Waarom maakt stof ons het leven moeilijk?

Afbeelding 3: Foto van een cleanroom in de micro-elektronische industrie

Figuur 1: Schematische weergave van de laminaire luchtstroom in een cleanroomcel

Afbeelding 2: Verschillende uitvoeringsvormen van laminaire-flow-kasten

Tabel 1: Cleanroomklassen volgens ISO 14644-1

Het stof dat in grote knopen in hoeken ligt, zie je goed, en het is gemakkelijk te verwijderen door stofwissen. Maar we willen ons bezighouden met het stof dat met het blote oog niet meer zo goed waar te nemen is. Hiervoor pakken we willekeurig 2 gebeurtenissen van het afgelopen jaar. Eén gebeurtenis is Sahara-stof, want vorig jaar waren er meerdere gebeurtenissen waarbij fijnstof uit de Sahara vooral mooie, roodgloeiende zonsondergangen heeft veroorzaakt. Dit natuurlijk veroorzaakte fijnstof kan afhankelijk van het jaargetijde aanzienlijk zijn, zoals we kennen van weersituaties die door Sahara-stof worden gekenmerkt. De cijfers zijn enorm: meer dan de helft van het wereldwijde troposferische aerosol en ongeveer 35% van de primair uitgezette deeltjesmassa bestaat uit mineralenstofdeeltjes, waarvan in Europa ongeveer de helft uit de Sahara komt en de rest uit andere woestijngebieden op aarde. Met ongeveer 1,8 miljard ton per jaar draagt winderosie van mineralenstof bij aan de wereldwijde aerosolbalans. Mineralenstof beïnvloedt het aard- en atmosysteem door verstrooiing en gedeeltelijke absorptie van inkomende zonne-straling, maar ook bij wolkenvorming door condensatiekernen.

Van Sahara-stof weten we dat het door luchtstromingen honderden, zo niet duizenden kilometers ver kan worden gedragen en via fijne openingen in elk binnenruimte kan binnendringen. Als automobilist weten we ook hoe taai en rood het op elke autolak blijft plakken.

Het tweede evenement hebben we rond de jaarwisseling meegemaakt, omdat hier het probleem van fijnstof zichtbaar werd: de lucht was "door en door". Dit jaar was het eindelijk weer zover: het nieuwe jaar werd verwelkomd met een enorm vuurwerk. Een vuurwerk is mooi om te zien, maar de gevolgen, vooral door verwondingen en materiële schade, werden dit jaar bijzonder controversieel besproken. Minder aandacht werd besteed aan de gezondheids- en economische schade, want jaarlijks wordt ongeveer 2.050 ton fijnstof (PM10) vrijgegeven door het afsteken van vuurwerk, meestal op oudejaarsavond. Deze hoeveelheid komt ongeveer overeen met één procent van de totale door mensen veroorzaakte fijnstofproductie per jaar in Duitsland.(1)

Vanwege zijn fysische eigenschappen worden kleine deeltjes ook vaak zwevende deeltjes genoemd. Fijnstof is een onderdeel van het zwevend stof. Onder zwevend stof (Engels "Particulate Matter": PM) verstaat men deeltjes in de lucht die niet onmiddellijk naar de bodem zakken, maar langere tijd in de atmosfeer blijven zweven. Afhankelijk van de "korrelgrootte" van de stofdeeltjes onderscheiden we verschillende fracties: onder "PM10" (PM2,5) worden eenvoudigweg alle stofdeeltjes verstaan waarvan de aerodynamische diameter kleiner is dan 10 micrometer (2,5 µm). Beide genoemde groottes worden dagelijks op meer dan 600 meetpunten in heel Duitsland gecontroleerd, en het komt vaak voor dat de grenswaarden dagelijks worden overschreden, ook al werd in 2021 de toegestane jaargemiddelde waarde van 40 µg/m³ niet overschreden. Over het algemeen wordt de PM10-fractie als fijnstof aangeduid. Fijnstof is met het blote oog niet waarneembaar, alleen onder bepaalde weersomstandigheden of zoals bij Sahara-stof of vuurwerk, kan het zichtbaar zijn in de vorm van een "dampgordel".

Ongeacht de bron worden de eigenschappen van deze deeltjes vooral gekenmerkt door twee parameters, namelijk hun grootte, beter gezegd hun hydrodynamische diameter, en ten tweede door hun concentratie, dat wil zeggen hun massa, of het aantal deeltjes per kubieke meter lucht.

