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                        環境智能評估,數據精準實用 (小草潔凈環境專家系統之二)

                        發布日期:2022-10-17 瀏覽次數:2443

                        在科學研究、工業生產以及人們的日常生活中,往往需要對某一特定空間內的空氣溫度、濕度、潔凈度和氣流速度提出技術要求,并采取一定的技術手段制造和維持這一空間的空氣環境,以滿足研發、生產工藝過程和人體舒適要求。也就是通常所說的空氣調節。對于有些工業生產車間,如半導體、微電子工業、食品、制藥、衛生等領域,不僅僅對其環境的空氣溫度、濕度、氣流速度有一定的技術要求,更重要的是對空氣潔凈度(即生產環境空氣中含塵濃度的高低)有嚴格和特殊的要求。為達到這一目的,所采取的技術措施稱為空氣潔凈技術(俗稱潔凈技術或凈化技術)。所以,空氣潔凈技術的任務,是在滿足室內環境空氣溫度和濕度要求的前提下,將受控環境空氣介質中的含塵懸浮微粒除掉,并且使其達到生產要求的環境條件,也就是我們常說的空氣凈化。對于采用了空氣潔凈技術使空氣中懸浮微粒濃度、含菌濃度受控而達到某種要求的房間(或限定的空間),稱為潔凈室。

                        在目前空氣潔凈技術的應用可分為兩個方面:①工業潔凈。以工業生產工藝為目的的空氣潔凈過程,其控制對象為空氣中的塵埃微粒,如灰塵等。對于這類房間,是以控制空氣中的塵埃微粒為主要目的,通常稱為工業潔凈室。②生物潔凈。以保健、衛生為目的的空氣潔凈過程,其控制對象為空氣中的細菌、病毒等微粒。對于這類房間,由于采取了無菌化處理,而且是以防止微生物污染為主要目的的,通常稱為生物潔凈室。潔凈技術在世界各國的廣泛應用已經經歷了半個多世紀的發展,從軍事工業開始到電子工業,并逐步發展到其他行業,其應用范圍越來越廣泛,技術要求也越來越高,應用領域已涉及軍事、電子、食品、醫藥、衛生、生物實驗等方面。

                        小草潔凈環境在線專家系統產品根據不同的應用需求共分為二個版本:XC-CO-CE-2201-Z401(針對工業生產潔凈環境)、XC-CO-CE-2201-Z402(針對生物實驗潔凈環境)。本文僅就食藥用菌菌種研發及工廠化生產:自然冷卻(簡稱自冷,又稱預冷)、強制冷卻(簡稱強冷)、待接、接種環境;食藥用菌食品初加工、深加工、發酵、釀造、加工、灌封、包裝環境;食藥用菌菌種研發、貯藏、繁育、發酵環境進行環境評估與數據精準實用方面進行展開并進行簡要說明(其他潔凈環境應用領域詳細資料請另行聯系我司索?。?。

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                        小草潔凈環境專家系統

                        一、六種粒子及潔凈度評估

                        在空氣凈化系統中,一般采用由初效過濾器、中效過濾器、高效過濾器(或亞高效過濾器)組成的三級過濾方式。各級過濾器的作用是:粗(初)效過濾器:主要用于過濾 5μm 以上塵埃粒子;中效過濾器:主要用于過濾1-5um以上塵埃粒子;高效過濾器(亞高效過濾器):主要用于捕集0.5um以下的顆?;覊m及各種懸浮物,過濾效率高、阻力低、容塵量大。

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                        隨著生產技術發展對生產環境的潔凈度要求越高,通過凈化空氣系統將受控環境空氣介質中的含懸浮塵埃粒子過濾掉,采用人工巡檢的方式,周期長、測點少,相對于細菌的繁殖周期,已經不能滿足現代食用菌工廠快效運轉生產需求。小草潔凈環境在線專家系統配套小草激光粉塵顆粒物傳感器對潔凈空間在線多點監測,解決了潔凈度人工采樣時間長、預警慢、不準確等人為因素的缺陷。


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                        小草管道溫濕度傳感器

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                        系統通過小草激光粉塵顆粒物傳感器進行粉塵顆粒物檢測,原理如下:

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                        在線粒子計數器可同時檢測空氣中0.3μm、0.5μm、1.0μm、2.5μm、5.0μm、10.0μm 不同塵埃顆粒物粒子濃度。小草產品通過風速、氣流的流通截面、計算層流雷諾數 Re=pvd/g 各項數據, 通過凈化環境模式識別(靜態模式、動態模式)與神經網絡算法在線評估與預判斷環境變化趨勢,結出是否符合生產與加工標準的評估結論。通過建立在不同生產與加工環境的數學模型來進行滅菌設備的綜合調度與智能控制,在實際調控過程中不斷進行效果評估,通過卷積神經網絡算法(CNN)與強化學習(RL: reinforcement learning) 算法不斷優化控制模型,達到精準、經濟、高效地凈化滅菌環境控制目的。

