Het specificeren van het HEPA-filtersysteem van een modulaire cleanroom is een cruciale ontwerpbeslissing die een directe invloed heeft op de kapitaaluitgaven, operationele kosten en procesintegriteit. Een veel voorkomende misvatting is dat de dimensionering van een filter een eenvoudige kwestie is van het volume van de ruimte, maar dit gaat voorbij aan de complexe wisselwerking tussen luchtverversingssnelheden, filterprestaties onder belasting en luchtstroomdynamiek. Een te klein systeem kan niet gevalideerd worden, terwijl een te groot systeem energie verspilt en de warmtelast verhoogt, waardoor een nauwkeurige berekening en strategische selectie van componenten essentieel zijn.

Deze gids biedt een stapsgewijs kader voor het maken van een waterdichte specificatie. We gaan verder dan basisformules en behandelen de praktische beperkingen van modulaire constructie, de strategische afwegingen bij de selectie van motoren en besturingen en de validatieprotocollen die ervoor zorgen dat uw investering vanaf dag één presteert zoals ontworpen.

Hoe uw totale luchtstroom (CFM) te berekenen

De basis: Luchtwisselingen per uur (ACH)

De beoogde ISO-classificatie dicteert de vereiste luchtverversingssnelheid (ACH), die exponentieel schaalt met de reinheid. Een ISO 6 cleanroom vereist ongeveer 180 ACH, terwijl een ISO 8 slechts 20 ACH vereist. Dit negenvoudige verschil is de belangrijkste factor voor de schaal van het systeem, het energieverbruik en de operationele kosten op de lange termijn. De formule is eenvoudig: (Kamervolume in kubieke voet) x (ACH) / 60 = Vereiste netto CFM. Deze berekening levert het volgende op geleverd benodigde hoeveelheid schone lucht bij het filteroppervlak.

Rekening houden met echte systeemverliezen

De berekende netto CFM is slechts het uitgangspunt. Je moet rekening houden met de statische drukverliezen van het systeem door voorfilters, leidingen en de cleanroomomgeving zelf. Ventilatorfilterunits (FFU's) hebben een nominale capaciteit van CFM bij een specifieke statische druk. Het selecteren van units die alleen gebaseerd zijn op hun maximale vrije lucht nominale waarde zonder derating voor de werkelijke drukval van uw systeem is een kritieke fout die leidt tot onderpresteren. Industrie-experts raden aan een veiligheidsfactor van 10-15% toe te voegen aan de netto CFM voordat FFU's worden geselecteerd om er zeker van te zijn dat ze deze verliezen kunnen overwinnen en de beoogde luchtstroom kunnen handhaven.

Strategische implicaties van het CFM-nummer

Deze eerste berekening heeft ingrijpende financiële gevolgen. De exponentiële toename van het aantal FFU's voor hogere ISO-klassen is niet alleen direct bepalend voor de initiële kosten van de apparatuur, maar ook voor het energieprofiel en de koelvereisten van de faciliteit gedurende de levensduur. Vanaf het begin moet efficiëntie een belangrijke financiële overweging zijn en niet slechts een technische voetnoot.

De juiste grootte en hoeveelheid HEPA FFU's kiezen

Navigeren door standaardpaneelmaten

Als de totale CFM is vastgesteld, verschuift de selectie naar afzonderlijke FFU-modules, die worden beperkt door de standaardafmetingen van het plafondrooster. De dominante afmetingen zijn 2’x4’ en 2’x2’ panelen, waarbij 4’x4’ units worden gebruikt voor toepassingen met een hoge CFM. Elk model heeft een gecertificeerd uitvoerbereik (bijv. 500-900 CFM voor een 2’x4’) bij een bepaalde statische druk, meestal 0,1” tot 1,0” w.g. De keuze tussen HEPA (99,97% op 0,3µm) en ULPA (99,999% op 0,12µm) filters wordt bepaald door de striktheid van de toepassing, waarbij HEPA volstaat voor de meeste farmaceutische en elektronicatoepassingen.

