در بسیاری از صنایع پیشرفته به ویژه در صنایع داروسازی، الکترونیک، تجهیزات پزشکی، نانو تکنولوژی و تولید نیمه هادی ها حفظ سطح پاکی هوا (Air Cleanliness) یکی از شروط اساسی به شمار می آید. کوچک ترین ذرات معلق در هوا می توانند باعث آلودگی محصول، نقص عملکرد یا کاهش بازدهی تجهیزات شوند. در چنین محیط هایی، کلین روم یا اتاق تمیز نقش حیاتی دارد. اما خود کلین روم بدون سیستم مناسب فیلتراسیون هوای بسیار قوی معنایی ندارد.
یکی از رایج ترین و مؤثرترین فناوری هایی که در کلین روم ها استفاده می شود، فیلتر HEPA است. فیلتر HEPA به معنای «هوا با کارایی بالا در حذف ذرات معلق» است.
در این مقاله قصد دارم ابتدا به توضیح ماهیت فیلتر HEPA بپردازم، سپس به نقش آن در کلین روم، مکانیزم عملکرد، انواع و نکات طراحی، نگهداری و چالش ها را بررسی کنم تا خواننده به درک عمیقی از اهمیت و چگونگی بهره برداری از فیلتر HEPA در محیط های کنترل شده برسد.
پیش از آن که وارد جزئیات نقش آن در کلین روم شویم، باید سازوکار و ماهیت فیلتر HEPA را کامل بشناسیم. در این بخش به تعریف، استانداردها و تاریخچه مختصری از فیلتر HEPA می پردازم.
اصطلاح HEPA مخفف High Efficiency Particulate Air filter است. به زبان ساده، فیلتر HEPA به فیلتری گفته می شود که قادر است حداقل ۹۹٫۹۷٪ ذرات معلق با اندازه ۰٫۳ میکرون را از هوای عبوری حذف کند.
این عدد یعنی: اگر یک فیلتر را با ذرات معلق اندازه ۰٫۳ میکرون (ذراتی که در عبور از فیلتر بیشترین چالش را ایجاد می کنند، تحت عنوان Most Penetrating Particle Size یا MPPS) آزمون کنیم، فقط ۰٫۰۳٪ از آن ذرات از فیلتر عبور می کنند.
در استانداردهای اروپایی و بین المللی نیز کمی تفاوت وجود دارد: بعضی استانداردها کارایی ۹۹٫۹۵٪ را نیز به عنوان حداقل قبول می کنند.
مهم است بدانیم که فیلتر HEPA تنها به این عدد محدود نمی شود — برای ذرات بزرگ تر یا کوچک تر از ۰٫۳ میکرون، کارایی اغلب بهتر است (زیرا ذرات بزرگ تر به راحتی توسط مکانیسم برخورد یا انسداد حذف می شوند و ذرات خیلی کوچک تر بیشتر تحت تأثیر پدیده انتشار (Diffusion) به الیاف فیلتر برخورد می کنند.
همچنین، استانداردهای فیلتر HEPA در مستنداتی مانند EN 1822 و ISO 29463 بررسی می شوند که روش آزمون، کلاس کارایی و شرایط را تعریف می کنند.
فیلتر HEPA به صورت یک بستر از الیاف بسیار ریز (معمولاً شیشه ای یا پلیمر) با چینش تصادفی طراحی می شود. هوا همراه ذرات معلق از بین این ساختار عبور می کند و ذرات به دلایل زیر در مسیر گیر می کنند یا می چسبند:
ترکیب این سه مکانیسم باعث می شود که فیلتر HEPA بتواند طیف وسیعی از اندازه ذرات را حذف کند. نکته مهم این است که نقطه ضعف فیلتر HEPA معمولاً در ذراتی با قطر نزدیک به ۰٫۳ میکرون دیده می شود (MPPS) — به همین دلیل آزمون کارایی براساس آن ذرات انجام می شود.
همچنین، عملکرد فیلتر به عوامل زیر بستگی دارد:
اگر سرعت عبور هوا زیاد باشد، ممکن است ذرات بزرگ تر فرصت برخورد نداشته باشند و از فیلتر عبور کنند؛ اگر هم سرعت خیلی کم باشد، بازده حذف ذرات ریز افت می کند. بنابراین طراحی بهینه سرعت عبور (معمولاً حدود ۰٫۵ متر بر ثانیه برای فیلتراسیون پایانی در کلین روم) امری حیاتی است.
