Una mirada rápida a las normas de clasificación de filtros para salas limpias

Los criterios presentes en las normas de clasificación para filtros de alta eficiencia a nivel internacional poseen 3 objetivos:

• Proporcionar un sistema de clasificación de la capacidad filtrante a fin de generar un sistema de equivalencia entre filtros de distinto diseño y construcción.
• La comprobación e inspección de su capacidad filtrante respecto de su clasificación.
• La generación de métodos de ensayo para la ejecución de los puntos anteriores.

Las primeras normas para filtros de alta eficiencia tuvieron origen en EEUU  dado que su utilización tuvo lugar en diversos ámbitos (carrera nuclear, tecnología, etc.) y además por la existencia de numerosos organismos en EEUU responsables de generar documentos técnicos aplicables a este tipo de insumos vemos que en la historia de la generación de normas aplicables existen 5 organismos en EEUU que crearon las primeras normas para filtros de alta eficiencia, estos organismos fueron los siguientes:

• ANSI: (American National Standards Institute o Instituto nacional Americano de estándares), es un organismo que supervisa el desarrollo de estándares para productos, servicios, procesos y sistemas en los Estados Unidos. ANSI es miembro de la Organización Internacional para la Estandarización (ISO).
• ASME: (American Society of Mechanical Engineers o Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos) Es una asociación de profesionales, que ha generado un código de diseño, construcción, inspección y pruebas para equipos. Este código tiene aceptación mundial y es usado en todo el mundo.
• US. Department of Defense. (Departamento de defensa de EEUU) A través de su división de normalización es responsable de crear normas de testeo y certificación de materiales que sean de uso e interés para fines bélicos o que se relacionen con los organismos de defensa de EEUU. Las normas MIL-STD (de estándar) o MIL-SPEC (de especificación) son los documentos creados por este organismo.
• IEST (Institute of Environmental Sciences and Technology o Instituto de ciencias medio ambientales y de tecnología) es un organismo de EEUU miembro de ISO a través de su comité técnico TC 209, creado para la investigación, certificación y ensayo de tecnologías para el control de la contaminación en salas de contaminación controlada para aplicaciones aeroespaciales, tecnológicas y ligadas a las ciencias.
• ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers o Sociedad Americana de Aire Acondicionado, Refrigeración y Calefacción) es una sociedad internacional (con origen en EEUU) dedicada a mejorar los avances tecnológicos relacionados a la calefacción, refrigeración, aire acondicionado y ventilación (HVAC). Los miembros de la sociedad participan en el desarrollo de tecnología en HVAC creando normas, recomendando procedimientos y guías, investigando y publicando artículos técnicos.

En Europa:

• EUROVENT: European Committee of HVAC Manufacturers o Comité Europeo de fabricantes HVAC, es un organismo europeo que agrupa en la actualidad a más de 19 países creando estándares e investigando todo lo concerniente a HVAC. Antes de ser creados los estándares internacionales para filtros de alta eficiencia modernos participo en la creación de normas aplicables a filtros de alta eficiencia (DIN 24183, EUROVENT 4/4, EN 779, EN-1822).

Los organismos mencionados, constituyen en la actualidad las principales fuentes de normas para la clasificación, ensayo e inspección de filtros de alta eficiencia. Su contribución queda resumida en las siguientes normas:

1956: Departamento de defensa de EEUU crea la primera norma para la inspección y certificación de filtros de alta eficiencia utilizados para mascarillas de respiradores utilizados contra la guerra química: la norma fue la MIL-STD-282. Para dicha prueba se innovo en la inspección de los filtros mediante la utilización de un equipo capaz de determinar con exactitud la eficiencia de un filtro. Dicho equipo fue el penetrometro Q107 el cual tenía el tamaño suficiente para llenar un cuarto de 6 x 3 metros. La norma fue actualizada 4 veces siendo la última actualización la realizada en 1995: MIL-STD-282:1995.

1959: Los laboratorios aseguradores (UL) en conjunto con ANSI publican la norma ANSI/UL 586:1959, principalmente por los accidentes en los cuales se vieron involucrados los filtros de alta eficiencia tales como el escape de gases radioactivos a la atmosfera que sucedió en un reactor nuclear de EEUU en 1957 (debido al incendio que consumió los filtros encargados de filtrar el aire). La norma se actualizo 8 veces siendo la última actualización realizada en 2004: ANSI/UL 586:2004.

