Модульное строительство чистых помещений как восходящий тренд при реализации проектов в разных областях промышленности

Текст к публикации подготовлен специалистами компании «УНИКА инжиниринг» по материалам статьи, опубликованной в журнале Cleanroom Technology, январь 2017 (www.deanroomtechnology.com)

Сьюзен Бирке

В некоторых секторах экономики, например, здравоохранении и биотехнологической промышленности, для снижения затрат и ускорения сроков строительства всё чаще применяется использование модульных и сборных блоков. Тем не менее, традиционное строительство чистых помещений по-прежнему востребовано
в высокотехнологичных отраслях промышленного производства, а некоторые, например, пищевая отрасль, движутся в сторону размещения производства в условиях чистых помещений.
С. Бирке в своей статье рассматривает существующие тенденции в проектировании и строительстве

Проектно-строительная компания «М+WProducts» в своём докладе в начале года обрисовала общую картину в строительстве чистых помещений, рассмотрев основные тенденции. Как было отмечено в этом докладе, в технологии проектирования и строительства чистых помещений сейчас происходят самые быстрые изменения за 50 лет ее существования. В исследовании, изучающем развитие и устойчивость рынков, было отмечено, что общемировой промышленный рынок, использующий в своей технологии чистые помещения, ожидает 30% прироста в ближайшие 5 лет с общим уровнем капиталовложений, равным $ 4,3 млрд, к 2020 году. Этому способствуют 2 основных фактора: постоянно растущий спрос из-за использования «чистых» технологий в расширяющемся диапазоне областей промышленности и необходимость большей эффективности проведения технологических операций. 

Подобная тенденция была также выделена в статье компании «SchillingEngineering», обращающей внимание на изменение требований в пищевой промышленности и индустрии напитков в сторону более гигиеничного производства, проводимого в условиях чистых помещений. Независимо оттого, в хлебопекарной ли, мясомолочной, плодоовощной или в других областях пищевой промышленности - микробиологическое загрязнение продукта должно быть сведено к минимуму в процессах переработки, фасовки и вторичной упаковки чувствительных к загрязнению продуктов. Технологические процессы в пищевой промышленности, проводимые в чистых помещениях, не только повышают срок годности продуктов, но также увеличивают их безопасность, чему свидетельствует сокращение числа жалоб от потребителей.

Клеточная и генная терапия

Подобные виды терапии являются сравнительно новыми, но всё возрастающее число исследований обусловливает необходимость того, чтобы такие формы терапевтического воздействия были поставлены на промышленную и, соответственно, коммерческую основы. Для этих новых отраслей здравоохранения требуются не только чистые помещения, но и специальная поддержка при вводе в эксплуатацию с точки зрения обеспечения биологической защиты.

Около 50-ти центров клеточной терапии существуют в настоящее время в Великобритании, и в каждом из них каждый месяц происходит запуск нового вида терапевтических исследований. Одним из главных вызовов для исследователей в этой области является то, что только несколько производственных и лабораторных площадок, свободных для проведения исследований, соответствуют требованиям GMP, в то время как многие другие требуют серьёзных изменений с точки зрения логистики (движения потоков персонала и материалов) и поставок сырья. В связи с этим в 2012 г. в Лондоне был запущен центр клеточной и генной терапии, оснащённый в соответствии с требованиями GMPи предназначенный для того, чтобы помочь исследователям в этих областях терапии, предлагая им специализированные лаборатории и необходимую экспертизу. Этот центр представляет собой современное здание, предназначенное для крупномасштабных исследований.

Представитель центра г-жа К. Томпсон в своей статье в декабрьском издании кратко описала конструкцию здания. Проект был разработан для компаний, проводящих клинические испытания 1, 2 и 3-ей фазы и был скомпонован из 12-ти индивидуальных, архитектурно разделённых между собой модулей. Каждый модуль предназначался для конкретной компании, с учётом специфических особенностей проводимых ею исследований, и каждый модуль должен был полностью соответствовать требованиям GMP. В проекте предусматривалось создание классических, с точки зрения чистоты, зон класса А и В, при этом первым шагом для исследовательских компанией было сделать их процессы полузакрытыми.

Модульное строительство в силу ряда причин становится всё более популярным и применяется всё шире в различных областях, где используются чистые помещения. К примеру, использование модульных конструкций является быстрым и относительно гибким решением для организаций здравоохранения в случае расширения или переноса технологий, зачастую из-за ограниченности рабочего пространства. Так, в феврале уже сообщалось, что компания «PortakabinGroup» с использованием модульных конструкций реализовала проект по запуску лаборатории для анализа радиоактивных материалов в Шотландии. Генеральный подрядчик (компания «DounreaySiteRestorationLtd») был удостоен награды за достижения в области технологии чистых помещений.

