Особенности проверки целостности НЕРА и ULPA фильтров боксов микробиологической безопасности.

А.А. Ененко, Начальник аналитического центра валидации и измерений ООО «Восток Пост».

Скачать статью

При использовании высокоэффективных воздушных фильтров для обеспечения микробиологической безопасности важнейшим процессом является проверка целостности этих фильтров. Применительно к проверке фильтров, установленных в боксах микробиологической безопасности, встает вопрос о методах подачи аэрозоля в пространство перед фильтрами и обеспечение его однородности. Считается, что при подаче тестового аэрозоля в любой точке входящего потока, аэрозоль будет равномерно распределен по поверхности фильтра после прохождения вентилятора, создающего воздушный поток. Вентилятор в данном случае рассматривается как основной источник перемешивания потока. В статье показана зависимость распределения аэрозоля в пространстве до фильтра от способа подачи аэрозоля в поток. Работа проведена в лаборатории аналитического центра валидации и измерений ООО «ВОСТОК ПОСТ».

1.Введение.

При работе с патогенными биологическими агентами (ПБА) различных групп патогенности существует вероятность образования аэрозолей этих ПБА. Аэрозоль может появляться при процессах пипетирования, вскрытия ампул и пробирок с высушенными культурами, центрифугировании, встряхивания, розлива и, непосредственно, аэрозолизации исследуемых агентов внутри аэрозольных камер. Образовавшийся аэрозоль во многих случаях является угрозой здоровью при вдыхании лаборантом, а так же всем персоналом медицинского либо научного учреждения. В некоторых же случаях аэрозоль жизнеспособных микроорганизмов, которые содержатся в окружающем воздухе лаборатории, может приводить к контаминации стерильного продукта, что недопустимо, к примеру, при розливе и подготовке питательных сред. Во всех этих случаях перед лаборантами, а так же перед технологами лабораторных исследований ставятся задачи обеспечения микробиологической чистоты окружающего воздуха, т.е. его очистка от жизнеспособных микроорганизмов.

В настоящее время существует два подхода к решению этой задачи. Классический подход состоит в том, что бы создать условия, при которых жизнеспособный организм перестает быть таковым. Традиционно для этого используется УФ – облучение, сжигание, применение дезинфицирующих химических средств, механизм действия которых известен. Недостатки этих методов заключаются в том, что они не могут использоваться для решения поставленной задачи непосредственно в зоне, где происходит работа оператора и совершаются манипуляции над исследуемым материалом. В дополнение к этому эффективность и надежность таких методов обработки воздуха периодически ставится под сомнение из-за их нестабильности и сильной зависимости от различных внешних факторов (влажность, температура, концентрация, наличие зон затенения и т.д.).

Второй подход состоит в следующем. Как известно размеры микроорганизмов колеблются в пределах от десятков нанометров до десятков микрометров. Таким образом, любой микроорганизм представляет собой физический объект конечных размеров. С этой точки зрения задача по обеспечению микробиологической чистоты воздушной среды сводится к задаче по обеспечению механической чистоты воздуха, т.е. его очистки от аэрозольных частиц как таковых (сходность фильтрации вирусного аэрозоля и синтетического масляного аэрозоля была показана в работе [1]). Для этих целей применяются высокоэффективные НЕРА фильтры (от англ. High Efficiency Particulate Air – воздух с высокой степенью очистки от частиц). Именно на использовании НЕРА фильтров для фильтрации потоков воздуха, контаминированного патогенными аэрозолями, основано применение различного рода защитного лабораторного оборудования [2].

Краеугольным камнем в вопросе об эффективности НЕРА фильтров стоит вопрос о качестве работы фильтра в составе определенной инженерной системы, т.е. о проверке целостности фильтрующего элемента, качества его вклейки в корпус фильтра, а так же надежности прилегания уплотнения корпуса фильтра к ограждающим конструкциям и посадочным местам. Для того что бы убедиться, что в процессе транспортировки, установки, а так же регулярной работы защитного оборудования целостность НЕРА фильтра не была нарушена, применяются различные методы проверок.

