Kontekst badania
Artykuł dotyczy wysokich kosztów utrzymania sterylnych warunków w pomieszczeniach czystych (clean rooms) wykorzystywanych do produkcji komórek. Pomieszczenia te muszą spełniać rygorystyczne normy czystości, co wiąże się z intensywną wentylacją powietrza przez filtry HEPA, generującą znaczne koszty energii. Dotychczasowe badania nad optymalizacją takich procesów dotyczyły głównie przemysłu półprzewodników, a brakowało analiz uwzględniających specyfikę produkcji komórek, gdzie wymogi sterylności są kluczowe.
Cele i hipotezy
Celem badania było sprawdzenie, czy ograniczenie intensywności wentylacji w pomieszczeniach czystych podczas okresów nieoperacyjnych może przynieść oszczędności energetyczne, jednocześnie utrzymując normy czystości. Założono, że odpowiednie zmniejszenie częstości wymiany powietrza nie wpłynie negatywnie na jakość środowiska produkcyjnego.
Metody badawcze
Przeprowadzono eksperymenty w pomieszczeniu czystym o powierzchni 20,2 m² wyposażonym w urządzenia do hodowli komórek i chłodzenia. Badano pięć różnych poziomów intensywności wymiany powietrza (od pełnej wydajności do jej całkowitego wyłączenia) i analizowano liczbę cząstek w powietrzu za pomocą liczników. W celu oszacowania potencjalnych oszczędności energii obliczono teoretyczne koszty energii dla różnych rozmiarów obiektów.
Rezultaty badań i ich interpretacja
- Cząstki w powietrzu podczas nieoperacyjnych okresów: W warunkach nieoperacyjnych zredukowana intensywność wymiany powietrza (stan C4: 18,6% pełnej wydajności) pozwoliła utrzymać liczby cząstek 0,5 µm i 5 µm poniżej norm dla klas czystości A i B. Całkowite wyłączenie wentylacji (C5: 0% wymiany powietrza) prowadziło do wzrostu liczby cząstek, jednak nadal mieściły się one w granicach dopuszczalnych dla klasy B. W warunkach C1, C2 i C3 cząstki 0,5 µm i 5 µm praktycznie nie były wykrywane. Dla cząstek o wielkości 0,5 µm ich liczba w stanie C5 była wyższa w punktach pomiarowych P2 (strefa wsparcia bezpośredniego), P3 (wlot powietrza) i P4 (rejon odległy), jednak nie przekraczała norm. Wyniki sugerują, że nawet przy zmniejszonej intensywności wentylacji można utrzymać odpowiedni poziom czystości powietrza.
- Cząstki w powietrzu podczas operacyjnych okresów: Podczas operacji (2-minutowy ruch w pomieszczeniu) liczby cząstek w stanach C1, C2 i C3 były zgodne z normami dla klasy A w strefach krytycznych (P1) oraz klasy B w strefach wspierających (P2, P3, P4). W stanie C4 (18,6% wymiany) liczby cząstek pozostawały akceptowalne, choć wykazywały niewielki wzrost. Natomiast w stanie C5, liczba cząstek w P2, P3 i P4 wzrosła powyżej norm klasy A, lecz nadal spełniała normy dla klasy B.
- Czas oczyszczania powietrza po ruchu: W warunkach intensywnej wymiany powietrza (C1, C2, C3) cząstki o wielkości 0,5 µm i 5 µm były redukowane do minimalnych poziomów w czasie poniżej 20 minut, zgodnie z wytycznymi. W stanie C4 czas ten był wydłużony, ale nie odbiegał znacząco od norm, co wskazuje na potencjał wykorzystania tego trybu w praktyce. W stanie C5 (brak wentylacji) wykryto nieregularne generowanie pyłów, co uniemożliwiało precyzyjną ocenę czasu oczyszczania.
- Teoretyczne oszczędności energii: Przeprowadzono symulacje oszczędności energii dla obiektów o różnych rozmiarach (100, 500 i 1000 m²). W małych obiektach (100 m²) koszty energii można było obniżyć z 3 mln JPY (C1) do 0,9 mln JPY (C4). Dla średnich obiektów (500 m²) koszty spadłyby z 15 mln JPY do 4,5 mln JPY. W dużych obiektach (1000 m²) koszty zmniejszono z 31 mln JPY do 9,6 mln JPY, co daje oszczędności rzędu 21 mln JPY rocznie.
- Interpretacja: Oszczędności energii były największe w dużych obiektach i zależały od możliwości redukcji wymiany powietrza. Redukcja intensywności wentylacji do poziomu C4 (18,6%) nie wpłynęła znacząco na czystość powietrza, spełniając normy w większości przypadków, nawet w okresach operacyjnych. Natomiast całkowite wyłączenie wentylacji (C5) generowało wahania w liczbie cząstek, co może stwarzać ryzyko w rzeczywistych warunkach operacyjnych. Te wyniki wskazują, że istnieją znaczne możliwości optymalizacji kosztów energii w pomieszczeniach czystych bez kompromisu dla norm jakości, szczególnie w okresach nieoperacyjnych.
Wnioski
Badanie potwierdziło, że istnieje możliwość znacznej redukcji kosztów energii w pomieszczeniach czystych bez kompromisu dla standardów czystości w okresach nieoperacyjnych. Wskazano, że obecne praktyki operacyjne często są nadmierne, a bardziej efektywne zarządzanie wentylacją może wspierać ekonomiczną produkcję w medycynie regeneracyjnej.
Ograniczenia zakresu badawczego
Badanie przeprowadzono w jednym modelowym pomieszczeniu czystym, co może ograniczać ogólność wyników. Ponadto nie przeprowadzono bezpośrednich pomiarów bakterii w powietrzu, co wymaga dalszej weryfikacji w praktycznych warunkach produkcyjnych.