De keuze tussen HEPA- en ULPA-filters is een fundamentele ontwerpbeslissing met verstrekkende technische en financiële gevolgen. De keuze bepaalt het vermogen van uw cleanroom om deeltjes te controleren, het operationele budget en de flexibiliteit van de faciliteit op de lange termijn. Een veelgemaakte strategische fout is dit te zien als een eenvoudige “beter vs. slechter” vergelijking, wat leidt tot kostbare overspecificatie of niet-conforme onderprestatie.

Dit onderscheid is steeds belangrijker geworden nu industrieën zoals halfgeleiderfabricage en geavanceerde biotherapeutica de grenzen van verontreinigingsbeheersing verleggen. Bij het selecteren van het juiste filtertype gaat het niet alleen om het voldoen aan een ISO-klasse; het gaat erom uw filtratiesysteem vanaf het begin af aan af te stemmen op de gevoeligheid van het proces, de levenscycluskosten en de doelstellingen voor energiebesparing.

HEPA vs. ULPA: Het verschil in efficiëntie uitgelegd

De efficiëntienorm definiëren

Het fundamentele verschil is een gecertificeerde prestatiedrempel. HEPA (High Efficiency Particulate Air)-filters moeten minimaal 99,97% van de deeltjes met een grootte van 0,3 micrometer (µm) afvangen. ULPA (Ultra Low Penetration Air)-filters moeten minimaal 99,999% efficiëntie bereiken, meestal gemeten bij een kleinere deeltjesgrootte van 0,12 µm. Dit verschil in decimalen vertegenwoordigt een 30-voudige vermindering in toegestane deeltjespenetratie.

Het belang van MPPS

De testdeeltjesgrootte staat bekend als de Most Penetrating Particle Size (MPPS), waar de filterefficiëntie het laagst is. HEPA filters worden getest op 0,3 µm, terwijl ULPA filters worden getest op ongeveer 0,12 µm. Dit is een kritische ontwerpparameter, geen willekeurige keuze. De efficiëntie verbetert voor deeltjes die zowel groter als kleiner zijn dan de MPPS vanwege verschillende vangmechanismen. Experts uit de industrie adviseren om te focussen op de meest problematische deeltjesgrootte van uw proces in plaats van alleen op het belangrijkste efficiëntiepercentage.

De prestatiekloof kwantificeren

De efficiëntiepercentages vertalen zich direct naar toegestane deeltjesaantallen. Voor elk miljoen deeltjes bij de respectievelijke MPPS, laat een HEPA filter er tot 300 door, terwijl een ULPA filter er 10 of minder doorlaat. Deze marginale absolute winst ligt aan de basis van diepgaande operationele afwegingen. In onze analyse van systeemontwerpen ontdekten we dat voor filterselectie modellering op systeemniveau nodig is van de luchtverversingen per uur (ACH) ten opzichte van het aantal beoogde deeltjes, en niet alleen het vergelijken van efficiëntiecertificaten.

Bron: EN 1822-1:2019. Deze Europese norm definieert de classificatie, prestatietests en markering voor EPA-, HEPA- en ULPA-filters en stelt de officiële efficiëntiedrempels en testdeeltjesgrootten vast die hen van elkaar onderscheiden.

Kostenvergelijking: Kapitaal, operationeel en totale eigendom

Kapitaaluitgaven vooraf

Het kostenverschil begint bij het filter zelf. ULPA filters hebben een 45-60% hogere aanloopkost door de precisie die nodig is voor de productie van hun dichtere media. Deze premie strekt zich uit tot de ondersteunende infrastructuur. De hogere luchtstroomweerstand van ULPA media vereist krachtigere ventilatoren en vaak een robuuster HVAC-systeem, waardoor de initiële kapitaaluitgaven aanzienlijk toenemen.

