半导体洁净室与生物隔离

现有的制药工业的标准棗GMP对无菌产品生产用洁净室的特性定义时并未确定生物隔离。在防止生物污染的标准，MIH标准中，均未对室内空气质量作任何规定。从事洁净室设计的工程师已提出能满足控制悬浮空气污染和隔离设施要求的技术解决方案，室内气压分级和有关的控制系统起着重要的作用；另一项重要条件是在进风和排风上的HEPA空气过滤。通风系统应保证内部条件克服机械和电气故障：即在排风风机的选用方面要预留备用机组和安装位置。本文对技术方案进行研讨时，提出了生物洁净室的暖通空调系统流程的最终方案。
　　The existing standards for the pharmaceutical industries, the GMP, define the characteristics of a cleanroom for the production of sterile product, with non indication for the biocontainment. The standard for the biocontainment, NIH standard, do not state anything about the indoor air quality. The Engineer involved in the design of a biocontained cleanroom of the facility. An important role is played by the room pressure cascade and relevant control system; the other important criteria is HEPA air filtration, on the supply and on the exhaust. The ventilation system have to ensure the internal condition overcoming the mechanical and electrical failure; that is why for some installation it has been foreseen a redundancy on the exhaust fan.
As a conclusion an HVAC flow diagram for a biocontained cleanroom is presented where the technical solutions discussed are shown.

绪言
　　我们正利用遗传工业中取得的现代科技发现去迅猛地开发生物技术工业，需要采用特殊的设施处理变异的生物体，对这些设施的污染风险已作了评估，并对恰当的污染控制措施作了识别和采用。
另一方面，人类使用的每一种生物技术医药都应符合医药生产GMP（药品生产质量管理规范）的最低要求。
　　在用于复合药品生产的生物技术设施方面，污染控制的目标为：
　　隔离复合生物和高活性生物制品，以使工作人员不受污染，并防止向周围环境溢散。
设置无菌区，以保证产品质量
　　生物隔离的概念恰与药品生产的防止污染概念是完全相反的：一种是保护人员免受危害生命物质的侵害，另一种是使产品不受人的、生物的和环境的污染。
　　在某些生物技术公司内要在同一场所同时完成上述两项任务：这类公司便引发出一种全新的概念，两种概念的综合，生物隔离和产品的防护。
　　制造产品用的生物技术综合设施应符合生物技术标准和医药产品生物条例棗G.M.P的要求。
标准和GMP
　　在设计生物技术实施时，首先要分析有关生物隔离和污染控制方面的各项标准。
　　本文将涉及欧盟和美国制订的各项标准，在意大利采用欧盟的标准：在意大利除了法规629/94条涉及工作场所的安全，其中也包括接触生物制剂的工作场所外，并未制订过此类标准。
