Co mają wspólnego aerozole, cząsteczki kurzu i mikroby?

(Obraz 2: Zdjęcie Flow-Box (Spetec Clean Boy® Mini))

(Obraz 1: Rozmiary cząstek w porównaniu)

Tabela 1: Klasy czystych pomieszczeń według ISO 14644-1

Odpowiedź na to skomplikowane pytanie ma charakter fizyczny i jest dość prosta: jest nią wielkość, którą mają wszystkie trzy różnie działające cząstki, a dokładniej ich rozmiar.

Jakie wielkości mają te cząstki?

Stosunki wielkości niektórych wybranych obiektów przedstawiono na rysunku 1.

Skala wielkości sięga od atomu o 10^-10 m do pomarańczy o średnicy 10 cm (0,1 m). W tym artykule interesują nas obiekty mniejsze niż 0,1 mm, czyli 100 µm, które dlatego nie są już widoczne gołym okiem i należą do mikro- obiektów, które choć niewidoczne, mogą mieć istotny wpływ na nasze życie.

Kuliste cząstki (cząstki, aerozole, mikroby) o średnicach poniżej 30 µm mogą być transportowane na dużych odległościach w powietrzu, a ostatnio japońscy naukowcy wykazali nawet, że aerozole wytwarzane przez człowieka mogą pozostawać w powietrzu do 20 minut, jeśli nie jest wietrzone, zanim opadną na ziemię pod wpływem siły grawitacji.

Aerozol to heterogeniczna mieszanina (dyspersja) cząstek stałych lub ciekłych zawieszonych w gazie. Cząstki zawieszone nazywają się cząstkami aerozolu lub aerozolowymi cząstkami. Najmniejsze cząstki mają zaledwie kilka nanometrów i można je zobaczyć tylko za pomocą mikroskopu elektronowego, np. wirusy, ale rozmiar aerozoli, które nas tutaj interesują, mieści się w zakresie mikrometrów. Obecnie dyskutuje się o aerozolach, ponieważ są one nieuniknione podczas oddychania i mówienia przez człowieka, szczególnie podczas śpiewu, i mogą być wdychane przez innych ludzi, jeśli nie stosuje się odpowiednich środków ochronnych, np. zachowania dystansu lub noszenia maseczki, lub osiadają na powierzchniach, co może negatywnie wpływać na właściwości produktów.

Bioaerozol to wszystkie skupiska cząstek biologicznego pochodzenia znajdujące się w powietrzu, zawierające grzyby, bakterie, wirusy lub pyłki, a także ich składniki ścian komórkowych i produkty metaboliczne (np. mykotoksyny) albo cząstki, do których te bioprodukty przylegają. W szerszym znaczeniu wszystkie cząstki pochodzenia biologicznego, takie jak łuski skóry czy fragmenty włókien, zalicza się do bioaerozolowych cząstek. Człowiek sam jest największym producentem bioaerozolu w pomieszczeniach zamkniętych. Podczas oddychania wydostają się drobne krople do otaczającego powietrza, a przy każdej ruchu łuski, cząstki skóry i włókna z jego odzieży unoszą się i zwykle długo pozostają w powietrzu.

Do większych cząstek biologicznych unoszących się w powietrzu należą pyłki o aerodynamicznych średnicach od 10 µm do 100 µm, podczas gdy wirusy zazwyczaj mają średnicę od 0,02 µm do 0,4 µm. Biorąc pod uwagę, że dość duże pyłki mogą pokonywać duże odległości, wywołując alergie nawet z daleka, mniejsze cząstki, takie jak wirusy, mogą również rozprzestrzeniać się w pomieszczeniach, i nie są już usuwane z powietrza przez nowoczesne klimatyzacje. Bez wentylacji i wymiany powietrza mogą unosić się w powietrzu przez wiele godzin, nie mając kontaktu z powierzchnią, na której mogłyby zostać wchłonięte.