2. Высокоэффективные воздушные фильтры

Фильтрующая среда высокоэффективных фильтров состоит из хаотического переплетения тонких волокон боросиликатного стекла. На сегодняшний день в Российской Федерации существует стандарт, описывающий характеристики различных, в том числе и НЕРА, высокоэффективных фильтров: ГОСТ Р ЕН 1822-1-2010 «Высокоэффективные фильтры очистки воздуха EPA, HEPA, ULPA». Основными эксплуатационными характеристиками таких фильтров является их эффективность (и связанная с ней характеристика – проскок) и аэродинамическое сопротивление.

Проскок фильтра определяется стандартом как отношение концентрации частиц, прошедших фильтр n1 (т.е. после фильтра) к концентрации частиц до фильтра n0: P=n1/n0*100%. Эффективность фильтрации определяется в таком случае следующим образом: E=100-P, %.

Особое внимание должно быть обращено на тот факт, что ГОСТ Р ЕН 1822 определяет проскок и эффективность именно с использованием счётной концентрации частиц, т.е. количества частиц в единице объема, в противовес массовой концентрации. Помимо этого стандарт различает локальную и интегральную эффективность фильтра. Локальная эффективность – это эффективность фильтра в конкретной точке фильтрующего элемента при данных условиях эксплуатации.

Интегральная эффективность – усредненная по внешней поверхности фильтрующего элемента эффективность фильтра при данных условиях эксплуатации.

Известно, что эффективность HEPA и ULPA фильтров сильно зависит от распределения частиц аэрозоля по размерам [3,4]. Причиной этого является различие механизмов фильтрации для частиц разного размера, которые можно разделить на 4 типа: ситовый эффект, зацепление, инерция и диффузия [4-7]. В результате комбинации этих механизмов результирующая кривая зависимости эффективности фильтрации от размера частиц представляет собой кривую с минимумом. Это значит, что существует определенный размер частиц, эффективность фильтрации по которым наименьшая для данного фильтра при данных условиях (т.н. MPPS – от англ. Most Penetrative Particle Size – размер частиц наибольшего проникновения). Соответственно, для частиц большего и меньшего размеров эффективность фильтрации увеличивается. Также эффективность фильтрации зависит и от скорости протекания воздуха через фильтрующий материал.

Классификация фильтров согласно ГОСТ Р ЕН 1822-1-2010 проведена по эффективности фильтрации частиц MPPS, т.е. по минимуму кривой эффективности. В современных НЕРА и ULPA фильтрах размер таких частиц лежит в диапазоне 0,1-0,3 мкм.

3.Утечки в HEPA и ULPA фильтрах.

Существует ряд документов, описывающих методики проведения проверок целостности фильтров [8-10]. В России наиболее полно методика проверки целостности фильтров описана в стандарте ГОСТ Р ИСО 14644-3-2007 «Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Методы испытаний», Приложение В.6. Суть этого метода сводится к подаче контрольного аэрозоля большой концентрации в пространство до фильтра, с последующим контролем концентрации частиц после фильтра. Согласно стандарту существует два различных подхода к процедуре проверки целостности НЕРА фильтров: с использованием специального фотометра аэрозолей либо с использованием счетчика дискретных частиц. При использовании фотометра аэрозолей концентрация тестового аэрозоля должна быть на порядки выше, чем при использовании счетчика частиц. Это приводит к быстрому загрязнению фильтров и рабочей среды, а так же требует специальных генераторов больших размеров для создания такого аэрозоля. Популярность применения фотометра аэрозолей для проверки целостности НЕРА фильтров разнится в различных странах, а разные группы исследователей зачастую приводят противоречивую информацию об их достоинствах и недостатках. В России применение фотометров аэрозолей для данных целей не распространено.

В этой связи представляет интерес метод с применением счетчиков дискретных частиц, многие из которых внесены в реестр средств измерений Росстандарта.

