Tiêu chuẩn thiết kế phòng sạch Mỹ ISPE

Phòng sạch và môi trường ô nhiễm được kiểm soát đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, bao gồm cả ngành dược phẩm. Một vấn đề quan trọng là chi phí vận hành liên quan đến việc tiêu thụ năng lượng của phòng sạch và do đó, việc xác định các biện pháp ngăn chặn năng lượng có thể áp dụng được. Bài viết này xem xét các tính toán phòng sạch dược phẩm cho luồng không khí không một chiều theo mức tiêu thụ năng lượng với các nguồn ô nhiễm đã biết và loại khuếch tán không khí được sử dụng. Nó đề xuất các trường hợp thay thế để so sánh khả năng tiết kiệm kinh tế từ việc áp dụng các biện pháp tiết kiệm năng lượng do ISO 14644-16 đề xuất.

Sự phát thải MCP từ thiết bị xử lý thường được coi là không đáng kể. Tuy nhiên, nhà cung cấp thiết bị xử lý phải cung cấp dữ liệu về việc phát thải các chất gây ô nhiễm không thể tồn tại được. Nếu thông tin này không có sẵn thì ISO 14644-16 đề cập rằng ISO 14644-14 mô tả phương pháp xác định sự phát thải của các hạt từ thiết bị. (Tài liệu cung cấp các giá trị đo được của lượng phát thải hạt từ một số thiết bị xử lý.)

Liên quan đến hiệu quả thông gió, ISO 14644-16 quy định hai loại hiệu quả thông gió: CRE và ACE. ACE được xác định theo AN-SI/ASHRAE 129-1997, liên quan đến hằng số thời gian danh nghĩa với tuổi của không khí tại một điểm:

Phương trình 2: 𝐴𝐶𝐸=𝑇𝑛 / 𝐴𝑖

Trong đó Tn là hằng số thời gian danh nghĩa, bằng 1/N (thay đổi không khí trong phòng), và Ai là tuổi không khí tại điểm đo, bằng 1/n i (thay đổi giờ địa phương).

Whyte đã chứng minh rằng giá trị ACE cũng có thể được tính bằng tỷ lệ giữa sự thay đổi không khí tại điểm đo và sự thay đổi không khí danh nghĩa trong phòng. Sự thay đổi không khí có thể được tính toán từ sự phân rã hạt như sau:

Phương trình 3: n=−1t∗lnC/Co

Trong đó t là thời gian chuyển từ nồng độ ban đầu Co tới nồng độ cuối cùng C.

Khi đó giá trị của ACE được tính như sau:

ACE =Thời gian hồi phục tại 1 điểm đo/ số lần trao đổi không khí

Hiệu suất thông gió CRE được tính như sau:

CRE =Nồng độ hạt trong không khí ở khí thải / Nồng độ hạt trung bình trong không khí trong phòng

Mặc dù tiêu chuẩn ASHRAE xác định cách đo và tính giá trị ACE nhưng không có tiêu chuẩn nào cho giá trị CRE.

Hệ số CRE được sử dụng khi ô nhiễm đến từ một nguồn cố định, chính xác. Chỉ số CRE cung cấp thông tin về khả năng hệ thống thông gió kiểm soát các chất gây ô nhiễm phát ra từ một nguồn cụ thể nhưng không cung cấp bất kỳ thông tin nào về hiệu quả của hệ thống thông gió phòng sạch và không thể sử dụng để dự đoán mức độ ô nhiễm không khí có thể xảy ra. có thể đạt được trong phòng sạch.

Xét rằng nguồn ô nhiễm trong phòng sạch không phải lúc nào cũng nằm ở một điểm cố định (ví dụ: người vận hành trong phòng sạch), nên sử dụng chỉ số ACE để tính tốc độ dòng khí.

ISO 14644-16 Phụ lục A.2.2 nêu rõ, “trong phần lớn các phòng sạch, vấn đề ô nhiễm chính là do nhân viên di chuyển tự do trong phòng. Trong tình huống đó, mục đích là đảm bảo có đủ không khí không bị ô nhiễm đến (các) vị trí quan trọng để đảm bảo nồng độ ô nhiễm cần thiết.”

Hệ thống khuếch tán không khí phải được thiết kế để đạt chỉ số ACE càng gần 1 càng tốt, sự pha trộn hoàn hảo. Nếu giá trị nhỏ hơn 1, điều đó có nghĩa là không khí “sạch” đến điểm đo ít hơn, trong khi nếu giá trị lớn hơn 1, điều đó có nghĩa là không khí “sạch” đạt đến điểm đó nhiều hơn.

