Este será un especial de tres ediciones en el cual se entregarán diferentes detalles para la correcta implementación de un sistema de climatización en este tipo de espacios.
por Ing. Camilo Botero G. - Ing. Camilo José Botero - Ing. María Lucía Botero*
La fabricación microscópica, comidas, medicina, aeroespaciales, biológicas, y otras aplicaciones requieren atmósferas limpias y/o libres de gérmenes. La contaminación afecta la salud, a laboratorios, a hospitales, y otros procesos selectivos de manufactura, siendo el mejor lugar para controlar partículas, el punto de generación. Esta tecnología se inició hace aproximadamente 50 años y con el avance de los procesos de manufactura, se necesitan más cuartos limpios, especialmente en la microelectrónica.
Los Cuartos Limpios para Farmacéutica controlan contaminación y partículas capaces de sobrevivir (principalmente crecimiento de bacterias). El reto de la climatización es mantener la máxima eficiencia, cumpliendo las especificaciones que requieran los procesos.
Cuando se inicia un proyecto de climatización para un cuarto limpio y/o la industria farmacéutica; debe pensarse en que son sistemas de alto desempeño, que deben cumplir estrictamente las especificaciones que los diferentes productos o procesos requieren, con máxima eficiencia en su operación y cuidado del medio ambiente y se podría responder que son aquellos que cumplen con las siguientes condiciones:
- Máxima Eficiencia Energética.
- Mínimo Impacto al Medio Ambiente
- Cumplimiento de Requisitos del Dueño para el Proyecto RDP
- Facilidad de Operación
- Mantenibilidad O&M (Operación y Mantenimiento)
- Estabilidad durante su Ciclo de Vida
Se escriben fácilmente estas condiciones, pero realmente no es tan obvio y menos para el tipo de proyectos de cuartos limpios y/o farmacéuticos, al cual se refiere esta columna. Se tienen demasiadas instalaciones que se comportan muy lejos de lo ideal, con altos riesgos para la salud de sus usuarios. La respuesta fundamental para lograr lo anterior la da el Estándar ASHRAE 202 – 2013 sobre el Aseguramiento de la Calidad (Commissioning) en los sistemas de climatización, el cual en su prólogo lo define como “Un proceso orientado a la calidad para optimizar la entrega de un proyecto. El proceso se enfoca en evaluar y documentar que todos los sistemas y ensambles, son planeados, diseñados, instalados, probados, operados y mantenidos para cumplir con los requisitos del dueño para el proyecto”. Es un proceso enfocado en la calidad, para mejorar la entrega y la O&M de un proyecto.
Definiciones
Cuartos Limpios: un cuarto en el cual la concentración de partículas aerotransportadas está controlada y además está construido y usado de un modo que minimiza la introducción, generación y retención de las partículas al interior del cuarto. Otros parámetros relevantes como son temperatura, humedad, presión y concentración de partículas, son controladas según especificaciones.
Zona limpia: Espacio definido en el cual la concentración de partículas aerotransportadas se controla para cumplir una clase específica de limpieza de tales partículas.
Terminología:
• Espacio Aséptico
• Contaminación
• Parámetros Críticos
• Condiciones de diseño
• High-efficiency particulate air filter (HEPA)
• Ultra low penetration air filter (ULPA)
• Calificación y Protocolo de Calificación
• Flujo Unidireccional
• Validación
• Estación de trabajoi
Fuentes de Contaminación
Fuentes Externas:
Aire Exterior, para cumplir con la calidad del aire interior. También el que se infiltra por espacios adyacentes (puertas, ventanas, ranuras)
Fuentes Internas:
Personal (una de las fuentes más comunes)
Tipo de actividad
Equipos para procesos de manufactura
Productos/materiales
Agentes de Limpieza
Procesos
Contaminación Cruzada
Ejemplo de Fuentes externas — áreas urbanas
Típicamente contiene diez millones de partículas por pie cúbico (> 0.3 micras)
Ejemplo de Fuentes Internas — gente:
Una persona en reposo libera más de100,000 partículas por minuto (> 0.3 micras)
Clasificación de Contaminantes
Los contaminantes pueden ser particulados, bien sea sólidos o líquidos; o no particulados como los gases. Otros contaminantes son de varios tipos: radiación, vibración, ruido, iones, etc. Su eliminación es compleja y para ello se debe entender totalmente los procesos y cada uno de ellos requiere tipos de limpieza diferente. La meta finalmente es controlar la contaminación.
