Les salles blanches

jeudi 30 octobre 2014
par  EcoEnergieTech
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Le génie climatique occupe aujourd’hui une place importante dans les bâtiments tant personnels que collectifs et industriels. Toutes sortes d’installations équipent de nos jours ces bâtiments, des plus archaïques aux plus sophistiquées traduisant ainsi l’extrême diversité des demandes des personnels ou des particuliers qui utilisent ces équipements.

L’utilisation des salles blanches n’a pas pour but de répondre à un problème de confort ou de technique mais à des critères voulus pour le développement de très hautes technologies dans des domaines d’activités très différents. La nature des salles varie en fonction du domaine d’activité. Toutefois, les salles blanches sont conçues pour limiter la contamination à l’intérieur de celle-ci, leur conception est donc globalement similaire.

L’article à pour objectif de vous présenter dans un premier temps, l’identité d’une salle blanche. Il faut savoir que les salles blanches sont nées de besoins humains et technologiques. Dans une autre section le sujet de la conception et de l’utilisation de ces salles sera abordé. En effet, une salle blanche nécessite des études approfondies.

 1) Présentation d’une salle blanche et de ses différentes utilisations

 a) Définition d’une salle blanche

Une salle blanche est un volume à l’intérieur duquel on se propose de contrôler en quantité (nombre), en qualité (nature), et en dimension (taille) les contaminants qu’il contient pour le rendre apte à des utilisations diverses (industrielles, biologiques, spatiales). Ces contaminants peuvent prendre différentes caractéristiques en fonction de la nature de leur « nuisance » :

Biologique : ce sont des particules susceptibles de se reproduire et d’avoir dans le milieu une action pathogène, opportuniste ou neutre. Cela peut être également des particules inertes mais dotées de propriétés allergisantes.

Particulaires : ce sont des particules susceptibles d’entrainer des dépôts plus ou moins dangereux, comme des salissures, colmatages, ou encrassages.

Chimiques : cela concerne les particules de gaz ou molécules dont la nocivité peut aller de la simple gêne (odeurs) jusqu’au danger avec des maladies graves en cas d’exposition prolongée.

Radioactives : cette nuisance couvre à la fois les aspects « particulaires » dans le cas de poussière radioactive et « chimiques ».

Une salle blanche est caractérisée par ce que l’on appel un niveau d’empoussièrement. Celui-ci est défini en fonction du niveau de propreté que l’on souhaite atteindre dans la pièce. Cependant il y a d’autres facteurs importants à prendre en compte. Le facteur hygro-thermique par exemple, car de grosses variations de températures ou d’humidité peuvent avoir un impact considérable.

De même, chaque élément constituant l’enveloppe de l’enceinte d’une salle blanche doit former une surface lisse avec un minimum de surépaisseur ou de saillies, par exemple au niveau des vitrages, luminaire, bâti de porte, pour éviter toute rétention de particules. Seule une parfaite connaissance du secteur d’activité et des différentes contraintes permettra de définir l’architecture judicieuse qui prendra en compte les besoins des utilisateurs.

Toutes ces connaissances qui nous permettent de définir les besoins nécessaires à la bonne mise en œuvre d’une salle blanche ne sont pas innées à l’Homme il aura fallut de nombreuses années de recherches et de test afin d’arriver à concevoir des salles à empoussièrement contrôlé qui soient performantes.

 b) Histoire et normes en vigueur

Afin de réussir à contrôler de façon précise l’ambiance intérieure des salles blanches il aura fallut attendre un certain nombre d’années. En effet, il n’a pas suffit à un chercheur de dire qu’il allait mettre en place des systèmes afin de contrôler et limiter la pollution, la variation de température et d’hygrométrie pour que cela se fasse.

Comme tout élément technique dans notre monde la salle blanche et plus généralement les salles à empoussièrement contrôlés ont une histoire, un historique de test, d’avancés significatives mais aussi de désillusions. Les dates importantes dans l’histoire des salles blanches :

• 1855 : Brunel installe un système de ventilation mécanique dans un hôpital afin de gérer le débit d’air « propre » entrant dans la chambre du patient.

• Début 1900 : L’hôpital Royal Victoria est construit avec un système de ventilation. Le résultat est décevant car il y a un réel manque de connaissances techniques.

• 1946 : Bourdillon et Colebrook instaurent les notions de taux de brassage et de cascade de pression.

• 1960 : Le professeur Sir John Charnley met en place un système à flux laminaire avec une vitesse de 0,3 m/s mais seulement au niveau de la zone stérile de la salle d’opération.

• 1962 : Premier article sur la conception des salles propres dans le milieu hospitalier et prise en compte de la personne comme source particulaire.

• 1963 : Première norme sur les salles propres la Fédérale Standard 209.

• 1966 : Sir John Charnley réalise une installation à fort débit d’air mais faible vitesse, de l’ordre de 0,3 m/s. Cette installation permet de diminuer de façon considérable le nombre d’infections.

• 1981 : Norme française AFNOR X44101 pour la définition des classes d’empoussièrement.

Il aura fallut près de 100 ans pour que des techniques et une ligne de conduite soient définies pour la mise en œuvre des salles blanches.

En ce qui concerne la normalisation, nous pouvons dire que de nos jours le monde est riche en normes concernant les salles à empoussièrement contrôlés. Pour les citer il existe la Fédéral Standard 209E Américaine, la BS 5295 du Royaume-Unis, en Australie il existe la AS 1386.

