Reinraumdesign in 10 einfachen Schritten

Schritt eins: Bewertung des Layouts für den Personen-/Materialfluss

Es ist wichtig, den Personen- und Materialfluss innerhalb des Reinraums zu bewerten. Reinraummitarbeiter sind die größte Kontaminationsquelle in einem Reinraum, und alle kritischen Prozesse sollten von den Zugangstüren und -wegen des Personals isoliert werden.

Die kritischsten Räume sollten einen einzigen Zugang haben, um zu verhindern, dass der Raum einen Weg zu anderen, weniger kritischen Räumen darstellt. Einige pharmazeutische und biopharmazeutische Prozesse sind anfällig für Kreuzkontaminationen aus anderen pharmazeutischen und biopharmazeutischen Prozessen. Die Kreuzkontamination von Prozessen muss sorgfältig für die Zufuhrwege und die Einschließung von Rohstoffen, die Isolierung von Materialprozessen und die Abfuhrwege und Einschließung von Fertigprodukten bewertet werden. Abbildung 1 ist ein Beispiel für eine Knochenzementanlage, die sowohl kritische Prozessräume ("Lösungsmittelverpackung", "Knochenzementverpackung") mit einem einzigen Zugang als auch Schleusen als Puffer zu Bereichen mit hohem Personalaufkommen ("Kittel", "Unkittel") aufweist.

Schritt zwei: Bestimmung der Klassifizierung der Raumsauberkeit

Um eine Reinraumklassifizierung auswählen zu können, ist es wichtig, die primäre Reinraumklassifizierungsnorm zu kennen und zu wissen, welche Anforderungen an die Partikelleistung für jede Reinheitsklasse gelten. Die Norm 14644-1 des Institute of Environmental Science and Technology (IEST) enthält die verschiedenen Reinheitsklassen (1, 10, 100, 1.000, 10.000 und 100.000) und die zulässige Anzahl von Partikeln bei verschiedenen Partikelgrößen.

In einem Reinraum der Klasse 100 sind beispielsweise maximal 3.500 Partikel pro Kubikfuß und 0,1 Mikrometer und mehr erlaubt, 100 Partikel pro Kubikfuß bei 0,5 Mikrometer und mehr sowie 24 Partikel pro Kubikfuß bei 1,0 Mikrometer und mehr.

Die Reinheitsklassifizierung eines Raums hat einen erheblichen Einfluss auf die Bau-, Wartungs- und Energiekosten eines Reinraums. Es ist wichtig, die Ausschuss-/Verunreinigungsraten bei verschiedenen Reinheitsklassen und die Anforderungen der Aufsichtsbehörden, wie der Food and Drug Administration (FDA), sorgfältig zu bewerten. Je empfindlicher der Prozess ist, desto strenger sollte in der Regel die Reinheitsklasse sein. Diese Tabelle enthält Reinheitsklassifizierungen für eine Vielzahl von Herstellungsprozessen:

Je nach den besonderen Anforderungen Ihres Fertigungsprozesses kann eine strengere Reinheitsklasse erforderlich sein. Seien Sie vorsichtig bei der Zuordnung von Reinheitsklassen zu den einzelnen Räumen; es sollte nicht mehr als zwei Größenordnungen Unterschied in der Reinheitsklassifizierung zwischen verbundenen Räumen geben. So ist es beispielsweise nicht akzeptabel, dass ein Reinraum der Klasse 100.000 in einen Reinraum der Klasse 100 mündet, aber es ist akzeptabel, dass ein Reinraum der Klasse 100.000 in einen Reinraum der Klasse 1.000 mündet.

Betrachtet man unsere Knochenzement-Verpackungsanlage, so sind "Kittel", "Entkittelung" und "Endverpackung" weniger kritische Räume und haben eine Reinheitsklassifizierung der Klasse 100.000 (ISO 8), "Knochenzement-Luftschleuse" und "Steril-Luftschleuse" öffnen zu kritischen Räumen und haben eine Reinheitsklassifizierung der Klasse 10.000 (ISO 7); Die "Knochenzement-Verpackung" ist ein staubiger kritischer Prozess und hat eine Reinheitsklassifizierung der Klasse 10.000 (ISO 7), und die "Lösungsmittel-Verpackung" ist ein sehr kritischer Prozess und wird in laminaren Strömungsabzügen der Klasse 100 (ISO 5) in einem Reinraum der Klasse 1.000 (ISO 6) durchgeführt.

