Wat hebben aerosolen, stofdeeltjes en microben gemeen?

(Afbeelding 2: Foto van een Flow-Box (Spetec Clean Boy® Mini))

(Afbeelding 1: Grootte van de deeltjes in vergelijking)

Tabel 1: Cleanroomklassen volgens ISO 14644-1

Het antwoord op deze complexe vraag is van fysieke aard en vrij eenvoudig te geven: het is namelijk de grootte die bij alle drie de verschillend werkende deeltjes gemeenschappelijk is, beter gezegd hun omvang.

Welke groottes hebben deze deeltjes?

De grootteverhoudingen van enkele geselecteerde objecten worden weergegeven in figuur 1.

De schaal van grootte loopt van een atoom met 10^-10 m tot een sinaasappel met een diameter van 10 cm (0,1 m). In dit artikel richten we ons op objecten die kleiner zijn dan 0,1 mm, dus 100 µm, en die daarom met het blote oog niet meer te herkennen zijn, en daarom tot de micro-objecten behoren, die hoewel onzichtbaar, ons leven in aanzienlijke mate kunnen beïnvloeden.

Bolvormige deeltjes (deeltjes, aerosolen, microben) met diameters onder 30 µm kunnen namelijk in de lucht over grote afstanden worden getransporteerd, en recentelijk konden Japanse wetenschappers zelfs aantonen dat door mensen geproduceerde aerosolen tot 20 minuten in de lucht kunnen blijven hangen, als er niet wordt geventileerd, voordat ze door de werking van de zwaartekracht naar de grond zakken.

Onder aerosol verstaat men een heterogeen mengsel (dispersie) van vaste of vloeibare zwevende deeltjes in een gas. De zwevende deeltjes worden aerosoldeeltjes of aerosolen genoemd. De kleinste deeltjes zijn slechts enkele nanometers groot en kunnen al niet meer met een lichtmicroscoop, maar alleen nog met een elektronenmicroscoop worden gezien, zoals bijvoorbeeld virussen, maar de diameter van de aerosolen die ons hier interesseren ligt in het micrometerbereik. Aerosolen worden momenteel intensief besproken omdat ze door de mens onvermijdelijk worden geproduceerd bij ademhaling en spreken, vooral bij zingen, en door andere mensen opnieuw kunnen worden ingeademd, wanneer ze zich niet adequaat beschermen, bijvoorbeeld door het naleven van afstandsregels of het dragen van een mond-neusbescherming, of ze zetten zich af op oppervlakken en kunnen zo producteigenschappen negatief beïnvloeden.

Als bioaerosol worden alle in de lucht aanwezige ophopingen van biologische deeltjes bedoeld, waarin schimmels, bacteriën, virussen of pollen, evenals hun celwandbestanddelen en stofwisselingsproducten (bijvoorbeeld mycotoxines) zitten of waarvan deze biopartikels eraan vastzitten. In bredere zin worden alle deeltjes van biologische oorsprong, zoals bijvoorbeeld huidschilfers of vezeldeeltjes, gerekend tot bioaerosoldeeltjes. De mens zelf is daarom in binnenruimtes de grootste producent van bioaerosolen. Bij het uitademen komen kleine druppeltjes in de omgeving terecht, en bij elke beweging lossen schilfers, huiddeeltjes en vezels van kleding zich los en zweven meestal lange tijd in de lucht.

Tot de grotere biologische zwevende deeltjes behoren met aerodynamische diameters van 10 µm tot 100 µm pollen, terwijl virussen doorgaans een diameter van 0,02 µm tot 0,4 µm hebben. Als men bedenkt dat vrij grote pollen zelf grote afstanden kunnen afleggen om nog een allergie uit te lokken, kunnen kleinere deeltjes, zoals virussen, met elke luchtstroom ook in binnenruimtes blijven hangen, en worden ze niet meer door moderne airconditioningsystemen uit de lucht verwijderd. Zonder ventilatie en luchtverversing kunnen ze vele uren in de lucht zweven, zonder in contact te komen met een oppervlak waar ze geabsorbeerd zouden kunnen worden.

