Een cape voor alle gevallen

Bij fietsers en wandelaars zie je het vaak, maar ook Ötzi, de gletsjerlijk, droeg het al en bij de veenlijk van Kayhausen is het eveneens gevonden – een Cape: een mouwloos, zo licht mogelijk mantel ter bescherming tegen wind en weer. Vroeger bestond het uit gras, 364/350 voor Christus uit vacht, tegenwoordig uit textiele en synthetische materialen: ruimtebesparend op te bergen, bij behoefte eenvoudig uit te vouwen en snel aan te trekken.

Ook de wetenschappers van het Fraunhofer IPA dachten aan een Cape, toen ze in 2015 samen met een bedrijf uit de lucht- en ruimtevaart een mobiel cleanroomconcept ontwikkelden. Deze moest uiterst gevoelige hardware extra beschermen in een cleanroom van hoge zuiverheidsklasse. »Het idee was om in de cleanroom door een mobiel en snel te installeren, autonoom systeem een eigen cleanroomomgeving te creëren«, zegt Udo Gommel, hoofd van de afdeling Intelligente Automatisering en Reinheidstechniek. De samenwerkende partners ontwikkelden samen een mobiel cleanroom dat gebruikers in ongeveer vier bij vier meter ruimte toestaat hardware onder te brengen binnen ongeveer een uur. Het »Clean And Protective Environment« was geboren, kortweg »CAPE®«. Het biedt tijdelijke bescherming tegen deeltjes- en moleculaire besmetting, bijvoorbeeld bij productinspecties of reinigingsprocessen, tijdens nieuwe installaties in de cleanroom, routinematige onderhouds- en reparatiewerkzaamheden. Maar ook heel andere toepassingen zijn mogelijk: als mobiele operatiekamer, als quarantaine-ruimte tijdens pandemieën om mensen en milieu te beschermen tegen besmetting, als onderhouds-CAPE® in de halfgeleiderindustrie of als test- en adviescentrum voor gezonde binnenlucht tijdens de coronapandemie.

Gezonde Lucht

Kunnen ventilatie- en luchtzuiveringssystemen beschermen tegen Covid-19? Hoe moeten ze daarvoor worden ontworpen? En hoe moeten hygiëne- en ventilatieconcepten worden opgesteld om de overdracht van virussen via aerosolen te verminderen? Antwoorden op deze vragen geven een onderzoeksteam van de Fraunhofer-instituten IBP, IGB en IPA in een test- en adviescentrum voor gezonde binnenlucht. In het kader van de Healthy-Air-initiatie van de deelstaat Baden-Württemberg willen ze kleine en middelgrote bedrijven helpen bij het implementeren van ventilatieconcepten om de verspreiding van het coronavirus op de werkplek te voorkomen. Maar eerst ging het erom geschikte ruimtes te vinden.

Op zoek naar een testomgeving

Om de technologieën voor luchtzuivering te testen en te vergelijken, ontwierpen de wetenschappers twee representatieve testomgevingen: een bedrijfshal ter grootte van een fabriekshal en een klein kantoor als werkplek. Een uitdaging was al om de omvang van zo'n bedrijfshal in een scenario weer te geven. Een andere was dat de ruimte beschikte over de juiste ventilatie-, klimaat- en reinigingstechniek. Bovendien moest hij biologisch-virologisch en qua deeltjesconcentratie gedemilitariseerd kunnen worden. En uiteindelijk moest zo'n schone testomgeving in de kortst mogelijke tijd operationeel zijn.

Zo'n (clean)ruimte stond de drie instituten niet ter beschikking. Wat de cleanroomexperts echter wel hadden, was een CAPE®, precies het systeem dat ze oorspronkelijk voor de lucht- en ruimtevaart hadden ontwikkeld. Daarnaast was een pandemie-gebonden gesloten collegezaal ongebruikt.

De schoonste collegezaal ter wereld

De naar de Fraunhofer-president en IPA-directeur Hans-Jürgen Warnecke genoemde zaal bevindt zich in het instituutscentrum van de Fraunhofer-Gesellschaft in Stuttgart. Hij kan met schuifwanden in twee delen worden gesplitst, met ongeveer 95 m² en 92 m², en biedt afhankelijk van de opstelling plaats aan 78 tot 160 bezoekers. Over een lengte van bijna 14 m versmalt de zaal trapeziumvormig naar het podium toe, met een breedte van 17 m op de brede zijde en 10 m op de smalle. De hoogte bedraagt ongeveer 7 m.

