Validazione della purezza di prodotti critici per la contaminazione

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Immagine 1: Rappresentazione della necessità di ricerca sui parametri critici di contaminazione nelle industrie produttrici sotto condizioni di camere bianche [2].

Immagine 2:
Panoramica dei mercati che puntano sulla purezza nella produzione [3].

Immagine 3: Panoramica delle contaminazioni critiche sulle superfici di produzione.

Immagine 4: Registrazione REM di una superficie con una contaminazione mista (filmica e particellare).

Immagine 5: Procedura per la validazione dello stato di purezza dei prodotti.

Immagine 6:
Panoramica delle possibili procedure di analisi.

Immagine 7: Dimensioni critiche delle particelle per componenti e sistemi funzionali [6].

Immagine 8: Perno danneggiato (a sinistra) e cilindro (a destra). La causa del guasto è stato un'iniezione continua causata da una particella di dimensioni di pochi micrometri.

Immagine 9: Analisi della pulizia secondo VDA 19: panoramica delle procedure [7].

Immagine 10: Valori di pulizia di una misurazione di decadimento.

Immagine 11: Registrazione BREM di una contaminazione su una membrana filtrante.

Immagine 12: Risultati quantitativi dell'analisi della pulizia di un dispositivo medico.

Immagine 13: Procedura per la validazione della pulizia.

Immagine 14: Impostare una soglia per l'analisi microscopica di un conteggio automatico delle particelle.

Immagine 15: Pulizia della neve con CO2 (a sinistra), integrata in una camera bianca presso ESTEC, Noordwijk (a destra).

Immagine 16: Efficienza di pulizia del metodo di pulizia con getto di neve di CO2 per particelle su una superficie selezionata

In un'ampia gamma di prodotti innovativi, il controllo delle contaminazioni svolge un ruolo fondamentale. Nonostante l'impiego delle più moderne tecnologie di camere bianche, le contaminazioni critiche nella produzione di massa non possono essere completamente escluse. Pertanto, la purezza dei prodotti a contaminazione critica deve essere costantemente monitorata e validata.

La conoscenza dell'importanza della purezza è molto antica: già nell'antichità, ad esempio nell'Impero Romano, si sapeva che attraverso la quarantena e il lavaggio delle mani, cioè misure igieniche di base, si poteva evitare la diffusione di malattie infettive. Nel XIX secolo, infine, questi primi principi di purezza per il controllo delle contaminazioni microbiologiche furono ripresi da medici come Semmelweis e Lister. Essi poterono dimostrare scientificamente che l'applicazione di metodi disinfettanti, ad esempio sulle mani, sugli strumenti chirurgici e sulle superfici, riduceva drasticamente il tasso di infezioni e mortalità tra i loro pazienti. Il riconoscimento del loro lavoro portò a riconoscere i pericoli delle contaminazioni «invisibili» e a sviluppare misure per il loro controllo mirato.

All'inizio, questa conoscenza trovò applicazione principalmente in campo medico, per proteggere e preservare la salute del paziente. Ma ben presto, nella prima metà del XX secolo, il principio del controllo delle contaminazioni fu applicato anche a prodotti critici per la purezza, inizialmente per la produzione di circuiti integrati nell'industria dei semiconduttori, e oggi anche per vari altri prodotti ad alta tecnologia come schermi a cristalli liquidi, dischi rigidi, moduli fotovoltaici, farmaci, dispositivi medici e sistemi automobilistici. Questa lista può essere estesa praticamente all'infinito e dimostra i settori di applicazione in crescita quotidiana e altamente diversificata, in cui la purezza riveste un ruolo decisivo [1].

Requisiti di purezza

Dalla diversità settoriale delle applicazioni critiche per la purezza derivano requisiti di purezza differenti, con attenzione ai tipi di contaminazione critica che possono derivare dal processo di produzione o da altri scenari di contaminazione. Queste contaminazioni devono essere principalmente controllate a causa del loro effetto dannoso sul prodotto. Proteggere le persone da contaminazioni pericolose è oggi al centro dell'attenzione nei settori delle scienze della vita, come l'industria farmaceutica.

