关于洁净室发展历程及洁净控制原理

　　关于洁净室发展历程及洁净控制原理

　　一提到洁净室，很多人的印象可能都是一尘不染，管理严格的空间。那究竟什么是洁净室?它的原理是什么呢?一起来了解一下吧~

　　在药学意义上，洁净室是指符合GMP无菌规范的房间。由于制造业技术升级对生产环境的严苛要求，洁净实验室也被称为“高端制造业的守护神”。

　　什么是洁净室?

　　典型的洁净室

　　洁净室又可称作无尘室(Cleanroom)，通常用作专业工业生产或科学研究的一部分，包括制造药品，集成电路，CRT，LCD，OLED和microLED显示器等。洁净室的设计是为了保持极低水平的微粒，如灰尘，空气中的生物体，或汽化的微粒。确切地说，洁净室有一个受控的污染水平，该水平由在指定的颗粒尺寸下每立方米的颗粒数来规定。洁净室也可指任何给定的容纳空间，在该空间中设置了减少微粒污染和控制其他环境参数，如温度、湿度和压力。

　　在药学意义上，洁净室是指符合GMP无菌规范(即EU和PIC/S GMP指南附件1以及当地卫生当局要求的其他标准和指南)中定义的GMP规范要求的房间，是将普通房间转换为洁净室所需的工程设计、制造、完成和操作控制(控制策略)的组合。

　　很多行业会使用无尘室，只要是小颗粒会对生产过程产生不利影响的地方都会有洁净室的身影。它们的尺寸和复杂度各不相同，广泛应用于半导体制造，制药，生物技术，医疗设备和生命科学等行业，以及航空航天，光学，军事和能源部中常见的关键工艺制造。

　　洁净室的发展历程

　　现代无尘室是由美国物理学家威利斯·惠特菲尔德发明的。惠特菲尔德作为桑迪亚国家实验室的雇员，于1966年为无尘室设计了最初的设计方案。在惠特菲尔德发明之前，早期的无尘室经常遇到颗粒和不可预测的气流的问题。Whitfield设计的无尘室具有恒定的且经过严格过滤的气流来保持空间内的洁净。

　　硅谷的大部分集成电路制造设施由三家公司制造:MicroAire，PureAire和Key Plastics。他们制造了层流装置，手套箱，洁净室和空气淋浴器，以及用于集成电路“湿法工艺”建造的化学罐和工作台。这三家公司也是将特氟龙用于气枪，化学泵，洗涤器，水枪和其他集成电路生产所需设备的先驱。William(Bill)C.McElroy Jr.曾担任三家公司的工程经理，制图室主管，QA/QC和设计师，他的设计为当时的技术增加了45项原始专利。

　　洁净室气流原理

　　洁净室通过使用HEPA(High Efficiency Particulate Air filter)或ULPA(Ultra Low Penetration Air Filter)过滤器，采用层流(单向流Laminar flow)或湍流(Swift current乱流，非单向流)气流原理，来控制空气中的颗粒。层流或单向气流系统将过滤的空气以恒定的流向下或水平方向引导到位于洁净室地板附近墙壁上的过滤器，或通过凸起的穿孔地板进行再循环。层流空气流动系统通常在洁净室天花板的80%上使用，以保持恒定的空气。不锈钢或其他非脱落材料用于构造层流空气流动过滤器和罩，以防止多余的颗粒进入空气。

　　湍流，或非单向空气流动使用层流空气流动罩和非特定速度过滤器来保持洁净室中的空气在恒定的运动，尽管不是所有的方向相同。粗糙的空气试图捕获可能存在于空气中的颗粒，并将它们驱赶到地板上，在地板上它们进入过滤器并离开洁净室环境。

　　有的地方也会增加矢量洁净室：在房间的侧上角送风，采用扇形高效过滤器，也可以用普通高效过滤器配扇形送风口，在另一侧的下部设回风口，房间的高长比一般在0.5~1之间为宜。这种洁净室也可以达到5级(100级)洁净度。

　　“层流(也叫单向流)洁净室”的气流模式

　　“湍流(乱流，非单向流)洁净室”的气流模式

　　洁净的房间需要大量的空气，并且通常在一个可控的温度和湿度下。为了减少改变环境温度或湿度的费用，大约80%的空气会再循环(如果产品特性允许)，循环的气体会先通过过滤系统去除微粒污染，同时保持合适温度和湿度，在通过洁净室。空气中的微粒(污染物)要么漂浮在周围。大多数空气中的微粒会慢慢沉降，沉降速率取决于它们的大小。一个设计良好的空气处理系统应该将新鲜的和再循环的过滤后的洁净空气一起输送到洁净室中，在一起把颗粒从洁净室带走。根据操作对象的不同，从室内取出的空气通常通过空气处理系统再循环，在空气处理系统中过滤器去除微粒。如果工艺、原料或产品含有大量水分、有害蒸汽或气体就不能再循环回至室内了，这种空气通常被排出到大气中，然后100%的新鲜空气被吸到洁净室系统中，处理后到洁净室内。

