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      文章詳情

      潔凈室保持研究工作的清潔

      日期:2022-06-09 23:29
      瀏覽次數:873
      摘要:
      一個好點子需要多長時間才能變成暢銷產品,這將決定一個公司的盈利能力,這意味著每個行業的經理人都要在產品開發時間表中尋找節約時間和**的途徑。在眾多方案中,他們偶然發現把潔凈室設備放到建筑物內部并且緊靠著研究實驗室,這樣科學家就能夠有機會在潔凈的環境里進行創造、檢驗和調試,使他們更貼近*終的目標成品。  

       

       

         設在美國新澤西洲普林斯頓的CUH2A上等實驗室設計師Tom Mistretta說,在怎樣使用潔凈室方面的變化只是從基礎研究轉向更具體的科學應用的一部分。他說,“科學家如果只‘知道一個新工藝流程是怎么一回事’已經不夠了?,F在,他們必須把重點放在怎樣才能把工藝應用到商用產品中去。” 

         這也意味著,來自各個學科的科學家們需要一些設施,這樣他們能夠在合作項目上同時展開工作,把各自獨立的研究成果結合到*終產品中去,例如生物醫學或者生物納米技術設備。 

         Mistretta說:“跨學科的科學研究現在越來越多了,這要求實驗室空間能夠接納各個學科的用戶。” 

         適合多科學研究的潔凈室在不斷向前發展,這給潔凈室設計人員和設備制造商帶來新的商機,他們注意到在大學實驗室、研究公司、**開發實驗室里,可移動的和固定的潔凈室空間的需求越來越大。 

         LM空氣科技公司總裁Pete Daniele說:“當研究人員把重點放在研究成果的商業化可行性上時,他們需要借助一個和生產工廠相類似的環境來開展工作,他們必須使用潔凈的環境來確保他們的研究成果不會受到污染。” 

         Birck研究中心走在技術的*前沿 

         沒有人能夠比Birck納米技術中心工廠負責人John Weaver更清楚這種需要的重要性了。在這里,他們能夠展開合作、分享各自的想法和觀點,并且把納米技術設計的原理變成適合真實世界的解決辦法和暢銷產品。 

         Weaver說:“我們對納米技術的研究和開發才剛剛開始。而且,我們還不知道它會走向何方。”他提到Birck中心的多學科設計,包括了共享實驗室和潔凈室的空間,這增加了所有學科之間相互影響的機會。Weaver說,“這對研究會有很大幫助。” 

       

       

         圖1 這是一個無菌傳遞倉,有了它,研究人員可以通過它來傳遞材料,不必離開潔凈室空間和重新更換衣服就可以繼續工作了。這個傳遞倉是無縫焊接而成,圓弧型的內凹轉角,不會積存微粒,簡化了清潔過程。Terra Universal公司提供片。 

         Birck中心邀請了來自學術界、政府部門和各行業的科學家、工程師、學者和行政管理人員來一起利用這個耗資五千八百萬美元的綜合性空間,它擁有占地超過22,000平方英尺的實驗室空間,其中包括專門為納米結構研究而設計的低振動實驗室,其溫度變化控制在0.1℃以內。Birck中心里的其他實驗室包括專門用于納米光子學、晶體生長、生物納米技術、分子電子學、微電機系統(MEMS)和納米電機系統(NEMS)、表面分析、掃描電子顯微鏡/投射電子顯微鏡(SEM/TEM)、電氣特性、射頻系統、授課和訓練,還有精密的顯微機械加工。 

         在整個設施的中心是一個占地25,000平方英尺、*先進的10、100、1000級(ISO 3、4、5)納米制造潔凈室,這個實驗室的一部分的采用生物分子潔凈室的規格配置,達到生物制藥級環境的潔凈室的要求,符合病原體檢測生物芯片和其他生物納米技術的需要。 

         這個潔凈室使用港灣/回風夾道式(bay-and-chase)布局,不如大空間結構那么常見,這樣做的原因是初期投入和運作成本比較低。Weaver說:“在潔凈室里,調節過的空氣可以通過回風夾道返回,所以說回風夾里的空氣是免費的。”十三個潔凈室空間每一個都與**管道相通,達到ISO 3、4、5級標準。潔凈室空間鋪設了乙烯基地板,圓弧形的轉角,達到制藥級要求的地板、墻壁和天花板,以及Hunt Air排風墻系統(Hunt Air fan wall system)。Weaver 說:“排風墻對我們非常有幫助,因為排風扇人工就可以拿下來和移進移出,所以不需要用設備去把它拿下來或者更換它。”每一面墻壁各有六個風扇,實際上,只要五個風扇就能使系統運轉起來,多出來的那個可以在設備出現故障時應付緊急情況。他說,“我們在架子上多留了幾個風扇以備不時之需。” 