Un'indagine di mercato condotta nel 2003 dal Fraunhofer IPA indica le contaminazioni critiche con il maggior potenziale di danno per i prodotti (Figura 1): al primo posto ci sono le particelle, seguite dai gas di scarico («Airborne Molecular Contamination AMC») e dai fenomeni di scarica elettrostatica («Electrostatic Discharge ESD»).

Per ridurre queste contaminazioni a livelli non critici e accettabili per il prodotto, vengono create ambienti di produzione puri. Questi cosiddetti ambienti di produzione «cleanroom» sono essenzialmente generati da una circolazione d'aria costante combinata con filtri dell'aria e ricambi d'aria (Figura 2).

Nonostante l'impiego delle più moderne tecnologie di camere bianche, le contaminazioni critiche nella produzione di massa non possono essere completamente escluse: personale, attrezzature di processo e materiali di processo possono introdurre contaminazioni nell'ambiente di produzione e distribuirle in modo incontrollato [4], [5].

Perciò, la purezza dei prodotti a contaminazione critica deve essere costantemente monitorata e validata, in particolare riguardo alle contaminazioni particellari e filmiche sulle superfici dei prodotti (Figura 3). Le contaminazioni particellari e filmiche raramente si presentano in forma pura, più spesso in forme miste (Figura 4).

Validazione della purezza

Ideale sarebbe effettuare una determinazione delle contaminazioni direttamente sul prodotto da esaminare, per evitare perdite dovute a campionamenti e il rischio di contaminazioni crociate. Tuttavia, un'ispezione diretta dell'intera superficie non è spesso possibile a causa della geometria delle parti e della struttura delle superfici. Per questo vengono utilizzati diversi metodi di estrazione, con i quali si prelevano le contaminazioni dalla superficie del campione (Figura 5).

Successivamente, si può applicare, a seconda delle esigenze informative, un metodo di analisi specifico per le contaminazioni (Figura 6).

Pulizia tecnica nell'industria automobilistica

L'attuale sviluppo di tecnologie veicolari più sostenibili e innovative ha portato l'industria automobilistica a confrontarsi da circa dieci anni con un grave problema di qualità: anche le più piccole quantità di particelle critiche di micrometri possono causare errori e guasti di sistema (Figura 7 e Figura 8).

Per evitare errori critici, vengono stabiliti accordi di qualità riguardanti il livello massimo di contaminazione residua dei componenti. Ciò comporta ovviamente anche il controllo e la validazione dei limiti di purezza stabiliti per i componenti stessi.

Nell'industria automobilistica si è affermata la procedura secondo VDA 19 o ISO 16232 per la determinazione quantitativa delle particelle sulle superfici dei componenti (Figura 9): le impurità presenti sulla superficie del componente vengono rimosse tramite diversi metodi di estrazione (ultrasuoni, spruzzi, risciacqui, scuotimenti) e trasferite su una membrana filtrante, che può essere successivamente analizzata con metodi diversi a seconda delle informazioni richieste (dimensione, materiale, ecc.) [7].

Misura di attenuazione e criterio di valore di riferimento

Una caratteristica particolare riguarda il metodo di verifica dell'idoneità dei parametri di estrazione scelti. A tal fine si esegue una cosiddetta indagine di qualificazione (chiamata anche misura di attenuazione), in cui si verifica ripetutamente lo stesso componente per determinare se tutte le particelle rilevanti vengono rimosse dalla superficie del componente con i parametri di estrazione scelti, come durata, portata o potenza degli ultrasuoni. I parametri sono considerati idonei se il 90% delle particelle viene rimosso (criterio di attenuazione, Figura 10).