De volgende tabel verduidelijkt de standaardopties en hun toepassingen:

Bron: IEST-RP-CC001.6: HEPA- en ULPA-filters. Deze aanbevolen praktijk definieert de prestatieklassen en efficiëntiewaarden die essentieel zijn voor het selecteren van de juiste filterkwaliteit.

Hoeveelheid berekenen en roosterplanning

Bereken de minimale hoeveelheid FFU door de totale vereiste CFM (inclusief veiligheidsfactor) te delen door een gekozen gemiddelde output per unit. Vervolgens moet u naar boven afronden om ervoor te zorgen dat de hoeveelheid logisch in uw plafondraster past en een uniforme dekking biedt. Als u een oneven hoeveelheid in een standaard rooster forceert, ontstaan er gaten in de dekking en een turbulente luchtstroom. De strategische waarde hier is de verschuiving van een op maat gemaakte constructie naar configureerbare componenten; deze modulariteit maakt toekomstige herconfiguratie of uitbreiding mogelijk en beschermt uw kapitaalinvestering als een flexibel bedrijfsmiddel.

De plaatsing van FFU's plannen voor optimale luchtstroompatronen

Verticale versus horizontale laminaire stroming

De fysieke plaatsing bepaalt de unidirectionaliteit van de luchtstroom en de controle op vervuiling. De dominante configuratie is de verticale laminaire stroming (VLF), waarbij FFU's in een modulair plafondrooster de lucht naar beneden stuwen om teruggevoerd te worden via wand- of vloerpanelen. Horizontale laminaire stroming (HLF), met aan de wand gemonteerde FFU's, is voorbehouden aan specifieke procestunnels of -banken. Deze keuze is een fundamentele architecturale beslissing die van invloed is op de indeling van de ruimte, de plaatsing van apparatuur en de workflow van de operator.

Recirculerende vs. eenmalige configuratie

Het hele systeemontwerp splitst zich hier. Een recirculatiesysteem voert geconditioneerde lucht via een retourplenum terug naar de FFU's, wat een hoge energie-efficiëntie biedt voor standaardtoepassingen. Een systeem met één doorgang zuigt alle lucht na één doorgang af en wordt gebruikt voor toepassingen met gevaarlijke of vluchtige verontreinigingen. Deze architecturale keuze, vaak geïmplementeerd in kamers met zachte wanden, dicteert de complexiteit van de constructie, het ontwerp van de drukcascade en de operationele kosten. Onze ervaring is dat het niet coördineren van de lay-out van de FFU met het ontworpen afvoerluchtpad een veelvoorkomende vergissing is die laminaire stroming en drukverschillen verstoort.

Belangrijkste technische kenmerken: Motoren, bediening en onderhoud

Motor- en spanningsselectie

Het specificeren van het aandrijfsysteem gaat gepaard met duidelijke afwegingen op het gebied van efficiëntie. Kiezen voor 230V of 277V motoren in plaats van standaard 115V vermindert de stroomopname voor onmiddellijke operationele besparingen. Upgraden van standaard AC naar DC/EC (elektronisch gecommuteerde) motoren biedt geavanceerde energiebesparingen, een langere levensduur en een superieure snelheidsregeling. Deze beslissing heeft een directe invloed op de energie-infrastructuur van uw faciliteit en de elektriciteitskosten tijdens de levensduur.

Controlesystemen en servicetoegang

Regelsystemen variëren van individuele handmatige regelaars tot gecentraliseerde, programmeerbare gebouwbeheersystemen (BMS). De netwerkbesturing maakt nauwkeurige balancering, bewaking en dynamische aanpassing van de luchtstroom mogelijk. Voor onderhoudsgemak zijn de Room-Side Replaceable (RSR) filters een standaard in de farmaceutische industrie, waardoor filters veilig kunnen worden vervangen zonder toegang tot het plenum. Het is van cruciaal belang om functies te specificeren op basis van gevalideerde behoefte; testpoorten en indicatielampjes zijn nu bijvoorbeeld minder gebruikelijk en de aanschaf ervan zonder specifieke protocolvereisten brengt onnodige kosten met zich mee.

