Empreinte carbone en technologie de salle blanche

Schéma d'écoulement d'un flux laminaire sans turbulence sous l'influence du point d'aspiration

Influence d'un point d'aspiration d'air extrait sur l'écoulement laminaire dans la pièce

Empreinte carbone CO₂ - Facteurs influençant dans une salle blanche

Schéma de principe du concept de salle blanche avec plénum de pression et modules de recirculation d'air

Prise de vue détaillée des champs d'énergie cinétique sous la zone de décharge, qui ne sont pas affectés ou déplacés par un écoulement laminaire.

En période de prospérité économique et de circulation illimitée des marchandises, la conscience environnementale n'est pas particulièrement développée. Cependant, les crises internationales nous rappellent brutalement notre dépendance auto-contruite et, malgré cela, nous passons largement sous silence les conséquences du changement climatique. De plus, les coûts élevés de l'énergie et de l'exploitation posent de grands défis à l'industrie, en particulier à la technologie des salles blanches.

Il est temps de miser sur de nouvelles valeurs. L'environnement, l'énergie, la sécurité et la durabilité ont la priorité absolue, et les législations européennes et régionales établissent actuellement des règles strictes concernant les processus durables et respectueux de l'environnement.

Le bilan carbone est une mesure du total des émissions de dioxyde de carbone, causées directement ou indirectement par une activité ou produites au cours des différentes phases de vie d'un produit. L'empreinte carbone d'un produit (Product Carbon Footprint) indique à quelle étape du cycle de vie des émissions importantes de CO2 ont lieu et comment celles-ci peuvent être réduites de manière rentable. Tout est examiné, de l'extraction des matières premières au transport, à la production, à l'utilisation et au scénario de fin de vie.
Pour calculer l'empreinte carbone des produits, la norme ISO14067 est appliquée.

Les quantités de gaz à effet de serre émises dans un système de produits sont relevées et converties en équivalents CO2 afin de quantifier la contribution potentielle de ce produit au réchauffement climatique. La technologie de mesure moderne permet de réduire au minimum les tolérances de mesure et d'assurer une vitesse d'écoulement constante. Les tests pratiques prouvent que la qualité des salles blanches n'est pas affectée par une réduction de la vitesse d'écoulement à 0,36 m/s. Grâce à des simulations, une conception innovante des salles blanches, des tests fiables et des évaluations de risques approfondies, des vitesses d'écoulement inférieures à la règle des 20 % sont souvent justifiables.

« Nous avons besoin de courage pour le changement et de la volonté pour de véritables coopérations – développer ensemble des solutions et assumer la responsabilité » - Josef Ortner

Vitesse d'écoulement pour filtres HEPA

La norme DIN EN ISO 14644 prévoit, pour un écoulement peu turbulent, une vitesse d'air à la sortie des filtres HEPA de 0,45 m/s ±20 %. Cette exigence a été établie il y a plusieurs décennies, en partie en raison de l'efficacité de filtration de la qualité de filtre de l'époque. Cette exigence entraîne, en cas de couverture complète des filtres ou de surfaces de filtres plus grandes, d'énormes volumes d'air. De plus, une résistance accrue de l'air dans l'environnement du filtre d'environ 200 à 500 Pascals se manifeste dans la résistance du filtre et dans les composants de flux d'air en amont. Ces valeurs ne tiennent pas compte des valeurs de l'installation, y compris des systèmes de distribution d'air des systèmes de ventilation et de climatisation. La résistance totale dans les systèmes de ventilation se situe généralement entre 800 et 1000 Pascals. Cela implique une consommation d'énergie élevée, une puissance de refroidissement importante, de grands conduits d'air et de gros composants d'installation. La technologie moderne des filtres permet aujourd'hui d'atteindre des vitesses d'air bien inférieures aux valeurs standard, sans compromettre la qualité. La résistance diminue nettement et la durée de vie s'en trouve multipliée. En utilisant des filtres HEPA en PTFE à résistance minimale, cet effet est encore amélioré. Dans de nombreux cas, il est possible de faire fonctionner des systèmes de salles blanches avec des vitesses d'écoulement réduites, ce qui peut réduire les coûts d'investissement et d'exploitation jusqu'à 50 %.

