Je něco ve vzduchu

Climet Částečkový počítač

Kalibrační laboratoř CAS

Climet Partikelschäler im Einsatz

Hlavní sídlo společnosti CAS ve Švýcarsku

Vznik částic nelze zabránit. Špatné umístění s nesprávnou koncentrací však může mít fatální důsledky. Například v nemocnicích mohou vést k infekcím nebo kontaminovat výrobky ve farmaceutickém průmyslu. Tato rizika lze minimalizovat pouze pomocí složitých měřicích přístrojů a spolehlivého servisního partnera, který má dlouholeté zkušenosti v oblasti měření částic a zná klíčová kritéria při pořízení takového počítadla částic.

Většina z nás není obklopena čistým vzduchem. Tento typ vzduchu v běžném životě neexistuje. Přesto je nezbytný v určitých oblastech, například ve farmaceutickém průmyslu nebo ve zdravotnictví. Tyto segmenty se v posledních letech výrazně změnily. Například ve Švýcarsku, Německu a Rakousku byly vytvořeny nové směrnice pro ventilační systémy ve zdravotnictví a kontrolovaných prostředích. Jejich cílem je udržovat koncentraci částic ve vzduchu v citlivých oblastech na co nejnižší úrovni.

Všichni jsme denně obklopeni velkým množstvím částic. Část z nich je dokonce produkována samotným člověkem. Velikost těchto částic se velmi liší. Pro lidské oko jsou viditelné až od velikosti cca 50 mikrometrů (µm), například ve formě pylových částic, cementového prachu nebo kýchacích kapek. Bakterie, které mají velikost od 0,3 do 30 µm, již nejsou běžně viditelné, nemluvě o běžném venkovním znečištění vzduchu (0,01 až 1 µm), tabákovém kouři (0,01 až 0,3 µm) nebo virech a proteinech (0,01 až 0,1 µm). Jedná se o rozměry, které si obvykle nedokážeme představit. Pro srovnání lze použít následující přirovnání: představte si objemové poměry Země a tenisového míčku. Tento poměr je přibližně stejný, jako kdybyste srovnávali tenisový míček s částicí o průměru 1 mikrometr. Takto lze základně jen odhadnout skutečnou velikost, protože přesahuje naši představivost. V běžném životě je však měřitelnost a jasná definice těchto částic nezbytná.

Aerosoly v každodenním použití
Aerosoly – tedy malé částice, které se vyskytují všude ve vzduchu – jsou dnes používány v nejrůznějších oblastech. Díky jejich malé velikosti mohou aerosoly volně procházet lidskými dýchacími systémy. Přes průdušky mohou podle velikosti proniknout až do takzvaných alveolů v plicích a odtud částečně i do krevního oběhu. Tato vlastnost aerosolu se využívá v medicíně: například v inhalátorech s léky jsou používány částice s účinnými látkami. Pokud však tyto částice nesou karcinogenní látky, je to pro naše tělo nebezpečné. To je například případ kouření nebo vdechování výfukových plynů.

V zemědělství se aerosoly používají při postřiku insekticidy a herbicidy. A v technickém odvětví – například při lakování nebo barvení – nebo v soukromém použití – například v lakových sprejích nebo čisticích prostředcích – jsou aerosoly již nepostradatelné.

Prach jako rušivý faktor
Částice však mohou být také rušivými faktory. V elektrotechnickém průmyslu, kde se vyrábějí čipy s vodivými dráty vzdálenými jen zlomky mikrometru, může prachová částice způsobit zkrat. Proto je nezbytné zajistit při výrobě takových produktů bezprašné pracovní prostředí. Stejně tak je tomu v farmaceutickém průmyslu nebo ve zdravotnictví. Nedovedeme si představit, jaké infekce by mohly vzniknout kvůli bakteriím nebo virům. Jelikož úplné zabránění mikroorganismům není možné, je třeba i zde zajistit čistý vzduch bez prachu. Technologie, která se zabývá prevencí kontaminace prachem v medicíně a technice, se nazývá čisté prostory (Reinraumtechnik).