1975: la ASME mediante su comité técnico ANSI N45.8 en conjunto con la ANSI publico 2 normas; la ASME N509 y la ASME/ANSI N510, en 1976 este comité fue reconocido como ASME AG o “American Society of Mechanical Engineers Committee on Nuclear Air and Gas Treatment” o comité de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos para el tratamiento de gases y aire de instalaciones nucleares. En 1986 este comité actualizo las antiguas normas publicando la norma ASME AG-1-1986 la cual fue revisada varias veces hasta la versión vigente: ASME AG-1-2003.

1992 a 1993: El IEST comienza la publicación de una serie de normas tendientes a llenar los espacios vacíos generados por el cada vez mayor uso de filtros de alta eficiencia en varios campos de la industria (Aeroespacial, farmacéutico, alimentos, investigación, electrónica, etc). Dichas normas abarcaban la inspección, diseño, clasificación de salas limpias y todo lo conocido hasta ese momento en materia de clasificación y ensayos para  filtros de alta eficiencia. Estas normas fueron IEST-RP-CC007.1:1992 (Testing ULPA Filters), IEST-RP-CC001.3:1993 (HEPA and ULPA Filters). Estas normas fueron actualizadas el año 2005 dando paso a las normas  IEST-RP-CC001.4 (HEPA and ULPA Filters) y IEST-RPCC034.2 (HEPA and ULPA Filter Leak Tests), esta última es la más importante ya que es la norma moderna adoptada como el método de ensayo para la inspección de filtros de alta eficiencia en terreno.

En cuanto a Europa, la línea normativa se desarrolló según los siguientes hitos:

1984: Eurovent publica la norma Eurovent 4/4, la cual fue una norma de clasificación y testeo de filtros basada en la utilización de aerosol de cloruro de sodio el cual era detectado por medio de una flama que cuantificaba la concentración de partículas que penetraban el filtro. Dicho método provenía de la norma británica BS 3928 publicada en 1969. En 1990 el comité Europeo de normalización actualizó la norma para la clasificación y evaluación de la capacidad filtrante de un filtro de alta eficiencia unificándola para toda la comunidad europea en un método de clasificación mucho más moderno: la norma EN-1822 basada en la clasificación de un filtro en relación a la partícula de mayor penetración (MPPS) o mejor dicho en la determinación de la eficiencia mínima.

Particularmente nuestro pequeño resumen estará enfocado en las normas modernas de clasificación de filtros, las normas que analizaremos serán la norma ASHRAE 52.2 (EEUU) y la norma europea EN-1822 (CEN). Además revisaremos la norma moderna para la evaluación de la capacidad filtrante de un filtro en terreno la cual es la norma ISO 14644-3 parte 4.2.4, procedimiento B.6.

Lo primero que tenemos que comprender es que existen normas para la clasificación de un filtro de alta eficiencia y normas para verificar dicha eficiencia en terreno o in situ, la diferencia es que una norma de clasificación representa una forma de clasificar la capacidad de filtración de un filtro pero dicho procedimiento no es posible ser realizado en terreno ya que la clasificación es un proceso complejo que se realiza en la fábrica con equipamiento fijo mientras que la verificación es un proceso ambulatorio diseñado para ser ejecutado en terreno a fin de asegurar que un filtro se encuentra bien instalado libre de fugas y de daños en su estructura que excedan el límite de eficiencia especificado por el fabricante.

ASHRAE 52.2 MÉTODO DE TESTEO DE DISPOSITIVOS DE FILTRACIÓN POR EFICIENCIA DE REMOCIÓN POR TAMAÑO DE PARTÍCULAS.

La norma Ashrae 52.2 es la norma estadounidense vigente para la clasificación de filtros de alta, media y baja eficiencia. Dicha norma clasifica la capacidad de filtración no solo de filtros de alta eficiencia (HEPA/ULPA) sino que también de filtros de  baja y media eficiencia (Filtros de papel y filtros de bolsa) mediante un método gravimétrico (test de mancha y test de arrestancia respectivamente), los filtros de este tipo están clasificados desde el numero 1 al número 16. Los filtros de alta eficiencia que son de nuestro interés están clasificados entre el numero 17 al 20. La nomenclatura de esta norma utiliza el prefijo MERV, que significa VALOR MINIMO DE EFICIENCIA REPORTADO.  La norma ASHRAE 52.2 se actualizo el año 2007 (actualizando la versión 52.1) y agrupo los filtros de baja eficiencia (pre filtros) de media eficiencia (filtros de bolsa) y los filtros de alta eficiencia (Filtros HEPA y ULPA) en una misma norma a fin de poder clasificar  todos los filtros existentes dentro de una sola norma, por lo cual si quisiéramos comprar un filtro de alta eficiencia HEPA que ha sido clasificado por su capacidad filtrante según la norma ASHRAE 52.2, se debería adquirir un filtro MERV 17, MERV 18, MERV 19 o MERV 20 ya que dichas designaciones son los números que representan a filtros de alta eficiencia. La norma ASHRAE 52.2 es de mayor facilidad de uso ya que permite reconocer fácilmente filtros de alta eficiencia de filtros de media y baja eficiencia, de hecho es la única norma de clasificación de filtros que agrupa estos 3 tipos de filtros. Dicha agrupación fue creada sobre la base de la norma de origen ASHRAE 52.1 que agrupaba solo los filtros de baja y media eficiencia. Respecto de los métodos para determinar la eficiencia de los filtros contenidos en esta norma debemos señalar que para los filtros de alta eficiencia la forma de determinar su capacidad filtrante es mediante un método fotométrico, mientras que para los demás filtros es mediante un método gravimétrico.

