洁净室内颗粒的分布与污染控制

洁净室为制药、电子、医疗卫生等行业提供了工作空间。该“空间”是一个区域，在该区域中，将空气中颗粒物的浓度控制在规定的最大水平以下。主要关注的是微生物颗粒或携带微生物的颗粒，尤其是那些可能沉降到关键区域的颗粒。为了达到必要的控制水平，洁净室的设计和构造应尽量减少室内颗粒的引入，产生和保留。除良好的设计原则外，此控件的一部分与房间的使用方式有关（例如，操作员的洁净服，清洁和消毒）。除了控制粒子外，其他相关参数（例如温度，湿度和压力）。

洁净室中的“微粒”是所有亚可见(在显微镜下可见)物质的通用术语。根据此定义，“空气中的颗粒”仅指悬浮在空气中的颗粒。空气中包含各种大小范围不同的各种颗粒。这些包括灰尘，污垢，皮肤，微生物等颗粒。尽管有多种产生颗粒的来源，但人员是洁净室中颗粒的主要产生者，也是微生物的主要来源。因此，尽管污染空气流入洁净室可能会带来风险，但在有效运行的洁净室中进行有效的空气过滤后，这种可能性较小。当洁净室中工作的人掉下来的微粒进入空气流时会发生更大的风险。

洁净室中最重要的污染控制问题是空气，因为空气可以在洁净室周围分布污染，以及颗粒在空气中的行为与沉降趋势有关。就此而言，不应将颗粒视为“被动”污染物。因此，洁净室设计的关键部分是通过设计用于控制空气中颗粒物的既定原理。这些是：

a）空气过滤

为了确保进入洁净室的空气中的颗粒物含量最少（至少大于特定的截留尺寸），进入洁净室的空气会通过终端过滤器。最典型的是HEPA高效过滤器。HEPA过滤器的内部使用三种不同的机制来捕获颗粒，使它们在移动的气流中通过。这些机制是：

• 撞击，较大的粒子无法遵循气流的弯曲轮廓而避开纤维，并被迫直接嵌入其中之一；随着纤维分离的减少和空气流速的提高，这种效果会增强。因此，在高风速下，一些颗粒直接粉碎成纤维就被捕获和捕获。
• 拦截，在气流中跟随一条流线的粒子进入纤维的一个半径范围内并粘附到纤维上。
• 扩散是一种增强机制，这是最小的微粒（尤其是直径小于0.1 µm的微粒）与气体分子碰撞的结果，从而阻碍并延迟了它们通过过滤器的路径（通过布朗运动）。这在较低的空气速度下发生。

b）空气流动

在洁净室中，空气通常以多重流动或湍流流动（这是空气以不均匀的速度进入房间的地方）。在此，空气通过天花板高度的格栅和管道进入，并通过低位管道排出。当空气在房间中时，其初始供应速度足以使其保持恒定的湍流。这样可以防止颗粒和微生物沉淀下来（这是一个理想的方案，因为桌子下方和其他设备空气流动很慢）。  

对于清洁的空气设备，对风向有不同的要求。这里的目的是使气流单向流动。为了实现这一目标，空气通过HEPA过滤器从该区域的整个表面均匀地引入，这意味着空气以恒定的速度流过该区域，并被整个区域排出或从该区域排出。

c）空气置换次数

每个洁净室等级每小时应设置一定数量的换气次数。提供空气改变以将存在的任何颗粒稀释至可接受的浓度。从理论上讲，洁净室中产生的任何污染物都应在适合房间等级的要求时间内清除。例如，如果一个无尘室设计成每小时可换气20次，则意味着每三分钟更换一次房间空气量（60分钟除以20）。这很重要，因为如果没有通风，否则颗粒会在封闭的空间中堆积。

