Technická čistota: Stanovení jednotlivé čistoty - od automobilového průmyslu po zdravotnický průmysl

Obrázek 1: Částice extrahované z filtrační membrány při testování automobilové součásti (vlevo) a jednotlivé kritické částice (vpravo)

Obrázek 2: Spektrum různých automobilových součástek

Obrázek 3: Složení analýzy čistoty (vlevo) podle VDA 19 (vpravo)

Obrázek 4: Příklad extrakce pomocí injekční stříkačky

Obrázek 5: Obsah informací různých analytických metod

Obrázek 6: Analytický filtr (nahoře) a vyhodnocení kvalifikačního vyšetření (dole)

Obrázek 7: Faktory ovlivňující čistotu montáže (vlevo) podle VDA 19.2 (vpravo)

Obrázek 8: Princip metody Tape-Lift (vlevo) a sběru částic pomocí sedimentačních pastí (vpravo)

Obrázek 9: Spektrum různých zdravotnických technologií

Obrázek 10: Analýza částic za podmínek čistého prostoru

Obrázek 11: Stanovení účinnosti čištění metodami čištění pro následné srovnání

Obrázek 12: Hlavní témata revize VDA 19

Obrázek 13: Školící program pro inspektora a plánovače technické čistoty

1. Požadavky na partikularní čistotu

Při výrobě integrovaných obvodů s strukturální šířkou až do současnosti 22 nm v polovodičovém průmyslu je vysoká míra požadované partikularní čistoty přímo zřejmá. Partikularní čistota, tedy nepřítomnost kritických částic v mikrometrovém rozsahu, je však také důležitým znakem kvality pro řadu dalších výrobků z různých odvětví, počínaje automobilovým průmyslem, přes kosmický výzkum až po odvětví life-science, například lékařskou techniku. Důvody jsou stejně rozmanité jako produkty a sahají od zvýšení výkonu, miniaturizace, spolehlivosti a životnosti přes legislativní požadavky až po ochranu člověka a zdraví [1].

Oblasti, ve kterých jsou částice kritické pro produkt a musí být proto regulovány, se mohou lišit od produktu k produktu, přesto existují překrývající se otázky, například:
•  Kolik partikularních nečistot jaké velikosti se nachází na produktu?
•  O jaké nečistoty se jedná?
•  Je možné určit zdroj částic?
•  Do jaké míry lze stav čistoty zlepšit použitím čistících technik?

Pro objasnění těchto otázek jsou k dispozici různé metody analýzy čistoty, které lze v zásadě univerzálně používat.

2. Technická čistota: Analýza čistoty v automobilovém průmyslu

Automobilový průmysl se před asi 15 lety setkal s rostoucí náchylností k partikularním nečistotám v důsledku vývoje výkonnějších komponent, například systémů vstřikování Common-Rail. Zde jsou obzvláště kritické tvrdé kovové částice (Obrázek 1).

Proto je třeba upravená metodika, která umožní spolehlivě měřit kritické nečistoty. V průmyslové skupině „Technická čistota (TecSa)“ byla pod vedením Fraunhofer IPA vypracována řešení této otázky s účastnícími se průmyslovými podniky. Výsledkem je soubor pravidel „VDA Band 19 – Test technické čistoty – Partikulární znečištění funkčně důležitých automobilových dílů“, který podrobně popisuje postupy a varianty analýzy čistoty pro stanovení partikularní čistoty [2]. Analýza čistoty se v zásadě dělí na dva kroky (Obrázek 3):

1. Extrakce, při níž jsou částice pomocí různých metod (injekce, ultrazvuk, proplachování, třepání) získávány z relevantního povrchu součástky (Obrázek 4) a

2. samotná analýza, která většinou začíná filtrace, aby bylo možné přenést extrahované částice na analytický filtr. K analýze jsou rovněž k dispozici různé metody, například gravimetrie (stanovení hmotnosti zbytku) a automatizované mikroskopické metody (světelná mikroskopie a rastrovací elektronová mikroskopie v kombinaci s energiově disperzní rentgenovou spektroskopií EDX, Obrázek 5).