La clasificación de la capacidad filtrante de un filtro de alta eficiencia esta sub dividida en las siguientes clases:

• MERV 20: eficiencia de ≥99,999% para partículas entre 0,10 µm a 0,20 µm
• MERV 19: eficiencia de ≥99,999% para partículas desde 0,30 µm
• MERV 18: eficiencia de ≥99,99% para partículas desde 0,30 µm
• MERV 17: eficiencia de ≥99,97% para partículas desde 0,30 µm
• MERV 16 a MERV 9: Filtro de bolsa de media eficiencia
• MERV 8 a MERV 1: Filtro de baja eficiencia (Pre filtro)

Para los filtros de alta eficiencia clasificados entre MERV 20 a MERV 17, el método de determinación de la eficiencia de retención está basado en la medición con contadores de partículas ópticos la cantidad y tamaño de las partículas que impactan un filtro antes y después del filtro (Upstream y Downstream o también aguas arriba y aguas abajo del filtro) en base a ambas concentraciones se establece una relación y un valor de eficiencia con el cual se determina su capacidad para retener partículas transportadas en el aire.

EN-1822 FILTROS HEPA/ULPA; CLASIFICACION, DESEMPEÑO, TESTEO, BUSQUEDA DE FUGAS Y DETERMINACION DE LA EFICIENCIA DE RETENCION DE PARTICULAS (HEPA/ULPA FILTERS; CLASSIFICATION, PERFORMANCE TESTING, LEAK-FINDING, AND COLLECTION EFFICIENCY DETERMINATION.)

Por el lado Europeo, tenemos la norma EN-1822, la cual especifica la clasificación de filtros de alta eficiencia en fabrica mediante un principio similar al descrito en la norma ASHRAE 52.2 para clasificar la capacidad de retención de partículas de un filtro de alta eficiencia tipificando un filtro según las siguientes denominaciones:

• H13 eficiencia de ≥99,95% para el MPPS
• H14 eficiencia de ≥99,995% para el MPPS
• U15 eficiencia de ≥99,9995% para el MPPS
• U16 eficiencia de ≥99,99995% para el MPPS
• U17 eficiencia de ≥99,999995% para el MPPS

Las diferencias entre ASHRAE 52.2 y EN 1822 son:

1. La norma Ashrae 52.2 específica el tamaño de partícula para el cual se especifica una determinada eficiencia, mientras que la norma EN-1822 especifica el tamaño de partícula para el cual establece la eficiencia mínima, dicho tamaño se especifica como MPPS.
2. Para el proceso de determinación de la eficiencia mínima, se establece el MPPS en relación a un tamaño especifico (mediante aerosol monodisperso), no a un rango como lo hace la norma ASHRAE 52.2.
3. La norma Ashrae 52.2 puede utilizar 2 contadores de partículas de rango discreto, sin embargo la norma Europea utiliza hasta 18 Contadores de partículas de condensación de núcleos (CNC).Durante el proceso de medición de las partículas después del filtro la norma EN 1822 utiliza varios contadores de partículas que escanean el 100% de la superficie del filtro, mientras que la norma ASHRAE 52.2 solo toma muestras de aire que han atravesado el filtro.

La norma EN-1822 fue creada a partir de la norma alemana DIN-24183 siendo adoptada como un estándar Europeo a partir de la publicación EN-1822-1: abril de 1998. Como ya sabemos  Las normativas de los filtros HEPA y ULPA entre países no son comparables directamente, lo cual hace más difícil a los usuarios la selección de sus filtros. Además, los métodos modernos de producción de medios filtrantes y técnicas de fabricación hacen posible producir filtros de alta eficiencia con una alta eficiencia de retención de partículas que ya no son clasificables según los diferentes test de medición usados antiguamente, porque los equipos de medición descritos en las normas no son suficientemente precisos para valorar estos filtros modernos eficazmente. Para remediar este problema el Comité Alemán de Normalización para Ingeniería Mecánica NAM, desarrolló la norma DIN 24183. Esta norma se introdujo a nivel europeo como Normativa Europea EN 1822, bajo la dirección del CEN T195/WG2 (CEN, Comité Técnico 195, Grupo de Trabajo 2).

