Misurazione del flusso per il miglioramento dei sistemi di monitoraggio delle camere bianche

Sensore (Fonte immagine: Schmidt Technology)

Fig. 1: Tipica manifestazione di una cascata di pressione (fonte immagine: Schmidt Technology).

Tabella 1

Fig. 2: Solo il consumo di energia dei ventilatori rappresenta circa il 57% dei costi energetici. (Fonte immagine: Schmidt Technology)

Fig. 3: Principio di misurazione dell'adattamento del volume d'aria (Fonte immagine: Schmidt Technology)

Fig. 4: Sensore con supporto a parete: circa 50 mm di diametro sono sufficienti per misurare con grande precisione la cosiddetta sovrappressione. (Fonte immagine: Schmidt Technology)

Fig. 5: Con un sensore di flusso bidirezionale è possibile identificare in modo affidabile la direzione del flusso. (Fonte immagine: Schmidt Technology)

La sicurezza del prodotto, del processo e dei dipendenti nelle camere bianche e ambienti similari è solitamente garantita attraverso il mantenimento di camere a sovrappressione definite e a cascata. Questo genera un flusso d'aria da aree con maggiore purezza verso aree con minore purezza (eccezione le camere a depressione con requisiti opposti). Se la misurazione della pressione necessaria a questo scopo viene integrata con la misurazione del flusso d'aria e della direzione del flusso, si può aumentare la sicurezza operativa e spesso anche risparmiare sui costi energetici.

Introduzione

Per garantire la protezione di determinati prodotti da contaminazioni causate da persone o condizioni ambientali, o viceversa, ad esempio per tutelare le persone e l'ambiente da sostanze biologiche pericolose, si svolgono i processi più vari nelle camere bianche. Questi si trovano tipicamente nel settore medico e farmaceutico, nei semiconduttori o nel settore alimentare. Anche in altri settori industriali aumenta il numero di processi da svolgere in camere bianche. La classificazione di tali ambienti e come distinguere le aree pure da quelle meno pure è descritta nella norma EN ISO 14644. Essa raccomanda di creare aree non penetrabili, cosa però molto difficile da realizzare nella pratica. Infatti, persone e materiali devono poter entrare e uscire in modo pulito. Un’altra possibilità è proteggere le aree pure mediante un flusso di dislocamento che le protegge da contaminazioni provenienti da aree meno pure. A tal fine si applica di solito un concetto di differenza di pressione con sovrappressione regolata. I sensori di pressione sono collegati a un sistema di monitoraggio validato da GaiVlP e le pressioni misurate vengono documentate continuamente.

Le sovrappressioni richieste dalla norma sono comprese tra 5 e 20 Pascal, valore che si può raggiungere con sicurezza grazie ai sensori di pressione differenziale disponibili sul mercato. La ragione di ciò risiede nella risoluzione dei sensori di pressione disponibili. Per motivi di sicurezza, in pratica si utilizzano generalmente pressioni dell’aria di livello medio-alto. Ad esempio, nelle camere bianche farmaceutiche, queste sono spesso tra 15 e 30 Pascal. Viene determinata una pressione di riferimento, sulla quale si aumentano gradualmente le pressioni parziali delle aree di purezza. L’intera regolazione del flusso di aria viene orientata su questa pressione di riferimento. Se si verificano variazioni nel sensore di pressione di riferimento, questa condizione influisce sull’intero sistema di ventilazione della camera bianca. In alcune situazioni, tuttavia, la misurazione della pressione non fornisce dati sufficienti per dimostrare con oggettività il rischio di contaminazione dell’ambiente di prodotto. Ad esempio, quando si aprono le porte di una camera di transito, la pressione rispetto alla zona di purezza adiacente diminuisce al punto da poterla misurare. L’aria fluisce dalla zona pura a quella meno pura, ma questa situazione non può essere rilevata con strumenti di misura. Di conseguenza, in tali situazioni, la sicurezza del prodotto non può essere dimostrata in modo completo.

Velocità di flusso di 0,2 m/s è sufficiente

Le differenze di pressione tra le aree di purezza di cui sopra, inferiori a 5 Pa, non sono invece necessarie per mantenere la purezza dell’aria nelle singole zone. La norma EN ISO 14644-4 definisce una velocità di flusso minima di 0,2 m/s per delimitare le aree di purezza, corrispondente a una differenza di pressione inferiore a 0,1 Pa. Sul mercato sono ormai disponibili sensori di flusso in grado di misurare con precisione e affidabilità a partire da una velocità dell’aria (WN) di 0,05 m/s. Questo valore è molto inferiore a una pressione differenziale di 0,01 Pa. Da ciò si può dedurre che, con una tecnologia di misurazione del flusso altrettanto precisa, è possibile verificare con certezza che le sovrappressioni di 0,2 m/s tra una zona di purezza e quella successiva siano effettivamente presenti, anche in presenza di microflussi di aria che, con la misurazione della pressione tradizionale, non sarebbero rilevabili. Ciò significa che si possono fare affermazioni sulla funzione di protezione o sul rischio di contaminazione trasportata dall’aria, anche con flussi molto bassi, che non sarebbero più rilevabili con i metodi di misurazione della pressione tradizionali.

