Der rasante Fortschritt in Wissenschaft und Technologie macht es schwierig, den Zustand der Welt bis zum Ende dieses Jahrhunderts vorherzusagen. Basierend auf einigen bereits erkennbaren Trends lassen sich jedoch gewisse Einschätzungen treffen. Drei zentrale Technologiefelder – Halbleiterchips, Pharmazeutika und Biotechnologie – sowie die damit verbundenen Reinraumtechnologien stehen vor Chancen und Herausforderungen.
Auf der Jahreskonferenz der Chinesischen Vereinigung für Wissenschaft und Technologie im Jahr 2001 wies Professor Chen-Ning Yang auf drei Bereiche hin, die zu den treibenden Kräften der technologischen Entwicklung werden würden – die drei wichtigsten strategischen Richtungen für die nächsten 30 bis 40 Jahre:
Die weitverbreitete Anwendung von Chips in fast allen Bereichen, von Gebäuden und Häusern bis hin zu Autos, dem menschlichen Körper, Fabriken und Geschäften;
Schnelle Fortschritte in der Medizin und Pharmazie;
Biotechnik.
Die Chipproduktion, eine der drei strategischen Ausrichtungen, erfordert eine Mikroumgebung, die durch industrielle Reinräume in der Luftreinheitstechnologie bereitgestellt wird. Medizin, Pharmazie und Biotechnik benötigen biologische Reinräume, wobei Medizin und Pharmazie vor allem allgemeine biologische Reinräume und Biotechnik vor allem Biosicherheitsreinräume benötigen. Es ist offensichtlich, wie eng die Mikroumgebungstechnologie für saubere Gebäude mit diesen drei strategischen Ausrichtungen verbunden ist und dass sie heute vor neue Herausforderungen gestellt wird.
Die Entwicklungsgeschwindigkeit integrierter Halbleiterschaltkreise ist vermutlich von keiner anderen Technologie erreicht worden; die Integrationsdichte vervierfacht sich etwa alle drei Jahre. Aufgrund der rasanten Weiterentwicklung der künstlichen Intelligenz herrscht weltweit ein Chipmangel, der zu einer reduzierten Automobilproduktion aufgrund fehlender Chips führt. Hersteller streben bereits heute Chips mit einer Präzision von 2 nm an, und die Produktion integrierter Schaltkreise erfordert eine noch strengere Kontrolle der Partikelgröße in der Umgebung. Zweifellos dominiert die Elektronikindustrie weiterhin die Anforderungen an Reinräume.
Medizin und Pharmazeutika sind eng mit der öffentlichen Sicherheit und Gesundheit verbunden. Die erste Anwendung eines biologischen Reinraums in der Medizin war ein Reinraum-Operationssaal, der im Januar 1966 in den USA gebaut wurde. Ein Reinraum-Operationssaal ersetzt traditionelle Desinfektionsmethoden wie UV-Licht durch Luftreinheitstechnologie, um eine umfassende Prozesskontrolle der Schadstoffbelastung zu ermöglichen. In solchen Umgebungen können Infektionsraten um über 90 % gesenkt werden, wodurch der Bedarf an Antibiotika, die Patienten schädigen können, deutlich reduziert oder eliminiert wird. So führte beispielsweise das Shanghai Changzheng Hospital von 1989 bis 1990 9.337 Operationen der Klasse I in Reinraum-Operationsräumen durch, ohne dass es zu einer einzigen Infektion kam. Ebenso meldete das Beijing 301 Hospital von 1995 bis 1996 bei 16.427 Operationen der Klasse I keine Infektionen. Laut einem Artikel aus dem Jahr 2012 in der Zeitschrift Tumor die Leukämierate in China lag im Jahr 2007 bei 5,17 pro 100.000 Einwohnern, die Sterblichkeitsrate bei 3,94 pro 100.000 Einwohnern. Daher gewinnen die Behandlung von Leukämie und die Entwicklung biologischer Reinräume für derartige Behandlungen in China zunehmend an Bedeutung.
