Validace čistoty kontaminovaných produktů

čisté místnosti_IPA_web

Obrázek 1: Zobrazení potřeby výzkumu kritických parametrů kontaminace v průmyslových odvětvích vyrábějících za podmínek čistých prostor [2].

Obrázek 2: Přehled trhů, které v produkci spoléhají na čistotu [3].

Obrázek 3: Přehled kritických kontaminací na površích výrobků.

Obrázek 4: REM snímek povrchu s kontaminací smíšeného typu (filmová a částicová).

Obrázek 5: Postup při ověřování čistoty produktu.

Obrázek 6: Přehled možných analytických metod.

Obrázek 7: Kritické velikosti částic pro funkční díly a systémy [6].

Obrázek 8: Poškozený pístní tyč (vlevo) a válec (vpravo). Příčinou selhání bylo trvalé vstřikování způsobené částicí o velikosti několika mikrometrů.

Obrázek 9: Analýza čistoty podle VDA 19: Přehled metod [7].

Obrázek 10: Hodnoty čistoty při odvodní měření.

Obrázek 11: Záznam BREM o kontaminaci na filtrační membráně.

Obrázek 12: Kvantitativní výsledky analýzy čistoty zdravotnického prostředku.

Obrázek 13: Postup při validaci čištění.

Obrázek 14: Nastavení prahové hodnoty pro mikroskopickou analýzu automatizovaného počítání částic.

Obrázek 15: Čištění sněhem CO₂ (vlevo), integrováno do čisté místnosti v ESTEC, Noordwijk (vpravo).

Obrázek 16: Čistící účinnost procesu čištění suchým ledem s CO₂ pro částice na vybrané ploše

U řady inovativních produktů hraje kontrola kontaminací zásadní roli. Navzdory použití nejmodernější techniky čistých prostor nelze úplně vyloučit kritické kontaminace ve velkosériové výrobě. Proto musí být čistota kontaminacemi kritických produktů nepřetržitě sledována a validována.

Vědomí o významu čistoty je velmi staré: Již ve starověku, například v římské říši, bylo známo, že karanténa a mytí rukou, tedy základní hygienická opatření, mohou zabránit šíření infekčních nemocí. V 19. století byly tyto první zásady čistoty pro kontrolu mikrobiologických kontaminací opět převzaty lékaři jako Semmelweis a Lister. Dokázali vědecky prokázat, že použitím dezinfekčních metod, například na rukou, chirurgickém náčiní a površích, lze drasticky snížit míru infekcí a úmrtnost u svých pacientů. Uznání jejich práce vedlo k rozpoznání neviditelných nebezpečí kontaminací a k vývoji opatření pro jejich cílenou kontrolu.

Na začátku se toto vědění uplatňovalo především v medicíně, aby chránilo a zachovalo zdraví pacienta. Ale již brzy, v první polovině 20. století, bylo zásada kontroly kontaminace také aplikována na produkty kritické z hlediska čistoty, nejprve pro výrobu integrovaných obvodů v polovodičovém průmyslu, dnes však i pro různé jiné vysoce technologické produkty jako displeje, pevné disky, fotovoltaické moduly, farmaceutika, zdravotnická technika a automobilové systémy. Tento výčet lze téměř libovolně rozšiřovat a ukazuje denně rostoucí a velmi rozmanité oblasti použití, ve kterých hraje čistota rozhodující roli [1].

Požadavky na čistotu

Rozmanitost odvětví s produkty kritickými z hlediska čistoty přináší různé požadavky na čistotu s ohledem na kritické druhy kontaminace, které mohou vzniknout ve výrobním procesu nebo z jiných scénářů zavlečení. Tyto kontaminace je třeba především kontrolovat kvůli jejich škodlivému vlivu na produkt. Ochrana lidí před nebezpečnými kontaminacemi je dnes v odvětvích life-science, například v farmaceutickém průmyslu, hlavním cílem.

Průzkum trhu provedený v roce 2003 Fraunhofer IPA uvádí zde kritické kontaminace s největším potenciálem poškození produktů (Obrázek 1): na prvním místě jsou částice, následované výparem («Airborne Molecular Contamination AMC») a elektrostatickými výboji («Electrostatic Discharge ESD»).

Pro snížení těchto kontaminací na úroveň, která není kritická pro produkt, jsou zajištěny čisté výrobní prostředí. Tato tzv. čistá prostředí, tzv. čisté místnosti, jsou vytvářena především pomocí stálé cirkulace vzduchu kombinované s filtrací a výměnou vzduchu (Obrázek 2).

Navzdory použití nejmodernější techniky čistých prostor však nelze úplně vyloučit kritické kontaminace ve velkosériové výrobě: personál, výrobní zařízení a výrobní média mohou kontaminace zavléct do výrobního prostředí a neřízeně je rozšířit [4], [5].

Proto musí být čistota kontaminacemi kritických produktů nepřetržitě sledována a validována, zejména s ohledem na částicové a filmové kontaminace na površích výrobků (Obrázek 3). Částicové a filmové kontaminace se v praxi vzácně vyskytují v čisté formě, častěji ve směsích (Obrázek 4).