Co člověk „produkuje“
Obecně rozlišujeme dva zdroje aerosolu: přirozené aerosoly, například mlha, saharský prach, bakterie, viry, kouř z lesních požárů nebo pylové částice. Nebo průmyslové aerosoly, například emise z průmyslových provozů, dopravy nebo domácího topení. Člověk je také aktivním producentem aerosolu. Už bez zvláštní činnosti produkuje přibližně 100 000 částic za minutu. Při lehkém pohybu hlavou je to již 500 000 částic a při chůzi se toto číslo zvyšuje na 5 milionů. Velké emise částic jsou jedním z důvodů, proč je v různých oblastech nutné nosit speciální pracovní oděv. Správné chování v tzv. čistém prostoru je dokonce trénováno pomocí speciálních kurzů, aby se minimalizovalo „znečištění“.

Jak funguje počítadlo částic
Vznik částic nelze úplně zabránit. Důležité však – v závislosti na oblasti použití – je efektivní koncentrace těchto látek. K měření se používají počítadla částic. Princip jejich fungování lze vysvětlit na jednoduchém příkladu: když stojíte v temné stodole, jejíž dřevěné stěny propouštějí sluneční paprsky, všimnete si, že některé paprsky jsou méně jasné než jiné. Tento rozdíl je způsoben prachem ve vzduchu uvnitř stodoly. Počítadlo částic funguje na podobném principu. Laserový paprsek nahrazuje sluneční paprsky a tma v stodole je nahrazena tmavou komorou senzoru. Pouhým okem již není možné rozpoznat prach, který počítadlo detekuje. V čistém prostoru se obvykle měří částice od 0,3 do 5,0 µm. Pokud se jedná o výrobu elektronických zařízení, mohou být měřeny i částice s průměrem 0,1 µm.

Vyhodnocení dat
Postup při měření je vždy stejný: základně jsou počítadla nastavena tak, že nic neprobíhá, pokud vzduch prochází měřicí komorou čistý. Pokud však do předem popsané tmavé komory (měřicí buňky) proniknou malé prachové částice a projdou přes laserový paprsek, jeho světlo se rozptýlí. Obvykle malá částice způsobí slabé rozptýlení světla, větší částice silnější. Zrcadlová komora odráží tyto paprsky na fotodetektor, který opět přeměňuje světelnou energii na elektrické signály.
Pro konečné výpočty platí, že světlo je úměrné velikosti částice stejně jako elektrický signál. Na základě toho následuje další analýza a vyhodnocení dat. Přesnost závisí především na konstrukci počítadla částic. Pro její dokonalost jsou přidány speciální elektronické obvody a zesilovací stupeň, který podporuje velmi slabé elektrické signály. Doplňkový systém také filtruje všechny nežádoucí „rušivé signály“. Nakonec jsou signály vyhodnocovány patentovaným digitálním procesorem. Další digitální obvody umožňují zobrazování dat na displeji a jejich tisk.

Rychlejší vyhodnocení
U počítadel částic je klíčová také doba měření. Různí výrobci proto inzerují různé doby, za které lze změřit objem jednoho kubického metru vzduchu. Dříve byla kapacita sání přístrojů většinou 1 kubický stopa za minutu, což odpovídá 28,3 litru za minutu. Tato jednotka pochází z americké normy „US Federal Standard“. K měření jednoho kubického metru vzduchu je však třeba více než 35 minut.

Vývoj však nezastavil ani počítadla částic. Na trhu jsou nyní dostupná zařízení s průtokem 50, 75 nebo 100 litrů za minutu. To výrazně zkracuje dobu měření, například u vzorku o objemu 1 kubický metr s přístrojem s průtokem 100 litrů je doba měření pouhých 10 minut.

Kalibrace znamená kvalitu
Velmi důležitá je kalibrace počítadla částic. Každý výrobce má své vlastní pokyny, jak zařízení kalibrovat a nastavovat. Obvykle se pro kalibraci velikosti používají certifikované monodisperzní latexové částice. Ty jsou rozptýleny a vloženy do přístroje i do referenčního počítadla. Kulaté bílé kuličky vytvářejí Gaussovu rozdělovací křivku, jejíž poloha je klíčová pro přesnost počítání. Tato křivka se může rok od roku posunout. Faktory, které k tomu přispívají, jsou například znečištění měřicí komory nebo detektoru, změna výkonu laseru, příliš nízký nebo vysoký průtok atd.