Sur un seul et même sujet il existait quantités de normes qui diffèrent en fonction des pays et en fonction des secteurs d’activités.

Heureusement en 1999 la norme ISO 14 644-1 à été mise en place. Cette norme encadre le secteur des salles à empoussièrement contrôlé dans le monde. Elle est incontournable et elle peu être adapté à tous les secteurs d’activités.

Dans le tableau ci-dessous, nous pouvons voir les correspondances entre différentes normes est la norme ISO.

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Le tableau ci-dessous détaille les concentrations maximales admissibles en fonction de la classe ISO et de la taille des particules.

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Dans les laboratoires où l’on travaille avec des risques de contamination microbiologique il faut faire appel à un second système de classification. En effet, en fonction des organismes sur lesquels vous travaillez vous avez le droit d’avoir un taux plus ou moins grand de ces micros organismes dans l’air. Un laboratoire qui fait des recherches sur la peste par exemple aura plus de contraintes à respecter qu’un laboratoire qui fait des recherches sur un virus qui à une durée de vie très limité dans l’air. Il existe donc une seconde classification qui limite la concentration en agent contaminant en fonction de la catégorie du laboratoire.

La classification est détaillée dans le tableau ci-dessous.
(UFC / m3 = Unité Formant Colonies)

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Une fois que vous connaissez la classe ISO et la classe bactériologique que vous devez respecter pour votre salle propre vous devez commencer à concevoir votre système de traitement d’air. Car il ne suffit pas de filtrer l’air, il faut aussi parfois créer des cascades de pression afin que le laboratoire soit en surpression ou en dépression, il faut déterminer le débit d’air nécessaire afin d’avoir un taux de brassage qui permettra d’avoir un bon taux de dilution.

Mais toutes ces donnés ne connaissent à ce jour pas de réels normalisations. Elles sont en général définies pas l’utilisateur qui se repose sur l’expérience. Les entreprises spécialisées dans la mise en œuvre de salles blanches possèdent elles aussi certaines valeurs dites valeurs métiers qui leurs permettent de savoir plus précisément ce qui est nécessaire de faire. Une chose est sure, la mise en œuvre de salles blanches demande un grand respect des règles et de bonnes connaissances techniques et il faut qu’elle soit adapté au domaine qui la concerne.

 c) Les secteurs d’activités concernés par les salles propres

Les salles propres sont indispensables dans tous les domaines où les aérosols de très petite taille (inférieures ou égales au micromètre) peuvent altérer la qualité des produits fabriqués, mettre en danger les êtres humains ou altérer le bon fonctionnement des objets ou des outils. A titre d’exemple, les particules inférieures à 50 µm sont invisibles à l’œil nu et une personne immobile et sans tenue adaptée en émet 100 000. On retrouve alors une multitude de domaines d’applications parmi lesquels se trouvent :

• Les industries agroalimentaires : les produits alimentaires sont des produits à « hauts risques », en effet ils constituent des apports nutritifs pour les bio-contaminants. Pour avoir des aliments sains, il est essentiel d’avoir des matières premières les moins contaminés possible, d’éviter la contamination pendant la fabrication et la conservation. Les salles blanches font donc partie des moyens qui permettent d’éviter les aéro-contaminations pendant la fabrication.

• Les filières automobiles : l’industrie automobile a rencontré le problème des poussières lors de la fabrication de pièces délicates telles que certains injecteurs. On se propose aussi de maîtriser le risque « grain » lors de la mise en peinture des carrosseries.

• Les filières microélectroniques : la forte intégration des circuits et la dimension critique (largeur de trait de gravure de 0,35 à 0,18 µm) entraînent une forte sensibilité des produits à la contamination particulaire (s’applique aux particules de matières de l’ordre du micromètre qui sont véhiculées par des fluides et qui se déposent sur des surfaces sensibles) et moléculaire.

• Les industries spatiales : la fiabilité du satellite est fondamentale. Sa durée de vie supérieure à 15 ans, impose des contraintes fortes d’intégration et de tests, dans un environnement contrôlé en température, hygrométrie, pression, éclairement et propreté particulière, chimique et bactériologique.

• Les établissements de santé : les infections contractées en milieu hospitalier appelées infections nosocomiales ont différentes sources en terme de contamination. Ces sources sont le personnel, les instruments de travail et l’environnement. Le succès des traitements médicaux qui ont fait des progrès ces dernières décennies est dû notamment aux techniques mises en place dans le traitement de l’air.

Toutes ces filières s’accompagnent de textes en vigueur, avec des normes pour chaque domaine d’application. Chaque filière comporte des spécificités propres qui vont déterminer le dispositif qu’il faudra mettre en place en matière de traitement de l’air.

 2) Conception et vie de l’installation

 a) Traitement de l’air

 i) Principes physiques généraux de l’air

L’air qui se trouve dans les salles blanches est généralement un mélange d’air recyclé et d’air neuf. L’air neuf est prélevé à l’extérieur et doit être conditionné pour satisfaire les besoins particuliers des salles propres. Conditionner l’air c’est maîtriser la température, l’humidité relative, les caractéristiques particulaires et les mouvements. Les salles blanches diffèrent de la climatisation courante par le fait qu’il est obligatoire de respecter des exigences plus strictes sur le niveau acceptable de ces paramètres. Les caractéristiques de l’air extérieur sont donc un facteur déterminant du dimensionnement des installations de traitement. Dans une salle propre au repos, la propreté de l’ambiance est la même que celle de l’air introduit. Par contre dès qu’il y a une action à l’intérieur, une émission de contaminants particulaires s’y déroule de façon inévitable. Le risque pour les produits sensibles comme les aliments, les circuits imprimés par exemple est alors proportionnel à la concentration locale des particules. Le but de la ventilation est de conduire ces particules en dehors de la salle propre, soit vers les étages de filtration soit vers l’extérieur. La ventilation aura une efficacité à partir du moment où on saura maîtriser le comportement de l’air à l’intérieur de la salle propre. Les deux paramètres à maîtriser sont : l’écoulement turbulent et l’écoulement laminaire.