De tabel hieronder geeft een overzicht van de belangrijkste technische beslissingen:

Bron: Technische documentatie en industriespecificaties.

Uw cleanroomsysteem balanceren en valideren

Het balanceringsproces

Balanceren na installatie is waar de bedoeling van het ontwerp en de werkelijkheid elkaar ontmoeten. Technici passen de snelheid van individuele FFU's aan om een uniforme luchtsnelheid over het hele plafond te bereiken, waarbij meestal wordt gestreefd naar 90 voet per minuut (FPM) ±20% voor laminaire stroming. Dit wordt gedaan met een gekalibreerde anemometer. Een gelijkmatige snelheid is essentieel voor het handhaven van een eenrichtingsstroming en het voorkomen van verontreinigingsvallen veroorzaakt door turbulentie of dode zones.

Visualisatie en eindcertificering

Visualisatie van het luchtstromingspatroon via rookstudies identificeert verstoringen die worden veroorzaakt door apparatuur, personeel of onjuiste plaatsing van de luchtafvoer. De laatste stap is het testen van het aantal deeltjes om naleving van de ISO-doelclassificatie te certificeren, zoals gedefinieerd in ISO 14644-4:2022. Deze fase onthult de waarde van geïntegreerde regelsystemen, die gegevensgestuurde aanpassingen en continue prestatiebewaking mogelijk maken, waardoor de waardepropositie verschuift van louter filtratie naar geoptimaliseerd, controleerbaar milieubeheer.

De validatiestappen zijn gestandaardiseerd:

Bron: ISO 14644-4:2022 Cleanrooms en aanverwante gecontroleerde omgevingen - Deel 4: Ontwerp, constructie en inbedrijfstelling.

Veelvoorkomende fouten vermijden bij het kiezen en plaatsen van filters

Het statische drukoverzicht

De meest kritieke technische fout is het gebruik van de maximale vrije lucht CFM van een FFU zonder deze af te leiden voor de werkelijke statische druk van het systeem. Elke filter, voorfilter en voet leiding voegt weerstand toe. Fabrikanten leveren niet voor niets prestatiecurves; als je die niet raadpleegt, levert het systeem onder belasting gegarandeerd niet de vereiste luchtstroom.

Slechte netintegratie en verstoring van de luchtstroom

Een andere veel voorkomende valkuil is een slechte integratie van het mechanisch ontwerp met het bouwkundig plan. Dit omvat het forceren van een niet-standaard aantal FFU's in een plafondraster, waardoor gaten in de dekking ontstaan, of het niet afstemmen van de lay-out van de FFU's op de locatie en grootte van de luchtafvoerroosters. Dit verstoort de bedoelde laminaire stroming en drukcascade. Het risico is groot wanneer de specificatiebevoegdheid te veel wordt gedelegeerd aan leveranciers van apparatuur zonder kritische, holistische beoordeling door het projectteam van de eindgebruiker.

Je definitieve specificatie en inkoopcontrolelijst maken

Technische beslissingen consolideren

Je uiteindelijke specificatiedocument is je hulpmiddel voor inkoop en kwaliteitsborging. Het moet alle voorafgaande beslissingen vertalen in ondubbelzinnige vereisten. Dit omvat: 1) Totale berekende CFM en beoogde ACH, 2) Aantal FFU's, grootte, filtertype en efficiëntie, 3) Gedetailleerde plafondlay-outtekeningen met luchtstroomconfiguratie, 4) Technische specificaties voor spanning, motortype en regelsysteem, 5) Verplichte servicekenmerken zoals RSR en 6) Vereiste validatieprotocollen.

