Duurzaam en veilig reinigingsproces voor de life sciences-sector

Om het enorme verbruik van hulpbronnen bij het reinigen van medische en farmaceutische producten effectief te verminderen, zijn de materiaaleigenschappen en cytotoxiciteit van de quattroClean-sneeuwstraalreiniging succesvol onderzocht in een samenwerkingsproject. (Beeldbron: Bentley InnoMed) / Toegankelijkheid van materialen en cytotoxiciteit van de quattroClean-sneeuwstraalreiniging werden succesvol onderzocht in een gezamenlijk project om het hulpbronnenverbruik bij het reinigen van medische en farmaceutische producten effectief te verminderen. (Fotocredit: Bentley InnoMed)

Om een zo breed mogelijk toepassingsgebied te dekken, zijn de onderzoeken uitgevoerd met proefstukken van materialen die typisch worden gebruikt in de medische en farmaceutische industrie: roestvrij staal 1.4301, roestvrij staal 1.4305, polyetheretherketon (PEEK), polyether (PE), polyoxymethyleen (POM), nitinol, kobalt-chroom en glazen buisjes. (Foto: Fraunhofer IPA)

In-vitro-cytotoxiciteitstests volgens DIN EN ISO 10993:2009-10 bevestigden dat de CO2-sneeuw geen negatieve invloed heeft op de cellulaire vitaliteit. (Fotocredit: Fraunhofer IPA)

De bij het NMI uitgevoerde foto-elektronenspectroscopische analyses – hier het HRXPS-spectrum van roestvrij staal 1.4301 – bewijzen dat de CO2-sneeuwstraal geen materiaalaantastingen veroorzaakt. (Beeldbron: NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen) / The photoelectron spectroscopic analyses conducted at NMI - in this case the HRXPS spectrum of stainless steel 1.4301 - demonstrate that the CO2 snow jet does not cause any material changes. (Photo credit: NMI Natural and Medical Sciences Institute at the University of Tübingen)

De noodzakelijke oppervlaktereinigheid van medische en farmaceutische producten wordt tijdens de productie doorgaans bereikt met vloeistofgebaseerde reinigingsprocessen, die een enorm gebruik van energie en water vereisen. Om het gebruik van hulpbronnen effectief te verminderen, is in het kader van een door Invest BW gefinancierd samenwerkingsproject met industriële partners en de instituten Fraunhofer IPA en NMI van de Universiteit Tübingen de materiaaleigenschappen van de droge quattroClean-sneeuwstraal-reinigingstechnologie op diverse, producttypische oppervlakken van medische en farmaceutische producten onderzocht. De resultaten van de onderzoeken, die in-vitro-cytotoxiciteitstests en VOC- en SVOC-analyses omvatten, bewijzen de geschiktheid van de reinigingsmethode voor een breed toepassingsgebied. Om de toelatingsprocedures te versoepelen, werd parallel een uitgebreide basisvalidatie uitgevoerd voor toepassingen in de life sciences.

In de productie van medische en farmaceutische producten is een reinigingsproces geschikt wanneer besmettingen veilig worden verwijderd en een product-specifiek gedefinieerd niveau van netheid stabiel wordt bereikt. Tegelijkertijd moet een verandering of beschadiging van het oppervlak van het te reinigen product worden voorkomen. Klassieke, vloeistofgebaseerde reinigingsprocessen voldoen aan deze eisen bij een breed scala aan materialen die in de life sciences worden gebruikt.

Deze ervaringen gelden nog niet in ruime mate voor de droge CO2-sneeuwstraalreinigingsmethode 'quattroClean'. Het doel van het samenwerkingsproject met vijf industriële partners, het Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA en het NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut aan de Universiteit Tübingen was daarom om de principegeschiktheid van de methode voor het reinigen van diverse, medisch- en farmaceutisch typische materialen aan te tonen.

Focus op oppervlakterandementen en cytotoxiciteit

Primair ging het om het bewijs dat de mechanische krachten van de sneeuwkristallen het oppervlak niet veranderen, beïnvloeden of beschadigen. Daarnaast moest worden vastgesteld of de thermische belasting en/of de chemische eigenschappen van het kooldioxide de oppervlakken of de biocompatibiliteit van de materialen beïnvloeden, bijvoorbeeld door het vrijmaken van cytotoxische materiaalcomponenten.

De onderzoeken werden uitgevoerd met proefstukken van roestvrij staal 1.4301 en 1.4305 met verschillende oppervlakteraamheden, evenals van polyetheretherketon (PEEK), polyethyleen (PE), polyoxymethyleen (POM), Nitinol, kobalt-chroom en vials van glas.

