Чистое помещение

Рисунок 1 — Группа хирургов с распылителем Листера

История развития чистых помещений начинается с 1860 годов, когда известный шотландский хирург Джозеф Листер выдвинул теорию «чистоты». Из неё следовало, что удаление бактерий из больниц, а особенно операционных, должно предотвратить возникновение инфекций. Благодаря этому Листер добился значительного снижения инфекционных осложнений в операционных. Предложенная им концепция снижения риска инфицирования при хирургическом вмешательстве представляла собой антисептический метод, поскольку он был основан на применении дезинфицирующих средств на инструментах, материалах, руках хирурга и в окружающей среде. Дальнейшее развитие чистых помещений основывается на асептических методах, то есть предупреждение попадания бактерий в рабочую зону.

Чистые помещения того времени стали существенным «шагом вперед», однако в них все ещё отсутствовал важнейший элемент современных технологий чистоты — вентиляция с фильтрацией приточного воздуха. Хотя есть данные о том, что в 1864 году сэр Джон Саймон, писавший, что вентиляция должна «обеспечить поток от входа к выходу» и что этого можно добиться, использую систему специальной подачи воздуха, в которой «потоки направляются определенным образом». Однако на практике реализовать это так и не удалось. До второй мировой войны вентиляция использовалась как элемент комфорта.

Рисунок 2 — Вентиляция в больничной палате в 1920-х гг.

Пациент мог дышать свежим воздухом через воронку, грязный воздух удалялся через аналогичную воронку на уровне пола

Во время Второй мировой войны был проведён ряд изысканий вентиляции помещений и аэродинамики частиц, итогом коих стало внедрение принудительной вентиляции в помещении клиник именно имея цель борьбы с загрязнениями. В работе Бурдийона (Bourdillon) и Колубрука (Colebrook), опубликованной в 1946 г., описан перевязочный пункт, в котором кратность воздухообмена в час достигала 20, что, собственно, позволило обеспечить в комнате избыточное давление по отношению к находящимся вокруг помещениям. К началу 1960-х годов было уже известно большинство основополагающих принципов, определяющих характеристики турбулентно вентилируемых помещений, а именно распределение воздушных потоков, влияния объёма приточного воздуха на степень разбавления аэрозольных загрязнений, эффективность фильтров и контроль движения воздуха. Кроме того, было установлено, что люди являются источником находящихся в воздухе бактерий, которые переносятся на отшелушившихся частицах наружных кожных покровов, причем выяснилось, что спецодежда из рыхлой хлопчатобумажной ткани слабо препятствует их распространению, и для спецодежды нужен более плотный материал.

В 1960 г. Блоуэрс и Кру предприняли попытку разработки «воздушного поршня» (то есть однонаправленного воздушного потока, хотя они его так ещё не называли), подаваемого через воздухораспределитель, установленный по всему потолку операционной палаты в г. Миддлсборо (Англия). К сожалению, из-за конвекционных потоков воздуха от людей и от освещающих операционное поле ламп, а также из-за воздушных потоков, образующихся при перемещении людей, подаваемый в помещение воздушный поток (имевший к тому же низкую скорость) не сохранял своё направление; это не позволило обеспечить качественный однонаправленный воздушный поток. Главным импульсом в деле обеспечивания чистоты воздуха в операционных оказались работы профессора сэра Джона Чарнли (Charnley). С помощью компании Howorth Air Conditioning он принял решение модернизировать систему приточной вентиляции в собственной операционной. Чтобы решить проблему образования турбулентностей и сформировать движущийся книзу воздушный поток со скоростью 0,3 м/с в операционную площадью 6 м х 6 м, понадобилось обеспечить высокую производительность приточной вентиляции 11 м³/с. Чарнли счел это решение неэкономичным и разработал, а после этого, в 1961 г., и соорудил внутри операционной стерильную палатку, возымевшую название «парник» («greenhouse») площадью 2 м х 2 м. Накопленных знаний хватило для того, чтобы в Великобритании был издан популярный справочник по проектированию вентиляционных систем для операционных (UK Medical Research Council Report, 1962).

Рисунок 3 — Схема воздушных потоков от трех диффузоров в палате Чарнли

В 1966 году, принимая во внимание накопленный опыт в экспериментах, Чарнли соорудил стерильную палатку с существенно большой затратой воздуха, более высококачественным движением воздушного потока и, вследствие этого, значимо меньшим числом микроорганизмов. Для того, чтобы ограничить выделение микроорганизмов хирургами, он усовершенствовал специальную изолирующую одежду для медперсонала.

