Reinheitsvalidierung von kontaminationskritischen Produkten

szerverhely_IPA_web

Kép 1: A kritikus szennyeződési paraméterek kutatásának szükségességének bemutatása a tisztatéri körülmények között gyártó iparágakban [2].

Kép 2: Áttekintés a tisztaságra összpontosító piacokról [3].

Kép 3: Áttekintés a kritikus szennyeződésekről a termékfelületeken.

Kép 4: REM-felvétel egy felületről egy kevert szennyeződésről (filmes és részecskés).

Kép 5: Az termékek tisztasági állapotának érvényesítésére irányuló eljárás.

Kép 6: Áttekintés a lehetséges elemzési módszerekről.

Kép 7: Kritikus részecskeméretek működő alkatrészek és rendszerek számára [6].

Kép 8: Sérült hajtókar (balra) és henger (jobbra). A meghibásodás oka egy tartós befecskendezés volt, amit egy néhány mikrométeres méretű részecske okozott.

Kép 9: Tisztasági elemzés a VDA 19 szerint: Az eljárások áttekintése [7].

Kép 10: Egy lecsengéses mérés tisztasági értékei.

Kép 11: BREM-felvétel egy szennyeződésről egy szűrőmembránon.

Kép 12: A higiéniai elemzés kvantitatív eredményei egy orvostechnikai eszköz esetében.

Kép 13: Az tisztítási validáció lépései.

Kép 14: Küszöbérték meghatározása az automatikus részecskeszámlálás mikroszkópos elemzéséhez.

Kép 15: CO₂ hógép tisztítás (balra), integrálva egy tisztatérbe az ESTEC-nél, Noordwijkben (jobbra).

Kép 16: A CO2-levélfúvó tisztítási hatékonysága egy kiválasztott felületen lévő részecskék esetében

Számos innovatív termék esetében a szennyeződések ellenőrzése alapvető szerepet játszik. Bár a legkorszerűbb tisztatéri technológiát alkalmazzák, a kritikus szennyeződések a tömeggyártásban nem zárhatók ki teljes mértékben. Ezért a szennyezéskritikus termékek tisztaságát folyamatosan figyelemmel kell kísérni és validálni.

A tisztaság jelentőségének tudata már nagyon régi: már az ókorban, például a Római Birodalomban ismert volt, hogy a karantén és a kézmosás, azaz alapvető higiéniai intézkedések révén elkerülhető a fertőző betegségek terjedése. A 19. században ezeket az első tisztasági elveket újra felhasználták mikrobiológiai szennyeződések ellenőrzésére olyan orvosok, mint Semmelweis vagy Lister. Tudományosan igazolták, hogy a fertőtlenítési módszerek alkalmazásával, például kéz, sebészeti eszközök és felületek esetében, drasztikusan csökkenthető a fertőzés és halálozás aránya a pácienseknél. Munkájuk elismerése lehetővé tette az „láthatatlan” szennyeződések veszélyeinek felismerését és azok célzott ellenőrzésére irányuló intézkedések kidolgozását.

Kezdetben ez a tudás főként az orvostudományban alkalmazódott, a beteg egészségének védelmében és megőrzésében. De már a 20. század első felében ez az elv a tisztaságkritikus termékek ellenőrzésére is kiterjedt, először az integrált áramkörök gyártásában a félvezetőiparban, de mára számos más magas technológiai termék, például síkképernyők, merevlemezek, napelem modulok, gyógyszerek, orvostechnikai eszközök és autóipari rendszerek gyártásában is alkalmazzák. Ez a felsorolás szinte végtelenül folytatható, és jól szemlélteti a mindennapokban egyre növekvő és sokszínűbb alkalmazási területeket, ahol a tisztaság döntő szerepet játszik [1].