Aerozole są nie tylko wydychane przez człowieka, ale także łatwo wdychane. Około 10% wszystkich inhalowanych cząstek aerozolu pozostaje w drogach oddechowych, reszta jest wydychana lub usuwana przez rzęski w płucach. Cząstki, które mogą dotrzeć co najmniej do oskrzeli, nazywamy płucnymi. Do nich należą wszystkie aerozolowe cząstki poniżej średnicy około 10 mikrometrów (PM10). Większe cząstki są już zatrzymywane w nosie lub w gardle albo w ogóle nie mogą być inhalowane. Najmniej zatrzymują się cząstki o średnicy między 0,5 a 1 mikrometrem, co oznacza, że mogą one głęboko penetrować w płuca. Tam, gdzie w produkcji uwalniane są pyły, aerozole lub cząstki, konieczna jest ochrona przed tymi cząstkami. Pamiętamy wszyscy o kosztownych sanacjach azbestu, ponieważ nawet pojedyncze włókna azbestu mogą wywołać raka płuc.

Microorganizm to skrót od mikroorganizmu, czyli organizmu o rozmiarze w zakresie mikrometrów poniżej 0,1 mm, który jest niewidoczny gołym okiem. Wszystkie mikroby mają wspólne to, że składają się z jednej komórki. Jeśli mają wyraźnie zarysowany jądro komórkowe, zwykle otoczone podwójną błoną, w której znajduje się DNA, mówimy o eukariontach, podczas gdy prokarionty nie mają jądra. Kryterium małego rozmiaru spełniają także drożdże, glony, pierwotniaki (np. ameby) i śluzowce, ale nowsze definicje mikroorganizmów obejmują wyłącznie bakterie i archeony (również jednokomórkowe organizmy bez jądra, podobne do bakterii) oraz drożdże. Bakterie i drożdże są często wykorzystywane w przemyśle spożywczym do uzyskiwania określonych właściwości produktu, np. podczas warzenia piwa, ale mogą też psuć produkty, jak znamy z pleśni czy bakterii coli.

Podsumowując, można powiedzieć, że cząstki unoszące się w powietrzu (pyły, zarodniki, aerozole czy bioaerozole) występują wszędzie w powietrzu i w pomieszczeniach zamkniętych i ze względu na ich małe rozmiary poniżej 100 µm mogą długo pozostawać w powietrzu lub być transportowane na duże odległości przez strumień powietrza.

Gdzie i przed czym musimy chronić się przed tymi cząstkami unoszącymi się?

Wiele z wymienionych cząstek może zmieniać lub nawet zakłócać właściwości produktów.

W przemyśle spożywczym wszystkie mikroorganizmy przenoszone przez powietrze są niepożądane, ale mimo to występują w każdym pomieszczeniu. Wiemy to z własnego doświadczenia, ponieważ wiele produktów spożywczych jest bardzo podatnych. Nasz chleb zaczyna pleśnieć; mleko kwaśnieje lub owoce się psują, jeśli są narażone na działanie tych organizmów bez ochrony. Wrażliwe i cenne wyroby muszą być chronione przed mikroorganizmami.

W produkcji optycznej i elektronicznej pyłki stanowią największe zagrożenie, ponieważ są obecne w powietrzu w każdym pomieszczeniu. W produkcji komponentów optycznych lub elektronicznych cząstki mogą zmieniać funkcję produktu, zakłócać lub całkowicie niszczyć, dlatego te produkty muszą być chronione przed cząstkami wszelkiego rodzaju.

W farmacji i medycynie kluczową rolę odgrywa czystość mikrobiologiczna lub sterylność, ale zarazki są obecne w każdym pomieszczeniu. Dlatego urządzenia medyczne, takie jak strzykawki, skalpele czy opatrunki i plastry, muszą być sterylnie zapakowane i przechowywane. Sterylne opakowania można łatwo zapewnić pod filtrowanym strumieniem powietrza, ale sterylne przechowywanie może wymagać bardziej skomplikowanych rozwiązań. Konsekwentnie, w szpitalach nawet pacjenci powinni być przechowywani w warunkach sterylnych, jeśli wykryto już wielooporne zarazki.