　　此类标准可分成两大类，生物隔离标准和现行的药品生产质量管理规范：现将这些标准列于下表：
生物技术标准
生物技术标准的使用范围是确定微生物及其产品安全保障用设施和设备的最低设计标准，如果这类微生物及其产品具有生物危害的话。
首先需要对微生物进行分类（下称生物制剂，包括细菌、病毒、真菌）：在NIH标准的附录B中“人用病原制剂按危害性的分类”列出生物制剂，并按其相关病原性划分成四种危害类别。下表列出适用于划分生物制剂的标准（该标准既列入美国标准，NIH，并也列入欧盟标准EN1620）。
在确定恰当的污染状况时，应根据生物制剂分类做出初步的危害评估，随之应对制剂本身作全面考虑，并确定对它如何管理。根据这些情况做出最终危害评估，根据这项最终评估修整实验对象的污染评定：所要求的污染级别可与制剂的危害级别分类（参阅上表）相对应，或根据危害评估加以提高或降低。
　　在欧盟和美国标准中采用四种生物安全级别，即BL1-BL2-BL3-BL4：这类生物安全分级包括操作实践和技术，安全设备，完成各项操作所需的适当设施，以及根据使用制剂后引发的潜在危害等组成。生物安全4级（BL4）即是规定最严格的隔离条件，而生物安全1级（BL1）即是最低条件。
　　下表列出摘自EN1620（大批量制造工艺和生产）的生物安全主要数据简介。在EN12128（研究、开发和分析实验室）中列出类似的分类，但稍有差异。
　　美国NIH标准对生物隔离设施提出的设计标准与EN1620中所规定的设计标准非常相似。
　　在大批量（处理量超过10升）时，NIH标准与EN1620标准的最大差异在于前者已看出的生物隔离级别为BL3，而EN1620也做出BL4级的规定。不管怎样，从信息角度，NIH的“附录K-V-N-1”和“附录K-V-N-8”节都有说明，提出了BL3的设施要求。
　　附录K-V-N-1：受控区应有单独的入口处，入口处应如气闸、前厅或更衣室那样装有二道门的空间，用以隔离受控区与设施的过渡。
　　附录K-V-N-8：受控区应具有通风系统，用以控制气流的运动。空气应从低浓度污染区向高浓度污染区运动，如果通风系统要提供正压的进风，则在通风系统工作时要防止气流反向运动，或要装报警装置，以便在发生气流反向时启动报警。受控区的排出空气不得再次循环进入设施的其它区域。从受控区排出的空气不得未经HEPA高效过滤器的过滤、未经热氧化或其他防止释放活性物体的处理就排至室外。
（cGMP）现行的药品生产质量管理规范
　　生物药品制造厂的设计标准在现行的药品生产质量管理规范（cGMP）中也有规定。
　　在欧盟编著的欧洲药品生产质量管理规范（GMP）第4卷、附录2：人用生物制品的生产中就提出：在生物药品的生产中应特别注意的事项；随后又指出影响生物技术工厂设计的那些注意事项。
　　第7条：生物医药产品之间产生交叉污染的危害，特别是那些采用存活生物的制造过程，要更加注意，例如专用设施和设备的采用和封闭系统的采用。
　　第13条：正压区适用制造无菌产品，但是在病原体暴露点所在的特殊区也可采用负压以防污染扩散。对病原体进行灭菌处理时，要采用负压区或生物安全柜，则在其周围均是正压灭菌区。
　　第14条：空气过滤装置应是有关生产区专用的，处理存活病源生物的区域内不得采用循环空气。
　　第15条：生产区和设备的平面布置和设计均要满足有效清洗和去除污染（例如熏蒸）的要求。清洗和去除污染操作的适用性应确实有效。
　　在附录了“无菌医药产品的制造”中提出与第13条中提出的相类似的概念，即在前言第29条中提出，相对于周围较低级别的区域而言，经过滤器的进风应在任何操作条件下都保持正压和气流有效地吹洗该区域。……，有关进风和压差的各项规定均要修改，因为现已开始接触某些材料，如致病病原体，剧毒物，放射性物质或存活病毒或细菌材料或制品。