Tisztasági követelmények

A tisztaságkritikus alkalmazások iparági sokféleségéből különböző tisztasági követelmények adódnak, figyelembe véve a gyártási folyamatból vagy más szennyeződési forgatókönyvekből eredő kritikus szennyeződés típusait. Ezeket elsősorban a termék károsodásának elkerülése érdekében kell ellenőrizni. Az emberek védelme a veszélyes szennyeződésekkel szemben ma már a Life-Science szektorban, például a gyógyszeriparban a legfontosabb.

2003-ban a Fraunhofer IPA által végzett piackutatás megnevezi azokat a kritikus szennyeződéseket, amelyek a legnagyobb károkat okozhatják a termékekben (1. kép): első helyen a részecskék állnak, őket követik a gázkibocsátó termékek („Airborne Molecular Contamination AMC”) és az elektrosztatikus kisülési jelenségek („Electrostatic Discharge ESD”).

Az ilyen szennyeződések csökkentése érdekében tiszta gyártási környezeteket alakítanak ki. Ez az úgynevezett tisztaterek lényegében állandó levegőkeringéssel, légszűréssel és légcserékkel jönnek létre (2. kép).

Bár a legkorszerűbb tisztatéri technológia alkalmazásával sem zárhatók ki teljes mértékben a kritikus szennyeződések a tömeggyártásban: a személyzet, a folyamatberendezések és a folyamatanyagok szennyeződéseket juttathatnak a gyártási környezetbe, és azok kontrollálatlanul terjedhetnek [4], [5].

Ezért a szennyezéskritikus termékek tisztaságát folyamatosan figyelemmel kell kísérni és validálni, különösen a részecskés és filmes szennyeződések tekintetében a gyártófelületeken (3. kép). Ezek a szennyeződések a valóságban ritkán fordulnak elő tiszta formában, inkább keverékekben (4. kép).

Szennyeződés validálása

Ideális esetben a szennyeződések mennyiségét közvetlenül a vizsgált terméken mérik, hogy elkerüljék a mintavételből eredő veszteségeket és a kereszt-szennyeződés kockázatát. Azonban a felületek geometriai kialakítása és szerkezete miatt ez gyakran nem lehetséges. Ezért különböző extrakciós eljárásokat alkalmaznak, amelyek segítségével a szennyeződéseket a minta felületéről lehet kinyerni (5. kép).

Ezen eljárás után a szennyeződés típusától és a szükséges információtól függően megfelelő elemzési módszert alkalmaznak (6. kép).

Technikai tisztaság az autóiparban

A környezetbarát és innovatív járműtechnológiák fejlődése több mint tíz éve súlyos minőségi problémákkal szembesíti az autóipart: még a mikrométeres méretű legkisebb kritikus részecskék is hibákat és rendszerhibákat okozhatnak (7. és 8. kép).

Ezért a kritikus hibák elkerülése érdekében minőségi megállapodásokat kötnek a komponensek maximális maradék szennyezettségére vonatkozóan. Ez magában foglalja a komponensek tisztasági határértékeinek ellenőrzését és validálását is.

Az autóiparban a VDA 19 vagy az ISO 16232 szabvány szerinti módszert alkalmazzák a részecskék kvantitatív meghatározására a komponenseken (9. kép): a szennyeződéseket ultrahangos, fecskendező, öblítő vagy rázó módszerekkel távolítják el a felületről, majd egy szűrőmembránra viszik át, amit különböző módszerekkel értékelnek a méret, anyag stb. szerint (7).

Csökkenési mérés és vakérték kritériuma

Ez a módszer különösen a kiválasztott extrakciós paraméterek alkalmasságának ellenőrzésére szolgál. Ehhez egy ún. kvalifikációs vizsgálatot végeznek (más néven csökkenési mérés), amely során ugyanazt a komponenst többször vizsgálják, hogy megállapítsák, a kiválasztott extrakciós paraméterek, például időtartam, térfogatáram vagy ultrahang teljesítmény, elégségesek-e a felületi részecskék eltávolítására. Az eljárás akkor tekinthető megfelelőnek, ha a részecskék 90%-át eltávolítják (csökkenési kritérium, 10. kép).

