高端制造业的守护神 | 我们在洁净室里做什么？
以前有个同学问我知不知道洁净室，一般都在洁净室干嘛。笔者愣了一下，具体做什么我也不知道，肯定不在里面玩游戏看电影了。要想知道这个问题的答案，先来了解一下什么是洁净室吧。什么是洁净室典型的洁净室，图片来自Avantor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。在我看来，洁净室（Cleanroom）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。历史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或ULPA过滤器，采用层流（单向流）或湍流（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、原料或产品的含有大量水分，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。PBI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4～6m2/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，图片来自Avantor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。VAI洁净室消毒产品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/m3。FS 209E和ISO 14644-1均假定粒径和颗粒浓度之间存在对数关系。因此，零粒子浓度并不存在。有些类别不需要测试某些粒径，因为浓度太低或太高，无法实际测试，但此类空白不应被视为零。由于1m3约为35立方英尺，测量0.5μm颗粒时，两种标准基本相当。普通室内空气约为1,000,000级或ISO 9。ISO 14644-1和ISO 14698ISO 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。分级最大颗粒/m3a对应FEDSTD 209E≥0.1 μm≥0.2 μm≥0.3 μm≥0.5μm≥1 μm≥5 μmISO 110bddddeISO 210024b10bddeISO 31,00023710235bde1级ISO 410,0002,3701,02035283be10级ISO 5100,00023,70010,2003,520832def100级ISO 61,000,000237,000102,00035,2008,3202931,000级ISO 7ccc352,00083,2002,93010,000级ISO 8ccc3,520,000832,00029,300100,000级ISO 9ccc35,200,0008,320,000293,000普通空气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分级最大颗粒/立方英尺对应ISO≥0.1 μm≥0.2 μm≥0.3 μm≥0.5μm≥5 μm1357.5310.007ISO 3103507530100.07ISO 41003,5007503001000.7ISO 51,00035,0007,5003,0001,0007ISO 610,000350,00075,00030,00010,00070ISO 7100,0003,500,000750,000300,000100,000830ISO 8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分类欧盟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。分级最大颗粒/m3静态动态0.5 μm5 μm0.5 μm5 μmA级3,520203,52020B级3,52029352,0002,900C级352,0002,9003,520,00029,000D级3,520,00029,000没有定义没有定义BS 5295BS 5295是英国标准。分级最大颗粒/立方米≥0.5 μm≥1 μm≥5 μm≥10 μm≥25 μm13,0000002300,0002,0003031,000,00020,0004,00030004200,00040,0004,000BS 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”。USP800StandardsUSP 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。关于洁净室的小白提问1、怎样进出洁净室？人员和货物通过不同出入口进出。工作人员通过气闸（有的设有空气淋浴台）或没有气闸进出，并穿戴防护装备，如头套，面罩，手套，靴子和防护服。这是为了尽量减少和阻隔进入洁净室的人携带的微粒。货物通过货物通道进出洁净室。2、洁净室设计有什么特别的地方吗？洁净室建筑材料的选择不应产生任何颗粒，因此整体环氧或聚氨酯地板涂层是优选的。采用抛光不锈钢或涂粉软钢夹芯隔墙板和顶棚板。通过弯曲表面来避免直角形墙角，墙角到地板，墙角到天花板，所有接缝都需要用环氧密封胶密封，避免接缝处有任何颗粒沉积或产生。洁净室内的设备设计成能产生最小的空气污染。只使用特制的拖把和水桶。洁净室家具的设计也要产生最少的颗粒，并且易于清洁。3、怎样选择合适的消毒剂？首先要进行环境分析，通过环境监测确认污染的微生物类型。下一步需要确定哪种消毒剂可以杀灭已知数量的微生物，在进行接触时间致死率测试(试管稀释法或表面材质法)，或AOAC测试之前，需要对已有的消毒剂进行评估并确认是否合适。要杀灭洁净室中的微生物，一般有两种类型的消毒剂轮换机制: ①一种消毒剂和一种杀孢子剂进行轮换，②两种消毒剂和一种杀孢子剂进行轮换。消毒系统确定好后，可以进行杀菌效力测试，为消毒剂的选择提供依据。完成杀菌效力测试后，需要进行对实地现场的研究测试，这是证明清洁消毒SOP 和消毒剂杀菌效力测试是否有效的重要手段。随着时间的发展，可能会出现之前未检测到的微生物，生产工艺，人员等也可能发生变化，所以需要定期对清洁和消毒SOP进行审核， 以确认是否还适用于当前环境。4、干净的走廊还是肮脏的走廊？片剂或胶囊等粉剂是干净走廊，无菌药品、液体药品等采用肮脏走廊涉及。通常，低水分的医药产品如片剂或胶囊干燥且多尘，因此更有可能存在显著的交叉污染风险。如果洁净区与走廊的压差为正，粉末将逸出房间进入走廊，然后很可能被转移到隔壁洁净室。值得庆幸的是，大多数干燥制剂并不容易支持微生物生长，因此作为一般规则，片剂和粉剂是在干净的走廊设施中制造的，因为漂浮在走廊中的微生物找不到能够繁衍生息的环境。这意味着房间对走廊负压。而对于无菌（加工过的），无菌或低生物负荷和液体医药产品，微生物通常会找到支持性培养物，在其中繁衍，或者在无菌加工产品的情况下，单个微生物可能是灾难性的。因此，这些设施通常都设计有肮脏的走廊，因为想把潜在的微生物排除在洁净室之外。回到最初的问题，答案是我们在洁净室里生产芯片及高端器件、制药、做手术等。文章来源：Avantor
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