摘要：對于規(guī)模比較小的生產(chǎn)運作，如何在有限的預(yù)算內(nèi)對現(xiàn)有的空間進行改造升級、達到工藝的要求？在當(dāng)前的經(jīng)濟形勢下，隨著各行各業(yè)對納米技術(shù)的研究和分析投入明顯增加，針對小規(guī)模潔凈實驗室的需求呈現(xiàn)明顯的增長勢頭。在制造業(yè)、企業(yè)的研發(fā)中心和學(xué)術(shù)單位的研究機構(gòu)中，需要大量的這種小規(guī)模潔凈實驗室。不管是供汽車和包裝材料使用的復(fù)合材料，在涂料、光學(xué)、生物和化學(xué)檢測系統(tǒng)中，在抗菌劑中，還是用于癌癥治療、給藥、成像技術(shù)、診斷和監(jiān)測等應(yīng)用上，它們都需要大量的新型潔凈室，這是在過去未曾遇到的。

對于規(guī)模比較小的生產(chǎn)運作，如何在有限的預(yù)算內(nèi)對現(xiàn)有的空間進行改造升級、達到工藝的要求？

在當(dāng)前的經(jīng)濟形勢下，隨著各行各業(yè)對納米技術(shù)的研究和分析投入明顯增加，針對小規(guī)模潔凈實驗室的需求呈現(xiàn)明顯的增長勢頭。在制造業(yè)、企業(yè)的研發(fā)中心和學(xué)術(shù)單位的研究機構(gòu)中，需要大量的這種小規(guī)模潔凈實驗室。不管是供汽車和包裝材料使用的復(fù)合材料，在涂料、光學(xué)、生物和化學(xué)檢測系統(tǒng)中，在抗菌劑中，還是用于癌癥治療、給藥、成像技術(shù)、診斷和監(jiān)測等應(yīng)用上，它們都需要大量的新型潔凈室，這是在過去未曾遇到的。

 

很多時候，這些潔凈實驗室都是在現(xiàn)有空間的基礎(chǔ)上進行改造。最近，我們注意到很多公司和研究機構(gòu)正在考慮租用工廠作為新型受控實驗室使用。有的公司甚至打算把租來的、原本不是作為實驗室使用的工廠改造成潔凈實驗室，更不用說改成潔凈室了，這使問題變得更復(fù)雜。對大部分公司和研究所來講，對現(xiàn)有工廠進行改造和升級或更新租用的工廠，有許多相同的問題，本文將對部分問題展開討論。

 

幾個星期前，有一個客戶到我們公司，提出希望我們能夠針對他的業(yè)務(wù)設(shè)計一座全新的潔凈實驗室。作為該實驗室的投資者，他表示，“我們物色到一處極佳的建筑，打算把它租下來”。從租賃的角度看，所謂最佳的建筑無非是位置和外觀，但是從必要進行有效的污染控制環(huán)境研究這方面來說，它與完美相差甚遠。在設(shè)計潔凈實驗時，所要考慮的關(guān)鍵問題遠遠多于創(chuàng)建一個潔凈環(huán)境。

 

人們的思路往往是把潔凈室看成購買一個預(yù)先造好的標(biāo)準化盒子，然后在現(xiàn)有的廠房內(nèi)把盒子安裝好，再給照明系統(tǒng)和風(fēng)扇通上電，這個工廠就可以運作了。但是，這些東西只是符合了潔凈室的最低要求，這種觀點對于絕大多數(shù)潔凈室工廠來講，都不合適。

 

在評估一個可能成為實驗室的空間時，首先要考慮的是如何才能使現(xiàn)有的建筑按照相應(yīng)的程序達到預(yù)期的功用，使之符合實驗室的要求。簡而言之，首先要明確實驗室所需遵循的程序。然后，對實驗室程序進行分類，可以分為以下五種。每一套程序都有各自需要關(guān)注的問題。并不是在設(shè)計潔凈室時使用的，而是在評價潔凈實驗室工廠是否合適時所需關(guān)注的問題清單：

 

1、工藝設(shè)備

• 要求的環(huán)境條件（潔凈度水平、溫度、濕度）；

• 總面積（操作面積加上維護通道）；

• 高度和寬度（入口通道的凈空，以及安裝升降機的凈空）；

• 重量（現(xiàn)有建筑物結(jié)構(gòu)所能承載的負荷）；

2、與工藝相關(guān)的外部供應(yīng)