• Les salles propres en écoulement turbulent.
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Si une salle fait 60 m3 et que l’émission particulaire soit de 100 000 particules/seconde, si on n’avait pas de ventilation, au bout de 2 minutes 12 000 000 de particules seront émises. Nous aurons donc une concentration de 200 000 particules/m3 (C=n/V). Cette concentration va croître si on ne fait rien. Par contre si au bout de 2 minutes, on souffle 0,5 m3/secondes d’air propre, cet air ressort chargé de 100 000 particules on remarque que c’est la quantité émise. On voit donc que si l’air est soufflé à un débit >0,5 m3/S on va emporter plus de particules qu’on en produit, donc la concentration va baisser. Mathématiquement, on à :

C = e/Q

Avec :

C = concentration (en particules/m3)
e = particules / seconde
Q= débit en m3/ seconde d’air propre

La concentration d’équilibre est obtenue en écrivant que ce qui sort (C×Q) est égal a ce qui est produit.

Autrement dit, face à une source d’aérosols, on peut diminuer le risque (qui est proportionnel à la concentration C) en augmentant le débit d’air propre soufflé. C’est ce qui est fait en général mais il y a des problèmes de courants d’air ressentis par le personnel, ce qui limite les débits à 50 renouvellement horaires.

On appelle renouvellement horaire d’air d’une pièce : le nombre de fois ou l’air neuf est complètement renouvelé en une heure. Si une pièce a un volume de 100m3 et que le flux d’air neuf circulant entre les sorties d’air et le sol est de 2000 m3/heure, on obtiendra un renouvellement horaire de : 2000 / 100 = 20 fois. Ce qui signifie que l’air sera renouvelé 20 fois en une heure

Des logiciels en 3D on vu le jour pour modéliser les flux d’air. De cette manière on pourra optimiser les performances, calculer le renouvellement d’air strictement nécessaire, prévoir les performances de l’enceinte et réduire les coûts.

• La première étape consiste à représenter la géométrie de la salle :
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On rentre les dimensions et les sources de chaleur ou de contaminants. Toutes ces données auront une importance dans la modélisation de l’écoulement des flux, on obtient donc une modélisation spatiale du local étudié.

• Une seconde étape va consister à mailler la salle :
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Le logiciel va découper le volume de la salle en volumes élémentaires. Il va donc discrétiser le problème grâce aux mailles ainsi crées, qui seront plus ou moins grandes suivant la précision que l’on souhaite.

• La troisième étape est la résolution du problème :

L’équation de Navier-Stokes sera appliquée simultanément sur chaque maille et cela de manière itérative. Les lois de conservation de la masse, de quantité de mouvement et d’énergie seront satisfaites.

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Les vitesses de l’écoulement, la pression, la température et la concentration en espèces données vont être calculés sur chaque maille. On aura des cartes complètes des champs calculés dans tout le volume de la salle. D’autres fonctions vont permettre d’obtenir des champs supplémentaire comme : l’humidité relative, le taux de renouvellement de l’air par exemple. On peut animer les résultats. On met en place une source de fumées et on visualise dynamiquement le chemin parcouru par ces particules. On pourra ainsi connaître le cheminement d’un aérosol et de visualiser les zones de re-circulation. En effectuant une couleur aux particules, on peut avoir une idée sur la concentration.

Ces modélisations sont importantes car dans les endroits ou l’écoulement n’est pas laminaire, on pourra connaître exactement la circulation de l’air et identifier les zones a risque. On pourra aussi comparer entre elles les différentes solutions de ventilation et retenir les plus efficaces. Nous optimiserons donc l’installation.

Dans sa forme adimensionnelle, l’équation de Navier-Stokes fait apparaître le nombre de "Reynolds" qui permet de caractériser si le flux est turbulent comme
on vient de le voir mais aussi s’il est laminaire.
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• Les salles propres en écoulement laminaire.

Quand on injecte ponctuellement une fumée dans un écoulement laminaire, on constate qu’elle s’évacue vers la grille de reprise dans un cône. Ainsi, une source d’émission ne pollue qu’un volume conique défini de l’espace de la salle propre. Dans une salle propre, où il y a un risque de contamination, le transport aérien par le phénomène de diffusion turbulente peut amener une particule au voisinage de l’objet à protéger et le contaminer. La propriété la plus utile de l’écoulement laminaire est de maîtriser ce transfert qui ne se fera pas puisque toutes les émissions sont prisonnières d’un panache qui est éloigné de la surface sensible. On parle aussi d’effet piston.

Les flux laminaires se rétablissent après qu’ils aient été perturbés par un obstacle. Mais on ne doit pas descendre a des vitesses trop basses, 0,2 m/s sera une limite inférieure au dessous de laquelle les propriétés de l’écoulement se dégraderont, le caractère laminaire se fera plus difficilement, il ya aura des risques d’apparition de zones stationnaires et de remontées de contaminants vers l’amont.