Vitesse d'écoulement pour isolateurs

La norme DIN EN ISO 14644 ou les directives GMP exigent pour la classe de salle blanche A une vitesse d'écoulement uniforme sur toute la surface de 0,45 m/s ±20 %. La demande d'un écoulement uniforme est généralement tout à fait justifiée, mais cette vitesse peut également être atteinte à des vitesses nettement inférieures aux valeurs prescrites. Il faut toujours prendre en compte d'éventuelles influences extérieures perturbatrices pouvant affecter l'écoulement par piston. Ces valeurs doivent également être respectées pour les isolateurs, ce qui mérite d'être remis en question. Les isolateurs sont des installations de haute sécurité dans lesquelles sont généralement intégrés des techniques de stérilisation ou de décontamination. Avant chaque processus, l'intérieur est porté à un état 100 % exempt de microbes. Toute contamination extérieure est exclue avec certitude. Un écoulement uniforme sur toute la surface n'apporte pas une sécurité accrue, bien au contraire, il peut même avoir des effets négatifs. Des simulations et visualisations de flux montrent que l'écoulement par piston ne garantit pas une purge dans les niches ou zones cachées. Un écoulement turbulent est généralement plus efficace. Modifier la technique d'écoulement de peu turbulent à turbulent simplifie également la conception et la construction. En raison du faible volume de chambre, des taux de renouvellement d'air >400 fois sont facilement atteints. (Exemple de calcul : isolateur à 4 gants, surface de la chambre 2 m x 0,8 m = environ 2600 m³/h en écoulement peu turbulent contre environ 800 m³/h en écoulement turbulent, avec un renouvellement d'air de 600 fois). Le terme écoulement turbulent ne désigne pas un écoulement fortement turbulent. Il faut aussi noter que la caractéristique de l'écoulement, notamment l'écoulement par piston, dépend fortement de l'aspiration, en particulier des points d'aspiration. La sortie d'air influence fortement le profil d'écoulement. Il ne faut pas non plus négliger l'influence des interventions de travail, des matériaux, des contenants, ainsi que de l'équipement technique, qui peuvent nuire à l'écoulement peu turbulent.

Air extérieur, air de rejet et recyclage

La plupart des installations et appareils dans le domaine médical et pharmaceutique fonctionnent en tant que systèmes d'air de rejet pur, ou du moins en tant que systèmes d'air mélangé avec une certaine proportion d'air de rejet. La justification réside généralement dans les indications du fabricant et dans l'analyse des risques de dissémination de contamination dans l'environnement de travail. L'air de rejet signifie nécessairement aussi de l'air extérieur, qui doit être traité pour répondre aux conditions du salle blanche. Indépendamment de l'effort d'installation et de l'espace requis, le traitement de l'air extérieur concerne les aspects de chauffage, de refroidissement, d'humidification, de déshumidification et toute la chaîne de la technologie des filtres. En étudiant de plus près la notion de « déclarations du fabricant », on constate que les fabricants évaluent différents risques et ajoutent aussi des marges de sécurité. Cette constatation n'est pas une critique, mais vise simplement à encourager une propre évaluation des risques. Ce sujet concerne particulièrement la microélectronique, car des milliers d'installations de production sont nécessaires pour fabriquer des microprocesseurs. L'air de processus provenant des équipements de processus est généralement chimiquement contaminé et doit être traité via des systèmes d'absorption ou d'adsorption.

Trois exemples pratiques :

1. Lors d'une comparaison de mesures entre des installations du même type et utilisant les mêmes processus de fabrication, il a été constaté qu'il existait parfois d'importantes différences dans les quantités d'air rejeté. Dans une procédure coordonnée avec la production, toutes les installations ont été progressivement réglées sur la valeur de l'installation ayant le plus faible rejet. Le résultat a été une réduction du rejet sur le site d'environ 18 000 m³/h, soit environ 160 millions de m³ par an. Cela signifie également 160 millions de m³ d'air extérieur qui n'ont pas besoin d'être traités.

2. Pour l'installation d'une unité de processus, l'installation de ventilation prescrite a été mise en place. Lors de la mise en service, sans en informer l'exploitant ni l'équipe de mise en service, le rejet du processus a été pré-réglé à environ 60 % des indications du fabricant, en espérant qu'il serait ajusté si des problèmes sur le produit ou lors de la mise en service survenaient. Le résultat a été que les valeurs réglées n'ont pas été modifiées et qu'aucun problème de qualité n'est survenu.

3. Dans les années 80, une usine de microprocesseurs ultramoderne a été construite. Une des innovations concernait la technique de plénum de pression et le remplissage complet des filtres pour environ 1000 m² de surface de fabrication. Pour garantir la conformité à la norme d'écoulement de 0,45 m/s, des systèmes de recyclage d'air d'une capacité d'environ 1,6 million de m³/h ont été installés. Avec une hauteur de pièce de 3 m, cela représentait environ 600 renouvellements d'air par heure. Malgré de vives inquiétudes concernant la réduction du volume d'air, la vitesse d'écoulement a été progressivement abaissée à 0,3 m/s, accompagnée de contrôles qualité approfondis. Le résultat a été une réduction du volume d'air d'environ 1 million de m³/h, ainsi qu'une baisse notable de la résistance du système, conduisant à une réduction de la consommation d'énergie et de refroidissement d'environ 7,7 millions de kWh/an.

Ces exemples simples visent à encourager à commencer les mises en service à une valeur plus basse, afin d'atteindre des conditions de fonctionnement optimales.

Systèmes en recyclage d'air

Les développements techniques des dernières décennies ont apporté de nombreuses innovations et améliorations. La technologie moderne des filtres à air ainsi que les techniques de traitement des rejets contaminés ont permis de faire fonctionner aujourd'hui de nombreux systèmes de salles blanches et de processus en tant que systèmes de recyclage d'air indépendants de l'infrastructure. Cela permet de réduire les volumes d'air dans des applications simples, comme le passage de matériaux, d'environ 0,7 million de m³ par an, ou dans des sas de décontamination d'environ 4 millions de m³ par an, ou dans des isolateurs de 2 à 6 millions de m³ par an. De plus, l'infrastructure technique de traitement de l'air devient superflue.