Aerosolen worden door de mens niet alleen uitgeademd, maar ook gemakkelijk ingeademd. Ongeveer 10% van alle ingeademde aerosolen blijft in de luchtwegen, de overige worden weer uitgeademd of via de trilhaartjes in de longen uitgescheiden. Deeltjes die minimaal tot in het bronchiale gebied kunnen doordringen, worden longgang genoemd. Daartoe behoren alle aerosoldeeltjes onder een diameter van ongeveer 10 micrometer (PM10). Grotere deeltjes worden al in de neus of keel uitgescheiden of kunnen überhaupt niet worden ingeademd. Deeltjes met een diameter tussen 0,5 micrometer en 1 micrometer scheiden zich het minst af. Dit betekent tegelijkertijd dat ze bijzonder diep in de longen kunnen doordringen. Overal waar in een productie stof, aerosolen of deeltjes worden vrijgezet, moet de mens tegen deze deeltjes worden beschermd. We herinneren ons allemaal nog de uitgebreide asbest-saneringen, omdat zelfs enkele asbestvezels longkanker konden veroorzaken.

Microbe is de verkorte vorm van microorganisme, dus een organisme waarvan de omvang in het micrometerbereik onder 0,1 mm ligt, en dat daarom voor het menselijk oog niet meer zichtbaar is. Alle microben bestaan uit één cel. Als een celkern, meestal een dubbelwandige membraan waarin het DNA is ingesloten, duidelijk aanwezig is, spreken we van eukaryoten, terwijl prokaryoten geen celkern bezitten. Het criterium van geringe grootte voldoen ook gisten, algen, protozoa (zoals amoeben) en slijmzwammen, maar de nieuwere definities voor microben omvatten slechts bacteriën en archaea (eveneens eencellige organismen zonder celkern en zeer vergelijkbaar met bacteriën) evenals gisten. Bacteriën en ook gisten worden vaak gebruikt in de voedingsmiddelenindustrie om bepaalde producteigenschappen te verkrijgen, bijvoorbeeld bij het brouwen van bier, maar kunnen ook producten bederven, zoals we kennen van schimmelsporen of coli-bacteriën.

Samenvattend kunnen we zeggen dat zwevende deeltjes (stofdeeltjes, kiemen, aerosolen of bioaerosolen) overal in de lucht en binnenruimtes voorkomen en vanwege hun kleine afmetingen onder 100 µm lang in de lucht kunnen blijven hangen of door de luchtstroom over grote afstanden kunnen worden getransporteerd.

Waar en wat moeten we beschermen tegen deze zwevende deeltjes?

Veel van de genoemde zwevende deeltjes kunnen producteigenschappen veranderen of zelfs beschadigen.

In de voedingsmiddelenindustrie zijn alle via de lucht overgebrachte micro-organismen ongewenst, maar ze zijn toch in elke lucht aanwezig. We weten dit uit eigen ervaring, omdat veel voedingsmiddelen zeer gevoelig zijn. Zo begint ons brood te schimmelen; melk wordt zuur of fruit rot, wanneer het onbeschermd aan deze organismen wordt blootgesteld. Gevoelige en waardevolle producten moeten daarom worden beschermd tegen micro-organismen.

In de optische en elektronische fabricage zijn stofdeeltjes de grootste vijand van de fabrikant, omdat ze eveneens in elke lucht aanwezig zijn. In de productie van optische of elektronische componenten kunnen deeltjes de werking van het product veranderen, beïnvloeden of volledig vernietigen, en daarom moeten deze producten worden beschermd tegen deeltjes van welke aard dan ook.

In de farmaceutische en medische techniek speelt de kiemvrijheid of steriliteit een bijzondere rol, maar kiemen zijn in elke lucht aanwezig. Daarom moeten medische apparaten zoals spuiten, scalpels of verbandmaterialen en pleisters steriel verpakt en opgeslagen worden. Een steriele verpakking is nog eenvoudig te garanderen onder een gefilterde luchtstroom, een steriele opslag kan echter behoorlijk complexer worden. Consequent zouden in ziekenhuizen zelfs patiënten steriel moeten worden opgeslagen, zodra multiresistente kiemen zijn vastgesteld.