Terugkerende operationele kosten

Operationele kosten onthullen de werkelijke kosten. De verhoogde statische druk van ULPA filters resulteert gewoonlijk in een 40-50% hoger energieverbruik voor het luchtbehandelingssysteem. De levensduur van de filters is ook korter - 2-3 jaar voor ULPA versus 3-5 jaar voor HEPA - omdat ze sneller verstopt raken door het opvangen van meer deeltjes. Bovendien zijn de integriteitstests voor ULPA filters strenger en duurder, waarbij vaak gevoelige aërosolen zoals PAO nodig zijn en 60-75% aan het jaarlijkse onderhoudsbudget wordt toegevoegd in vergelijking met standaard HEPA DOP-tests.

Het perspectief van de totale eigendomskosten

Een analyse van de levenscycluskosten is onontbeerlijk. Bij de budgettering van hooggeclassificeerde cleanrooms moet rekening worden gehouden met de operationele kosten, die de initiële filterinvestering over een periode van 10 jaar ruimschoots zullen overschrijden. Details die gemakkelijk over het hoofd worden gezien zijn de kosten van frequentere filtervervangingen en de mogelijke behoefte aan gespecialiseerde arbeidskrachten voor het hanteren en testen. Dit bewijst dat de beslissing een financiële verbintenis op lange termijn is.

Bron: Technische documentatie en industriespecificaties.

Prestaties vergeleken: Filtratie-efficiëntie en deeltjesgrootte

Inzicht in vangmechanismen

Beide filters vangen deeltjes op via drie fysische mechanismen: inertiële impactie (grote deeltjes), interceptie (middelgrote deeltjes) en diffusie (ultrafijne deeltjes via Brownse beweging). De prestaties zijn niet lineair over het deeltjesgroottespectrum. De efficiëntie is het laagst bij de MPPS en verbetert aan weerszijden daarvan. Dit betekent dat een HEPA-filter met een nominale waarde van 99,97% bij 0,3 µm virussen (<0,1 µm) kan afvangen met een efficiëntie van meer dan 99,99% via het diffusiemechanisme.

Het kritische deeltjesbereik

De strategische implicatie ligt in het identificeren van de kritische contaminatiegrootte voor uw proces. HEPA filters zijn uitzonderlijk effectief voor deeltjes ≥0,3 µm. ULPA filters bieden een superieure afvang in het bereik van minder dan 0,3 µm, wat essentieel is voor toepassingen waar verontreiniging op nanoschaal kritieke storingen veroorzaakt, zoals in de fotolithografie van halfgeleiders of bepaalde steriele farmaceutische processen. Volgens onderzoek van vervuilingscontroles is het aannemen van lineaire efficiëntie een veelgemaakte fout die leidt tot onjuiste filterspecificaties.

Efficiëntiecurves uit de praktijk

Om een filter te selecteren, moet de efficiëntiecurve over de deeltjesgroottes worden bekeken en niet alleen de enkele MPPS-classificatie. ULPA's hogere efficiëntie bij MPPS van 0,12 µm duidt over het algemeen op betere prestaties in het hele submicronbereik. Deze niet-lineaire prestaties worden formeel beschreven in normen zoals IEST-RP-CC001.6, dat het kader biedt voor het testen en begrijpen van deze curven.

Bron: IEST-RP-CC001.6. Deze Aanbevolen Praktijk van IEST beschrijft de prestatieniveaus en testen voor HEPA/ULPA-filters en biedt het kader voor het begrijpen van de efficiëntie bij verschillende deeltjesgroottes, inclusief de MPPS.

Welk filter is beter voor de ISO-klasse van uw cleanroom?

De drijvende kracht achter de regelgeving

De keuze wordt grotendeels bepaald door de naleving van ISO 14644-1:2015, waarin de deeltjesconcentratielimieten voor elke cleanroomklasse zijn vastgelegd. Dit creëert een duidelijke toepassingsgrens. HEPA-filters zijn de standaard, kosteneffectieve oplossing voor ISO 5 (klasse 100) tot ISO 8 (klasse 100.000) omgevingen. Ze zijn voldoende voor farmaceutica, medische apparatuur en algemene productie waar de kritische deeltjesgrootte meestal groter is dan 0,5 µm.