Validace čistoty

Ideálně se stanoví kontaminace přímo na zkoumaném produktu, aby se předešlo ztrátám při odběru vzorků a riziku křížové kontaminace. Přímá celoplošná inspekce však často není možná kvůli geometrii součástí a povrchové struktuře. Proto se používají různé extrakční metody, které umožňují získat kontaminace z povrchu vzorku (Obrázek 5).

Pomocí tohoto postupu lze následně podle potřeby a podle požadované informace použít vhodnou analytickou metodu (Obrázek 6).

Technická čistota v automobilovém průmyslu

Aktuální vývoj šetrnějších a inovativních alternativních technologií vozidel přináší automobilovému průmyslu již asi deset let výrazný problém s kvalitou: i nejmenší množství kritických částic v mikrometrové oblasti může způsobit chyby a selhání systému (Obrázek 7 a Obrázek 8).

Proto jsou k zabránění kritickým chybám stanovena kvalitační ujednání týkající se maximální zbytkové kontaminace komponent. S tím je spojena také kontrola a validace stanovených limitů čistoty pro díly.

V automobilovém průmyslu se osvědčila metoda podle VDA 19 nebo ISO 16232 pro kvantitativní stanovení částic na dílech (Obrázek 9): nečistoty na povrchu dílu jsou odstraněny pomocí různých extrakčních metod (ultrazvuk, postřik, proplachování, třepání) a přeneseny na filtrační membránu, která je následně podle potřeby a podle požadované informace (velikost, materiál apod.) analyzována [7].

Odměrné měření a kritérium prázdné hodnoty

Zde je zvláštní postup při kontrole vhodnosti zvolených extrakčních parametrů. Provádí se takzvané kvalifikační vyšetření (také odměrné měření), při kterém se opakovaně testuje stejný díl, aby se zjistilo, zda všechny relevantní částice jsou odstraněny z povrchu dílu při použití zvolených extrakčních parametrů, například doby, průtoku nebo výkonu ultrazvuku. Parametry jsou považovány za vhodné, pokud je odstraněno 90 % částic (kritérium odměrnosti, Obrázek 10).

Dalším faktorem, který je třeba vzít v úvahu, je splnění kritéria prázdné hodnoty před zahájením samotné analýzy čistoty: prokazuje-li se schopnost testovaného zařízení, je proveden test čistoty bez dílu. Množství extrahovaných částic by nemělo přesáhnout 10 % množství částic očekávaných při skutečné analýze, aby bylo možné získat spolehlivý výsledek bez zkreslení znečištěním z použitých zařízení. Na obrázku 11 je zobrazeno zachycení filtrační membrány při analýze čistoty pomocí skenovacího elektronového mikroskopu.

Přenesení postupu

Ačkoliv je myšlenka čistoty v zdravotnictví již po mnoho desetiletí pevně zakořeněná a je závazně stanovena v příslušných národních a mezinárodních normách, stále se objevují problémy, které lze přičíst nedostatečné hygieně nebo čistotě. Například od roku 2001 do dnešního dne bylo zaznamenáno 243 stažení zdravotnických prostředků FDA (Úřad pro kontrolu potravin a léčiv), z nichž 64 (přibližně 26 %) kvůli kontaminaci, přičemž trend je narůstající [8]. To je částečně dáno způsobem, jakým je v lékařském prostředí prováděna kontrola čistoty produktů, nástrojů nebo jiných povrchů.

Například stanovení bioburdenu u zdravotnických prostředků podle ISO 11737-1 zahrnuje specifickou extrakci kontaminace, avšak účinnost odběru vzorků není ověřena. Tento přístup lze adaptovat podle VDA 19, která kontroluje vhodné extrakční metody včetně použitých parametrů (Obrázek 12). Tato kontrolní opatření zajišťují kvantitativně spolehlivé výsledky.

Dalším důležitým bodem na cestě k důvěryhodným výsledkům v oblasti čistoty je nasazení kvalifikovaného personálu s odbornými znalostmi, aby se vyloučily falešné výsledky způsobené křížovou kontaminací či chybami personálu při kontrole.

Validace čištění pro hodnocení čisticích postupů

Pokud je zjištěný stav čistoty produktu nedostatečný, může být nutné provést čištění jako cílené odstranění kontaminací. Pro výběr vhodného čisticího postupu je důležité předem kvantitativně a srovnatelně určit účinnost čisticích metod.

Metody validace čištění lze také využít k hodnocení čisticích postupů nebo validaci čištění. Měření účinnosti čištění se provádí porovnáním stavu čistoty definovaného kontaminovaného vzorku před a po čištění (Obrázek 13).

Hodnocení a výběr vysoce přesných čisticích metod pro vesmírný průmysl

Technologické pokroky z oblasti kosmonautiky nás doprovázejí nepozorovaně a jsou již nedílnou součástí našeho každodenního života: moderní navigační systémy, telekomunikace nebo předpovědi počasí a klimatu, jen abychom jmenovali několik příkladů, jsou bez satelitů z kosmického průmyslu nemyslitelné. Požadavky na životnost, spolehlivost a výkon satelitů a kosmických lodí, které musí odolávat extrémním podmínkám ve vesmíru, lze zajistit pouze pomocí nejmodernějších technik čištění a kontrol čistých prostor.

