Filtry hepa i ulpa w laboratoriach oraz salach operacyjnych – standardy czystości powietrza

W standardowej wentylacji biurowej czy domowej filtry mają za zadanie chronić nasze płuca przed smogiem i alergenami, a urządzenia przed kurzem.

Jednak gdy przekraczamy próg bloku operacyjnego, laboratorium mikrobiologicznego (BSL) lub cleanroomu w fabryce półprzewodników, zasady gry ulegają drastycznej zmianie. Tutaj powietrze nie może być po prostu „czyste” – musi być sterylne. Pojedynczy pyłek, zarodnik grzyba czy bakteria przenoszona na drobinie naskórka to w tych środowiskach śmiertelne zagrożenie dla pacjenta na stole operacyjnym lub czynnik zdolny zniszczyć partię leków wartą miliony złotych. W tych krytycznych strefach absolutnym fundamentem bezpieczeństwa są filtry absolutne: HEPA oraz ich jeszcze bardziej zaawansowana ewolucja, filtry ULPA.

Aby zrozumieć, dlaczego filtry absolutne są tak skuteczne, trzeba najpierw obalić popularny mit: filtry HEPA/ULPA nie działają jak zwykłe sitko. Ich skuteczność opiera się na gęstej matrycy losowo ułożonych mikrowłókien szklanych oraz trzech zjawiskach fizycznych, które wyłapują cząsteczki niezależnie od ich rozmiaru:

• Zderzenie (Impaction): Największe cząstki (powyżej 1 µm), z racji swojej bezwładności, nie potrafią ominąć włókien wraz ze strumieniem powietrza – uderzają w nie bezpośrednio i przyklejają się.
• Przechwycenie (Interception): Cząstki średniej wielkości poruszają się wraz ze strumieniem powietrza, ale gdy przepływają zbyt blisko włókna (w odległości mniejszej niż ich promień), ocierają się o nie i zostają uwięzione.
• Dyfuzja (Diffusion): Zjawisko kluczowe dla wychwytywania wirusów i nanocząstek (poniżej 0,1 µm). Tak małe cząstki podlegają ciągłym kolizjom z cząsteczkami gazu (tzw. ruchy Browna), przez co poruszają się chaotycznym zygzakiem. Ten „pijany chód” sprawia, że prędzej czy później wpadają na włókno szklane, mimo że są od niego wielokrotnie mniejsze.

Hepa czy ulpa? różnice w klasach i zastosowaniu (norma en 1822)

Dobór odpowiedniego filtra absolutnego jest rygorystycznie regulowany przez normę EN 1822 (i odpowiednik ISO 29463). Filtry te dzieli się na klasy na podstawie ich skuteczności wobec tzw. MPPS (Most Penetrating Particle Size) – czyli cząsteczek o rozmiarze najtrudniejszym do wychwycenia (zazwyczaj w okolicach 0,12 – 0,3 µm).

Klasyfikacja cleanroomów (iso 14644-1) a układ nawiewu

Samo zamontowanie filtra HEPA H14 na końcu kanału wentylacyjnego nie wystarczy, aby stworzyć sterylną salę operacyjną. Liczy się również to, w jaki sposób przefiltrowane powietrze omywa strefę roboczą. Pomieszczenia czyste (Cleanroomy) klasyfikuje się według normy ISO 14644-1, od ISO 1 (najczystsze) do ISO 9.

W nowoczesnych salach operacyjnych (wymagających standardu ISO 5 lub ISO 7) stosuje się tzw. stropy laminarne. Nad stołem operacyjnym znajduje się potężny nawiewnik o powierzchni kilku metrów kwadratowych, w całości wyłożony filtrami HEPA. Wytwarza on jednostajny, laminarny (tłokowy) przepływ sterylnego powietrza skierowany pionowo w dół. Strumień ten niczym niewidzialna kurtyna omywa pole operacyjne z prędkością ok. 0,25 m/s, błyskawicznie „zdmuchując” wszelkie zanieczyszczenia generowane przez personel medyczny (naskórek, pot, wydychane aerosole) prosto do kratek wyciągowych umieszczonych przy podłodze.

Test Integralności (Test PAO / DOP): Nawet najdroższy filtr HEPA staje się bezużyteczny, jeśli jego ramka nie dolega idealnie do obudowy lub jeśli mikrowłókno zostało przypadkowo zadrapane podczas montażu. Dlatego po każdej instalacji filtra na bloku operacyjnym lub w laboratorium przeprowadza się obowiązkowy test szczelności (walidację). Do kanału wpuszcza się syntetyczny aerozol badawczy (często olej PAO), a inżynier za pomocą precyzyjnego fotometru „skanuje” milimetr po milimetrze powierzchnię filtra i jego uszczelki w poszukiwaniu najdrobniejszych przecieków.

Najczęściej zadawane pytania (faq)

Czy filtry HEPA są w stanie wyłapać wirusy, skoro są one mniejsze niż 0,3 µm?

Zdecydowanie tak! To jedno z najczęstszych nieporozumień. Mimo że sam wirus (np. SARS-CoV-2) ma wielkość około 0,1 µm, to niemal nigdy nie unosi się w powietrzu samodzielnie. Wirusy podróżują na tzw. nośnikach – mikrokropelkach śliny, aerozolach czy drobinach kurzu, które są znacznie większe (zazwyczaj od 1 do 5 µm) i bez problemu blokowane przez mechanizm zderzenia i przechwycenia. Co więcej, nawet jeśli „nagi” wirus trafi do filtra, mechanizm dyfuzji (ruchy Browna) wyłapuje cząsteczki o rozmiarach 0,1 µm i mniejszych ze skutecznością bliską 100%.

Jak często wymienia się filtry absolutne w strefach krytycznych?

Filtry HEPA/ULPA wymienia się na podstawie pomiaru końcowego oporu przepływu (spadku ciśnienia na manometrze różnicowym) lub w przypadku negatywnego wyniku rocznego testu integralności (PAO). W prawidłowo zaprojektowanym systemie z doskonałą wielostopniową filtracją wstępną (np. ePM10 + ePM1), filtry absolutne potrafią bezpiecznie pracować w sali operacyjnej od 2 do nawet 5 lat.

Czym różni się filtr ULPA od HEPA w budowie fizycznej?

Wizualnie filtry te wyglądają niemal identycznie. Kluczowa różnica tkwi w samej matrycy filtracyjnej – papier w filtrach ULPA ma znacznie gęstszą strukturę, a średnica pojedynczych mikrowłókien szklanych jest jeszcze mniejsza. Niestety, gęstsza struktura sprawia, że filtry ULPA stawiają powietrzu gigantyczny opór aerodynamiczny (spadek ciśnienia), co wymaga zastosowania znacznie potężniejszych (i głośniejszych) wentylatorów w centralach AHU (Air Handling Unit) – https://www.filtrowanie.com.pl.

Co to jest filtr HEPA z żelem poliuretanowym (uszczelnienie płynne)?

W standardowych instalacjach filtr uszczelnia się do ramy za pomocą płaskiej uszczelki z gumy EPDM lub neoprenu. W systemach o krytycznej czystości (laboratoria BSL, farmacja) stosuje się system uszczelnienia żelowego (Fluid Seal). W ramce filtra znajduje się wyprofilowany rów wypełniony specjalnym, nietwardniejącym żelem poliuretanowym lub silikonowym. Element obudowy w postaci stalowego „noża” wciska się w ten żel, tworząc absolutnie hermetyczną i niezawodną zaporę dla powietrza, niwelującą wszelkie nierówności ramy montażowej.