Proces kalibrace počítadla částic by měl vždy probíhat v následujících krocích:
- Kontrola vstupu (záznam aktuálního stavu, jak bylo měřeno)
- Údržba a opravy
- Seřízení (nastavení na nejmenší možnou odchylku)
- Kalibrace na výstupu (porovnávací test účinnosti počítání)

Pro dosažení optimální kalibrace a údržby je vhodné zařízení poslat na roční inspekci pouze autorizovanému servisnímu partnerovi. Pouze takovéto oficiální kalibrační laboratoře mají přístup k technickým datům měřicích přístrojů a znají přesné postupy údržby.

Sebediagnostika
Aby bylo možné i při každodenním použití na místě provádět kontrolu funkčnosti zařízení, mnoho počítadel částic disponuje integrovanou „sebediagnostikou“. Ta sleduje stav laseru a proudění vzduchu. Po kalibraci lze například lehkým poklepáním prstem vytvořit umělou kontaminaci. Částice vzniklé poklepáním jsou detekovány laserem a zákazník má jistotu, že režim počítání je správně funkční. Následně lze provést systémový test pomocí nulového filtru. Tento filtr je nejlépe umístěn přímo na měřicí hadici. Vzduch je nasáván přes filtr do měřicí komory. Pokud nejsou detekovány žádné částice, je jisté, že všechny prvky jsou čisté a měření není ovlivněno rušivými faktory. Takové kontroly lze provádět opakovaně v libovolných intervalech. Čím častěji je systém kontrolován, tím větší je jistota.

Použití počítadel částic
Počítadla částic se používají v nejrůznějších oblastech a situacích. Především jde o oblasti „kategorizace“, „testy integrity filtračních systémů“, „měření stlačeného vzduchu“ a „monitorovací systémy“.

Čisté prostory jsou nezbytné pro speciální výrobní procesy – především ve výrobě polovodičů – kde by částice ve standardním prostředí narušovaly strukturování integrovaných obvodů o velikosti zlomků mikrometru. Další použití čistých prostor nebo technologie čistých prostor najdeme v optice a laserové technice, letectví a kosmonautice, biovědách a lékařském výzkumu a léčbě, ve výzkumu a sterilní výrobě potravin a léků nebo v nanotechnologii.

Měření na složitých místech
Pro přesné určení částic se používá izokinetická sonda. Izokinetika zajišťuje, že částice padají do sondy a nejsou nasávány. To má jednoduchý důvod: při sání vznikají víry, které by mohly vést k nesprávným měřením. Izokinetická sonda tomu zabrání a zajišťuje extrémně přesné výsledky. Obvykle se používají kulaté sondy, jejichž průměr se liší podle průtoku vzduchu počítadla. Sonda je obvykle připojena k přístroji hadicí. Výhodou je, že ji lze umístit i na složitých, těžko dostupných místech, a tak měření není narušeno nebo zkresleno člověkem či strojem.

Je však důležité, aby hadice – v odborné terminologii nazývaná „Hytrelschlauch“ – měla speciální povrchovou úpravu. Ta zajišťuje, že uvnitř nedochází k usazování částic. Dále musí být izokinetická sonda umístěna přesně v proudění vzduchu. Pokud není možné řídit nebo předvídat směr proudění vzduchu – například při turbulentním míchání – musí být vstup sondy umístěn vertikálně vzhůru. Obecně je třeba počítadlo částic správně nastavit podle pokynů výrobce. Odchylky od toho mohou vést k chybám měření.

Nicméně i použití Hytrelschlauchu má určitá negativa. Přestože neexistují podrobné studie na toto téma, lze na základě praktických zkušeností předpokládat, že částice větší než 1,0 µm mohou při průchodu hadicí ztratit svou velikost a nedorazit až do měřicí komory. Domněnky, že tyto částice zůstanou v hadici a budou detekovány jako nesprávné hodnoty, se zatím nepotvrdily. Spíše se předpokládá, že větší částice při přenosu rozpadnou na menší a ty jsou zachyceny měřicím systémem.

