Er hangt iets in de lucht

Climet Partikelzähler

Kalibratielaboratorium van de CAS

Climet Partikelzähler im Einsatz

Hoofdkantoor van de CAS in Zwitserland

De ontstaan van deeltjes kan niet worden voorkomen. Op de verkeerde plek met de verkeerde concentratie kunnen ze echter desastreuze gevolgen hebben. In ziekenhuizen kunnen ze bijvoorbeeld leiden tot infecties of in de farmaceutische industrie producten besmetten. Dit kan alleen worden voorkomen met geavanceerde meetinstrumenten en een betrouwbare servicepartner die beschikt over jarenlange ervaring op het gebied van deeltjesmeting en die de belangrijkste criteria kent bij de aanschaf van zo'n deeltjesdetector.

De meeste mensen worden niet omgeven door pure lucht. Ze komt in ons dagelijks leven niet voor. Toch is ze onmisbaar geworden in bepaalde gebieden, bijvoorbeeld in de farmaceutische sector of in de gezondheidszorg. Vooral deze sectoren hebben de afgelopen jaren ingrijpend veranderd. Zo zijn in Zwitserland, Duitsland en Oostenrijk nieuwe richtlijnen opgesteld voor ventilatiesystemen in de gezondheidszorg en gecontroleerde omgevingen. Het doel is om de concentratie van zwevende deeltjes in gevoelige gebieden zo laag mogelijk te houden.

We worden allemaal dagelijks omgeven door een groot aantal deeltjes. Een deel daarvan wordt zelfs door de mens zelf geproduceerd. Het volume van deze deeltjes varieert sterk. Ze worden pas met het blote oog zichtbaar vanaf een grootte van ongeveer 50 micrometer (µm), bijvoorbeeld in de vorm van pollen, cementstof of niesdruppels. Bacteriën, die deeltjesgroottes van 0,3 tot 30 µm hebben, zijn op de gebruikelijke wijze niet meer zichtbaar, laat staan de normale buitenluchtverontreiniging (0,01 tot 1), tabaksrook (0,01 tot 0,3) of virussen en eiwitten (0,01 tot 0,1). Dit zijn dimensies die voor ons eigenlijk niet meer voorstelbaar zijn. Om toch een groottevergelijking te krijgen, kan de volgende analogie worden gebruikt: stel je voor dat het volume van de aardbol wordt vergeleken met een tennisbal. Deze verhouding is ongeveer gelijk aan die tussen een deeltje van 1 micrometer diameter en een tennisbal. Zo kunnen we de werkelijke grootte slechts schatten, omdat deze onze verbeeldingskracht te boven gaat. Voor ons dagelijks gebruik is het echter essentieel om zulke deeltjes meetbaar en duidelijk te definiëren.

Aerosolen in het dagelijks gebruik
Aerosolen – kleine deeltjes die overal in de lucht voorkomen – worden tegenwoordig in allerlei gebieden ingezet. Omdat aerosolen zo klein zijn, kunnen ze de ademhalingsfiltersystemen van mensen ongestoord passeren. Via de bronchiën dringen ze, afhankelijk van hun grootte, door tot in de zogenaamde alveoli van de longen en komen daar soms ook in de bloedbaan terecht. Deze eigenschap van aerosolen wordt in de geneeskunde benut: bijvoorbeeld in inhalatiesprays worden werkzame stofdeeltjes gebruikt. Als de deeltjes echter kankerverwekkende stoffen bevatten, is dat uiteraard gevaarlijk voor ons lichaam. Dit is onder andere het geval bij roken of het inademen van uitlaatgassen.

Ook in de landbouw worden aerosolen gebruikt. Ze worden bijvoorbeeld ingezet bij het verstuiven van insecticiden en gewasbeschermingsmiddelen. En in de technische sector – voor lakeringen of kleuringen – of voor privégebruik – in haarlak of schoonmaakmiddelen – zijn ze niet meer weg te denken.

Stof als verstoringsfactor
De deeltjes kunnen echter ook optreden als verstoringsfactoren. In de elektrotechniek, waar chips worden vervaardigd waarvan de geleidende banen slechts enkele tienden van micrometers uit elkaar liggen, kan een stofdeeltje zelfs een kortsluiting veroorzaken. Het is daarom onmisbaar om voor de productie van dergelijke producten een stofvrije werkomgeving te creëren. Hetzelfde geldt in de farmaceutische industrie en de gezondheidszorg. Het is niet voorstelbaar welke infecties door bacteriën of virussen zouden kunnen ontstaan. Omdat micro-organismen niet volledig kunnen worden voorkomen, moet ook hier voor stofvrije lucht worden gezorgd. De techniek die zich bezighoudt met het voorkomen van stofcontaminatie in medische en technische omgevingen heet cleanroomtechniek.