Fijnstof komt uit twee verschillende bronnen: uit natuurlijke en antropogene bronnen. Natuurlijke fijnstof kan, zoals uitgelegd, worden veroorzaakt door bodemerosie, maar ook afkomstig zijn uit biologische bronnen, zoals we in de lente bij pollenallergie steeds weer zien. Pollen zijn voor allergieën zelfs in zeer lage concentraties onaangenaam, en andere biologische zwevende deeltjes zoals sporen van schimmels of micro-organismen zoals bacteriën of virussen, kunnen voedsel bederven of ziekten veroorzaken. Dit aandeel van natuurlijk fijnstof is onvermijdelijk. Echter wordt een nog groter, maar vermijdbaar aandeel van fijnstof veroorzaakt door menselijke activiteiten: deze fijnstof ontstaat door emissies uit voertuigen, centrale verwarming, ovens en verwarming in woningen, bij de productie van metalen en staal, of bij het overslaan van bulkgoederen. In stedelijke gebieden is wegverkeer de belangrijkste stofbron. Daarbij komt fijnstof niet alleen vrij uit motoren – vooral uit dieselmotoren – maar ook door rem- en bandenslijtage en door het opwaaien van stof. Een andere belangrijke bron is de landbouw, omdat de emissies van gasvormige voorlopers, vooral ammoniakemissies uit de veehouderij, bijdragen aan secundaire vorming van fijnstof. De menselijke fijnstofemissies worden in Duitsland geschat op ongeveer 200.000 ton per jaar (volgens het Umweltbundesamt).

Samenvattend kunnen we zeggen dat zwevende deeltjes (stof- en fijnstofdeeltjes, micro-organismen, aerosolen of andere biopartikels) overal in de omgevingslucht en binnenruimtes voorkomen en vanwege hun kleine afmetingen onder de 10 µm lang in de lucht kunnen blijven hangen of met de luchtstroom over grote afstanden kunnen worden getransporteerd.

Waar en wat moeten we tegen fijnstof beschermen?

Niet alleen voor de mens is fijnstof schadelijk en kan het gezondheidsproblemen veroorzaken, maar ook micro-elektronische, medische of farmaceutische producten kunnen worden aangetast! Dit geldt vooral voor de fabricage van mechanische en elektronische onderdelen, waarvan de structuur-eigenschappen in de micron-range liggen, zoals in de micro-elektronica, bij hoogwaardig optisch materiaal zoals sensoren, vooral bij camera- en videoconsensors, maar ook bij gegevensopslag.

Bij medisch-technische en farmaceutische producten storen vooral deeltjes van biologische oorsprong, omdat voor veel producten een kiemvrije omgeving moet worden gegarandeerd of de hoeveelheid kiemen bepaalde grenswaarden niet mag overschrijden.
Producten waarvan de eigenschappen door deeltjes van welke aard dan ook kunnen worden gewijzigd, aangetast of volledig vernietigd, moeten worden beschermd tegen deeltjes van alle aard, wanneer bepaalde productkwaliteiten en -eigenschappen worden geëist.
Als we spreken over deeltjesbelasting in binnenruimtes, moeten we twee bronnen in de gaten houden. Fijnstofdeeltjes afkomstig uit de omgeving kunnen vrij eenvoudig worden onder controle gehouden door geschikte luchtstromen en luchtfiltersystemen. Maar de tweede bron van deeltjes is de mens zelf, omdat hij een zeer groot aantal van deze zwevende deeltjes als aerosolen vrijlaat tijdens het spreken en bij elke ademhaling, of direct als deeltjes (huidschilfers, vezeldeeltjes van kleding) bij elke beweging. Wanneer mensen betrokken zijn bij productie, fabricage of verpakking, is daarom extra actie nodig. Alleen door huid en kleding worden in een schone ruimte (ISO-klasse 8) per persoon meer dan 600 miljoen deeltjes (> 0,5 µm Ø) per kubieke meter afgegeven, zoals gegevens van het Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie en Automatisering (IPA) uit Stuttgart laten zien.

Hoe kunnen we producten beschermen tegen fijnstof?