Het bestaande CAPE® heeft een oppervlakte van 100 m² en een hoogte van 7 m. Het voldeed ideaal aan het scenario van een fabriekshal en paste met enkele extra aanpassingen precies in de beschikbare collegezaal. De hoogte van het CAPE®-systeem werd iets aangepast, wandpanelen van de collegezaal werden verwijderd. Zo werden de ruimtelijke verhoudingen optimaal benut. Vervolgens plaatsten de experts een uitneembare scheidingswand. De vloer werd afgewerkt met cleanroomvloerplaten. Na twee dagen opbouw was de testomgeving klaar, waarvan het systeem normaal gesproken in enkele uren operationeel kan worden gemaakt en snel weer kan worden afgebroken.

Driekwart van de ruimte wordt ingenomen door een soort vergaderruimte met tafels en stoelen. In het afgescheiden kwart van de testomgeving hebben de Fraunhofer-wetenschappers een tweede opstelling opgebouwd die een kantoor van 25-30 m² nabootst. In de schoonste collegezaal ter wereld voeren ze tot 31 december 2021 effectiviteitstests uit op luchtzuiveringssystemen. Daarnaast evalueren ze in een expert-rapport hoe mobiele en vaste ventilatiesystemen de verspreiding van infectieuze SARS-CoV-2-aerosolen beïnvloeden.

Met kunstmatige aerosolen meten

In de grote testomgeving van de vergaderruimte worden de aerosolen beoordeeld. Aerosolen zijn in eerste instantie eenvoudigweg deeltjes, luchtgedragen deeltjes die een wolk vormen. Voor het meten van de deeltjesconcentratie gebruiken de wetenschappers kunstmatige aerosolen. Deze worden verkregen door di-ethylhexyl-sebacaat, kort DEHS, een verdampende, olieachtige vloeistof, te verdampen. Zo ontstaan druppelaerosolen die sterk lijken op de door virussen besmette aerosolen, maar onschadelijk zijn voor mens en milieu. Deeltjesgrootte ligt vooral tussen 0,2 en 0,3 μm. Ze zweven vergelijkbaar met virussen. 0,3-μm-DEHS-deeltjes verdampen na ongeveer 4 uur volledig, zodat ze niet meer achterblijven. Zolang de virussen in de ruimte blijven zweven en ingeademd kunnen worden.

12 deeltjesmeters meten op verschillende plaatsen en hoogten de deeltjesconcentratie. »We zien heel duidelijk waar ik met deeltjesbelaste gebieden heb, of waar de stroming beter wordt verzorgd en dus ook de potentiële virussen beter kunnen worden afgevoerd«, legt Gommel uit. »Ik kan dus heel precies aangeven waar welke deeltjescontaminatie op de werkplek aanwezig is.«

In de tweede testomgeving, het kantoor, beoordelen de experts de virusreductie. De virussen worden voor en na maatregelen voor luchtzuivering geanalyseerd op hun activiteit en hoeveelheid. »Na de tests kunnen we conclusies trekken over noodzakelijke aanpassingen van de ventilatiesystemen of inactiveringsstappen«, zegt Gommel. Bovendien bestaat de mogelijkheid om de ruimte te decontamineren met UVC-straling. Dit gebeurt om de ruimte na elke test terug te brengen in de oorspronkelijke staat.

In de testomgeving meten de wetenschappers ook chemische bijproducten, temperatuur en vochtigheid. Vooral de luchtvochtigheid speelt een cruciale rol bij de grootte van de deeltjesfracties en daarmee bij het infectieproces. Hoe droger de lucht, des te kleiner de deeltjesfracties en hoe langer de deeltjes in de lucht blijven zweven en ingeademd kunnen worden. Als de lucht vochtig is, agglomereren de deeltjes, worden de fracties groter en vallen ze onder invloed van de zwaartekracht naar beneden. Bovendien zijn bij droge lucht de slijmvliezen gevoeliger voor virussen, waardoor infectie gemakkelijker kan plaatsvinden. Een andere rol bij de tests speelt de akoestiek. Want als het geluidsniveau van een apparaat te hoog is, schakelen gebruikers de luchtzuiveraar uit.

Als weggevaagd

Het belangrijkste middel om luchtgedragen besmettingen onder controle te krijgen, is de stromingstechniek. Deze ontstond ongeveer 60 tot 70 jaar geleden klassiek in de cleanroom. Hier werd eerst een horizontale luchtstroom opgebouwd. Daarbij worden besmettingen altijd weg geblazen van de verontreiniging.

»Heel vergelijkbaar werken wij bij de luchtzuiveringsconcepten. We kijken waar deze virussenbelaste aerosolen het minst kritisch voor mensen zouden zijn en sturen de luchtstroom dienovereenkomstig om de besmetting weg te blazen«, zegt de cleanroomexpert. De lucht wordt hierbij door filtermedia geleid en gereinigd.

Luchtzuiveringssystemen werken met verschillende systemen. Sommige zuigen de lucht van achteren aan en blazen deze naar voren uit. Het nadeel van deze aanpak is de zogenaamde Chillfactor. Individuen ervaren tocht, worden daardoor koud en klagen over ongemakken.