Les écoulements laminaires peuvent être verticaux ou horizontaux.

Dans un écoulement vertical les sources d’émission sont situées dans un plan horizontal qui correspond à la zone de travail. L’évacuation se fait par en dessous.

Dans un écoulement horizontal, avec un plan de travail toujours horizontal, une seule partie du plan de travail sera recouverte et cette zone devient inutilisable. Il ya a donc indépendance des sources dans une direction verticale mais pas horizontale c’est pour cette raison qu’il faudra choisir entre un écoulement laminaire ou un écoulement turbulent pour dimensionner une salle et mettre en œuvre les moyens techniques tels que les CTA.
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 ii) Description des centrales de traitements d’air et de leurs fonctionnements

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Une centrale de traitement d’air ou CTA est une unité qui permet de réaliser l’extraction et le renouvellement de l’air vicié. Elle comprend donc les systèmes de filtration, de mise en température, d’humidification et d’apport d’air neuf. C’est cet apport d’air neuf couplé à l’extraction de l’air vicié qui permet une élimination des contaminants (transportés par le personnel et les équipements) par dilution. Chaque sous-système assure donc une fonction bien particulière. Les CTA peuvent fonctionner en tout air neuf (AN), tout air recyclé (AR) ou en mélange des deux (AN/AR).

Suivant les domaines concernés, il faudra choisir des CTA bien spécifiques avec par exemple un système d’humidification adapté ou encore un niveau de filtration correcte. Ce choix des composants se fera après avoir défini le besoin réel de l’utilisateur car les modifications deviennent très chères, voire impossibles.

• Les Batteries chaudes et froides

Les batteries chaudes et froides permettent d’échanger de la chaleur entre un fluide chauffant ou refroidissant et l’air. Elles se composent de tubes en cuivre munis d’ailettes en aluminium ou cuivre.

Les batteries chaudes ont pour fonction d’élever la température de l’air refroidi par la batterie froide pour l’amener à la valeur imposée à l’air soufflé, on contrôle donc l’hygrométrie de la pièce suivant les batteries qu’on met en place. Il faut noter qu’on peut être amené à protéger la batterie chaude des phénomènes d’encrassement des ailettes en mettant un filtre à air moyenne efficacité.
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• Le ventilateur

Le ventilateur est une turbomachine qui met l’air en mouvement et qui lui communique la pression nécessaire pour que ce dernier circule dans les gaines. Les ventilateurs centrifuges sont les plus courants. Le ventilateur est un organe essentiel de la centrale de traitement d’air car c’est lui qui va assurer la fonction débit/pression de l’air soufflé dans la salle propre. Par contre les ventilateurs présentent des inconvénients qui sont un bruit sonore élevée, un débit/pression limité et un encombrement transversal important. Il faudra donc prendre en compte ces facteurs avant de dimensionner une CTA.

• Traitements thermiques :

Pour contrôler la température d’une salle blanche, il faut que la pièce en question soit entourée de pièces ou on contrôle déjà, de façon précise l’ambiance. De cette manière on limitera les grosses variations de températures. Le contrôle de la température avec les batteries chaudes et froides se fera toujours au niveau de la reprise d’air. En effet ce sera le seul endroit où on connaîtra quelle est la température réelle de la pièce. Pour le dimensionnement nous devons prendre en compte les apports ou déperditions extérieures. Les apports peuvent être internes tels que les personnes ou l’éclairage, mais aussi les machines et autres dispositifs mécaniques qui dégagent de l’énergie dans la pièce. Pour dimensionner une salle, il faut prendre en compte le taux de brassage. Le taux de brassage horaire (ou TBH) correspond au nombre de fois où l’air est renouvelé dans une pièce pendant une période d’une heure.
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Par exemple, s’il y a seulement une ou deux personnes qui travaillent dans le labo, on peut être amené à faire beaucoup de recyclage et peu d’air neuf.

Cela consiste à récupérer de l’air dans la pièce qui est déjà à une bonne température auquel on va coupler de l’air extérieur afin de réchauffer ou refroidir toute la pièce.

En général les conditions de température à respecter sont de l’ordre de 22°C avec une tolérance de variation de l’ordre de 0,1 dans le cas de l’informatique et de 0,5°C pour les autres cas. En plus de la température de l’air, il est important de respecter une hygrométrie spécifique pour tenir compte du confort du personnel mais aussi de l’activité au sein de la salle.

 iii) Contrôle de l’humidité relative :

L’humidité relative c’est : « le rapport de la pression partielle de vapeur d’eau contenue dans l’air sur la pression de vapeur saturante (ou tension de vapeur) à la même température et pression ». En d’autres termes, il faut savoir que pour une température donnée l’air à une certaine capacité à « stocker » l’eau sous forme vapeur. Une fois cette capacité atteinte l’air est dit saturé ce qui engendre le brouillard. Plus la température de l’air est faible et plus la capacité à stocker est faible. L’humidité relative est à un moment donné et une température donnée : le rapport en pourcentage du poids de vapeur contenu dans l’air sur le poids maximum de vapeur que l’air peut contenir. Plus ce rapport est grand et plus l’ambiance est humide, plus il sera faible et plus il fera sec.

Contrôler l’humidité relative est quelque chose de très important dans les salles propres. Une humidité importante associée à des températures élevées favorise la prolifération des bactéries.

