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洁净技术世界发展史:从起源到全球规范化的演进之路

洁净技术,这一为适应实验研究与产品加工的精密化、微型化、高纯度等要求而诞生的技术,其发展历程犹如一部波澜壮阔的科技史诗,跨越了多个世纪,见证了人类对生产环境控制能力的不断提升。从18世纪医学消毒需求的萌芽,到20世纪中叶现代概念的正式形成,再到如今在全球范围内的广泛应用与规范化发展,洁净技术已成为推动众多行业进步的关键力量。 

一、起源与早期发展:从医学需求到军事工业的推动

洁净技术的起源可追溯至18世纪的医学消毒需求。在那个时代,手术感染的高发率促使医生们开始探索如何创造更清洁的手术环境,以减少术后并发症和死亡率。然而,真正意义上的洁净技术现代概念,却是在20世纪中叶才逐渐形成的。

第二次世界大战期间,美国生产的飞机导航用气浮陀罗仪因质量不稳定而频繁返工,每10个陀罗仪平均要返工120次。50年代初朝鲜半岛战争期间,美国的16万台电子通讯设备更换了百万个以上的电子部件,雷达和潜水艇声纳的故障率也居高不下。这些问题的根源,最终被军方与厂商判定为与生产环境不清洁有关。尽管当时已采取种种严密措施来封闭生产车间,但效果并不理想。

直到1951年,美国原子能委员会为解决对人体有害的放射性尘埃的捕集问题,成功研制出高效空气过滤器(HEPA—High Efficiency Particulate Air Filter)。这一技术的突破,为洁净室的诞生奠定了基础。1955年,首个洁净室建成,标志着洁净技术正式进入实用阶段。

二、现代洁净室的形成与发展:标准制定与技术革新

1961年,美国桑第阿国家实验室的高级研究人员怀特菲尔特提出了层流(现正名为单向流)的洁净空气流组织方案,并应用于实际工程。这一创新使得洁净室达到了前所未有的更高洁净级别。同年,美国空军制定颁发了世界上第一个洁净室标准TO—00—25——203空军指令“洁净室与洁净工作台的设计与运转特性标准”。在此基础上,1963年12月,美国公布了将洁净室划分为三个级别的联邦标准FED—STD—209,形成了完善的洁净室技术雏形。这三个关键进步,被誉为现代洁净室发展历史上的三个里程碑。

上世纪六十年代中期,洁净室在美国如雨后春笋般涌现在各种工业部门,不仅用于军事工业,还在电子、光学、微型轴承、微型电机、感光胶片、超纯化学试剂等工业部门得到推广,对当时科学技术和工业发展起到了巨大的促进作用。七十年代初,洁净室的建设重点开始转向医疗、制药、食品及生化等行业。与此同时,日本、德国、英国、法国、瑞士、前苏联、荷兰等工业先进国家也纷纷大力发展洁净技术。

三、中国洁净技术的发展历程:从起步到与国际接轨

(一)起步和奠基阶段(六十年代初至七十年代末)

中国的洁净技术发展起步较晚,大致比国外晚了十年。六十年代初,中国正处于经济基础薄弱的困难时期,且与世界科技先进国家没有直接交往,得不到必要的科技数据、信息和样品。然而,围绕精密机械、航空仪表和电子工业的需要,中国的洁净技术工作者开始了艰难的创业历程。

1965年,由中国建筑科学研究院空气调节研究所和蚌埠绝缘材料厂等单位研制完成的带波纹隔板的高效空气过滤器通过鉴定,标志着中国洁净技术正式起步。当时所用滤纸有两种材质,一种是蓝石棉纤维滤纸的GS系列高效空气过滤器,但因生产过程对人体健康不利很快被淘汰;另一种是超细玻璃纤维滤纸的GB系列高效空气过滤器,一直沿用至今。经国内多次与国外同类产品对比测试,以及美国明尼苏达大学气溶胶研究所对中国高效过滤器滤纸所作测试的结果,都证明国产高效空气过滤器的主要技术指标达到同期国际标准。

与此同时,中国还先后研制成功滤料钠焰试验台和高效过滤器的钠焰试验台,为高效空气过滤器的正常生产和质量提供了保证。1973年,建研院历时三年研制成功了中国第一台型号为J—73型的尘埃粒子计数器,以及标定粒子计数器用的标准粒子——单分散聚苯乙烯胶乳标准粒子(PSL)。这两项成果于1974年通过国家鉴定并认为已达到或接近当时的世界水平。尘埃粒子计数器的推广应用,推动了中国洁净技术的科研、设计和净化设备生产沿着自立、自强的道路向前进步。

在这个阶段内,与洁净室配套的净化设备也陆续试制成功。一些原来生产无线电、半导体专用设备的、生产医疗器械的工厂转向净化设备的生产,在国内形成了初步的洁净室设备生产规模与布局。为了适应研究机构对小型洁净工作环境的需求以及旧厂房进行小规模洁净室改造的需要,装配式垂直单向流、水平单向流洁净室研制成功,并在1974年通过了国家鉴定。

(二)成熟与发展阶段(七十年代末至八十年代末)

七十年代末至八十年代末,中国的洁净技术经历了一段阳光灿烂的发展阶段。在这个阶段,中国在标准、规范制定与国际交往、生物洁净室技术、基础与技术研究以及产品研制与开发等方面取得了众多标志性成果。