         每一個空間都有一個獨立的入口、更換衣服的區域,彼此之間的氣流相互隔絕,而無菌傳遞倉和手套盒設在兩個房間之間,在這里,任何一側的研究人員都無需離開他們的潔凈室和再次更換衣服就可以傳遞材料或者工作了(圖1)。 

         這是**個混合式潔凈室設計,為科學家在各自的專業潔凈室里同時展開工作或者在潔凈室空間和實驗室空間來回移動創造了非常難得的機會。 

         Weaver說:“我們希望潔凈室能夠實現更多的用途。一些人認為研究環境里不需要潔凈室,但是如果存在空氣分子污染物,你就必須擁有一個潔凈的環境。只有這樣才能保證你的研究不會誤入歧途或者得到容易產生誤解以及不利的結果。” 

         這個潔凈室空間還配備了*先進的研究設備,包括一個徠卡矢量電子束(Leica Vector Beam)光刻系統,這個系統能夠用一束電子束在晶片上刻繪出納米級的圖案;還有一臺Raytheon公司捐贈的光學圖形發生器,它能夠為硅晶片的構圖生成光掩膜制品;還有LSI Logic公司捐贈的六個熔爐,它們能夠把溫度加熱到1200℃,從而改變硅晶片特定區域電氣特性或者導電率。 

         Weaver表示希望通過創造一個空間,讓科學家們能夠利用這個*先進的設施和設備展開相互合作,加快納米技術的研究的進展。“芯片實驗室(Lab on a Chip)”項目朝著這個目標已經取得了一些成功。這是一個單核細胞增生李斯特**(Listeria monocytogenes bacteria)檢測裝置,它也是在Birck中心潔凈室進行的首批項目之一。這個生物芯片結合了生物微電機系統(bioMEMS)和生物納米技術的原理,創造出一個微型集成系統,可以用它來檢測食品制造過程中的危險和致命的**。 

         因為在Birck中心的潔凈室空間是連成一體的,所以這個項目小組能夠在半導體實驗室里做出微電機系統(MEMS)裝置,然后通過一個隔絕的氣閘小室把它送到生物潔凈室中,在那里,他們可以把生物活性物質添加到芯片上,而且這個過程始終是在潔凈的環境中進行的。 

       

       

         圖2 LM Air技術公司為Rutgers大學設計和安裝的占地1,100平方英尺硬墻潔凈室。LM Air公司技術提供照片。 

         普渡大學納米生物學家Rachid Bashir(他正在一個芯片項目的實驗室里工作)說是:“在我們擁有Birck中心之前,研究工作要在三個不同的大樓里進行。這幢大樓真是一個富有創造性的產物,有了它,不僅工作效率提高了,而且還增進了我們的相互了解。” 

         從大學到車間 

         Birck中心是*先進的高科技潔凈室的代表。LM Air公司因此接到許多大學和研究中心越來越多的設計和安裝潔凈室空間的要求,其中包括Rutgers大學(美國新澤西洲Piscataway)占地1,100平方英尺硬墻潔凈室。這個再循環潔凈室項目包括環氧樹脂地板、獨立的更衣間、電力系統、照明系統、HEPA過濾模塊和潔凈室的內部設備(請看圖2)。它是一個完整的而且馬上可以使用的產品,包括三個獨立的房間,其中一個使用透明的丙烯酸墻板(圖3)。 

        LM Air公司已經為許多所大學設計和安裝了類似的項目,其中包括加利福尼亞大學洛杉磯分校、馬里蘭大學、亞利桑那大學。  

       

       

         圖3 它是一個完整的而且馬上可以使用的產品,包括三個獨立的房間,其中一個使用透明的丙烯酸墻板。 

      LM Air公司還注意到非傳統潔凈室行業的潔凈室需求的增長。例如,LM Air公司*近在Bayer公司阿司匹林生產工廠的倉庫里安裝了一個16x10平方英尺的有軟面的可移動潔凈室,這是一個質量控制小屋,成桶的產品運到這里,取樣,然后再運走。LM Air公司在鋼鐵鑄造廠的機器車間里也做過類似的工程,建造出一個能夠讓設備運營商在里面生產鋼絲的潔凈的空間(圖4)。 

         Daniele說:“在每一個行業,我們都能看到各種潔凈室方面的巨大需求。” 

         當各家公司都在不斷嘗試,尋找產品開發的捷徑時,這種需求必將拋有增無減。Mistretta說:“我們看到在每一個行業,實驗室里的潔凈室的數量在上升,如果你能夠在實驗室里達到試用的水平,你就能夠把把開發周期縮短兩年。潔凈室就是它的一個部分。” 

       

       