Figura 1. Tamaño de las partículas en micras.
Figura 2. Composición del aire que respiramos:
Es necesario filtrar el aire para remover bacterias, proteger el bienestar de los ocupantes, proteger producto en proceso y/o almacenado, evitar el riesgo de incendio, y reducir el mantenimiento en las Unidades Manejadoras, y en el interior de las zonas climatizadas.
Figura 3. Fuentes de Contaminación:
Principios de Filtración
1. Impacto: Es el mecanismo por el cual se capturan partículas grandes de alta densidad.
2. Interceptación: Ocurre cuando una partícula de polvo sigue la línea de corriente y hace contacto con la fibra. Influye, la Fuerza de Van Der Waals, el momento dipolar, la atracción electrostática y es afectado por: tamaño de partículas, diámetro de la fibra, distancia entre las fibras, profundidad del medio filtrante, velocidad a través del medio filtrante.
3. Prensado: Ocurre cuando la dimensión más pequeña de la partícula de polvo, es mayor que la distancia entre las fibras del medio filtrante.
4. Efecto Difusional: Explica la captura de partículas muy pequeñas, que no siguen las líneas de corriente y que llevan un movimiento errático el cual incrementa la probabilidad de su captura.
Estándares y clases:
Clasificación de Cuartos Limpios:
• Bancos Limpios.
• Cabinas de seguridad biológica.
• Acabado Industrial.
• Equipos de Computación.
• Industria Fotográfica.
• Cuartos de Controles de Procesos Industriales (C.C.M.).
• Textiles.
• Turbinas de Gas.
• Cuartos para Equipos de Telecomunicaciones.
Un poco de historia
• 1960 — Primer concepto de Cuarto Limpio
Sistemas de Fusión nuclear — Sandia Nat. Lab., NM. USA)
◦ Aviación: ensamble de giróscopos
◦ Semiconductores: procesamiento de microchips
◦ Filtros HEPA
• 1966 — Primer estándar Federal - clases
◦ La versión utilizada durante la década de los 90s, fue la: Fed-Std-209E (1992)
El estándar internacional para cuartos limpios es el estándar ISO 14644-1.
Un caso reciente en el cual participé como agente de commissioning del diseño fue: climatización, deshumidificación, extracción, refrigeración, en un banco de germoplasma, sobre el cual ya escribí una columna para esta prestigiosa revista, pero vale la pena tratarlo en el contexto de estos artículos, pues tiene cuartos limpios, tanto en los laboratorios, cámaras de conservación y cuartos fríos, y en varios de ellos se requiere filtración HEPA.
Cuando se trata de recursos genéticos para la seguridad alimentaria, se le denomina banco de germoplasma o banco de semillas a un lugar destinado a la conservación de las distintas variedades genéticas de uno o varios cultivos y sus especies relacionadas.
Es también donde se guardan las semillas que están en peligro de que se pierdan por la colonización, el uso agrícola del suelo, y la meta es conservar los genes o especies que se dejaron de sembrar en el transcurso del tiempo y han sido remplazadas por muchas otras variedades, con el fin de tratar de conservar estos recursos. La conservación de las semillas se realiza a muy bajas temperaturas (hasta – 25 °C), de modo que se pueda mantener por mucho tiempo, digamos hasta 50 años, una adecuada viabilidad de las mismas. Físicamente, los bancos de germoplasma, almacenan en grandes depósitos, bien sea en sobres o frascos las semillas conservadas a bajas temperaturas, para su uso, cuando se requieran.
Las razones para tener estos bancos de germoplasmas de semillas son variadas: una puede ser que algunas especies al irse variando genéticamente, van desapareciendo las originales gradualmente, y por tanto conviene mantenerlas como eran antes de sus modificaciones. Otra razón es que haya plagas que destruyan las variedades en una región; guerras u otros eventos catastróficos. También que de ellas se pueden obtener las características básicas para su mejoramiento, quizás una especie nativa puede presentar una resistencia muy importante a alguna plaga o enfermedad, pero esta especie puede no ser atractiva para su comercialización, pero a través de las herramientas del mejoramiento esta característica puede ser usada en otra variedad que si contribuya a la economía de los productores agrícolas.