Dritter Schritt: Bestimmung der Druckbeaufschlagung des Raums

Die Aufrechterhaltung eines positiven Raumdrucks im Verhältnis zu angrenzenden Räumen mit einer höheren Reinheitsklassifizierung ist wichtig, um das Eindringen von Verunreinigungen in einen Reinraum zu verhindern. Es ist sehr schwierig, die Reinheitsklassifizierung eines Raums konstant aufrechtzuerhalten, wenn der Raumdruck neutral oder negativ ist. Wie hoch sollte der Druckunterschied zwischen den Räumen sein? In verschiedenen Studien wurde das Eindringen von Verunreinigungen in einen Reinraum in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zwischen dem Reinraum und der angrenzenden unkontrollierten Umgebung untersucht. Diese Studien ergaben, dass ein Druckunterschied von 0,03 bis 0,05 Gew.-% das Eindringen von Verunreinigungen wirksam reduziert. Raumdruckdifferenzen über 0,05 in w.g. bieten keine wesentlich bessere Kontrolle des Eindringens von Verunreinigungen als 0,05 in w.g.

Bedenken Sie, dass eine höhere Druckdifferenz im Raum höhere Energiekosten verursacht und schwieriger zu kontrollieren ist. Außerdem erfordert ein höherer Druckunterschied mehr Kraft beim Öffnen und Schließen der Türen. Der empfohlene maximale Druckunterschied über einer Tür beträgt 0,1 Zoll w.g. Bei 0,1 Zoll w.g. benötigt eine 3 Fuß mal 7 Fuß große Tür 11 Pfund Kraft zum Öffnen und Schließen. Möglicherweise muss ein Reinraum neu konfiguriert werden, um den statischen Druckunterschied zwischen den Türen innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten.

Unsere Knochenzement-Verpackungsanlage wird innerhalb eines bestehenden Lagers gebaut, das einen neutralen Raumdruck (0,0 in. w.g.) aufweist. Die Luftschleuse zwischen dem Lager und "Kittel/Unterwäsche" hat keine Raumreinheitsklassifizierung und wird keinen bestimmten Raumdruck haben. "Kittel/Unkittel" hat einen Raumüberdruck von 0,03 in. w.g. "Knochenzementschleuse" und "Sterilschleuse" haben einen Raumüberdruck von 0,06 in. w.g. "Endverpackung" hat einen Raumüberdruck von 0,06 in. w.g. "Knochenzementverpackung" hat einen Raumüberdruck von 0,03 in. w.g, und einen niedrigeren Raumdruck als "Knochenzement-Luftschleuse" und "Endverpackung", um den beim Verpacken entstehenden Staub einzudämmen.

Die Luft, die in die "Knochenzement-Verpackung" eindringt, kommt aus einem Raum mit der gleichen Reinheitsklasse. Die Luftinfiltration sollte nicht von einem Raum mit einer schmutzigeren Reinheitsklasse in einen Raum mit einer saubereren Reinheitsklasse erfolgen. "Beachten Sie, dass der Druckunterschied zwischen den weniger kritischen Räumen 0,03 Zoll beträgt und der Druckunterschied zwischen den sehr kritischen Räumen "Lösungsmittelverpackung" und "Sterilluftschleuse" 0,05 Zoll beträgt. Bei einem Raumdruck von mehr als 0,5 in. w.g. sollte geprüft werden, ob eine zusätzliche strukturelle Verstärkung erforderlich ist.

Vierter Schritt: Bestimmung des Luftstroms für die Raumversorgung

Die Reinheitsklasse des Raums ist die wichtigste Variable bei der Bestimmung des Zuluftstroms in einem Reinraum. Ein Blick auf Tabelle 3 zeigt, dass jede Reinheitsklasse eine Luftwechselrate hat. Ein Reinraum der Klasse 100.000 hat zum Beispiel einen Bereich von 15 bis 30 ach. Die Luftwechselrate des Reinraums sollte die erwartete Aktivität im Reinraum berücksichtigen. Ein Reinraum der Klasse 100.000 (ISO 8) mit geringer Belegungsrate, geringem partikelbildenden Prozess und positivem Raumdruck im Verhältnis zu angrenzenden schmutzigeren Reinräumen könnte 15 ach benötigen, während derselbe Reinraum mit hoher Belegungsrate, häufigem Ein- und Auslassverkehr, hohem partikelbildenden Prozess oder neutralem Raumdruck wahrscheinlich 30 ach benötigt.