Kromě zvýšení výkonu a spolehlivosti je však nutné také splnit mezinárodně ratifikované požadavky v rámci „Planetárního zabezpečení“ (Planetary Protection): podle nich nesmí životní formy z Země (například mikroorganismy jako bakterie a spory) proniknout do vesmíru. Cílem je minimalizovat vliv na evoluci a zabránit zkreslení měření, například při hledání mimozemských forem života.

Pro komponenty kosmických lodí, například pro plánovaný Exo-Mars Rover ESA, je nutné předem ověřit vhodnost vybraných čisticích metod z hlediska požadavků na částicovou a filmovou kontaminaci. Aby bylo možné takovou validaci spolehlivě provést, musí být všechny pokusy prováděny v prostředí s téměř nulovou kontaminací, kontrolovaném z hlediska AMC a částic, v prostředí třídy ISO 1 podle ISO 14644-1. Současně použití tracerových kontaminantů, které nemohou pocházet z prostředí pokusu, zajišťuje ochranu před nesprávnými interpretacemi způsobenými křížovou kontaminací.

Pro aplikaci konceptu validace čištění na částicové a filmové kontaminace uvedený na obrázku 13 musí být k dispozici vhodné analytické metody, které dokážou jednoznačně a kvantitativně detekovat příslušné kontaminanty. Částice na površích s dostatečným kontrastem vůči povrchu lze automatizovaně vybírat pomocí skenovacího elektronového mikroskopu (SEM). Pomocí prahové hodnoty je v softwaru pro zpracování obrazu stanovena úroveň šedé, při které jsou objekty na povrchu počítány jako částice (Obrázek 14). U organických filmových kontaminací lze využít kombinaci plynové chromatografie s hmotnostní spektrometrií (TD-GC/MS).

Podle přístupu na obrázku 14 bylo také zkoumáno čištění komponent pomocí CO2 sněhové vrstvy s pomocí náhradních povrchů. Tento speciální čisticí proces je zvlášť slibný pro vesmírný průmysl, protože dokáže velmi účinně odstranit jak částicové (biotické a abiotické), tak filmové organické kontaminace (Obrázek 15).

Validace čištění metodou CO2 sněhové vrstvy nakonec potvrdila vhodnost této metody pro vysoké požadavky na čistotu ve vesmírném průmyslu. Ukázky výsledků účinnosti odstranění částic jsou uvedeny na obrázku 16.

Tento přístup lze také použít k hodnocení účinnosti jiných čisticích metod a umožňuje srovnání různých metod předem, což usnadňuje cílený výběr nejvhodnější. Tento přístup samozřejmě není omezen pouze na vesmírný průmysl: i v odvětvích jako farmacie nebo zdravotnická technika lze následně cíleně porovnávat a vybírat vhodné čisticí postupy.

Literatura

[1] L. Gail, U. Gommel, H.-P. Hortig: Reinraumtechnik, 3. Auflage, Springer, Berlin, Heidelberg, 2012.

[2] U. Gommel, Verfahren zur Bestimmung der Reinraumtauglichkeit von Werkstoffpaarungen (angl. A method for determining the cleanroom suitability of material pairings), Jost-Jetter, Heimsheim 2006.

[3] The McIlvaine Company: World Cleanroom Markets Online Report, 2005.

[4] U. Gommel, G. Kreck, Y. Holzapfel: Customized cleanliness suitable cleanrooms and manufacturing equipment: Industrial Alliance «Cleanroom Suitable Materials CSM», VCCN Cleanroom Symposium 2012.

[5] Verband der Automobilindustrie e. V. (VDA): Band 19.2 Technische Sauberkeit in der Montage – Umgebung, Logistik, Personal und Montageeinrichtungen, 1. Auflage, 2010.

[6] Rochowicz, M.: Herausforderungen für die Zukunft. Seminar: Technische Sauberkeit für Entwickler und Konstrukteure, Stuttgart, 2010.

[7] Verband der Automobilindustrie e. V. (VDA): Band 19 Prüfung der Technischen Sauberkeit – Partikelverunreinigung funktionsrelevanter Automobilteile, 1. Auflage, 2004. U.S. Food and Drug Administration: Recall of Medical Devices. URL: http://www.fda.gov/MedicalDevices/Safety/RecallsCorrectionsRemovalR/ListofRecalls/default.htm; accessed 4. června 2012.

__________________________________________________

Guido Kreck je diplomovaný inženýr a lektor semináře «Výroba za čistých podmínek». Pracuje v Fraunhofer IPA v oddělení Reinst- a mikroprodukce v oblasti optimalizace a certifikace zařízení pro čisté prostory a v oblasti validace čistoty.

Yvonne Holzapfel je školitelka/zkoušející podle VDA Band 19 «Kontrola technické čistoty». Pracuje v Fraunhofer IPA v oddělení Reinst- a mikroprodukce v oblasti validace čistoty jako vedoucí laboratoře technické čistoty.
__________________________________________________