Hệ thống thổi khí tầng (laminar air flow): nguyên lý, thiết kế và thẩm định

Hệ thống thổi khí tầng tạo ra dòng khí sạch chảy đều theo một hướng, quét hạt bụi và vi sinh vật ra khỏi vùng thao tác. Hệ thống này là nền tảng của các khu ISO 5 trong dược phẩm, vi điện tử và phòng thí nghiệm. Nhưng dòng khí chỉ bảo vệ được sản phẩm khi vận tốc, độ đồng đều và cách bố trí thiết bị đều đúng.

Bài viết giải thích laminar air flow là gì, phân biệt dòng đứng và dòng ngang, vận tốc khí khuyến nghị, nguyên nhân làm dòng khí bị phá vỡ và cách thẩm định. Nội dung dành cho chủ đầu tư, kỹ sư thiết kế và đội vận hành.

Là đơn vị tư vấn, thiết kế, thi công phòng sạch và sản xuất thiết bị phòng sạch, AIRTECH THẾ LONG tổng hợp các điểm cần chốt khi đưa hệ thống thổi khí tầng vào dự án.

Hệ thống thổi khí tầng (laminar air flow) là gì

Hệ thống thổi khí tầng là hệ cấp khí sạch tạo dòng chảy một chiều, trong đó không khí đi qua toàn bộ tiết diện vùng sạch với vận tốc ổn định và các đường dòng gần song song. Đây là định nghĩa của dòng khí một chiều (unidirectional airflow) trong ISO 14644-4.

Cách gọi “laminar” rất phổ biến, nhưng các tài liệu kỹ thuật hiện nay ưu tiên thuật ngữ “một chiều” và “không một chiều”. Lý do là dòng khí trong thực tế hiếm khi tầng thuần túy. Có xoáy cục bộ khi gặp vật cản, người thao tác hoặc thiết bị.

Nguyên tắc hoạt động khá trực quan. Khí đi qua màng lọc HEPA hoặc ULPA, rồi chảy ra với vận tốc đều theo một hướng. Dòng khí này đẩy hạt phát sinh từ nguồn nhiễm tiềm tàng ra xa khu vực sản phẩm, trước khi thoát ra khỏi vùng thao tác.

Điểm khác biệt chính với phòng sạch thông thường nằm ở cách pha loãng nhiễm bẩn. Phòng sạch cấp thấp pha loãng bụi bằng khí sạch trộn với khí trong phòng. Hệ thổi khí tầng quét nhiễm bẩn ra ngoài theo đường dòng, nên cấp sạch cao hơn.

Nhiều tài liệu hướng dẫn thiết kế khuyến nghị dòng một chiều cho các cấp sạch cao, từ ISO Class 1 đến 5, và dòng không một chiều cho các cấp thấp hơn. Theo ISO 14644-1:2015, ISO Class 5 cho phép tối đa 3.520 hạt kích thước 0,5 µm trong mỗi mét khối khí.

Dòng khí đứng và dòng khí ngang: chọn cấu hình nào

Dòng khí đứng đi từ trần xuống sàn, còn dòng khí ngang đi từ vách này sang vách đối diện. Cả hai đều có thể bảo vệ toàn phòng hoặc chỉ một vùng cục bộ.

Với dòng đứng, màng lọc phủ trần và khí thoát qua sàn rỗng hoặc ống hồi thấp. Cấu hình này phổ biến trong phòng sạch vi điện tử vì giảm khả năng nhiễm bẩn chồng lên nhau. Nhược điểm là tải trần lớn và chi phí kết cấu sàn kỹ thuật cao.

Với dòng ngang, bức tường lọc cấp khí và bức tường đối diện hút khí hồi. Hạt sinh ra ở vị trí đầu nguồn có thể bị dòng khí mang đi qua các vị trí phía sau. Vì thế cần sắp xếp quy trình để các bước sạch nhất nằm gần phía cấp.

Ở quy mô thiết bị, dòng đứng và dòng ngang cũng xuất hiện trong laminar flow hood. Dòng ngang thổi khí từ phía sau về phía người dùng, thích hợp khi làm việc với dụng cụ nhỏ. Dòng đứng thổi từ trên xuống, thích hợp khi có thiết bị cao hơn trên bàn.