L’humidité joue aussi un rôle important dans la filtration, si l’air arrive sur les filtres avec une humidité relative trop importante cela va favoriser le colmatage des filtres. En effet les particules présentes dans l’air vont avoir tendance à s’agglomérer pour former des macros particules humides qui vont boucher le filtre. Mais il y a aussi un fort risque de rupture ou de déchirure du filtre. Une particule humide est beaucoup plus lourde qu’une particule sèche donc elle engendre des tensions non négligeables sur les fibres du filtre, ce dernier n’est pas prévu à cet effet.

Après avoir expliqué pourquoi il est important de gérer l’humidité relative nous allons voir quels sont les sources d’humidité. Effectivement c’est en sachant ou se trouvent les sources que nous pourront mettre en place un système efficace.

La plus grosse source d’humidité est avant tout l’air extérieur, en été, dans notre région l’air extérieur à une humidité relative de 50 à 60% à 35 ou 40°C soit une humidité de l’ordre de 80 ou 90% si on rafraichit cet air à 17°C : température nécessaire pour maintenir une ambiance à 22°C. Une humidité de 90% est inadmissible dans un laboratoire. De plus si on considère qu’il y a 5 personnes qui travaillent dans ce laboratoire, il faut savoir que chaque personne dégage de l’humidité par transpiration, respiration. Donc si on prévoit un système de recyclage avec un apport d’air neuf il faut prendre en compte les éventuels dégagements de vapeur dans le laboratoire, personnels, machine avec de la vapeur etc.

Mais comment faire pour gérer l’humidité dans un local, quels sont les méthodes pour enlever ou ajouter de l’humidité à l’air ? S’il semble simple d’ajouter de l’humidité par pulvérisation il est plus compliqué de retirer de l’eau. En effet, la méthode la plus efficace pour retirer de l’eau dans l’air c’est de la faire condenser, et pour cela il faut faire baisser la température de l’air de façon à ce qu’il atteigne la pression de vapeur saturante. L’eau va se condenser et l’air perd de l’eau. Ce dernier reste très frais, en effet parfois il faut atteindre les 7°C. Il est donc nécessaire de le réchauffer ensuite.

La déshumidification est un élément important car si elle est mal faite les filtres deviennent des nids à bactéries mais il faut aussi bien la dimensionner car elle est très gourmande en énergie. Il faut éviter de faire des erreurs car il y aura des problèmes énergétiques.

En général il est demandé d’avoir une humidité relative de l’ordre de 50% à plus ou moins 5% près. Pour faire le contrôle il suffit de mettre en place une sonde qui mesure de taux d’humidité dans l’air au niveau de la reprise d’air.

Prenons le cas d’une installation qui fonctionne en tout air neuf (nous ferons exprès de prendre des écarts important afin de simplifier la compréhension), on commence pour souffler de l’air aux conditions demandées soit 20°C et 50% ou 7,3g d’eau/Kg d’air humide (Repère 4 du diagramme ci-dessous) :
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A la reprise les sondes indiquent que la température est de 22°C et que le taux d’humidité est de 55%.( 55% d’humidité cela veut dire 9g d’eau / Kg d’air humide. Repère 5.) Nous remarquons que durant son passage dans la pièce l’air à pris 2°c en température et 2,2g d’eau/Kg d’air. Il faut donc compenser ses écarts au soufflage. Pour cela il faudra envoyer de l’air à 18°C et avec 5,1g d’eau/Kg d’air (Repère 3). Or l’air extérieur est à 35°c et 60% d’humidité soit 21,5g d’eau/Kg d’air (Repère 1). Il faudra donc refroidir l’air jusqu’à une température de 4°C (Repère 2) afin de l’assécher et ensuite le réchauffer jusqu’à une température de 18°C. Le coût énergétique est considérable. Dans la réalité, les variations sont infimes et surtout elles se font au fur et à mesure. Il est donc simple et moins couteux de les corriger.

Concernant l’humidification, le système est plus simple, il consiste à injecter de l’eau sous forme de vapeur dans l’air. Ce système permet de connaitre exactement la quantité d’eau capté par l’air. C’est un système fiable et économique.

Le contrôle de l’hygrométrie est quelque chose de compliqué car difficile à quantifier mais cela peut avoir un rôle très important, une hygrométrie trop importante dans une pièce ou la température doit être basse va engendrer de la pluie. Une humidité trop faible donnera une sensation comme si l’eau de notre corps était absorbée par l’atmosphère ambiante. Cependant il ne faut pas oublier que dans le cas des salles propres le process à l’avantage sur l’humain et le matériel utilisé tel que les filtres dois s’adapter à ces conditions.

 iv) Filtres utilisés et principes de la filtration

Dans la partie ci-dessus nous avons parlé de filtre mais qu’est-ce qu’un filtre à quoi cela peut il bien servir ?

Tout d’abord il existe différentes catégories de filtres qui sont performants pour différentes tailles de particules. Les filtres sont placés dans un ordre bien précis, on commence par filtrer les plus grosses particules ensuite on affine au fur et a mesure. En premier, on trouve donc un filtre grossier celui-ci filtre les particules allant jusqu’à 10µm il est désigné par une lettre G. Ensuite, vient le filtre fin, il filtre les particules entre 10µm et 0,1µm il est désigné par la lettre F.

Ci-dessous la norme que les filtres G et F doivent respecter :
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En fonction de leur classe ils doivent respecter un rendement plus ou moins important. Pour vérifier que les filtres respectent bien ces normes, un bureau de contrôle vient chez le fabricant et prélève sur la chaîne de montage un filtre de chaque catégorie au hasard et le teste. Si les tests sont concluants le fabricant obtient la certification.