• 供給建筑物的水質(zhì)；

• 實驗室廢棄物排放；

• 高純度水（RODI、WFI、蒸餾水）；

• 真空、CDA；

• 氣體和化學(xué)物質(zhì)（危險性和高純度）；

• 工藝廢氣；

• 電源（可用電壓、可靠性和品質(zhì)）；

3、安保措施

• 危險材料（廢物的傳送、裝卸、儲存、收集/處理）；

• 人流和化學(xué)/氣流的分離；

• 現(xiàn)場和建筑物的可達性；

• 各國對危險材料的安全要求或規(guī)定；

4、總的空間要求

• 可以改造的或者租用的空間；

• 實驗室空間；

• 實驗室的后備空間（設(shè)備室、化學(xué)和氣體儲存室）；

• 潔凈室的后備空間（更衣室、設(shè)備室）；

• 潔凈室的機械空間（循環(huán)空氣單元[RAU]、冷凍機、加濕器、供水等用房）；

• 潔凈室的電氣空間（電氣室、服務(wù)器機房、IT柜、應(yīng)急發(fā)電機）；

• 可用的屋頂空間；

5、預(yù)算和進度

• 施工準入限制；

• 干預(yù)正在進行的活動；

• 施工截止時間的可行性。

設(shè)計要求

在展開設(shè)計、最好是制定計劃之前，第一步是對現(xiàn)有的設(shè)施展開調(diào)查，以確定現(xiàn)有圖紙（如果圖紙已準備）是否真實反映了實際的現(xiàn)狀。

 

在建筑物中，現(xiàn)有系統(tǒng)有可能會成為設(shè)計的障礙，這種問題往往會出現(xiàn)在HVAC主管道、供水和/或排水管道，或者其他的基礎(chǔ)架構(gòu)中。

 

現(xiàn)有的屋頂條件應(yīng)當(dāng)達到可以放置排氣和機械設(shè)備的要求。

 

施工前的準備

在調(diào)查現(xiàn)有的條件的同時，還要調(diào)查市場條件是否與現(xiàn)有的工廠條件相符，并且掌握現(xiàn)有的條件是否符合工程進度和性能的要求。在選擇材料時，主要考慮的是可用性能否達到進度要求。

 

材料、設(shè)備和工人的進出必須在擬定施工前的規(guī)劃時就做好安排，保證供應(yīng)商的人員能夠及時進入施工區(qū)域，不會在施工現(xiàn)場因準入問題浪費時間。解決準入問題的最理想的辦法很可能是設(shè)置一個臨時通道和更衣室。在規(guī)劃過程中，把施工入口分開看似一種奢侈的做法，但此舉在施工過程中所發(fā)揮的作用足以抵消其支出。

 

在裝運和存儲材料及元件時有潔凈與非潔凈之分，因此它必須納入改造計劃和進度的整體規(guī)劃。正確的材料處理措施能夠大幅度降低勞動成本并降低污染。不斷搬動材料和轉(zhuǎn)移材料，存在著材料受損壞的風(fēng)險，最終影響改造項目的進度。完善的計劃再加上有效的施工管理可以保證材料準時交付，而且也簡化了安裝過程中材料的分段輸送。要做到這些，需要縮小材料輸送所需空間，并提高它的靈活性。

 

因為在整個施工期間始終要保證施工區(qū)域與周圍空間是分隔開的，所以在設(shè)計階段就要做好規(guī)劃。需要考慮的問題包括天花板上方空間、管道系統(tǒng)內(nèi)、靜壓空間、回風(fēng)夾墻、液體輸送管道和地板下方空間，最大限度地減小拆除和/或者改造施工造成的污染，并遏制污染。

 

 

建筑結(jié)構(gòu)問題

要在潔凈室中安置所有必要的輔助設(shè)備，通常會出現(xiàn)空間不夠的狀況。這迫使設(shè)計人員利用外部設(shè)備平臺或者在屋頂上安置設(shè)備。為保證建筑物結(jié)構(gòu)通過改造后可以承載負荷，這就需要分析建筑物的結(jié)構(gòu)。

 

在潔凈室上方，從屋頂向下懸掛設(shè)備也是很常見的。一些建筑的耐用度甚至超過相關(guān)設(shè)計的要求，足以支撐額外的負荷；但是，其他建筑物，特別是租來的建筑物，往往只是按照居住標(biāo)準設(shè)計的，無法承受額外的重量。如果有這種要求，就需要加固現(xiàn)有建筑物的結(jié)構(gòu)，達到支撐新負載的要求。