与空气变化相关的是，根据高颗粒产生事件后的颗粒，清洁区域恢复到适合其等级的静态状态所花费的时间。清理时间有时称为“恢复测试”。通过对房间进行高于房间等级的颗粒水平的评估，然后通过使用光学粒子计数器测量房间恢复到房间等级所需的颗粒水平所需的时间。

d）压差

维持正压与测量气流有关。为了在洁净室中保持空气质量，给定房间的压力必须相对于较低等级的房间更大。这是为了确保空气不会从“较脏”的相邻区域进入更高等级的洁净室。通常，该压差设置为15-20帕斯卡，尽管相同等级的某些区域由于特定的活动（例如通过粉末称量产生粉尘的地方）也会产生压差要求。

增压被定义为一种方法，通过该方法在房间之间机械地产生空气压力差，从而通过房间的泄漏孔引入故意的空气运动路径。这样，通过管道式空气系统，空气传输系统从每个空间输送和排出的空气的相对量以及损失。这些开口可以指定为例如门口，也可以不指定为例如门框周围的气隙或其他裂缝。

以上四个控制区域不是互斥的，需要整体考虑。尤其是进入洁净室的空气量，混合程度（以及由此产生的空气形态）和抽气速率。非单向洁净室的空气洁净度由提供给它的空气量决定，但局部洁净度由房间内的气流决定。因此，有必要超越仅对空气中颗粒物的测量来确定与洁净室操作相关的危险因素。可以说，当进行洁净室检测并测量颗粒浓度时，由于空气混合不良，颗粒可以集中在一个区域内。还表明某些区域还受到其他因素的影响，这些因素可能会增加颗粒沉降到关键表面上的可能性。本文关注的是后一个问题。

尽管参照洁净室设计对颗粒控制的机制进行了详细描述，并且对限定的空气量（立方米）中允许的最大颗粒浓度设置了限制，但洁净室中颗粒的分布并没有很好地描述颗粒沉降的可能性。此外，测量空气中颗粒的浓度并将其计算为累积数量并不能告知洁净室用户这些颗粒中有多少比例可能从空气中沉降到表面上。在讨论粒子时，本文并不太关注粒子生成的来源。相反，重点是讨论较少的主题：洁净室环境中的颗粒分布以及颗粒沉降到表面上的风险。

洁净室中的颗粒

洁净室中的颗粒来自多种来源。通常，大于1 µm的颗粒来自机械加工过程（例如两个玻璃瓶发生碰撞，机械磨损或研磨），或者这种尺寸的颗粒是由人体产生的皮肤物质从人体中排出的。小于1 µm的颗粒往往是液滴，例如水的凝结，尽管在无法严格控制洁净服的情况下，它们也可能来自打喷嚏或吐出唾液的人员。洁净室中的大多数微生物都不是自由漂浮的。取而代之的是它们是用木屑之类的木筏运载的。

在洁净室中，粒子的行为方式不同，行为受一系列因素控制。这些因素将决定空气中的颗粒沉降到洁净室表面的可能性。对于多向设计的洁净室（即湍流区域），气流不会遵循可预测的路径。这种设计配置的结果是粒子可以在任何方向上移动。运动的这种变化可能意味着某些颗粒可能会从表面或在设计不佳的洁净室中从地板重新夹带。这导致空气中颗粒物浓度增加。其他颗粒可能会从气流中沉积，并由于物理化学力而保留在表面上，从而形成半永久性附着。随着空气在物体周围移动，从空中处置的可能性更高。

在单向流动清洁区（垂直或水平）中，空气以相对较高的速度流经可预测路径的区域。增加的流量将稀释并带走任何生成的颗粒。这就是为什么无菌车间需要单向气流的原因之一（例如ISO 14644 5级或EU GMP A级区域）。

在理想情况下，在湍流和单向气流空间中的粒子都遵循气流的流线。当预测小直径粒子的扩散特性时，这种理论假设更有可能。但是，较大颗粒不太可能出现这种理想状态。而且，由于它们的尺寸或与其他颗粒或物体的碰撞，一些颗粒将不可避免地从气流中沉降出来。在制药和医疗保健环境中，携带微生物的颗粒会带来最大的风险。接下来检查颗粒的沉淀。