Während die Notwendigkeit sauberer Operationssäle und Blutstationsräume der Klasse 100 ursprünglich auf internationalen Erfahrungen und Beobachtungen von im Ausland arbeitendem medizinischem Personal beruhte, basierte die Erkenntnis, dass ganze Krankenhausgebäude eine saubere Luft erfordern, weitgehend auf Erfahrungen im Inland. Nach 2003 war eine der kritischsten Überlegungen, dass sich Bauherren und Planer beim Krankenhausbau oft nur auf das „Gebäude“ konzentrierten und die „Luftqualität“ vernachlässigten. Manches medizinische Personal priorisierte die Kontaktübertragung gegenüber der Aerosolübertragung von Atemwegsinfektionen, obwohl letztere explosiver und weiter verbreitet ist und geringere Infektionsdosen erfordert, was sie gefährlicher macht. Beispiele:
Für eine Infektion ist die Einnahme von 100 Millionen Tularämiebakterien erforderlich, während das Einatmen von nur 10–50 Bakterien Fieber verursachen kann.
Die mittlere Infektionsdosis für inhaliertes Adenovirus beträgt nur die Hälfte der Dosis einer Gewebekultur.
Bei Q-Fieber-Rickettsien kann bereits ein einziges Partikel, das sich in den Atemwegen absetzt, eine Infektion verursachen.
Obwohl man früher davon ausging, dass sich Pseudomonas aeruginosa nicht über die Luft übertragen lässt, hat sein Nachweis im Staub an Decken von Verbrennungsstationen und in der Luft die Risiken einer Übertragung über die Luft verdeutlicht.
Die Aerosolübertragungseigenschaften des SARS-Virus haben den Menschen die Bedeutung von Luftreinheitstechnologien in Krankenhausgebäuden deutlich vor Augen geführt.
Man kann sagen, dass Krankenhausgebäude ohne Luftreinigungstechnologie veraltet sind. Daher sollte die Planung eines modernen Krankenhausgebäudes mit integrierter Luftreinigungstechnologie Folgendes beinhalten:
OP-Systeme : Bau sauberer Operationssäle;
Stationssysteme : Saubere Stationen für Leukämie, Verbrennungen, Asthma und Frühgeborenenpflege;
Pflegestationssysteme : Intensivstationen (ICU), Organtransplantationsstationen und kardiovaskuläre Stationen;
Behandlungsbetriebssysteme : Interventionelle Therapieräume, Leukämiebehandlungsräume und Autopsieräume für Infektionskrankheiten;
Laborsysteme : Spezialtestlabore, klinisch-medizinische Labore, PCR-Labore und Biowissenschaftslabore mit Schwerpunkt auf Biosicherheitssystemen;
Instrumentenraumsysteme : Räume für Präzisionsinstrumente;
Isolierraumsysteme : Unterdruck-Isolationsräume für durch die Luft übertragbare Krankheiten, Beobachtungsräume und Unterdruck-Operationsräume;
Apothekensysteme : Spezialisierte Zentren zur Arzneimittelzubereitung;
Nebenräume reinigen : Sterile Vorratsräume und Lager für Einwegartikel;
Unsaubere Nebenräume : Räume zur Verarbeitung kontaminierter Abfälle und Korridore für kontaminiertes Material, die einer Schadstoffkontrolle bedürfen, um eine Übertragung von außen zu verhindern;
Halbsaubere Bereiche : Wartezimmer, Behandlungsräume, Untersuchungsräume und Diagnoseräume mit standardmäßiger Krankenhausklimaanlage.
Die Herausforderungen für die Reinheitstechnologie in der pharmazeutischen Produktion sind ebenfalls beispiellos, insbesondere nach der Einführung von GMP. Derzeit setzt China GMP (2010) (allgemein bekannt als Human Drug GMP) durch und die Qualitätsmanagement in der Tierarzneimittelproduktion (2020). Reinräume sind heute eine Grundvoraussetzung für pharmazeutische Fabriken.