Wat de mens «produceert»
In principe wordt onderscheid gemaakt tussen twee bronnen van aerosolen: natuurlijke aerosolen zoals mist, Sahara-stof, bacteriën, virussen, rook van bosbranden en bloemstof. Of industriële aerosolen zoals emissies uit fabrieken, verkeer of huishoudelijke verbrandingsinstallaties. Ook de mens is een actieve producent van aerosolen. Al zonder specifieke activiteit genereert hij ongeveer 100.000 deeltjes per minuut. Bij lichte bewegingen van het hoofd zijn dat al 500.000 deeltjes en bij lopen stijgt dat aantal tot 5 miljoen. De grote hoeveelheid deeltjes die wordt uitgezonden, is een van de redenen waarom in verschillende sectoren speciale werkkleding verplicht is. Een correcte werkwijze in een zogenoemde cleanroom wordt zelfs getraind via specifieke cursussen om de «verontreiniging» zo minimaal mogelijk te houden.

Hoe de deeltjesdetectors werken
De productie van deeltjes kan niet worden voorkomen. Wat wel belangrijk is – afhankelijk van het toepassingsgebied – is de effectieve concentratie van dergelijke stoffen. Voor een juiste meting worden deeltjesdetectors gebruikt. Het werkingsprincipe van deze apparaten kan worden uitgelegd aan de hand van een eenvoudig voorbeeld: Als je in een donkere schuur staat, waarvan de houten wanden door de zonnestralen worden verlicht, zul je merken dat sommige stralen minder helder lijken dan andere. Deze lichtverschillen worden verklaard door het zwevende stof in de schuur. Een deeltjesdetector werkt volgens een vergelijkbaar principe. Een laserstraal vervangt de zonnestralen en de duisternis in de schuur wordt vervangen door de donkere kamer van de sensor. Met het blote oog is het stof dat door de detector wordt vastgesteld, niet meer zichtbaar. In een cleanroom worden doorgaans deeltjes van 0,3 tot 5,0 µm gemeten. Bij de productie van elektronische apparaten worden soms ook deeltjes met een diameter van 0,1 µm bekeken.

Data-analyse
De werkwijze bij een meting is telkens hetzelfde: in principe zijn de deeltjesdetectors zo ingesteld dat er niets gebeurt zolang er alleen schone lucht door de meetkamer stroomt. Maar wanneer kleine stofdeeltjes de eerder genoemde donkere kamer binnenkomen en de laserstraal passeren, wordt het licht daarvan verstrooid. Meestal produceert een klein deeltje een zwak licht, een groot deeltje een sterk licht. De spiegelkamer reflecteert deze stralen op een fotodetector, die de lichtenergie weer omzet in elektrische signalen.
Als basis voor de uiteindelijke berekening geldt de formule dat het licht evenredig is aan de grootte van het deeltje, net zoals het elektrische signaal evenredig is aan het deeltje. Vervolgens worden verdere data-analyses en evaluaties uitgevoerd. De nauwkeurigheid hiervan hangt uiteindelijk af van de opbouw van de deeltjesdetector. Om deze compleet te maken, worden speciale elektronische circuits toegevoegd, en een versterker ondersteunt het zeer zwakke elektronische signaal. Ook filtert een aanvullend systeem alle ongewenste «storingen» eruit. Uiteindelijk worden de signalen geëvalueerd door een gepatenteerde digitale processor. Extra digitale schakelingen maken het mogelijk om de gegevens op het display weer te geven en af te drukken.

Snellere evaluaties
Ook bij een deeltjesdetector is de factor tijd cruciaal. De tijdsduur waarin een kubieke meter lucht kan worden gemeten, wordt door verschillende fabrikanten van dergelijke apparaten gebruikt om hun product te promoten. Het inlaatvolume van de detectors was vroeger voornamelijk één kubieke voet per minuut, wat overeenkomt met 28,3 liter per minuut. Deze eenheid komt van de Amerikaanse norm «US Federal Standard». Om een kubieke meter lucht te meten, is de meettijd dus meer dan 35 minuten.