         圖4 非傳統潔凈室行業對潔凈室的需求也在增長,其中包括這個在鋼鐵鑄造廠機器車間里的項目。它的目標是做出一個能夠讓設備運營商在里面生產鋼絲的潔凈的空間。 

         在研究實驗室里安裝潔凈室的一個好處是能夠縮短產品的上市時間。除此之外,它還可以讓科學家根據需求的變化或者環境問題迅速做出調整,或者定制產品。例如在醫院里為處于危險中的患者進行基因**。Mistretta說:“在工廠里,當你擁有潔凈室,開發人員和用戶之間的互動會更直接。” 

         潔凈室就像是一副連指手套 

         Mistretta指出,傳統潔凈室都是針對特殊的工作而設計的,相比之下,多學科研究型潔凈室和實驗室的設計有很大的不同。Mistretta 說:“他們要求有更多靈活的空間,能夠容納更加多的活動,而且通常要包括可移動的設備和用具,此外,它要求增加電力供應并且把把數據連接到服務器或者局域網上,操作人員能夠把數據下載到自己的系統里,在必要時增加或者更換設備。” 

         Mistretta提到,雖然一些行業客戶仍然希望潔凈室能夠像手套一樣,光滑、經過細心的布置并且針對特定的用途進行設計,但是在更多時候,新的設備運營商會優先考慮開放空間來擴大房間的容量。但是他們沒有足夠的預算,建造巨大的潔凈室,以容納任何或者所有未來可能的工作,這時他們需要的是靈活性,允許他們改變空間的用途。 

         Mistrett把這些空間比喻成連指手套,他說:“它們只是滿足了你的基本需要,但是你需要開動腦筋充分才能充分發揮它們的作用。” 

         雖然這些潔凈室不大,但它們傾向于更加開放,一旦出現變化,其空氣處理系統的設計容量或者空氣質量就會相應增加。Mistretta說:“在做這些空間類型的設計決定時,用戶必須問問自己:我將來是否需要增加通風柜?空氣循環是否充分?風扇過濾組件的容量是否充足?管道夠不夠?開放的實驗室設計在這些方面要求比較寬松。” 

         Mistretta說,以目前的價格做出正確的選擇,來適應未來靈活的要求不是件容易的事情。他說,“找到預算和打算拿這個潔凈室做什么事情之間的結合點是打開潔凈室設計的一把鑰匙。這就是我們的工作。” 

         充滿熱空氣 

         在設計多學科使用的潔凈室空間時,必須把大量不同的用戶和用途考慮進去,運營商在做設計決策時還必須把不斷上漲的燃料價格也作為一個重要因素考慮進去。 

         Mistretta說:“隨著潔凈室空間內的設備和電腦的數量不斷增加,會產生了大量的熱量,空調系統必須適應這種情況。我們看到這些房間內的通風量比20年前多了很多。” 

       

       

         圖5對于那些空間有限而且預算緊張或者所經營的產品利潤很低或者周期很短的工廠而言,這種可以移動的BioSafe潔凈室更便宜也更靈活。Terra Unviersal提供照片。 

         他說,問題是把熱空氣全都排出建筑物會浪費很多錢,尤其在取暖成本節節攀升的今天這個問題更突出。他說,“你也不希望把潔凈室內經處理的高潔凈度的空氣排掉。” 

         這也引起人們對熱交換系統越來越大的興趣,這種系統采用換熱轉輪、換熱板或者換熱管收集排風余熱,再次利用它來加熱輸入廠房的空氣。在美國的一些州,工廠甚至能夠獲得燃料貸款,來建造熱量回收系統,進一步抵消其能源成本。 

         Terra Universal 公司(美國加利福尼亞洲的Fullerton)發言人Michael Buckwalter警告說:“不過,你必須仔細檢查一下這些方案。”他說,必須避免循環使用在運行過程中任何被煙霧或者有毒化學物質污染的空氣。 

         Mistretta在熱回收系統中看到許多安裝實例是從外面將較大的設備置入到墻體內。這樣,熱量和噪音能夠通過維修走廊排出去,而那里空氣是不需要調節的。他說,“這是另一種把不佳影響留在房間外的方法,而且房間內部會因此而得到更大的空間。” 

         除了燃料價格之外,運營商正在嚴格控制它們的排放系統,以適應越來越高的空氣質量和環保標準要求,這與潔凈室運行的環境問題有關。 

         美國綠色建筑委員會針對新建筑和改建項目制定的“綠色建筑評估體系”(LEED)是這個領域*有影響力的標準之一。該委員是整個美國建筑行業的***聯盟。“綠色建筑評估體系”是美國公認的高性能綠色建筑的設計、施工和運行的標準。它主要評估人和環境在五個關鍵領域的健康狀態:可持續發展用地、節水、能源效率、原材料的選擇和室內環境質量。 

