Выбор неподходящего блока очистки воздуха для конкретной рабочей зоны редко становится очевидным на этапе закупки оборудования — эта проблема выявляется во время квалификационных испытаний, когда команда по валидации обнаруживает, что геометрия установленного корпуса физически не позволяет разместить порт впрыска аэрозоля достаточно далеко вверх по потоку, чтобы провести испытания на герметичность на месте. К этому моменту потолочная камера уже построена, пути доступа к оборудованию зафиксированы, а переделка схемы влечет за собой последствия как для графика работ, так и для затрат, которых можно было бы избежать, приняв правильное решение на раннем этапе. Более распространённый вариант этой проблемы носит менее драматичный характер: установка, назначенная для выполнения не той функции обеспечения чистоты воздуха — например, разбавление воздуха в помещении там, где требовалась локальная защита продукции, или конечная фильтрация там, где фактической целью была скорость воздухообмена, — приводит к созданию установки, внешне соответствующей требованиям, но неспособной обеспечить работу того технологического процесса, для которого она была предназначена. Решением этих проблем является определение цели обеспечения чистоты воздуха, зоны защиты и геометрии доступа для технического обслуживания до выбора какой-либо модели оборудования. К концу этой статьи вы сможете лучше различать эти три решения и категории оборудования, предназначенные для их реализации.

Функция «Чистый воздух» перед выбором категории оборудования

Выбор оборудования для фармацевтических чистых помещений, как правило, происходит быстрее, чем анализ функциональных требований, который должен ему предшествовать. Схемы расположения потолочных элементов разрабатываются с учетом размеров модулей, а модели корпусов фильтров HEPA выбираются еще до того, как кто-либо определил, каким именно требованиям к чистоте воздуха этот корпус должен соответствовать. В результате получается схема, которая подходит по размерам, но не соответствует эксплуатационным требованиям — и это несоответствие часто обнаруживается только на этапе квалификации, когда протокол испытаний выявляет разрыв между тем, что может продемонстрировать оборудование, и тем, что требует технологический процесс.

Правильная последовательность действий предполагает, что классификация чистых помещений, требуемая интенсивность воздухообмена и режим давления в помещении являются исходными данными при планировании, которые определяют выбор оборудования, а не результатами, вытекающими из него. Стандарт ISO 14644-1:2015 предоставляет методологию классификации, которая определяет пределы концентрации частиц по классам чистых помещений, но сам класс не определяет, какой тип оборудования соответствует этим требованиям. Достижение целевого показателя класса ISO 7 в одном помещении может быть возможно с помощью общего разбавляющего воздушного потока; для достижения того же класса в помещении с открытыми емкостями требуется иной функциональный подход. Выбор оборудования определяется именно этим различием, а не только номером класса.

Требования к перепаду давления создают дополнительные ограничения. В помещении, в котором необходимо поддерживать избыточное давление по отношению к соседним помещениям, существует фиксированное соотношение между приточным и вытяжным воздухом, что влияет на место расположения блоков HEPA и на то, как их воздушный поток влияет на баланс давления. Если рассматривать это как деталь, которую можно решить уже после выбора оборудования, это регулярно приводит к проблемам координации при вводе в эксплуатацию. Вентиляторно-фильтрующие блоки (FFU), установки с ламинарным потоком воздуха (LAF) и корпуса с фильтрами HEPA по-разному взаимодействуют с давлением в помещении: FFU рециркулирует воздух в помещении через фильтр, установленный на потолке, в то время как установка LAF подает чистый воздух в одном направлении из отдельного приточного канала. Если контроль давления является ограничивающим фактором, это различие необходимо учитывать до утверждения схемы размещения оборудования.