Het strategisch inkoopkader

Deze checklist is meer dan alleen een leidraad bij de aankoop; hij omvat een levenscyclusstrategie. Door een modulair, goed gedocumenteerd systeem te specificeren met onderhoudbare componenten en geïntegreerde besturingselementen, zorg je ervoor dat de cleanroom niet alleen geschikt is voor het huidige gebruik, maar ook herconfigureerbaar is. Dit beperkt de operationele risico's op lange termijn en beschermt tegen veroudering, zodat de omgeving zich kan aanpassen aan toekomstige procesveranderingen zonder dat deze volledig opnieuw moet worden opgebouwd.

De basis van je specificatie is de relatie tussen ISO-klasse en luchtverversingssnelheid, die alle verdere dimensionering dicteert.

Bron: ISO 14644-4:2022 Cleanrooms en aanverwante gecontroleerde omgevingen - Deel 4: Ontwerp, constructie en inbedrijfstelling.

Een succesvol modulair cleanroomproject staat of valt met drie prioriteiten: het nauwkeurig afleiden van de CFM van de FFU voor de systeemdruk, het ontwerpen van het plafondrooster en de luchtafvoer als een geïntegreerd luchtstromingssysteem en het specificeren van regel- en onderhoudsfuncties die de operationele kosten op lange termijn verlagen. Deze aanpak verandert de specificatie van een statische onderdelenlijst in een dynamisch prestatiecontract.

Professionele begeleiding nodig bij het specificeren en implementeren van een hoogwaardig modulair cleanroomsysteem? De ingenieurs van YOUTH zijn gespecialiseerd in het vertalen van complexe ISO- en IEST-eisen naar geoptimaliseerde, functionele ontwerpen, inclusief nauwkeurige Integratie HEPA-filtratiesysteem. Neem contact op met ons technisch team om uw lay-out en luchtstroomberekeningen te bekijken.

Veelgestelde vragen

V: Hoe bereken je de totale CFM die een modulaire cleanroom nodig heeft om aan een specifieke ISO-klasse te voldoen?
A: U bepaalt de volumetrische luchtstroom door de kubieke voet van uw ruimte te vermenigvuldigen met de vereiste luchtverversingssnelheid (ACH) voor uw ISO-classificatie en vervolgens te delen door 60. Een cleanroom van ISO 6 heeft bijvoorbeeld ongeveer 180 ACH nodig, terwijl een ISO 8 slechts 20 ACH nodig heeft. Een ISO 6 cleanroom heeft bijvoorbeeld ongeveer 180 ACH nodig, terwijl een ISO 8 slechts 20 ACH nodig heeft. Deze berekende netto CFM moet vervolgens worden afgeleid voor systeemdrukverliezen van leidingen en voorfilters bij het selecteren van FFU's. Deze eerste stap heeft grote gevolgen voor de kosten, aangezien de exponentiële toename in ACH voor hogere klassen rechtstreeks het energieverbruik en de kapitaaluitgaven voor ventilatorunits op lange termijn bepaalt.

V: Wat zijn de belangrijkste factoren bij de keuze tussen HEPA- en ULPA-filters voor een modulaire cleanroom?
A: De belangrijkste factor is de vereiste deeltjesvangst van uw toepassing. HEPA filters hebben een nominale efficiëntie van 99,97% voor deeltjes met een diameter van 0,3 micron, terwijl ULPA filters 99,999% deeltjes afvangen bij 0,12 micron. De keuze wordt meestal bepaald door uw procesvereisten en de beoogde ISO-klasse, waarbij ULPA wordt gebruikt voor de strengste toepassingen. Deze keuze is van fundamenteel belang, aangezien de specificaties voor filterprestaties gedetailleerd zijn in normen zoals IEST-RP-CC001.6. Voor projecten waar toekomstige procesupgrades worden verwacht, kan het specificeren van een filter van hogere kwaliteit vanaf het begin kostbare latere retrofits beperken.