De ontwikkeling heeft echter ook niet stilgestaan bij de deeltjesdetectors. Op de markt zijn inmiddels apparaten met een doorstromingsvolume van 50, 75 of 100 liter per minuut verkrijgbaar. Hierdoor kan de meettijd aanzienlijk worden verkort; bij een monster van 1 kubieke meter lucht met een apparaat van 100 liter bedraagt deze slechts 10 minuten.

Kalibratie staat voor kwaliteit
De kalibratie van een deeltjesdetector is van groot belang voor de kwaliteit ervan. Elke fabrikant heeft hiervoor eigen instructies over hoe de apparaten moeten worden gekalibreerd en afgesteld. Voor de grofmazige kalibratie worden doorgaans gecertificeerde monodisperse latexdeeltjes gebruikt. Deze worden verneveld en op het apparaat aangebracht. De ronde, witte bolletjes zorgen voor een Gaussiaanse verdelingscurve, waarvan de ligging bepalend is voor de nauwkeurigheid van de telling. Deze curve kan van jaar tot jaar verschuiven. Factoren die hiervoor kunnen zorgen, zijn onder andere vervuiling van de meetkamer of detector, verandering in laservermogen, te lage of te hoge doorstroom, enzovoort.

Het kalibratieproces van een deeltjesdetector moet telkens in de volgende stappen worden uitgevoerd:
-  Ingangscontrole (vastleggen van de huidige toestand, zoals gemeten)
-  Onderhouds- en reparatiewerkzaamheden
-  Afstelling (instellen op de kleinste afwijking)
-  Kalibratie bij uitgang (vergelijkingstest van de tel-efficiëntie)

Om een optimale kalibratie en onderhoud van de deeltjesdetector te garanderen, wordt aanbevolen om deze jaarlijks te laten inspecteren door een geautoriseerde servicepartner. Alleen deze officiële kalibratielaboratoria beschikken over de technische gegevens van de meetapparatuur en kennen de exacte onderhoudsprocedures.

Zelfdiagnose
Om ook tijdens het dagelijks gebruik ter plaatse een functietest van de apparaten uit te voeren, beschikken veel deeltjesdetectors over een ingebouwde «zelfdiagnose». Hiermee worden de laser- en stromingsstatus gecontroleerd. Na een kalibratie kan bijvoorbeeld door een lichte vingerknip bewust vervuiling worden gesimuleerd. De door het knippen geproduceerde deeltjes worden door de laser vastgelegd en de klant krijgt de garantie dat de telmodus correct in bedrijf is. Vervolgens kan een systeemtest worden uitgevoerd met een nul-telfilter. Het filter wordt hiervoor het beste direct op de meetbuis geplaatst. De lucht wordt via het filter aangezogen en door een slang naar de meetkamer geleid. Als er geen deeltjes worden gemeten, is de zekerheid groot dat alle elementen schoon zijn en dat het meetresultaat niet wordt beïnvloed door aanwezige verstoringen. In principe kunnen dergelijke functietests op elk gewenst moment worden herhaald. Ook hier geldt: hoe vaker een systeemcontrole wordt uitgevoerd, des te groter de zekerheid.

Toepassing van deeltjesdetectors
De deeltjesdetectors worden in de meest uiteenlopende gebieden en situaties ingezet. In essentie gaat het om de sectoren «classificaties», «filterintegriteitstests», «persluchtmetingen» en «monitoringsystemen».

Cleanrooms worden vereist voor speciale fabricageprocessen – vooral in de halfgeleiderproductie – waar stofdeeltjes in de normale omgeving lucht de structuur van geïntegreerde schakelingen in de orde van fracties van een micrometer zouden verstoren. Andere toepassingen van cleanrooms of cleanroomtechniek bevinden zich in de optiek- en laser technologie, de ruimtevaart, de biowetenschappen en medisch onderzoek en behandeling, de voedingsmiddelen- en farmaceutische productie zonder kiemen, en nanotechnologie.

Meting op complexe plaatsen
Voor het nauwkeurig bepalen van deeltjes wordt een isokinetische sonde gebruikt. De isokinetiek zorgt ervoor dat de deeltjes in de sonde vallen en niet worden gezogen. Dit heeft een eenvoudige reden: door het aanzuigen ontstaan luchtwervels die tot foutmetingen kunnen leiden. De isokinetische sonde voorkomt dit en zorgt voor uiterst nauwkeurige resultaten. Meestal worden ronde sondes gebruikt. De diameter varieert afhankelijk van het inlaatvolume van de deeltjesdetector. Gewoonlijk wordt de sonde via een slang verbonden met het meetinstrument. Dit heeft als voordeel dat ze ook op moeilijk bereikbare plaatsen kan worden aangebracht en dat de meting niet wordt verstoord of vervalst door mens of machine.