Facile da installare

Per l’installazione di tali sensori di flusso sono sufficienti piccoli fori sulla parete di circa 50 mm di diametro, per misurare con grande precisione il cosiddetto sovraccarico, cioè l’aria che fuoriesce dal sistema di aria in sovrappressione dalla camera bianca. Per valutare l’effetto della pressione ambientale sulla velocità di sovraccarico, si può applicare la legge di fuoriuscita di Torricelli. Con aria ambiente a 20°C e una pressione standard di 1013,5 hPa, si osservano le seguenti relazioni (Tab. 1). Di conseguenza, anche con una differenza di pressione molto piccola, un sensore di flusso installato in un’apertura sulla parete di una camera bianca può garantire con sicurezza il sovraccarico. La direzione del flusso di aria è invece fondamentale: se questa fluisce dalla zona pura a quella meno pura, la funzione della camera bianca è garantita e la sicurezza del prodotto assicurata. Con misurazioni così affidabili, si può anche autorizzare la spedizione di un lotto di produzione, anche in presenza di allarmi del sensore di pressione. Per garantire questa sicurezza, ovvero per rilevare i cosiddetti ritorni di flusso, oggi si possono usare sensori di flusso in grado di misurare la direzione del flusso in entrambe le direzioni. La loro base è un sensore termopile (termocoppia), che tramite un elemento semiconduttore riscaldabile riconosce il raffreddamento indotto dal flusso d’aria. Questo metodo è anche chiamato anemometria termica, descritta più dettagliatamente su http://sensorik.schmidttechnology-aktuell.de/ fakten/stromungsmessung-durch-erzwungene-konvektion-2/. Collegando in parallelo due di questi elementi semiconduttori e confrontando quale dei due è più caldo, si può identificare con affidabilità la direzione del flusso. Anche in caso di calo di pressione, i sensori di flusso bidirezionali forniscono dati oggettivi, consentendo di quantificare i rischi di contaminazione tramite aria trasportata. Collegando un sensore di flusso a un sistema di monitoraggio, si ottengono dati affidabili e senza lacune. I sensori di flusso bidirezionali, conformi alle tecnologie più avanzate, possono essere facilmente integrati nei sistemi di monitoraggio esistenti, ad esempio tramite un’interfaccia 4-20 mA. L’affidabilità dei dati di monitoraggio viene così significativamente migliorata dall’integrazione della misurazione della direzione del flusso. Calibrazioni che soddisfano anche le esigenze più rigorose dell’industria farmaceutica sono oggi facilmente disponibili.

Risparmio energetico come effetto aggiuntivo

Alti tassi di ricambio dell’aria comportano non solo costi elevati per il condizionamento dell’aria di alimentazione, ma anche costi molto alti per il funzionamento dei ventilatori degli impianti di ventilazione (RLT).

Le esperienze pratiche dimostrano che circa il 57% dei costi energetici deriva dal consumo di energia dei ventilatori. Da ciò si deduce che l’adattamento delle quantità d’aria al fabbisogno rappresenta un grande potenziale di risparmio energetico. Riducendo del 50% la quantità di aria fornita, la sovrappressione nel sistema si riduce al 25% (75% in meno rispetto alla pressione di sovrappressione con il 100% di aria), con una conseguente riduzione dell’assorbimento elettrico del 12,5%. Ciò significa che l’energia elettrica richiesta si riduce esponenzialmente a circa 1/8. Questo rapporto fisico ideale può essere sfruttato solo parzialmente nelle applicazioni in camere bianche, ma comunque porta a significativi risparmi energetici. Per esempio, si può impostare la pressione ambientale in modo da avvicinarsi il più possibile ai requisiti minimi della norma, mantenendo con il minor flusso d’aria possibile, cioè con la minima potenza del ventilatore dell’impianto RLT, una condizione stabile e ben regolata. In particolare, si possono sfruttare le pause di funzionamento, come di notte o nei fine settimana. Tuttavia, la sicurezza del funzionamento della camera bianca, ovvero il mantenimento di una situazione stabile e delle correnti laminari necessarie, deve essere garantita. La procedura deve rispettare la norma e deve essere disponibile una documentazione chiara e precisa di tali valori. Tuttavia, con soli sensori di pressione differenziale, secondo le tecnologie attuali, ciò risulta problematico. L’installazione di sensori di flusso crea invece riserve sufficienti per ottimizzare i risparmi energetici.

Conclusioni

Dimostrare e documentare il flusso d’aria tramite sensori di flusso bidirezionali offre un ulteriore livello di sicurezza nelle camere bianche. I sensori di flusso, facili da installare e semplici da integrare nei sistemi di monitoraggio esistenti, possono essere rapidamente aggiunti anche a camere bianche già esistenti o ambienti simili. Come evidenziato dall’analisi dei costi energetici, riducendo i tassi di ricambio dell’aria al minimo sicuro richiesto dalla norma, si può ottenere un potenziale di risparmio molto elevato.