Der Planer muss seine spezifische Anwendung bewerten und die zu verwendende Luftwechselrate bestimmen. Andere Variablen, die sich auf die Luftzufuhr im Raum auswirken, sind Prozessabluftströme, durch Türen/Öffnungen eindringende Luft und durch Türen/Öffnungen ausströmende Luft. Das IEST hat in der Norm 14644-4 empfohlene Luftwechselraten veröffentlicht.

Kittel/Unkittel" hatte die meisten Ein-/Ausgänge, ist aber kein prozesskritischer Raum, was zu 20 ach führt. Die "Sterile Schleuse" und die "Knochenzement-Verpackungsschleuse" grenzen an kritische Produktionsräume, und im Fall der "Knochenzement-Verpackungsschleuse" strömt die Luft aus der Schleuse in den Verpackungsraum. Obwohl diese Luftschleusen nur einen begrenzten Ein- und Auslass haben und keine Partikel erzeugen, sind sie aufgrund ihrer kritischen Bedeutung als Puffer zwischen "An- und Auskleiden" und Produktionsprozessen mit 40 ach ausgestattet.

Bei der "Endverpackung" werden die Knochenzement-/Lösungsmittelbeutel in eine Sekundärverpackung gelegt, die nicht kritisch ist und eine Rate von 20 ach aufweist. Das "Verpacken von Knochenzement" ist ein kritischer Prozess und hat eine Rate von 40 ach. Die "Lösungsmittelverpackung" ist ein sehr kritischer Prozess, der in Laminar-Flow-Hauben der Klasse 100 (ISO 5) innerhalb eines Reinraums der Klasse 1.000 (ISO 6) durchgeführt wird. Bei der "Lösungsmittelverpackung" sind die Ein- und Ausschleusungen sehr begrenzt und die Partikelbildung im Prozess ist gering, was zu einer Rate von 150 ach führt.

Reinraumklassifizierung und Luftwechsel pro Stunde

Die Luftreinheit wird erreicht, indem die Luft durch HEPA-Filter geleitet wird. Je öfter die Luft durch die HEPA-Filter strömt, desto weniger Partikel verbleiben in der Raumluft. Das Volumen der in einer Stunde gefilterten Luft geteilt durch das Volumen des Raums ergibt die Anzahl der Luftwechsel pro Stunde.

Fünfter Schritt: Bestimmung des Raumluft-Exfiltrationsstroms

Die meisten Reinräume stehen unter Überdruck, was dazu führt, dass geplante Luft in angrenzende Räume mit geringerem statischen Druck und ungeplante Luft durch Steckdosen, Beleuchtungskörper, Fensterrahmen, Türrahmen, Wand/Boden- und Wand/Decken-Schnittstellen sowie Zugangstüren entweicht. Es ist wichtig zu verstehen, dass Räume nicht hermetisch abgedichtet sind und Leckagen aufweisen. Ein gut abgedichteter Reinraum hat eine Leckagerate von 1% bis 2% Volumen. Ist diese Leckage schlecht? Nicht unbedingt.

Erstens ist es unmöglich, keine Leckage zu haben. Zweitens muss bei der Verwendung aktiver Zu-, Ab- und Fortluftsteuerungsgeräte eine Differenz von mindestens 10% zwischen Zu- und Abluftstrom bestehen, um die Zu-, Ab- und Fortluftventile statisch voneinander zu entkoppeln. Die Luftmenge, die durch Türen entweicht, hängt von der Größe der Tür, der Druckdifferenz über der Tür und der Dichtheit der Tür ab (Dichtungen, Türschwellen, Verschluss).

Wir wissen, dass die geplante Infiltrations-/Exfiltrationsluft von einem Raum in den anderen Raum gelangt. Wohin geht die ungeplante Exfiltration? Die Luft entweicht innerhalb des Ständerwerks und nach oben hinaus. Betrachtet man unser Beispielprojekt (Abbildung 1), so beträgt die Luftexfiltration durch die 3 x 7 Fuß große Tür 190 cfm bei einem statischen Differenzdruck von 0,03 in w.g. und 270 cfm bei einem statischen Differenzdruck von 0,05 in. w.g.