Роль корпусов FFU, LAF и HEPA в фармацевтических чистых помещениях

Наиболее распространённой ошибкой при выборе оборудования является восприятие вентиляторно-фильтрующих установок, установок с ламинарным потоком воздуха и корпусов с фильтрами HEPA как взаимозаменяемых вариантов в рамках одной функциональной категории. Однако это не так. Каждая из них предназначена для решения своей конкретной задачи по обеспечению чистоты воздуха, и использование неподходящего устройства для выполнения непредназначенной для него задачи приводит к несоответствию нормативным требованиям, которое трудно устранить после монтажа.

A блоки фильтра с вентилятором объединяет вентилятор и фильтр HEPA в едином модуле, устанавливаемом на потолке. Его основная функция заключается в модульной подаче воздуха в помещение — он всасывает воздух из помещения через фильтр и возвращает очищенный воздух в помещение, способствуя общей скорости воздухообмена и соответствию чистой комнаты установленным стандартам. Блоки FFU хорошо подходят для перепланируемых помещений, поскольку отдельные блоки можно добавлять, перемещать или заменять без перестройки потолочной камеры. Их ограничением является то, что они обеспечивают разбавление воздуха на уровне помещения, а не локальную защиту продукции. Размещение блоков FFU над операцией с открытым заполнением и рассмотрение этого как эквивалента покрытия однонаправленным воздушным потоком является неверным решением, которое может оказаться необоснованным во время проверки на соответствие классу A.

A установка ламинарного потока воздуха обеспечивают подачу воздуха, прошедшего HEPA-фильтрацию, направленным параллельным потоком — либо вертикально вниз, либо горизонтально по рабочей зоне — для создания четко очерченной зоны чистого воздуха вокруг конкретного технологического процесса. Установки LAF являются стандартным оборудованием, применяемым в случаях, когда требуется локальная защита открытого технологического процесса в соответствии с требованиями класса 5 по стандарту ISO или класса A по стандарту GMP ЕС. Отдельные установки можно соединять для расширения защищенной зоны на более обширную рабочую площадь, что актуально в случаях, когда линии розлива или операции дозирования охватывают несколько рабочих мест. Ключевым моментом при планировании является то, что установка LAF защищает зону, а не помещение — схема распределения воздушного потока должна точно соответствовать рабочему месту, и любое препятствие на пути воздушного потока снижает эффективность обеспечиваемой ею защиты.

Корпуса фильтров HEPA выполняют еще одну функцию. Это конечные фильтрующие элементы, расположенные в точке входа приточного воздуха в чистое помещение, которые фильтруют воздух, подаваемый системой ОВКВ, до того, как он поступит в помещение. Их роль заключается в том, чтобы частицы загрязнения, находящиеся в воздуховодах — в том числе те, которые попали туда во время изготовления, транспортировки или монтажа воздуховодов, — не попали в контролируемую среду. Фильтр HEPA класса H13, предусмотренный стандартом EN 1822, удаляет 99,97% частиц размером 0,3 мкм при номинальной скорости потока по поверхности, однако эту цифру следует рассматривать как расчетное значение, а не как универсальный минимальный нормативный порог; фактическая эффективность фильтрации зависит от скорости потока по поверхности, степени загрязнения фильтра и герметичности корпуса. Корпуса фильтров HEPA подвергаются требованиям по квалификации, которых не предъявляется к блокам FFU и установкам LAF в той же форме: испытания на герметичность на месте требуют геометрии физического доступа, которая должна быть предусмотрена при проектировании, а не создаваться задним числом.

Разбавление в помещении против локальной защиты против конечной фильтрации

Существует три различных механизма, определяющих, как оборудование для очистки воздуха снижает риск загрязнения, и выбор между ними зависит от того, на каком именно этапе технологического процесса фактически происходит воздействие загрязняющих веществ, а не от того, какое устройство наиболее удобно разместить в потолочном модуле.

