La consultoría de ingeniería Manens publica unas notas técnicas sobre el diseño de instalaciones en laboratorios químicos y biotecnológicos.

Esta es una traducción sintética del original en italiano.

Introducción

Los laboratorios de investigación y experimentación constituyen el motor del desarrollo científico y tecnológico. Las áreas de investigación científica son muchas y a menudo toman la forma de laboratorios, cada uno con necesidades y estructuras particulares. Este documento se limita a los laboratorios químicos y biotecnológicos, que por su numerosidad, tanto en instituciones de investigación como en entornos hospitalarios, y debido a su complejidad, a menudo plantean problemas desafiantes de diseño y construcción.

En los últimos años ha aumentado enormemente la variedad de operaciones a llevar a cabo en los laboratorios, y por tanto también ha aumentado la dotación instrumental y los aparatos necesarios, con la inevitable consecuencia sobre la arquitectura (distribución y construcción) y las instalaciones, con particular interés en la seguridad.

Cómo se extraen contaminantes: campanas extractoras

Las operaciones y manipulaciones contaminantes se desarrollan debajo de campanas extractoras, cuyas características son objeto de especificaciones normativas, en particular las de la serie UNI EN 14175-X. Estas campanas son las que plantean los mayores problemas tanto en aspectos técnicos de la instalación como de seguridad y diseño. 

Esquema de una campana extractora de laboratorio químico. (ASHRAE Handbook, Applications, 2023)

Las campanas más habituales son las que tienen una anchura de 1,20 m y extraen un caudal máximo del orden de 1.000 m3/h para asegurar una contención eficaz de los contaminantes. Generalmente, en laboratorios más grandes, se pueden ubicar múltiples campanas en cada habitación, y en este caso los caudales de aire involucrados se vuelven considerables y variables con el tiempo en relación con el número de campanas activas y sus métodos de uso; esta situación requiere un estudio muy cuidadoso del dimensionado y posición de los difusores, y pueden requerir simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD).

Un tema muy debatido es la posibilidad de mantener separados los conductos de extracción con los correspondientes ventiladores (generalmente ubicados en la cubierta del edificio) o combinar los propios conductos en uno o más colectores con sus respectivos sistemas de extracción. Casos particulares, como el del uso de ácido perclórico u otras sustancias especialmente agresivas, suelen resolverse con campanas especiales dedicadas, con extracción individual. Por su parte, el sistema centralizado presenta ciertas ventajas notables: un desarrollo reducido de los conductos, un número decididamente menor de ventiladores (con la consiguiente mayor facilidad de redundancia, cuando sea necesario), la posibilidad de recuperar el calor del aire expulsado, mayor seguridad para los trabajadores de mantenimiento en la cubierta...

Esquema típico de laboratorio con sistema de extracción centralizado que mantiene constante la depresión en el colector de extracción. Imagen de los autores.

El sistema centralizado también ofrece una solución muy sencilla para la extracción de los llamados armarios ventilados, destinados a contener sustancias peligrosas, mantenidos en depresión con respecto al ambiente para evitar humos nocivos: el flujo de aire, normalmente muy reducido pero continuo, puede ser fácilmente transportado a los conductos colectores.

Los recorridos de los conductos de expulsión del aire extraído de las campanas requieren especial atención para reducir los riesgos derivados de posibles incendios. Generalmente están fabricados en material plástico (PVC) y su paso a través de paredes de compartimentación (típicamente pozos técnicos) debe protegerse con dispositivos ignífugos.

Flexibilidad y reconfigurabilidad

La flexibilidad y reconfigurabilidad de los espacios debe ser el criterio rector a la hora de definir la organización funcional de los edificios que tienen laboratorios. Respecto al primer punto, el proyecto, en la medida de lo posible, debe prever la ubicación de los distintos laboratorios preferentemente en las plantas superiores y orientados al exterior tanto para limitar el impacto de los sistemas (especialmente en lo que respecta a los conductos y pozos), y facilitar la inserción de nuevos equipos y tecnologías que requieran la instalación de equipos externos.

De esta manera también es posible crear rutas de evacuación directamente desde los laboratorios individuales hacia pasarelas y estructuras de evacuación externas, que también pueden ser útiles para anclar las redes técnicas de distribución de gas y cualquier intervención relacionada con ellas.