Onder de verschillende technische mogelijkheden voor het reinigen van de binnenlucht zijn filtertechnieken bijzonder effectief gebleken, omdat ze een betaalbaar en operationeel kostenefficiënt alternatief vormen en ook achteraf kunnen worden aangebracht. Alleen door een juiste reiniging van de binnenlucht kunnen zwevende deeltjes en fijnstof worden voorkomen!

Met de installatie van een luchtzuiveringsinstallatie is het daarom niet voldoende om alleen deeltjes uit de productie en verpakking weg te houden, er moet een strategisch totaalconcept worden opgesteld. Dit bestaat uit een reeks maatregelen, zoals het reinigen van de binnenlucht door geschikte filtersystemen, het dragen van geschikte beschermkleding, het optimaliseren van werkprocessen en het direct afschermen van producten tegen deeltjes die door medewerkers kunnen worden uitgezonden. Bij bijzonder hoge eisen zijn personen- en productenschermen net zo noodzakelijk als het trainen van het personeel en het controleren van de luchtkwaliteit door regelmatige metingen van het aantal deeltjes.

De kwaliteit van een cleanroom of vergelijkbare kleinere cleanroom-gebieden, zoals een flow-box, wordt beoordeeld volgens DIN-norm EN ISO 14644, waarin de klasse wordt gedefinieerd door het aantal deeltjes in een vooraf bepaalde grootte-fractie: zie tabel 1.(2)

De werking van een cleanroom is vrij eenvoudig, zie daarvoor de schematische weergave van de laminaire luchtstroom in een cleanroomcel in afbeelding 1. De binnenlucht wordt via een ventilator (meestal geven onze klanten de voorkeur aan bijzonder stille ventilatoren uit de Super-Silent-serie) aangezogen en door een hoogwaardig deeltjesfilter geperst. Beide componenten zijn in het plafond in een module van de FMS-serie van Spetec GmbH ingebouwd. Het HEPA 14-filter heeft een isolatiefactor van 10^4 en vermindert zo het aantal deeltjes en verbetert de luchtkwaliteit binnenin met minimaal een factor 10.000 ten opzichte van de buitenlucht. Door de filteropstelling wordt in het werkgebied achter de glazen platen (of lamellen) een laminaire luchtstroom gegenereerd, wat betekent dat de lucht als een gordijn van boven naar beneden stroomt in parallelle stroomlijnen, en het monster, het product of het werkgebied wordt beschermd tegen binnendringende deeltjes door een overdruk. Zwevende deeltjes die zich in de binnenlucht bevinden of door het personeel worden vrijgelaten, worden door de luchtstroom opgevangen en via een afzuigkanaal verwijderd of via een terugvoerkanaal teruggevoerd naar de filtereenheid.

Alternatief voor een grote cleanroomcel zijn voor veel toepassingen kleinere modules, de laminaire flow-boxen, en in afbeelding 2 worden verschillende uitvoeringsvormen getoond die voor diverse toepassingen in fabricage, montage of verpakking van micro-elektronische of opto-elektronische onderdelen zijn ontwikkeld. Afhankelijk van de uitvoering zijn deze ook verkrijgbaar als gecertificeerde werkbank volgens ISO-klasse 5 in verschillende maten of vervaardigd met bepaalde materialen om te voldoen aan de GMP-richtlijn, annex biocontaminatie, en om kiemen in de werkruimte permanent te voorkomen.

Door het combineren van cleanrooms of laminaire flow-boxen kunnen hele productielijnen worden opgebouwd, zodat het product op geen enkel punt in het productieproces meer in contact komt met deeltjes van welke aard dan ook. De opstelling of indeling, maar ook de afstemming van individuele componenten kan worden aangepast aan de wensen van de klant.

Toepassingsvoorbeeld: montage van micro-elektronische sensoren voor hoogwaardig videotoestellen

Hier wordt een cleanroomconcept besproken aan de hand van een voorbeeld. Bij de montage van hoogwaardig resolutie-camera- en videosensoren kunnen al de kleinste stofdeeltjes grote storingsfactoren worden. Hoe hoger de resolutie van de camera, des te arbeidsintensiever wordt de productie en montage. Om elke vervuiling bij hun videosystemen te voorkomen, heeft een klant gekozen voor de installatie van een ISO klasse 5-cleanroom van SPETEC GmbH uit Erding, omdat de vraag naar hoogwaardig resolutie en steeds snellere camerasensoren voortdurend toeneemt, net als de eisen aan de kwaliteit.

