Control de partículas en sistemas de ventilación

Suministrar aire en sistemas convencionales maneja parámetros de calidad de aire interior. En el caso de cuartos limpios, existe un control más riguroso en el número de partículas, pues la finalidad de estas instalaciones es distinta a las aplicaciones de sistemas de aire en oficinas o escuelas

Joel Hernández

Un cuarto limpio es aquel en el que existe control de partículas de aire y contiene una o más zonas limpias; se construye y usa de tal manera que se minimice la introducción, generación y retención de partículas dentro del cuarto. Por lo tanto, los parámetros que se controlan de forma más relevante son la temperatura, la humedad y la presión, adecuándolos a las necesidades requeridas.

Los espacios se clasifican en función de la limpieza del aire contenido en su interior. La forma más común, simple y entendible es la que establece la Federal Standard 209, hasta su edición D, en la cual se mide el número de partículas con tamaño igual o mayor a 0.5 micras en un pie cúbico de aire.

Sus valores son los siguientes:

El Federal Standard 209D se sustituyó por el 209E, siendo este último la versión métrica del anterior.

Actualmente, la manera de clasificar los cuartos por su nivel de limpieza la proporciona el estándar o Norma ISO 14644-1. La clasificación ISO está basada en una ecuación:

Cn = 10N x (0.1 / D) 2.08

Cn representa la máxima concentración permitida (en partículas por m³ de aire) de partículas suspendidas que son iguales o mayores que el tamaño de partícula considerada. Cn se redondea al número entero más cercano.

N es el número de Clase ISO, el cual no debe exceder el valor de 9. Pueden determinarse números de clase ISO intermedios, siendo 0.1 el incremento menor permitido de N.

D es el tamaño de partícula considerada en micrómetros, µm.

1.1 es una constante con una dimensión de micrómetro, µm.

La ecuación anterior se escogió para que los límites de clase impuestos por el Federal Standard en su punto de referencia de 0.5 µm se aproximaran a aquellos de la norma ISO. Lo anterior permite una armonización entre el Federal Standard y el ISO para facilitar el entendimiento de este último.

Es necesario que se tome en cuenta que el nivel de contaminación suspendida en el aire de un cuarto limpio depende de las actividades de generación de partículas que se llevan a cabo en él. Si un cuarto está vacío, se pueden alcanzar concentraciones muy bajas de partículas; tales concentraciones reflejan la calidad del aire que se suministra y, por lo tanto, la eficiencia de eliminación de partículas de los filtros que se usan. Si el cuarto tiene equipo de producción y está operando, habrá una mayor concentración de partículas, y la máxima concentración ocurrirá cuando el cuarto se encuentre en plena producción. Entonces, la clasificación de un cuarto limpio puede hacerse cuando el cuarto está en diferentes estados de ocupación: as built, en reposo u operacional.

Con la aplicación de la fórmula del ISO 14644-1 se produce la siguiente tabla, que presenta clases de limpieza con la concentración de partículas que les corresponden en función de los tamaños de partículas iguales o mayores a los indicados.

Cuartos limpios en México y sus sistemas de ventilación
La industria farmacéutica utiliza los cuartos limpios para la fabricación de medicamentos con el objetivo de asegurar su calidad y que estén libres de contaminación. Las clases típicas en estas instalaciones corresponden a la ISO Clase 5 e ISO Clase 8. La primera se utiliza para llenado y operaciones asépticas y estériles.

Otra industria usuaria de los cuartos limpios es la industria electrónica, donde los procesos y materiales que se utilizan involucran dimensiones próximas al nivel molecular; por lo tanto, algunos de ellos requieren ambientes totalmente libres de contaminantes. Las clases de limpieza típicas en estas instalaciones corresponden a ISO Clase 2 e ISO Clase 8.

También se encuentran cuartos limpios en la industria alimentaria, aeroespacial, automotriz; en metrología, óptica, dispositivos médicos, biotecnología, etcétera.

Los sistemas de ventilación que destacan en la aplicación son los siguientes:

• Unidades integradas de ventilador-filtro (FFU, por sus siglas en inglés)
• Filtros High Efficiency Particulate Air con ductos desde la unidad manejadora de aire
• Pleno presurizado

Para su selección se lleva a cabo un análisis entre la configuración del edificio, el costo inicial de la inversión y la facilidad de construcción que tengan.

Normalmente, los sistemas de ventilación están conformados por unidades manejadoras de aire de doble pared aislada con las etapas de filtración necesarias, con el propósito de cumplir con la clasificación para la cual han sido destinadas; así como por el ventilador de circulación de aire y, en la mayoría de los casos, sistemas de enfriamiento, calefacción y control de la humedad.

Las manejadoras están conectadas a conductos metálicos que transportan el aire hasta los puntos de suministro a los cuartos, los cuales pueden ser filtros HEPA o difusores, dependiendo de la clasificación del cuarto.