Pour les filtres de catégories G le test est très simple, on pèse le filtre sortie de la chaîne de montage, on envoie dessus une masse donnée de particules on pèse à nouveau le filtre. La différence de poids entre l’avant et l’après test nous donne la masse de particules que le filtre à stoppé et donc nous indique son efficacité.

Concernant les filtres de catégorie F, le test se fait par comptage particulaire. On compte tout simplement le nombre de particules avant le filtre et après le filtre. Là encore cela nous permet de vérifier l’efficacité de celui-ci.

Pour les salles propres, il est nécessaire de faire appel à des filtres plus précis, performant et qui peuvent stopper des particules beaucoup plus fines. Ces filtres se nomment filtres absolus. On trouve la catégorie H pour les filtres à haute performance et les filtres U pour une faible pénétration de l’air. Ces deux catégories concernent les particules qui vont jusqu’à 0,001µm. Ci-contre, le tableau qui caractérise l’efficacité de ces filtres en fonction de leurs catégories.
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Dans ces deux catégories chaque filtre est testé de façon individuelle, une fois sur toute sa surface et une fois sur une partie seulement du filtre.
(MPPS est l’efficacité pour la particule la plus pénétrante, dans notre cas la particule la plus pénétrante à une taille de 0,17µm). D’après ce tableau nous pouvons remarquer l’efficacité quasi sans faille de ces filtres ce qui à une très forte incidence sur le prix. C’est la raison pour laquelle, ces filtres sont toujours positionnés en dernier dans le réseau afin que seules les plus petites particules qui n’ont pas été stoppé par les autres filtres se prennent dedans.

Dans le cas ou l’on travaille avec des virus ces filtres sont en général inefficaces. La taille d’un virus est de l’ordre du nano mètre. Il existe donc une autre catégorie de filtre, le filtre à charbons actifs. Il a la capacité de filtrer jusqu’à 0,1nm. Il est utilisé pour arrêter les contaminants moléculaires tels que l’ozone, l’oxyde d’azote ou les virus de recherche.

Le filtre à charbon actif met en évidence un point très important, il est nécessaire de souffler un air pur et très propre dans le laboratoire il faut donc filtrer l’air extérieur. Mais à l’intérieur du laboratoire y a-t-il des sources particulaires ?
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Effectivement dans un laboratoire les sources particulaires sont nombreuses il faut donc les connaitre, les limiter et surtout les prendre en compte. Toute personne présente dans l’enceinte du laboratoire est une source particulaire, tout comme les machines qui sont utilisées mais aussi les éléments de recherches. Il laboratoire qui travail sur des virus peut se retrouver avec la présence dans l’air d’un virus aérien très virulent. Or si ce virus passe par le système d’extraction de la ventilation et se retrouve dans l’atmosphère la catastrophe peu être réel. C’est pour cette raison qu’il faut aussi penser à filtrer l’air avant de l’extraire afin de s’assurer qu’il ne contient rien de dangereux et afin de ne pas polluer encore plus l’air extérieur.

Un filtre arrête des particules que je ne suis même pas capable de voir alors que je vois très bien les fibres du filtres comment fonctionne t’il ? Quels sont les phénomènes mis en jeux ? Il existe 4 voir 5 phénomènes que les filtres utilisent afin de dépolluer l’air. Le premier c’est le Tamisage : si une particule à un diamètre qui est supérieur à l’espace laissé entre deux fibres elle ne peut passer.

Le second principe est le phénomène d’inertie. Une particule de grosse taille qui suit le flux d’air ne peut pas changer sa route facilement donc si le flux dévie pour éviter une fibre la particule, elle, va continuer sur sa lancée de façon linéaire et adhère a la fibre.

Le phénomène d’interception, lui concerne les particules petites et légères qui suivent le flux d’air autour de la fibre du filtre. Si la distance entre le flux d’air est la fibre du filtre est inférieur au rayon de la particule alors elle sera captée par la fibre.

Le phénomène de diffusion lui est plus aléatoire car il concerne les particules de petite taille qui sont influencées par des mouvements Browniens. Leur course est donc aléatoire, mais lorsque la particule touche la fibre elle y adhère. Les filtres sont étudiés puis conçues d’après des probabilités.

Pour faire de la filtration, il ne suffit pas de mettre des filtres les uns derrière les autres et de souffler de l’air dessus. Comme vous avez pu le voir il faut choisir les filtres qui nous seront utiles et bien les dimensionner. Si vous prenez un filtre trop petit et que vous devez le changer tous les mois cela veut dire un arrêt de l’installation tous les mois ce qui n’est pas envisageable. La filtration est donc un travail de professionnel et il est très important de le respecter.

 b) Conception, maintenance et utilisation des salles blanches

 i) Principes de Conception de l’enceinte

Les particules émises par les parois ont deux origines possibles : les substances ou les organismes accrochés ainsi que les matériaux constituant la paroi.