Egy másik szempont a vakérték kritériumának teljesítése, mielőtt a tisztaságvizsgálatot megkezdik: a vizsgálat megbízhatóságának igazolására a vizsgálat nélküli tisztaságmérést végzik, ahol az extrahált részecskék mennyisége nem haladhatja meg a tényleges vizsgálat során várható részecskék 10%-át, így megbízható eredményt lehet elérni szennyeződésmentes környezetben. Az 11. képen egy tisztaságvizsgálat szűrőmembrán felvétele látható a pásztázó elektronmikroszkóppal.

Az eljárás átadása

Habár a tisztaság fogalma már több évtizede mélyen gyökerezik az orvostechnikában, és a vonatkozó nemzeti és nemzetközi szabványokban is szilárdan rögzítették, időről időre problémák merülnek fel, amelyek a higiénia vagy a tisztaság hiányára vezethetők vissza. Az elmúlt tíz évben 2001 óta 243 orvostechnikai eszközök visszahívási akciója történt az FDA (Élelmiszer- és Gyógyszerügyi Hatóság) által, ebből 64 (körülbelül 26%) szennyeződés miatt, és ez a tendencia növekszik [8]. Ennek oka többek között az, ahogyan az orvosi környezetben a termékek, eszközök vagy más felületek tisztasági állapotának ellenőrzése történik.

Például az ISO 11737-1 szerint végzett orvostechnikai eszközök bioburden meghatározásakor a szennyeződések extrakciója szintén szervesen a komponensspecifikus, de a mintavétel hatékonyságát nem ellenőrzik. Ezen a ponton a VDA 19 módszer alkalmazható, amely a komponensspecifikus extrakciós eljárásokat és azok paramétereit ellenőrzi (12. kép). Ez az ellenőrzés kvantitatív eredményeket biztosít.

Egy másik fontos lépés a megbízható tisztasági eredmények felé a képzett személyzet alkalmazása, szakértelemmel, hogy kizárják a kereszt-szennyeződéseket, melyek a vizsgálati személyzet esetleges hibái miatt keletkezhetnek.

Higiéniai validálás a tisztítási eljárások értékeléséhez

Amennyiben a termék elért tisztasági állapota nem megfelelő, szükség lehet a szennyeződések célzott eltávolítására a tisztítás révén. A megfelelő tisztítási módszer kiválasztásához fontos, hogy a tisztítási hatékonyságot kvantitatívan és összehasonlítható módon mérjük előzetesen.

A tisztítási validálási eljárások alkalmazhatók a tisztítási folyamatok értékelésére is. A tisztítási hatékonyság mérése során összehasonlítják a szennyezett minta tisztasági állapotát a tisztítás előtt és után (13. kép).

Magas precizitású tisztítási eljárások értékelése a űrkutatásban

A űrkutatás technológiai eredményei észrevétlenül kísérnek minket, és már nem nélkülözhetők a mindennapokból: modern navigációs rendszerek, telekommunikáció, időjárás- és klímakövetés például űrszondák nélkül nem létezne. A műholdak és űrhajók hosszú távú, megbízható működésének és teljesítményének biztosítása a legmodernebb tisztítási és tisztatéri technológiák alkalmazását igényli, különösen az extrém körülmények között.

Emellett nemzetközi szinten is teljesíteni kell a „Planetary Protection” (bolygóvédelmi) követelményeket: azaz a földi életformák (például mikroorganizmusok, baktériumok és spórák) ne juthassanak az űrbe. Ez a cél az evolúció lehető legkisebb befolyásolása és a külföldi életformák keresésében végzett kutatások eredményességének megőrzése érdekében.

Annak érdekében, hogy az ESA Exo-Mars roverénekhez hasonló űreszközök alkalmasságát a részecskés és filmes szennyeződések tekintetében ellenőrizni lehessen, előzetesen meg kell vizsgálni a kiválasztott tisztítási módszerek alkalmasságát. Ehhez minden kísérletet olyan környezetben kell elvégezni, amely szinte szennyeződéstől mentes, AMC és részecske kontrollált (ISO 1. osztály az ISO 14644-1 szerint). Egyidejűleg tracer-szennyeződések alkalmazásával, amelyek nem származnak a kísérleti környezetből, biztosítható a téves értelmezések elkerülése kereszt-szennyeződések miatt.

