Ślad węglowy CO₂ w technologii czystych pomieszczeń

Strömungsbild einer turbulenzarmen Strömung unter Einfluss der Ansaugstelle

Wpływ punktu odciągowego na laminarny przepływ w pomieszczeniu

CO2 Ślad - Czynniki wpływu w czystym pomieszczeniu

Schemat zasady koncepcji czystego pomieszczenia z plenum ciśnieniowym i modułami recyrkulacji powietrza

Zdjęcie szczegółowe pól energii kinetycznej pod zakładem składowania odpadów, które nie są dotknięte ani odblokowane przez laminarny przepływ.

W czasach gospodarczej prosperity i nieograniczonego przepływu towarów świadomość ekologiczna nie jest szczególnie rozwinięta. Teraz międzynarodowe kryzysy uświadamiają nam naszą samodzielnie stworzoną zależność w sposób drastyczny, a mimo to w dużym stopniu pomijamy konsekwencje zmian klimatycznych. Ponadto wysokie koszty energii i eksploatacji stawiają przemysł, zwłaszcza technikę czystych pomieszczeń, przed dużymi wyzwaniami.

Nadszedł czas, aby postawić na nowe wartości. Środowisko, energia, bezpieczeństwo i zrównoważony rozwój mają najwyższy priorytet, a europejskie i regionalne przepisy prawne obecnie nakładają surowe zasady dotyczące zrównoważonych, przyjaznych środowisku procesów.

Bilans CO2 jest miarą całkowitej emisji dwutlenku węgla, która jest wywołana bezpośrednio i pośrednio przez działalność lub powstaje podczas etapów życia produktu. Ślad węglowy produktu (Product Carbon Footprint) pokazuje, w której fazie cyklu życia występują istotne emisje CO2 i jak można je efektywnie kosztowo zredukować. Od wydobycia surowców, przez transport, produkcję, użytkowanie aż do scenariusza końca życia, wszystko jest analizowane.
Do obliczania śladu węglowego produktów stosuje się normę ISO14067.

W tym celu zbierane są ilości emitowanych gazów cieplarnianych w systemie produktu i przeliczane na ekwiwalenty CO2, aby móc określić potencjalny wkład tego produktu w globalne ocieplenie. Nowoczesna technika pomiarowa umożliwia minimalizację tolerancji pomiarowych i zapewnienie stałej prędkości przepływu. Testy praktyczne dowodzą, że jakość czystego pomieszczenia przy zmniejszonej prędkości przepływu do 0,36 m/s nie ulega pogorszeniu. Dzięki symulacjom, innowacyjnym projektom czystych pomieszczeń, niezawodnym testom i solidnym ocenom ryzyka, często możliwe jest stosowanie prędkości przepływu poniżej 20%.

„Potrzebujemy odwagi do zmian i chęci do prawdziwej współpracy – wspólnie rozwijajmy rozwiązania i bierzmy odpowiedzialność” - Josef Ortner

Prędkość przepływu filtra HEPA

Norma DIN EN ISO 14644 wymaga dla przepływu o niskiej turbulencji prędkości powietrza na wylocie filtrów HEPA wynoszącej 0,45 m/s ±20%. Ta wytyczna została opracowana dziesięciolecia temu i częściowo opiera się na skuteczności zatrzymywania cząstek przez ówczesnej jakości filtrów. Ta wytyczna powoduje przy pełnym pokryciu filtra lub dużych powierzchniach filtracyjnych ogromne ilości powietrza. Dodatkowo występuje zwiększony opór powietrza wokół filtra, wynoszący około 200–500 paskali, co przekłada się na opór filtracyjny i elementy wstępne przepływu powietrza. W tym kontekście nie uwzględnia się wartości systemowych, w tym systemów dystrybucji powietrza i klimatyzacji. Całkowity opór w systemach wentylacyjnych zwykle wynosi od 800 do 1000 paskali. Oznacza to wysokie zużycie energii napędu, wysoką moc chłodzenia, duże kanały powietrzne i duże elementy montażowe. Nowoczesna technologia filtracji umożliwia stosowanie prędkości powietrza znacznie poniżej normatywnych wartości, bez pogorszenia jakości. Wartości oporów znacznie spadają, a czas eksploatacji znacznie się wydłuża. Użycie filtrów HEPA PTFE o minimalnym oporze jeszcze bardziej poprawia ten efekt. W wielu przypadkach systemy czystych pomieszczeń mogą działać przy zmniejszonych prędkościach przepływu, co może prowadzić do redukcji kosztów inwestycyjnych i operacyjnych nawet do 50%.