         一些潔凈室設備制造商也在謀求綠色標準的資格,特別是為他們的產品謀求建筑物綠色質格認證,有了這個認證,它們就可以列入環保型建筑產品的GreenSpec產品信息服務目錄。建筑師和工程師可以通過這個目錄尋找使自己的建筑設計獲得“綠色建筑評估體系”認可的產品。 

         Mistretta說:“國內性的反饋還不會來得那么快。”但是,他樂觀地認為,隨著類似于“綠色建筑評估體系”這樣的計劃獲得國內性的認可,將會有更多人采用更嚴格的空氣管理法規。他說,“你每跨過一道坎,就會考慮下一步該怎樣才能做得更好、更安全或者更便宜。” 

         盒子里的潔凈室 

         Terra Universal公司的Buckwalter說,對許多工廠而言,“價格低廉”是*突出的要求。嚴格的標準、不斷提高的質量管理要求和加快上市時間,正在推動許多行業更新設備,并在以前不一定需要使用潔凈室的地方增加潔凈室或者提高現有環境的潔凈等級。然而,增加固定的潔凈室空間并不總是合理的。對于那些空間有限而且預算緊張,所經營的產品利潤很低或者產品周期很短的工廠而言,移動式潔凈室更便宜也更靈活(圖5)。 

         在過去,選擇模塊化空間對某些行業而言并不是總是行得通的,但是隨著硬墻模塊潔凈室空間取得新的進步,即使是耐用性要求日益提高的*苛刻的潔凈室,可移動空間也變得經濟可行了。 

         Buckwalter說,Terra公司的許多客戶都要求利用模塊化空間來實現更多的功能,例如圓弧形的轉角、墻壁和天花板、便于清潔和**的微生物抑制劑、無菌的空調傳遞倉,還有采用更多的不銹鋼材料。 

         他說:“不銹鋼房間能夠實現塑料房間所達不到的要求。它們能夠抗刺激性**劑,有圓弧形的轉角和光滑的表面,清潔起來更快更容易。” 

         為了適應這些要求,Terra Universal公司現在供應一種全不銹鋼的BioSafe潔凈室,它內外都使用了表面光滑的不銹鋼材料,能夠抗**劑并且符合**程序的要求,也可以使用指定的**表面涂層(圖6)。 

        Buckwalter 說:“BioSafe潔凈室有一個剛性自支撐的結構,不使用獨立的框架或者外部支撐,同其他需要特別許可和承包安裝的設計相比,這是一個重要的優勢。”  

       

       

         圖6BioSafe潔凈室使用不銹鋼材料,內外表面都是光滑的,能夠抗**劑并且符合**程序要求,也可以使用指定的**表面涂層.圖片顯示的是傳遞倉和A/C模塊.Terra Unviersal提供照片 

         BioSafe潔凈室的天花板柵格有架子,可以安裝HEPA或者ULPA過濾器/風機和燈具,或者紫外線(UV)**和熒光檢測模塊。這個房間容納了潔凈室的全套配置方案,包括空調、除濕模塊和通風設備。雙層墻板營造了一個電路穿管、燃氣和真空吸塵器設備管線的安裝區,它能夠絕緣隔熱,可以用于優化熱穩定性和減少能源成本。 

         Buckwalter估計,可移動的房間的價格不到固定房間的十分之一,而且可移動的房間在兩個月時間里就能按要求安裝完成并且投入使用。他說,“BioSafe潔凈室比固定潔凈室更合算,客戶們再也不必犧牲耐用性了。” 

         Terra公司的硬墻模塊系統目前用在一個具有重大意義的項目上,這個項目有可能會成為一個樣板,為許多公司尋求通過海外外包項目以提高質量控制指引方向。一家參與這個項目的公司正在開發一種**癌癥的藥品,它要求在一個由四個房間組成的潔凈室里生產,每個房間對空氣壓力和潔凈度的要求各不相同。為了確保海外特許的生產場所能達到*高的質量控制標準,硬墻模塊系統利用Terra公司的BioSafe潔凈室創造出一個樣板生產環境,保證每個潔凈室都使用完全相同的設備、環境和規范。Buckwalter 解釋說:“這家公司通過樣板潔凈室能夠在經過試驗的設計和工藝的基礎上管理生產環境。它使它們擁有固定空間潔凈室的所有優點,而且不會增加成本。” 

         無論潔凈室是作為*先進的工廠的一部分,還是從效率和經濟效益出發設計的精簡的可移動的空間,當運營商在產品開發過程中尋找既能為開發人員提供必要的空間和工具去創造“近乎上乘的東西”,又能縮短時間、節省開支的方法時,燃料價格和環境等問題依然是優先考慮的問題。

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