Разбавление воздуха в помещении осуществляется за счет турбулентного воздушного потока, который смешивает чистый приточный воздух с воздухом помещения, постепенно снижая концентрацию взвешенных частиц. Этот механизм подходит в случаях, когда существует риск фонового загрязнения в помещении, где находится продукция, основным источником частиц является движение персонала, а требуется достичь классификации на уровне помещения. Коэффициент воздухообмена является основной регулируемой величиной, а при выборе оборудования основное внимание уделяется обеспечению достаточного объема фильтрованного приточного воздуха для поддержания заданного количества частиц в эксплуатационных условиях. Эту функцию выполняют как блоки приточного воздуха (FFU), так и диффузоры с корпусом HEPA; различие между ними заключается в гибкости компоновки и удобстве доступа для технического обслуживания, а не в механизме подачи чистого воздуха.

Защита продукции на местном уровне требует принципиально иного подхода. Когда продукт подвергается воздействию — во время открытого розлива, отбора проб, дозирования или подготовки компонентов — разбавляющий воздушный поток не обеспечивает достаточной уверенности в защите, поскольку турбулентное перемешивание не может гарантировать постоянное наличие оболочки чистого воздуха над конкретной точкой воздействия. Однонаправленный ламинарный воздушный поток решает эту проблему, перемещая воздух параллельными потоками по рабочей зоне и удаляя твердые частицы и микробиологическое загрязнение от продукта, а не разбавляя его. Именно поэтому условия класса A в Приложении 1 к GMP ЕС определяются как целевым показателем концентрации частиц, так и характеристиками воздушного потока — однонаправленная схема является механизмом защиты, а не просто средством достижения заданного количества частиц. Помещение, соответствующее классу ISO 5 за счет турбулентного разбавления, не обеспечивает такой же функциональной защиты, как установка LAF, создающая однонаправленный воздушный поток над открытой операционной зоной, даже если измеренное количество частиц в одной точке равнозначно.

Конечная фильтрация сама по себе не определяет функцию обеспечения чистоты воздуха в помещении; она гарантирует, что воздух, подаваемый системой ОВКВ, поступает в помещение без попадания новых загрязнений из сети воздуховодов. Корпус с фильтром HEPA, установленный в конечной точке, фильтрует подаваемый воздух на выходе, однако характер распределения воздуха ниже по потоку — турбулентный или однонаправленный — определяется диффузором, блоком LAF или установкой FFU, расположенными далее по потоку. Рассматривать конечную фильтрацию как цель обеспечения чистоты воздуха, а не как необходимое условие для этого, — это категориальная ошибка, которая влияет как на выбор оборудования, так и на объем квалификационных испытаний.

Несогласованность между планировкой потолка и доступом к оборудованию

Решения по планировке потолка в фармацевтических чистых помещениях, как правило, определяются размерами архитектурных модулей и трассировкой воздуховодов системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ), а не функциональными требованиями к чистоте воздуха, расположением рабочих мест или геометрией доступа для технического обслуживания. Такая последовательность приводит к возникновению особой категории проблем координации: оборудование, которое вписывается в схему потолка, но не позволяет провести валидацию, необходимую для его аттестации.

Расположение приточных устройств, точек вытяжки и любых препятствий между ними определяет, достигает ли поток воздуха рабочей зоны с той скоростью и направленностью, которые требуются для данного технологического процесса. Неоптимальное размещение диффузоров и вытяжек может привести к образованию «мертвых зон» — участков с низкой скоростью воздушного потока, где скапливаются частицы, — или к ненужной рециркуляции, при которой загрязненный воздух возвращается обратно в рабочую зону. Ни одна из этих проблем не всегда обнаруживается при статическом подсчете частиц, проводимом в одной точке во время квалификационного испытания в пустом помещении. Моделирование с помощью метода вычислительной гидродинамики (CFD) позволяет выявить такие закономерности до того, как планировка будет окончательно утверждена; это скорее практический инструмент планирования, чем нормативное требование, однако при планировке, осуществляемой без его использования, проблема мертвых зон часто обнаруживается только тогда, когда количество частиц в рабочей зоне превышает установленный классификационный предел.