　　美国医药食品管理局颁布的药品生产质量管理规范（GMP）的21CFR600提出一些总的要求，特别是在第600.11章中有说明：“制造和存放产品的一切房间和工作区应保持整齐，清洁和无尘……，工作间应有充足的采光和通风。通风系统的布置应注意防止微生物从一处制造场所向另一处溢散，并应不形成不利于产品安全的其它条件。灌装间和其它开放性的房间，因有灭菌生产操作，故需满足生产的需要，对这类房间的建造和装备，应能满足彻底清洁，并使悬浮污染物减少到最低度程度……，制造产品用的各种房间，其中包括血浆室均需建造得能做到彻底清洁和无菌。”
　　GMP对无菌药品的生产场所也作了洁净度等级规定。对悬浮粒子粒径和各种浓度的规定，在欧盟GMP附录1（消毒和最终无菌制品）和美国医药食品管理局GMP导则（仅适用于消毒制品）（1,2）中均有。
　　下表分别列出引自欧盟GMP和美国美国医药食品管理局导则的洁净度级别。
　　欧盟GMP
　　总之应考虑生物技术设施一般都由上游加工工艺（发酵）和下游加工工艺（纯化），以及每一道加工工序组成，故要根据EEC-GMP确定相应的洁净度级别。
公用设施技术区，维修：不列级
发酵及上游工序：D级/ISO 8级
纯化工序：C级/ISO度 7级
灌装和冻干：B级/ISO 5级（静态）
灌装点：A级/ISO 5级（层流）
根据欧盟标准和ISO14644-1标准提出的级别。下为ISO14644-1标准和老联邦209E标准的比较（联邦209E已作废）。
在下面章节将讨论有关生物隔离用洁净室设计的主要内容。首先是要讨论室内气压分级和相应的控制。
　　室内气压标准
　　气流和气压的边界条件严重地影响着有效的隔离措施的性能，必须使邻近房间来的气流反向进入隔离区。高潜在散发生产发菌体的区域,其气压应低于包括公用和非控区在内的潜在污染区的气压。
另一方面，GMP条例对药品生产设施提出了要求，特别是规定了悬浮粒子的最大极限和压力梯度概念以便达到规定的洁净度级别（污染最小的区域与其它区域相比应是正压）。
　　如前所述，生物污染概念与悬浮粒子污染的控制是相互矛盾的。
　　满足EEC-GMP要求和隔离要求的一种途径就是设风淋室作为生物密闭洁净区和非生物密闭不列级区之间的关键隔离屏障。
　　与生物隔离洁净室相同洁净度级别的风淋室应保持正压，即对生物隔离洁净室和非生物污染不列级区而言都要保持正压：在前几章上中早已提到，并在EEC-GMP中也作了规定。
　　此种解决方案能保证做到防止污染，防止相邻房间之间的交叉污染，相邻房间尘埃也不会侵入风淋室。这个概念，称作气泡气闸室，在ASHRAE（美国暖通空调工程师协会）手册3中。
　　风淋室的气压等级应符合NIH附录G和K和欧洲标准EN1620提出的定义，即具有二道门的通道通风重生物隔离区：即通道内有两套自关闭门，从走廊或其它相邻区域通向实验室或生产操作间。更衣室（可选空风淋浴室的）也包括在过道设施内。
　　有文献指出，与相邻的非生物隔离区相比，生物隔离区应始终保持负压，因此气闸门同时误开时，就只有气流从非生物隔离区流入生物隔离区（4），要按非正压洁净区的要求，采取封闭措施防止吊顶和地坪的泄露。
　　提出的各种概念径直地表示在下列图表中，通过图表可以了解在不同状态下室内压力工况的比较，第一张图表表示列级洁净室的压力工况，第二张图表为生物隔离不列级室的压力工况，而第三张图表则是生物隔离列级洁净室的压力工况。
　　气闸室内应采用高速通风，以便缩短气闸室门的开启时间，以免在气闸室内一重门开启时受到相邻房间的交叉污染。
　　按下式计算气闸室的启闭时间
其中:
G = 粒子产生的数量：粒/分钟
V = 房间容积：m3
R = 换气次数：次/分钟
T = 时间：分钟
C0 = 初始浓度：粒/m3
C = 终了浓度：粒/m3
该公式给出二个数据:
1）自净时间（一定悬浮粒子浓度通过设施而达到另一种更洁净状态所需的时间），和
2）自净时间全部完成后，稳定状态下房间的洁净等级（公式为 ）
　　因为进风已经HEPA过滤，故对其所含的粒子浓度可忽略不计。初始浓度多半要考虑气闸室附近不列级房间的洁净度。
