Huella de CO₂ en la tecnología de salas limpias

Patrón de flujo de un flujo con turbulencia mínima bajo la influencia del punto de succión

Influencia de un punto de extracción de aire en la circulación laminar en la habitación

Huella de CO₂ - Factores que influyen en una sala limpia

Esquema de principios del concepto de sala limpia con plenum de presión y módulos de recirculación de aire

Captura detallada de los campos de energía cinética debajo de la planta de residuos, que no son afectados ni desplazados por un flujo laminar.

En tiempos de auge económico y de circulación ilimitada de mercancías, la conciencia respecto a nuestro medio ambiente no está especialmente desarrollada. Ahora, las crisis internacionales nos muestran de manera drástica nuestra dependencia autogenerada y, sin embargo, en gran medida ignoramos las consecuencias del cambio climático. Además, los altos costos de energía y operación plantean grandes desafíos a la industria, especialmente también a la tecnología de salas limpias.

Es hora de apostar por nuevos valores. El medio ambiente, la energía, la seguridad y la sostenibilidad tienen la máxima prioridad y las legislaciones europeas y regionales establecen actualmente reglas estrictas en relación con procesos sostenibles y ecológicos.

El balance de carbono (CO2) es una medida del total de emisiones de dióxido de carbono, causadas directa o indirectamente por actividades o que se generan durante las etapas de vida de un producto. La huella de carbono de un producto (Product Carbon Footprint) muestra en qué fase del ciclo de vida se generan emisiones significativas de CO2 y cómo reducirlas de manera rentable. Desde la extracción de materias primas, pasando por el transporte, la producción, el uso y el escenario de fin de vida, todo es analizado.
Para calcular la huella de carbono de los productos se aplica la ISO 14067.

Se recopilan las cantidades emitidas de gases de efecto invernadero en un sistema de producto y se convierten en equivalentes de CO2 para cuantificar la contribución potencial de este producto al calentamiento global. La tecnología moderna de medición permite reducir al mínimo las tolerancias de medición y garantizar una velocidad de flujo constante. Pruebas prácticas demuestran que la calidad del aire en salas limpias no se ve afectada cuando la velocidad de flujo se reduce a 0,36 m/s. Con simulaciones, diseños innovadores de salas limpias, pruebas confiables y evaluaciones de riesgos fundamentadas, en muchas ocasiones velocidades de flujo por debajo del 20% de regulación son aceptables.

"Necesitamos coraje para el cambio y voluntad para verdaderas colaboraciones – desarrollar soluciones juntos y asumir responsabilidades" - Josef Ortner

Velocidad de flujo en filtros HEPA

La DIN EN ISO 14644 establece para un flujo turbulento una velocidad de aire en la salida de los filtros HEPA de 0,45 m/s ±20%. Esta especificación fue creada hace décadas y se basa en parte en la eficiencia de filtración de la tecnología de filtros de aquella época. Esta especificación genera, en caso de cobertura total de filtros o áreas mayores, cantidades enormes de aire. Además, hay una resistencia adicional en el entorno del filtro de aproximadamente 200 a 500 Pascales, que se refleja en la resistencia del filtro y en los componentes de incorporación que regulan el flujo. En esta consideración, no se incluyen los valores de las instalaciones, incluyendo los sistemas de distribución, de los sistemas de ventilación y aire acondicionado. La resistencia total en los sistemas de ventilación suele estar entre 800 y 1000 Pascales. Esto implica un alto consumo de energía, gran capacidad de refrigeración, conductos de aire voluminosos y componentes de gran tamaño. La tecnología actual de filtros permite velocidades de aire mucho menores a los valores estándar, sin comprometer la calidad. Los valores de resistencia disminuyen notablemente y la vida útil se multiplica. Si además se utilizan filtros HEPA de PTFE con resistencia mínima, este efecto se mejora aún más. En muchos casos, los sistemas de salas limpias pueden operarse con velocidades de flujo reducidas, lo que puede reducir hasta en un 50% las inversiones y los costos operativos.

