CO2-voetafdruk in de cleanroomtechnologie

Stromungsbild einer turbulenzarmen Strömung unter Einfluss der Ansaugstelle

Invloed van een afzuigpunt op de laminaire stroming in de ruimte

CO₂-voetafdruk - Invloedfactoren in een cleanroom

Principe schema van het cleanroomconcept met drukplenum en recirculatiemodules

Opname van de kinetische energievelden onder de afvalverwerkingsinstallatie, die niet worden beïnvloed door een laminaire stroming of vrijgemaakt worden.

In tijden van economische hoogconjunctuur en grensoverschrijdend goederenverkeer is het bewustzijn met betrekking tot ons milieu niet bijzonder uitgesproken. Nu brengen internationale crises ons onze zelfgecreëerde afhankelijkheid scherp voor het voetlicht en toch blijven we grotendeels de gevolgen van klimaatverandering negeren. Bovendien vormen de hoge energie- en bedrijfskosten grote uitdagingen voor de industrie, vooral ook voor de cleanroomtechniek.

Het is tijd om te investeren in nieuwe waarderingen. Milieu, energie, veiligheid en duurzaamheid hebben de hoogste prioriteit en de Europese en regionale wetgevingen stellen momenteel strenge regels op met betrekking tot duurzame milieuvriendelijke processen.

De CO2-balans is een maat voor het totale bedrag van kooldioxide-emissies die direct en indirect door activiteiten worden veroorzaakt of ontstaan tijdens de levensfasen van een product. De CO2-voetafdruk van een product (Product Carbon Footprint) toont in welke levenscyclusfase significante CO2-uitstoot plaatsvindt en hoe deze kostenefficiënt kan worden verminderd. Van de winning van grondstoffen via transport, productie, gebruik en end-of-life-scenario wordt alles onder de loep genomen.
Om de carbon footprint van producten te berekenen, wordt ISO14067 toegepast.

Hierbij worden de uitgestoten hoeveelheden broeikasgassen in een productsysteem verzameld en omgerekend in CO2-equivalenten om de potentiële bijdrage van dit product aan de opwarming van de aarde te kwantificeren. De moderne meettechniek biedt de mogelijkheid om de meetfouten tot een minimum te beperken en een constante stromingssnelheid te garanderen. Praktijktests bewijzen dat de kwaliteit van de cleanroom bij een verlaagde stromingssnelheid van 0,36 m/s geen nadelige effecten vertoont. Met simulaties, innovatieve cleanroomontwerpen, betrouwbare tests en gedegen risicobeoordelingen zijn stromingssnelheden onder de 20%-regel vaak acceptabel.

„We hebben moed nodig voor verandering en de wil voor echte samenwerkingen – samen oplossingen ontwikkelen en verantwoordelijkheid nemen“ - Josef Ortner

Stromingssnelheid HEPA-filter

De DIN EN ISO 14644 schrijft voor een turbulentiearme stroming een luchtsnelheid bij de uitgang van HEPA-filters van 0,45 m/s ±20% voor. Deze voorschriften zijn decennia geleden opgesteld en zijn deels gebaseerd op de afschuifwerking van de destijdse filterkwaliteit. Deze voorschriften leiden bij een volledige filterbedekking of grotere filteroppervlakken tot enorme luchtvolumes. Daarnaast zorgt een verhoogde luchtweerstand in de filteromgeving van circa 200 – 500 Pascal, wat zich uit in de weerstand van het filter en de voorafgaande stromingsrichtende inbouwcomponenten. In deze beschouwing worden de systeemwaarden inclusief de distributiesystemen van de ventilatie- en airconditioningsystemen niet meegenomen. De totale weerstand in ventilatiesystemen ligt doorgaans tussen 800 en 1000 Pascal. Dit betekent hoge aandrijfenergieën, hoge koelvermogens, volumineuze luchtleidingen en grote inbouwcomponenten. De huidige filtertechniek maakt het mogelijk om luchtsnelheden ver onder de normwaarden te realiseren zonder de kwaliteit te beïnvloeden. De weerstandwaarden dalen aanzienlijk en de standtijden nemen exponentieel toe. Gebruik je daarnaast resistenteminimale PTFE HEPA-filters, dan wordt dit effect nog duidelijker verbeterd. In veel gevallen kunnen cleanroomsystemen met verlaagde stromingssnelheden worden bedreven, wat kan leiden tot reducties van investerings- en bedrijfskosten tot wel 50%.

