

(1) Polvo fino por fuegos artificiales de Año Nuevo / Agencia Ambiental Federal
(2) https://www.beuth.de/de/norm/din-en-iso-14644-1/238330395