Chỉ số ACE phụ thuộc vào loại máy khuếch tán không khí. Hình 1 cho thấy bộ lọc HEPA có và không có bộ khuếch tán. (ISO 14644-16 định nghĩa bộ khuếch tán là “thiết bị được đặt trên đầu cấp khí vào để cải thiện sự phân phối không khí đi vào với không khí trong phòng. Lưới lưới hoặc màn chắn đục lỗ không được coi là bộ khuếch tán.” )

Trong hệ thống không khí khuếch tán có bộ lọc HEPA không có bộ khuếch tán, hầu hết không khí được cung cấp trực tiếp dưới bộ lọc HEPA, nơi có mức độ sạch cao hơn phần còn lại của phòng. Theo đó, chỉ số ACE dưới bộ lọc phải lớn hơn 1, trong khi ở phần còn lại của phòng sẽ nhỏ hơn 1. Trong tình huống này, sự khuếch tán không khí sẽ không đồng nhất dẫn đến nồng độ hạt không đồng nhất trong phòng sạch và không đồng nhất. nhiệt độ thể tích phòng. Nhiệt độ phòng không đồng nhất có thể gây khó chịu cho người vận hành và quan trọng hơn là có thể dẫn đến dòng không khí không được kiểm soát trong phòng sạch, làm tăng nguy cơ ô nhiễm sản phẩm.

Nếu yêu cầu mức độ sạch như nhau trong toàn bộ phòng—điều kiện cần thiết khi nguồn phát thải chất gây ô nhiễm không cố định trong không gian và thời gian—khuếch tán không khí bằng bộ lọc HEPA mà không có bộ khuếch tán sẽ không phải là lựa chọn phù hợp nhất. Khuếch tán không khí bằng bộ lọc HEPA không có bộ khuếch tán tạo ra một loại dòng chảy một chiều, cần thiết khi cần cấp độ sạch cao hơn để bảo vệ một khu vực cục bộ—ví dụ: điểm nạp bình trong phòng chuẩn bị.

Tóm lại, trong phòng sạch không có UDAF, luồng không khí cung cấp được tính theo phương trình 1, trong đó chỉ số ACE được xác định có xét đến:

• Loại máy khuếch tán
• Hiệu suất của máy khuếch tán thường tạo ra sự hòa trộn không khí tốt trong phòng nhưng hoạt động ở tốc độ cao hơn hoặc thấp hơn so với thiết kế
• Tạo ra các dòng không khí không được kiểm soát do không khí cung cấp ấm hơn hoặc lạnh hơn phòng sạch và do đó các dòng không khí không được kiểm soát trong phòng sạch thể tích
• Sự hiện diện của các nguồn phát thải cố định (thiết bị xử lý phát ra các hạt, nơi làm việc đòi hỏi nhân viên phải hoạt động nhiều)
• Các vật cản có thể xảy ra do sự hiện diện của các máy xử lý hoặc các thiết bị khác nhau, chẳng hạn như bình chứa, làm hạn chế sự xâm nhập của không khí ở một số khu vực của phòng sạch với hiện tượng lưu thông không khí ngắn giữa nguồn cung cấp và không khí hồi lưu

Cũng cần xem xét phân tích của Eaton về các phép đo ô nhiễm trong phòng sạch, trong đó, sau khi xác minh loại ô nhiễm của phòng theo ISO 14644-1 (phiên bản 2015), người ta nhận thấy rằng giá trị ô nhiễm đã vượt quá giới hạn tại một điểm. Sau đó, chỉ số ACE đã được xác minh tại mỗi điểm của phòng sạch và tại thời điểm mức độ ô nhiễm rất cao, chỉ số ACE thấp hơn nhiều so với 1, nghĩa là có sự phân bổ không khí kém ở gần nguồn phát thải hạt [ 16]. Tóm lại, việc tính toán luồng không khí là hợp lý khi xem xét giá trị ACE là 0,7 khi không khí được cung cấp trong phòng sạch bằng bộ khuếch tán cảm ứng cao và được hút ra thông qua đường hồi lưu ở mức sàn.

Cho đến nay, tốc độ dòng khí đã được tính toán bằng phương trình 1, có tính đến các nguồn gây ô nhiễm phòng sạch. Tuy nhiên, phòng sạch dược phẩm cũng phải đáp ứng yêu cầu về thời gian “làm sạch”, như được nêu trong Hướng dẫn EU GMP, Thời gian làm sạch có thể được tính bằng phương trình 3, tích hợp với chỉ số ACE, như sau:

Phương trình 4: n=−1t∗(lnC/Co)∗1/ACE

Sau khi xác định khoảng thời gian làm sạch, phương trình này cũng có thể được sử dụng để tính toán luồng không khí cho khóa khí, vật liệu hoặc nhân sự.