　　通过10次换气，使污染减少90%的气闸室计算自净时间约为15分钟，而采用60次换气时计算自净时间为3分钟。所以对ISO7级（10000级）的洁净室来说，换气次数为25-30次即已足够，不需要采用气闸室60次的换气。
　　对类似于生物隔离洁净室的非常封闭的房间来说，压力控制是一个特殊问题。进风量与排风量的差异微小，因此，控制误差意味着风量的变动，对室内的气压产生极大的影响。解决的方案就是预设定静压控制，即调试时，以手工方式平衡阀门达到调整压力的目的，一旦压力调整适当，就应锁定位置。
　　鉴于过滤器会被逐渐堵塞，故必须对HEPA过滤器进风、排风作风速变动补偿，进行再平衡。如果室内压力超过设定范围，附有一级（应急）和二级（紧急）警报装置的气压监控系统发出警报。
静态控制是非常稳定的，室内的气压不因风量的变动而扰动。
　　动态压力控制可引起风量和相关室内气压的扰动，因它依靠排风管上的自动阀门控制室内气压。自动阀门和相关控制环的规格不匹配就会引起排风量的变化，随之，气压高低也就不稳定。
　　如果生物隔离洁净室内装有生物安全柜，则由II级和III级生物安全柜排出的废气经HEPA过滤器过滤后通过建筑物排风系统排至室外。但要注意此种排风系统的连接方式，即可采用套管连接方式，避免出现对安全柜风量平衡或建筑物排风系统的干扰（5）
消毒
　　在医药制造设备安装维修和产品发生突然泄露时应对生产用房进行消毒处理，常用的消毒方法就是对房间进行灭菌（比较有效的消毒药剂就是甲醛）。
　　灭菌应是动态型的，即利用通风系统使蒸气扩散至整个房间。采用这种方式不仅可将生产房间的污染物清除掉，而且还能将通风系统管道中的污染物清除掉。如果使暖通空调系统采用循环工作方式，则能将灭菌剂布满染有悬浮污染物的所有表面。
消毒操作循环表述如下:
生物隔离洁净室的设计
　　隔离常常被划分一次的和二次的，一次隔离设施是安全设备（生物安全柜），密闭容器，封闭式生产系统和其他工程控制装置，这类设备的设计都是为了最大可能地减少潜在的泄漏和溅溢。如完全密闭不可能，但部分密闭，加上有效的排风通风是能够被采用的（在源头隔离）。二次的隔离（外部环境的保护）是这样的一类措施，它保证辅助系统和设备能正常运转。这些辅助系统和设备对工艺过程的支持是必不可少的，并能抑制潜在的化合物向房间环境扩散。
　　二次隔离保护设施内外的工作人员或社区人员免受可能偶然溢散的传染介质的侵害。
　　下图说明一次和二次隔离的界定。
　　进行二次隔离设计必须考虑有关事项，它是能使二次隔离区与外部隔离形成隔离环境所采用的方法，亦即为室内气压的差异（已讨论过）和HEPA过滤器。
　　高隔离区GL3的排风需要用HEPA过滤器过滤。房间的进风也要经过HEPA过滤器过滤，这样做既出于隔离的目的，也为了降低房间内的生物污染的程度。例如在排风系统上用的HEPA过滤器，它就是潜在的污染设备。应装有安全更换式外壳（袋进/袋出），以便在更换过滤器时起到保护工作人员的作用。
　　除上述准则外，设计BL-3级生物隔离设施应遵循下列准则：
　　制造互不相容的产品的不同房间，应各自安有独立的通风采暖空调系统，以免产生交叉污染。
应确保房间密闭，尤其是进管和电缆进线处均要做到很好的密封，不得有任何泄漏。
预设气闸室以便形成有效的气压差，并将生物污染房间与其余房间和设施隔开。
要有备用通风系统（例如预设双份排风风机，与备用发电机相连接，以应机械和电气故障时的急需）。
　　通风系统设备应有单独通道，以便在隔离区外完成维修工作。
　　不得依靠减少风量来节省电源费用：应保持良好的运营条件，连续不断地保证合适的隔离环境。
　　二次隔离的设计概念适用于下图中所表明的BL3设施。
　　考虑到气压分级的重要性，应有音响报警装置和直读式气压计以提醒人们注意，特别是在生物隔离设施的气压发生违反负压条件的相关变化时。
　　以平衡进、回风风量的方式调节室内气压。进、回风风量之差即为房间的泄漏，进出口处，升降口和其它开口处会有泄漏，可按下式对这种泄漏进行评价：
式中：Q=泄漏气流量，m3/sec
A=泄漏面积 m2