V: Welke invloed heeft de plaatsing van FFU's op luchtstromingspatronen in cleanrooms en op het beheersen van vervuiling?
A: Plaatsing bepaalt of je een eenrichtingslaminaire stroming bereikt of turbulente dode zones creëert. FFU's worden in een plafondrooster geïnstalleerd om een verticale laminaire stroming te creëren, waarbij de lucht naar beneden wordt geduwd om via wandpanelen te worden teruggevoerd, terwijl bij horizontale stroming aan de wand gemonteerde units worden gebruikt. De keuze tussen verticale en horizontale stroming is een fundamentele architecturale beslissing die van invloed is op de indeling van de ruimte en de plaatsing van procesapparatuur. Dit ontwerp moet worden geïntegreerd met het retourluchtpad om de juiste drukcascades te handhaven, zoals beschreven in de cleanroom ontwerpprincipes zoals die in ISO 14644-4:2022. Als je proces grote apparatuur omvat, moet je de lay-out van het FFU-rooster modelleren om er zeker van te zijn dat het de beoogde luchtstroom over kritieke zones niet verstoort.

V: Welke technische kenmerken moeten we prioriteit geven in FFU-specificaties voor operationele efficiëntie?
A: Geef prioriteit aan motorspanning en -technologie voor besparingen op lange termijn. Het kiezen van 230V of 277V motoren in plaats van 115V vermindert de stroomopname, terwijl het upgraden van standaard AC naar DC/EC motoren een geavanceerde energie-efficiëntie en nauwkeurige snelheidsregeling biedt. Voor onderhoudsgemak zijn Room-Side Replaceable (RSR) filters een farmaceutische standaard. Dit betekent dat faciliteiten die zich richten op levenscycluskosten moeten investeren in DC/EC-motoren met een hoger voltage en een gecentraliseerd regelsysteem, aangezien de energiebesparingen de hogere initiële kapitaalkosten snel zullen compenseren.

V: Wat is het proces voor het balanceren en valideren van een nieuw geïnstalleerd modulair cleanroomsysteem?
A: Validatie omvat het aanpassen van de individuele FFU-snelheden om een uniforme face velocity te bereiken, meestal gericht op 90 voet per minuut ±20%, gevolgd door rookstudies om de luchtstroom te visualiseren en deeltjesaantaltests om de ISO-klasse te certificeren. Dit proces zorgt ervoor dat het ontwerp laminaire stroming levert zonder dode zones. Voor operaties die continue nalevingsgegevens vereisen, bieden geïntegreerde regelsystemen die netwerkbeheer en -bewaking van FFU's mogelijk maken een aanzienlijk voordeel in auditgereedheid en prestatieoptimalisatie op lange termijn.

V: Wat is een veelgemaakte kritieke fout bij het specificeren van HEPA-filterventilatoren?
A: Een kritieke fout is het selecteren van FFU's uitsluitend op basis van hun maximale vrije lucht CFM rating zonder rekening te houden met de werkelijke statische drukweerstand in uw geïnstalleerde systeem, dat voorfilters en leidingwerk omvat. Deze onoplettendheid leidt tot ondermaatse prestaties, omdat de units onder belasting niet het vereiste schone luchtvolume kunnen leveren. Dit betekent dat uw inkoopteam prestatiecurves moet eisen en beoordelen bij de berekende statische druk van uw systeem, en niet alleen bij de piekwaarden in de catalogus, om een fundamentele ontwerpfout te voorkomen.

V: Hoe moeten we de keuze van voorfilters benaderen in relatie tot de uiteindelijke HEPA-filtratie?
A: Voorfilters beschermen de duurdere HEPA filters door grotere deeltjes op te vangen, waardoor hun levensduur wordt verlengd. Hun efficiëntie, vaak beoordeeld via de ANSI/ASHRAE 52.2 MERV systeem, moet worden geselecteerd op basis van de deeltjesbelasting die in uw omgeving wordt verwacht. Voor faciliteiten met veel stof in de omgeving of procesgegenereerde deeltjes zal het implementeren van een meertraps voorfiltratiestrategie de onderhoudsfrequentie en totale eigendomskosten voor het HEPA-systeem aanzienlijk verlagen.