Kromě nulové hodnoty, kterou je třeba prokázat i u řady jiných analytických stanovení, je zvláštní důraz kladen na ověření vhodnosti zvolených extrakčních parametrů: protože neexistují „normálně znečištěné díly“ (= díly s jednotným, známým výchozím stavem kontaminace), u nichž by bylo možné porovnávat výsledky analýzy čistoty s různými parametry, provádí se tzv. kvalifikační zkouška nebo odlehčovací měření, při němž je stejná součást opakovaně podrobena extrakci. Cílem je během šesti po sobě jdoucích kroků extrakce odstranit 90 % částicové kontaminace (Obrázek 6):

•  Pokud je to po prvním odlehčovacím měření splněno, lze zvolené parametry ponechat.
•  Pokud klesající trend nastane až po dalších krocích extrakce, dojde k úpravě parametrů pro další rutinní kontroly, například zvýšením doby extrakce.
•  Pokud nelze dosáhnout poklesu, je třeba provést nové odlehčovací měření s pravděpodobně vhodnějšími parametry nebo metodami.

3. Problematika kontaminace při montáži

Skutečnost, že technicky čisté jednotlivé komponenty nezaručují čistý celek, zdůrazňuje nutnost zjištění faktorů ovlivňujících čistotu výrobku při montáži.

Tyto vlivy byly zjištěny v průmyslové skupině „Čistota při montáži (MontSa)“ a zaznamenány v průvodci „VDA Band 19.2 – Technická čistota při montáži – prostředí, logistika, personál a montážní zařízení“ [3]. Zde jsou z pohledu čistoty při montáži analyzovány faktory jako prostředí, personál, logistika a montážní zařízení s cílem odhalit v existující výrobě možnosti zlepšení z hlediska čistoty nebo navrhnout výrobu od začátku s požadavky na čistotu (Obrázek 7).

Zásadní principy jsou:
•  „Od uvnitř směrem ven“, což znamená, že při optimalizaci by se mělo nejprve zaměřit na procesy blízké produktu, a
•  „Tak čisté, jak je nutné, ne jak je možné“, což znamená, že přesun výroby do čistého prostředí často nepřinese požadovaný efekt čistého produktu, protože částice, které jsou i několik milimetrů velké a tedy nejsou vzduchem přenášeny, nemohou být odstraňovány prouděním vzduchu v čisté místnosti.

Identifikace zdrojů částic v montážním prostředí je proto důležitým výchozím bodem pro optimalizace. K identifikaci těchto zdrojů se používají metody jako například tape-lift, který určuje čistotu povrchů nebo okolního prostředí pomocí zachycení částic na lepivý pás, který je umístěn na různých místech výroby. Tyto částicové pasti lze rovněž využít k určení kontaminačního potenciálu procesů (Obrázek 8).

Pro vyhodnocení se používají stejné analytické techniky jako při analýze čistoty součástek (automatizovaná mikroskopie s použitím světelného a rastrovacího elektronového mikroskopu). Identifikace kritických zdrojů kontaminace umožňuje jejich případné odstranění (například vhodným návrhem montážních zařízení) nebo jejich cílené odstranění (například montážními čištěními).

Dále jsou kladeny důraz na vhodné logistické koncepty, například čisté balení nebo vhodné přechodové komory, aby se minimalizovala tvorba částic a přenos nečistot.

Dalším důležitým faktorem je personál, který od výrobce po odstraňovače nečistot může významně ovlivnit stav čistoty produktu různými způsoby.

4. Použití metod pro produkty life science

Ačkoliv je myšlenka čistoty v odvětví life science, zejména farmaceutickém, již po mnoho desetiletí pevně zakořeněná a zakotvena v příslušných národních a mezinárodních předpisech a právních normách, stále se objevují problémy způsobené nedostatečnou čistotou.

Na příkladu zdravotnických výrobků lze ukázat, že za posledních deset let bylo zhruba 250 stažení zdravotnických prostředků od „Food and Drug Administration (FDA)“, z nichž asi 30 % kvůli kontaminaci [4].

Vysvětlení spočívá v současném nedostatečném ověřování partikularního stavu čistoty. Při analýze čistoty těchto výrobků je dosud hlavní důraz kladen na kontrolu sterilnosti, která je často mylně zaměňována s bezpartikulární čistotou. Protože i partikularní kontaminace může představovat riziko pro lidský organismus, například toxickým nebo pyrogenním účinkem, měla by být v logickém důsledku zajištěna kontinuální monitorace a spolehlivá kontrola partikularního stavu čistoty. Nicméně zde lze identifikovat určitá nedostatky, počínaje limity pro partikularní nečistoty, které jsou částečně převzaty z farmakopeje a platí původně pro injekční a infuzní roztoky, a konče stanovením stavu čistoty, pro který je k dispozici jen málo specifických metod testování u většiny zdravotnických produktů.