Bảng 2 trình bày kết quả tính toán dòng không khí theo phương trình 1 (phụ thuộc vào nguồn ô nhiễm) và phương trình 4 (phụ thuộc vào thời gian làm sạch). Luồng khí do thời gian làm sạch lớn hơn luồng khí do các nguồn ô nhiễm (luồng khí được biểu thị bằng sự thay đổi không khí).

Lưu ý: Mức thay đổi không khí cao hơn được hiển thị trong bảng (13,2 ACH) thấp hơn mức ACH tối thiểu do FDA Hoa Kỳ yêu cầu (20 ACH). 5

CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG PHÒNG SẠCH

Thông thường, hệ thống HVAC của phòng sạch sẽ hoạt động liên tục, 24/7, ngay cả trong những giờ không hoạt động (ở trạng thái nghỉ) khi việc giảm tốc độ luồng khí sẽ cho phép tiết kiệm năng lượng (tất nhiên trừ khi độ sạch của phòng bị ảnh hưởng) .

Bảng 3 cho thấy mức tiết kiệm chi phí và năng lượng ước tính hàng năm của một phòng sạch được thiết kế để giảm tốc độ dòng khí trong thời gian nghỉ.

Trong Chương 7 của ISO 14644-16, tập trung vào thông số phòng sạch, đặc biệt là áp suất phòng “cần được duy trì để ngăn chặn sự xâm nhập của chất ô nhiễm từ khu vực xung quanh vào phòng sạch hoặc vùng sạch”. Yêu cầu này nhất quán với Chương 53 của Phụ lục của EU GMP trong đó nêu rõ: “Nguồn cung cấp không khí được lọc phải duy trì áp suất dương và luồng không khí liên quan đến các khu vực xung quanh có cấp độ thấp hơn trong mọi điều kiện vận hành và phải làm sạch khu vực đó. có hiệu quả.” Do đó, hệ thống HVAC và vòng điều khiển áp suất liên quan phải được thiết kế để tránh mọi đỉnh áp suất trong phòng vượt quá giới hạn, dương hoặc âm, ngay cả khi phòng sạch đang chuyển từ chế độ vận hành sang chế độ giảm hoặc ngược lại.

Một chiến lược để giảm tốc độ luồng khí có thể là điều chỉnh trơn tru các giá trị điểm đặt của van khí thể tích không khí thay đổi (VAV) của hệ thống HVAC và kết hợp theo dõi luồng khí với cảm biến áp suất phòng, nếu cần, sẽ điều chỉnh độ lệch của luồng khí. theo dõi để giữ chênh lệch áp suất trong phòng ở mức mong muốn. Van khí VAV cấp và hồi phải được lựa chọn có tính đến độ chính xác của phép đo lưu lượng và các sai số tương đối.

Hình 2 trình bày một ví dụ về điều khiển áp suất phòng sạch cho phòng nạp có bộ cách ly; hệ thống VAV đã được lựa chọn cẩn thận để kiểm soát áp suất phòng trong tất cả các giai đoạn vận hành bộ cách ly.

CƠ HỘI TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

Phụ lục B của ISO 14644-16 1 liệt kê các cơ hội tiết kiệm năng lượng, với các cơ hội khác nhau được sắp xếp theo giai đoạn thực hiện:

• Đánh giá cường độ nguồn
• URS
• Thiết kế, thiết kế lại và xây dựng
• Kiểm tra
• Vận hành và bảo trì
• Xử lý phòng sạch (ngừng hoạt động)

Phụ lục C của ISO 14644-16 1 nêu rõ rằng “việc đánh giá cẩn thận về tác động và hậu quả của bất kỳ thay đổi tối ưu hóa năng lượng nào được đề xuất cần được giải quyết cẩn thận trong bối cảnh các nguyên tắc cơ bản của việc thiết lập quyền kiểm soát và sau đó thể hiện quyền kiểm soát”. Nó còn phác thảo thêm rằng các yếu tố đánh giá nên bao gồm các chất gây ô nhiễm; tính hay thay đổi của con người và sự không chắc chắn (con người là nguồn ô nhiễm có cường độ rất khác nhau; và mật độ con người, mặc quần áo bảo hộ và vệ sinh là những yếu tố quan trọng cần xem xét); và sự biến thiên của quá trình. Cũng được xem xét và cân nhắc là Phụ lục D, “Xác định điểm chuẩn: Các chỉ số hiệu suất năng lượng cho phòng sạch” và Phụ lục E, “Các biện pháp hữu ích để giảm thiểu tổn thất hoặc lợi nhuận quá mức do sưởi ấm và làm mát”.