Sechster Schritt: Bestimmung der Raumluftbilanz

Die Raumluftbilanz besteht aus der Addition aller Luftströme, die in den Raum einströmen (Zuluft, Infiltration) und aller Luftströme, die den Raum verlassen (Abluft, Exfiltration, Rückluft), zu gleichen Teilen. Betrachtet man die Raumluftbilanz der Knochenzementanlage (Abbildung 2), so ergibt sich für die "Lösungsmittelverpackung" ein Zuluftstrom von 2.250 cfm und eine Exfiltration von 270 cfm in die "Sterilluftschleuse", was zu einem Rückluftstrom von 1.980 cfm führt. Die "Sterile Luftschleuse" hat einen Zuluftstrom von 290 cfm, eine Infiltration von 270 cfm von der "Lösungsmittelverpackung" und eine Exfiltration von 190 cfm zum "Kittel", was zu einem Rückluftstrom von 370 cfm führt.

"Bone Cement Packaging" hat 600 cfm Zuluftstrom, 190 cfm Luftfilterung von "Bone Cement Air Lock", 300 cfm Staubabsaugung und 490 cfm Rückluft. Die "Knochenzement-Luftschleuse" hat 380 cfm Zuluft, 190 cfm Exfiltration zu "Knochenzement-Verpackung" hat 670 cfm Zuluft, 190 cfm Exfiltration zu "Kittel/Unkittel". "Endverpackung" hat 670 cfm Zuluft, 190 cfm Exfiltration zu "Kittel/Unkittel" und 480 cfm Rückluft. "Kittel/Unkittel" hat 480 cfm Zuluft, 570 cfm Infiltration, 190 cfm Exfiltration und 860 cfm Abluft.

Wir haben nun die Luftströme für Reinraumversorgung, Infiltration, Exfiltration, Abluft und Rückluft bestimmt. Der endgültige Raumrückluftstrom wird während der Inbetriebnahme für ungeplante Luftexfiltration angepasst.

Schritt Sieben: Verbleibende Variablen bewerten

Weitere Variablen, die bewertet werden müssen, sind:

1. Temperatur: Die Mitarbeiter in Reinräumen tragen Kittel oder Vollschutzanzüge über ihrer normalen Kleidung, um die Partikelbildung und mögliche Kontamination zu verringern. Aufgrund der zusätzlichen Kleidung ist es wichtig, eine niedrigere Raumtemperatur beizubehalten, damit sich die Mitarbeiter wohl fühlen. Eine Raumtemperatur zwischen 66°F und 70° sorgt für angenehme Bedingungen.
2. Luftfeuchtigkeit: Aufgrund des hohen Luftstroms in einem Reinraum entsteht eine starke elektrostatische Aufladung. Wenn die Decke und die Wände eine hohe elektrostatische Aufladung aufweisen und der Raum eine niedrige relative Luftfeuchtigkeit hat, setzen sich die Partikel in der Luft an der Oberfläche fest. Erhöht sich die relative Luftfeuchtigkeit im Raum, entlädt sich die elektrostatische Aufladung, und alle eingefangenen Partikel werden in kurzer Zeit freigesetzt, was dazu führt, dass der Reinraum die Spezifikationen nicht mehr erfüllt. Eine hohe elektrostatische Aufladung kann auch Materialien beschädigen, die gegen elektrostatische Entladung empfindlich sind. Es ist wichtig, die relative Luftfeuchtigkeit im Raum hoch genug zu halten, um die elektrostatische Aufladung zu reduzieren. Eine relative Luftfeuchtigkeit von 45% +5% gilt als optimale Luftfeuchtigkeit.
3. Laminarität: Bei sehr kritischen Prozessen kann ein laminarer Luftstrom erforderlich sein, um die Gefahr zu verringern, dass Verunreinigungen in den Luftstrom zwischen dem HEPA-Filter und dem Prozess gelangen. Die IEST-Norm #IEST-WG-CC006 enthält Anforderungen an die Laminarität des Luftstroms.
4. Elektrostatische Entladung: Abgesehen von der Raumbefeuchtung sind einige Prozesse sehr empfindlich gegenüber Schäden durch elektrostatische Entladungen und es ist notwendig, einen geerdeten, leitfähigen Bodenbelag zu installieren.
5. Geräuschpegel und Vibrationen: Einige Präzisionsverfahren sind sehr empfindlich gegenüber Lärm und Vibrationen.