Более сложной проблемой координации является обеспечение доступа для испытаний на месте установки. Для проверки герметичности фильтра HEPA требуется порт для впрыска аэрозоля, расположенный перед фильтром, а также пробоотборный зонд, установленный рядом с рабочей поверхностью фильтра для сканирования. Если высота потолочной камеры, конфигурация воздуховодов или расположение корпуса не позволяют физически организовать эти точки доступа, проверку на герметичность провести невозможно — а корпус, который нельзя проверить на герметичность на месте, не может быть полностью сертифицирован, независимо от того, насколько хорошо фильтр работает согласно заводскому сертификату испытаний. Это ограничение необходимо учесть при проектировании, наряду с прокладкой воздуховодов и расчетом размеров модулей, до того, как потолок будет закрыт.

Доступ для технического обслуживания вносит связанное с этим, но отдельное ограничение. Замена фильтров в установках, монтируемых на потолке, требует либо доступа сверху через приподнятое пленумное пространство, либо доступа снизу через потолок чистой комнаты. Каждый из этих подходов сопряжён с различными профилями риска загрязнения и по-разному сказывается на времени простоя чистой комнаты. Корпуса с доступом сверху требуют наличия безопасного, свободного от препятствий пути через пленумное пространство, что зачастую несовместимо с плотной схемой расположения воздуховодов. Замена с нижним доступом подвергает чистую комнату воздействию в процессе установки. Если маршрут технического обслуживания не определен на этапе проектирования, по умолчанию используется тот доступ, который позволяет установленный корпус — что может не соответствовать модели эксплуатации или стратегии контроля загрязнения.

Выбор системы после определения цели по обеспечению чистоты воздуха и способа обслуживания

После определения цели по обеспечению чистоты воздуха и выбора схемы технического обслуживания остается решить вопрос о том, соответствует ли выбранная конструкция корпуса геометрическим параметрам, необходимым для квалификации данного технологического процесса. Именно на этом этапе взаимосвязь между выбором скорости обдува, конфигурацией корпуса и расположением потолочных элементов оказывает влияние как на затраты в течение всего срока службы, так и на возможность проведения валидации.

Увеличение скорости воздушного потока на входе в фильтр HEPA класса H13 с целью достижения заданных показателей интенсивности воздухообмена приводит к увеличению перепада давления на фильтре. Более высокий перепад давления ведет к росту энергопотребления вентилятора и ускоряет загрязнение фильтра, что сокращает интервалы между обслуживаниями и увеличивает частоту его замены. Компромисс остается неизменным: достижение более высокой интенсивности воздухообмена за счет скорости, а не площади покрытия фильтра, переносит затраты на жизненный цикл с капитальных затрат на частоту технического обслуживания и время простоя оборудования. При фиксированной площади покрытия потолка этот компромисс стоит количественно оценить до выбора моделей — особенно в помещениях, где замена фильтра требует остановки работы чистой комнаты.

Транспортные повреждения представляют собой риск выхода из строя, напрямую связанный с выбором системы. Фильтры HEPA могут получить во время транспортировки повреждения размером с игольное ушко, которые не видны при визуальном осмотре и не влияют на сопротивление фильтра основной струе воздуха. Сканирование с помощью фотометра на месте установки — это метод, используемый для обнаружения такого рода утечек после монтажа; при сканировании выявляется проникновение на поверхности фильтра с помощью аэрозольного испытания на входе, при этом пороговое значение концентрации на выходе 0,011 TP10T служит общепринятым эталоном для определения «прошел/не прошел» в практике испытаний на месте установки. Этот порог следует рассматривать как показатель, связанный с конкретными методами испытаний, а не как универсальное нормативное ограничение, однако лежащее в основе требование — о том, что установленные фильтры должны проходить испытания на герметичность на месте — отражает ожидания в отношении квалификации, установленные Приложением 1 к GMP ЕС для стерильных производственных сред. Корпуса, не обладающие необходимой геометрией для проведения таких испытаний, не могут удовлетворить этим ожиданиям, независимо от заводской сертификации фильтра.