 

把對振動敏感的設(shè)備安放在振動平臺或者振動桌子上，可能是解決振動問題的最好辦法。更新改造現(xiàn)有建筑物結(jié)構(gòu)體系的成本很高，在建造好的空間內(nèi)，可以利用振動測試的辦法把一些要求有剛性的區(qū)域找出來。

 

要想把某個空間改造成潔凈實驗室，另一個關(guān)注點是從地板到結(jié)構(gòu)頂部的凈空。那些專用來出租出售的建筑物，其高度可能低于潔凈室的最低要求，不能為潔凈室天花板上方留出一定的空間。十二英尺是改造成潔凈室所要求的最低高度?？上У氖?，很多寫字樓和投機性建筑物樓層之間的距離只有十二英尺高，但是從房頂上向下凸出的結(jié)構(gòu)性橫梁的緣故，很難把這類建筑物改造成潔凈實驗室。

 

HEPA過濾器氣流

機械系統(tǒng)設(shè)計人員即將面臨的挑戰(zhàn)是，如何安裝大型空氣處理器或者風(fēng)扇，以及如何在現(xiàn)有建筑物內(nèi)部署大量的管道系統(tǒng)。不過，規(guī)模較小的潔凈室工廠可以使用風(fēng)機驅(qū)動的HEPA過濾組件（FFU）作為過濾系統(tǒng)。根據(jù)總的原則，過濾器不要超過20個，風(fēng)機驅(qū)動的HEPA模式設(shè)計的價格要比更常見的管道供應(yīng)系統(tǒng)便宜。使用空氣調(diào)節(jié)強制通風(fēng)和風(fēng)機驅(qū)動組件，可以作為標(biāo)準的空調(diào)設(shè)備和常規(guī)管道使用，這種管道不需要通過密封處理來滿足增壓的要求，因此制造和安裝成本都比較低。

采用風(fēng)機驅(qū)動的HEPA過濾組件具有下列優(yōu)點：

• 安裝成本比RAU低；

• 安裝速度要比管道空氣系統(tǒng)更快；

• 隨著時間的推移，如果需要改變過濾器位置，使之具有更好的靈活性；

• 停機的可能性要比單一的RAU少。如果一個FFU馬達不工作，氣流將減少5%甚至更少；但如果一個RAU風(fēng)扇馬達出現(xiàn)故障，氣流減少100%。

當(dāng)然，風(fēng)機驅(qū)動組件也存在一些缺陷：

• 與RAU系統(tǒng)相比，要做到精確控制溫度和濕度的難度更大；

• 由于使用了多個0.5馬力的馬達，因此耗電量更大；

• 噪聲較大，不過在最近的風(fēng)扇過濾器產(chǎn)品中，馬達噪聲的問題已經(jīng)有了很大的改善；

• 維護成本較高，維護時間較長。

• 
  

溫度問題

從舒適和工藝要求兩方面考慮，必須有效地控制潔凈室內(nèi)的溫度。在ISO 7級（10,000級）或ISO 6級（1,000級）實驗室中，潔凈室的溫度保持在72°±2°F左右，工作人員穿著工作服的舒適度最好。在要求更加嚴格的潔凈室內(nèi)的工作人員必須身穿全套的“兔子服”，這時，必須把潔凈室的溫度控制在66°±2°F是最適宜。

 

設(shè)計用途不是作為潔凈室使用的建筑物可能無法與周邊環(huán)境完全隔離。這些建筑物大部分都有窗戶，在一天里，總會有熱量通過窗戶傳入或逸出潔凈室，這會對潔凈室里的實驗操作產(chǎn)生不利影響。因此需要注意防止實驗室受到外部熱源溫度變化的影響。

 

濕度

許多關(guān)于溫度控制的問題也適用于濕度控制。確定值和誤差都要符合應(yīng)用的實際需要。如果溫度保持在合適的水平，相對濕度（RH）在30-65%的范圍會讓人感到比較適宜。如要求達到更窄的濕度誤差，一般只是工藝方面的要求。對于現(xiàn)有的建筑物而言，提高濕度控制意味著巨大的成本。在干燥區(qū)域，加濕的成本很高。而在潮濕區(qū)域，需要去濕。在大部分區(qū)域內(nèi)，如果要求RH的誤差達到±5%，就必須把加濕設(shè)備和去濕設(shè)備整合到機械系統(tǒng)中。