Existen millones de semillas guardadas en cientos de laboratorios de germoplasma alrededor del mundo, pero esto es solo una fracción de todo lo que podría conservarse de semillas en el planeta para alimentar la humanidad, ya que hay muchas regiones con especies, que aún no han sido exploradas y es allí donde son fundamentales los Bancos de Germoplasma.
Las semillas que se desean conservar en un banco de germoplasma se cosechan, se recolectan y se secan hasta un contenido de humedad de menos del 5%. Las semillas luego se almacenan en congeladores desde -18 ° C, hasta – 25 °C. Debido a que las semillas pierden su viabilidad con el tiempo, estas tienen que ser periódicamente sembradas de nuevo, de tal manera que se puedan cosechar semillas frescas, las cuales inician otra ronda de almacenamiento a largo plazo, para garantizar la seguridad alimentaria de la humanidad. Esto exige que los cuartos fríos para dicha conservación, se diseñen, construyan y operen con las más altas exigencias de tecnología y control.
En el Centro Internacional de Agricultura Tropical CIAT (https://ciat.cgiar.org/) ubicado en la ciudad de Palmira Valle, en Colombia, el cual tiene 60 años en funcionamiento, se tienen semillas de frijol y yuca, que deben ser almacenadas por más de 50 años y para ello, este centro ha emprendido un ambicioso proyecto para desarrollar un laboratorio de recursos genéticos, con un banco de germoplasma de última generación, ya que su misión es: “Reducir el hambre y la pobreza y mejorar la nutrición humana en los trópicos, mediante una investigación que aumente la eco-eficiencia de la agricultura”. Más de 200 científicos, gran cantidad de ellos con nivel académico de PhD y otros profesionales, llevan a cabo la labor investigativa en el CIAT. Estos investigadores trabajan en colaboración con cientos de socios y con el apoyo de una amplia gama de donantes.
El CIAT desarrolla y colecta variedades de frijol (más de 20.000 especies), de yuca (más de 6.000 especies) y de forrajes, que sean más resilientes, productivas y rentables, siendo estos cultivos vitales para la seguridad alimentaria del mundo. La plataforma de biociencias del CIAT incluye el mayor banco de germoplasma de América Latina y laboratorios en donde científicos de todo el mundo, hacen el mejoramiento de los cultivos. El CIAT busca soluciones innovadoras frente a importantes retos en la agricultura tropical, que generan grandes logros para las entidades que los apoyan y se benefician de su labor.
Teniendo en cuenta estos antecedentes, el CIAT diseñó el laboratorio más moderno para sus actividades de recursos genéticos, con un diseño de altísimo nivel tanto en lo que tiene que ver con sus cuartos fríos, salas de procesos, investigación y docencia, con una arquitectura que tiene altísimas expectativas en cuanto a sostenibilidad, cuidado del medio ambiente, máxima eficiencia en el consumo de energía, posibilidad de adaptarse de manera ajustada a las cargas parciales y por ello ha decidido buscar la certificación LEED Platino y lograr el balance de Energía Cero: NZEB o mejor aún, un balance positivo, generando su propia energía eléctrica, con paneles fotovoltaicos, ya que existe área suficiente para ello.
Se pretende utilizar medidores de consumos eléctricos bidireccionales, para interactuar con la red pública. Durante su diseño, se utilizaron técnicas de simulación de las cargas térmicas, cargas de humedad y sus perfiles de las demandas de energía y secado a lo largo de un día típico, teniendo además en cuenta las variaciones climáticas durante un año, y se combinaron de manera conveniente metodologías de arquitectura bioclimática con diseños de climatización, deshumidificación, refrigeración y extracción de máxima eficiencia y rendimiento, integrando ingeniería y arquitectura nacional e internacional a través de un equipo de diseño e interventoría de grandes competencias en las últimas tecnologías, para garantizar el óptimo desempeño de este banco de germoplasma, con la participación por supuesto de los científicos de varios países, expertos en recursos genéticos, quienes definieron los parámetros que optimizan su labor de investigación.