Prędkość przepływu dla izolatorów

Norma DIN EN ISO 14644 oraz wytyczne GMP nakładają dla klasy czystości A wymóg pełnego, równomiernego przepływu powietrza o prędkości 0,45 m/s ±20%. W większości przypadków wymóg równomierności przepływu jest w pełni uzasadniony, ale można go również osiągnąć przy prędkościach znacznie poniżej wytycznych. Należy zawsze uwzględniać ewentualne zakłócenia zewnętrzne, które mogą wpływać na przepływ. Te wytyczne obowiązują również izolatory, choć warto je kwestionować. Izolatory to wysokowydajne systemy bezpieczeństwa, w których zwykle stosuje się techniki sterylizacji lub dekontaminacji. Przed każdym procesem cały ich wnętrze jest dezynfekowane do stanu 100% wolnego od mikroorganizmów. Z zewnątrz nie ma ryzyka kontaminacji. Równomierny, pełny przepływ powietrza nie zwiększa bezpieczeństwa, wręcz przeciwnie, może mieć negatywne skutki. Symulacje przepływu i wizualizacje dowodzą, że przepływ kolbowy nie gwarantuje oczyszczania w niszach lub ukrytych obszarach. Turbulentny przepływ jest w większości przypadków bardziej skuteczny. Zmiana techniki przepływu z niskoturbulentnego na turbulentny upraszcza technologię i konstrukcję. Ze względu na małe objętości komórkowe, można łatwo osiągnąć wskaźniki wymiany powietrza powyżej 400 razy (przykład: izolator z 4 rękawami, powierzchnia komory 2 m x 0,8 m, około 2600 m³/h przy przepływie niskoturbulentnym w porównaniu do turbulentnego około 800 m³/h, wymiana powietrza 600-krotna). Pod pojęciem turbulentnego przepływu nie rozumie się przepływu silnie turbulentnego. Należy również zauważyć, że charakterystyka przepływu, zwłaszcza przepływ kolbowy, w dużej mierze zależy od odciągu, od miejsc zasysania. Wpływ na przepływ ma także wywiew, a także czynniki związane z pracą, materiały, opakowania oraz techniczne wyposażenie, które mogą negatywnie wpływać na przepływ niskoturbulentny.

Powietrze zewnętrzne, wywiewne i recyrkulacja

Większość systemów i urządzeń w środowisku medycznym i farmaceutycznym działa jako systemy wywiewne lub przynajmniej jako systemy mieszane z pewnym udziałem powietrza wywiewanego. Powód najczęściej wynika z zaleceń producentów i oceny ryzyka rozprzestrzeniania się kontaminacji do środowiska pracy. Powietrze wywiewane oznacza koniecznie powietrze zewnętrzne, które musi być odpowiednio przygotowane do wymogów czystościowych. Niezależnie od nakładów instalacyjnych i wymagań przestrzennych, przygotowanie powietrza zewnętrznego obejmuje kwestie ogrzewania, chłodzenia, nawilżania, osuszania oraz cały system filtracji. Jeśli bliżej przyjrzymy się „zaleceniom producentów”, dojdziemy do wniosku, że różni producenci oceniają różne ryzyka i dodają do nich jeszcze marginesy bezpieczeństwa. To nie jest zarzut, lecz zachęta do własnej oceny ryzyka. Temat ten jest szczególnie istotny w mikroelektronice, ponieważ do produkcji mikroczipów potrzebnych jest tysiące urządzeń produkcyjnych. Procesowe powietrze wywiewne z urządzeń jest zwykle chemicznie zanieczyszczone i musi być poddane obróbce za pomocą absorberów lub adsorberów.

Trzy przykłady praktyczne:

1. W porównaniu pomiarów różnych systemów tego samego typu i z tymi samymi procesami produkcyjnymi wykazano, że istnieją poważne różnice w ilości powietrza wywiewanego. W ustalonym z produkcją trybie pracy wszystkie systemy stopniowo dostosowano do wartości najniższej. Efektem była redukcja wywiewu na miejscu o około 18 000 m³/h, czyli około 160 mln m³ rocznie. To oznacza, że 160 mln m³ powietrza wywiewanego nie wymagało przygotowania.

2. Dla instalacji systemu procesowego została zbudowana przewidziana instalacja wentylacyjna. Podczas uruchomienia, bez informowania operatora i zespołu uruchomieniowego, ustawiono wywiew procesowy na około 60% wartości podanych przez producenta, oczekując, że po pojawieniu się problemów z produktem lub podczas uruchomienia zostanie to skorygowane. Efektem było, że ustawione wartości nie zostały zmienione i nie wystąpiły problemy jakościowe.

3. W latach 80. wybudowano nowoczesną fabrykę mikroczipów. Jednym z nowości była technika plenum ciśnieniowego i pełne pokrycie filtrami na około 1000 m² powierzchni produkcyjnej. Aby zapewnić wymaganą prędkość przepływu 0,45 m/s, zainstalowano systemy recyrkulacji o wydajności około 1,6 mln m³/h. Przy wysokości pomieszczenia 3 m uzyskano około 600-krotną wymianę powietrza. Pomimo poważnych obaw dotyczących zmniejszenia ilości powietrza, stopniowo, przy szeroko zakrojonych kontrolach jakości, obniżano prędkość powietrza do 0,3 m/s. Efektem było zmniejszenie ilości powietrza o około 1 mln m³/h i wyraźna redukcja oporu systemu, co przełożyło się na oszczędności energii i mocy chłodzenia na poziomie około 7,7 mln kWh/rok.

Te proste przykłady mają na celu zachęcenie do rozpoczęcia uruchomień od niższych wartości, aby osiągnąć optymalne warunki pracy.

Systemy w trybie recyrkulacji

Rozwój techniczny ostatnich dekad przyniósł wiele nowości i ulepszeń. Nowoczesna technika filtracji powietrza oraz techniki obróbki zanieczyszczonego powietrza wywiewanego sprawiły, że systemy czystych pomieszczeń i procesów mogą dziś być często obsługiwane jako niezależne od infrastruktury systemy recyrkulacji powietrza. To umożliwia redukcję ilości powietrza w prostych przepływach materiałów o około 0,7 mln m³/rok, w systemach dekontaminacyjnych o około 4 mln m³/rok, a w izolatorach od 2 do 6 mln m³/rok. Dodatkowo eliminuje się konieczność instalacji infrastruktury technicznej powietrza.