Wanneer we spreken over deeltjesbelasting in binnenruimtes, moeten twee bronnen van deeltjes in de gaten worden gehouden. Stofdeeltjes afkomstig uit de omgeving kunnen worden beheerst door geschikte luchtstromen en luchtfilterinstallaties. Maar de tweede bron, de mens, is veel moeilijker te beheersen, omdat hij zelf een zeer groot aantal van deze zwevende deeltjes als aerosolen of direct als deeltjes (huidschilfers, vezeldeeltjes van kleding) bij elke ademhaling en beweging vrijmaakt. Wanneer mensen betrokken zijn bij productie, fabricage of verpakking, is er dus sprake van actie. Alleen een voldoende reiniging van de lucht en afscherming van de producten kunnen deze beschermen tegen invloed van de mens, of omgekeerd, in sommige gevallen moet ook de mens zelf worden beschermd tegen emissies, vooral stof of aerosolen die tijdens de productie ontstaan.

Al deze voorbeelden tonen aan dat producten en de mens zelf beschermd moeten worden tegen de uiteenlopende deeltjes en aerosolen.

Hoe kunnen we deze zwevende deeltjes nu van onze producten verwijderen?

Alleen door een juiste reiniging van de lucht kunnen zwevende deeltjes uit de lucht worden verwijderd! Van de verschillende technische mogelijkheden voor het reinigen van de lucht zijn filtertechnieken bijzonder succesvol gebleken, omdat ze een betaalbaar en in bedrijf kostenefficiënt alternatief vormen en ook achteraf kunnen worden aangebracht.

De basis voor de beoordeling van de kwaliteit van een cleanroom of vergelijkbare cleanroom-gebieden, zoals een flow-box, wordt gevormd door de DIN-norm EN ISO 14644, waarop de classificaties van cleanrooms worden gebaseerd. De verschillende ISO-klassen zijn samengevat in tabel 1. (1)

Afhankelijk van de vereisten kunnen ook achteraf volledige cleanrooms worden ingebouwd in productieruimtes, of als de behoefte kleiner is, kunnen ook kleinere boxen worden opgesteld die een lokale cleanroom-omgeving creëren.

Een flow-box, bijvoorbeeld de Spetec Clean Boy® Mini (Spetec GmbH, Erding, Duitsland), wordt als voorbeeld getoond op de foto in figuur 1. Deze is getest, gecertificeerd en ingedeeld in klasse ISO 5 (vroeger: klasse 100) door het Fraunhofer Instituut voor Productie en Automatisering, wat betekent dat binnenin de box maximaal 100 deeltjes met een diameter van minimaal 0,5 µm per kubieke voet (3,5 deeltjes per liter of 3.520 deeltjes per m³) mogen worden aangetroffen. De flow-box heeft dus een isolatiefactor van 10⁴ en vermindert daarmee het aantal deeltjes en verbetert de luchtkwaliteit met minstens een factor 10.000 ten opzichte van de omgevingslucht in de productieomgeving. Hetzelfde geldt voor grotere cleanrooms – hier kan de luchtkwaliteit worden aangepast aan de wensen en specificaties van de klant. Alle cleanrooms worden ter plaatse opgebouwd, gemeten en vervolgens gecertificeerd door het bedrijf Spetec GmbH.

Bij de beoordeling van de luchtkwaliteit in een cleanroom of een laminaire flow-box is het niet relevant of het deeltje een aerosol, een microbe, een gistcel of een bacterie is, want de afscherming gebeurt uitsluitend op basis van de grootte van het deeltje, niet op basis van de chemische of biologische eigenschappen ervan.

De werking van een flow-box is vrij eenvoudig. De lucht wordt via een ventilator aangezogen, die in de bovenbouw is ingebouwd (zie foto, figuur 2), en door een deeltjesfilter gepompt. Door de filteropstelling wordt in het werkgebied achter de plexiglazen panelen een laminaire luchtstroom gegenereerd. Dit betekent dat de lucht als een gordijn van boven naar beneden in parallelle stroomlijnen stroomt en het monster of product wordt beschermd door een overdruk tegen binnendringende deeltjes. Deeltjes of andere zwevende deeltjes die zich in de lucht bevinden en toch binnendringen, bijvoorbeeld bij het instellen of verwisselen van te beschermen producten, worden door de luchtstroom opgevangen en via de openingen in de bodem van de flow-box verwijderd of afgevoerd via de vooropening.

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

(1) https://www.beuth.de/de/norm/din-en-iso-14644-1/238330395