Es aconsejable adoptar soluciones de diseño que permitan modificar únicamente los sistemas terminales, manteniendo la distribución primaria vertical y horizontal de las infraestructuras de la planta sin cambios. Para ello, una disposición arquitectónica y de sistema modular facilita los movimientos posteriores de los tabiques para agregar los espacios disponibles de una manera diferente en función de las necesidades cambiantes.

Los conductos

En el caso de los conductos colocados en el exterior de la fachada, se debe tener especialmente en cuenta la posible pérdida de aislamiento acústico debida a los orificios, a veces numerosos, para el paso de los conductos de expulsión. Para superar este inconveniente y para una inserción armoniosa de estos elementos en la fachada, es posible recurrir a revestimientos exteriores cerrados e impermeables que también resuelven el problema acústico pero pueden plantear problemas en términos de prevención de incendios, ya que conectan los compartimentos contra incendios en las diferentes plantas y, por lo tanto, requieren la aplicación de dispositivos cortafuegos o aberturas de ventilación adecuadas.

Ejemplo de laboratorio modular fácilmente reconfigurable. Imagen de los autores.

Los laboratorios de biotecnología y el suministro de gases

Una categoría particular es la de los laboratorios de biotecnología, donde se manipulan sustancias con presencia de microorganismos clasificables según su nivel de peligrosidad para el ser humano y el medio ambiente. Así, las campanas de estos laboratorios también se clasifican según el nivel de protección que deben garantizar hacia la muestra examinada, hacia el operador y hacia el medio ambiente. La mayor seguridad implica el uso de campanas clase III, donde el área de trabajo está totalmente cerrada y el operador está separado de ella por una barrera física (cámara de guantes). El aire, casi completamente recirculado dentro de la campana, se filtra íntegramente y luego se introduce continuamente en el volumen de funcionamiento, que sin embargo se mantiene en depresión.

Además, los laboratorios requieren de otros equipos y servicios, y entre ellos es fundamental el suministro de diversos gases llamados "técnicos": nitrógeno, oxígeno y metano son los más comunes, pero también se usan argón, helio, hidrógeno, dióxido de carbono, silano y otros, a veces con un alto grado de pureza. Para ello se utilizan almacenes y redes de tuberías para la distribución a cada laboratorio.

Hay muchas soluciones posibles: una tendencia que se está extendiendo en el caso de grandes complejos es mantener centralizados el almacenamiento y la distribución de ciertos gases, como el nitrógeno y el oxígeno, especialmente cuando provienen de la regasificación de líquidos criogénicos, dividiendo el suministro de otros gases a grupos de laboratorios en varias plantas separadas, con depósitos de pequeñas dimensiones. En este caso los depósitos pueden ubicarse en el tejado de los edificios o en la base de pozos externos, si los hubiera, permitiendo, entre otras cosas, la reducción del recorrido entre el depósito y el usuario. Esta medida es particularmente útil para suministrar gases puros, que se pueden ver afectados por un recorrido excesivo en tuberías.

Otras necesidades

A menudo también se necesitan equipos especiales, como armarios de seguridad al vacío para almacenar sustancias peligrosas, o armarios al vacío, incluso a prueba de explosiones, para contener pequeñas botellas de determinados gases.

En muchos otros aspectos, imposibles de abordar aquí, intervienen los sistemas termomecánicos y eléctricos de los laboratorios, tales como: sistemas de seguridad y prevención de incendios, redundancia de equipos de ventilación o aire acondicionado, continuidad del suministro de energía eléctrica para funciones esenciales (grupos electrógenos y absolutos), iluminación de seguridad, control de acceso, esterilización ambiental con lámparas ultravioleta (para ser utilizadas cuando las habitaciones estén desocupadas), accesos con cámara de compensación, filtros con puertas enclavadas, drenajes contenidos para líquidos peligrosos con posibilidad de análisis, instalación de descontaminación, lavabos de emergencia y fuentes para ojos, duchas, brazos de succión...

De estas notas se desprende la complejidad global del diseño de un edificio destinado a albergar un laboratorio de investigación: el concepto de diseño integrado del sistema edificio-planta resulta aún más importante que en otros casos. Las limitaciones que se plantean son importantes: funcionalidad, seguridad, comodidad y flexibilidad de uso; pero no hay que olvidar que un lugar de estas características también debe ser acogedor y representativo de la institución destinada a entrar en él.