Es liegt etwas in der Luft

Climet Partikelzähler

Kalibrierlabor der CAS

Climet Partikelzähler im Einsatz

Firmenzentrale der CAS in der Schweiz

Die Entstehung von Partikeln lässt sich nicht verhindern. Am falschen Ort mit der falschen Konzentration können sie aber fatale Auswirkungen haben. Im Krankenhaus können sie beispielsweise zu Infektionen führen oder in der Pharmaindustrie Produkte verunreinigen. Verhindern lässt sich dies nur mit komplexen Messinstrumenten und einem verlässlichen Servicepartner, der über langjährige Erfahrungen im Bereich Partikelmesstechnik verfügt und die wichtigsten Kriterien bei der Anschaffung eines solchen Partikelzählers kennt.

Mit reiner Luft sind die wenigsten von uns umgeben. Sie kommt in unserem normalen Alltag nicht vor. Trotzdem ist sie für gewisse Gebiete unabdingbar geworden, etwa für den Pharmabereich oder im Gesundheitswesen. Gerade diese Segmente haben sich in den vergangenen Jahren markant verändert. So wurden etwa in der Schweiz, in Deutschland und in Österreich neue Richtlinien für lüftungstechnische Anlagen im Gesundheitswesen und in kontrollierten Umgebungen erstellt. Sie haben zum Ziel, die Konzentration luftgetragener Teilchen in anfälligen Bereichen so gering wie nötig zu halten.

Wir alle sind tagtäglich von einer Vielzahl Partikeln umgeben. Ein Teil davon wird gar vom Menschen selbst produziert. Das Volumen dieser Partikel ist sehr unterschiedlich. Für das menschliche Auge wahrnehmbar werden sie erst ab einer Grösse von ca. 50 Mikrometer (µm), also beispielsweise in Form von Blütenpollen, Zementstaub oder Niesströpfchen. Bakterien etwa, welche Partikelgrössen von 0.3 bis 30 µm aufweisen, sind auf herkömmliche Weise nicht mehr sichtbar, ganz zu schweigen von der normalen Aussenluftverunreinigung (0.01 bis 1), Tabakrauch (0.01 bis 0.3) oder Viren und Proteinen (0.01 bis 0.1). Es sind dies Dimensionen, unter denen wir uns eigentlich gar nichts mehr vorstellen können. Um dennoch einen Grössenvergleich zu erhalten, kann folgende Gegenüberstellung angewandt werden: Man stelle sich das Volumenverhältnis der Erdkugel gegenüber einem Tennisball vor. Dieses Verhältnis ist in etwa gleich gross, wie wenn man den Tennisball einem Partikel von 1 Mikrometer Durchmesser gegenüberstellen würde. Auch so kann man die eigentliche Grösse grundsätzlich nur erahnen, da sie unsere Vorstellungskraft übersteigt. Für unseren Alltag ist die Messbarkeit und klare Definition solcher Partikel allerdings unabdingbar geworden.

Aerosole im täglichen Einsatz
Aerosole beispielsweise – also kleine Partikel, die überall in der Luft vorkommen – werden heute in den unterschiedlichsten Gebieten eingesetzt. Weil Aerosole so klein sind, können sie die Atemweg-Filtersysteme des Menschen ungehindert passieren. Über die Bronchien dringen sie je nach Grösse bis in die so genannten Lungenbläschen der Lunge ein und gelangen von da teilweise auch in den Blutkreislauf. Diese Fähigkeit der Aerosole wird in der Medizin genutzt: In Atem-Inhalationssprays kommen zum Beispiel Wirkstoff-Partikel zur Anwendung. Wenn die Teilchen aber krebserregende Substanzen auf sich tragen, dann ist das entsprechend gefährlich für unseren Körper. Dies ist unter anderem beim Rauchen oder beim Einatmen von Abgasen der Fall.

Auch in der Landwirtschaft kommen Aerosole zum Einsatz. Hier werden sie beim Zerstäuben von Insektiziden und Pflanzenschutzmitteln benötigt. Und im technischen Bereich – für Lackierungen oder Färbungen – oder für den Privatgebrauch – in Haarsprays oder Reinigungsmitteln – sind sie ebenfalls nicht mehr wegzudenken.

