Como são testados filtros HEPA dentro de cabines de segurança

Subtítulo: Métodos, normas e instrumentação para verificar eficiência, integridade e desempenho aerodinâmico em condições controladas.

Uma validação tecnicamente correta depende de aerossol de teste bem caracterizado, medições rastreáveis e controle rigoroso de vazão, pressão diferencial e distribuição granulométrica.

1. Conceitos Fundamentais

Cabines de segurança biológica e cabines de contenção dependem de filtros HEPA e, em aplicações mais críticas, filtros HEPA e ULPA para controlar a exposição a aerossóis. O desempenho do conjunto não é definido apenas pela eficiência nominal do meio filtrante, mas pela integridade do elemento, uniformidade de escoamento, selagem e estabilidade sob a vazão de projeto.

A captura de partículas em meios fibrosos ocorre por mecanismos simultâneos: difusão Browniana (submicrométricas), interceptação, impactação inercial (partículas maiores), além de efeitos eletrostáticos quando presentes. A curva de eficiência típica apresenta um ponto de mínima eficiência associado ao MPPS (Most Penetrating Particle Size), frequentemente entre ~0,1 e 0,3 µm para filtros HEPA tradicionais, variando com a microestrutura do meio filtrante e a velocidade superficial.

Do ponto de vista de física de aerossóis, o comportamento de partículas é governado por tamanho aerodinâmico, densidade efetiva, número de Knudsen e cargas elétricas residuais. Em testes laboratoriais, a definição e o controle da análise granulométrica do aerossol de teste são críticos para correlacionar resultados entre instrumentos e para avaliar eficiência fracionária com incerteza conhecida.

Além da eficiência, dois parâmetros são decisivos em cabines: (i) pressão diferencial no filtro, que impacta consumo energético, ruído, estabilidade de vazão e vida útil; (ii) integridade, avaliada por ensaios de vazamento (leak test) e varredura, pois microdefeitos e falhas de vedação podem dominar a penetração total mesmo quando o meio filtrante atende às especificações.

2. Métodos e Técnicas de Medição

Os teste de filtros em cabines podem ser divididos em duas frentes complementares: ensaios de classificação/desempenho do elemento filtrante (em bancada) e ensaios de integridade/instalação no equipamento (in situ). A seleção do método depende do objetivo metrológico: eficiência global, eficiência fracionária, queda de pressão, vazamentos localizados e estabilidade ao longo do tempo.

2.1 Eficiência fracionária por espectrometria de aerossol

Para caracterizar a eficiência por faixa de tamanho, utiliza-se um espectrômetro de aerossol (por exemplo, SMPS para 10–500 nm e/ou OPS/APS para ~0,3–10 µm, conforme o princípio). Mede-se a concentração a montante e a jusante por classe de diâmetro e calcula-se:

Eficiência(d) = 1 − Cjusante(d) / Cmontante(d)

Essa abordagem identifica o MPPS e permite comparar meios filtrantes, variações de velocidade e efeitos de carregamento. É tecnicamente superior a um valor único, porém exige estabilização do aerossol, diluições controladas e atenção à coincidência, perdas em linhas e eficiência de amostragem.

2.2 Contagem de partículas (método óptico) para verificação e trending

Em ambientes de salas limpas e comissionamento, a contagem de partículas via contadores ópticos (OPC) é amplamente usada para verificações rápidas, classificação ambiental e tendências. Embora não substitua a espectrometria detalhada em todas as faixas, é útil para evidenciar alterações de desempenho e para correlacionar eventos (ex.: degradação, dano mecânico, falha de vedação) com mudanças de concentração a jusante.

Limitações típicas incluem: sensibilidade restrita abaixo de 0,3 µm, dependência do índice de refração do aerossol e saturação em concentrações elevadas. A correta seleção de diluidores e linhas antiestáticas reduz viés de medição.

2.3 Ensaios de integridade (vazamento) com aerossol de teste

Para cabines, o ensaio de integridade in situ é decisivo. Injeta-se aerossol de teste a montante (comumente PAO, DEHS ou alternativas compatíveis), homogeniza-se o escoamento e mede-se a penetração total a jusante. Complementarmente, realiza-se varredura (scan) no plano do filtro e nas juntas para localizar vazamentos.

O princípio é medir uma razão de concentração (montante/jusante) com fotometria ou contagem, sob vazão representativa. A fotometria fornece leitura contínua de massa relativa/indicada, enquanto contagem oferece resposta por número e pode ser mais sensível a partículas finas dependendo da configuração. A decisão entre técnicas deve considerar faixa dinâmica, seletividade de tamanho e requisitos normativos do cliente e do setor.

2.4 Queda de pressão e curva vazão × Δp

A pressão diferencial é medida por transdutores calibrados e registrada em função da vazão. Em cabine, a queda de pressão do filtro interage com o ventilador e com o sistema de controle, impactando estabilidade de fluxo e capacidade de compensar carregamento. Curvas Δp×Q permitem:

• verificar conformidade com a especificação do projeto;

• comparar lotes de meios filtrantes e elementos finalizados;

• identificar obstruções, dobras, colagem inadequada e selagens defeituosas.