                        2022-3-1 國家標準委員會發布了《潔凈室及相關受控環境》GB25915-2022 標準:主要針對潔凈室采樣點數目、面積進行規范要求刪除對粒子濃度進行 UCL/LCL計算要求對采樣量進行了規范要求,每一采樣點至少為2L,每一采樣點單次采樣的小采樣時間為 1 分鐘,每一采樣點的采樣量應該一致。GB/T 25915 潔凈度等級關于監測儀器(粒子計數器),要求按照GB/T 29024.4-2017(等同采用ISO 21501-4:2007,而ISO最新版本為ISO 21501-4:2018)進行校準。



                        二、靜壓差及壓差控制

                        大部分工廠潔凈車間為了防止潔凈污染物入侵,需保持室內壓力(靜壓)高于外部的壓力(靜壓),壓力差的維持一般應符合以下原則:?、潔凈室空間的壓力要高于非潔凈室空間壓力;?、潔凈度級別高的空間壓力要高于相鄰的潔凈度級別低的空間壓力;?、相同潔凈室之間的門要開向潔凈度級別高房間?!稘崈魪S房設計規范》GB50073-2001規定:不同等級的潔凈室以及潔凈區與非潔凈區之間的壓差,應不小于5Pa,潔凈區與室外的壓差,應不小于10Pa。

                        結合以上因素組合,小草潔凈環境智能專家系統,可實時監測靜壓差與負壓差、潔凈區與非潔凈區壓差。采用人工智能算法,綜合考慮通風要求,對風速與風量測量的合理控制,既保證了通風量達標,又保證了潔凈區和非潔凈區壓差達到標準。

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                        小草靜壓差傳感器



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                        潔凈室對風量要求:在編制我國空氣潔凈技術措施時曾調查測定了國內100多個潔凈室,許多潔凈室還是在動態下檢測的,結果表明:10萬級≥10次/h、1萬≥20次/h、1000級≥50次/h通風量即可滿足要求。美國聯邦標準(FS2O9A~B)規定:非單向流潔凈室(10萬級、1萬級),室高8~l2ft(2.44~3.66m),通??紤]全室至少每3分鐘換氣一次(即20次/h)。

                        風量計算:送風口風量(m3/h)=平均風速(m/s)x風口送風面積(m2)x3600換氣次數的計算:換氣次數的計算是按每小時的送分總量除以房間的空間體積。計算公式:換氣次數(次/h)=各送風口風量和(m3/h)/[房間面積(m2)x高度];風速、風量測試時,如果檢測結果低于標準要求,必須查找原因并進行整改;整改結束后再向質量部QA提出質檢申請,待檢測合格后,方能投入生產使用。

                        換氣次數《潔凈廠房設計規范》GB50073--2001規定:千級:50~60次/h;萬級15~25次/h;十萬級:10~15次

                        小草管道風速風量傳感器能夠有效判斷各個風口的風速、風量等是否滿足設計要求,其中包括:1、為潔凈室的風量平臺維持潔凈室正(負)壓提供數據支撐,以避免不同級別的潔凈區域之間顆粒污染物的無組織滲透。2、對FFU風機轉速進行時序控制,在非工作時間內,自動降低風機轉速維持室內潔凈要求,達到節能目的。3、調整FFU風量保持潔凈環境靜壓差??赏ㄟ^網絡實現遠程監控;4、在滿足潔凈要求的前提下,可根據實際情況設定風速轉速,最大限度降低風機能耗,并對通風管道過濾所需耗材進行更換提醒。

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                        小草管道風速風量傳感器


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                        四、臭氧濃度與滅菌

                        現代工業潔凈室的空氣消毒方法,主要有紫外線消毒、空氣過濾、臭氧和熏蒸消毒以及靜電吸附等,往往在設計潔凈車間時會采用一種到兩種來控制潔凈空間內的微生物含量。采用臭氧消毒是主要方法之一,對大部分潔凈車間具有普適性。臭氧殺菌受溫度、濕度和濃度作用的影響較大,通常情況溫度低和濕度大的環境下的臭氧殺菌效果較好。

                        臭氧濃度測量與取值:根據《消毒技術規范》及實際應用經驗,三十萬級取N=5mg/m3;十萬級取N=10mg/m3;萬級取N=30mg/m3;百級取N=40mg/m3(1PPM等于2.14mg/m3)。