Un altro fattore importante è il rispetto del criterio di valore di riferimento, che deve essere verificato prima di iniziare l'analisi della purezza vera e propria: per dimostrare la capacità di analisi con l'attrezzatura utilizzata, si esegue un'analisi di purezza senza componente. In questa fase, la quantità di particelle estratte non dovrebbe superare il 10% di quella prevista durante l'analisi vera e propria, per ottenere un risultato affidabile senza interferenze di sporco proveniente dall'attrezzatura di prova. In Figura 11 è mostrata la membrana filtrante di un'analisi di purezza con il microscopio elettronico a scansione.

Trasferimento della metodologia

Sebbene il concetto di purezza sia radicato da decenni nella tecnologia medica ed è formalmente stabilito in normative nazionali e internazionali, si verificano ancora problemi riconducibili a scarsa igiene o purezza. Negli ultimi dieci anni, dal 2001, ci sono stati 243 richiami di dispositivi medici da parte della FDA (Food and Drug Administration), di cui 64 (circa il 26%) a causa di contaminazioni, con tendenza in aumento [8]. Ciò si spiega anche con il modo in cui vengono effettuate le verifiche dello stato di purezza di prodotti, strumenti o altre superfici in ambito medico.

Ad esempio, nella determinazione del carico microbico di dispositivi medici secondo ISO 11737-1, si effettua un'estrazione specifica delle contaminazioni dal componente, ma non si verifica l'efficacia del campionamento. A questo punto, si può adattare la procedura secondo VDA 19, che verifica specificamente i metodi di estrazione e i parametri impiegati (Figura 12). Questa verifica assicura risultati quantitativi affidabili.

Un altro aspetto importante per ottenere risultati affidabili sulla purezza è l'impiego di personale qualificato con competenze specifiche, per escludere risultati falsi dovuti a contaminazioni crociate o a comportamenti errati del personale di verifica.

Validazione della pulizia per la valutazione dei processi di pulizia

Se lo stato di purezza di un prodotto non è sufficiente, può essere necessario un processo di pulizia mirato alla rimozione delle contaminazioni. Per scegliere correttamente il metodo di pulizia più adatto, è importante determinarne l'efficacia in modo quantitativo e comparabile prima dell'uso.

Le procedure di validazione della pulizia possono essere utilizzate anche per valutare i processi di pulizia o per la validazione delle procedure di pulizia. La determinazione dell'efficienza di pulizia avviene confrontando lo stato di purezza di un campione contaminato prima e dopo la pulizia (Figura 13).

Valutazione e selezione di metodi di pulizia ad alta precisione per l'industria aerospaziale

I progressi tecnologici dell'industria spaziale ci accompagnano silenziosamente e sono ormai parte integrante della vita quotidiana: sistemi di navigazione moderni, telecomunicazioni, previsioni meteorologiche e climatiche, solo per citarne alcuni, sono impossibili senza satelliti e tecnologie spaziali. Le esigenze di durata, affidabilità e prestazioni di satelliti e veicoli spaziali, sottoposti a condizioni estreme di spazio, possono essere garantite solo con tecnologie di pulizia e camere bianche all'avanguardia.

Oltre a migliorare le prestazioni e l'affidabilità, è necessario rispettare anche requisiti internazionalmente ratificati nel quadro del «Planetary Protection» (Protezione planetaria): secondo tali norme, forme di vita terrestri (ad esempio microrganismi come batteri e spore) non devono essere trasportate nello spazio. Questo per evitare di influenzare l'evoluzione naturale e di falsare i risultati delle ricerche, come nella ricerca di forme di vita extraterrestri.

Per garantire che i componenti dei veicoli spaziali, come quelli del Rover Exo-Mars dell'ESA, rispettino i severi requisiti di purezza riguardo alle contaminazioni particellari e filmiche, è necessario verificare preventivamente l'idoneità dei metodi di pulizia scelti. Per una validazione affidabile, tutti i test devono essere condotti in ambienti quasi privi di contaminazioni, controllati per AMC e particelle (classe ISO 1 secondo ISO 14644-1). L'uso di contaminanti traccianti, che non derivano dall'ambiente di prova, garantisce inoltre la protezione contro interpretazioni errate dovute a contaminazioni crociate.