在标准、规范制定与国际交往方面,1979年1月出版了“空气洁净技术措施”,起到了规范与推动当时中国洁净室技术的重要作用。1984年12月颁发了GBJ73-84国家标准“洁净厂房设计规范”,其中关于洁净度分级标准等同采用了当时国际上大多数国家认同的美国联邦标准209B。随后,结合中国国情,参考国际标准先后制定了多个标准,对统一与规范试验、测定方法,增强科学性起了很大作用。1982年6月成立了中国电子学会洁净技术分会,并创办了“洁净技术”杂志(现名为“洁净与空调技术”),在整合国内洁净室技术的各方面力量、推动洁净室技术进步以及在国际交流方面起了很大促进作用。

在生物洁净室技术方面,七十年代末,一些制药厂开始对原有空调系统进行改造,采用高效空气过滤器作为空调送风系统的末端。1982年中国制药工业公司制定了“药品生产管理规范”(试行稿),为推动制药工业的现代化奠定了基础。在此阶段,生物洁净室在医疗方面也陆续得到推广应用,建成了多间不同气流型式、不同洁净级别的无菌手术室和无菌病室。

在基础与技术研究方面,中国提出了大气尘的统计规律、乱流洁净室的均匀分布理论计算公式、单向流洁净室下侧回风方式的最大室宽等众多理论成果,为洁净室的设计、施工和运行提供了科学依据。

在产品研制与开发方面,中国研制成功了多种材质、多种工艺的无织布滤材、无隔板高效空气过滤器、CGB型高效空气过滤器等产品,部分替代了当时从美、法、日等国引进的过滤材料,为国家节约了大批外汇。

(三)与国际接轨走向规范化(九十年代初以来)

九十年代初以来,在电子技术持续飞速发展的推动下,洁净技术不断前进。1992年9月11日颁布的美国联邦标准FED—STD—209E将洁净等级从英制改为米制,洁净度等级分为M1至M7七个级别。2001年11月29日,美国总服务局发布公告,废止FED—STD—209E,等同采用ISO—14644相关标准,标志着洁净技术随同世界经济一体化进一步走向国际大同。

在中国,九十年代初以来,洁净技术在制药工厂贯彻实施GMP法过程中得到了普及。全国几千家制药厂以及生产药用原材料、包装材料等非药企业陆续进行了技术改造。1998年颁发了由国家药品监督局组织修订的“药品生产质量管理规范”,即中国1998GMP,为加大GMP的推行力度、在制药全行业实施认证体制进一步奠定了基础。同时,医院无菌手术室的建设也受到各方面的关注,陆续在各大城市建起了上千间不同级别的生物洁净手术室、生物洁净病室及实验动物房。

四、国际洁净室技术的持续进步:从微电子到生物技术的广泛应用

在国际上,洁净室技术也在持续进步。八十年代中期以来,以微电子行业为例,1976年4月24日所颁发的美国联邦标准209B所规定的最高洁净级别—100级已不能满足需要。随着集成电路集成度的飞速提高,更高级别的洁净室陆续在美、日建成。同时,各种降低能耗、配合工艺过程自动化与高洁净度要求的洁净室气流组织方案及技术也陆续诞生,如隧道式洁净室、洁净管道以及SMIF技术等。

在生物技术领域,洁净室技术也得到了广泛应用。从六十年代美国新墨西哥州建成的世界上第一个垂直单向流的生物洁净技术室,到英国、奥地利、瑞士、德国等国家先后建成的用于医疗的生物洁净室,再到日本在生物洁净室技术方面的快速发展,洁净室技术已成为保障生物安全、提高医疗质量的重要手段。

五、洁净技术的主要事件与里程碑

回顾洁净技术的发展历程,有许多关键事件和里程碑值得铭记。1940年,美国创建了第一座洁净室,标志着洁净室的起源。1950年,高效粒子空气过滤器(HEPA)问世,成为洁净技术发展史上的第一座里程碑。五十年代,美国基于精密机械、电子工业的需要而发展了污染控制技术,并在朝鲜战争中验证了其有效性。1957年前苏联第一颗人造卫星发射成功,刺激了美国加速发展宇航工业和制订有关控制标准的工作。

1961年,层流(单向流)洁净室诞生,世界上最早的洁净室标准—美国空军技术条令203形成。1963年美国颁布了洁净室第一个军用部分的联邦标准209。随后几十年间,美国不断修订和完善洁净室标准,推动了洁净技术的不断进步。同时,其他国家也纷纷制定自己的洁净室标准,促进了洁净技术在全球范围内的普及和应用。

GMP(Good Manufacturing Practices for Drugs)的制定和推广也是洁净技术发展史上的重要事件。最初由美国坦普尔大学6名教授编写制订的GMP于1963年美国国会第一次颁布成为法令后,逐渐在全球范围内得到推广和实施。GMP的推行,极大地提高了药品生产的质量和安全性,推动了制药工业的现代化进程。

六、结语:洁净技术的未来展望

如今,洁净技术已成为推动众多行业进步的关键力量。从微电子、制药到医疗、食品等领域,洁净技术都发挥着不可或缺的作用。随着科技的不断进步和全球经济的持续发展,洁净技术将面临更多的机遇和挑战。

未来,洁净技术将继续朝着更高洁净级别、更低能耗、更智能化、更环保的方向发展。同时,随着国际合作的不断加强和标准的逐步统一,洁净技术将在全球范围内实现更加广泛的应用和普及。我们有理由相信,在洁净技术的推动下,人类将创造更加美好的未来。

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