                        臭氧滅菌與濕度關系:臭氧在常溫下15~20分鐘后分解,臭氧在200攝氏度下幾乎瞬間分解,所以臭氧消毒的溫度越低就越好。此外,臭氧在濕度越高的環境下消毒效果越好。有論文顯示:在室溫25℃、相對濕度為40%和70%條件下,同樣開機消毒2h,對白色念珠菌的殺滅率從 86.0 %提高到 99.93%。在相對濕度為 40 %時 ,開機消毒 6h不能破壞HBsAg抗原性;相對濕度提高到 70 % ,HBsAg抗原性可完全被破壞。溫度低,濕度大則殺滅效果好,尤其是濕度,相對濕度小于45%,臭氧對空氣中懸浮微生物幾乎沒有殺滅作用。在60%時才逐漸增強,在95%時達到最大值。


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                        小草潔凈環境專家系統控制界面圖


                        小草潔凈環境智能專家系統可實時監測臭氧濃度、濕度、紫外線輻射強度等,在滅菌開啟時進行報警提醒人員撤離,確保達到滅菌要求以及保證工作人員的安全。并保存臭氧濃度歷史數據。



                        五、靜態環境、動態環境檢測與自凈時間

                        系統通過對靜態和動態環境的連續檢測以及對自凈時間的分析計算,人工智能分析潔凈室的自凈能力,并根據自凈能力曲線,以及班次、物料、人員等,規劃生產和作業時間、作業強度和頻次。

                        自凈檢測:1、自凈檢測是測定設施清除空氣懸浮粒子的能力。2、自凈性能與受控區內循環風比例、送風與出風的幾何位置、熱條件和空氣分布特性因素相關。單向流系統中,污染被受控氣流置換,自凈時間上受位置和距離的影響。3、自凈檢測應在設施處于空態或靜態時進行。

                        自凈評估:1、用100:1自凈時間進行評估,粒子濃度降低到0.01倍初始濃度所需時間。?2、使用恢復率評估,使用粒子濃度向所需潔凈度衰減的曲線率來確定自凈時間。

                        自凈要求:生產操作全部結束后,操作人員撤離出現場并經15min~20min(指導值)自凈后,潔凈區的懸浮粒子應達到新版GMP潔凈室“靜態”環境標準。對于B級區設計應按照ISO6級,換氣次數60次/h~65次/h(推薦值)方能滿足自凈要求。對于C級區、D級區同樣考慮繼續換氣次數以適當的裕量。


                        六、料溫與生產標準

                        培養料溫度、培養料含水量、培養料pH值對于菌種迅速萌發非常重要(詳見小草培養料專家系統產品介紹),在濕熱滅菌后培養料便進入潔凈環境工序流程,大部分可細分為自冷階段、強冷階段、待接階段、接種階段四個流程。不同生產階段中培養料溫度精準化管控可以形成自主產權的生產標準,對提高產量、加快菌種萌發率、縮短生產時間、加速空間流轉率都起到重要的作用。

                        自冷階段:1、監測自冷環境是否滿足自冷室潔凈標準;2、精準采集自冷階段料溫變化,綜合評估自然冷卻時間與環境感染率與生產效率關系;3、形成自冷階段料溫企業生產標準,即:“達到標準、綠燈點亮、進入強冷”。

                        強冷階段:1、監測強冷環境是否滿足強冷室潔凈標準;2、精準采集強冷階段料溫變化,綜合評估強冷時間、強冷能耗與環境感染率與空間生產效率關系;3、形成強冷階段料溫企業生產標準,即:“達到標準、綠燈點亮、進入待接”。

                        待接階段:1、監測待接環境是否滿足待接室潔凈標準;2、精準采集待接室階段料溫變化,綜合評估排隊等待時間、空間周轉率與環境感染率與接種效率關系;3、形成待接階段料進出庫企業生產標準,即:“達到標準、綠燈點亮、進行出庫、立即接種”。

                        接種階段:1、監測接種環境是否滿足接種室潔凈標準;2、監測高效過濾器送風口是否滿足接種環境要求; 3、精準采集接種料溫變化,按菌種最佳萌發溫度、含水量標準進行接種;采樣接種時培養料 pH值與接種機接種時菌種理化學參數(溫度、壓力、濁度、黏度、pH、DO、EC、ORP、溶解二氧化碳,詳見小草菌種智能專家系統)進行編碼(詳細小草智慧工廠質量溯源系統),保障菌種活力最強、與培養料最符合菌種萌發庫企業生產標準。即:“最佳標準、完成接種、信息編碼、轉入養菌”。


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                        小草移動終端工廠潔凈環境監控界面


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                        小草移動終端生物潔凈環境監控界面


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                        小草培養料溫度傳感器  

                        小草空氣溫濕度傳感器     

                        小草培養料水分含量傳感器


                        小草潔凈環境智能專家系統可對歷史數據進行曲線查詢與打印,數據可以實時上傳至服務器或數據中心,以供溯源與研究分析。小草產品可廣泛應用于菌種廠、菌包廠、科研院所、食品深加工廠、醫藥生產、光電行業、精密電子、液晶、玻璃、半導體、手機等領域的各等級潔凈室。

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