Dans le but de limiter au maximum la contamination, il est nécessaire d’utiliser des matériaux à surfaces lisses. Il faut aussi limiter au maximum la présence d’additif qui peuvent être des colorants, plastifiants ou retardateurs de flammes par exemple. L’utilisation de la couleur blanche est généralement considéré à tort comme plus sûre, (en raison de l’absence d’additifs pour les couleurs) alors que 98% des revêtements blancs contiennent du dioxyde de titane ou du plomb. Il faut donc que les concepteurs de salles blanches soient très vigilent concernant ce problème car cela peut favoriser l’émission de gaz par évaporation. Suite à une série de tests, on peut dire que généralement un revêtement PVC sur feuille d’acier est préféré pour la construction de salles propres. Pour les angles qui sont des endroits difficiles à décontaminer, on peut opter pour des congés d’angle en PVC. Ils peuvent être utilisés pour les jonctions plafond/cloisons et cloisons/cloisons. Les avantages du PVC sont nombreux. Il est bon marché, facile à assembler, assez solide et modérément inerte. Cependant on notera qu’il présente des inconvénients comme la présence de solvants ou de plastifiants pour l’assemblage qui peuvent être néfaste à l’environnement au sein de la salle. Au contact d’une source chaude, il a tendance à s’assouplir et à fuir au niveau du joint, ce qui peut poser des problèmes.

Le choix du sol sera dicté par l’implantation, la charge au sol, et le type de diffusion de l’air. Par exemple dans le cas d’un flux laminaire vertical qui est utilisé dans les salles d’opération par exemple, on utilisera un faux plancher perforé destiné à la reprise d’air. De plus, le sol peut répondre à des spécifications électrostatiques en fonctions des travaux qui vont être effectués dans la salle.

Le revêtement de sol le plus couramment utilisé est le vinyle jointé par différentes résines. Une fois mis en place ce sol sera parfaitement lisse et facile à décontaminer.

Les menuiseries doivent être affleurantes aux parois pour éviter les interstices et donc l’introduction de poussière ou micro-organismes. Il faudra également que l’abrasion causée par le mouvement des portes soit minimes au niveau des rails et charnières.

Les plafonniers devront être encastrés et étanche pour éviter tout contact. L’intérieur du luminaire sera accessible par l’extérieur de la salle. Des joints spécifiques devront être utilisés pour garantir une parfaite étanchéité. Il faudra noter que tous ces éléments doivent être capables de résister aux contraintes mécaniques engendré par des différences de pression entre l’enceinte et l’extérieur.

Ci dessous, une coupe d’un plafonnier de salle blanche. Vous pourrez y voir l’ensemble des dispositions constructives nécessaire dans une salle à empoussièrement contrôlée.
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Il faudra procéder de la même façon pour le choix des différents éléments intérieur au laboratoire. Il est inutile de faire attention à la pièce en elle-même si l’on ne fait pas attention à ce que l’on met à l’intérieur.

 ii) Suivi et entretien des différents éléments

De manière générale, on cherche pour les salles propres qu’elles assurent une activité quotidienne, et donc une disponibilité permanente des installations. Tout arrêt plus ou moins prolongé des installations de conditionnement d’air peut provoquer un déclassement du niveau de propreté de la salle et un temps important de remise en route. Si une défaillance de l’installation survient, la salle peut être perturbée mais il faut veiller à la fiabilité des installations mises en place. Ce travail est à faire dès la conception de la salle.

Plusieurs types de maintenance sont possibles :

• La maintenance corrective : cela concerne les maintenances effectuées après altération ou cessation de fonctionner d’une installation.

• La maintenance préventive : elle a pour but de réduire de probabilité de défaillances ou de dégradation des fonctionnalités de la salle.

• La maintenance dite améliorative : elle permettra d’améliorer le système, maintenir sa durabilité et sa fiabilité.

Le personnel doit être formé aux contraintes relatives au niveau de propreté et à la sécurité des zones protégées (vêtements, attitudes, utilisation des vestiaires et des sas, etc). Cette formation permettra si elle est efficace de limiter encore plus la contamination de l’air, réduire la maintenance et donc limiter les couts (voir protocole salle blanche).

Les systèmes de ventilation et de traitement de l’air peuvent nécessiter une maintenance régulière pour le bon fonctionnement de la salle. En effet, certains filtres très fin peuvent se colmater très rapidement. Pour savoir si un filtre est défaillant, des sondes de mesure de pression sont placés de part et d’autre des filtres. Si le différentiel entre les deux cotés du filtre est trop important on peut estimer que celui-ci est colmaté et qu’il nécessite l’intervention d’un technicien.

La maintenance doit rester rentable. Il faut optimiser les couts en fonction du service que doit rendre la salle blanche. C’est pourquoi les opérations de maintenance de ces salles doivent être prit en compte dès la conception, et une étude de rentabilité globale de l’installation doit être faite.

 iii) Les procédures d’usages :

Le personnel effectuant des travaux à l’intérieur de la salle blanche vont être une source de contamination importante. Il faut donc veiller à mettre en place des règles d’usage, de protection du personnel et, de sécurité pour que les systèmes expliqué précédemment ne soit pas rendu inutile.

Le personnel doit dans un premier temps respecter la procédure d’habillement, c est une priorité. De plus, il doit respecter les conditions liées à l’introduction d’objet dans la salle blanche. Si un appareil ou une installation présente un comportement anormal, il devra en tenir informer le personnel de maintenance. Il est important de noter aussi que si un collègue commet un oubli, une erreur ou une erreur aux règles d’usage à l’intérieur de la salle, il faudra immédiatement lui signaler. Cela évitera tout problème tant au niveau de la propreté de la salle que des travaux effectués à l’intérieur.

L’entrée et la sortie d’une salle blanche sont soumit à des procédures spéciales. En effet ce sont des moments critiques quand à l’apport ou à la sortie de substances qui peuvent être dangereuses voire nocives.

• Procédure d’entrée :

L’entrée se fait en deux étapes : l’entrée dans le sas, et le passage du sas aux salles blanches proprement dites.

