洁净室技术常识
1、什么是洁净室技术?

如图1.1所示,可以把洁净室技术分成三大范畴。这些范畴与洁净应用是对应的,即从他决定购买洁净室开始,最后到洁净室运行为止。1


图1.1洁净室技术的各个组成部分机器相互关系

首先,必须进行设计并建造出洁净室。为此,必须考虑:

(1)应采用什么设计标准;

(2)做何种设计平面布置图、使用何种建筑材料;

(3)如何向洁净室提供各种设施。

其次,洁净室已安装好并工作时,必须测试其是否符合设计规定。应在洁净室的寿命期中继续对其进行监测,以确保其仍然达到规定的设计要求。

最后,洁净室必须正确运行,这样所制造的产品才不至于受到污染。这就要求从人员与材料的入场,到服装的选择、洁净室的规定、洁净室的清洁都必须正确地予以实施。

2、洁净室的由来

早期,第一批洁净室最早出现于医院。劳得·李斯特意识到细菌可引起外科伤口的感染,这就是他的历史性贡献。他想到,从手术室中清除细菌应可防止感染。这就是一批洁净室的科学理论基础。

李斯特在19世纪80年代使用杀灭细菌的饿灭菌剂(酚),大大降低了苏格兰格拉斯哥市皇家医院手术室的感染。他把酚于手术器械、伤口、外科医生手上,并将酚喷撒于空气中来防止空气传播的感染。

图2.1是1889年拍摄的一组外科医生的照片。这些苏格兰阿伯丁皇家医院的外科医生使用李斯特喷雾器,向手术室的空气中喷洒酚。这张照片有几处很有意思。虽然李斯特喷雾器具有历史性的意义,但对减少悬浮细菌其作用恐怕是微乎其微的。照片中右数第3人是外科医生奥格斯顿。是他发现了金黄色葡萄球菌。无论过去和现在,金黄色葡萄球菌都是引起伤口败血症的罪魁祸首。看一看当时穿着的服装式样颇为有趣。这些照片恐怕是摆好姿势后拍照的,但仍可看出那时进行外科手术是不穿灭菌(甚至是>洁净)防护服的。外科医生做手术时常常一件旧的、长外罩工作服,上面沾有脓血和细菌。他也可能穿件带袖围裙或长外衣,但这是为了保护医生自己不沾血液,而不是为了保护病人不受细菌感染。

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图2.1 使用李斯特蒸汽喷雾器的一组外科医生

图2.2是19世纪90年代拍摄于苏格兰爱丁堡皇家医院一张照片。工作在现代洁净室的人们一定会在很多方面对当时的外科手术感兴趣。从照片左上方的气灯及照片中的其他物件,就可以判断出照片的年代。可以看到外科医生穿着长袍式手术服,但没戴手套、帽子、口罩。手术室中的背景为观众席位。成群的医学学生在这里观摩手术,但并没有意识到他们在扩散细菌。正是由于这种观众席的设置,使得世界上很多地方仍把手术室称为“剧院”。手术室地板为暴露的木质地板,洗手池、容器、暴露的管道都反映出那个年代对污染控制几乎一无所知。

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图 2.2 19世纪90年代后期的手术室

劳得·李斯特使用了一种杀菌方法来减少伤口败血症。他用杀菌剂杀灭绷带上、外科医生手掌上、手术室环境中的细菌。李斯特的前助手威廉母·梅斯万先生继李斯特成为四拉斯哥大学外科教授。他与德国和美国的一些外科医生一起,按李斯特的研究方法,创立了无菌技术领域。无菌技术不是试图杀灭侵入伤口的细菌,而是防止其碰及伤口。为此要将手术器械和绷带煮沸,外科医生和护士必须严格地“搓洗”手掌以清除细菌。到1990年,开始使用外科手套、口罩、手术服,并可在手术前用蒸汽灭菌,不过温度和压力低于当前的水平。这些方法就是当今洁净室技术之根基。

图2.3是1907年前后拍摄的爱丁伯皇家医院手术室的照片,它与图2.2的照片形成明显对照:已经有了电。但更有意思的是,当时外科医生已戴着手套和口罩,而口罩则是戴在鼻下。直到20世纪30年代末期,人们才认识到把口罩戴到鼻上更佳。那时也有了便于消毒和清洁的水磨石地面和帖面墙。