En el caso de cuartos limpios con clasificación ISO Clase 5 o más limpios se debe tener un patrón de flujo unidireccional (laminar) a través de toda la superficie del cuarto, mientras que para ISO Clase 6 y menos limpios es posible contar con un flujo no unidireccional o mezclado.

Los esquemas siguientes ilustran los patrones de flujo de aire que se pueden encontrar en los cuartos limpios

En todos los casos se considera obtener un control de la contaminación en el cuarto, que depende de su clasificación; para ello, se selecciona la forma de suministro de aire que puede mantener la concentración de partículas por debajo del límite establecido por la norma y el menor costo posible.

Por otro lado, la instalación de los sistemas de ventilación en cuartos limpios presenta dificultades adicionales a las de un sistema típico de aire acondicionado y residen en el control de la fabricación de los elementos, su ensamble y los requerimientos de sellado para evitar totalmente las infiltraciones de aire contaminado. Los conductos para llevar el aire desde las unidades manejadoras hasta introducirlo en los cuartos limpios deben mantener una limpieza adecuada durante su instalación y, además, estar totalmente sellados y pasar pruebas de hermeticidad que miden la cantidad de fugas (litros/s) por unidad de superficie de los conductos.

La integración de los gabinetes o cajas de filtros terminales en el techo de cuartos limpios tiene que hacerse de manera tal que no haya posibilidad de ingreso de materiales contaminantes provenientes del exterior del cuarto, y la conexión de los conductos a los gabinetes o cajas de filtros terminales debe también sellarse totalmente. Al instalar filtros terminales se les han de realizar pruebas de integridad antes de iniciar la operación del cuarto limpio.

Igualmente, el sistema completo se sujetará a las pruebas necesarias para calificar y validar su funcionamiento correcto. Deben prepararse los protocolos correspondientes para ejecutar las calificaciones del sistema y validar que se cumplen los objetivos del proyecto, pues todo debe quedar completamente documentado.

Sistemas de filtración en cuartos limpios
La filtración del aire de suministro al cuarto limpio es primordial para mantener la concentración de partículas que se requiere con el propósito de cumplir con la clasificación del cuarto. La limpieza de un cuarto limpio ventilado convencionalmente (sin flujo unidireccional) depende de la cantidad y calidad de aire suministrado y a su eficiencia de mezclado del aire. Generalmente hablando, un cuarto limpio tendrá suficiente suministro de aire para lograr un buen mezclado; por lo tanto, la calidad de aire en el cuarto dependerá únicamente de la cantidad y calidad del aire que entre. Es importante entender que la limpieza de un cuarto limpio depende del volumen de aire suministrado por unidad de tiempo y no de la tasa de cambios de aire.

De esta manera, la calidad del aire de suministro debe ser grande, portando la mínima cantidad de partículas suspendidas para que en su movimiento, a través del cuarto, sea capaz de remover las partículas generadas, conducirlas hasta los filtros y eliminarlas antes de volver al cuarto.

Los filtros que se emplean en los cuartos limpios son de alta eficiencia; pueden eliminar, del aire de suministro al cuarto, partículas pequeñas de hasta 0.3 micrómetros (µm) y mayores con una eficiencia mínima de 99.97 por ciento. A estos filtros se les conoce como HEPA.

También se usan filtros de aire Ultra Low Particle Air Filter (ULPA, por sus siglas en inglés) con eficiencias mayores a 99.999 por ciento en partículas de 0.1 X 0.2 µm.

En el techo de los cuartos limpios se suelen instalar filtros terminales de alta eficiencia, HEPA o ULPA para introducir el aire directamente al cuarto.

La instalación de un cuarto limpio tiene como propósito principal mantener el control de la contaminación, para llevar a cabo actividades productivas que así lo requieren. Involucra un alto grado de inversión, además de cumplir con los procedimientos, controles y auditorías de aseguramiento de calidad, propias de la empresa o de la autoridad competente, por lo que es indispensable cumplir con la reglamentación.

Comúnmente, las normas contienen la parte propiamente normativa y la informativa. Esta última contiene consejos o recomendaciones útiles y frecuentemente forma parte de los anexos de la Norma. Puesto que las normas están elaboradas de una manera general y no son específicas para alguna aplicación no proporcionarán, por lo tanto, soluciones de ingeniería ni detalles; sin embargo, pueden usarse los anexos de las normas, como la ISO 14644-1, o bien, las Prácticas Recomendadas (RP) de instituciones como el IEST, así como utilizar personal o consultoras con experiencia en el ramo.
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Ing. Joel Hernández Álvarez
Es egresado de la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas del Instituto Politécnico Nacional. Tiene experiencia en la aplicación de sistemas de aire acondicionado para cuartos limpios, diseño de cámaras de estabilidad, control de contaminación y manejo de ceniza volante en plantas de generación carboeléctricas. Actualmente es director General de Tetraa.