Validación de pureza de productos críticos por contaminación

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Imagen 1: Representación de la necesidad de investigar los parámetros críticos de contaminación en las industrias productoras bajo condiciones de sala limpia [2].

Imagen 2: Resumen de mercados que apuestan por la pureza en la producción [3].

Imagen 3: Visión general de contaminaciones críticas en superficies de producción.

Imagen 4: Imagen de sueño de una superficie con una contaminación mixta (filmica y particulada).

Imagen 5: Procedimiento para la validación del estado de pureza de los productos.

Imagen 6: Resumen de posibles métodos de análisis.

Imagen 7: Tamaños críticos de partículas para componentes y sistemas funcionales [6].

Imagen 8: Biela dañada (izquierda) y cilindro (derecha). La causa de la falla fue una inyección continua provocada por una partícula en el rango de unos pocos micrómetros.

Imagen 9: Análisis de limpieza según VDA 19: Resumen de los procedimientos [7].

Imagen 10: Valores de limpieza de una medición de decaimiento.

Imagen 11: Imagen de BREM de una contaminación en una membrana de filtración.

Imagen 12: Resultados cuantitativos del análisis de limpieza de un producto médico.

Imagen 13: Procedimiento para la validación de limpieza.

Imagen 14: Establecer un umbral para el análisis microscópico de una cuenta automatizada de partículas.

Imagen 15: Limpieza con nieve de CO₂ (izquierda), integrada en una sala limpia en ESTEC, Noordwijk (derecha).

Imagen 16: Eficiencia de limpieza del proceso de limpieza con chorro de nieve de CO2 para partículas en una superficie seleccionada

En una variedad de productos innovadores, el control de contaminaciones desempeña un papel fundamental. A pesar del uso de tecnología de salas limpias de vanguardia, no se pueden excluir completamente las contaminaciones críticas en la producción en masa. Por ello, la pureza de los productos críticos en cuanto a contaminación debe ser monitoreada y validada continuamente.

El conocimiento sobre la importancia de la pureza es muy antiguo: Ya en la antigüedad, por ejemplo en el Imperio Romano, se sabía que mediante cuarentena y lavado de manos, es decir, medidas higiénicas básicas, se podía evitar la propagación de enfermedades infecciosas. En el siglo XIX, estos primeros principios de pureza para el control de contaminaciones microbiológicas fueron retomados por médicos como Semmelweis y Lister. Pudieron demostrar científicamente que, mediante la aplicación de métodos de desinfección, por ejemplo en manos, instrumental quirúrgico y superficies, se lograba reducir drásticamente la tasa de infecciones y mortalidad entre sus pacientes. El reconocimiento de su trabajo llevó a entender los peligros de las «contaminaciones invisibles» y a desarrollar medidas para su control específico.

Al principio, este conocimiento se aplicaba principalmente en medicina para proteger y preservar la salud del paciente. Pero pronto, en la primera mitad del siglo XX, el principio del control de contaminaciones también se aplicó a productos críticos en cuanto a pureza, primero en la producción de circuitos integrados en la industria de semiconductores, y actualmente también en diversos otros productos de alta tecnología como pantallas planas, discos duros, módulos fotovoltaicos, productos farmacéuticos, tecnología médica y sistemas automotrices. Esta lista puede extenderse casi indefinidamente y demuestra los campos de aplicación cada vez mayores y más diversificados en los que la pureza juega un papel decisivo [1].

Requisitos de pureza

La diversidad específica de aplicaciones críticas en cuanto a pureza en diferentes industrias genera distintos requisitos de pureza respecto a los tipos de contaminaciones críticas, que pueden resultar del proceso de fabricación u otros escenarios de transporte. Estas contaminaciones deben controlarse principalmente por su efecto dañino en el producto. La protección de las personas contra contaminaciones peligrosas es hoy en día el foco en las industrias de ciencias de la vida, como la farmacéutica.

Una encuesta de mercado realizada en 2003 por Fraunhofer IPA identifica las contaminaciones críticas con mayor potencial de daño a los productos (Imagen 1): en primer lugar, partículas, seguidas de gases disueltos («Contaminación molecular en el aire AMC») y fenómenos de descarga electrostática («Descarga electrostática ESD»).

Para reducir estas contaminaciones a niveles no críticos y aceptables para el producto, se crean entornos de fabricación limpios. Estos llamados salas limpias se generan principalmente mediante circulación constante de aire combinada con filtración y cambios de aire (Imagen 2).

Aunque se emplea tecnología moderna de salas limpias, no se pueden excluir completamente las contaminaciones críticas en la producción en masa: el personal, el equipo de proceso y los medios de proceso pueden introducir contaminaciones en el entorno de fabricación y distribuirlas de forma no controlada [4], [5].

Por ello, la pureza de los productos críticos en cuanto a contaminación debe ser monitoreada y validada continuamente, especialmente respecto a contaminaciones particuladas y filmicas en las superficies de los productos (Imagen 3). Estas contaminaciones, en la realidad, raramente se presentan en forma pura, sino en formas combinadas (Imagen 4).