Het ULPA-mandaat

ULPA filters zijn verplicht voor de strengste ISO 3 (klasse 1) en ISO 4 (klasse 10) classificaties. Ze zijn ook vereist voor bepaalde ISO 5-toepassingen waarbij sub-0,3 µm controle essentieel is, zoals in geavanceerde halfgeleiderfabrieken en de kernzones van farmaceutische aseptische verwerking. Deze tweedeling definieert een markt met twee niveaus: HEPA voor kostengevoelige naleving, ULPA voor hoogwaardige, ultragevoelige processen.

De grijze zone en best practices

Voor ISO 5-toepassingen hangt de beslissing af van de procesgevoeligheid. Hoewel een HEPA-filter technisch gezien kan voldoen aan de deeltjesaantallimiet, biedt een ULPA-filter een grotere veiligheidsmarge en wordt het vaak gespecificeerd voor kritische zones. De primaire drijfveer moet de regelgeving voor het eindproduct zijn en de gevoeligheid voor het rendement, niet een algemene voorkeur voor “betere” filtratie. Naleving is de basis, maar proceszekerheid is het doel.

Bron: ISO 14644-1:2015. Deze norm definieert de grenswaarden voor de deeltjesconcentratie voor elke cleanroomclassificatie, die rechtstreeks de vereiste filtratie-efficiëntie bepaalt en dus de grens voor HEPA- versus ULPA-toepassing.

Constructie en mechanisme: hoe HEPA- en ULPA-filters werken

Media Samenstelling en Structuur

Beide filters gebruiken een mat van willekeurig gerangschikte glas- of synthetische vezels. Het belangrijkste structurele verschil is de dichtheid. ULPA filtermedia zijn aanzienlijk dichter, met fijnere vezels en kleinere interstitiële poriën, om een hogere efficiëntie te bereiken bij een kleinere MPPS. Deze dichte constructie is de directe oorzaak van de hogere initiële drukval. Het medium is meestal geplooid om het oppervlak binnen een standaard filterbehuizing te maximaliseren.

Geïntegreerd systeemontwerp

Moderne cleanrooms gebruiken deze filters steeds vaker in geïntegreerde ventilator-filterunits (FFU's). FFU's worden het standaardplatform dankzij de modulariteit. Ze vereenvoudigen installatie, onderhoud en toekomstige herconfiguratie voor beide filtertypes. Bij het selecteren van een systeem is het van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat de ventilator van de FFU groot genoeg is om de drukval van de geïnstalleerde filtermedia te overbruggen, vooral wanneer een upgrade van HEPA naar ULPA wordt overwogen.

Validatie en afdichting

De constructie van het filter is slechts een deel van de vergelijking. Een lek in de filterafdichting of behuizing brengt het hele systeem in gevaar. Beide types vereisen strenge lektests bij de installatie. ULPA-systemen vereisen vaak strengere afdichtingsprotocollen vanwege hun toepassing in cleanrooms van een hogere klasse. De prestaties die worden gedefinieerd door normen zoals ISO 29463-1:2017 is van toepassing op de geïnstalleerde filtereenheid, niet alleen op de afzonderlijke media.

Operationele afwegingen: Luchtstroming, energie en onderhoud

De boete voor luchtweerstand

De superieure filtratie van ULPA filters brengt een fundamentele wisselwerking met zich mee: een hogere luchtstroomweerstand. De dichtere media creëren een 20-50% hogere statische drukval. Dit vermindert het luchtvolume dat door één filter kan worden doorgelaten. Om de vereiste Air Changes Per Hour (ACH) te handhaven, kan een cleanroomontwerp een groter aantal ULPA filters of grotere filterbanken nodig hebben, wat van invloed is op het ontwerp vooraf en de ruimtelijke planning.