颗粒如何在洁净室中沉降？

粒子是否沉降部分是与粒子本身有关的因素，部分是由于重力的影响（可以归类为沉积机制）。实际上导致颗粒沉积的沉积机制的可能性部分与洁净室设计的有效性有关。

考虑到粒子本身的性质，粒子的差异为：

• 尺寸（包括密度和表面积）；
• 成分（物理的，生物学的或组合的）；
• 浓度（给定空间中粒子的总数会影响粒子之间可能发生的相互作用）；
• 颗粒的凝结（由于暂时或永久的聚集，颗粒聚在一起形成更大颗粒的程度）。

这些因素中的每一个都会影响沉积的可能性，而密度可能是最大的贡献者。在这里，较大密度的粒子更有可能沉积，而较低密度的粒子则更有可能保持悬浮在空气中（或直到发生类似布朗扩散的事件，如下所述）。 

空气中的微粒如何最终到达洁净室表面？Whyte等人（2015a）已描述了造成这种情况的因素，其中沉积过程分为两个步骤。首先，空气中的颗粒从洁净室的区域转移到靠近表面的空气层上。其次，颗粒通过该层转移到实际表面。这是因为空气经过表面，表面阻力降低了空气速度。这种降低是当空气到达“边界层”时发生的空气速度。尽管每个位置的距离表面的厚度通常不超过几厘米，但该位置在每个表面上都不同。对于边界层内空气中的颗粒，存在沉积的风险。越过边界层，在表面点处， 

边界层的位置可能会因操作员在场的额外复杂性而发生变化（例如，如果无尘室操作员将他或她的手移到靠近该层的位置）。Yang和Fu的研究揭示了在操作员和工作台周围形成的所谓“回流区”的机理，以及由于操作员的运动而引起的变化。再循环区不利于洁净室，因为它们会引起局部湍流并夹带和捕获污染物。 

有多种机制可以使粒子穿过自由流动区域并进入边界层，从而沉降到表面上。Whyte，Agricola和Derks在一篇论文中总结了这些机制。在本文中，空气中的沉积机理被列为：重力沉积，湍流沉积，撞击，拦截，布朗扩散和静电吸引。这些被物理学家称为“干沉积机制”（考虑到空气相对于外部环境相对干燥的建成环境的受控性质）。研究表明，非常大的颗粒会通过沉降（沉降）或撞击过程迅速沉降出来，而布朗扩散对较小的颗粒影响最大。 

进一步研究这些机制：

• 冲击力。 

这描述了当界面较大的小颗粒由于其惯性而无法跟随弯曲的流线时的过程。当粒子撞击或撞击液滴时，可能会发生这种情况。面对较大颗粒的小颗粒的质量越大，则颗粒从流线中移位的机会就越大。

• 引力沉积

有时将其称为重力沉降。该术语是指由于重力作用而在给定点掉落的颗粒的沉降。

• 拦截 

这个因素描述了当小颗粒跟随流线时会发生什么。在这里，如果较小的粒子流过太靠近障碍物，它们可能会碰撞导致沉积。

• 湍流沉积。 

空气中的涡流沿流线转移颗粒。这些流线的交叉意味着粒子会碰撞。发生碰撞时，颗粒可以通过惯性沉积在表面上。湍流越大，大尺寸颗粒的浓度越大，则颗粒沉积到表面的可能性越大。

• 布朗扩散

在洁净室空气环境中，布朗运动描述了悬浮在空气中的粒子由于与空气中快速移动的原子或分子碰撞而产生的随机运动。颗粒倾向于从高颗粒浓度的区域稳定扩散到较低颗粒浓度的区域的物理过程称为扩散。因此，布朗扩散是指粒子在空气中的扩散，粒子可以通过随机运动与表面碰撞，其中一些粒子保留在表面上。 