Компания «PortakabinGroup» продолжила развивать тенденцию модульного строительства и в дальнейшем. Для королевского университетского госпиталя был создан комплекс чистых помещений общей площадью 4 200 м², который был смонтирован и полностью оборудован менее чем за 4 месяца с учётом возросшей необходимости оказания помощи ортопедическим пациентам. Его структура представляла из себя 124 модуля, которые были установлены в соответствии с тщательно разработанной планировкой. В дальнейшем предполагали только финишную отделку перегородок (герметизацию), разводку технологических трубопроводов и электрических кабелей и монтаж напольных покрытий на месте. Подобный подход позволил сократить шумные и пыльные работы и возможные нарушения в обслуживании пациентов в таком многолюдном месте, как госпиталь.

Другим проектом, использующим модульные конструкции и удостоенным приза в 2016 г. за инновации в области технологии чистых помещений, стал Адриатический технологический институт (AIT) в г. Шельбе. Институт разработал концепцию высокомобильного госпиталя, состоящего из передвижных легко устанавливаемых модулей, количество которых может бесконечно увеличиваться. Модули имеют габариты 6x6 м и высотой 3,4 м и состоят из нескольких элементов - каркас из соединяемых труб из твёрдых сплавов, а также внешняя накладка защитных панелей для создания несущей конструкции. Наружные оболочки при соединении образуют боковые стенки, в которых заранее выполнены отверстия для дверей и окон. Одна из боковых стенок оснащена закладными деталями для технического обеспечения (электроэнергия, подача воздуха и климат-контроль).

Модуль может использовать в качестве источников энергии солнечные батареи, энергию ветра, а также возможность подключения к дизель-генератору. Он оснащён системой водоподготовки и устройством для сбора и удаления дождевой воды. Вне зависимости от того, где будет установлен модуль, в пустыне или в джунглях, для районов с такими климатическими особенностями будет обеспечиваться контролируемый температурный режим в диапазоне от 30°С до 50°С. Тип фильтров, устанавливаемых на входе в систему воздухоподготовки зависит от проекта и назначения объекта: будет ли это чистое производственное помещение, операционная, клиническая или исследовательская лаборатория и т.д. Модуль соответствует всем стандартам стерильности и чистоты воздуха, применяемым для асептических чистых помещений (т.е. возможно проводить процессы в соответствии с требованиями ENISO14644 и GMP(для классов чистоты от А до Д)).

Модули могут легко перевозиться морским или автомобильным транспортом. Самый тяжёлый элемент весит не более 50 кг, что позволяет монтировать конструкции вручную, без использования подъёмных кранов.

Другой проект группы AITсовместно с компанией «RenfrewGroup», реализованный в августе за относительно невысокую цену, исследовал возможность использования временного модульного помещения с функцией распыления разрешённых в госпитале дезинфицирующих растворов для обеспечения комфорта пациентов и упрощения уборки и очистки палат для медсестёр. Подобными растворами при исследовании покрывались все открытые пластиковые поверхности, а также ткани. Целью подобного исследования было определить возможность улучшения санитарно-гигиенического состояния медицинских палат без нарушения комфорта пациентов. Определяющими требованиями для дезинфицирующих веществ в данном случае были: практичность в применении, взаимозаменяемость, лёгкость удаления и очистки с помощью чистых салфеток. Подобное применение дезинфицирующих веществ (распыление) не должно было выглядеть пугающим или вызывать клаустрофобию у пациентов. При этом в модуле предусматривались: специальные двери с лёгким открыванием наружу, моечные раковины с кранами, не предусматривающими прикосновение руки, встроенные устройства минимального суточного водопотребления, воздушные тепловые устройства для сушки рук, а также двухсторонний передаточный шлюз для расходных материалов.

Работая совместно с национальным инновационным центром и департаментом здравоохранения, компании «RenfrewGroup» удалось создать опытный образец процедурной комнаты, которая может быть смонтирована и демонтирована в течение часа без повреждений и нарушений инфраструктуры. Опытный образец был протестирован в агентстве по защите здоровья (HealthProtectionAgency- НРА) с использованием специальных маркеров и живых бактерий.