Staub als Störfaktor
Die Partikel können allerdings auch als Störfaktoren in Erscheinung treten. In der Elektroindustrie, wo Chips hergestellt werden, deren Leiterbahnen nur noch Bruchteile von Mikrometern auseinanderliegen, kann ein Staubteilchen gar einen Kurzschluss verursachen. Es ist daher unabdingbar, für die Fertigung solcher Produkte eine staubfreie Arbeitsatmosphäre zu schaffen. Ebenso verhält es sich in der pharmazeutischen Industrie oder im Gesundheitswesen. Nicht auszudenken, welche Infektionen durch Bakterien oder Viren entstehen könnten. Da Keime nicht gänzlich verhindert werden können, muss auch hier für staubfreie Luft gesorgt werden. Die Technik, welche sich mit der Verhinderung von Staubkontaminationen in Medizin und Technik befasst, nennt sich Reinraumtechnik.

Was der Mensch «produziert»
Ganz grundsätzlich unterscheidet man zwischen zwei Herkunftsarten von Aerosolen: Natürliche Aerosole wie zum Beispiel Nebel, Saharastaub, Bakterien, Viren, Rauch von Waldbränden und Blütenstaub. Oder aber industrielle Aerosole wie Emissionen aus industriellen Betrieben, dem Verkehr oder von Hausfeuerungen. Auch der Mensch ist ein eifriger Aerosolproduzent. Schon ohne bestimmte Tätigkeit generiert er rund 100‘000 Partikel pro Minute. Bei einer leichten Kopfbewegung sind es bereits 500‘000 Partikel und beim Gehen schnellt die Zahl auf 5 Millionen hoch. Die grosse Partikelemission ist einer der Gründe, dass in verschiedenen Bereichen eine spezielle Arbeitskleidung getragen werden muss. Ein fachgerechtes Verhalten in einem sogenannten Reinraum wird gar mittels spezifischer Kurse trainiert, um die «Verschmutzung» so gering wie möglich zu halten.

Die Funktionsweise der Partikelzähler
Die Entstehung von Partikeln ist also nicht zu unterbinden. Wichtig ist jedoch – je nach Anwendungsgebiet – die effektive Konzentration solcher Stoffe.  Für eine entsprechende Messung werden Partikelzähler eingesetzt. Das Funktionsprinzip dieser Geräte lässt sich anhand eines einfachen Beispiels erklären: Steht man in einer dunklen Scheune, durch deren Holzwände die Sonnenstrahlen leuchten, so wird man bemerken, dass einige Strahlen weniger hell erscheinen als andere. Diese Lichtunterschiede sind durch den schwebenden Staub innerhalb der Scheune zu erklären. Ein Partikelzähler funktioniert nach ähnlichem Prinzip. Ein Laserstrahl ersetzt die Sonnenstrahlen und die Dunkelheit in der Scheune wird durch die Dunkelkammer des Sensors ersetzt. Von blossem Auge lässt sich der Staub, der vom Partikelzähler ermittelt wird, schon gar nicht mehr erkennen. Im Reinraum werden üblicherweise Partikel von 0.3 bis 5.0 µm ermittelt. Handelt es sich um eine Produktion von elektronischen Geräten, werden mitunter auch Partikel mit einem Durchmesser von 0.1 µm betrachtet.

Datenauswertung
Die Vorgehensweise bei einer Messung ist jeweils dieselbe: Grundsätzlich sind die Partikelzähler so eingestellt, dass nichts geschieht, so lange nur saubere Luft durch die Messzelle strömt. Gelangen aber kleine Staubteilchen in die vorgängig beschriebene Dunkelkammer (Messzelle) und passieren dort den Laserstrahl, so wird dessen Licht in der Folge gestreut. In der Regel erzeugt dabei ein kleiner Partikel ein schwaches Licht, ein grosser Partikel hingegen ein starkes.  Die Spiegelkammer reflektiert diese Strahlen auf einem Photodetektor, der die Lichtenergie wiederum in elektrische Signale umwandelt.
Als Grundlage für die abschliessende Berechnung dient die Formel, dass sich das Licht zur Grösse des Partikels ebenso proportional verhält wie das elektrische Signal zum Partikel. Auf diesem Umstand folgen die weiteren Datenanalysen und Auswertungen. Ihre Genauigkeit beruht letztlich natürlich auf dem Aufbau des Partikelzählers. Um diesen zu komplettieren, werden spezielle elektronische Kreise hinzugefügt, und eine Verstärkerstufe unterstützt das sehr geringe elektronische Signal. Ebenso filtert ein ergänzendes System sämtliche unerwünschten «Nebengeräusche» heraus. Letztlich werden die Signale von einem patentierten Digitalprozessor ausgewertet. Zusätzliche Digitalschaltungen ermöglichen dabei das Anzeigen der Daten auf dem Display sowie das Ausdrucken.

