C'è qualcosa nell'aria

Climet Contatore di Particelle

Laboratorio di calibrazione della CAS

Climet Partikelzähler in uso

Sede centrale della CAS in Svizzera

La formazione di particelle non può essere evitata. Tuttavia, al posto sbagliato e con la concentrazione sbagliata, possono avere effetti fatali. In ospedale, ad esempio, possono portare a infezioni o contaminare prodotti nell'industria farmaceutica. Questo può essere evitato solo con strumenti di misurazione complessi e un partner di servizio affidabile, che abbia anni di esperienza nel campo della misurazione delle particelle e conosca i criteri più importanti nell'acquisto di un tale contatore di particelle.

Con l'aria pura sono pochi di noi circondati. Non si trova nel nostro quotidiano normale. Tuttavia, è diventata indispensabile in alcuni settori, come quello farmaceutico o nel settore sanitario. Proprio questi segmenti sono cambiati in modo significativo negli ultimi anni. Ad esempio, in Svizzera, Germania e Austria sono state create nuove linee guida per gli impianti di ventilazione nel settore sanitario e in ambienti controllati. L'obiettivo è mantenere la concentrazione di particelle trasportate dall'aria nei settori sensibili il più basso possibile.

Ognuno di noi è circondato quotidianamente da una moltitudine di particelle. Alcune di esse sono prodotte anche dall'uomo stesso. Il volume di queste particelle varia molto. Sono percepibili dall'occhio umano solo a partire da circa 50 micrometri (µm), ad esempio sotto forma di polline, polvere di cemento o starnuti. Batteri, che hanno dimensioni delle particelle da 0,3 a 30 µm, non sono più visibili con metodi convenzionali, per non parlare dell'inquinamento normale dell'aria esterna (0,01 a 1), del fumo di tabacco (0,01 a 0,3) o di virus e proteine (0,01 a 0,1). Sono dimensioni che in realtà non riusciamo più a immaginare. Per avere comunque un confronto di grandezza, si può applicare la seguente analogia: immaginate il volume della Terra rispetto a una palla da tennis. Questa proporzione è circa uguale a quella tra una particella di 1 micrometro di diametro e la palla da tennis. Anche così, si può solo intuire la reale dimensione, poiché supera la nostra capacità di immaginazione. Tuttavia, per la nostra vita quotidiana, la misurabilità e una definizione chiara di tali particelle sono diventate indispensabili.

Aerosol nell'uso quotidiano
Gli aerosol, cioè piccole particelle che si trovano ovunque nell'aria, vengono oggi utilizzati in vari settori. Poiché gli aerosol sono così piccoli, possono attraversare senza impedimenti i sistemi di filtrazione delle vie respiratorie umane. Attraverso i bronchi, a seconda delle dimensioni, penetrano fino alle cosiddette sacche aeree dei polmoni e da lì, in parte, entrano anche nel circolo sanguigno. Questa capacità degli aerosol viene sfruttata in medicina: ad esempio, negli spray inalatori vengono utilizzate particelle di principio attivo. Tuttavia, se le particelle trasportano sostanze cancerogene, ciò rappresenta un pericolo per il nostro corpo. Questo accade, tra l'altro, durante il fumo o l'inalazione di gas di scarico.

Anche nell'agricoltura vengono utilizzati aerosol. Sono necessari per la dispersione di insetticidi e prodotti fitosanitari. E nel settore tecnico — per verniciature o colorazioni — o per uso privato — in spray per capelli o detergenti — sono ormai imprescindibili.

Polvere come fattore disturbante
Le particelle possono anche manifestarsi come fattori disturbanti. Nell'industria elettronica, dove i chip vengono prodotti con piste conduttive distanziate di pochi frazioni di micrometro, anche una particella di polvere può causare un cortocircuito. È quindi essenziale creare un ambiente di lavoro privo di polvere per la produzione di tali prodotti. Lo stesso vale nell'industria farmaceutica o nel settore sanitario. Non si può nemmeno immaginare quali infezioni potrebbero derivare da batteri o virus. Poiché i germi non possono essere completamente evitati, anche qui bisogna garantire aria priva di polvere. La tecnologia che si occupa di prevenire contaminazioni da polvere in medicina e tecnologia si chiama tecnologia delle camere pulite.