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图2.3 1907年手术室中的无菌防护措施

3、通风手术室的由来

虽然过去的手术室有其类似于现代洁净室的污染控制方法,但它不具有使用过滤空气进行强制通风这一现代洁净室的重要特征。在20世纪40年代以前,医院的环境温度控制很少使用人工通风。而且随后的应用与其说是为了污染控制,不如说是为了舒适。直到第二次世界大战(1945年)结束后,医院的通风才明确用于污染控制。当时研究了战争期间潜水艇、防空洞、军营中等人群密集场合的空气感染问题。微生物战需要通过空气传播微生物,对此也进行了相应的研究。发明了悬浮细菌采样器。二战期间,还研究了房间的通风与粒子空气动力学的特性。

到20世纪60年代早期,影响紊流洁净室性能的大多数原理已经明了。同样已成为定论的是:人是悬浮细菌之源。细菌大量散步在皮肤上,松散纺织成的棉质服装对防止细菌扩散无能为力,所以对密织面料的需求提上了日程。

1960年,英格兰的布劳尔斯和克鲁尝试在米得尔斯伯勒市手术室布满整个吊顶的散流器获得下行运动的“活塞”式气流(即单向流,尽管当时不这样称呼)。但其低速流不幸被来自人员和手术室灯的热气流以及人员的活动所破坏,因而无法实现良好的单向流。这就是当约翰·强利教授(在赫沃空调公司的协助下)决定改进其在英国曼彻斯特附近惠灵顿医院手术室的通风时的情况。

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图3.1 强力——赫沃斯“温室”

强利是髋关节更换术的先驱,他发明了一种塑料或金属制造的人工关节代替有病的关节。开始时,他的手术病人败血症患病率为10%,这是个大问题。于是他采取了许多预防措施。他与赫沃斯尝试利用当时的知识(1961年),完善下行气流的“活塞效果”。他们不是利用整个手术室的天花板(如劳尔斯和克鲁所做的那样),而是将其限制在一个小的面积范围内,由此改进下行气流。他们在手术室中放置了一个7英尺乘7英尺的“温室”,如图3.1所示。

图3.2上一强利公布的该系统的气流图。从图中可以看出,它实现了较好的下行单向流。

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图3.2 强利所做原系统的气流状况

强利和赫沃斯空调公司增加了送风量,然后我们利用从美国和其他地方的层流(单向流)系统工作中获得的知识,实施了设计改进。强利发现对手术室的改进和对服装的面料及设计的提高,显著减少了悬浮细菌,而髋关节深度感染的减少恰恰与之相对应:从1959年手术室条件较差时的10%,降低到了1970年其全部改进到位时的不到1.0%。英国医学研究会证明,在20实际80年代,应用单向流隔离系统加上密封式服装,关节手术引起的败血症比紊流手术室降低四分之一。

4、早期的工业洁净室

在工程制造业中也取得了相似的进展。第一个工业生产用洁净室是在第二次世界大战中投入使用的,其主要目的是提高枪械、坦克、飞机用仪器的质量和可靠性。那时人们认识到,必须提高生产环境的洁净度,否则投弹瞄准器这样的装置就会出现故障。但当时只要假定洁净室要保持得象人们的住房那样清洁,于是便使用了不产生粒子的不锈钢做表面装修并保持其清洁。但人们还没有认识到,由机器和人员产生的大量悬浮粒子之扩散,应由大量的洁净送风使之降至最低。比如对于药品生产车间,当时的主流思想就是必须大量使用消毒剂使其不含微生物。为便于消毒,墙体使用帖面,地面则用水磨石铺面,并带有排水槽和下水口,以便排出消毒剂。通风也很原始,每小时换气仅几次。在室内或在生产区与外部区域之间,还谈不上气流控制。人员穿的棉服衣着与哪个时代手术室使用的相似。那时即便有更衣区,也是非常简陋的。

1939年至1945年二次大战期间开展的生化战争研究以及核子裂变的饿付诸使用,使隔离危险微生物或隔离放射性污染所必须的高效过滤器应运而生。从此,在洁净室中即可获得非常洁净的空气,低度的空气污染成为现实。