Una de las mayores ventajas de la norma DIN 24183 con respecto a las normas de clasificación existentes fue la incorporación de técnicas de medición ultramodernas para entonces. Esto no sólo permitió clasificar metrológicamente los filtros de alta eficiencia HEPA y ULPA hasta eficiencias de 99,999995%, sino que además describió por primera vez para este tipo de ensayos una metodología de aseguramiento de la calidad. La norma europea EN 1822 designa como filtros HEPA las clases H10 a H14 y filtros ULPA las clases U15 a U17. El parámetro importante para un filtro es su eficiencia mínima. La base física para el estudio de la eficiencia es la curva de mínimo desempeño, que describe el comportamiento de filtración de los filtros de alta eficiencia según el tamaño de partículas. La zona crítica de mínima eficiencia se encuentra entre las partículas de pequeño tamaño fácilmente retenidas gracias a su movimiento oscilatorio (difusión) y las de gran tamaño que son retenidas por su propia inercia (Intercepción). La posición de la curva de mínima eficiencia para un filtro depende de la velocidad de paso del aire a través del medio filtrante, o dicho de otra forma, del caudal. Para un filtro dado, cualquier cambio de la velocidad del aire de paso cambia la posición de la curva y por tanto, de la eficiencia mínima. El tamaño de partículas de mayor penetración a una determinada velocidad de paso a través del medio filtrante como ya sabemos se denomina MPPS (Most Penetration Particle Size). La norma EN-1822 especifica la eficiencia en porcentaje referida a este valor MPPS. El principio general que se esconde aquí es que la capacidad de retención de un filtro de alta eficiencia aumenta cuando la velocidad de paso a través del medio se reduce. Este principio básico es un factor crucial en el desarrollo de filtros de alta eficiencia dado que supone que la capacidad de retención puede aumentarse manteniendo constante el caudal, aumentando la superficie filtrante y por tanto, reduciendo la velocidad de paso a través del medio filtrante. En la práctica, esto permite producir filtros de alta eficiencia de distintas clases, usando el mismo medio filtrante y variando la superficie filtrante (la profundidad de los pliegues por ejemplo). En la ilustración n°13 se muestran dos “curvas de mínimo” a diferentes velocidades de paso a través del medio; a la velocidad de 3 cm/s tenemos una eficiencia mínima de 99,9993% (U15), mientras que a 1,5 cm/s se alcanza el 99,99992% (U16), lo cual supone una clase superior. Dado que en las clásicas aplicaciones de salas limpias se trabaja con velocidades a través del filtro de 0,45 m/s (este valor suele ser el mínimo para filtros de alta eficiencia en zonas de flujo laminar), la velocidad de paso a través del medio puede alterarse variando la profundidad de los pliegues y por tanto la superficie filtrante efectiva. En el análisis final, esto significa que la técnica de plegado de la media filtrante es crucial para la generación de un valor de eficiencia de retención específico.

Una vez que el rango MPPS ha sido determinado, se procede a generar aerosol  conteniendo los tamaños de partículas de mayor penetración (0,2 µm.) lo cual corresponde a una concentración de aerosol de tipo monodisperso. Con aquel tamaño de partícula que corresponde al MPPS para ese filtro a un determinado caudal se procede a calcular el porcentaje de eficiencia del filtro por lo que el filtro es clasificado según alguna de las siguientes clasificaciones de la tabla EN-1822:

• H13 eficiencia de ≥99,95% para el MPPS
• H14 eficiencia de ≥99,995% para el MPPS
• U15 eficiencia de ≥99,9995% para el MPPS
• U16 eficiencia de ≥99,99995% para el MPPS
• U17 eficiencia de ≥99,999995% para el MPPS

La ecuación principal de cálculo de la determinación de la eficiencia involucra al menos otras 5 ecuaciones que mediante la utilización de intervalos de confianza establecen la eficiencia de un filtro mediante EN-1822.