Pro stanovení partikularních nečistot jsou v různých normách uvedeny následující postupy, například [5], [6], [7], [8]:
1. Měření pomocí kapalného částicového měřiče
2. Filtrace a manuální vyhodnocení pomocí mikroskopu

Klíčovým bodem je zde extrakční krok: pro získání nečistot z produktu je tento krok například u infuzních zařízení popsán jako proplachování nebo u elastomerových dílů v parenteráliích jako otáčení v zkušební kapalině [6]. Použití této produktově specifické metodiky na široké spektrum zdravotnických produktů (Obrázek 9) by však nemělo být provedeno plošně bez ověření vhodnosti. Teprve po odpovídající validaci postupu může být taková adaptace smysluplná. Validace může být provedena formou odlehčovacího měření, podobně jako je popsáno v normě VDA 19 pro testování automobilových komponent.

Také je možné využít automatizované systémy a analytické techniky pro podrobnější charakterizaci částic (například REM-EDX pro stanovení složení prvků), zvláště při hledání zdroje kontaminace.

5. Čisticí techniky jako strategie odstraňování

Často je nutné použít čisticí techniky k odstranění nečistot. Podle produktu a výrobního procesu může být vhodná čištění na různých místech výrobního řetězce, například:

•  Na jednotlivých komponentách, které mají být od začátku čisté nebo musí být,
•  Integrované do montáže, pro přímé odstranění nečistot vzniklých během montážního procesu nebo
•  Na závěr na celkovém systému.

Účinnost použitých čistících metod lze ověřit analýzou čistoty.

V případech, kdy je třeba porovnat různé čistící metody, lze použít hodnotící matici, která mimo jiné zohledňuje:

•  Investiční a provozní náklady
•  Kompatibilitu s čištěným produktem
•  Environmentální aspekty
•  Účinnost čištění

Zvlášť pro stanovení účinnosti různých čistících metod je vhodné pracovat s testovacími vzorky, které umožní přímé stanovení kontaminace bez ztrát při extrakci. Čištění těchto vzorků se provádí podle definovaného znečištění s použitím sledovacího prvku (Tracer) a následnou analýzou různými hodnotícími metodami. Opětovná analýza zbytkového množství sledovacího prvku na vzorku umožní kvantitativně vypočítat dosaženou účinnost čištění (Obrázek 11).

6. Shrnutí a další aktivity

Odvětví life sciences, zejména farmaceutický a lékařský průmysl, se nachází v napětí, protože je nutné všechny postupy validovat. Zejména v oblasti partikularní analýzy čistoty často chybí vhodné metody důkazu, což může vést k výrazně odlišným a nesrovnatelným výsledkům.

Použitelnost postupu podle VDA 19 u produktů kritických z hlediska čistoty v oblasti zdravotnické techniky již bylo prokázáno v několika studiích [10], [11]. Aby bylo možné tyto aspekty a další otázky týkající se čistoty diskutovat v dialogu, zve Fraunhofer IPA na akci s panelovou diskuzí, plánovanou na jaro 2014, za účelem společného určení budoucího výzkumného a normativního zaměření s průmyslem.

Tento přístup již byl úspěšně použit v automobilovém průmyslu: díky kontinuálnímu dialogu s relevantními partnery je právě v revizi norma VDA 19, která je realizována formou průmyslové skupiny s 40 zúčastněnými firmami, aby se nadále odrážely potřeby a požadavky průmyslu na aktuální stav techniky a aby se zohlednily poznatky získané dosavadní prací s normou VDA 19. Tato revize probíhá v několika pracovních skupinách, které jsou tematicky rozděleny (Extrakce, Analýza, Limity, Eskalace, Obrázek 12).

7. Školení

Významnou součástí je motivace personálu odpovědného za úkoly související s čistotou. Cíleným školením lze zvýšit povědomí o různých tématech týkajících se čistoty. Ve spolupráci s VDA QMC jsou nabízeny následující kurzy:

7.1 Kvalifikační kurz »Odborník na technickou čistotu« (VDA 19)

Témata:
Při výrobě moderních vozidel je technická čistota komponent a sestav důležitým funkčním znakem kvality. „VDA-Band 19 – Test technické čistoty – Partikulární znečištění funkčně důležitých automobilových dílů“ je jako první komplexní standardizační práce věnována postupům a procedurám charakterizace stavu čistoty výrobků v kvalitativním řetězci automobilového průmyslu.