Физические ограничения, позволяющие проводить испытания на герметичность на месте, носят специфический характер и являются непреложными с точки зрения геометрии.

Каждая строка в этой таблице представляет собой ограничение, которое учитывается на предыдущих этапах при выборе корпуса и проектировании расположения потолочных элементов. Расстояние до точки впрыска аэрозоля, равное 20 диаметрам воздуховода, не может быть обеспечено одним лишь выбором корпуса — для этого требуется прямой участок воздуховода соответствующей длины, который необходимо сохранить в схеме прокладки воздуховодов. Расположение отборного отверстия диаметром 100 мм рядом с лицевой поверхностью фильтра определяет, сможет ли сервисный техник физически осмотреть фильтр в установленном положении или конструкция потолка заблокирует путь доступа. Если эти ограничения рассматривать как детали монтажа, а не как исходные данные для проектирования, они проявятся в виде несоответствий требованиям уже после завершения монтажа потолка.

Выбор между FFU, установкой LAF и корпусом с фильтром HEPA — это не столько решение о выборе конкретного продукта, сколько итог трёх предшествующих оценок: какая функция очистки воздуха требуется для данного технологического процесса, где фактически происходит загрязнение и позволяет ли предполагаемая геометрия установки проводить как квалификационные испытания, так и текущее техническое обслуживание. Оборудование, выбранное до того, как будут сделаны эти оценки, как правило, вписывается в план потолка, но не соответствует эксплуатационным требованиям или требованиям по соблюдению нормативных стандартов, для которых оно было предназначено.

Прежде чем утвердить любую модель оборудования, необходимо убедиться, что в схеме прокладки воздуховодов сохраняется геометрия доступа, необходимая для проведения испытаний на герметичность на месте; что маршрут технического обслуживания для замены фильтров соответствует модели контроля загрязнения в помещении; а также что скорость потока на входе, выбранная для достижения целевых показателей воздухообмена, была проанализирована с точки зрения её влияния на забивание фильтров и частоту их обслуживания. Это не детали, которые следует учитывать уже после закупки — это условия, при соблюдении которых становится возможной установка, соответствующая требованиям, удобная в обслуживании и поддающаяся квалификации.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Применимы ли эти рекомендации в том случае, если в чистом помещении используется комбинированная система вентиляции и кондиционирования воздуха, которая питает как зоны общего разбавления, так и зоны локальной защиты класса A из одного и того же источника?
A: Да, но выбор оборудования становится не менее важным, а даже более критичным. Когда одна система ОВКВ обслуживает зоны с разными требованиями к чистоте воздуха, конечные устройства — корпуса с фильтрами HEPA, блоки FFU или установки LAF — должны подбираться с учетом требований конкретной зоны, которую они обслуживают, а не исходя из общего источника подачи воздуха, из которого они получают воздух. Общий приточный канал не унифицирует функции обеспечения чистоты воздуха ниже по потоку. Оборудование каждой зоны по-прежнему необходимо подбирать с учетом того, обеспечивает ли оно разбавление воздуха на уровне помещения, локальную однонаправленную защиту или конечную фильтрацию, и объем квалификационных испытаний для каждой зоны определяется независимо в зависимости от этой функции.