Cosa «produce» l'uomo
Fondamentalmente, si distinguono due origini degli aerosol: aerosol naturali come nebbia, polvere del Sahara, batteri, virus, fumo di incendi boschivi e polline. Oppure aerosol industriali come emissioni da impianti industriali, traffico o riscaldamenti domestici. Anche l'uomo è un attivo produttore di aerosol. Già senza particolari attività, genera circa 100.000 particelle al minuto. Con un leggero movimento della testa, si raggiungono già 500.000 particelle, e camminando la cifra sale a 5 milioni. L'elevata emissione di particelle è una delle ragioni per cui in vari settori è necessario indossare abbigliamento da lavoro speciale. Un comportamento professionale in una cosiddetta camera pulita viene addestrato anche tramite corsi specifici, per mantenere «l'inquinamento» il più basso possibile.

Come funziona il contatore di particelle
La formazione di particelle, quindi, non può essere evitata. Tuttavia, è importante — a seconda dell'applicazione — conoscere la concentrazione efficace di tali sostanze. Per questa misurazione vengono utilizzati contatori di particelle. Il principio di funzionamento di questi dispositivi può essere spiegato con un esempio semplice: se ci si trova in una stalla buia, attraverso le pareti di legno filtrano i raggi del sole, si noterà che alcuni raggi appaiono meno luminosi di altri. Queste differenze di luce sono spiegabili con la presenza di polvere sospesa all’interno della stalla. Un contatore di particelle funziona secondo un principio simile. Un raggio laser sostituisce i raggi del sole e l’oscurità della stalla viene sostituita dalla camera oscura del sensore. A occhio nudo, la polvere rilevata dal contatore di particelle non si può più vedere. In una camera pulita, vengono solitamente rilevate particelle da 0,3 a 5,0 µm. Se si tratta di produzione di dispositivi elettronici, vengono talvolta considerate anche particelle con diametro di 0,1 µm.

Analisi dei dati
Il procedimento di misurazione è sempre lo stesso: in linea di principio, i contatori di particelle sono impostati in modo che non succeda nulla finché solo aria pulita attraversa la cella di misurazione. Tuttavia, se piccole particelle di polvere entrano nella camera oscura descritta sopra (cella di misurazione) e attraversano il raggio laser, la sua luce viene diffusa. Di norma, una piccola particella produce una debole luce, mentre una grande produce una luce intensa. La camera riflettente riflette questi raggi su un rivelatore fotodiodico, che converte l’energia luminosa in segnali elettrici.
Come base per il calcolo finale, si utilizza la formula secondo cui la luce è proporzionale alla dimensione della particella, così come il segnale elettrico alla particella stessa. Da questa relazione, si procede con ulteriori analisi e valutazioni dei dati. La precisione dipende in definitiva dalla costruzione del contatore di particelle. Per completarlo, vengono aggiunti circuiti elettronici speciali e un amplificatore supporta il segnale elettronico molto debole. Inoltre, un sistema complementare filtra tutte le «sovrapposizioni» indesiderate. Alla fine, i segnali vengono analizzati da un processore digitale brevettato. Circuiti digitali aggiuntivi consentono di visualizzare i dati sul display e di stamparli.

Analisi più rapida
Anche nel caso di un contatore di particelle, il fattore tempo è decisivo. Con il tempo di campionamento, cioè il volume d’aria che può essere misurato, i diversi produttori di tali dispositivi pubblicizzano i loro prodotti. Il volume di aspirazione dei contatori era in passato principalmente di un piede cubo al minuto, cioè circa 28,3 litri al minuto. Questa unità deriva dalla norma americana «US Federal Standard». Per misurare un metro cubo di aria, tali dispositivi richiedono quindi più di 35 minuti di tempo di misurazione.

Tuttavia, lo sviluppo non si è fermato. Oggi si trovano sul mercato dispositivi con portate di 50, 75 o 100 litri al minuto. Ciò permette di ridurre notevolmente i tempi di misurazione: con un campione di 1 metro cubo di aria e un dispositivo da 100 litri, il tempo di misurazione si riduce a circa 10 minuti.

La calibrazione garantisce qualità
Fondamentale per la qualità di un contatore di particelle è la sua calibrazione. Ogni produttore ha le proprie istruzioni operative su come calibrare e regolare i dispositivi. Per la calibrazione delle dimensioni, vengono solitamente usate particelle di lattice monodisperse certificate. Queste vengono distrutte e inserite nel dispositivo. Le palline bianche e rotonde producono ora una curva di distribuzione gaussiana, la cui posizione è determinante per la precisione del conteggio delle particelle. Questa curva può spostarsi di anno in anno. Fattori che possono influenzarla sono: contaminazione della cella di misurazione o del rivelatore, variazione della potenza del laser, portata troppo bassa o troppo alta, ecc.