 

壓力

控制潔凈空間和非潔凈空間之間的壓力差并不是件難事。不過，如果夾墻或者回風(fēng)豎井是由現(xiàn)有的建筑物墻壁或者預(yù)制板構(gòu)成，那么它們可能無法承受任何壓力。所有的這類空間都需要充分密封。最常見的情況是，最嚴格潔凈空間的壓力最高，其壓力一般要比周圍潔凈度要求較低的空間高出0.02英寸水柱（in. w.c.），比相鄰的非潔凈空間高出0.05英寸水柱。

使用生物隔離防護的潔凈室，室內(nèi)壓力必須比周圍相鄰空間的要低，同時確保潔凈室空間是密閉的、污染物無法進入?！霸跐崈羰覂?nèi)再專門分割出一個房間”也不失為一種可行的辦法。此外，還可以采用“單通道”的配置。這類房間要盡可能地小，為的是能夠滿足處理的要求。

 

工藝管道

工藝管道的作用是輸送冷卻水、去離子水、大宗氣體，同時也是專用的排放系統(tǒng)。在現(xiàn)有的建筑物中，中央管道系統(tǒng)在整合時可能會遇到一些特殊問題。按照常規(guī)，用有效的方式安裝冷卻器和高純度水系統(tǒng)的難度很大。在實驗室級的潔凈室中，任何通過有害氣體的管道都必須緊挨著處理設(shè)備，不管是在潔凈室里還是在鄰近的夾墻中。

消防問題

潔凈室的噴水消防系統(tǒng)可以很容易地直接從現(xiàn)有的供水管道向下延伸到潔凈室的天花板。由于潔凈室中可能使用了易燃劑，這導(dǎo)致潔凈室噴水滅火系統(tǒng)的復(fù)雜程度更高。鑒于潔凈室使用的處理設(shè)備都非常貴，通常的做法是在不使用時，安裝在天花板上的噴水滅火系統(tǒng)要保持干燥。

 

電氣問題

現(xiàn)有的供電系統(tǒng)可能也需要對容量和應(yīng)急發(fā)電機這兩部分進行改進?，F(xiàn)有的供電系統(tǒng)可能無法為潔凈實驗室設(shè)施提供可靠的應(yīng)急電源，因為這超出了保證生命安全要求的法定應(yīng)急供電范圍。因此，可能需要安裝不間斷電源來保證關(guān)鍵的工藝設(shè)備能安全地關(guān)機。

 

建筑上的挑戰(zhàn)

對目前建筑物進行初次改造和拆除，必須嚴格按照預(yù)定的計劃，把材料從潔凈實驗室改造區(qū)域移出去并且作正確的處理。放慢這項重要工藝的推進速度能夠最大限度地減少污染，預(yù)先確定危險材料并且按照規(guī)定移走和處理。

 

每天把會產(chǎn)生微粒的材料從潔凈實驗室的施工現(xiàn)場運走。建立中轉(zhuǎn)區(qū)域，通過該區(qū)域把材料運進和送出施工現(xiàn)場。工作人員必須佩戴員工牌，表明他的身份是在關(guān)鍵環(huán)境中還是在非關(guān)鍵環(huán)境中工作的人員。明確在整個施工期必須遵守的而且是可以接受的規(guī)定。

 

被確定為在修復(fù)后可以重新安裝或者再次使用的產(chǎn)品，一經(jīng)確定就要馬上送到中轉(zhuǎn)區(qū)域進行清洗、包裝和儲存。在重新安裝時，需要把它們的包裝打開，然后根據(jù)材料準入?yún)f(xié)議進行清潔。

 

所有材料都要視為新材料并遵循材料準入規(guī)定。施工必須嚴格遵循潔凈建造協(xié)議，而且每天都必須清洗潔凈實驗室施工區(qū)域。最好在把所有臨時施工隔離物移出去之前，進行最后的（全面）清潔。然后，根據(jù)材料準入?yún)f(xié)議，設(shè)備通過中轉(zhuǎn)區(qū)域運送到施工區(qū)域，再根據(jù)運作協(xié)議條件把設(shè)置放在指定位置。

 

利用現(xiàn)有空間建造實驗室級潔凈室竟然要考慮這么多的問題。有人會問，有沒有人能夠提供在租賃的空間中建造潔凈實驗室的方案？在目前的經(jīng)濟形勢下，這不是個容易回答的問題。但是，現(xiàn)在已經(jīng)有這類實例。