Các ví dụ sau đây và Bảng 4 minh họa việc tiết kiệm năng lượng liên quan đến việc tiết kiệm không khí trang điểm (chi phí hàng năm cho không khí trang điểm của phòng sạch dược phẩm dao động trong khoảng 1,5–2,0 Euro/[m 3 /h]) và tiết kiệm năng lượng để làm mát và sưởi ấm nguồn cung cấp không khí.

• Ví dụ 1, tiết kiệm không khí bổ sung, cải thiện độ kín khí của ống gió: Thiết kế ống gió có độ kín khí tốt (loại ATC 3 theo EN 16798-3, so với ống kín khí thông thường (loại ATC 4 theo EN 16798- 3) có thể tiết kiệm 2% lượng không khí bổ sung (nghĩa là tiết kiệm 1.500 Euro/năm chi phí vận hành cho không khí cung cấp 50.000 m 3 /h).
• Ví dụ 2, tiết kiệm không khí trang điểm, định hình lỗ khoét băng tải: Bằng cách giảm kích thước lỗ khoét từ kích thước ban đầu 0,2 × 0,2 m xuống còn 0,1 × 0,1 m, định hình lỗ khoét xung quanh các lọ, có chênh lệch áp suất 15 Pa, có thể giảm bốn lần luồng không khí qua lỗ mở. Luồng không khí qua lỗ được tính theo phương trình:

Q(l/s)=840∗A(m2)*√Pa

• Ví dụ 3, tránh sự chồng chéo giữa làm mát và sưởi ấm không khí cung cấp: Việc làm mát không khí vượt quá 1°C do cuộn làm mát của thiết bị tuần hoàn tạo ra có nghĩa là làm nóng thêm 1°C của cuộn dây hâm nóng ống dẫn. Đối với nguồn không khí cấp 10.000 m 3 /h, làm mát 1°C có nghĩa là làm mát 3,4 kWh (tương ứng với
• 0,56 kWh điện ; máy làm lạnh Tỷ lệ hiệu quả năng lượng theo mùa của Châu Âu = 6) và hệ thống sưởi 1°C nghĩa là nhiệt 3,4 kWh (tương ứng với khí tự nhiên 0,4 Nm 3 /h, hiệu suất hệ thống sưởi 85%).
• Ví dụ 4, sử dụng các điều kiện đo nhiệt ẩm bên trong ít khắc nghiệt hơn: Xét rằng các điều kiện đo độ ẩm bên trong phụ thuộc vào việc làm mát và hút ẩm của không khí trang điểm vào mùa hè và tạo ẩm bằng hơi nước vào mùa đông, việc tính toán chi phí vận hành của phòng sạch có ba các điều kiện bên trong khác nhau được đề cập đến việc xử lý trước không khí trang điểm.

PHẦN KẾT LUẬN

Chi phí vận hành cao cho phòng sạch chủ yếu là do hệ thống HVAC. Hầu hết các phòng sạch hiện đang hoạt động đều được quy hoạch và xây dựng theo tiêu chí thiết kế đã được xác định cách đây vài năm và phù hợp với công nghệ sản xuất và nhà máy hiện có.

*Các điều kiện trong nhà ít nghiêm ngặt hơn có thể được áp dụng sau khi đã được xác minh rằng không có nguy cơ gây khó chịu cho người vận hành và không ảnh hưởng đến quá trình sản xuất.

Trong những năm qua, tiến bộ đáng kể đã được thực hiện trong công nghệ xử lý. Ngành công nghiệp dược phẩm đang ngày càng hướng tới các thiết bị, phụ kiện và ống sử dụng một lần; các bước quy trình khép kín về mặt chức năng được cách ly với không khí phòng sạch xung quanh; và các biện pháp bảo vệ cục bộ hiệu quả hơn (công nghệ cách ly) cho các quy trình mở. Các loại quần áo có hiệu suất tốt hơn đã được phát triển và giảm đáng kể lượng khí thải hạt và MCP. Quy trình vận hành cũng đã được cải thiện, đơn giản hóa công việc của người vận hành, tăng cường sử dụng hồ sơ lô điện tử, triển khai tài liệu không cần giấy tờ và giảm phát tán các hạt.

Do đó, một số công ty dược phẩm sinh học đã cập nhật hướng dẫn của họ, giảm lượng thay đổi không khí tối thiểu để phản ánh những tiến bộ này. Với việc giảm lượng thay đổi không khí cần thiết trong phòng sạch, các công ty có thể duy trì môi trường ô nhiễm được kiểm soát và tuân thủ đồng thời giảm mức tiêu thụ năng lượng.