　　进入洁净室的空气量是严格控制的，被排出的空气量也是严格控制的。大多数洁净室是加压运行的，通过将比从洁净室排出的空气供应量更高的空气供应量进入洁净室来实现的。较高的压力会导致空气从门下或通过任何洁净室不可避免的微小裂缝或缝隙泄漏出去。

　　良好的洁净室设计的关键是空气引入(供给)和排出(排气)的适当位置。在布置洁净室时，应优先考虑送风和排风(回风)格栅的位置。进口(天花板)和回风格栅(在较低的位置)应位于洁净室的相对侧。如果需要保护操作员不受产品的影响，则风流应远离操作员。

　　美国FDA和欧盟为微生物污染制定了非常严格的指导方针和限值，也可以使用空气处理器和风扇过滤单元之间的增压室以及粘性垫。对于需要A级空气的无菌室，气流是从上到下的，并且是单向的或层流的，保证空气在接触产品之前未受到污染。

　　洁净室的污染

　　洁净室污染的最大威胁来自使用者本身。在医疗和制药行业，微生物的控制是非常重要的，尤其是可能从皮肤脱落而沉积到气流中的微生物。研究洁净室微生物区系对于微生物学家和质量控制人员评估变化趋势具有重要意义，特别是对耐药菌株筛查、清洁消毒方法研究有现实意义。

　　典型的洁净室菌群主要是与人类皮肤相关的菌群，也会有其他来源的微生物，例如来自环境和水，但数量较少。常见的细菌属包括微球菌属，葡萄球菌属，棒状杆菌属和芽孢杆菌属，真菌属包括曲霉属和青霉属。

　　保持洁净室清洁有三个大的方面要注意。

　　1、洁净室的内表面及其内部设备

　　原则是选材重要，日常清洁消毒更重要。为了符合GMP并达到洁净度规范，洁净室的所有表面都应光滑和不透气，并且不产生自身的污染，即不产生灰尘，或掉屑，耐腐蚀，易于清洁，否则会提供微生物繁殖的场所，表面应坚固耐用，不能开裂，破碎或凹陷。有各种各样的材料可以选择，有昂贵的达加德镶板，玻璃等，最好的和最美观的选择是玻璃。按照各级洁净室的要求进行定期清洁和消毒，频次可以是每次操作使用后，每天进行多次，每天，每几天，每周一次等进行清洁消毒。建议操作台面要每次操作后清洁消毒、地板每天消毒、墙面每周、空间每月，根据洁净室等级和设定的标准规范进行严格清洁和消毒操作，并做好记录。

　　2、洁净室内空气的控制

　　总的来说要选择合适的洁净室设计，定期维护保养，做好日常监测。特别要注意的是制药洁净室的浮游菌监测，空间内的浮游菌用浮游菌采样仪抽取空间内一定体积的空气，气流通过灌装特定培养基的接触皿，接触皿会捕获微生物，后将皿放入培养箱培养计数菌落数量，计算出空间内的微生物数量。层流层的微生物也需要检测，用对应的层流层浮游菌采样仪，工作原理跟空间采样类似，只是采样点要放到层流层中。如果无菌室中需要用到压缩气体，也需要对压缩空气进行微生物检测，用对应的压缩空气检测仪，需要先把压缩气体的气压调整到合适的范围，防止微生物和培养基被破坏。

　　浮游菌采样仪

　　3、洁净室里人员的要求

　　洁净室工作的人员要定期接受污染控制理论培训。他们通过气闸，空气淋浴器和/或更衣室进出洁净室，他们必须穿专门设计的衣服，包裹住皮肤和身体自然产生的污染物。

　　根据洁净室的分类或功能，工作人员的着装可能只需实验服和头套简单防护，也可能完全包裹的不暴露任何皮肤的全身防护。

　　洁净服是用来防止颗粒和或微生物从穿着者的身体释放和污染环境。洁净服本身不得释放颗粒或纤维，以防止污染环境。这种类型的人员污染可以降低半导体和制药工业中的产品性能，并且它可以导致例如医疗保健行业中的医务人员和患者之间的交叉感染。