Energieverbruik en duurzaamheid

Een hogere drukval vraagt om krachtigere ventilatoren, wat direct leidt tot een hoger energieverbruik van de 40-50%. Dit heeft aanzienlijke gevolgen voor de operationele kosten en is in strijd met de toenemende ESG-doelstellingen (Environmental, Social en Governance). Faciliteiten staan onder druk om hun ecologische voetafdruk te verkleinen, waardoor het energieverlies van ULPA een serieuze overweging is die verder gaat dan alleen de kosten.

Onderhoudsfrequentie en systeemstijfheid

ULPA filters raken sneller verstopt omdat ze meer deeltjes opvangen, wat resulteert in een kortere levensduur en een hogere vervangingsfrequentie en -kosten. Bovendien is de filtratiebeslissing een fundamentele infrastructurele beperking. Een bestaand HEPA-systeem geschikt maken voor ULPA is vaak structureel en mechanisch niet haalbaar omdat er krachtigere ventilatoren en kanalen nodig zijn. De keuze moet al in een vroeg stadium van het ontwerp van de faciliteit worden vastgelegd.

Bron: Technische documentatie en industriespecificaties.

Belangrijkste selectiecriteria bij de keuze tussen HEPA en ULPA

Niet-onderhandelbare chauffeurs

Ten eerste zijn de vereiste ISO-classificatie en procesgevoeligheid voor deeltjes van minder dan 0,3 µm van het grootste belang. Als uw product of proces faalt door vervuiling op nanoschaal, is ULPA waarschijnlijk noodzakelijk, ongeacht de ISO-klasse. Ten tweede moet het operationele budget eerlijk rekening houden met de dramatisch hogere totale eigendomskosten van ULPA-systemen. Een budget dat zich beperkt tot kapitaaluitgaven zal falen.

Infrastructuur en toekomstbestendigheid

Ten derde, evalueer de bestaande of geplande HVAC-infrastructuur. Kan deze de grotere statische druk en energiebehoefte van ULPA aan? Een toekomstgericht criterium is het traject van productminiaturisatie. Naarmate halfgeleiderknooppunten kleiner worden dan 5 nm en geavanceerde biotechnologie zich verder ontwikkelt, wordt de kritische defect-veroorzakende deeltjesgrootte kleiner. Dit kan de toekomstige toepassing van ULPA in nieuwe sectoren stimuleren, waardoor een proactieve planning van faciliteiten nodig is die rekening houdt met een grotere filtratiebehoefte.

De duurzaamheidsverplichting

Duurzaamheid is in toenemende mate een belangrijk criterium. Het hogere energieverbruik en de kortere levensduur van ULPA vormen een conflict. Dit stimuleert de optimalisatie van HEPA-systemen door middel van geavanceerde voorfiltratiestadia en slimme bewaking om waar mogelijk binnen lagere ISO-klassen te blijven en zo de stap naar ULPA uit te stellen of te vermijden. De selectie is niet langer puur technisch, maar ook ecologisch.

Beslissingsraamwerk: Filtertype afstemmen op uw toepassing

Kaartvereisten voor de binaire grens

Begin met het definitief in kaart brengen van de kritische contaminatiegrootte van uw proces en de ISO-klassevereisten naar de HEPA/ULPA-grens. Raadpleeg de ISO 14644-1 tabel en uw interne productkwaliteitsspecificaties. Deze stap verwijdert dubbelzinnigheden en brengt het team op één lijn met de niet-onderhandelbare prestatiedrempel.

Modelleer het volledige luchtbehandelingssysteem

Maak vervolgens een model van het hele luchtbehandelingssysteem met beide filteropties. Gebruik technische berekeningen of simulatiesoftware om er zeker van te zijn dat de beoogde ACH kan worden gehaald met de luchtstroomweerstand van het gekozen filter zonder de energiedoelstellingen in gevaar te brengen. In dit stadium wordt vaak duidelijk dat er meer ULPA-filters of een grotere ventilator nodig zijn.