Schnellere Auswertungen
Auch bei einem Partikelzähler ist der Faktor Zeit entscheidend. Mit der Zeitspanne, in der ein Kubikmeter Luft ausgemessen werden kann, werben denn auch die verschiedenen Anbieter solcher Geräte für ihr Produkt. Das Ansaugvolumen der Zähler war früher vorwiegend bei einem Kubikfuss pro Minute, was 28.3 Liter pro Minute entspricht. Diese Einheit kommt von der amerikanischen Norm «US Federal Standard». Um einen Kubikmeter Luft auszumessen, benötigen solche Geräte also mehr als 35 Minuten Messzeit.

Doch die Entwicklung hat auch vor den Partikelzählern nicht halt gemacht. Auf dem Markt findet man mittlerweile Geräte mit 50, 75 oder 100 Liter Durchflussvolumen pro Minute. Damit kann die Messzeit deutlich reduziert werden, bei einer Probe von 1 Kubikmeter Luft mit einem 100 Liter-Gerät beträgt diese gerade noch 10 Minuten.

Kalibration steht für Qualität
Enorm entscheidend für die Qualität eines Partikelzählers ist dessen Kalibration. Jeder Hersteller hat diesbezüglich seine eigenen Arbeitsanweisungen, wie die Geräte kalibriert und justiert werden sollen. Für die Grössenkalibration werden üblicherweise zertifizierte monodisperse Latexpartikel verwendet. Diese werden zerstäubt und auf die Geräte aufgegeben. Die runden, weissen Kügelchen erzeugen nun eine gausssche Verteilerkurve, deren Lage entscheidend für die Zählgenauigkeit der Partikelzähler ist. Diese Kurve kann sich von Jahr zu Jahr verschieben. Faktoren hierfür können sein: Verschmutzung der Messzelle oder des Detektors, Veränderung der Laserleistung, Durchfluss zu tief oder zu hoch usw.

Der Ablauf einer Kalibrierung von Partikelzähler sollte jeweils in folgenden Schritten durchgeführt werden:
-    Eingangskontrolle (Aufnahme Ist-Zustand, so wurde gemessen)
-    Wartungs- und Instandstellungsarbeiten
-    Justage (Einstellen auf die kleinstmögliche Abweichung)
-    Kalibration bei Ausgang (Vergleichstest der Zähleffizienz)

Um eine optimale Kalibration und Wartung des Partikelzählers zu erreichen, empfiehlt es sich, diesen zur jährlichen Inspektion nur an einen autorisierten Servicepartner zu senden. Denn nur diese offiziellen Kalibrierlabore verfügen auch über die technischen Daten der Messgeräte und kennen die genauen Wartungsabläufe.

Selbstdiagnose
Damit auch im täglichen Einsatz vor Ort jederzeit eine Funktionskontrolle der Geräte durchgeführt werden kann, verfügen viele Partikelzähler über eine integrierte «Selbstdiagnose». Mittels dieser werden der Laser- und der Flow-Status überwacht. Nach einer Kalibration kann beispielsweise durch ein leichtes Finger-schnipsen eine bewusste Verunreinigung produziert werden. Die durch das Schnipsen produzierten Partikel werden durch den Laser erfasst und der Kunde hat gewähr, dass der Zählmodus ordentlich in Betrieb ist. Anschliessend kann mit einem Nullzählfilter ein Systemtest durchgeführt werden. Der Filter wird hierfür am besten direkt am Messschlauch angebracht. Die Luft wird nun über den Filter angesogen und via Schlauch zur Messezelle geführt. Werden keine Partikel gemessen, besteht die Gewissheit, dass sämtliche Elemente rein sind und das Messergebnis nicht durch vorhandene Störfaktoren beeinflusst wird. Grund-sätzlich können solche Funktionskontrollen in beliebigen Abständen wiederholt werden. Auch hier gilt natürlich: Je öfters ein Systemcheck vollzogen wird, desto grösser ist die Sicherheit.

Anwendung von Partikelzähler
Zum Einsatz gelangen Partikelzähler in den unterschiedlichsten Gebieten und Situationen. Im Wesentlichen sind es die Bereiche «Klassifizierungen», «Filtersystem-Integritätstests», «Druckluftmessungen» und «Monitoringsystem».