Validación de la pureza

Idealmente, la determinación de contaminantes se realiza directamente en el producto a analizar, para evitar pérdidas por muestreo y el riesgo de contaminaciones cruzadas. Sin embargo, una inspección completa de superficies no siempre es posible debido a la geometría de las piezas y la estructura de las superficies. Por ello, se emplean diferentes procedimientos de extracción, que permiten obtener las contaminaciones de la superficie de la muestra (Imagen 5).

Con estos procedimientos, luego se puede aplicar, en función de la contaminación específica y la información necesaria, un método de análisis adecuado (Imagen 6).

Pureza técnica en la industria automotriz

El desarrollo actual de tecnologías de vehículos más sostenibles e innovadoras ha enfrentado a la industria automotriz desde hace aproximadamente diez años con un problema de calidad: incluso las partículas críticas en el rango de micrómetros pueden causar fallos y fallos del sistema (Imagen 7 y Imagen 8).

Por ello, para evitar errores críticos, se establecen acuerdos de calidad respecto a la contaminación residual máxima permitida en los componentes. Esto implica también el control y validación de los límites de limpieza establecidos para las piezas.

En la industria automotriz, se ha establecido el método según VDA 19 o ISO 16232 para la determinación cuantitativa de partículas en componentes (Imagen 9): las contaminaciones en la superficie de las componentes se eliminan mediante diferentes procedimientos de extracción (ultrasón, inyección, lavado, agitación) y se transfieren a una membrana de filtro, que puede ser analizada con diferentes métodos según la información requerida (tamaño, material, etc.) en la etapa de análisis [7].

Medición de recuperación y criterio de valor en blanco

Una particularidad en este proceso es la validación de la idoneidad de los parámetros de extracción elegidos. Para ello, se realiza una llamada prueba de calificación (también llamada medición de recuperación), en la que se inspecciona repetidamente la misma pieza para determinar si todas las partículas relevantes se eliminan de la superficie con los parámetros de extracción seleccionados, como duración, flujo volumétrico o potencia ultrasónica. Los parámetros se consideran adecuados si se eliminan el 90 % de las partículas (criterio de recuperación, Imagen 10).

Otro factor a considerar es el cumplimiento del criterio de valor en blanco, antes de comenzar el análisis de limpieza: para demostrar la capacidad de prueba con el equipo utilizado, se realiza un análisis de limpieza sin la pieza. La cantidad de partículas extraídas no debe superar el 10 % de la cantidad esperada en el análisis real, para obtener un resultado concluyente sin interferencias de suciedad del equipo de prueba. La Imagen 11 muestra la imagen de una membrana de filtro en un análisis de limpieza mediante microscopía electrónica de barrido.

Transferencia del procedimiento

Aunque el concepto de pureza en tecnología médica está profundamente arraigado desde hace décadas y está establecido en normativas nacionales e internacionales, todavía surgen problemas relacionados con higiene o pureza. En los últimos diez años, desde 2001, se han registrado 243 retiradas de productos médicos por parte de la FDA (Administración de Alimentos y Medicamentos), de las cuales 64 (aproximadamente el 26 %) se deben a contaminaciones, con tendencia al alza [8]. Esto se debe, en parte, a la forma en que se realiza la inspección del estado de limpieza de productos, instrumentos u otras superficies en el entorno médico.

Por ejemplo, en la determinación de carga microbiana en productos médicos según ISO 11737-1, se realiza una extracción específica de contaminantes en función de la pieza, pero no se verifica la eficacia de la muestra. Aquí, el procedimiento según VDA 19 puede adaptarse, ya que verifica los procedimientos de extracción adecuados para cada pieza, incluyendo los parámetros utilizados (Imagen 12). Esta medida de validación garantiza resultados cuantitativamente confiables.

Otro aspecto importante para obtener resultados de limpieza confiables es la utilización de personal calificado con conocimientos especializados, para excluir resultados falsos debido a contaminaciones cruzadas o errores del personal de inspección.

Validación de limpieza para evaluar procedimientos de limpieza

Si el estado de limpieza detectado en un producto no es suficiente, puede ser necesaria una limpieza dirigida a eliminar contaminaciones. Para seleccionar un procedimiento de limpieza adecuado, es importante determinar de antemano la eficiencia de los procedimientos de limpieza de forma cuantitativa y comparativa.

Los procedimientos de validación de limpieza también se pueden emplear para evaluar y validar procedimientos de limpieza. La eficiencia de limpieza se determina comparando el estado de limpieza de una muestra contaminada definida antes y después de la limpieza (Imagen 13).

Evaluación y selección de procedimientos de limpieza de alta precisión para la exploración espacial

Los avances tecnológicos en exploración espacial nos acompañan sin que lo notemos y son imprescindibles en nuestra vida cotidiana: sistemas de navegación modernos, telecomunicaciones, predicciones meteorológicas y climáticas, por mencionar algunos ejemplos, no serían posibles sin satélites espaciales. Los requisitos de durabilidad, fiabilidad y rendimiento de satélites y vehículos espaciales, sometidos a condiciones extremas en el espacio, solo pueden garantizarse con tecnología de limpieza y salas limpias de última generación.