Az 13. ábrán bemutatott tisztítási validálási koncepció alkalmazásához megfelelő elemzési módszerek állnak rendelkezésre, amelyek egyértelműen és kvantitatívan képesek kimutatni a szennyező anyagokat. A felületeken lévő részecskék az anyagkontraszt megfelelő beállításával automatikusan kiválaszthatók egy rácsos elektronmikroszkóppal (REM). A szürkeérték küszöbértékének meghatározásával a képfeldolgozó szoftverben az objektumokat részecskékként lehet számlálni (14. kép). Organikus filmes szennyeződések esetében gázelemző és tömegspektrométeres módszer (TD-GC/MS) alkalmazható.

A 14. kép alapján a űrkutatásban alkalmazott CO2-szemcseszóró tisztítási módszert is vizsgálták, különösen az alternatív felületek segítségével. Ez a módszer különösen ígéretes a űripar számára, mivel hatékonyan távolítja el mind a részecskés (biotikus és abiotikus), mind a filmes szerves szennyeződéseket (15. kép).

A CO2-szemcseszórás tisztítási validálása végül megerősítette, hogy ez a módszer megfelel a magas tisztasági követelményeknek az űrkutatásban. Példák a részecskés tisztítási hatékonyságra az 16. képen láthatók.

Ezt a megközelítést más tisztítási módszerek hatékonyságának értékelésére is alkalmazni lehet, és az az előnye, hogy ugyanazzal az eljárással összehasonlíthatók különböző módszerek, így célzottan kiválasztható a legmegfelelőbb. Ez a módszer természetesen nem korlátozódik kizárólag az űriparra: a gyógyszeriparban és az orvostechnikában is lehetőség van a tisztítási eljárások összehasonlító értékelésére és kiválasztására.

Irodalom

[1] L. Gail, U. Gommel, H.-P. Hortig: Tisztatéri technológia, 3. kiadás, Springer, Berlin, Heidelberg, 2012.

[2] U. Gommel: Módszer a tisztatér alkalmasságának meghatározására anyagpárosítások esetében (angolul: 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: Egyedi tisztaságú, alkalmas tisztaterek és gyártóberendezések: Ipari Szövetség „Cleanroom Suitable Materials CSM”, VCCN Tisztatéri Szimpózium 2012.

[5] Verband der Automobilindustrie e. V. (VDA): 19.2. fejezet Technikai tisztaság a szerelésben – környezet, logisztika, személyzet és szerelőberendezések, 1. kiadás, 2010.

[6] Rochowicz, M.: Kihívások a jövőben. Szeminárium: Technikai tisztaság fejlesztők és tervezők számára, Stuttgart, 2010.

[7] Verband der Automobilindustrie e. V. (VDA): 19. fejezet A technikai tisztaság vizsgálata – funkcionálisan releváns autóalkatrészek részecske szennyezése, 1. kiadás, 2004. U.S. Food and Drug Administration: Orvostechnikai eszközök visszahívása. URL: http://www.fda.gov/MedicalDevices/Safety/RecallsCorrectionsRemovalR/ListofRecalls/default.htm; elérve 2012. június 4.

__________________________________________________

Guido Kreck diplomamérnök, a „Gyártás tiszta körülmények között” szeminárium előadója. A Fraunhofer IPA tisztatéri és mikrogyártási részlegén dolgozik, a berendezések optimalizálásán és tanúsításán, valamint a tisztaság validálásán.

Yvonne Holzapfel tréner/ellenőr, a VDA 19 „A technikai tisztaság vizsgálata” című szabvány szerint. A Fraunhofer IPA tisztatéri és mikrogyártási részlegén dolgozik, a tisztaság validálásának vezetőjeként.