Impronta di CO₂ nella tecnologia delle camere bianche

Schema di flusso di un flusso a bassa turbolenza sotto l'influenza del punto di aspirazione

Influenza di una presa d'aria di scarico sulla laminare flusso nell'ambiente

Impronta di CO₂ - Fattori di influenza in una camera bianca

Schema di principio del concetto di camera bianca con plenum di pressione e moduli di ricircolo d'aria

Ripresa dettagliata dei campi di energia cinetica sotto l'impianto di smaltimento, che non sono interessati o spostati da un flusso laminare.

In tempi di boom economico e di traffico di merci senza confini, la consapevolezza riguardo al nostro ambiente non è particolarmente sviluppata. Ora le crisi internazionali ci mostrano con forza la dipendenza creata da noi stessi eppure ignoriamo in larga misura le conseguenze dei cambiamenti climatici. Inoltre, gli alti costi energetici e di esercizio pongono grandi sfide all'industria, in particolare anche alla tecnologia delle camere bianche.

È giunto il momento di puntare su nuovi valori. Ambiente, energia, sicurezza e sostenibilità hanno la massima priorità e le leggi europee e regionali attualmente stabiliscono regole rigorose riguardo a processi sostenibili ed ecocompatibili.

Il bilancio di CO2 è una misura del totale delle emissioni di anidride carbonica, causate direttamente e indirettamente dalle attività o generate durante le fasi di vita di un prodotto. L'impronta di carbonio di un prodotto (Product Carbon Footprint) mostra in quale fase del ciclo di vita si verificano emissioni significative di CO2 e come queste possano essere ridotte in modo economicamente efficiente. Dalla estrazione delle materie prime, al trasporto, alla produzione, all'uso e allo scenario di fine vita, tutto viene analizzato.
Per calcolare il Carbon Footprint dei prodotti si applica la norma ISO14067.

In questo modo vengono rilevate le quantità di gas serra emesse in un sistema di prodotto e convertite in equivalenti di CO2, per quantificare il contributo potenziale di questo prodotto al riscaldamento globale. La tecnologia moderna di misurazione permette di ridurre al minimo le tolleranze di misura e di garantire una velocità di flusso costante. I test pratici dimostrano che la qualità delle camere bianche con una riduzione della velocità di flusso a 0,36 m/s non viene compromessa. Con simulazioni, design innovativi delle camere bianche, test affidabili e valutazioni di rischio approfondite, molte volte velocità di flusso inferiori al 20% sono accettabili.

“Abbiamo bisogno di coraggio al cambiamento e della volontà di collaborare realmente – sviluppare soluzioni insieme e assumersi responsabilità” - Josef Ortner

Velocità di flusso per filtri HEPA

La norma DIN EN ISO 14644 prescrive per un flusso turbolento una velocità dell'aria all'uscita dei filtri HEPA di 0,45 m/s ±20%. Questa prescrizione è stata creata decenni fa e si basa in parte sull'efficacia di filtrazione di allora. Questa direttiva comporta, con una copertura completa dei filtri o superfici di grandi dimensioni, enormi quantità di aria. Inoltre, si riscontra una resistenza aumentata dell'aria nel contesto del filtro di circa 200 – 500 Pascal, dovuta alla resistenza del filtro e ai componenti di distribuzione del flusso anteriore. In questa considerazione, i valori di sistema, inclusi i sistemi di distribuzione dell'aria, non sono considerati. La resistenza totale nei sistemi di ventilazione si aggira generalmente tra 800 e 1000 Pascal. Ciò comporta elevate energie di alimentazione, alta potenza di raffreddamento, condotte d'aria voluminosi e grandi componenti di installazione. La tecnologia dei filtri odierna permette velocità dell'aria molto inferiori ai valori normativi senza compromettere la qualità. I valori di resistenza diminuiscono significativamente e i tempi di funzionamento si moltiplicano. Utilizzando filtri HEPA in PTFE a resistenza minima, questo effetto viene ulteriormente migliorato. In molti casi, i sistemi di camere bianche con velocità di flusso ridotte possono essere operati, portando a riduzioni dei costi di investimento e di esercizio fino al 50%.

Velocità di flusso per isolatori

La norma DIN EN ISO 14644 o le linee guida GMP prescrivono per la classe di camere bianche A una velocità di flusso uniforme e coprente di 0,45 m/s ±20%. La richiesta di uniformità del flusso è generalmente assolutamente giustificata, ma questa può essere raggiunta anche a velocità significativamente inferiori ai valori prescritti. È sempre importante considerare possibili influenze esterne disturbanti che possano compromettere il flusso di pistone. Questi valori devono essere rispettati anche negli isolatori, anche se ciò è discutibile. Gli isolatori sono sistemi di sicurezza ad alta densità, in cui sono installate tecniche di sterilizzazione o decontaminazione. Prima di ogni processo, l’interno viene portato in uno stato completamente sterile. La contaminazione esterna viene esclusa con certezza. Un flusso uniforme e coprente non garantisce una sicurezza superiore, anzi, può anche avere effetti negativi. Simulazioni di flusso e visualizzazioni dimostrano che il flusso di pistone non garantisce la ventilazione in nicchie o aree nascoste. Un flusso turbolento è più efficace nella maggior parte dei casi. Modificare la tecnica di flusso da a basso turbolento a turbolento semplifica anche la tecnologia e la costruzione. A causa dei volumi di camera ridotti, è facile raggiungere valori di ricambio dell’aria superiori a 400 volte all’ora. (Esempio di calcolo: isolatore con 4 guanti, superficie di circa 2,4 m², circa 2600 m³/h con flusso a bassa turbolenza rispetto a circa 800 m³/h con flusso turbolento, ricambio d’aria di 600 volte). Per flusso turbolento si intende un flusso non altamente turbolento. È importante anche notare che la caratteristica del flusso, in particolare il flusso di pistone, dipende molto dall’aspirazione e dai punti di aspirazione. L’aria di scarico influisce notevolmente sulla configurazione del flusso. Non devono essere trascurati neanche gli influssi dovuti alle modalità di lavoro, ai materiali e ai contenitori, così come alle attrezzature tecniche, che possono influenzare negativamente il flusso a bassa turbolenza.