Суть метода сводится к поиску мест на «чистой» стороне фильтра, локальный проскок в которых существенно превышает стандартное для данного класса фильтра значение. Допустимый порог снижения локального проскока, а так же критерии утечки зависят от класса фильтра, концентрации тестового аэрозоля, скорости отбора пробы воздуха счетчиком частиц, а так же скорости, с которой пробоотборник счетчика двигается вдоль поверхности фильтрующего элемента. Методика и примеры расчетов основных критериев сканирования приводятся в Приложении В.6.3. ГОСТ Р ИСО 14644-3-2007, а так же подробно описаны в статьях [7, 11, 12]. Существует, однако, ряд трудностей при применении данной методики проверки.

Во-первых: согласно Таблице В.1 приложения В.6.3, утечкой считается место фильтра, фактический проскок которого (локальный проскок), определенный с помощью счетчика частиц со стандартным пробоотбором, больше стандартного интегрального проскока данного класса фильтра в К раз. Так, например, коэффициент утечки К для фильтров H 14 (проскок 5•10-5 по MPPS) равен 10. Таким образом, при исследовании локального проскока по частицам MPPS утечкой будет считаться часть фильтра, локальный проскок которой будет PL≥ 5•10-4(1)

Таблица В.1 ГОСТ Р ИСО 14644-3-2007

Максимально допустимый коэффициент проскока Ps ≤5•10-4 ≤5•10-5 ≤5•10-6 ≤5•10-7 ≤5•10-8
Коэффициент, K 10 10 30 100 300

Зачастую, однако, некоторыми исследователями за критерий утечки выбирается локальный проскок фильтра, приведенный в Таблице 1 ГОСТ Р ЕН 1822-1-2010. Такой подход применяется при поиске утечек в фильтрующем материале согласно методике ГОСТ Р ЕН 1822-4-2012. Согласно данному подходу локальный проскок фильтра H14 не должен превышать 2,5•10-4 (сравнить с 1). Следует отметить, что при проверке фильтров в составе изделия должна проверяться именно целостность фильтра согласно методу ГОСТ Р ИСО 14644-3-2007, а не его принадлежность к тому или иному классу фильтров по ГОСТ Р ЕН 1822-1-2010.

Во-вторых:ГОСТ Р 14644-3-2007 не описывает ситуацию использования для проверки целостности частиц, размер которых отличается от MPPS фильтра. К примеру, фильтры класса Н14, имеющие проскок по MPPS (~ 0,12 мкм) 5•10-5, по частицам диаметром более 0,3 мкм имеют проскок 5•10-6. Следуя логике метода, а так же таблице В.1, для данного проскока коэффициент утечки К должен быть 30. В таком случае утечкой будет считаться область, в которой PL≥1,5•10-4(2)

В-третьих: Методика стандарта предлагает, отталкиваясь от количества частиц Np, которое выбирается пользователем произвольно для характеристики утечки, определять скорость сканирования Sr и подбирать соответствующую концентрацию аэрозоля Cc, для того, чтобы удовлетворить выбранным параметрам. По существу проверки это несколько противоречит логике действий, а так же создает определенные трудности как с точки зрения поддержания постоянной скорости сканирования, так и с точки зрения обеспечения и подбора соответствующей концентрации тестового аэрозоля.

Представляется более логичным определять параметры сканирования, отталкиваясь не от выбранного количества частиц Np, а от концентрации аэрозоля Cc, поступающего на фильтр. В этом случае, приняв скорость сканирования Sr равной 5 см/сек, и измерив (либо оценив) концентрацию тестового аэрозоля Cc, вычисляется то количество частиц Np, которое будет характеризовать утечку при прохождении пробоотборника под ней:
(3).

По сути, выражение (3) – это выражение (В.5) стандарта, записанное относительно Np.Таким образом, зная концентрацию тестового аэрозоля перед фильтром и оценочное значение скорости сканирования (потому что, строго поддерживать скорость сканирования при ручной проверке невозможно) вычисляется количество частиц, характеризующее потенциальную утечку. Такой подход освобождает пользователя от необходимости строго подстраивать концентрацию тестового аэрозоля, что, в некоторых случаях, может представлять собой проблему. Далее в полном соответствии с методикой проводится стационарное измерение. Критерий стационарного измерения Npa вычисляется согласно формулам (B.6) и (B.7) стандарта.