2.5 Comparação conceitual dos métodos

3. Equipamentos Usados no Setor

Ensaios robustos requerem sistemas de teste e medição integrados, com geração de aerossol, condicionamento de fluxo e instrumentação metrológica. Na indústria, plataformas automatizadas (incluindo sistemas TOPAS e equivalentes) são empregadas para padronizar vazão, estabilizar concentração e registrar dados com rastreabilidade.

3.1 Geração e condicionamento de aerossol

• Geradores de aerossol (atomizadores, Laskin, evaporação-condensação): definem material, concentração e faixa de tamanho.

• Neutralizadores (ex.: fonte de íons/radioisótopo em setups controlados): reduzem efeito de carga e melhoram comparabilidade.

• Misturadores e plenos: aumentam homogeneidade a montante e reduzem gradientes de concentração.

3.2 Instrumentação de medição

• Espectrômetro de aerossol: base para eficiência fracionária e análise granulométrica.

• Contadores de partículas (OPC): verificação a jusante e classificação ambiental.

• Fotômetros: medição contínua para testes de integridade e varredura.

• Transdutores de pressão diferencial: Δp com precisão e repetibilidade.

• Medidores de vazão (bocal crítico, venturi, térmico, laminar): controle de condição de ensaio.

3.3 Bancadas e rigs de teste para filtros e meios filtrantes

Para qualificação de elemento e de meios filtrantes, usam-se bancadas com porta-amostras, controle de vazão e instrumentação modular. Sistemas automatizados reduzem variabilidade por operador, melhoram reprodutibilidade e suportam protocolos multiestágio (ex.: eficiência fracionária + Δp + integridade) em uma mesma sequência.

4. Aplicações Reais em Indústria e Laboratórios

Em cabines de segurança, o teste in situ normalmente foca integridade do filtro instalado, vazão e estabilidade do sistema. Em paralelo, fabricantes realizam ensaios de bancada para classificar filtros HEPA e ULPA e para controlar variabilidade do processo produtivo (pleating, selantes, molduras, juntas e mídia).

• Salas limpas e farmacêutica: a integridade e a baixa penetração são críticas para reduzir risco de contaminação; varredura identifica vazamentos em juntas e no perímetro.

• Laboratórios de P&D: eficiência fracionária e MPPS orientam otimização de meios filtrantes (diâmetro de fibra, gramatura, aditivos, cargas).

• Turbinas a gás e processos industriais: embora HEPA/ULPA não sejam universais, metodologias de caracterização (Δp, distribuição de tamanho, concentração) suportam seleção de estágios e pré-filtros.

• Filtros automotivos e industriais: rigs específicos medem eficiência e perda de carga em condições representativas; a lógica metrológica é análoga, com adaptações de aerossol e faixa de tamanhos.

Quanto às normas de ensaio, a classificação de filtros de alta eficiência é tipicamente associada à EN 1822 / ISO 29463 (MPPS, eficiência local e global). Já ISO 16890 é referência para filtros de ventilação geral, sendo relevante quando a cabine possui estágios de pré-filtragem e quando se deseja harmonizar critérios entre etapas do sistema. A seleção correta da norma evita extrapolações indevidas entre metodologias e métricas (massa vs número, faixas diferentes, condições de ensaio distintas).

5. Boas Práticas e Parâmetros Críticos

Para reduzir incerteza e aumentar a reprodutibilidade, recomenda-se controlar variáveis que frequentemente dominam o erro total do ensaio:

• Vazão estável e conhecida: registrar Q e temperatura; evitar pulsação do ventilador durante aquisição.

• Homogeneidade do aerossol a montante: utilizar plenos e tempo de estabilização; checar gradientes com múltiplos pontos.

• Perdas em linhas de amostragem: minimizar comprimentos, curvas e conexões; preferir linhas condutivas e diâmetros adequados.

• Condição eletrostática: neutralização quando aplicável e aterramento para reduzir deposição por atração eletrostática.

• Calibração e verificações intermediárias: zero/span de fotômetros, checagem de vazão de contadores e rastreabilidade de transdutores de Δp.

• Critérios de aceitação alinhados à norma: diferenciar eficiência global, eficiência local e limites de vazamento; documentar incerteza e método.

Erros comuns incluem comparar diretamente resultados de fotometria com espectrometria sem correções, ignorar o MPPS ao interpretar “HEPA 99,97%”, e medir Δp fora da vazão nominal, levando a decisões de aceitação inconsistentes.

6. Conclusão Técnica

Testar filtros HEPA dentro de cabines de segurança exige abordagem metrológica completa: caracterização do aerossol de teste, escolha do método (eficiência fracionária, contagem de partículas, fotometria), controle de vazão e avaliação de pressão diferencial. A aderência a normas como EN 1822/ISO 29463 e o uso de instrumentação apropriada (incluindo plataformas automatizadas e sistemas como os TOPAS) elevam a confiabilidade, reduzem variabilidade e sustentam decisões de QA, validação e compliance com base em dados tecnicamente defensáveis.

CTA Técnico Final

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