Klasifikace čistoty vzduchu
Pro provoz čistého prostoru je nutné po jeho výstavbě a během provozu provádět měření částic. Na základě těchto měření je možné klasifikovat čistotu vzduchu v čistých prostorách a jejich přilehlých oblastech. Tato klasifikace je stanovena normou ISO 14644-1. Norma se výhradně zaměřuje na koncentraci částic ve vzduchu. Klíčovým prvkem certifikace čistého prostoru je měřená hodnota a z ní odvozené posouzení, zda prostor splňuje požadavky. Zejména v farmaceutickém průmyslu jsou výsledky rozhodující pro zajištění bezpečnosti provozu. Náročné aplikace vyžadují stabilní prostředí. Nedodržení stanovených limitů může například vést k výrobním výpadkům a tím i ke značným nákladům. Proto je proces certifikace velmi rozsáhlý. Kromě počítání částic jsou kontrolovány i proudění vzduchu, rozdílový tlak, teplota a vlhkost.

Čistý prostor je konstruován tak, aby počet částic ve vzduchu, které do něj vstupují nebo vznikají uvnitř, byl co nejnižší. V závislosti na použití je sledováno pouze množství částic nebo i počet mikroorganismů, například při výrobě farmaceutických produktů. Pro splnění požadovaných podmínek se používají různé metody, které zabraňují vniknutí nežádoucích částic do vzduchu nebo odstraňují již přítomné.

Test integrity filtračního systému pomocí počítadla částic
Test integrity filtračního systému je dalším použitím počítadel částic. Je nezbytný k jednoznačnému vyloučení poškození HEPA nebo ULPA filtrů. Princip testu je poměrně složitý: před filtrem je vzduch znečištěn aerosolem. Dochází tedy k úmyslné kontaminaci vzduchu. Protože tento vzduch obsahuje vysokou koncentraci částic, je mezi vzduchem a počítadlem částic zařazen systém zředění. Takové systémy jsou obvykle dostupné s poměrem 1:100 nebo 1:10. Umožňují měřit vzduch po celou dobu testu. Aby bylo možné odhalit případné netěsnosti, je celý filtrační systém skenován pomocí měřicí sondy. Nejlepší je použít hranatou sondu, protože její tvar – na rozdíl od například kulaté sondy – zkracuje dobu měření. Pokud během testu překročí povolený počet částic, je to indikace možného úniku. Přesnější je následná lokální kontrola netěsnosti.

Měření stlačeného vzduchu pomocí počítadla částic
Když mluvíme o čistém prostoru, máme na mysli především čistý okolní vzduch. Stlačený vzduch označuje vzduch používaný v procesech (například pneumatika nebo řídicí vzduch). I zde je vzduch, který může přijít do kontaktu s produktem a kontaminovat jej.

Stlačený vzduch by však neměl být měřen přímo počítadlem částic, protože by mohl poškodit měřicí komoru nebo ovlivnit průtok počítadla. Proto je mezi stlačeným vzduchem a počítadlem instalován tzv. difuzér. Pro tuto měření lze použít normu ISO 8573.

Monitorování
Doposud se hlavně hovořilo o mobilních počítadlech částic. Pevně instalované jsou však monitorovací přístroje. Ty jsou trvale v provozu a sledují určité procesy, například plnění léků. Obvykle jsou to velmi složité systémy, které vyžadují obsluhu odborníkem.

Závěr
Počítadlo částic je velmi složitý měřicí přístroj, který dokáže zachytit i nejmenší částice ve vzduchu. U výrobců však existují i velké rozdíly v kvalitě. Přesnost a spolehlivost přístrojů jsou klíčové kritéria při jejich pořízení. Další nezbytná kritéria jsou: počítadlo by mělo být kalibrováno jednou ročně a kupující by měl mít k dispozici dobrého servisního partnera. Pokud se těmto základním zásadám řídíte, nikdy nebudete litovat takové investice.

Norma ISO 21501-4
Norma ISO 21501-4 definuje postup kalibrace počítadel částic. Vyžaduje například, aby byla uvedena účinnost počítání (kalibrace množství). Při kalibraci jsou do přístroje i do referenčního počítadla vloženy monodisperzní latexové částice a jejich množství je porovnáno. Při rozlišení velikosti (size resolution) se dále zkoumá, zda je částicové přiřazení v nejmenším kanálu správné. Pomocí nulového filtru se dále kontroluje, zda je měřicí komora bez částic. Norma ISO 21501-4 doporučuje provádět kalibraci každý rok.