پس از شناخت فیلتر HEPA، اکنون می خواهم به دلایل اهمیت آن در محیط کلین روم بپردازم. در این بخش، ابتدا مفهوم کلین روم را تشریح می کنم، سپس نقش ها و مزایای کلیدی فیلتر HEPA را بررسی می کنم و نهایتاً چالش ها و محدودیت ها را مرور می کنم.
کلین روم (Clean Room) یا اتاق تمیز، فضایی کنترل شده است که در آن سطح ذرات معلق در هوا، دما، رطوبت و فشار تا حد بسیار پایین و دقیق نگه داشته می شود. در آن، ورود ذرات خارجی باید به حداقل برسد و ذرات تولید شده داخل نیز باید سریعاً حذف شوند.
معمولاً کلاس بندی کلین روم براساس استانداردهایی مانند ISO 14644 انجام می شود؛ به عنوان مثال ISO Class 5 یا ISO Class 7 به معنی محدودیت تعداد ذرات معلق بزرگ تر از یک اندازه خاص در واحد حجم هوا است. فیلتر HEPA یکی از ارکان تحقق این استانداردهاست.
در کلین روم، هوای تأمین (Supply Air) باید عاری از ذرات معلق باشد و هوای خروجی نیز نباید اجازه دهد آلودگی به فضای بیرون منتقل شود. بنابراین سیستم تهویه، فیلتراسیون و جریان هوا (laminar یا در جریان یکنواخت) باید به دقت طراحی شوند.
در طراحی کلین روم، از واحدهایی مانند FFU (Fan Filter Units) استفاده می شود که فن + فیلتر HEPA در یک ماژول قرار دارد و هوا را از بالای سقف وارد اتاق می کند.
همچنین، محل وزش هوا باید به گونه ای باشد که هیچ ناحیه ای هوای ایستا (Stagnation) نداشته باشد و جریان هوای یکنواخت کل فضا را پوشش دهد.
بدون وجود فیلتراسیون بسیار دقیق، ذرات گرد و غبار، باکتری، ویروس، ذرات آزاد و ناخالصی های میکروسکپی می توانند به سطح محصولات بنشینند، باعث خطا در دستگاه های حساس و ایجاد نقص یا آلودگی شوند.
در اینجا دلایل محوری اهمیت فیلتر HEPA در کلین روم را تشریح می کنم:
مهم ترین نقش فیلتر HEPA حذف ذرات معلق از هوای تأمین است. در یک کلین روم، ذرات معلق ممکن است از افراد، تجهیزات، پوشش پرسنل، گرد و غبار محیطی و واکنش های شیمیایی یا تولیدی به وجود بیایند. حذف این ذرات به صورت مداوم سبب کاهش آلودگی سطحی، کاهش ریسک نقص در محصولات و افزایش بازده تولید می شود.
مثلاً اگر در یک کارخانه نیمه هادی، ذره ای بسیار کوچک داخل وِیفر (Wafer) قرار بگیرد، می تواند باعث نقص کامل قطعه شود. استفاده از فیلتر HEPA با حذف بیش از ۹۹٫۹۷٪ ذرات امکان وقوع چنین خطاهایی را به حداقل می رساند.
برای بسیاری از صنایع، داشتن کلین روم با استانداردهای تعریف شده الزامی است تا مجوز تولید، فروش یا گواهی کیفیت را دریافت کنند. فیلتر HEPA یکی از اجزای کلیدی در تضمین اینکه سطح ذرات معلق پایین تر از حد مجاز باشد، محسوب می شود.
در مستندات فنی کلین روم ها، فیلتر HEPA باید تحت آزمایش نشتی (Leak Test) قرار گیرد تا از عدم وجود درز یا نقص در ساختار آن اطمینان حاصل شود. معمولاً میزان نشتی نباید بیش از ۰٫۰۱٪ باشد (یعنی کمتر از یک در ده هزار ذره عبوری)
علاوه بر این، مراجع نظارتی مانند FDA در صنایع دارویی الزام به اعتبارسنجی (Validation) و تست های دوره ای فیلتر HEPA دارند
فیلتر HEPA، به ویژه وقتی همراه با FFU یا ماژول های سقفی به کار رود، کمک می کند تا جریان هوای یکنواخت و کنترل شده در اتاق برقرار شود. این جریان هوایی باعث می شود ذرات معلق از بالا به پایین رانده شوند و از سقف به فیلترها برگشته و حذف شوند، بدون اینکه گردش تصادفی یا آشوب در هوا ایجاد شود.