Los temas de la climatización, deshumidificación, refrigeración y extracción del polvo que genera la preparación de las semillas se interactúan y requieren un detallado proceso de cálculos de las cargas térmicas, cargas de humedad, elaboración de complejas cartas psicrométricas con sus respectivos diagramas de balances de masa y energía en cada equipo. Se le dio prioridad a tener el laboratorio con aislamientos, que minimicen las cargas por transmisión y radiación, la cual es muy severa en la zona tropical en donde se encuentra. Se calculó un espesor óptimo de aislamiento para los cuartos fríos lo cual producirá un consumo mínimo de energía para la refrigeración y gran estabilidad de la temperatura de diseño, al interior de los mismos.
Se hizo un balance y análisis técnico económico, para determinar el medio de condensación del chiller para lograr su máxima eficiencia, saliendo favorecida la condensación por aire, utilizando compresores de velocidad variable. Las unidades manejadoras de aire son de 100% aire exterior con recuperación entálpica de energía descargando a vigas frías que se encargarán de llevar la carga sensible al interior de los espacios, con un mínimo de consumo de energía eléctrica, en el tema de manejo del aire. Con el aire exterior, se consigue también la secuencia de los diferenciales de presión requeridos para evitar las contaminaciones cruzadas en el laboratorio.
La selección de la temperatura del agua fría impone un reto exigente, para lograr los ADP (Apparatus Dew Point) que son muy diversos para las diferentes áreas, teniendo la más crítica un valor de 48 °F (8.9 °C), y esto llevo a una temperatura del agua fría de 42 °F (5.6 °C), con un delta de temperatura de solo 6 °F, lo cual exige selección de serpentines con un número de filas considerablemente superior al que normalmente se utiliza.
El cálculo detallado de las cargas de humedad exige que el coeficiente global de permeancia de humedad en los cuartos fríos sea mínimo, lo cual requiere una barrera de vapor continua y de gran resistencia a dejar pasar la humedad a través de las paredes de los cuartos fríos, ya que los diferenciales de presiones parciales, generados por la baja humedad específica en el interior de los cuartos fríos y la alta humedad específica en el exterior, que generan dicha transferencia de masa; son muy elevados, por estar en una zona tropical, con alto contenido de humedad específica en el aire, principalmente cuando en días muy cálidos del orden de 36 °C, si viene una tormenta tropical y luego sale el sol de nuevo, la humedad específica se torna tal elevada como 170 granos por libra de aire seco.(24 gramos por kilogramo de aire seco).
La selección de los equipos de deshumidificación de tipo rueda de absorción, se hizo sumando todas las cargas de humedad, ya que este proceso es crítico en las zonas de secado de las semillas. La regeneración de la rueda desecante se hará con agua caliente proveniente de colectores solares, con apoyo de calentadores a gas, cuando no haya radiación solar, para optimizar el uso de la energía por este concepto.
El sistema de colección de polvo mediante transporte neumático debe ser tal que recoja el polvillo de las zonas de preparación de las semillas; dicho polvillo es muy fino y por tanto los diseños de los dispositivos de captación del polvo deben ser muy elaborados ya que este punto es crítico para colectarlo adecuadamente, sin generar contaminación en los sitios de trabajo. Los polvillos recogidos y transportados neumáticamente, son llevados a un colector de polvo con filtros de cartucho, el cual tiene un sistema de limpieza automático con aire comprimido.
Nota: La segunda parte de este artículo especial será presentado en la próxima edición (ACR 24-6 Nov / Dic.) y próximamente en esta versión digital.
* Camilo Botero es el actual Secretario de la Federación de Asociaciones Iberoamericanas del Aire Acondicionado y la Refrigeración - FAIAR; fue presidente de ACAIRE y es presidente de Camilo Botero Ingenieros Consultores Ltda. Se ha desempeñado como docente en varias universidades colombianas, gremios y actualmente en ACAIRE en cursos de diplomado de proyectos de aire acondicionado, eficiencia energética en aire acondicionado y refrigeración, cogeneración y trigeneración, psicometría aplicada, termodinámica, mecánica de fluídos, transferencia de calor y turbomaquinaria. ([email protected]). * Los ingenieros Camilo José Botero y María Lucía Botero son hijos de Camilo Botero y también hacen parte de la empresa de consultoría Camilo Botero Ingenieros Consultores Ltda.
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