Wie die Luftstrommodellierung beim Reinraumdesign die Leistung verbessert

Warum Reinraumplanung in der Pharma eine systemweite Luftstrombetrachtung erfordert

Reinräume werden häufig raumweise entworfen. Auf dem Papier funktioniert dieser Ansatz: Jeder Raum erfüllt seine Anforderungen, Luftströme werden geregelt und Druckkaskaden klar definiert.

In der Praxis jedoch sind alle Bereiche miteinander verbunden. Luft strömt zwischen Räumen und Fluren, Druckunterschiede beeinflussen sich gegenseitig, und selbst kleine Veränderungen in einem Teil der Anlage wirken sich auf andere Bereiche aus.

„Wir neigen immer noch dazu, Reinräume als isolierte Räume zu planen, obwohl sie als Systeme funktionieren“, sagt Jens Chr. Bennetsen, Leiter des Center of Excellence, Advanced Simulations.

Er verweist damit auf eine Lücke zwischen Planung und Betrieb: In der Regel wird die Planung nur unter wenigen Betriebsbedingungen validiert.

Der Einfluss von Luftströmungsmustern auf die Kontaminationskontrolle

Im Rahmen des Cellerator-Projekts an der Technischen Universität Dänemark (DTU) nutzte Ramboll computergestützte Strömungssimulationen (CFD) auf Systemebene, um das Betriebsverhalten einer kompletten Reinraumanlage zu modellieren. Dabei wurden nicht nur stationäre Bedingungen, sondern insbesondere auch Übergangszustände betrachtet, die den realen Anlagenbetrieb prägen. Genau hier stoßen traditionelle Ansätze häufig an ihre Grenzen.

Jens Christian Bennetsen erklärt: „Wenn eine Tür zwischen zwei Räumen geöffnet wird, entsteht sofort eine Verbindung zwischen beiden Zonen. Luftpartikel und sogar die Bewegung von Personen beginnen sich gegenseitig zu beeinflussen und werden von einem Raum in den anderen übertragen.“

Menschen, die durch eine Tür gehen, wechseln nicht nur den Raum – sie verändern dabei auch den Luftstrom.

Er ergänzt: „Hinter einer Person entsteht ein Luftstrom, der Partikel aus einem Raum in den anderen transportieren kann. Gleichzeitig wird das Druckgleichgewicht im System gestört, sodass die Lüftungsanlage unmittelbar reagieren muss.“

Zum Vergleich sagt er: „Es ist wie bei einem Reifen, aus dem Luft entweicht – nur dass es nicht um ein kleines Leck geht. Es ist, als würde man einen Teil der Begrenzung entfernen. Das System muss sofort reagieren, um den Druck stabil zu halten.“

Eine der zentralen Erkenntnisse ist, dass die Leistung eines Systems nicht von einem einzelnen Parameter bestimmt wird. Entscheidend ist das Zusammenspiel von Luftströmung, Druckverhältnissen und Bewegung im gesamten Raum.

Eine Erhöhung der Luftwechselrate kann die Partikelkonzentration deutlich reduzieren. In der Cellerator-Studie führte eine Steigerung von 22 auf 33 Luftwechsel pro Stunde zu einer Verringerung der durchschnittlichen Partikelkonzentration um bis zu 55 Prozent.

Doch mehr ist nicht automatisch besser. „Es gibt einen Punkt, an dem eine Erhöhung des Luftstroms die Kontrolle nicht weiter verbessert, aber dennoch den Energieverbrauch steigert. Ab diesem Moment wird Energie verschwendet. Statt einfach mehr Luft einzubringen, stellt sich die Frage, wie die Luft gezielt verteilt und gesteuert wird“, sagt Jens Christian Bennetsen.

Die Simulation zeigte, dass die Luftströmungswerte in mehreren Fällen überdimensioniert waren.

„Wir sehen häufig Entwürfe, die auf Faustregeln basieren und sehr hohe Luftwechselraten ansetzen. Das kann jedoch zu übermäßiger Turbulenz führen. Anstatt Partikel gezielt abzuführen, werden sie dadurch im Raum lediglich verteilt“, erklärt er.

Durch eine Reduzierung des Luftstroms und eine optimierte Strömungsführung lässt sich die Partikelabfuhr verbessern – statt Partikel im Raum zu verwirbeln, werden sie gezielt aus dem Raum herausgeführt.

Ein weiterer zentraler Aspekt ist die Erholungszeit: Wie schnell kehrt ein Reinraum nach einer Störung wieder zu stabilen Bedingungen zurück?

Die Ergebnisse waren hier eindeutig. Statt mehrere Minuten zu warten, bevor ein Raumwechsel sicher möglich ist, reduzierte die optimierte Konfiguration die Erholungszeit auf etwa eine Minute.

„In der Praxis bedeutet das, dass Personen und Materialien deutlich schneller durch die Anlage bewegt werden können. Im Vergleich zu typischen Annahmen sehen wir Verbesserungen um den Faktor zwei bis drei“, erklärt Jens Christian Bennetsen.

Dies hat direkte Auswirkungen auf den Betrieb: kürzere Wartezeiten, schnellere Abläufe und eine insgesamt höhere Effizienz.

Ein Verständnis auf Systemebene verändert die Art und Weise, wie Entscheidungen getroffen werden. Anstatt Luftströmung, Druckstrategie oder Layout erst spät im Projekt anzupassen, können diese Entscheidungen früher und mit größerer Sicherheit getroffen werden.

Im Cellerator-Projekt führte die Modellierung zu konkreten Änderungen am Entwurf.