4. Особенности подачи и распределения аэрозоля

Одним из важных моментов при проверке целостности фильтров методом сканирования счетчиком частиц является оценка концентрации аэрозольной нагрузки. Большое значение имеет не только средняя концентрация аэрозоля, но и его распределение вдоль поверхности исследуемого фильтра. В различных стандартах требования к однородности и стационарности концентрации аэрозоля перед фильтром разнятся. Так, например, согласно ГОСТ Р ИСО 14644-3-2007 разброс концентраций частиц до фильтров в разное время и во всех точках испытаний не должен превышать ±15 %. Согласно же IEST-RP-CC034.3, средняя концентрация аэрозоля после испытания не должна отличаться от концентрации до испытания более чем на 10%, при этом относительное стандартное отклонение концентрации в точках измерения не должно превышать 20 %, в то время как максимальное отклонение в каждой отдельной точке не должно превышать 50%.

При исследовании целостности НЕРА фильтров, установленных в боксы микробиологической безопасности, применяется метод ГОСТ Р ИСО 14644-3-2007, использование которого предусматривается основным нормативным документом по боксам – ГОСТ Р ЕН 12469 – 2010 «Биотехнология. Технические требования к боксам микробиологической безопасности». В связи с возрастающими требованиями к контролю эксплуатационных характеристик боксов представляет интерес исследование особенностей данного метода, применительно к БМБ.

Для исследования однородности распределения концентрации тестового аэрозоля перед НЕРА фильтрами, установленными в боксы микробиологической безопасности, были изготовлены специальные фильтры с портами сквозного доступа и пробоотборник для отбора пробы непосредственно перед фильтром. Фильтры размерами 1130х530х78 мм и 1050х330х78 мм были установлены в бокс микробиологической безопасности II класса, аэрозоль DEHS создавался с помощью серийного генератора аэрозоля ATM 226 производства TOPAS. Регистрация частиц аэрозоля производилась с помощью счетчика частиц Solair 3100 D через разбавитель пробы воздуха DIL 554 производства Topas, с коэффициентом разбавления 1:100. Измерение концентрации частиц аэрозоля диаметром 0,3-0,5 мкм производилось через 45 измерительных портов приточного фильтра (5 рядов по 9 портов) и 27 портов выпускного фильтра (3 ряда по 9 портов) (см. рис. 2 б). Эксперимент состоял из трех серий измерений, каждая из которых отличалась местом подачи аэрозоля в передний проем рабочей камеры БМБ (рис. 1 а): в первой серии аэрозоль подавался в левую часть рабочего проема бокса (точка 1); во второй серии – в правую часть (точка 2); в третьей серии аэрозоль подавался равномерно вдоль всего сечения входящего потока через специальную распылительную трубку (область 3 на рис. 1 ).

 


(а)

(б)
Рис. 1. а – области подачи аэрозоля, б – точки отбора пробы через фильтры.


Результаты измерений представлены на рис. 2.

 


(а)

(б)

(в)
Рис. 2. Распределение концентрации аэрозоля вдоль внутренней поверхности фильтров: а) – подача аэрозоля в левой части рабочего проёма, б) – подача аэрозоля в правой части рабочего проема, в) подача аэрозоля по всему сечению рабочего проема.