Высокотехнологичные сектора экономики

Известно, капиталовложения в высокие технологии заметно выше, чем в традиционные области экономики. В августе прошлого года мы уже сообщали о самом большом в мире заводе по производству литиевых батарей, построенном в штате Невада, США. Данное производство включало в себя и контроль окружающей среды в производственных помещениях, осуществлённый по требованию компании «Tesla», которая использует литиевые батареи в своих электромобилях. Строительство завода началось в 2014 г., а в 2017 г. уже планируется начать выпуск готовой продукции. Общая площадь предприятия составляет более чем 3 200 акров земли (13 км²) с непосредственно производственной площадкой, равной 177 000 м². Проект управляется компанией «Tesla» с привлечением компании «Panasonic» как принципиального партнёра, ответственного за производство ячеек литиевых батарей, на выпуск которых планируется отвести почти половину всего производственного пространства. В связи с этим компания «Panasonic» является также поставщиком технологического производственного и вспомогательного оборудования, сырья и компонентов.

При строительстве подобного предприятия необходимо создание комплекса чистых помещений, чистых пространств и зон упаковки, гарантирующих, что флуоресцентные субстраты не будут подвержены загрязнению в процессе производства. В связи с высокой чувствительностью лития к влажности в окружающем воздухе, производство литиевых батарей также требует специальных «сухих помещений». Специфические требования к подобным помещениям могут варьироваться, но, как правило, они относятся к классу чистоты 7-6 ИСО, с относительной влажностью окружающего воздуха 1-10% и с точкой росы от -40°С до -46°С.

Другим высокотехнологичным проектом, осуществлённом в октябре прошлого года, стала лаборатория, производящая специальные сверхчувствительные датчики, используемые для рентгенологических исследований или для телескопа, установленного на Южном полюсе для изучения световой энергии космоса. Чистое помещение необходимо для производства инструментов, определяющих самое крошечное количество энергии, обнаруживаемой на исследуемой поверхности. «Даже несколько случайно попавших частиц в ниобий могут разрушить конструктивное устройство таких детекторов», - говорит г-н М. Демарто, руководитель направления физики высоких энергий и основной пользователь новой лаборатории.

Наиболее высокотехнологичные инструменты сегодня производятся с использованием сверхпроводников, т.е. особенно чувствительных материалов, которые коренным образом изменяют свои свойства при повышении температуры даже малейшей частицы. Таким образом, учёные могут создавать изделия, которые смогут реагировать на специфические частоты и помочь в расшифровке космического микроволнового фона.

Космическая отрасль также заинтересована в модульном производстве чистых помещений, особенно это касается производства спутников. Так, НАСА, в рамках комплексной программы космических исследований запустило многомиллионный проект космического робота ISAAC, с помощью которого будут проводиться исследования экспериментальных композитных материалов в центре Лэнгли, шт. Вирджиния.

Воздухонепроницаемый корпус стоимостью $ 750 000 с контролируемой температурой и влажностью сохраняет воздух, окружающий робота ISAAC, в постоянном состоянии, неподверженном внешним воздействиям. Сведение к минимуму посторонних частиц очень важно с точки зрения аппаратурного обеспечения, а также при проведении исследований. Конструкция нового корпуса также позволяет исследователям контролировать температуру и влажность настолько точно, что подобное качество измерений может быть использовано в экспериментах как переменная величина. Например, исследователи могут поставить перед роботом задачу провести работу с композитными материалами при поддержании температуры 21°С. Затем они могут проводить дальнейшие работы в диапазоне относительной влажности 50-80% и оценивать, каким образом каждый уровень влажности в указанном диапазоне влияет на конечный продукт, сохраняя при этом температуру неизменной.

Более рациональные системы вентиляции и кондиционирования воздуха

В начале текущего года компания «NortekAir» установила в университете г. Иллинойс систему фильтрации и распределения воздуха «Cleanpak», которая была удостоена награды обществом инженеров в области энергообеспечения и компьютеризации. Вентиляционная система обслуживала университетский кампус общей площадью 21 000 м², состоящий из высокотехнологичных чистых помещений, 21-ой лаборатории, а также помещений общего пользования для студентов и преподавателей. Комплекс был спроектирован и построен с учётом новых стандартов использования возобновляемых источников энергии, включая, в данном случае, солнечную энергию и энергию ветра. Результатом такого революционного проекта стало снижение потребления энергии, необходимой для обслуживания здания, на 50% по сравнению с уровнем минимального энергопотребления, указанного в международном стандарте ASHRAE90-2007. Для снижения энергозатрат была использована система с рециркуляцией воздуха. Кроме того, в проекте были заложены мероприятия по снижению уровня шума, поддержанию согласующегося с необходимым расхода приточного воздуха, увеличению энергоэффективности, а также был заложен необходимый резерв мощности вентустановок для обеспечения надёжной работы.