Gdy mówimy o zanieczyszczeniu cząstkami w pomieszczeniach, należy mieć na uwadze dwa źródła cząstek. Pyły pochodzące z otoczenia można kontrolować za pomocą odpowiednich systemów wentylacji i filtracji powietrza. Jednak drugie źródło, człowiek, jest znacznie trudniejsze do kontrolowania, ponieważ sam emituje dużą liczbę tych cząstek jako aerozol lub bezpośrednio jako łuski skóry, włókna odzieży przy każdym oddechu i ruchu. Tam, gdzie w produkcji, wytwarzaniu lub pakowaniu są ludzie, konieczne są działania. Tylko odpowiednia czystość powietrza i ochrona produktów mogą chronić je przed emisją od człowieka, lub odwrotnie, czasami trzeba chronić ludzi przed emisją, szczególnie pyłów czy aerozoli powstających podczas produkcji.

Wszystkie te przykłady pokazują, że produkty i sam człowiek muszą być chronieni przed różnorodnymi cząstkami i aerozolami.

Jak można więc odsunąć te cząstki od swoich produktów?

Tylko poprzez odpowiednie oczyszczanie powietrza można usunąć cząstki unoszące się w powietrzu! Spośród różnych technicznych metod oczyszczania powietrza szczególnie sprawdziły się techniki filtracji, ponieważ są one niedrogie w zakupie i eksploatacji oraz można je później rozbudować.

Podstawą do oceny jakości pomieszczeń czystych lub odpowiednich obszarów czystych, takich jak boxy przepływowe, jest norma DIN EN ISO 14644, według której klasyfikuje się czystość pomieszczeń. Różne klasy ISO są przedstawione w tabeli 1. (1)

W zależności od wymagań można także później zbudować całe pomieszczenia czyste w ramach produkcji, lub jeśli potrzeba jest mniejsza, można ustawić mniejsze boxy, które tworzą lokalne środowisko czystego pomieszczenia.

Przykładem jest box przepływowy, taki jak Spetec Clean Boy® Mini (Spetec GmbH, Erding, Niemcy), pokazany na zdjęciu w rysunku 1. Został on przetestowany, certyfikowany i sklasyfikowany przez Instytut Fraunhofera ds. Technologii Produkcji i Automatyzacji, i zaliczony do klasy ISO 5 (dawniej: klasa 100), co oznacza, że wewnątrz boxa może znajdować się maksymalnie 100 cząstek o średnicy co najmniej 0,5 µm na centymetr sześcienny (3,5 cząstki na litr lub 3.520 cząstek na m³). Box przepływowy ma więc współczynnik izolacji 10⁴ i tym samym zmniejsza liczbę cząstek i poprawia jakość powietrza co najmniej 10.000-krotnie w porównaniu z otaczającym powietrzem w obszarze produkcji. Podobnie jest z większymi pomieszczeniami czystymi — tutaj można dostosować jakość powietrza do wymagań i oczekiwań klienta. Wszystkie pomieszczenia czyste są montowane na miejscu przez firmę Spetec GmbH, mierzone i następnie certyfikowane.

Podczas oceny jakości powietrza w pomieszczeniu czystym lub w laminarnej komorze przepływowej nie ma znaczenia, czy cząstka to aerozol, mikroorganizm, komórka drożdży czy bakteria, ponieważ osadzanie się odbywa się wyłącznie na podstawie rozmiaru cząstki, a nie jej właściwości chemicznych lub biologicznych.

Funkcja komory przepływowej jest dość prosta. Powietrze z pomieszczenia jest zasysane przez wentylator, który jest zamontowany na górnej części obudowy (na zdjęciu, rysunek 2), i przepuszczane przez filtr cząstek. Dzięki układowi filtrów w obszarze roboczym za szybami z plexi powstaje laminarne przepływ powietrza. Oznacza to, że powietrze płynie jak zasłona od góry do dołu w równoległych liniach strumienia, a próbka lub produkt są chronione przed nadchodzącymi cząstkami przez nadciśnienie. Cząstki lub inne cząstki unoszące się w powietrzu, które mimo to dostały się do środka, np. podczas ustawiania lub wymiany chronionych produktów, są wychwytywane przez strumień powietrza i usuwane przez otwory w podłodze komory lub odprowadzane przez przednią szczelinę.

Poprzez łączenie pomieszczeń czystych lub laminarno-przepływowych komór można tworzyć całe linie produkcyjne, tak aby produkt nie miał kontaktu z cząstkami każdego rodzaju na żadnym etapie procesu produkcyjnego. Montaż, rozmieszczenie i dobór poszczególnych elementów można dostosować do potrzeb klienta.

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