Achter Schritt: Festlegung des mechanischen Systems

Die Auslegung des mechanischen Systems eines Reinraums wird von einer Reihe von Variablen beeinflusst: Platzangebot, verfügbare Mittel, Prozessanforderungen, Reinheitsklassifizierung, erforderliche Zuverlässigkeit, Energiekosten, Bauvorschriften und lokales Klima. Im Gegensatz zu normalen Klimaanlagen verfügen Reinraum-Klimaanlagen über wesentlich mehr Zuluft als zur Deckung der Kühl- und Heizlast erforderlich ist.

In Reinräumen der Klasse 100.000 (ISO 8) und darunter der Klasse 10.000 (ISO 7) kann die gesamte Luft durch die AHU geleitet werden. In Abbildung 3 werden die Rückluft und die Außenluft gemischt, gefiltert, gekühlt, wieder erwärmt und befeuchtet, bevor sie den HEPA-Filtern an der Decke zugeführt werden. Um eine Rückführung von Verunreinigungen in den Reinraum zu verhindern, wird die Rückluft durch niedrige Wandrückführungen angesaugt. Für Reinräume der höheren Klasse 10.000 (ISO 7) und sauberer sind die Luftströme zu hoch, als dass die gesamte Luft durch das RLT-Gerät geleitet werden könnte. In Abbildung 4 ist zu sehen, dass ein kleiner Teil der Rückluft zur Konditionierung zurück in das RLT-Gerät geleitet wird. Die restliche Luft wird in den Umluftventilator zurückgeführt.

Neunter Schritt: Heiz-/Kühlberechnungen durchführen

Bei der Berechnung der Heizung/Kühlung des Reinraums ist Folgendes zu berücksichtigen:

1. Verwenden Sie die konservativsten Klimabedingungen (99,6% Heizungsauslegung, 0,4% Trockenbirne/mittlere Nassbirne Kühlungsauslegung und 0,4% Nassbirne/mittlere Trockenbirne Kühlungsauslegung).
2. Beziehen Sie die Filtration in Ihre Berechnungen ein.
3. Die Wärme des Befeuchterverteilers in die Berechnungen einbeziehen.
4. Beziehen Sie die Prozessbelastung in die Berechnungen ein.
5. Beziehen Sie die Wärme des Umluftgebläses in die Berechnungen ein.

Schritt 10: Kampf um Platz im Maschinenraum

Reinräume sind mechanisch und elektrisch intensiv. Je höher die Reinheitsklasse des Reinraums ist, desto mehr Platz wird für die mechanische Infrastruktur benötigt, um den Reinraum angemessen zu unterstützen. Ein Reinraum der Klasse 100.000 (ISO 8) benötigt beispielsweise 250 bis 400 Quadratmeter Stellfläche, ein Reinraum der Klasse 10.000 (ISO 7) 250 bis 750 Quadratmeter, ein Reinraum der Klasse 1.000 (ISO 6) 500 bis 1.000 Quadratmeter und ein Reinraum der Klasse 100 (ISO 5) 750 bis 1.500 Quadratmeter Stellfläche.

Der tatsächliche Platzbedarf hängt vom Luftdurchsatz und der Komplexität der RLT-Anlage ab (einfach: Filter, Heizregister, Kühlregister und Ventilator; komplex: Schalldämpfer, Rückluftventilator, Entlastungsluftbereich, Außenlufteinlass, Filterbereich, Heizbereich, Kühlbereich, Befeuchter, Zuluftventilator und Auslassplenum) sowie von der Anzahl der dedizierten Reinraum-Unterstützungssysteme (Abluft- und Umlufteinheiten, Kaltwasser, Heißwasser, Dampf und DI/RO-Wasser). Es ist wichtig, dem Projektarchitekten bereits zu Beginn des Entwurfsprozesses die erforderliche Quadratmeterzahl für die mechanische Ausrüstung mitzuteilen.

Abschließende Überlegungen

Reinräume sind wie Rennwagen. Wenn sie richtig konzipiert und gebaut werden, sind sie hocheffiziente Hochleistungsmaschinen. Wenn sie schlecht geplant und gebaut werden, funktionieren sie schlecht und sind unzuverlässig. Reinräume haben viele potenzielle Fallstricke, und für Ihre ersten Reinraumprojekte empfiehlt sich die Überwachung durch einen Ingenieur mit umfassender Reinraumerfahrung.