Velocidad de flujo en aisladores

La DIN EN ISO 14644 o las directrices GMP establecen para la clase de sala limpia A una velocidad de flujo uniforme en toda la superficie de 0,45 m/s ±20%. La exigencia de uniformidad en el flujo generalmente está plenamente justificada, pero también se logra con velocidades significativamente inferiores a los valores establecidos. Siempre hay que tener en cuenta posibles influencias externas perturbadoras que puedan afectar el flujo en los pistones. Estos valores también deben cumplirse en los aisladores, aunque esto merece ser cuestionado. Los aisladores son sistemas de alta densidad en los que, por lo general, se instalan técnicas de esterilización o de descontaminación. Antes de cada proceso, todo el interior se lleva a un estado 100% libre de gérmenes. Se excluye con seguridad cualquier contaminación externa. Una circulación uniforme en toda la superficie no aumenta la seguridad, al contrario, puede tener efectos negativos. Simulaciones y visualizaciones del flujo demuestran que el flujo en pistón no garantiza la limpieza en nichos o áreas ocultas. En la mayoría de los casos, un flujo turbulento es más efectivo. Cambiar la técnica de flujo de un flujo de bajo turbulencia a uno turbulento también simplifica la tecnología y la construcción. Debido a los pequeños volúmenes de cámara, se pueden alcanzar fácilmente tasas de renovación de aire superiores a 400 veces (ejemplo de cálculo: aislador de 4 guantes, área de la cámara 2 m x 0,8 m = aproximadamente 2600 m³/h con flujo de pistón en comparación con un flujo turbulento de aproximadamente 800 m³/h, con una renovación de aire de 600 veces). El término flujo turbulento no se refiere a un flujo altamente turbulento. También hay que tener en cuenta que la característica del flujo, especialmente en el flujo en pistón, depende en gran medida de la aspiración y de los puntos de entrada. La extracción de aire influye en gran medida en el patrón de flujo. No se deben ignorar las influencias de las intervenciones laborales, la forma de trabajar, los materiales y envases, así como el equipamiento técnico, que pueden afectar negativamente el flujo en pistón.

Aire exterior, aire de escape y recirculación

La mayoría de los sistemas y equipos en entornos médicos y farmacéuticos funcionan como sistemas de escape de aire, o al menos como sistemas de mezcla con cierta proporción de aire de escape. La justificación suele basarse en las especificaciones del fabricante y en la evaluación de riesgos de la dispersión de contaminación en el entorno laboral. Aire de escape significa necesariamente también aire exterior, que debe ser tratado para cumplir con las condiciones del sala limpia. Independientemente del esfuerzo de instalación y del espacio requerido, el tratamiento del aire exterior abarca temas como calefacción, refrigeración, humidificación, deshumidificación y toda la cadena de tecnología de filtros. Cuando se profundiza en el tema de las "especificaciones del fabricante", se llega a la conclusión de que los fabricantes evalúan diferentes riesgos y además añaden márgenes de seguridad. Esto no es una acusación, sino un estímulo a realizar una propia evaluación de riesgos. Este tema es especialmente relevante para la microelectrónica, ya que se necesitan miles de sistemas de producción para fabricar microchips. El aire de proceso de los equipos de proceso suele estar químicamente contaminado y debe tratarse mediante sistemas de absorción o adsorción.

Tres ejemplos prácticos:

1. En una comparación de mediciones de sistemas del mismo tipo y con los mismos procesos de fabricación, se observó que en algunos casos había diferencias importantes en las cantidades de aire de escape. En un procedimiento acordado con la producción, se ajustaron todos los sistemas progresivamente al valor del sistema con menor cantidad. El resultado fue una reducción del aire de escape en la planta de aproximadamente 18.000 m³/h, es decir, unos 160 millones de m³ al año. Esto también significa que 160 millones de m³ de aire exterior no necesitan ser tratado.

2. Para la instalación de un sistema de proceso, se construyó la instalación de ventilación prevista. Durante la puesta en marcha, sin informar al operador ni al equipo de puesta en marcha, se preconfiguró el aire de proceso en aproximadamente un 60% de las especificaciones del fabricante, esperando que se ajustara posteriormente si surgían problemas con el producto o en la puesta en marcha. El resultado fue que los valores ajustados no se modificaron y no surgieron problemas de calidad.

3. En los años 80, se construyó una fábrica de microchips de alta tecnología. Una de las novedades fue la tecnología de plenum de presión y la cobertura total de filtros en aproximadamente 1000 m² de superficie de fabricación. Para garantizar las especificaciones de flujo de 0,45 m/s, se instalaron sistemas de recirculación con una capacidad de aproximadamente 1,6 millones de m³/h. Con una altura de sala de 3 m, esto resultó en aproximadamente 600 renovaciones de aire por hora. A pesar de las serias dudas sobre la reducción del volumen de aire, y acompañados de controles de calidad exhaustivos, la velocidad de flujo se redujo progresivamente a 0,3 m/s. El resultado fue una disminución del volumen de aire en aproximadamente 1 millón de m³/h y una reducción significativa en la resistencia del sistema, lo que llevó a una reducción en el consumo de energía y en la potencia de refrigeración de aproximadamente 7,7 millones de kWh/año.

Estos ejemplos simples pretenden incentivar a comenzar las puestas en marcha desde valores más bajos, para alcanzar las condiciones operativas óptimas.

Sistemas en modo recirculación

El desarrollo técnico de las últimas décadas ha traído muchas novedades y mejoras. La tecnología moderna de filtros de aire y los métodos para tratar aire contaminado de escape han permitido que muchas instalaciones de salas limpias y procesos puedan operarse hoy en día como sistemas de recirculación independientes de la infraestructura. Esto permite reducir las cantidades de aire en transferencias simples de material en aproximadamente 0,7 millones de m³/año, en puertas de descontaminación de aproximadamente 4 millones de m³/año o en aisladores de aproximadamente 2 a 6 millones de m³/año. Además, desaparece la infraestructura de ventilación y sistemas de aire acondicionado.