Вопрос: После утверждения схемы размещения оборудования на потолке и согласования моделей оборудования, какой первый этап аттестации следует запланировать до начала ввода в эксплуатацию?
A: Проверку герметичности HEPA-фильтров на месте установки следует запланировать в качестве первой процедуры квалификации после монтажа, до начала любых испытаний по классификации помещения. Причина заключается в риске, связанном с последовательностью действий: если фильтр получил повреждения при транспортировке или уплотнение корпуса нарушено, данные о количестве частиц, собранные во время испытаний по классификации, становятся недостоверными, и их, возможно, придётся повторить. Подтверждение целостности фильтра в первую очередь означает, что все последующие данные квалификации будут собираться на основе проверенного базового уровня чистоты воздуха. Для планирования этого этапа необходимо убедиться, что точки доступа к порту впрыска аэрозоля и порту отбора проб физически доступны в установленной конфигурации до того, как будет назначена дата испытаний.

Вопрос: При каком размере помещения или какой скорости воздухообмена разница в затратах на весь срок эксплуатации между увеличением скорости потока на входе и увеличением площади фильтрации становится настолько значительной, что может повлиять на выбор оборудования?
A: Фиксированного порогового значения нет, поскольку точка пересечения зависит от местных затрат на электроэнергию, цены на фильтрующие элементы, стоимости часа простоя чистой комнаты и интервала замены при выбранной скорости обдува. Однако этот расчет становится значимым для принятия решения, когда в помещении требуется более примерно 20 смен воздуха в час, а площадь покрытия фильтрами ограничена размерами потолочных модулей. В этом случае скорость, необходимая для компенсации ограниченной площади покрытия, становится настолько высокой, что перепад давления, энергопотребление вентилятора и сокращение срока службы фильтров вносят значительный вклад в общую стоимость владения в течение пятилетнего цикла квалификации. Проведение сравнения затрат на весь жизненный цикл для обоих вариантов перед определением скорости обдува является более надежным подходом, чем использование одного из них в качестве стандартного.

Вопрос: Можно ли использовать агрегат LAF, обеспечивающий однонаправленную циркуляцию воздуха, для достижения соответствия классу ISO 7 на уровне всего помещения, или его действие строго ограничено локальной зоной, которую он охватывает?
A: Установка LAF не может заменить оборудование для классификации воздуха на уровне помещения во всём пространстве. Её функция заключается в локальной защите зоны в пределах площади, охватываемой её воздушным потоком; она не обеспечивает разбавление или классификацию воздуха в окружающем помещении. Воздух за пределами однонаправленной оболочки будет соответствовать фоновой классификации помещения, которая зависит от объёма приточного воздуха, скорости воздухообмена и оборудования для разбавления, обслуживающего более широкое пространство. Если помещение, окружающее зону LAF, также должно соответствовать определённому классу ISO, для этого требуется отдельное оборудование на уровне помещения, рассчитанное на полный объём помещения. Зона LAF класса A в помещении класса B является стандартной конфигурацией именно потому, что эти две функции обеспечения чистоты воздуха выполняются отдельным оборудованием.

Вопрос: Является ли выбор корпуса с фильтром HEPA правильным подходом в случае, когда основной целью является модернизация существующей чистой комнаты с повышением её класса чистоты, или в такой ситуации следует в первую очередь учитывать оборудование другой категории?
A: При модернизации системы корпуса с фильтрами HEPA редко являются первой категорией оборудования, которую следует оценивать. Более насущным ограничением в большинстве случаев модернизации является вопрос о том, способна ли существующая система ОВКВ обеспечить объем приточного воздуха и перепад давления, требуемые для более высокого класса чистоты. Если нет, то установка конечных корпусов с фильтрами HEPA без решения проблемы пропускной способности системы не позволит достичь целевого класса чистоты. Правильная отправная точка такая же, как и при новом строительстве: необходимо подтвердить требуемую интенсивность воздухообмена, режим давления и функцию подачи чистого воздуха для каждой зоны, а затем оценить, способны ли существующая инфраструктура воздуховодов, мощность вентиляторов и геометрия потолка обеспечить работу оборудования, необходимого для выполнения этих требований. Конечная фильтрация является необходимым условием для подачи чистого воздуха, но не заменяет адекватный объем подачи.