△p=压差 Pa
A=泄放系数 0,87
　　在ASHRAE手册中对生物隔离设施的HVAC设计标准也有论述，对不同的生物隔离实验室（6）提出了不同的设计参数和构造规格。
　　如果在生物隔离洁净室内有生物柜一类的密封装置时，便选择通风散流器的类型，使阻力和交叉气流减少到最低程度，这样有利于提高安全柜的密闭性能。
　　采用孔板型进风散流器，能以低诱导和小紊流方式将风送入房间。
　　安全柜孔洞附近剩余抽风风速应小于安全柜面风速的二分之一。
　　最后但不是最重要的一点是确定功能性技术条件，制订这种条件是为了明确控制系统将为何保证系统按规定要求运作。文件详细阐明全部正常的操作顺序，应急模式操作程序：应该规定系统的全部报警记录、事故记录和趋势记录要求，控制逻辑应迅速感知系统故障，并对保持隔离设施相对于邻近区为负压的工况进行响应，不发生突发的事故泄露。
　　通过对每一项潜在系统故障的分析，确定故障是否构成危险或非危险报警条件。危险报警表示系统故障已经发生，这种故障产生损害隔离状况的潜在可能性。非危险报警是一种系统故障，它不引起隔离性能的直接损害，但如果不给予直接注意，便会导致危险报警条件的形成。设置黄色（非危险）和红色（危险）报警可视信号，也有音响报警信号，在BL-3设施的内外都有。对工作在生产房间内的人员来说都应能正确无误地看到和听到报警信号，对要进入生产房间的每一个人来说也是如此。报警显示信号应送到工厂报警网络中心。
测试
　　测试生物隔离洁净室一旦设计结束和建成后，应加以测试和鉴定看是否满足用户的要求。
　　要完成一系列测试，如操作人员舒适性测试，室温、相对温度棗洁净度等级测试棗气流量、悬浮粒子浓度，自净时间，隔离性能测试棗过滤器泄漏测试和室内气压。一切此类测试和相关顺序均规定在ISO标准ISO14644-1“悬浮粒子分级”和ISO14644-3“计量与测试方法”（草案）中。
　　另一项重要的测试对普通的洁净室来说一般是不做的，这就是生物污染泄漏测试，但对生物隔离设施来说是非常重要的。此项测试用来测定含尘空气的可能泄漏，这种泄漏常常发生在负压时的墙角处，生物隔离洁净室就是这种情况，生物隔离洁净室中出于污染防止的需要往往采用负气压。
完整的污染防止泄漏测试的顺序如下（摘自ISO14644-3中）。
污染防止泄漏试验
应用范围
　　采用本项测试确定周围等压或不同静压的非控区产生的污染空气是否侵入洁净工作区。
注：本测试也适用于ISO 5级至9级洁净室。
程序：离散粒子计数器（DPC）方法
　　测量紧靠洁净室空间外面待评估表面或门道口附近的粒子浓度。此项浓度应大于洁净室浓度的104倍，并在所测粒径条件下，至少应达到3.5×106粒/m3。如果浓度少于此，则以气溶胶来增大浓度。
　　检查建筑物连接或裂缝处的泄漏，在距离封闭结构内部的连接缝、密封缝或连接表面5至10厘米处进行扫描检测，扫描速率约为5厘米/秒。
　　检测门敞开的门道的漏风量，测试封闭结构内部的浓度，距离为离敞开门0.3至3.0米。
　　记录和报告所有比例得外部相应粒径气溶胶粒子浓度超过10-3倍的读数。
　　注:在本次测试中测点位置和数量可按业主和供应商的协议确定。
　　程序:光度计方式
　　生成洁净室外的气溶胶，其浓度应高得足以使光度计值超过0.1%设定值。
　　光度计读出的设定值为0.1%，有0.01%超值即便指示泄漏。
　　检测结构连接缝，裂缝或密封缝的泄漏，在距离测试密封缝表面和连接缝处5-10厘米，扫描测试封闭结构内部，扫描速率约为5厘米/秒。测试敞开式门所得泄漏，至距离敞开门0.3至1米处测试封闭结构内部的浓度。
　　记录和报告超过光度计刻度值0.01%的全部读数。
仪器
　　人工气溶胶生成源。
　　离散粒子计数器（DPC）或光度计，它们应具有0.5μ及更小粒径的读出能力。
　　仪表应具有有效的校准鉴定证书。
数据报告
　　按照业主与供应商的协议，应记录下列信息和数据。
1、数据收集技术
2、测试点位置
3、压差和温度
4、使用状态