実験室における層流: 知っておくべきこと

層流とは何ですか?

層流は、指定された空間内の空気全体が速度と方向の両方において均一である気流として定義されます。実験室やクリーンルーム環境では、この一方向の気流により浮遊粒子が最小限に抑えられ、乱流が軽減され、高度に制御された作業エリアの維持に役立ちます。

層流気流は、医薬品製造、微生物研究所、エレクトロニクス組立、半導体製造、および汚染管理が重要なその他の産業で広く使用されています。 HEPA フィルターで濾過された空気をスムーズで一貫したパターンで継続的に供給することにより、層流システムは、敏感な材料、実験、プロセスを空気中の汚染から保護するのに役立ちます。

層流フードとは何ですか?

クリーンベンチや生物学的安全キャビネットが一般的な例です。層流フード(別名、細胞培養フードまたは組織培養フード)。

これらの実験用エンクロージャは、HEPA フィルターで濾過された空気を、制御された一方向のパターンで作業エリア全体に注意深く導くように設計されています。機器の設計に応じて、層流フードは製品、オペレーター、環境、または 3 つすべての組み合わせを保護する場合があります。

層流フードは一般的に次の用途に使用されます。

• 細胞および組織培養
• 医薬品製剤
• 無菌調合
• 微生物検査
• 半導体の取り扱い
• 医療機器の組み立て
• PCR および分子生物学のアプリケーション

層流の概念は、1960 年代初頭に実験室の汚染制御システムに初めて導入されました。今日でも、これは現代のクリーンルーム工学や実験室機器の設計で使用される最も重要な気流原理の 1 つです。

層流フードの種類が異なれば用途も異なりますが、基本的な特徴はすべて共通しています。それは、HEPA フィルターを通した一方向気流を使用して無菌性を維持し、空気中の汚染を軽減し、作業空間内の乱流を最小限に抑えることです。

層流はさまざまな種類の機器でどのように利用されますか?

クラス II バイオセーフティキャビネット細胞または組織培養フードとも呼ばれるこのフードは、作業ゾーン上の HEPA フィルターを通した層流ダウンフローを通じて製品の保護を維持します。 NSF の定義に従って、これらの換気キャビネットは、オペレーターを保護するために開いた前面で内向きの空気の流れを備え、環境保護のために HEPA フィルターで濾過された排気も備えています。

• クラス II、タイプ A キャノピー接続が保証されていない限り、キャビネットは空気を研究室に再循環させます。クラス II、タイプ A2 キャビネットは、一般的なタイプの組織培養フードです。

• クラス II、タイプ B キャビネットは、危険な蒸気を発生する化学物質を使用するために、外部にハードダクトで接続されています。

• クラス II、タイプ C1 キャビネットはタイプ A またはタイプ B モードで機能します。どのモデルがお客様の用途に適合するとしても、作業の完全性と個人の安全を守るためには、生物学的安全キャビネット内での安全な操作が不可欠です。

層流クリーンベンチは、培地プレートの準備や組織培養のメンテナンスなど、製品の保護が必要な用途に適しています。クリーンベンチは、層流フードまたは層流ワークステーションと呼ばれることもあります。空気は、HEPAフィルターを通過する前に、クリーンベンチの上部にあるプレフィルターを通して取り込まれます。これは、非危険生物サンプルに使用できる組織培養フードの一種です。

• 水平クリーンベンチでは、層流空気がオペレーターに向かって水平に放出されます。縦型クリーンベンチでは、層流空気が作業エリア上に垂直に投影されます。どちらの場合も、層流により微粒子のない作業領域が提供されます。

• PCRステーション、ポリメラーゼ連鎖反応実験を収容するために特別に設計されたエンクロージャは、HEPA フィルターで濾過された空気の垂直方向の流れを利用して、微粒子のない作業環境を維持します。遺伝物質 (DNA、RNA など) の変性を促進し、二次除染を行う UV ライトが含まれています。

ゾーンエアフローとは何ですか?

ゾーン化された気流とは、完全に均一ではない、または完全に層流ではない、特定のバイオセーフティキャビネット内の気流パターンを指します。

キャビネットには、1 つの一貫した気流柱の代わりに、異なる速度の複数の気流ゾーンが含まれています。これらのゾーンは、従来の層流だけでは不十分な状況で封じ込めと保護のパフォーマンスを向上させるように設計されています。

ただし、隣接する気柱が異なる速度で移動するため、気流ゾーン間の境界では局所的な乱流が発生する可能性があります。

ゾーン化されたエアフローは、特殊なバイオセーフティ キャビネット設計における高度なエンジニアリング ソリューションとして一般的に使用されます。

層流と希釈流の比較

層流気流と希釈気流は根本的に異なる気流概念です。

層流

層流:

• 一方向のエアフローを使用
• 乱気流を最小限に抑える
• 継続的に粒子を掃き出します
• よりクリーンな作業環境を作り出します

希釈流量

希釈流量:

• きれいな空気と汚染された空気が混合する
• 空気交換率に依存
• 乱流パターンを生成する
• 時間の経過とともに汚染濃度を低減します

希釈気流は、フィルター付きグローブ ボックスや一部の格納容器でよく見られます。

層流システムとは異なり、希釈流は作業面全体に継続的に清浄な空気流カーテンを形成しません。

乱流とは何ですか?

乱流は、空気の流れが不規則になり、エンクロージャ内にランダムな渦や渦が発生すると発生します。

乱気流により次のようなことが起こります。

• 無菌状態を破壊する
• 相互汚染の原因となる
• 粒子の堆積を増加させる
• クリーンルームのパフォーマンスを低下させる

乱気流の一般的な原因は次のとおりです。

• 不適切な機器の配置
• 空気流路の遮断
• オペレーターの素早い動き
• ボンネット内の大きな物体
• 不適切なクリーンルームのレイアウト設計

クリーンルームエンジニアリングでは、乱流を減らすことは、ISO の清浄度基準を維持し、安定した環境制御を確保するために重要です。

結論

層流気流技術は、現代の研究室、クリーンルーム、および制御された環境において重要な役割を果たしています。 HEPA フィルターを通した均一な気流を提供することで、層流フードは無菌性を維持し、汚染を最小限に抑え、動作の信頼性を向上させるのに役立ちます。

バイオセーフティキャビネットやクリーンベンチから PCR ワークステーションや高度なクリーンルーム機器に至るまで、層流は依然として汚染制御のための最も効果的な工学手法の 1 つです。

研究室の標準が進化し続けるにつれて、高性能層流システムは世界中の医薬品製造、バイオテクノロジー研究、ヘルスケア用途、クリーンルーム工学にとって今後も不可欠なものとなるでしょう。