Gentechnik ist ein wichtiger Teil der Biotechnik. Seit der erfolgreichen Übertragung genetischen Materials von einem Kokken auf einen E. coli im Jahr 1973 hat sich die rekombinante Gentechnik rasant weiterentwickelt. Angesichts ihres immensen Potenzials sind ihrem Wachstum im neuen Jahrhundert keine Grenzen gesetzt. Ein erheblicher Teil der Biotechnik birgt jedoch potenzielle Risiken, insbesondere die biologische Gefahr der Verbreitung potenziell unbekannter toxischer Mikroorganismen. Der Milzbrandvorfall in den USA und der weltweite SARS-Ausbruch sind Beispiele für solche schwerwiegenden biologischen Gefahren. Diese Ereignisse sind eine Warnung an alle: Diese Gefahr könnte jeden treffen. Für ein Land wie das unsere mit einer großen Bevölkerung und internationalem Handel sind biosicherheitskonforme Gebäudemikroumgebungen für die Epidemieprävention, die Erforschung von Pflanzen- und Tierarten und -produkten sowie die Seuchenbekämpfung von entscheidender Bedeutung. Unter dem Einfluss der neuartigen Coronavirus-Epidemie erfährt der Bau von Biosicherheitsreinräumen (Laboren) in meinem Land eine beispiellose Dynamik. Forschungseinrichtungen, Krankenhäuser, Impfstoffhersteller, Inspektions- und Quarantänebehörden, Behörden zur Prävention und Kontrolle von Tier- und Pflanzenkrankheiten sowie Seuchenkontrollzentren aller Ebenen benötigen dringend Biosicherheitslabore. Unvollständigen Statistiken zufolge gibt es in den USA zwölf Labore der höchsten Stufe P4, während es in meinem Land nur zwei gibt. Es gibt über 1.500 Labore der Stufe P3, während es in meinem Land nur etwa 80 gibt. Neben der Gentechnik benötigen auch die Biowissenschaften und bestimmte Zuchtprojekte in der Land- und Forstwirtschaft saubere Umgebungen.
Biologische Risiken werden international nach dem System der National Institutes of Health (NIH) in die Kategorien P1 bis P4 (von niedrigster bis höchster Stufe) eingeteilt. Einrichtungen, die mit biologischem Material der Stufen P3 und P4 umgehen, müssen Biosicherheitsmaßnahmen ergreifen. Nach 1972 verlagerten die USA einige Einrichtungen von der Biowaffenforschung zum National Cancer Institute (NCI) und richteten ein spezielles Tumorvirus-Forschungsprogramm ein, um die Krebsforschung voranzutreiben, bei dem Biosicherheitsmaßnahmen eine tragende Rolle spielten. Im Rahmen des Apollo-Programms wurden Biosicherheitskonzepte weiterentwickelt, indem aus dem Weltraum zurückkehrende Astronauten auf unbekannte Mikroorganismen getestet wurden. Zum Schutz der menschlichen Gesundheit und zur Entwicklung von Impfstoffen muss mit Bakterien und Viren gearbeitet werden, insbesondere mit solchen, die eine ernsthafte Gefahr für Mensch und Vieh darstellen. Die Forschung an schweren und seltenen Krankheitserregern (einschließlich Vektorinsekten) muss in Biosicherheitsreinräumen (Laboren) mit entsprechenden Sicherheitseinrichtungen durchgeführt werden.
Biologische Arzneimittel stellen eine neue Klasse von Medikamenten dar, die mithilfe biologischer Prozesse hergestellt werden. Diese biologisch aktiven Substanzen müssen unter sterilen Bedingungen produziert werden, und da sie nach der Produktion oft nicht sterilisiert werden können, ist eine vollständige Kontrolle der Mikroumgebung während des gesamten Prozesses unerlässlich. Für einen erheblichen Teil dieser Produkte sind zudem Biosicherheitsmaßnahmen erforderlich. Diese Medikamente werden hauptsächlich zur Behandlung schwerer Krankheiten wie Krebs, Herz-Kreislauf- und zerebrovaskulären Erkrankungen, AIDS und genetischen Störungen eingesetzt, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu behandeln sind. Der globale Markt für biologische Arzneimittel weist eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 12 % auf. Über 70 % der US-amerikanischen und mehr als 50 % der europäischen Biotechnologieunternehmen sind in der Forschung und Entwicklung von medizinischen biologischen Produkten tätig. Daher könnte der direkte Einfluss der Biotechnologie auf die Menschheit im 21. Jahrhundert in mancher Hinsicht den von Chips übertreffen, und ihre Entwicklung ist untrennbar mit der Kontrolle der Umweltverschmutzung und der Luftreinheit verbunden – den Kernfunktionen der Luftreinheitstechnologie.
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