Il procedimento di calibrazione di un contatore di particelle dovrebbe essere eseguito in più fasi:
- Controllo in ingresso (valutazione dello stato attuale, cioè cosa è stato misurato)
- Lavori di manutenzione e riparazione
- Regolazione (impostazione sulla deviazione minima possibile)
- Calibrazione in uscita (test di confronto della efficienza di conteggio)

Per ottenere una calibrazione e una manutenzione ottimali del contatore di particelle, si consiglia di inviarlo annualmente a un partner di servizio autorizzato. Solo questi laboratori di calibrazione ufficiali dispongono delle specifiche tecniche degli strumenti di misurazione e conoscono le procedure di manutenzione esatte.

Auto-diagnosi
Per poter controllare sempre il funzionamento dei dispositivi anche sul campo, molti contatori di particelle dispongono di una «auto-diagnosi» integrata. Con questa vengono monitorati lo stato del laser e del flusso. Dopo una calibrazione, ad esempio, si può produrre una contaminazione volontaria con un semplice schiocco di dita. Le particelle generate dallo schiocco vengono rilevate dal laser e il cliente può essere certo che la modalità di conteggio funzioni correttamente. Successivamente, si può eseguire un test di sistema con un filtro di zero conteggio. Il filtro si installa meglio direttamente sul tubo di misurazione. L’aria viene aspirata attraverso il filtro e condotta tramite tubo alla cella di misurazione. Se non vengono rilevate particelle, si ha la certezza che tutti gli elementi sono puliti e che il risultato della misurazione non sia influenzato da fattori disturbanti. In linea di principio, tali controlli di funzionamento possono essere ripetuti a intervalli qualsiasi. Anche qui, ovviamente, più spesso si effettua un controllo di sistema, maggiore è la sicurezza.

Applicazione dei contatori di particelle
I contatori di particelle vengono utilizzati in vari settori e situazioni. Principalmente sono impiegati nei campi «Classificazione», «Test di integrità dei filtri», «Misurazioni dell’aria compressa» e «Sistemi di monitoraggio».

Le camere pulite sono necessarie per processi di produzione speciali — soprattutto nella produzione di semiconduttori — dove le particelle presenti nell’aria normale potrebbero disturbare la strutturazione di circuiti integrati a frazioni di micrometro. Altre applicazioni di camere pulite o tecnologia delle camere pulite si trovano nell’ottica e nella tecnologia laser, nell’aerospaziale, nelle scienze biologiche e nella ricerca medica, nella produzione e nella sterilizzazione di alimenti e farmaci, e nella nanotecnologia.

Misurazione in punti complessi
Per determinare con precisione le particelle si utilizza una sonda isocinetica. L’isocinetica assicura che le particelle cadano nella sonda e non vengano aspirate. Questo perché l’aspirazione genera vortici d’aria che potrebbero portare a misurazioni errate. La sonda isocinetica impedisce ciò e garantisce risultati estremamente precisi. Di norma, si usano sonde rotonde. Il loro diametro varia in base al volume di aspirazione del contatore di particelle. Di solito, la sonda è collegata al dispositivo di misurazione tramite un tubo. Questo permette di installarla anche in punti complessi e difficili da raggiungere, evitando che la misurazione venga disturbata o falsata da persone o macchine.

È importante, tuttavia, che il tubo — chiamato «tubo Hytrel» nel gergo tecnico — abbia un rivestimento speciale. Questo si distingue per il fatto che all’interno non si accumulano particelle. Inoltre, la sonda isocinetica deve essere posizionata puntualmente nel flusso d’aria. Se la direzione del flusso d’aria da verificare non può essere regolata o prevista — ad esempio in un flusso turbolento —, l’ingresso della sonda di prova deve essere rivolto verticalmente verso l’alto. In generale, il contatore di particelle deve essere configurato secondo le istruzioni del produttore. Deviature da queste possono portare a misurazioni errate.

Ma anche l’uso di un tubo Hytrel presenta alcuni svantaggi. Sebbene non ci siano studi approfonditi su questa tematica, l’esperienza pratica suggerisce che, a partire da 1,0 µm di dimensione, alcune particelle si perdano nel tubo e non arrivino alla cella di misurazione. Le ipotesi che queste particelle rimangano nel tubo e vengano rilevate come errori non sono state finora confermate. Piuttosto, si ritiene che le particelle più grandi vengano frantumate durante il «trasferimento» e rilevate come particelle più piccole dalla cella di misurazione.