Проекты для лабораторий

В ноябре прошлого года в статье «Лаборатории будущего» мы уже рассказывали о том, как в университете г. Ноттингем провели модернизацию существующих лабораторий. С учётом роста числа студентов университету понадобилось большее количество лабораторий с лучшим оснащением для того, чтобы обучение студентов стало более эффективным. Максимальное использование дневного света, а также упрощённый доступ к обслуживанию коммуникаций не только удешевили проект, но и позволили улучшить процесс обучения.

Химические лаборатории, в частности, могут быть крупными потребителями энергии, поэтому устойчивое обеспечение подобных лабораторий энергоносителями являлось основной задачей при проектировании. Энергозатратным процессом в таких лабораториях является нейтрализация потенциально токсичных выбросов, образующихся в вытяжных шкафах при проведении экспериментальных работ. Кроме того, энергетических затрат требует повторная очистка химически загрязненной воды перед сбросом в канализацию. Авторы статьи «Лаборатория будущего» были приглашены на экскурсию в лабораторию представителями компании «GlaxoSmithCline» с целью ознакомления с проектом. Требованиями к проекту были: использование конструкционных материалов с низким уровнем выделения продуктов горения, в том числе природных и возобновляемых материалов, анализ на выделение продуктов горения каждого элемента конструкции, заводское изготовление материалов (по возможности) и минимальное использование транспорта.

Лаборатория была построена, в основном, из дерева и других возобновляемых материалов и предназначалась для работы на возобновляемых ресурсах. Проектом учитывалась энергия господствующих ветров для поддержания работы систем вентиляции вытяжных шкафов, снижая тем самым энергопотребление, необходимое для нейтрализации вредных выбросов. Лаборатория была также оснащена системами охлаждающей воды в конденсаторе и оборотного водоснабжения, при этом использование воды такого рода для питья было исключено. Кроме того, при проектировании особо учитывалось то, что первая попытка строительства лаборатории закончилась неудачей из-за случившегося пожара. Стоит отметить, что риск возникновения пожара является весьма актуальным для многих чистых помещений, поэтому данному вопросу была посвящена целая дискуссия, главной целью которой было определить возможные причины возникновения пожара, а также каким образом при проектировании локализовать и, по возможности, минимизировать ущерб от потенциального возгорания.

При проектировании лабораторий большое внимание уделялось также процессам очистки и поддержания статуса чистого помещения. Так, компания «CuttingCorners» представила специальную конструкцию, скругляющую внутренние углы помещений. Подобная система была спроектирована таким образом, что скругляющее соединение для каждого внутреннего угла имеет одинаковую гладкую форму, упрощающую очистку и препятствующую скапливанию бактерий и других загрязняющих элементов. Кроме того, в конструкции отсутствуют фталаты, традиционно используемые в качестве пластификаторов и выделяющиеся при эксплуатации изделий в окружающую среду, что избавляет от необходимости установки дополнительных воздушных фильтров, необходимых с точки зрения сохранения здоровья и безопасности персонала.

Испанская компания «AlbianGroup» разработала специальный очистительный душ, который инкапсулирует мелкодисперсную пыль. Такие устройства, смонтированные на самонесущей раме, разработаны для быстрой и простой установки в зонах с контролем загрязнений, в частности, в шлюзах для переодевания персонала.

Нейтрализация воздействия токсичных или потенциально опасных пылящих субстанций всегда была важнейшим аспектом для производителей готовых лекарственных средств. Традиционно для этого использовались воздушные души, но система компании «AlbianGroup», основанная на снижении воздействия пылевоздушной смеси путём инкапсулирования (т.е. превращения частиц пыли во влажные капсулы с размером 5-10 мкм) гораздо эффективнее, чем применявшиеся ранее воздушные спреи или воздушные души. Подобные капсулы образуются с очень маленькой скоростью, тем самым предотвращая образование завихрений пылевоздушного потока до тех пор, пока капсула не сформировалась.

Такой душ полностью автоматизирован и оснащён логическим контроллером с управляемым дисплеем для контроля цикла очистки от загрязнений. Система также может быть полностью интегрирована в технологическую цепочку в соответствии с требованиями пользователя. ■