Een levenscycluskostenanalyse uitvoeren

Voer vervolgens een analyse uit van de volledige levenscycluskosten over een periode van 10 jaar. Bereken de kapitaalkosten (filters, ventilatoren, HVAC-upgrades), energiekosten, onderhoud, filtervervanging en testen. Dit financiële model laat duidelijk zien wat de premie is voor ULPA-prestaties en wat het rendement op investering is op basis van productopbrengst of beperking van het regelgevingsrisico.

Prestaties afwegen tegen duurzaamheid

Neem ten slotte ook de druk van duurzaamheid mee in de beslissing. Kunnen geavanceerde HEPA-systemen met geoptimaliseerde voorfiltratie aan uw behoeften voldoen? Kunnen slimme bewaking en strengere controle van andere variabelen de afhankelijkheid van ultieme filtratie verminderen? Het doel is om het meest efficiënte filter te selecteren dat aan de eisen voldoet zonder onnodige operationele of milieubelasting, zodat uw cleanroomapparatuur is zowel effectief als duurzaam.

De keuze tussen HEPA- en ULPA-filters valt of staat met het nauwkeurig afstemmen van de eisen voor contaminatiebeheersing op de economische aspecten van de levenscyclus. Geef voorrang aan definitieve ISO-klassebehoeften en procesgevoeligheidsgegevens boven algemene prestatieclaims. Maak een model van de capaciteit van uw HVAC-systeem om de operationele afwegingen van filtratie met een hogere efficiëntie te verwerken voordat u tot specificatie overgaat.

Hebt u professionele begeleiding nodig om het juiste filtratiesysteem voor uw cleanroom te specificeren? De experts van YOUTH bieden toepassingsgerichte analyses en leveren gecertificeerde filteroplossingen die prestaties in balans brengen met de totale eigendomskosten.

Voor een gedetailleerd advies over uw specifieke cleanroomvereisten kunt u ook Neem contact met ons op.

Veelgestelde vragen

V: Wat is in de praktijk het verschil in efficiëntie tussen HEPA- en ULPA-filters?
A: Het belangrijkste verschil zit in de gecertificeerde deeltjesafvang bij hun meest doordringende deeltjesgrootte (MPPS). Een HEPA-filter heeft een nominale efficiëntie van 99,97% bij 0,3 µm, terwijl een ULPA-filter 99,999% moet halen bij 0,12 µm. Dit betekent dat HEPA voor één miljoen deeltjes er maximaal 300 doorlaat, terwijl ULPA er 10 of minder doorlaat. Deze norm is gedefinieerd in ISO 29463-1:2017. Deze marginale winst is bepalend voor belangrijke afwegingen in het systeem, dus de selectie vereist het modelleren van luchtwisselingen per uur en niet alleen het vergelijken van percentages.

V: Hoeveel duurder is een ULPA systeem vergeleken met HEPA over de totale levensduur?
A: ULPA systemen hebben dramatisch hogere totale eigendomskosten. De initiële filterkosten zijn 45-60% hoger en de dichtere media verhogen de luchtstroomweerstand, waardoor krachtigere HVAC-kapitaalapparatuur nodig is. Operationeel stijgt het energieverbruik met 40-50% en de filtervervangingscycli worden verkort tot 2-3 jaar tegenover 3-5 jaar voor HEPA. Rigoureuze integriteitstesten voegen ook 60-75% toe aan het jaarlijkse onderhoud. Dit betekent dat de budgettering voor hooggeclassificeerde cleanrooms gebaseerd moet zijn op de levenscyclus, aangezien de operationele uitgaven de initiële kapitaalinvestering ruimschoots overtreffen.