Reinräume werden für spezielle Fertigungsverfahren – vor allem in der Halbleiterfertigung – benötigt, wo in gewöhnlicher Umgebungsluft befindliche Partikel die Strukturierung integrierter Schaltkreise im Bereich von Bruchteilen eines Mikrometers stören würden. Weitere Anwendungen von Reinräumen oder Reinraum-technik finden sich in der Optik- und Lasertechnologie, der Luft- und Raumfahrttechnik, den Biowissenschaften und der medizinischen Forschung und Behandlung, der Forschung und keimfreien Produktion von Lebensmitteln und Arzneimitteln und in der Nanotechnologie.

Messung an komplizierten Stellen
Für die exakte Ermittlung von Partikeln wird eine isokinetische Sonde verwendet. Die Isokinetik sorgt dafür, dass die Partikel in die Sonde fallen und nicht etwa angesogen werden. Das hat einen simplen Grund: Durch das Ansaugen entstehen Luftwirbel, welche zu Fehlmessungen führen könnten. Die isokinetische Sonde verhindert das und sorgt für äusserst genaue Resultate. Im Normalfall werden runde Sonden verwendet. Deren Durchmesser variiert je nach Ansaugvolumen der Partikelzähler. In der Regel wird die Sonde mittels eines Schlauchs mit dem Messgerät verbunden. Dies hat den Vorteil, dass sie auch an komplizierten, schwer zugänglichen Stellen angebracht werden kann und folglich die Messung nicht durch Mensch oder Maschine gestört bzw. sogar verfälscht wird.

Wichtig hierbei ist aber, dass der Schlauch – im Fachjargon «Hytrelschlauch» genannt – über eine spezielle Beschichtung verfügt. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass im Inneren keine Partikelablagerungen anfallen. Weiter muss die isokinetische Sonde punktuell im Luftstrom positioniert sein. Ist die Richtung des zu prüfenden Luftstromes nicht zu regeln oder voraussehbar – beispielsweise bei einer turbulenten Mischströmung –, muss der Einlass der Probesonde vertikal nach oben gerichtet werden. Ganz grundsätzlich ist der Partikelzähler entsprechend den Anweisungen des Herstellers einzurichten. Abweichungen hiervon, können zu Fehlmessungen führen.

Aber auch der Einsatz eines Hytrelschlauchs hat gewisse Nachteile. Obwohl keine ausführlichen Studien zu dieser Thematik bestehen, kann man aufgrund praktischer Erfahrungen doch davon ausgehen, dass durch den Schlauch Partikel ab einer Grösse von 1.0µm verloren gehen und nicht bis zur Messzelle gelangen. Vermutungen, dass diese Partikel im Schlauch verbleiben und als Fehlmessungen detektiert werden haben sich bislang nicht bestätigt.  Vielmehr geht man davon aus, dass die grösseren Partikel bei der «Übertragung» zertrümmert und als kleine Partikel von der Messezelle erfasst werden.

Klassifizierung der Luftreinheit
Um einen Reinraum betreiben zu können, müssen nach dem Bau und während des Betriebs Partikelmessungen durchgeführt werden. Aufgrund dieser Messungen kann eine Klassifizierung der Luftreinheit für Reinräume und zugehörige Reinraumbereiche vollzogen werden. Geregelt wird sie durch die ISO-Norm 14644-1. Die Norm bezieht sich ausschliesslich auf die Konzentration luftgetragener Partikel. Das eigentliche Element einer Reinraumqualifizierung ist der Messwert und die daraus abgeleitete Aussage, ob der jeweilige Reinraum den Anforderungen entspricht. Gerade in der Pharmabranche sind die entsprechenden Resultate entscheidend für die Sicherstellung des Betriebs. Die anspruchsvollen Anwendungen erfordern stabile Umgebungsbedingungen. Jede Nichteinhaltung der vorgeschriebenen Richtwerte kann beispielsweise zu Produktionsausfällen und damit zu kostspieligen Situationen führen. Aus diesem Grund ist das Prüfverfahren bei einer «Klassifizierung» äusserst umfangreich. Neben einer Zählung der luftgetragenen Partikel werden unter anderem auch die Strömung, der Differenzialdruck der Luft sowie Temperatur und Feuchtigkeit geprüft.