• 静电吸引

大多数表面相对于空气中存在的粒子具有相反电荷。表面上净电荷的存在会产生静电场，当带不同电荷的粒子接近表面时会加速静电粒子在表面上的沉积。颗粒沉积速度（等于表面颗粒通量除以气溶胶颗粒浓度）随着表面电荷的增加而增加。 

传统上，这种现象一直是电子行业使用的洁净室所关注的问题，但它会在制药用洁净室中产生影响。结果，洁净室表面通常被设计成具有低静电荷。

这些因素中的每一个根据周围环境中的气溶胶颗粒浓度以及暴露时间而变化。除了Whyte及其同事的沉积因子列表外，其他作者还引用了其他沉积因子。作为沉积机理，这是涡轮电泳（颗粒向湍流水平降低的方向迁移）和热泳（不同的颗粒类型对温度梯度的作用表现出不同的响应）。

在最常见的机理方面，Whyte及其同事根据实验数据发表的另一篇论文表明，粒径等于或大于10μm的颗粒，重力沉降占表面沉积的80％以上。较大的颗粒比较小的颗粒受重力影响更大，因为沉积速度与粒径的平方成正比增加。简而言之，较大的粒子比较小的粒子更有可能沉淀在表面上。考虑到较大尺寸的颗粒这一点很重要，因为在医药和保健领域中，所关注的颗粒是携带微生物的颗粒（即，附着在物质筏（例如皮肤碎屑）上的微生物），并且这些颗粒往往是较大的尺寸。重力沉降对于大于等于5.0µm的颗粒也是主要的（欧洲在洁净室分类和操作方面的一项重要措施）；重力对于0.5 µm及更大的许多颗粒也有影响（根据FDA和欧洲药品监管机构的规定，药物颗粒分类的临界值）。因此，洁净室使用者最关注的颗粒沉积机理是重力沉降。

定义粒子的大小并不容易，因为空气中的粒子可能与表面上的粒子具有不同的形状，并且尽管激光尘埃粒子计数器的理想假设，这种粒子很少为球形。相反，颗粒是长方体，纤维状或不规则颗粒（如皮肤物质）。 

如何评估颗粒沉积？

颗粒离开空气并掉到表面上的程度（时间和数量）被称为“颗粒沉积速率”。沉积速率可以通过以下方法来量化：面积（例如平方分米（dm2等于0.01平方米）或平方米（m2）），然后检查随时间（秒，分钟或小时）降落在该区域上的颗粒数量。因此，对于给定的粒度，每小时的颗粒沉积速率是可以计算的。 

这并非一帆风顺，因为，
首先，为任何评估选择的表面都必须具有代表性。表面周围的空气需要洁净室的典型特征（这很困难，因为假设空气中的颗粒不是均匀分布的，就假设空气是均匀分布的）；并且表面可能还需要足够的重要性（例如关键区域；在制药领域中，这可能是暴露产品的区域）。
其次，这种方法很可能假设表面是水平的。对于垂直，对角升高，弯曲和其他表面位置引入了复杂性，并且为了使用这种空间定位的表面，需要引入校正因子。
第三，洁净室空气中颗粒的形状和密度将发生变化，这将影响沉积。此处的主要因素与颗粒的空气动力学直径有关（某种程度上是对皮肤颗粒密度的标准测量，先前评估为1100kg / m3，而洁净室服装中通常使用的聚酯为1380kg / m3-可以使用）。
要考虑的第四个因素是空气传播速度。根据Whyte等人的观点，有可能计算出离散尺寸的颗粒在空气中沉降时的沉积速度。为此，可以使用一系列方程式（尽管要使用这些方程式，但需要在无尘室内进行一系列测量）。先前评估为1100kg / m3，可以使用无尘室衣服中常用的聚酯-1380kg / m3。要考虑的第四个因素是空气传播速度。根据Whyte等人的观点，有可能计算出离散尺寸的颗粒在空气中沉降时的沉积速度。为此，可以使用一系列方程式（尽管要使用这些方程式，但需要在无尘室内进行一系列测量）。先前评估为1100kg / m3，可以使用无尘室衣服中常用的聚酯-1380kg / m3。要考虑的第四个因素是空气传播速度。根据Whyte等人的观点，有可能计算出离散尺寸的颗粒在空气中沉降时的沉积速度。为此，可以使用一系列方程式（尽管要使用这些方程式，但需要在无尘室内进行一系列测量）。