Аналогичные успехи были достигнуты в технических отраслях промышленности. Разработка первых чистых помещений для промышленного производства началась во время Второй мировой войны, и это, в основном, было обусловлено попытками повышения качества и надежности узлов и деталей различных видов вооружения, танков и самолетов. В это время были построены чистые помещения, в которых просто копировались конструкции операционных и опыт их эксплуатации. Но очень скоро пришло понимание того, что отсутствие микроорганизмов и отсутствие частиц — это не одно и то же. Значительные усилия были направлены на внедрение материалов, поверхность которых не выделяет частиц, а также на способы подачи чистого приточного воздуха в больших объёмах. Первое производственное чистое помещение (наиболее приближенное к современным) было внедрено в производство компании Western Electric Comp. в 1955 г. Персонал был одет в халаты из синтетического материала, которые легко очищались и выделяли минимальное количество частиц. Щели и углы были сведены к минимуму, напольные покрытия на основе винила настилали с задеванием на стены, а источники света устанавливались в утопленном варианте, чтобы исключить места накопления пыли. И самое главное, поддерживалось избыточное давление воздуха, а приточный воздух фильтровался при помощи «абсолютных» фильтров — ULPA, способных задерживать 99,95 % частиц размером 0,3 мкм. Результат был великолепен. Процент брака при производстве гироскопов удалось свести к минимуму, а их продукция стала эталоном качества.

Рисунок 4 — Современное чистое помещение высокого класса чистоты

Заметной вехой в истории чистых помещений стала разработка в 1961 г. концепции вентиляции с однонаправленным, ламинарным потоком воздуха. Наибольший вклад в этом направлении принадлежит Уиллису Уитфилду. Он разработал помещение размерами 1,8х3х2,1 м. Воздух подавался в горизонтальном направлении через ряд HEPA-фильтров. Это обеспечивало однонаправленное движение воздуха от фильтров через все помещение и далее наружу через перфорированный пол. При такой организации системы воздухообмена оператор за рабочим столом не будет загрязнять ничего перед собой, поскольку генерируемые им загрязнения удаляются из рабочей зоны потоком воздуха.

Концепция вентиляции чистого помещения с помощью однонаправленного потока воздуха была очень быстро реализована во многих отраслях промышленности, особенно в фармацевтической отрасли, где имелась крайняя необходимость в чистых помещениях высокой степени чистоты. Эти технологии на сегодняшний день усовершенствованы за счет развития техники, однако принципы, предложенные Уитфилдом, остались неизменны.

Воздушный шлюз

Чистое помещение для производства микроэлектронных компонентов

Спецодежда для чистых помещений

Основным принципом обеспечения чистоты является создание в чистом помещении избыточного давления по отношению к смежным с ним помещениям. Это обеспечивается созданием в нём дисбаланса воздуха, то есть разности между количеством приточного и вытяжного воздуха. Количество приточного воздуха должно превышать вытяжку минимум на 20 % при условии, что рассматриваемое помещение находится в центре здания, и не менее 30 % при наличии в помещении остекления, допускающего инфильтрацию. Это обеспечивает движение воздуха из помещений с высокими требованиями по чистоте в смежные помещения с более низкой степенью чистоты по мере убывания технологических требований. В России стандарты проектирования, строительства и эксплуатации чистых производственных помещений (ЧПП) регламентирует ГОСТ Р ИСО 14644. На данный момент существует пять частей данного стандарта, каждая из которых определяет жесткие требования выполнения той или иной стадии проектирования строительства или эксплуатации ЧПП: Часть 1 (ГОСТ Р ИСО 14644-1-2000) — Классификация чистоты воздуха. Часть 2 (ГОСТ Р ИСО 14644-2-2001) — Требования к контролю и мониторингу для подтверждения постоянного соответствия. Часть 3 (ГОСТ Р ИСО 14644-3-2007) — Методы испытаний. Часть 4 (ГОСТ Р ИСО 14644-4-2002) — Проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию. Часть 5 (ГОСТ Р ИСО 14644-5-2005) — Эксплуатация.[1][2]

Для уменьшения загрязнения в чистых помещениях высокого класса применяются специальные системы вентиляции, при которых поток воздуха движется сверху вниз без турбулентностей, то есть ламинарно. При ламинарном потоке воздуха частицы грязи от людей и оборудования не разлетаются по всему помещению, а собираются потоком у пола.

Пример потоков воздуха в чистой комнате с турбулентной организацией вентиляции

Потоки воздуха в чистой комнате с ламинарной организацией вентиляции

В общем виде чистые помещения включают в себя следующие базовые элементы:

• ограждающие стеновые конструкции (каркас, глухие и остекленные стеновые панели, двери, окна);
• герметичные панельные и кассетные потолки со встроенными растровыми светильниками;
• антистатические полы;
• систему подготовки воздуха (приточные, вытяжные и рециркуляционные вентиляционные установки, устройства забора воздуха, воздухораспределители с финишными фильтрами, воздухорегулирующие устройства, датчиковая аппаратура и элементы автоматики и др.);
• систему управления инженерными системами чистых помещений;
• воздушные шлюзы;
• передаточные окна;
• фильтро-вентиляторные модули для создания чистых зон внутри чистых помещений.

Чистые помещения создаются и используются в медицине, фармакологии, на предприятиях электронной промышленности, а также для научных исследований.

• Мирослава Закотей. Технология чистых помещений в фармацевтическом производстве // Провизор. — 2004. — Вып. 5.
• Данилина Т.И., Кагадей В.А. Технологические среды // ТЕХНОЛОГИЯ СБИС. — 2007. — С. 14-41. — 287 с. Архивная копия от 20 октября 2016 на Wayback Machine