Basisvalidatie onder worst-case omstandigheden

Voor de basisvalidatie door het Fraunhofer IPA werden de oppervlakken van de proefstukken in de uitgangstoestand microscopisch onderzocht (met licht- en/of rasterelektronenmicroscopie). De daaropvolgende reiniging vond plaats onder worst-case omstandigheden: de proefstukken werden centraal en aan de rand continu met de CO2-sneeuw met hoge druk van twaalf bar gedurende tien seconden lokaal bestraald.

Evaluatie met betrekking tot oppervlakterandementen

De daaropvolgende microscopische beoordeling van de oppervlakken met behulp van licht- en rasterelektronenmicroscopie toonde geen belemmeringen zoals structuurveranderingen, beschadigingen, veranderingen in de oppervlakteruwheid, afschilferingen, etc. van het oppervlak. Er kon worden vastgesteld dat licht uitstekende bramen aan de rand van de fasen gedeeltelijk werden verwijderd.

Bij glazen vials vormden zich door de reiniging geen scheuren en werd geen uitbreiding van bestaande scheuren waargenomen. Met behulp van een fluorescerend insluitsel kon ook worden aangetoond dat de sneeuwkristallen geen extra spanningen in het glas veroorzaken. Ook leidde de plotselinge koude-inwerking en de daaropvolgende verwarming van de vials tot kamertemperatuur niet tot microcracks.

Beoordeling van de biocompatibiliteit

In-vitro-cytotoxiciteitstests volgens DIN EN ISO 10993-12: 2021-05 en DIN EN ISO 10993-12: 2021-08 bevestigden dat er door de CO2-sneeuw geen negatieve invloeden op de celvitaliteit optreden. De uitgevoerde VOC- en SVOC-analyses volgens ISO 16017-1 gaven Tenax-waarden binnen of onder de meetgrenzen aan.

Materiaalcompatibiliteit bij roestvrij staal

Het NMI heeft de materiaaleigenschappen van de quattroClean-sneeuwstraalreiniging verder onderzocht bij roestvrij staal 1.4301 en 1.4305. De oppervlakken werden voor en na de behandeling met de CO2-sneeuw onderzocht met behulp van foto-elektronenspectroscopie. De vergelijkingen en analyses toonden aan dat de reiniging van het roestvrij staal met deze methode geen materiaaleigenschappen verandert en dat het als materiaalcompatibel kan worden beschouwd.

Geschikte, hulpbronnenefficiënte reiniging voor toepassingen in de life sciences

Door de uitgebreide onderzoeken kon worden aangetoond dat de quattroClean-sneeuwstraaltechnologie geschikt is voor een breed scala aan toepassingen in de medische en farmaceutische industrie als een hulpbronnenefficiënt reinigingsproces. Het betreft een droog reinigingsproces voor vlakke en lokale toepassingen, dat gebruikmaakt van vloeibaar, gerecycled kooldioxide als reinigingsmedium. Het wordt geleid door een onderhoudsvrije tweestoffen-ringdüse en ontspant bij het verlaten tot fijne sneeuwkristallen. Deze worden gebundeld door een aparte, ringvormige persluchtmantelstraal en versneld tot supersonische snelheid. Bij het treffen van de goed te focussen sneeuw-luchtstraal op het te reinigen oppervlak ontstaat een combinatie van thermische, mechanische, oplosmiddel- en sublimatie-effecten, waarop de reinigingswerking is gebaseerd. Wat betreft partiële restcontaminaties worden reproduceerbare niveaus in het sub-micrometerbereik bereikt. Bij filmische verontreinigingen is het reinigingsresultaat vergelijkbaar met dat van andere fijne reinigingsmethoden zoals natchemische en plasmareiniging. Verwijderde contaminaties worden in de compacte reinigingscel afgezogen, waardoor herbesmetting van de onderdelen en vervuiling van de omgeving wordt voorkomen. Omdat het kristallijne kooldioxide tijdens het proces volledig sublimeert, zijn de gereinigde oppervlakken achteraf droog – uitgebreide en energie-intensieve spoel- en droogprocessen komen te vervallen.

Individueel aanpasbaar, geschikt voor cleanroom en integreerbaar in productielijnen

Voor een optimale afstemming van de reinigingsoplossing op de respectievelijke onderdelen, eisen en productiesituatie biedt de fabrikant verschillende modulaire oplossingen en op maat gemaakte systemen, ook in cleanroom-uitvoering, bijvoorbeeld voor high purity-toepassingen. Dit omvat onder andere een media-opwerking voor vloeibaar kooldioxide, die een zuiverheid van 99,995 procent garandeert, en de kwaliteit van de perslucht is 1.2.1. De procesvalidatie en -uitvoering worden klant- en toepassingsspecifiek uitgevoerd door proefnemingen in het cleanroom-gebaseerde technikum van de fabrikant.