Stofvrijheid is noodzakelijk bij de montage van de sensoren in de camera's om de zeer stofgevoelige componenten in de complexe micro-elektronische systemen te beschermen. Het gezamenlijk ontwikkelde concept hiervoor omvatte naast de typologische kenmerken van de cleanroom ook de eis voor optimale arbeidsomstandigheden op ergonomisch gebied.

De geïnstalleerde SPETEC-cleanroomcel met de afmetingen 9 x 4 m, zie foto in afbeelding 3, bestaat uit een vlakke wandensysteem van aluminium vastelementen en zichtvensters, evenals schuifdeuren voor de personeelsruimte, verder een enkele deur als nooduitgang en service-ingang/-uitgang. Naast de klimaatregeling zijn zes laminaire flow-modules voor luchtfiltratie in de versie "SuSi Super Silent" ingebouwd, om op de vier werk- en montageplaatsen, zoals overal in het bedrijf, ergonomisch optimale arbeidsomstandigheden te garanderen en het geluidsniveau tot een absoluut minimum te beperken. Het personeel draagt stofvrije kleding, haarnetjes, mondbescherming en overschoenen, waardoor deeltjesuitstoot door medewerkers drastisch kan worden verminderd, om de stofvrijheid in de cleanroom ook tijdens de verschillende werkzaamheden te kunnen handhaven.

De geïnstalleerde SPETEC® laminaire flow-modules FMS gebruiken een hoogwaardig HEPA 14-filter met een deeltjesvangst van 99,995 procent, waardoor een isolatiefactor van 10^4 wordt bereikt. Dit betekent dat de luchtkwaliteit onder het laminaire flow-module ten opzichte van de omgeving minimaal wordt verbeterd met een factor 10.000 en dat de deeltjesconcentratie binnenin van ongeveer 15 miljoen/m³ tot ongeveer 1.500 deeltjes in de grootteklasse van meer dan 0,5 µm wordt gereduceerd.

Bovendien omvat de installatie een deeltjesmeetapparaat, een materiaalruimte met persluchtreiniging, een afzuigsysteem bij een werktafel voor lokale aerosolen, zoals die ontstaan bij het solderen, een afgestemde LED-verlichting in het plafond, en een extra flow-box in de ruimte voor de voorreiniging van elektronische en optische onderdelen. In deze opstelling wordt zelfs bij volledige bezetting van het personeel een ISO klasse 5 cleanroom gegarandeerd, wat dagelijks wordt gecontroleerd en gedocumenteerd.

In de cleanroomcel bevinden zich als extra "meubilair" een garderobekast en een zitbank. Volgens het bedrijf wordt zo een maximale reinheid in het montageproces en daarmee een maximale productkwaliteit gewaarborgd, wanneer de sensorborden en objectieven van de verschillende cameratypes onder deze optimale omstandigheden luchtdicht worden vastgeschroefd.

Conclusie

Samenvattend kan worden gezegd dat laminaire flow-boxen ideaal zijn om producten altijd te beschermen tegen deeltjes en kiemen, vooral wanneer de productieprocessen weinig ruimte vereisen. Als de behoeften van de klant toenemen, kan door een combinatie van cleanroommodules een volledige productielijn worden opgebouwd. Wanneer een grote ruimte nodig is of de eis bestaat dat de boxen begaanbaar moeten zijn vanwege complexere productie of verpakking, is een cleanroom of een cleanroomcel een ideale oplossing. Een bestaande cleanroom kan op elk moment worden uitgebreid met het gebruikte modulesysteem, waardoor de klant wordt beschermd tegen dure verkeerde investeringen en het bijzonder duurzaam is, omdat bestaande componenten in een nieuw concept kunnen worden geïntegreerd.

Het bedrijf SPETEC GmbH beschikt over decennia ervaring in de ontwikkeling en toepassing van cleanroom- en luchtzuiveringsinstallaties en biedt haar klanten niet alleen een technische oplossing, maar ontwikkelt samen met hen ook een kosteneffectief strategisch totaalconcept. +

(1) Fijnstof door Oud en Nieuw vuurwerk / Umweltbundesamt
(2) https://www.beuth.de/de/norm/din-en-iso-14644-1/238330395