Stromingssnelheid isolatoren

De DIN EN ISO 14644 respectievelijk de GMP-richtlijnen schrijven voor de cleanroomklasse A een volledige, gelijkmatige stromingssnelheid van 0,45 m/s ±20% voor. De eis van stromingsgelijkheid is in de meeste gevallen absoluut gerechtvaardigd, maar wordt ook bereikt bij snelheden duidelijk onder de voorgeschreven waarden. Houd altijd rekening met mogelijke storende externe invloeden die de kolbenschuifstroming kunnen verstoren. Deze voorschriften moeten ook bij isolatoren worden nageleefd, wat echter ter discussie staat. Isolatoren zijn hoogdichte veiligheidsinstallaties waarin meestal steriliseer- of decontaminatietechnieken zijn ingebouwd. Voor elk proces wordt het gehele binnenbereik in een 100% kiemvrije toestand gebracht. Buitencontaminatie wordt met zekerheid uitgesloten. Een volledige, gelijkmatige stroming brengt geen verhoogde veiligheid, integendeel, het kan ook negatieve effecten hebben. Stromingssimulaties en visualisaties bewijzen dat kolbenschuifstroming geen vrije afzuiging in niches of verborgen gebieden garandeert. Een turbulente stroming is in de meeste gevallen effectiever. Als je de stromingstechniek van turbulentiearm naar turbulent verandert, wordt de techniek en constructie ook aanzienlijk eenvoudiger. Vanwege de geringe kamervolumes kunnen luchtwisselingspercentages >400 keer gemakkelijk worden bereikt. (Rekenvoorbeeld: 4 handschoenenisolator met een kamergrootte van 2m x 0,8m = ca. 2600 m³/h bij turbulentiearme stroming versus turbulente stroming ca. 800 m³/h, luchtwisselingspercentage 600 keer). Met de term turbulente stroming wordt geen hoogturbulente stroming bedoeld. Het is ook vermeldenswaard dat de stromingskarakteristiek, vooral de kolbenschuifstroming, sterk afhankelijk is van de afzuiging, van de inlaatpunten. De afvoer beïnvloedt in hoge mate het stromingsbeeld. Ook de invloeden door werkinterventies, werkwijzen, materialen en containers, evenals de technische uitrusting die de turbulentiearme stroming negatief beïnvloeden, mogen niet worden onderschat.

Buitenlucht, afvoer en recirculatie

De meeste installaties en apparaten in de medische en farmaceutische omgeving worden als pure afvoerinstallaties gebruikt, of in ieder geval als mengluchtinstallaties met een bepaald aandeel afvoer. De reden ligt meestal in de specificaties van de fabrikant en in de risicobeoordeling van contaminatieverspreiding naar de werkomgeving. Afvoer betekent noodzakelijkerwijs ook buitenlucht, die op de cleanroomcondities moet worden voorbereid. Ongeacht de installatie-inspanningen en de ruimtebehoefte betreft de buitenluchtbehandeling de thema’s verwarmen, koelen, bevochtigen, ontvochtigen en de hele keten van filtertechniek. Als men zich verder verdiept in de materie 'fabrikantspecificaties', komt men tot de conclusie dat fabrikanten verschillende risico’s beoordelen en bovendien veiligheidsmarges toevoegen. Deze constatering is geen verwijt, maar dient vooral als stimulans om een eigen risicobeoordeling te maken. Dit onderwerp raakt vooral de micro-elektronica, omdat voor de productie van microchips duizenden productielijnen nodig zijn. De procesafvoer van procesapparatuur is meestal chemisch besmet en moet worden behandeld met absorptie- of adsorptie-installaties.

Drie praktijkvoorbeelden:

1. In een vergelijking van meetwaarden van installaties van hetzelfde type en met dezelfde productieprocessen bleek dat er soms aanzienlijke verschillen waren in de afvoermengen. In een met de productie afgestemde aanpak werden alle installaties stapsgewijs afgesteld op de waarde van de installatie met de laagste waarde. Het resultaat was een reductie van de afvoer op de locatie van ca. 18.000 m³/h = ca. 160 miljoen m³ per jaar. Dit betekent ook 160 miljoen m³ buitenlucht die niet hoeft te worden voorbereid.

2. Voor de installatie van een procesinstallatie werd de voorgeschreven ventilatie-installatie opgebouwd. Tijdens de ingebruikname werd, zonder de exploitant en het inbedrijfstellingsteam te informeren, de procesafvoer op ca. 60% van de specificaties van de fabrikant ingesteld, in de verwachting dat bij problemen met het product of tijdens de inbedrijfstelling bijgesteld zou worden. Het resultaat was dat de ingestelde waarden niet werden aangepast en dat er geen kwaliteitsproblemen ontstonden.

3. In de jaren 80 werd een ultramoderne microchipfabriek gebouwd. Een van de noviteiten lag in de drukplenumtechniek en in de volledige filterbedekking voor ongeveer 1000 m² productieoppervlak. Om de stromingsvoorschriften van 0,45 m/s te waarborgen, werden recirculatiesystemen met een capaciteit van ca. 1,6 miljoen m³/h geïnstalleerd. Bij een plafondhoogte van 3 m resulteerde dat in ongeveer 600 keer luchtwisselingen. Ondanks stevige bezwaren tegen het verminderen van de luchtstroom werd, begeleid door uitgebreide kwaliteitscontroles, de luchtsnelheid stapsgewijs verlaagd naar 0,3 m/s. Het resultaat was dat de luchtstroom met ongeveer 1 miljoen m³/h afnam en dat er een duidelijke vermindering van de systeemweerstand optrad, wat leidde tot een energiebesparing en een vermindering van het koelvermogen van ca. 7,7 miljoen kWh/Joule.

Deze eenvoudige voorbeelden moeten eraan bijdragen dat de inbedrijfstelling wordt gestart met een lagere waarde, om zo de optimale bedrijfsomstandigheden te bereiken.

Systemen in recirculatiebedrijf

De technologische ontwikkeling van de afgelopen decennia heeft veel nieuwigheden en verbeteringen gebracht. De moderne luchtfiltratie en technieken voor de behandeling van besmette afvoerlucht hebben ertoe geleid dat cleanroom- en procesinstallaties tegenwoordig vaak als puur infrastructuuronafhankelijke recirculatiesystemen kunnen worden bedreven. Dit zorgt ervoor dat luchtmengen kunnen worden verminderd bij eenvoudige materiaaldoorvoer van ca. 0,7 miljoen m³/j, bij decontaminatiesluizen van ca. 4 miljoen m³/j of bij isolatoren van ca. 2 tot 6 miljoen m³/j. Bovendien vervalt de luchttechnische infrastructuurinstallatie.