　　洁净防护装备包括防护服、靴子，鞋子，围裙，胡须套，圆帽，口罩，工装/实验服，长袍，手套和指套，袖套和鞋、靴套。所用洁净服的类型应反映洁净室和产品类别。低级别的洁净室可能需要特殊的鞋，鞋底完全光滑，不会站上灰尘或污垢。但是考虑到安全原因，鞋底又不能造成滑倒的危险。进入洁净室通常都需要穿洁净服。10,000级洁净室可以使用简单的实验服，头套和鞋套。对于100级洁净室，需要全身包裹，带拉链的防护服、护目镜、口罩、手套和靴套。

　　此外还要控制洁净室内人员的数量，平均4～6人，操作要轻缓，避免大幅度和快速移动。

　　典型的AB级洁净室防护用品

　　洁净室常用的消毒方法

　　A、紫外灯消毒灭菌

　　B、臭氧消毒

　　C、气体灭菌消毒液有甲醛、环氧已烷、过氧已酸、石碳酸和乳酸的混合液等D、消毒剂常见的消毒剂有异丙醇(75%)、乙醇(75%)、戍二醛、洁尔灭等。我国药厂传统的无菌室消毒方法是用甲醛熏蒸，国外药厂认为甲醛对人体有一定的危害，现普扁采用戍二醛(glutaraldehyde)喷洒，无菌室用的消毒剂必须在生物安全柜中0.22μm的滤膜除菌过滤。

　　洁净室分类

　　洁净室根据每体积空气中允许的颗粒数量和大小进行分类。“100级”或“1000级”等大数字指的是FED-STD-209E，表示每立方英尺空气中允许的0.5μm或更大颗粒的数量。该标准还允许插值;例如，SNOLAB保持为2000级洁净室。

　　离散光散射空气颗粒计数器用于确定指定采样位置处等于或大于规定尺寸的空气颗粒浓度。

　　小数值指的是ISO 14644-1标准，该标准规定了每立方米空气中允许的0.1μm或更大颗粒数的十进制对数。因此，例如，ISO 5级洁净室最多有105个颗粒。

　　ISO 14644-1和ISO 14698是国际标准化组织(ISO)制定的非政府标准。前者一般适用于洁净室(见下表);后者适用于可能存在生物污染问题的洁净室。ISO 14644-1用以下公式定义了每类和每粒径的最大颗粒浓度。

　　CN表示1立方米内最大颗粒浓度，为等于或大于所考虑的粒径(四舍五入到最接近的整数)的空气颗粒，使用不超过三个有效数字。

　　N是ISO分类号。

　　D是以μm为单位的颗粒尺寸，0.1是以μm为单位的常数。

　　标准粒径的结果如下表格所示。

　　a表中的所有浓度都是累积的，例如，对于ISO 5级，在0.3μm处显示的10,200个颗粒包括所有等于或大于该尺寸的颗粒。

　　b这些浓度将导致大量空气样本用于分类。可采用顺序取样程序

　　c浓度限值不适用于该表区域，由于颗粒浓度非常高。

　　d低浓度颗粒的取样和统计限制使得分类不合适。

　　e由于取样系统中的潜在颗粒损失，低浓度和粒径大于1μm的两种颗粒的样品采集限制使得该粒径的分类不合适。

　　f是指洁净室微粒清洁度的水平，以每立方米一定大小的空气粒子数为基础。

　　US FED STD 209E

　　目前的监管机构包括：ISO、USP 800、美国联邦标准209E(以前的标准，仍在使用)

　　药品质量和安全法案(DQSA)于2013年11月制定，以应对药物复合死亡和严重不良事件。

　　《联邦食品、药品和化妆品法案》(FD&C法案)为人类配方制定了具体的指导方针和政策。

　　503A由州或联邦授权机构由授权人员(药剂师/医生)监制

　　503B与外包设施有关，需要由持牌药剂师直接监督，不需要是持牌药房。工厂通过食品和药品管理局(FDA)获得许可证。

　　欧盟GMP

　　欧盟GMP指南比其他指南更为严格，要求洁净室在运行时(生产过程中)和静止时(不进行生产过程，但房间AHU开启时)达到颗粒计数。

　　BS 5295

　　BS 5295是英国标准。

　　BS 5295第1类还要求任何样品中存在的最大颗粒不得超过5μm。BS 5295已被取代，自2007年起撤销，替换为“BS EN ISO 14644-6:2007”。

　　USP 800是美国药典公约(USP)制定的美国标准，生效日期为2019年12月1日。