Mais tout d’abord qu’est ce qu’un sas ? Dans le cadre d’une salle blanche le sas est une pièce adjacente qui va faire le tampon entre le milieu extérieur et l’environnement protégé de la salle. Il va permettre une régulation et une décontamination des personnes et objets devant entrer, mais aussi sortir. Cela va se faire par l’ensemble des mesures que nous allons voir, mais aussi par une différence de pression entre les deux milieux. En effet, grâce à ce procédé, les particules volatiles vont rester à l’intérieur du sas et ainsi ne vont pas contaminer le lieu de travail. Le sas ne permettra pas de stopper à 100% les particules qui pourraient entrer dans la salle mais cela les limitera grandement. Cela évitera tout problème ultérieur qui entrainerait une maintenance plus régulière et un surcout évident.

Dans le sas sera disponible l’ensemble des équipements nécessaire à l’entrée dans une salle blanche. Il faudra tout d’abord veiller à nettoyer les chaussures car elles peuvent transporter toutes sortes d’organismes en plus de la poussière résiduelle. Pour cela, il faudra les passer sur un blanc décontaminant ou un sol autocollant pour enlever la poussière des semelles. Des chaussures spéciales pour entrer dans la salle peuvent également être à disposition dans le sas. Une fois cette étape fini, il faudra revêtir la combinaison ainsi que la cagoule en veillant à ce que la base de la cagoule soit à l’intérieur du col de la combinaison. De ce fait, les particules émises par les utilisateurs lorsqu’ils parlent par exemple, seront emprisonnées à l’intérieur de la combinaison. Ensuite, il faudra mettre les sur-chausses et les gants. De même que précédemment, les gants devront recouvrir la combinaison.

En parallèle du sas pour le personnel doit se trouver un sas dit de conditionnement pour tous les objets qui vont entrer dans la salle propre. Ils devront être décontaminé enfin d’enlever toutes les particules ou micro-organismes présents. Il est amusant de noter que les crayons à mine de plomb sont proscrits, de même que le papier ordinaire. Ce dernier devra être recouvert d’une pellicule de protection ou répondre a des critères spécifiques (papier salle blanche). Cela prouve à quel point toutes les mesures visant à limiter l’empoussièrement sont importantes.

Pour nettoyer les objets devant entrer dans la salle, on utilisera de l’isopropanol. Ces propriétés de décapant, désinfectant et antiseptique sont très appréciés. Cependant il est recommandé d’utiliser ce produit dans un milieu aéré et en utilisant des gants protecteurs car il peut provoquer des nausées, vomissement et également des vertiges

• Accessoires de protection individuelle :
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Le port de lunettes de protection est obligatoire en tout temps pour la manipulation de tout produit chimique, et est fortement recommandée dans toutes les autres activités effectuées en salles blanches.

Les gants doivent être utilisés pour la manipulation d’acides et de bases. En mettant ou en retirant ces gants, on évitera de toucher avec des mains non adéquatement protégées des parties risquant d’avoir été exposées aux produits chimiques.

Concernant les combinaisons, elles devront avoir une capuche intégrée, des fermetures à glissière latérale et des bords côtes aux poignets, des sur-chausses indépendantes avec un recouvrement de la combinaison. Le coton étant proscrit en salle blanche, le matériau utilisé devra présenter une très bonne résistance aux différents agents chimiques, et devra s’affranchir des charges électrostatiques (tressage avec fibres de carbone).

Toujours dans le cadre de la limitation de l’entrée de particules, le personnel devra éviter de mettre des vêtements pelucheux (même sous la combinaison). De plus, le maquillage et les verres de contacts sont interdits. Le premier en raison du risque de contaminations des travaux de la salle blanche. Les verres de contacts, eux, peuvent interagir avec des vapeurs de solvants et se coller à la cornée.

• Procédure de sortie :

Il faut simplement prendre les procédures précédentes et les appliquer en sens inverse. Il faudra prendre soin de ne pas se contaminer en enlevant les gants par exemples.

• Installation de secours :

En cas d’incident dans une salle blanche, il est nécessaire de prévoir des équipements afin que le personnel soit informé d’un problème et puisse au plus vite être en sécurité. L’infrastructure des salles blanches est munie de son propre système d’alarme de gaz toxiques, qui s’ajoute au système d’alarme d’incendie du bâtiment. En cas d’alarme générale, il faut immédiatement sortir des salles blanches et du bâtiment en utilisant la sortie de secours la plus proche. Si une contamination d’un produit toxique survient, des douches de corps peuvent être prévues. En cas d’éclaboussure de produit chimiques, des douches oculaires peuvent permettre de rincer à grande eau les yeux et le visage.

Nous savons que les laboratoires ainsi que les salles blanches engendrent une dépense énergétique considérable. Les différents systèmes de traitement de l’air, d’un point de vue hygrométrique et thermique consomment beaucoup d’énergie. Il serait donc judicieux d’élaborer des systèmes innovants qui limiteraient ces dépenses énergétiques.

 Bibliographie :

• Traitement de l’air pour salles propres :
Auteur : ASPEC (Association pour la Prévention et l’Etude de la Contamination)
Lieu d’édition, Éditeur : Paris, ASPEC
Date de publication : 2002

• Titre : Les technologies de salle propre : principes de conception, de qualification et d’exploitation
Auteur : William Whyte
Editeur : SB.COM
Date de publication : 2003

• Cours de filtration licence pro MCIGC
UPS Toulouse

www.camfil.fr
www.ciat.fr