Además de mejorar el rendimiento y la fiabilidad, también es necesario cumplir con requisitos ratificados internacionalmente en el marco de la «Protección Planetaria»: según estos, las formas de vida terrestres (por ejemplo, microorganismos como bacterias y esporas) no deben llegar al espacio exterior mediante la exploración espacial. Esto con el fin de no influir en la evolución y no alterar los resultados de medición, por ejemplo, en la búsqueda de formas de vida extraterrestre.

Para cumplir con los estrictos requisitos de pureza en componentes de vehículos espaciales, como los del rover Exo-Mars de la ESA, es necesario verificar previamente la idoneidad de los procedimientos de limpieza seleccionados. Para realizar una validación confiable, todos los ensayos deben realizarse en un entorno casi libre de contaminación, controlado en AMC y partículas (clase ISO 1 según ISO 14644-1). Al mismo tiempo, el uso de trazadores de contaminación que no provengan del entorno de prueba garantiza protección contra interpretaciones erróneas por contaminación cruzada.

Para aplicar el concepto de validación de limpieza presentado en la Imagen 13 respecto a contaminaciones particuladas y filmicas, deben estar disponibles procedimientos de análisis adecuados que puedan detectar de forma clara y cuantitativa los contaminantes. Las partículas en superficies con suficiente contraste de material en relación con la superficie pueden seleccionarse automáticamente mediante un microscopio electrónico de barrido (REM). A través de un umbral, se establece el valor de gris en el software de procesamiento de imágenes para contar los objetos en la superficie como partículas (Imagen 14). Para contaminaciones orgánicas filmicas, se puede recurrir a un cromatógrafo de gases acoplado a un espectrómetro de masas (TD-GC/MS).

Siguiendo el enfoque de la Imagen 14, también se ha investigado el proceso de limpieza con chorro de nieve de CO2 para componentes espaciales, utilizando superficies de reemplazo. Este método de limpieza es especialmente prometedor para la industria espacial, ya que puede limpiar de manera muy eficiente contaminaciones orgánicas particuladas (biológicas y abióticas) y filmicas (Imagen 15).

La validación de limpieza para el proceso de chorro de nieve con CO2 demostró finalmente su idoneidad para cumplir los altos requisitos de pureza en la exploración espacial. Los resultados ejemplares de eficiencia en la limpieza particulada se muestran en la Imagen 16.

Este método también puede aplicarse para evaluar la eficacia de otros procedimientos de limpieza, permitiendo comparaciones previas para seleccionar el más adecuado. Por supuesto, este enfoque no se limita a la industria espacial: también en sectores como la farmacéutica y la tecnología médica, los procedimientos de limpieza pueden compararse y seleccionarse de forma dirigida.

Bibliografía

[1] L. Gail, U. Gommel, H.-P. Hortig: Tecnología de salas limpias, 3ª edición, Springer, Berlín, Heidelberg, 2012.

[2] U. Gommel, Procedimiento para determinar la idoneidad de salas limpias en combinaciones de materiales (en inglés: A method for determining the cleanroom suitability of material pairings), Jost-Jetter, Heimsheim 2006.

[3] The McIlvaine Company: Informe en línea sobre mercados mundiales de salas limpias, 2005.

[4] U. Gommel, G. Kreck, Y. Holzapfel: Salas limpias personalizadas y equipos de fabricación adecuados para la limpieza: Alianza industrial «Materiales adecuados para salas limpias CSM», Simposio VCCN sobre salas limpias 2012.

[5] Asociación de la Industria Automotriz (VDA): Volumen 19.2 Limpieza técnica en montaje – entorno, logística, personal y equipos de montaje, 1ª edición, 2010.

[6] Rochowicz, M.: Desafíos para el futuro. Seminario: Limpieza técnica para desarrolladores y diseñadores, Stuttgart, 2010.

[7] Asociación de la Industria Automotriz (VDA): Volumen 19 Evaluación de la limpieza técnica – Contaminación por partículas en componentes automotrices funcionales, 1ª edición, 2004. FDA: Retiro de dispositivos médicos. URL: http://www.fda.gov/MedicalDevices/Safety/RecallsCorrectionsRemovalR/ListofRecalls/default.htm; consultado el 04 de junio de 2012.

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Guido Kreck es ingeniero diplomado y ponente del seminario «Fabricación en condiciones controladas». Trabaja en el Fraunhofer IPA en el departamento de Microproducción y Reproducción en condiciones de pureza, en el campo de la optimización y certificación de equipos para salas limpias y en validación de pureza.

Yvonne Holzapfel es formadora/evaluadora de la VDA Volumen 19 «Evaluación de la limpieza técnica». Trabaja en el Fraunhofer IPA en el departamento de Microproducción y Reproducción en condiciones de pureza, como jefa del laboratorio de limpieza técnica.
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