„Wir konnten erkennen, dass einige Diffusoren und Absaugstellen nicht optimal platziert waren. Durch die Anpassung ihrer Position und die Verbesserung der Abdeckung haben wir Totzonen vermieden und unnötige Umluftzirkulation reduziert“, sagt Bennetsen.

Die Analyse führte zudem zu Anpassungen der Luftströmungsraten in verschiedenen Räumen. Solche Erkenntnisse lassen sich ohne eine ganzheitliche Betrachtung des Systems nur schwer gewinnen.

In pharmazeutischen Anlagen wird der Luftstrom oft erhöht, um die Einhaltung der Vorschriften zu gewährleisten. Dieser Ansatz funktioniert, kann aber zu einer Überdimensionierung führen.

„Wir sehen viele Fälle, in denen Systeme mit einem deutlich höheren Luftstrom ausgelegt sind, als nötig. Das führt zu einem höheren Energieverbrauch und einem weniger effizienten Betrieb“, sagt Jens Christian.

Die Folgen gehen jedoch über den Energieverbrauch hinaus. Überdimensionierte Systeme wirken sich auf Kanäle, Ventilatoren und Steuerungssysteme aus. Und wenn der Luftstrom später reduziert wird, arbeiten die Anlagen möglicherweise außerhalb ihres optimalen Betriebsbereichs.

Mit besseren Erkenntnissen bereits in der frühen Planungsphase lässt sich dies vermeiden, sodass man sich auf das Wesentliche konzentrieren und von Anfang an ein flexibles Design erstellen kann.

Die Arbeit am Cellerator-Reinraumprojekt deutet auf einen umfassenderen Wandel in der Herangehensweise an die Planung pharmazeutischer Reinräume hin. Weg von der Planung einzelner Komponenten oder Räume hin zum Verständnis des Gesamtsystems. Weg vom Verlassen auf Annahmen hin zur Arbeit mit dokumentiertem Verhalten. Und weg vom Einplanen von Sicherheitsmargen hin zu fundierten Entscheidungen auf der Grundlage von Fakten.

Jens Christian Bennetsen sagt: „Wir bewegen uns zunehmend in Richtung eines systemischen Ansatzes, weil wir wissen, dass die isolierte Lösung eines Problems oft neue Probleme erzeugt.“

Das gilt branchenübergreifend – in der Pharmabranche jedoch steht deutlich mehr auf dem Spiel.

Er ergänzt: „Man muss sicherstellen, dass jeder Teil des Systems wie erwartet funktioniert. Überraschungen kann man sich hier nicht leisten.“

Für Kunden aus der Pharmabranche liegt der Nutzen auf der Hand: Ein besseres Verständnis des Systemverhaltens reduziert Risiken, verkürzt Inbetriebnahme- und Qualifizierungsphasen, vermeidet kostspielige Nacharbeiten und unterstützt die Einhaltung geplanter Projekttermine.

„Der wichtigste Aspekt ist die Risikominimierung. Wir wissen, dass das Design wie vorgesehen funktioniert, und das reduziert die Unsicherheit über den gesamten Projektverlauf hinweg“, sagt Jens Christian Bennetsen.

In einigen Fällen sind die Auswirkungen erheblich.

Wie wir die Genauigkeit von CFD-Modellen validieren

CFD ist keine neue Methode. Entscheidend ist jedoch, wie sie eingesetzt wird. Bei Ramboll liegt der Fokus darauf, detaillierte Modellierungen mit realer Validierung zu kombinieren.

„Wir priorisieren Genauigkeit gegenüber Abkürzungen. Aus physikalischen Tests wissen wir, dass wir dem realen Verhalten sehr nahekommen können, wenn die Modelle korrekt angewendet werden“, sagt Jens Christian Bennetsen.

Dies umfasst insbesondere:

• die Verwendung der richtigen Modellierungsauflösung
• die Erfassung von Wechselwirkungen zwischen Räumen
• die Validierung der Ergebnisse anhand physikalischer Tests

In Kombination mit Hochleistungsrechnen ermöglicht dies Analysen auf vollständigem Systemniveau, ohne Projekte zeitlich zu verzögern.

Der Einsatz von Systemebenen-Modellierung wird voraussichtlich wachsen, nicht nur in der Pharmaindustrie, sondern auch in anderen Branchen, in denen Luftströmung und Kontaminationskontrolle entscheidend sind.

„Wir sehen bereits ein wachsendes Vertrauen in diese Methoden. Je mehr Projekte zeigen, dass die Ergebnisse mit dem realen Betrieb übereinstimmen, desto schneller wird die Akzeptanz zunehmen“, sagt Jens Christian Bennetsen.

Gleichzeitig werden Anlagen immer komplexer. Automatisierung, aseptische Umgebungen und reduzierte menschliche Interaktion stellen höhere Anforderungen an das Design.

Bennetsen ergänzt: „Das macht es nur noch wichtiger, das gesamte System zu verstehen.“

Wenn Jens Christian Bennetsen jemandem, der heute Reinräume plant, einen Ratschlag geben würde, dann wäre es dieser:

„Setzen Sie frühzeitig auf Modellierung und hinterfragen Sie etablierte Faustregeln. Was vor 20 Jahren funktioniert hat, ist heute nicht zwangsläufig die beste Lösung – insbesondere, wenn neue Design- und Betriebsanforderungen erfüllt werden müssen.“

Dafür gibt es einen klaren Grund: Ein tieferes Systemverständnis verbessert nicht nur das Design, sondern verändert auch die Entscheidungsfindung – und letztlich die Art und Weise, wie Anlagen funktionieren.