Aria esterna, aria di scarico e ricircolo

La maggior parte degli impianti e delle apparecchiature nel settore medico e farmaceutico sono gestiti come sistemi di scarico di aria di scarico, o almeno come sistemi di aria mista con una certa quota di aria di scarico. La motivazione risiede spesso nelle indicazioni del produttore e nell’analisi del rischio di trasporto di contaminanti nell’ambiente di lavoro. L’aria di scarico significa necessariamente anche aria esterna, che deve essere trattata secondo le condizioni di purezza dell’ambiente di lavoro. Indipendentemente dall’impegno di installazione e dallo spazio richiesto, il trattamento dell’aria esterna riguarda i temi di riscaldamento, raffreddamento, umidificazione, deumidificazione e l’intera catena della tecnologia dei filtri. Se si approfondisce il tema delle “indicazioni del produttore”, si scopre che i produttori valutano vari rischi e aggiungono anche margini di sicurezza. Questa constatazione non è un’accusa, ma un invito a effettuare una propria valutazione del rischio. Questo tema riguarda in particolare l’elettronica micro, poiché sono necessarie migliaia di impianti di produzione per la fabbricazione di microchip. L’aria di scarico dei processi di apparecchiature di processo è generalmente contaminata chimicamente e deve essere trattata tramite sistemi di assorbimento o adsorbimento.

Tre esempi pratici:

1. In un confronto di valori di misurazione di impianti della stessa tipologia e con gli stessi processi di produzione, si è evidenziato che ci sono differenze significative nelle quantità di aria di scarico. In un procedimento concordato con la produzione, tutti gli impianti sono stati gradualmente regolati al valore più basso tra quelli rilevati. Il risultato è stato una riduzione dell’aria di scarico sul sito di circa 18.000 m³/h = circa 160 milioni di m³ all’anno. Ciò significa anche 160 milioni di m³ di aria esterna che non devono essere trattati.

2. Per l’installazione di un impianto di processo, è stata realizzata l’installazione di ventilazione prescritta. Durante l’avvio, senza informare l’operatore e il team di messa in funzione, l’aria di scarico del processo è stata impostata su circa il 60% delle indicazioni del produttore, in attesa di eventuali regolazioni in caso di problemi sul prodotto o durante l’avvio. Il risultato è stato che i valori impostati non sono stati modificati e non si sono verificati problemi di qualità.

3. Negli anni ’80 fu costruita una fabbrica di microchip altamente moderna. Una delle innovazioni riguardava la tecnologia del plenum di pressione e la copertura totale dei filtri su circa 1000 m² di superficie di produzione. Per garantire le specifiche di flusso di 0,45 m/s sono stati installati sistemi di ricircolo con una capacità di circa 1,6 milioni di m³/h. Con un’altezza della stanza di 3 m, si ottenne un ricambio d’aria di circa 600 volte all’ora. Nonostante le forti preoccupazioni per la riduzione della quantità d’aria, accompagnata da controlli di qualità approfonditi, la velocità dell’aria è stata gradualmente ridotta a 0,3 m/s. Il risultato è stato una diminuzione di circa 1 milione di m³/h della quantità d’aria e una significativa riduzione della resistenza dell’impianto, che ha portato a una riduzione energetica e di potenza di raffreddamento di circa 7,7 milioni di KWh/anno.

Questi semplici esempi vogliono stimolare a partire da valori più bassi per le messa in funzione, al fine di raggiungere le condizioni operative ottimali.

Impianti in modalità ricircolo

Lo sviluppo tecnologico degli ultimi decenni ha portato molte novità e miglioramenti. La moderna tecnologia dei filtri dell’aria e le tecniche di trattamento dell’aria contaminata di scarico hanno permesso che oggi molti impianti di camere bianche e processi possano essere gestiti come sistemi di ricircolo indipendenti dall’infrastruttura. Ciò consente di ottenere riduzioni delle quantità d’aria in sistemi di passaggio di materiali semplici di circa 0,7 milioni di m³/anno, di sistemi di decontaminazione di circa 4 milioni di m³/anno o di isolatori tra circa 2 e 6 milioni di m³/anno. Inoltre, si elimina l’installazione dell’infrastruttura di trattamento dell’aria.