V: Betekent de 0,3 µm waarde van een HEPA-filter dat het niet effectief is tegen kleinere deeltjes zoals virussen?
A: Nee, HEPA-filters zijn zeer effectief tegen deeltjes van minder dan 0,3 µm. De efficiëntie is niet-lineair en verbetert voor zowel grotere als kleinere deeltjes door verschillende afvangmechanismen zoals diffusie. Een HEPA-filter kan virussen onder 0,1 µm wegvangen met een efficiëntie van meer dan 99,99%. Deze prestatienuance wordt behandeld in standaarden zoals IEST-RP-CC001.6. Dit betekent dat de filterspecificatie de meest problematische deeltjesgrootte van uw proces moet identificeren en niet moet uitgaan van lineaire prestaties op basis van de MPPS-classificatie.

V: Welke ISO-klassen van cleanrooms vereisen meestal ULPA-filters in plaats van HEPA?
A: De filterkeuze wordt voornamelijk bepaald door de naleving van ISO 14644-1. HEPA-filters zijn standaard voor ISO 5 (klasse 100) tot ISO 8 (klasse 100.000). ULPA-filters zijn verplicht voor de strengste omgevingen: ISO 3 (klasse 1) en ISO 4 (klasse 10), en bepaalde kritische ISO 5 toepassingen in halfgeleiderfabrieken of aseptische verwerking. Dit creëert een duidelijke tweeledige markt. Dit betekent dat de regelgeving voor uw product en de limieten voor het aantal deeltjes de primaire drijfveren zijn, niet een subjectieve voorkeur voor “betere” filtratie.

V: Wat zijn de belangrijkste operationele nadelen bij het gebruik van een ULPA filter in plaats van HEPA?
A: De superieure filtratie van ULPA brengt aanzienlijke nadelen met zich mee: het dichtere medium creëert een 20-50% hogere luchtstroomweerstand, waardoor het luchtvolume per filter afneemt en er mogelijk meer units nodig zijn om Air Changes Per Hour te handhaven. Deze hogere drukval dwingt tot een 40-50% hoger energieverbruik. ULPA filters raken ook sneller verstopt, wat de levensduur verkort en de vervangingsfrequentie verhoogt. Dit betekent dat de filtratiebeslissing een fundamentele infrastructurele beperking is die al in een vroeg stadium van het faciliteitsontwerp moet worden genomen, aangezien het achteraf aanpassen voor ULPA vaak onbetaalbaar moeilijk is.

V: Aan welke criteria moeten we prioriteit geven bij de keuze tussen HEPA en ULPA voor een nieuwe faciliteit?
A: Baseer uw beslissing op drie belangrijke criteria. Ten eerste zijn de vereiste ISO-klasse en procesgevoeligheid voor deeltjes kleiner dan 0,3 µm niet onderhandelbaar. Ten tweede moet u een volledige kostenanalyse uitvoeren die rekening houdt met de veel hogere operationele kosten van ULPA. Ten derde, controleer of uw HVAC-infrastructuur de grotere statische druk en energiebelasting aankan, zoals gedefinieerd in testnormen zoals EN 1822-1:2019. Dit betekent dat toekomstgerichte projecten ook rekening moeten houden met trends op het gebied van productminiaturisatie die de kritische deeltjesgrootte kunnen verkleinen, wat van invloed is op de toekomstige filterbehoeften.

V: Hoe verschilt de constructie van een ULPA filter van een HEPA filter om een hogere efficiëntie te bereiken?
A: Beide filters gebruiken matten van glas- of synthetische vezels en vangen deeltjes af via dezelfde drie fysische mechanismen. Het belangrijkste verschil is dat ULPA filtermedia aanzienlijk dichter zijn, met fijnere vezels en kleinere poriën, om de 99,999% efficiëntie te bereiken bij een kleinere meest doordringende deeltjesgrootte van 0,12 µm. Deze dichtere constructie veroorzaakt direct de hogere initiële drukval. Dit betekent dat geïntegreerde ventilatorfilterunits (FFU's) vaak het voorkeursplatform zijn voor beide types vanwege hun modulariteit, wat het hanteren van deze ontwerpverschillen tijdens onderhoud vereenvoudigt.