La norma moderna de evaluación de filtros de alta eficiencia en terreno es la norma ISO 14644-3 parte b.6, la cual a su vez deriva de un método de ensayo descrito en la norma IEST-RPCC034.2 (HEPA and ULPA Filter Leak Tests) y que fue adoptado por el comité técnico encargado de establecer un método ISO para la evaluación en terreno de filtros de alta eficiencia. Por esta razón la norma que revisaremos (ISO 14644-3, B.6.2) indirectamente también implica el estudio de la norma IEST-RPCC034.2. Las 2 normas de clasificación de filtros de alta eficiencia vistas (EN-1822 y ASHRAE 52.2 representan lo más moderno y vigente en la fabricación y clasificación de filtros de alta eficiencia, sin embargo ambas normas solo se ocupan de testear filtros en fabrica y bajo condiciones muy controladas. Sería prácticamente imposible testear un filtro en terreno por alguna de estas normas ya que ambas requieren condiciones de laboratorio que no se podrían reproducir en terreno.

ISO 14644-3, B.6.2 – ENSAYO PARA LA DETECCION DE FUGAS EN SISTEMAS DE FILTRACION INSTALADOS EN TERRENO.

La norma ISO 14644-3 publicada el año 2005 proporciona 14 ensayos para la certificación, monitoreo y determinación del desempeño de una sala de contaminación controlada, dentro de dichos ensayos se encuentra el ensayo de determinación de fugas en un sistema de filtración con filtros de alta eficiencia el cual corresponde al método B.6. Dicho procedimiento se divide en un método que utiliza un fotómetro de detección rápida para la determinación de la concentración de partículas y un método para determinar la presencia de fugas mediante un contador de partículas. Dado que este último método no es el método de mayor uso (mediante un contador de partículas) debido a todos los inconvenientes que posee (error de coincidencia, error de contaminación, error de disolución, error de estabilidad, etc)  solo se abordara la determinación de la presencia de fugas mediante un fotómetro de detección de aerosol el cual es ampliamente usado en todo el mundo. Cabe mencionar que el presente método también es parte de normas de certificación de filtros presentes en equipos tales como NSF/ANSI 49 y EN-12469 las cuales evalúan fugas en gabinetes de bioseguridad.

En la determinación del porcentaje de penetración de un filtro mediante esta norma existen 2 variables que son muy importantes:

• La concentración del aerosol antes del filtro (Concentración de desafío)
• La concentración del aerosol después del filtro

Dichas concentraciones se relacionan en la obtención del porcentaje de eficiencia de un filtro. El presente método utiliza equipamiento que ha sido desarrollado para ser portátil por lo que puede ser utilizado para prácticamente la totalidad de filtros que se encuentren instalados en cualquier instalación ya sea un filtro en UMA o un filtro terminal. El equipo más importante en esta prueba corresponde al fotómetro detector de aerosol. Dicho equipo funciona mediante la utilización del efecto de Tyndall (El efecto Tyndall es el fenómeno físico que hace que las partículas coloidales en una disolución o un gas sean visibles al dispersar la luz) detecta partículas en un gas (o fluido) y particularmente para este ensayo la concentración de masa de un aerosol presente en el aire. Un fotómetro es capaz de detectar concentraciones de hasta 0,000001 mg/m³ de material particulado (como aerosol), las concentraciones de operación del equipo son 10 µg/l (mínimo) a 100 µg/l (máximo). La cuantificación de la masa de un aerosol se fundamenta en la detección de la luz que rebota sobre las partículas las cuales son iluminadas por una fuente luminosa de gran intensidad (Laser). El destello es transformado en una señal eléctrica proporcional al tamaño de las partículas por un transductor. La mayoría de los fotómetros de este tipo son calibrados de fábrica para usarse con partículas generadas a partir de PAO (poli alfa olefina) o DOP (Di octilftalato). Poseen una lectura con un tiempo de respuesta muy bajo (menor a 1 segundo), lo cual les permite detectar rápidamente una fuga. Ofrecen la posibilidad de ajustar automáticamente la línea base de concentración (BASELINE) o mediante un ajuste manual con toma de muestra (Determinación del 100%).  Actualmente estos equipos son livianos (12 a 15 Kg.) y portátiles, lo cual los hace muy eficientes para llegar a lugares difíciles de acceder, espacios reducidos, sistemas en altura, etc. además son fiables.

Actualmente en el mercado existe una gran variedad de filtros de alta eficiencia, lamentablemente muchos de ellos no se encuentran clasificados por ninguna norma y por esta razón es posible explicar las diferencias en el costo de un filtro respecto de otro. Las imágenes mostradas a continuación,   proveen certificados de clasificación de fábrica en los que se puede verificar su codificación, MPPS, eficiencia, etc. Dicha información debería acompañar a cada filtro a fin de garantizar un desempeño de acuerdo a las especificaciones para las cuales ha sido diseñado y clasificado.