Как видно из рис. 2, а так же из Таблицы 1, при подаче аэрозоля точечно в правой или левой части рабочей камеры бокса, концентрация аэрозоля перед фильтром крайне неоднородна. Так вдоль поверхности фильтра концентрация аэрозоля может изменяться почти в 3,5 раза, а вместе с ней и критерии утечки, вычисленные согласно методике ГОСТ Р ИСО 14644-3-2007. При подаче аэрозоля равномерно вдоль всего сечения рабочего проема достигается существенно бoльшая однородность концентрации аэрозоля. Таким образом, даже обеспечивая изначально наиболее однородное распределение аэрозоля в потоке поступающего воздуха, добиться относительного отклонения концентрации в каждой точке пространства перед проверяемым фильтром, не превышающего 20% от среднего, очень трудно. Вентилятор не обеспечивает однородного распределения аэрозоля в пространстве перед фильтрами. В этой связи точность, которую предъявляет методика сканирования фильтров по ГОСТ Р ИСО 14644-3-2007 (включая расчет скорости движения пробоотборника и расчет 95% доверительного предела по распределению Пуассона) не имеет практического смысла, при проверке фильтров ручным методом. Ошибка, возникающая при принятии допущения об однородности концентрации аэрозоля перед фильтром, существенно превышает ошибки, учитываемые статистическим характером регистрации частиц (95% предела).

4. Заключение

В ходе исследований было показано, что однородность концентрации тестового аэрозоля перед фильтрами в боксах микробиологической безопасности существенным образом зависит от способа подачи аэрозоля и не определяется только вращением вентилятора. Существующий метод проверки целостности НЕРА фильтров, описанный в стандарте ГОСТ Р ИСО 14644-3-2007, предъявляет сложновыполнимые требования к обеспечению однородности концентрации аэрозоля. На практике концентрация аэрозоля в разных точках может отличаться более чем на 90% даже в случае наилучшей организации подачи и смешивания тестового аэрозоля. Вычисление 95% доверительного предела по распределению Пуассона, в таком случае, теряет смысл.

Дополнительные трудности возникают при определении понятия «утечка» в различных стандартах (ГОСТ 1822-4 и ГОСТ 14644-3). Необходимо согласованное изменение методики исследования целостности НЕРА и ULPA фильтров в соответствующих стандартах.

Литература

1. Brian K. Heimbuch, Jennifer K. Hodge, Joseph D. Wander. Viral penetration of high efficiency particulate air (HEPA) filters. 5th ASM Biodefense and Emerging Diseases Research Meeting, Washington DC. 2007.

2. Ененко А.А. Боксы микробиологической безопасности. Основы эксплуатации и обслуживания. Современная лабораторная диагностика. 2012. № 4 (8).С.26-28.

3. Deworm J.P., Slegers.W., Pauwels J.B, Bouali D. Feasibility of the laser particle spectrometry technology for in-situ testing of HEPA-filtration systems in the nuclear industry. Comparison of high efficiency particulate filter testing methods: final report of the co-ordinated research programme sponsored by the international atomic energy agency from 1979 to 1982. Vienna. 1985.

4. Lee K.W., Liu B.Y.H. Experimental study of aerosol filtration by Fibrous filters. Aerosol science and technology. Vollume 1. Issue 1. 1981.

5. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. ¬– М.: АН СССР, 1955. С.191.

6. Уайт В. Технология чистых помещений. Основы проектирования, испытаний, и эксплуатации. – М.: изд. «Коинрум», 2002, с. 109-112.

7. Федотов А.Е. Чистые помещения. Второе издание переработанное и дополненное. М.: АСИНКОМ, 2003, 576 с.

8. IEST-RP-CC034.3: HEPA and ULPA Filter Leak Tests. Institute of Environmental Science and Technology. July 2010.

9. VDI 2083 Part 3. Cleanroom technology. Metrology and test methods. Dusseldorf, July 2005.

10. ISO 14644-3. Cleanrooms and associated controlled environments – Part3: Test methods. 2005.

11. Блаттнер Ю. Контроль утечки установленных воздушных фильтров в системе воздухоподготовки чистых помещений (пер. Курочкиной Г.Г., под ред. Калечица В.И.). Чистые помещения и технологические среды. – 1/2006. – Январь-Март.

12. Деленбах А. Система фильтрации: проверка целостности в соответствии с ISO 14644-3 (пер. Курочкиной Г.Г., под ред. Калечица В.И.). Чистые помещения и технологические среды. – 1/2006. – Январь-Март.

Скачать статью

 
Яндекс.Метрика

Joomla