Per applicare il concetto illustrato in Figura 13 riguardo alla validazione della pulizia contro contaminazioni particellari e filmiche, devono essere disponibili metodi di analisi idonei, in grado di rilevare chiaramente e quantitativamente i contaminanti. Particelle su superfici con contrasto di materiale sufficiente rispetto alla superficie stessa possono essere selezionate automaticamente con un microscopio elettronico a scansione (SEM). Il valore soglia nel software di elaborazione delle immagini determina il livello di grigio in modo che gli oggetti sulla superficie siano conteggiati come particelle (Figura 14). Per le contaminazioni filmiche organiche, si può ricorrere a un gascromatografo abbinato a uno spettrometro di massa (TD-GC/MS).

Seguendo l'approccio di Figura 14, il metodo di pulizia con getto di neve di CO2 è stato studiato anche per componenti destinati all'esplorazione spaziale, utilizzando superfici sostitutive. Questo metodo si è rivelato particolarmente promettente per l'industria aerospaziale, poiché può rimuovere in modo altamente efficiente sia contaminazioni organiche particellari (biotiche e abiotiche) sia filmiche (Figura 15).

La validazione della pulizia con il metodo di getto di neve di CO2 ha confermato la sua idoneità per le elevate esigenze di purezza nello spazio. Risultati esemplificativi sull'efficacia di rimozione delle particelle sono mostrati in Figura 16.

Questo metodo può essere applicato anche per valutare l'efficacia di altri processi di pulizia, offrendo il vantaggio di poter confrontare diversi metodi di pulizia in modo preliminare, per una scelta mirata. Naturalmente, questa metodologia non è limitata all'industria spaziale: può essere utilizzata anche in settori come quello farmaceutico e della tecnologia medica, per confrontare e selezionare i processi di pulizia più adatti.

Bibliografia

[1] L. Gail, U. Gommel, H.-P. Hortig: Tecnologia delle camere bianche, 3ª edizione, Springer, Berlino, Heidelberg, 2012.

[2] U. Gommel, Metodi per determinare l'idoneità delle combinazioni di materiali alle camere bianche (in inglese: A method for determining the cleanroom suitability of material pairings), Jost-Jetter, Heimsheim 2006.

[3] The McIlvaine Company: Rapporto online sui mercati delle camere bianche mondiali, 2005.

[4] U. Gommel, G. Kreck, Y. Holzapfel: Camere bianche personalizzate e attrezzature di produzione compatibili con la pulizia: Alleanza industriale «Materiali idonei alle camere bianche CSM», VCCN Cleanroom Symposium 2012.

[5] Verband der Automobilindustrie e. V. (VDA): Volume 19.2 Pulizia tecnica in assemblaggio – ambiente, logistica, personale e attrezzature di montaggio, prima edizione, 2010.

[6] Rochowicz, M.: Sfide per il futuro. Seminario: Pulizia tecnica per sviluppatori e progettisti, Stoccarda, 2010.

[7] Verband der Automobilindustrie e. V. (VDA): Volume 19 Verifica della pulizia tecnica – contaminazione di particelle di componenti automobilistici funzionali, prima edizione, 2004. U.S. Food and Drug Administration: Richiamo di dispositivi medici. URL: http://www.fda.gov/MedicalDevices/Safety/RecallsCorrectionsRemovalR/ListofRecalls/default.htm; consultato il 04 giugno 2012.

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Guido Kreck è ingegnere diplomato e relatore del seminario «Produzione in condizioni di purezza». Lavora presso il Fraunhofer IPA nel dipartimento di microproduzione e microtecnologia, specializzato in ottimizzazione e certificazione di attrezzature per le camere bianche e nella validazione della purezza.

Yvonne Holzapfel è formatrice/verificatrice del volume VDA 19 «Verifica della pulizia tecnica». Lavora presso il Fraunhofer IPA nel dipartimento di microproduzione e microtecnologia, come responsabile del laboratorio di pulizia tecnica.
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