1955年至该世纪60年代早期已建造出了具有这种通风的洁净室:充分过滤了的空气经吊顶的散流器送出。20世纪50年代早期,美国北卡罗来州云丝顿-塞伦市的西电公司在生产导弹用陀螺仪时总是出问题,其产品合格率仅为1%。后来发现,问题就出在尘埃上。于是决定建造一个“无尘”生产车间。该车间由AC公司设计并于1955年完成。图4.1是该车间刚投产后不久的情形。

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图4.1 西电公司的陀螺仪生产车间

这恐怕就是世界上第一个考虑了洁净室所以基本要求的洁净生产车间。人员穿着合成纤维服并戴着帽子,还为他们配备了更衣室。选择了便于清洁而粒子产生又最少的建材,并尽量减少接缝与弯角,地板上满铺乙烯树脂直至墙面。照明采取平装式,使积尘最少。在照片右侧后部可看到使用了传递窗。空调送风经“绝对”过滤器(对0.3μm粒子虑除效率打99.95%),房间维持正压。

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图 4.2 维利斯威特菲尔在其原创的层流洁净室中

1961年,迎来了洁净室发展史上的分水岭,即美国新墨西哥州阿尔伯克基圣地亚实验室发明了"单向流或"层流"通风理念。这是集体智慧的结晶,但首功则非威利斯怀特菲尔德莫属。图4.2是他在其原创的洁净室中的照片。

这是一间小房间,10英尺长,6英尺宽,7英尺高(3米×1.8米×2.1米)。其送风不是经吊顶的散流器送出后以随机流的形式在室内运动,它是经由一系列高效过滤器送出。这就能确保空气从过滤器送出后以单向流流经室内并从地板格栅排出。图4.3显示的是原单向流洁净室的剖面图。从图中可以看出,室内工作台前的工作人员不污染放置在其前面的物品,因为人员所产生的污染被吹开了。

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图 4.3 原单向流洁净室剖面图

1962年4月13日,《时代》周刊发表了一篇文章公布了圣地亚实验室的发明,该篇文章引起了广泛的注意。其文如下:

位于阿尔伯克基——设计、总装原子武器的地方——圣地亚公司的科学家们对洁净室情有独钟,但他们也是身不由己。武器部件产生得越来越小,一颗粒子造成的问题就越来越大。在整个圣地亚,维克萨斯出生在威利斯·怀特菲尔德——怀特菲尔德超净室的发明人——是最苛刻的管家。他略微拉长了嗓音说道:“我在想那些尘埃粒子——这些不法之徒来自何方?所去何处?”物理学家怀特菲尔德在找到了自己问题的答案后认定,传统洁净室有原则错误。

一般的洁净室系统——越来越多的工业生产仰仗于它——是止住尘埃粒子使之不被释放出来。洁净室内禁止吸烟,禁止使用一般铅笔——因铅笔会释放铅粒子。洁净室的工作人员被“包装”在特殊的靴子、帽子、连体服之中,进入洁净室前还要经受真空清洁。房间本身则不停地用真空吸尘器清洁。尽管采取了所有这些预防性措施,空气中每立方英尺大于等于0.3微米(0.000012)的尘埃粒子至少还有1百万个。虽然对比着普通空气而言,这已是长足的进步,但怀特菲尔德相信他还可以更上一层楼。他把制止粒子产生这一想法抛在脑后,而是在粒子一出现就予以清除。

怀特菲尔德的超净室看上去象是一辆小的没有轮子的金属拖车屋。地板是金属格栅,以不锈钢铺面。工作台面对的是4英尺乘10英尺的“绝对过滤器”组——可过滤除低速空气中所有大于0.3微米的粒子。大多数洁净室使用过滤器仅仅是为了使送风洁净,而怀特菲尔德的过人之处在于用过滤器制造洁净空气,使该房间保持洁净。洁净空气以7英里/小时的风速(很轻的微风)流过工作台、穿过台前工作人员。工人穿着普通服装,还允许吸烟。头皮屑、抽烟的烟气、铅笔产生的尘埃以及其他粒子,都由洁净空气带走,吹进格栅地板,并排出室外。每隔6秒钟,房间的超净空气就换气1次。粒子因此无法在室内循环。结果,物理学家怀特菲尔德的洁净室比其竞争对手最洁净的房间还洁净至少1000倍。因为各工业部门急需高质量的洁净室,因此,各式各样的工业生产中立即采用了怀特菲尔德洁净室通风中的单向流原理。