Khi chọn cấu hình, hãy bắt đầu từ ba câu hỏi: vùng cần bảo vệ lớn đến đâu, thiết bị nào nằm trong dòng khí và người thao tác đứng ở đâu so với hướng dòng. Câu trả lời quyết định đặt nguồn cấp và điểm hút.

Nếu cần dòng khí sạch cục bộ trong phòng nền, thiết bị FFU là lựa chọn phổ biến. Bạn có thể tham khảo thiết bị lọc khí sạch FFU, BFU, HFU của AIRTECH THẾ LONG để so sánh cấu hình.

Vận tốc khí và độ phủ màng lọc trong hệ thổi khí tầng

Vận tốc khí là thông số trung tâm của hệ thổi khí tầng. EU GMP Annex 1 nêu giá trị hướng dẫn 0,36 – 0,54 m/s tại vị trí làm việc. Giá trị này tương ứng 0,45 m/s ±20%.

Theo mục 4.30 của Annex 1, hệ thống một chiều nên tạo vận tốc đồng đều trong khoảng đó tại vị trí làm việc, trừ khi có biện pháp biện minh khoa học trong chiến lược kiểm soát nhiễm (CCS). Nghiên cứu hình ảnh hóa dòng khí phải tương quan với số đo vận tốc.

Bạn có thể xem toàn văn trong EU GMP Annex 1 bản 2022. Bài của ISPE cũng phân tích vấn đề đo ở đâu, và bạn có thể đọc bài viết về đo vận tốc khí tại vị trí làm việc.

Điều cần lưu ý là con số 0,45 m/s có lịch sử lâu dài. Theo ISPE, nó bắt nguồn từ nghiên cứu của Willis Whitfield tại Sandia National Laboratories, rồi đi vào nhiều tiêu chuẩn và hướng dẫn. Một phân tích khác cho biết trước đây giá trị này là yêu cầu cụ thể 0,45 m/s ±20%, nay được nới thành khoảng hướng dẫn để phù hợp nhiều thiết kế.

Vị trí đo cũng cần được xác định rõ. Cùng một thiết bị, số đo tại mặt lọc khác số đo tại vị trí làm việc. Hồ sơ thẩm định phải ghi chiều cao đo, lưới điểm đo và điều kiện vận hành.

Độ phủ màng lọc là thông số thứ hai. Một tài liệu thiết kế cho biết khuyến nghị tham khảo IEST RP-CC006 là phủ ít nhất 80% trần với phòng sạch một chiều. Giá trị này mang tính tham khảo, và cần đối chiếu tài liệu áp dụng cho dự án.

Với phòng không một chiều, chỉ tiêu thiết kế là số lần trao đổi khí mỗi giờ thay vì vận tốc. Không nên áp một mức ACH cố định cho mỗi cấp sạch, vì giá trị phụ thuộc tải bụi, số người và kiểu bố trí.

Khi dòng khí tầng bị phá vỡ: vật cản, thao tác và “first air”

Dòng khí tầng chỉ bảo vệ sản phẩm khi khí sạch tới bề mặt sản phẩm trước khi gặp bất kỳ nguồn nhiễm nào. Khái niệm này thường được gọi là “first air”.

Một vật cản đặt giữa nguồn cấp và sản phẩm sẽ tạo vùng bóng khí phía sau. Trong vùng đó, dòng khí đổi hướng, hạt có thể xoáy lại và đọng. Người thao tác đưa tay qua sản phẩm cũng tạo hiệu ứng tương tự.

Các nguyên nhân thường gặp làm phá vỡ dòng khí gồm:

• Thiết bị hoặc dụng cụ đặt sai vị trí, nằm giữa màng lọc và sản phẩm.
• Người thao tác che chắn dòng khí hoặc di chuyển nhanh trong vùng sạch.
• Mở cửa làm lệch chênh áp, kéo khí từ vùng kém sạch vào.
• Màng lọc bám bụi không đều làm vận tốc không đồng nhất.
• Vách chắn hoặc rèm khí không đủ chiều cao hay không đúng vị trí.

Thiết kế vùng thao tác nên giảm số vật cản trong dòng khí. Thiết bị cao nên đặt ở phía hạ lưu dòng khí, không đặt trên đường đi tới vùng quan trọng. Bề mặt bàn và khay nên thông thoáng để khí đi qua.