Ein Reinraum wird grundsätzlich so konstruiert, dass die Anzahl luftgetragener Teilchen, die in den Raum eingebracht werden oder dort entstehen, so gering wie möglich ist. Je nach Verwendung wird nur die Partikelanzahl oder auch die Anzahl der Keime überwacht, wie dies unter anderem bei der Herstellung pharmazeutischer Produkte nötig ist. Um die geforderten Bedingungen herzustellen, werden diverse Verfahren angewendet, um zu verhindern, dass unerwünschte Partikel in die Luft gelangen können und um bereits in der Luft befindliche Partikel wieder zu entfernen.

Filtersystem-Integritätstest mittels Partikelzähler
Der Filtersystem-Integritätstest ist ein weiterer Anwendungsbereich von Partikelzählern. Er ist notwendig, um potenzielle Schäden an HEPA- oder ULPA-Filtern zweifelfrei ausschliessen zu können. Das Prinzip des Tests ist relativ komplex: Vor dem Filter wird die Rohluft mit Aerosol belastet. Es erfolgt also eine bewusste Verunreinigung der Luft. Da diese Luft nun eine hohe Konzentration an Partikeln aufweist, wird eine Verdünnungsstufe zwischen Luft und Partikelzähler aufgeschaltet. Solche Systeme sind üblicherweise mit einem Verdünnungsverhältnis 1:100 oder 1:10 erhältlich. Sie ermöglichen es, während des gesamten Tests die Rohluft zu messen. Um ein potentielles Leck ausfinden machen zu können, muss mittels einer Messsonde das gesamte Filtersystem gescannt werden. Vorzugsweise geschieht dies mit einer eckigen Sonde, da eine solche Form – im Gegensatz zu beispielsweise einer runden Sonde – die Messzeit zum Scannen verringert. Wird während dem Vorgang die zulässige Partikelanzahl überschritten, ist dies ein Indiz auf eine mögliche Leckage. Genauer lässt sich dies mit der darauffolgenden lokalen Leckverifizierung feststellen.

Messung von Druckluft mittels Partikelzähler
Spricht man von Reinraumluft, ist wie erwähnt in erster Linie die reine Luft in der Umgebung gemeint. Mit der Druckluft wird jene Luft bezeichnet, die für einen Prozess benötigt wird (beispielsweise Pneumatik oder Steuerluft). Auch hier handelt es sich um Luft, die mit einem Produkt in Kontakt kommen und es verschmutzen kann.

Die Druckluft sollte jedoch nicht direkt mit dem Partikelzähler gemessen werden, weil die Luft die Messzelle des Partikelzählers demolieren oder der Durchfluss des Partikelzählers durch die Druckluft beeinflusst werden könnte. Aus diesem Grund muss zwischen Druckluft und Partikelzähler ein sogenannter Diffuser geschaltet werden. Zur Hilfe dieser Messung kann die Norm ISO 8573 beigezogen werden.

Monitoring
Bisher war bei den Anwendungsbereichen hauptsächlich die Rede von mobilen Partikelzählern. Stationär eingesetzt werden hingegen die Monitoringgeräte. Sie sind kontinuierlich im Einsatz und überwachen bestimmte Vorgänge, wie beispielsweise die Abfüllung von Medikamenten. Meist sind dies äusserst komplexe Systeme, welche die Betreuung durch eine Fachperson verlangen.

Fazit
Ein Partikelzähler ist ein enorm komplexes Messinstrument, mit dem kleinste luftgetragene Teilchen erfasst werden können. Unter den Herstellern gibt es jedoch ebenso enorme qualitative Unterschiede. Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Geräte sind wichtige Kriterien für deren Anschaffung. Weitere absolute Muss-Kriterien sind: Die Partikelzähler sollten einmal jährlich kalibriert werden und der Käufer sollte einen guten Servicepartner zur Seite haben. Wer sich an diese einfachen Grundsätzen hält, wird eine solche Anschaffung denn auch niemals bereuen.

ISO-Norm 21501-4
Die ISO-Norm 21501-4 definiert den Ablauf einer Kalibrierung von Partikelzählern. Der Standard verlangt unter anderem, dass die Zähleffizienz (Mengen-kalibration) ausgewiesen werden muss. Hierbei werden monodisperse Latexpartikel auf das Prüfgerät sowie auf den Referenzpartikelzähler aufgegeben und die beiden Mengen untereinander verglichen. Bei der Grössenauflösung (size resolution) wird anschliessend betrachtet, ob die Partikelzuordnung im kleinsten Kanal richtig erfolgt. Mittels eines Nullzählfilters wird weiter geprüft, ob die Messzelle frei von Partikeln ist. Die ISO-Norm 21501-4 empfiehlt einen jährlichen Kalibrierintervall einzuhalten.