此类建模应针对制药洁净室（≥0.5和≥5.0μm）所关注的粒径临界值，因为颗粒的尺寸分布会影响沉积在表面上的颗粒的速率和水平，以及所有其他因素考虑过的。 

在典型的洁净室中，上述方法不容易重现。可替代地，关于微生物携带颗粒的关于颗粒沉积的信息可以从关于沉降板的暴露的回顾数据中得出。为此，怀特和伊顿提出以下等式：

给定时间内沉积在产品上的空气传播微生物的数量（数量）= 

沉积速率（数量/(cm2.s)）×暴露产品的面积（cm2）×暴露时间（s）

通过知道沉降板已暴露多长时间，可以得出“ no./(cm2.s）”。这种方法的有用性在于将沉降板定位在有意义的位置，例如靠近暴露的产品。在单向气流路径中比在湍流室中将沉降板放置在更清晰的位置的可预测性。 

如何控制粒子的运动和沉积？

从以上讨论可以得出，简单地将更多的空气泵入洁净室并不一定会降低颗粒沉积的风险，特别是在存在较大颗粒（如皮肤薄片）的情况下，除非充分控制影响空气分布的因素。该控制是几个洁净室操作参数的乘积，因为粒子的沉积速度的值以及它们在重力作用下可能沉降的程度受洁净室的空气供应速率和空气湍流强度的影响。了解这些因素将影响洁净室空气供应速率的设计以及湍流水平的设计。这种理解允许根据以下要求进行修改：

可以使用诸如计算流体动力学之类的工具进行必要的评估，然后通过气体流向检测仪进行评估。计算流体动力学（CFD）是指基于Navier-Stokes方程（描述粘性流体物质运动的方程），应用数学，物理和计算软件对空气运动进行建模的应用程序。这些方程式描述了运动流体（在这种情况下为空气）的速度，压力，温度和密度之间的关系，并允许对与小颗粒和基本流体力学相关的力进行评估。CFD过程允许将空气模式呈现为三维图形，以显示微粒浓度，微粒轨迹，流线和速度场。研究这些模型可以指出涡旋的潜在位置。

 

Whyte等人（2009描述了CFD应用的一个例子。这项研究表明，以洁净室进气口周围的扩散器类型为中心，对向洁净室供气的方法产生了重要影响。扩散器影响气流强度和空气首先传播的方向。研究表明，四通扩散器可产生最佳的空气混合效果，并且整个洁净室的空气中颗粒物浓度更加均匀。研究指出了其他要考虑的变量，包括进气口的进风速度，进风量与室内空气温度之间的温差。另一个变量是任何污染物的释放位置（例如，将人放置在洁净室中的位置或进行主要活动的位置）。

一旦采取了减少气流沉积的措施，就可以通过气流可视化模式对气流进行验证。在这里，可以使用载水物质产生浓密的蒸气，以便可以跟踪空气方向并测量空气消散所花费的时间。了解空气流动有助于了解颗粒流动的路径并查明危险区域。 

如果无法完全解决问题，或者与靠近暴露产品或通过产品接触部件的关键表面有关的问题无法解决，则可以选择环境监测的位置（两种可行的方法，例如沉降板和颗粒计数器）。