Với người thao tác, quy trình quan trọng không kém thiết kế. Động tác chậm, đều, hạn chế đưa tay phía trên sản phẩm và kỷ luật trang phục là phần việc của đội vận hành.

Để biết dòng khí có bị phá vỡ không, phương pháp trực quan nhất là hình ảnh hóa bằng khói. EU GMP Annex 1 yêu cầu hình ảnh hóa dòng khí để chứng minh luồng khí đi từ khu sạch hơn ra khu kém sạch hơn. Kết quả cần được ghi lại và dùng để xây dựng chương trình giám sát môi trường.

Một lưu ý khác là thời gian phục hồi. Annex 1 nêu giá trị hướng dẫn thời gian làm sạch lại dưới 20 phút. Thời gian này được xác định khi thẩm định, ghi vào quy trình và tuân thủ khi khu sạch bị xáo trộn.

AIRTECH THẾ LONG khuyến nghị mô phỏng hoặc thử khói ngay ở giai đoạn thiết kế mặt bằng thiết bị, thay vì chờ tới nghiệm thu mới phát hiện vật cản.

Laminar flow hood, clean bench và tủ an toàn sinh học

Laminar flow hood (clean bench) chỉ bảo vệ sản phẩm. Nó không bảo vệ người dùng hay môi trường. Đây là điểm dễ nhầm nhất khi mua sắm thiết bị.

Theo Thermo Fisher, các “clean bench” dòng đứng hoặc dòng ngang không phải tủ an toàn sinh học. Chúng thổi khí lọc HEPA qua bề mặt làm việc và có thể hướng khí về phía người dùng, nên chỉ có bảo vệ sản phẩm. Bạn có thể đọc mô tả laminar flow hood và tủ an toàn sinh học để hiểu khác biệt.

Tủ an toàn sinh học loại II và III bảo vệ cả sản phẩm, người dùng và môi trường. Loại I chỉ bảo vệ người dùng và môi trường. Với vật liệu sinh học nguy hiểm, bắt buộc dùng tủ an toàn sinh học, không dùng clean bench.

Về bảo trì, tủ an toàn sinh học và clean bench đều cần kiểm tra định kỳ vận tốc, độ kín màng lọc và hướng dòng khí. Hướng dẫn cho tủ an toàn sinh học có trong bài bảo trì tủ an toàn sinh học BSC chuẩn EN 12469. Còn clean bench có thông tin tại trang bàn thao tác sạch clean bench.

Thẩm định hệ thống thổi khí tầng theo ISO 14644-3

ISO 14644-3 mô tả các phép thử chứng minh phòng sạch đạt điều kiện đã đặt ra, trong đó có thử lưu lượng gió, thử hướng dòng khí kèm hình ảnh hóa và thử phục hồi. Các phép thử khác gồm chênh áp, nhiệt độ, độ ẩm và rò rỉ hệ lọc.

Với hệ thổi khí tầng, trình tự thẩm định thường như sau:

1. Kiểm tra bản vẽ hoàn công, vị trí màng lọc và điểm hồi khí.
2. Thử rò rỉ màng lọc đã lắp để xác nhận khí không đi vòng qua gioăng và khung.
3. Đo vận tốc khí tại lưới điểm đã định, tính giá trị trung bình và độ đồng đều.
4. Thử khói để quan sát hướng dòng khí quanh thiết bị và người thao tác.
5. Đo nồng độ hạt và thử phục hồi ở trạng thái vận hành.
6. Lập báo cáo, ghi nhận lệch và hành động khắc phục.

Thử khói có giá trị đặc biệt vì số đo vận tốc có thể đạt trong khi dòng khí vẫn bị xoáy sau vật cản. Khi quay video thử khói, hãy ghi cả trạng thái có người thao tác, vì đó là điều kiện thật.

Tiêu chí chấp nhận cần thống nhất trước khi thi công. Các giá trị cụ thể như dải vận tốc, thời gian phục hồi và số điểm đo nên ghi trong đặc tính kỹ thuật của dự án, để tránh tranh luận khi nghiệm thu.

Sau bàn giao, thẩm định phải được lặp lại theo kế hoạch giám sát. Màng lọc bám bụi, quạt xuống cấp và thay đổi bố trí thiết bị đều làm thay đổi dòng khí. Cần thẩm định lại khi có thay đổi lớn về bố trí hoặc thiết bị trong vùng thao tác.