اگر جریان هوا ضعیف یا نامتقارن باشد، ممکن است ذرات در گوشه ها جمع شوند یا به بخش های حساس برسند. فیلتر HEPA با طراحی مناسب، به کنترل این توزیع کمک می کند
فیلتر HEPA می تواند بسیاری از ذرات بیولوژیکی مانند باکتری ها، قارچ ها و ویروس ها را حذف کند. هرچند که حذف کامل همه ویروس ها با تضمین مطلق ممکن نیست، اما در کاربردهایی مانند پاکسازی محیط آزمایشگاه، بخش های بیمارستانی یا تولید دارو، نقش حفاظتی مهمی دارد.
در برخی مواقع، فیلتر HEPA در اتاق های ایزوله عفونی (Airborne Infection Isolation Rooms) نیز استفاده می شود تا از انتشار پاتوژن ها به فضای بیرون جلوگیری نماید.
کاهش آلودگی ناشی از ذرات به معنای کاهش ضایعات محصولات، کاهش ریسک بازگرداندن محصول یا شکایت مشتریان و کاهش هزینه تعمیر و نگهداری تجهیزات حساس است. اگر فیلتر HEPA به درستی عمل کند، هزینه اولیه آن از طریق کاهش ضررهای ناشی از آلودگی جبران خواهد شد.
همچنین، با حذف ذرات معلق، عمر مفید تجهیزات روشنایی، سنسورها، ابزار دقیق و دستگاه های نوری افزایش می یابد، چراکه این ذرات اغلب باعث ساییدگی یا اختلال در عملکرد می شوند.
در محیط هایی که کیفیت محصول حیاتی است (مثل داروسازی، تجهیزات پزشکی، نیمه هادی)، حتی یک ذره خطا می تواند منجر به فاجعه مالی یا دعوی حقوقی شود. فیلتر HEPA در سیستم کنترل کیفیت و مدیریت ریسک به عنوان یکی از لایه های محافظت، اهمیت ویژه ای دارد.
به عبارت دیگر، وجود فیلتر HEPA به ایشان تضمین می دهد که آلودگی هوایی تحت کنترل است و از ورود ذرات خارجی به فرآیند اصلی جلوگیری می شود.
در این مقاله تلاش کردم تا فیلتر HEPA چیست و چرا در کلین روم اهمیت دارد؟ را از دیدی فنی، کاربردی و تخصصی تشریح کنم. ابتدا ماهیت و استانداردهای فیلتر HEPA را بررسی کردیم، سپس دلایل اهمیت آن در محیط کلین روم را ذکر کردیم، و در ادامه بخش طراحی، نگهداری، چالش ها و نوآوری ها را دیدیم.
۱. آیا فیلتر HEPA می تواند تمامی ویروس ها را حذف کند؟
پاسخ: فیلتر HEPA قدرت حذف ذراتی تا اندازه ۰٫۳ میکرون را دارد و در بسیاری از موارد ذرات کوچکتر را نیز با کارایی بالا جذب می کند.
۲. چه زمانی باید فیلتر HEPA را تعویض یا شست وشو کرد؟
پاسخ: زمان تعویض بستگی به شرایط محیطی، مقدار ذرات معلق و میزان بار کاری دارد. معمولاً نظارت بر اختلاف فشار (ΔP) و کاهش کارایی فیلتر می تواند معیار مناسبی باشد
۳. چه تفاوتی بین فیلتر HEPA و ULPA وجود دارد و در چه شرایطی از ULPA استفاده می شود؟
پاسخ: فیلتر ULPA (Ultra-Low Penetration Air filter) دارای کارایی بسیار بالاتر است و قادر است ≥ ۹۹٫۹۹۹٪ ذرات با اندازه حدود ۰٫۱۲ میکرون را حذف کند.