Cíle semináře:
Ve spolupráci s VDA QMC školí Fraunhofer IPA v jedinečném kurzu pro odborníky na testování technické čistoty. Účastník se naučí samostatně interpretovat analýzy čistoty podle VDA 19, provádět je s přístroji podle nejnovější techniky a dokumentovat je v souladu s normami.

Cílová skupina:
Zaměstnanci v konstrukci, zajištění jakosti, technickém nákupu a prodeji z automobilového a dodavatelského průmyslu, letectví a kosmického výzkumu, hydrauliky a přesné mechaniky, kteří provádějí kontroly čistoty nebo se setkávají s pojmem „technická čistota“.

Další termín:
20.11.2013 - 21.11.2013

7.2 Kvalifikační kurz »Plánovač technické čistoty« (VDA 19.2)

Cíl akce:
Účastník bude školen tak, aby byl schopen na základě specifikace čistoty dílů nebo systémů navrhovat a hodnotit opatření k zabránění zpětné kontaminace. Díky tvorbě průvodce a školení se rozsáhlý proces plánování nebo optimalizace čistoty rozčlení na přehledné a zvládnutelné části. Díky samostatnému a přitom komplexnímu přístupu k vlivovým oblastem jako prostředí, logistika, personál a montážní zařízení a metodám měření vlivu na čistotu se účastník naučí přistupovat k technické čistotě při montáži samostatně a systematicky, a zároveň rozpoznávat zbytečné nebo přehnané opatření na čistotu a vyhýbat se zbytečným investicím.

Cílová skupina:
Akce je určena pro osoby zodpovědné za plánování a optimalizaci výroby z hlediska technické čistoty v automobilovém a dodavatelském průmyslu, zejména pro plánovače montáží, procesní manažery, logistické pracovníky nebo techniky budov. Dále je určena pro konstruktéry, vývojáře, pracovníky zajištění jakosti nebo odpovědné za oblast technické čistoty ve vztahu zákazník-dodavatel. Vzhledem k podobným otázkám týkajícím se čistoty je školení vhodné i pro odvětví letectví, hydrauliky a přesné mechaniky.

Další termín:
3.12.2013 - 4.12.2013

Literatura
[1]  L. Gail, U. Gommel, H.-P. Hortig: Čistota v čistících prostorách, 3. vydání, Springer, Berlín, Heidelberg, 2012.
[2]  VDA: Band 19 – Test technické čistoty – Partikulární znečištění funkčně důležitých automobilových dílů, 2004.
[3]  VDA: Band 19.2 – Technická čistota při montáži – prostředí, logistika, personál a montážní zařízení, 2010.
[4]  U.S. Food and Drug Administration: Stažení zdravotnických prostředků. URL: http://www.fda.gov/MedicalDevices/Safety/ListofRecalls/default.htm, přístup 27. června 2013.
[5]  Evropský lékopis (Ph. Eur.): Metody farmaceutické technologie, kapitola 2.9.19: Neviditelné částice, 7. vydání, 4. doplněk, 2013.
[6]  ISO 8536-4: Infuzní zařízení pro lékařské použití – část 4: Infuzní zařízení pro gravitační infuze k jednorázovému použití, 2013.
[7]  ISO 1135-4: Transfuzní zařízení pro lékařské použití – část 4: Transfuzní zařízení k jednorázovému použití, 2012.
[8]  ISO 16671: Oční implantáty - Výplňové roztoky pro oční chirurgii, 2004.
[9]  DIN EN ISO 8871-3: Elastomerové díly pro parenterální přípravky a zařízení pro farmaceutické použití – část 3: Stanovení uvolněných částic, 2004.
[10]  EUMINAfab: Váš přístup k mikro a nano výrobě. URL: http://www.euminafab.eu/, přístup 27. června 2013.
[11]  G. Kreck a Y. Holzapfel: Analýza čistoty a přesné čištění produktů kritických z hlediska čistoty ve life science. In: 15. VDI konference „Technika čistých prostor“, 13. června 2013.