Classificazione della purezza dell’aria
Per poter operare una camera pulita, dopo la costruzione e durante il funzionamento devono essere eseguite misurazioni delle particelle. In base a queste misurazioni, si può effettuare una classificazione della purezza dell’aria per le camere pulite e le aree correlate. È regolamentata dalla norma ISO 14644-1. La norma si riferisce esclusivamente alla concentrazione di particelle trasportate dall’aria. L’elemento principale di una qualificazione di camera pulita è il valore di misurazione e la relativa valutazione se la camera soddisfa i requisiti. Soprattutto nel settore farmaceutico, i risultati sono fondamentali per garantire il funzionamento. Le applicazioni più complesse richiedono condizioni ambientali stabili. La mancata osservanza delle linee guida può portare, ad esempio, a fermi di produzione e a situazioni costose. Per questo motivo, la procedura di verifica di una «classificazione» è estremamente complessa. Oltre al conteggio delle particelle trasportate dall’aria, vengono controllati anche il flusso, la differenza di pressione dell’aria, la temperatura e l’umidità.

Una camera pulita è costruita in modo tale che il numero di particelle trasportate dall’aria, introdotte o generate all’interno, sia il più basso possibile. A seconda dell’uso, si monitora solo il quantità di particelle o anche il numero di germi, come richiesto, ad esempio, nella produzione farmaceutica. Per garantire le condizioni richieste, vengono utilizzate diverse procedure per impedire che particelle indesiderate entrino nell’aria e per rimuovere quelle già presenti.

Test di integrità del sistema di filtri con contatore di particelle
Il test di integrità del sistema di filtri è un’altra applicazione dei contatori di particelle. È necessario per escludere senza dubbi eventuali danni a filtri HEPA o ULPA. Il principio del test è abbastanza complesso: prima del filtro, l’aria grezza viene caricata con aerosol. Si verifica quindi un’inquinamento volontario dell’aria. Poiché quest’aria presenta un’alta concentrazione di particelle, si utilizza un sistema di diluizione tra aria e contatore di particelle. Questi sistemi sono solitamente disponibili con un rapporto di diluizione di 1:100 o 1:10. Permettono di misurare l’aria grezza durante tutto il test. Per individuare eventuali perdite, l’intero sistema di filtrazione deve essere scansionato con una sonda di misurazione. È preferibile usare una sonda angolare, poiché questa forma — rispetto, ad esempio, a una sonda rotonda — riduce i tempi di scansione. Se durante il processo viene superata la quantità consentita di particelle, si può sospettare una possibile perdita. Questa può essere verificata più precisamente con una verifica locale delle perdite.

Misurazione dell’aria compressa con contatore di particelle
Quando si parla di aria di camera pulita, si intende principalmente l’aria pura dell’ambiente. Con aria compressa si indica quell’aria necessaria per un processo (ad esempio pneumatica o aria di controllo). Anche in questo caso, si tratta di aria che può entrare in contatto con un prodotto e inquinare.

Tuttavia, l’aria compressa non dovrebbe essere misurata direttamente con il contatore di particelle, perché l’aria potrebbe danneggiare la cella di misurazione del contatore o influenzare il flusso del contatore stesso. Per questo motivo, tra l’aria compressa e il contatore di particelle si deve inserire un cosiddetto diffusore. Per questa misurazione, si può fare riferimento alla norma ISO 8573.

Monitoraggio
Finora, nei settori di applicazione si è parlato principalmente di contatori di particelle mobili. Tuttavia, i dispositivi di monitoraggio sono installati in modo fisso. Sono in funzione continuamente e monitorano determinati processi, come ad esempio il riempimento di farmaci. Sono sistemi molto complessi che richiedono l’assistenza di un professionista.

Conclusioni
Un contatore di particelle è uno strumento di misurazione estremamente complesso, in grado di rilevare le più piccole particelle trasportate dall’aria. Tuttavia, tra i produttori ci sono anche grandi differenze qualitative. La precisione e l’affidabilità dei dispositivi sono criteri importanti per l’acquisto. Altri requisiti assoluti sono: i contatori di particelle devono essere calibrati una volta all’anno e il cliente deve avere un buon partner di assistenza. Chi rispetta questi principi semplici, non si pentirà mai di un tale acquisto.

Norma ISO 21501-4
La norma ISO 21501-4 definisce il procedimento di calibrazione dei contatori di particelle. Lo standard richiede, tra l’altro, che venga indicata l’efficienza di conteggio (calibrazione di quantità). A tal fine, vengono inserite particelle di lattice monodisperse nel dispositivo di prova e nel contatore di riferimento, e le due quantità vengono confrontate. Per la risoluzione delle dimensioni, si verifica se l’assegnazione delle particelle nel canale più piccolo è corretta. Si verifica inoltre, con un filtro di zero conteggio, se la cella di misurazione è priva di particelle. La norma ISO 21501-4 raccomanda di eseguire questa calibrazione annualmente.