AIRTECH THẾ LONG khuyến nghị lưu video thử khói và bảng đo vận tốc ban đầu như hồ sơ chuẩn. Đây là mốc so sánh khi cần điều tra sự cố về sau.

Giải pháp thổi khí tầng và thiết bị phòng sạch của AIRTECH THẾ LONG

CÔNG TY CỔ PHẦN AIRTECH THẾ LONG hoạt động trong lĩnh vực tư vấn, thiết kế, thi công phòng sạch và sản xuất thiết bị phòng sạch, phòng thí nghiệm. Công ty thuộc hệ sinh thái Airtech Group, có nhà máy sản xuất ở hai miền tại Hải Phòng và TP.HCM, với dây chuyền hiện đại nhập từ Châu Âu.

Với hạng mục thổi khí tầng, chúng tôi hỗ trợ tư vấn cấu hình cấp khí sạch: thiết bị lọc khí sạch FFU, BFU, HFU, bàn thao tác sạch clean bench, clean booth, hệ thông gió HVAC và các thiết bị đi kèm như air shower, pass box.

Cách tiếp cận bắt đầu từ quy trình của bạn: vùng cần bảo vệ, thiết bị nằm trong dòng khí, vị trí người thao tác và yêu cầu cấp sạch. Từ đó mới đề xuất dòng đứng hay ngang, vận tốc mục tiêu, độ phủ màng lọc và kế hoạch thẩm định.

Chúng tôi cũng đề nghị thống nhất tiêu chí nghiệm thu ngay từ đầu, dựa trên ISO 14644-3 và tài liệu áp dụng của dự án. Thông tin về thi công xem tại trang thi công phòng sạch. Quy mô và hạng mục của từng công trình luôn được tính riêng theo yêu cầu thực tế.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống thổi khí tầng là gì?

Là hệ cấp khí sạch tạo dòng chảy một chiều, qua toàn bộ tiết diện vùng sạch với vận tốc ổn định và các đường dòng gần song song. Dòng khí quét hạt ra khỏi vùng thao tác.

Vận tốc khí khuyến nghị cho dòng một chiều là bao nhiêu?

EU GMP Annex 1 nêu giá trị hướng dẫn 0,36 – 0,54 m/s tại vị trí làm việc, tương ứng 0,45 m/s ±20%. Có thể dùng giá trị khác nếu có biện minh khoa học và nghiên cứu khói tương quan.

Dòng khí đứng và dòng khí ngang khác nhau thế nào?

Dòng đứng đi từ trần xuống sàn, dòng ngang đi từ vách cấp sang vách hồi. Cấu hình chọn theo vùng bảo vệ, vị trí thiết bị và hướng đứng của người thao tác.

Clean bench có thay thế được tủ an toàn sinh học không?

Không. Clean bench chỉ bảo vệ sản phẩm, không bảo vệ người dùng khỏi khí dung sinh học hay hơi hóa chất. Với tác nhân nguy hiểm phải dùng tủ an toàn sinh học hoặc tủ hút phù hợp.

Cần thẩm định những gì cho hệ thổi khí tầng?

Thường gồm thử rò rỉ màng lọc, đo vận tốc và độ đồng đều, thử khói hình ảnh hóa dòng khí, đếm hạt và thử phục hồi theo ISO 14644-3. Phép thử cụ thể thống nhất giữa khách hàng và nhà thầu.

Kết luận

Hệ thống thổi khí tầng chỉ bảo vệ tốt khi vận tốc đúng, màng lọc kín, dòng khí không bị vật cản phá vỡ và được thẩm định bằng số đo lẫn thử khói. Hãy xác định vùng cần bảo vệ trước, sau đó mới chọn cấu hình dòng đứng hay ngang.

AIRTECH THẾ LONG sẵn sàng tư vấn cho dự án của bạn. Hotline: 0915.283.960 - 0915.283.043. Email: info@thelong.com.vn. Website: thietbiphongsach.vn. Zalo: zalo.me/0915283960.

CÔNG TY CỔ PHẦN AIRTECH THẾ LONG
Hotline: 0915.283.960 - 0915.283.043 | Tel: 024.3873.7717
Email: info@thelong.com.vn | Zalo: 0915283960
Website: thietbiphongsach.vn | Trụ sở: Số 144 Phố Việt Hưng, Tổ 3, P. Việt Hưng, Hà Nội