Een ander concept volgt luchtzuiveraars die de lucht via een diffuser naar boven brengen en omhoog voeren. Deze aanpak verwacht door werveling in de ruimte een gelijkmatige afname, dus een vermindering van de concentratie van de luchtgedragen deeltjes. Omdat bijvoorbeeld bij spreken de verwarmde lucht naar boven stijgt en hier meer virussenbelaste aerosolen worden verwacht, plaatsen sommige fabrikanten van luchtzuiveringssystemen aan het plafond en zuigen de lucht van bovenaf weg, niet vanaf de hoogte van de werkplek. Vochtige uitspreekbewegingen tonen zich echter in de vorm van uitgescheiden druppels op vizieren en beschermingsglazen. Hieruit blijkt dat aerosolen niet meteen in de fase verkeren dat ze naar boven diffunderen. De cruciale vraag blijft dus: wat kan op de medewerkers inwerken en invloed uitoefenen? Aangezien zij aan hun bureaus zitten, moet ook de werkplek worden beoordeeld. In elk geval moet de locatie van de luchtzuiveraar zorgvuldig worden overwogen.

De tests beginnen

Na de methodontwikkeling en -validatie en de opbouw van de testomgeving beginnen de tests. Er zijn al eerste opdrachten binnengekomen. De testresultaten worden met elkaar vergeleken en een zogenaamde cross-evaluatie aan de fabrikanten ter beschikking gesteld. Daar zien zij waar hun apparaat ten opzichte van het gemiddelde resultaat ligt. Fabrikant en type van het apparaat zijn grijs weergegeven, alleen de fabrikant kan zien hoe zijn apparaat scoort in de rangorde met de andere.

Onderhouds-CAPE® in de halfgeleiderindustrie

De halfgeleiderindustrie stelt de hoogste eisen aan contaminatievrijheid. Haar productieruimtes moeten ook vrij zijn van chemische componenten die bijvoorbeeld de coatingprocessen kunnen verstoren. Bij onderhouds- of montagewerkzaamheden doen zich vergelijkbare problemen voor als in de lucht- en ruimtevaart. Het was dus slechts een kwestie van tijd voordat de IPA-experts het concept aan halfgeleiderproducenten presenteerden. »De moeilijke uitdaging was om het systeem zo te configureren dat het tijdens onderhoudsintervallen van 1 tot 3 dagen binnen productiegebieden en apparatuur kan blijven en kortdurend weer kan worden afgebouwd. Een van de uitdagingen zijn de zeer beperkte ruimteomstandigheden. Elke centimeter wordt benut voor de machines. Een CAPE®-systeem, zoals ontwikkeld voor de lucht- en ruimtevaart, neemt al te veel ruimte in«, vertelt Gommel.

Een nieuwe strategie was nodig. Er ontstond een hoogwaardig, flexibel CAPE®-systeem dat omhoog kan worden getrokken. Het wordt eenmaal in het plafond gemonteerd, heeft een verstevigend frame – en wordt vervolgens van het plafond boven de te onderhouden machine gelaten. Binnen wordt de lucht afgevoerd, zodat er tijdens het onderhoud geen besmetting naar buiten kan komen.

Het knelpunt was de stromingstechniek. Gewoonlijk wordt de lucht van boven ingeblazen en via een geperforeerde dubbele vloer afgevoerd. De daarvoor ingebouwde plafondsystemen bedekken 100 procent van het plafond met filterelementen voor continu gebruik. In het CAPE®-systeem moet echter meer lucht worden afgevoerd dan wordt ingeblazen, om onderdruk te genereren en zo besmetting naar buiten te voorkomen. Belangrijk daarvoor is de CAPE®-wand. Door deze moet lucht kunnen stromen. Deze eis wordt gewaarborgd door een textiel dat precies de stromingstechnische openingsoppervlakte heeft.

Uit dit onderhouds-CAPE® ontwikkelden de technici een speciale toepassing die zich over de apparatuur kan stulpen. »2ndSCIN« heet het op maat gemaakte pak voor machines. Het biedt bescherming tegen emitters van besmetting en verlengt de onderhoudsintervallen.

Vraag naar mobiele en autonome cleanrooms hebben naast de ruimtevaart- en halfgeleiderindustrie ook de optiek-, voedingsmiddelen-, farmaceutische en medische industrie.

Maar ook andere industrieën tonen interesse, zoals blijkt uit de bestelling van een 150 m² groot CAPE®-systeem door een Beiers automobieltoeleverancier.

Een CAPE® kan zowel als standaardproduct als op maat gemaakt model worden aangeschaft. Bij de ontwikkeling en productie van maatwerkmodellen wordt rekening gehouden met het beoogde gebruik, de gewenste grootte en de benodigde zuiverheidsklasse van de lucht.