Het is echter belangrijk dat de slang – in vakjargon «Hytrechslang» genoemd – is voorzien van een speciale coating. Deze wordt gekenmerkt door het feit dat er binnenin geen deeltjesafzettingen ontstaan. Verder moet de isokinetische sonde puntsgewijs in de luchtstroom worden geplaatst. Als de richting van de te testen luchtstroom niet te regelen of te voorspellen is – bijvoorbeeld bij turbulente mengstromingen – moet de inlaat van de proefsonde verticaal omhoog gericht worden. In principe moet de deeltjesdetector volgens de instructies van de fabrikant worden ingesteld. Afwijkingen hiervan kunnen leiden tot foutmetingen.

Ook het gebruik van een Hytrechslang heeft enkele nadelen. Hoewel er geen uitgebreide studies over deze kwestie bestaan, kan men op basis van praktische ervaringen aannemen dat door de slang deeltjes van 1,0 µm of groter verloren gaan en niet tot in de meetkamer komen. Geruchten dat deze deeltjes in de slang blijven hangen en als foutmetingen worden gedetecteerd, zijn tot nu toe niet bevestigd. Men gaat er eerder vanuit dat de grotere deeltjes tijdens de «overdracht» worden verbrijzeld en als kleinere deeltjes door de meetkamer worden geregistreerd.

Classificatie van de luchtzuiverheid
Om een cleanroom te kunnen gebruiken, moeten na de bouw en tijdens de werking deeltjesmetingen worden uitgevoerd. Op basis van deze metingen kan een classificatie van de luchtzuiverheid voor cleanrooms en bijbehorende cleanroomgebieden worden vastgesteld. Deze wordt geregeld door de ISO-norm 14644-1. De norm richt zich uitsluitend op de concentratie zwevende deeltjes in de lucht. Het belangrijkste element van een cleanroomkwalificatie is de meetwaarde en de daaruit afgeleide uitspraak of de betreffende cleanroom aan de eisen voldoet. Vooral in de farmaceutische sector zijn de juiste resultaten bepalend voor de bedrijfszekerheid. De veeleisende toepassingen vereisen stabiele omgevingsomstandigheden. Elke niet-naleving van de voorgeschreven richtlijnen kan bijvoorbeeld leiden tot productiestilstanden en daarmee tot kostbare situaties. Daarom is het testproces bij een «classificatie» uiterst uitgebreid. Naast het tellen van zwevende deeltjes worden onder andere ook de stroming, het differentiaaldrukverschil, temperatuur en vochtigheid gecontroleerd.

Een cleanroom wordt in principe zo ontworpen dat het aantal zwevende deeltjes dat in de ruimte wordt gebracht of daar ontstaat, zo laag mogelijk is. Afhankelijk van het gebruik wordt alleen het aantal deeltjes of ook het aantal kiemen bewaakt, zoals bijvoorbeeld bij de productie van farmaceutische producten. Om aan de gestelde voorwaarden te voldoen, worden diverse methoden toegepast om te voorkomen dat ongewenste deeltjes in de lucht komen en om reeds in de lucht aanwezige deeltjes te verwijderen.

Filterintegriteitstest met deeltjesdetectors
De filterintegriteitstest is een andere toepassing van deeltjesdetectors. Deze is nodig om mogelijke schade aan HEPA- of ULPA-filters zonder twijfel uit te sluiten. Het principe van de test is relatief complex: voor het filter wordt de ruwe lucht met aerosol belast. Er wordt dus bewust verontreiniging van de lucht aangebracht. Omdat deze lucht een hoge concentratie deeltjes bevat, wordt een verdunningsstap tussen lucht en deeltjesdetector ingeschakeld. Zulke systemen zijn doorgaans verkrijgbaar met een verdunningsverhouding van 1:100 of 1:10. Ze maken het mogelijk om tijdens de hele test de ruwe lucht te meten. Om een mogelijke lekkage te detecteren, moet het gehele filtersysteem worden gescand met een meetsonde. Bij voorkeur gebeurt dit met een vierkante sonde, omdat deze – in tegenstelling tot bijvoorbeeld een ronde sonde – de meettijd voor het scannen verkort. Als tijdens de procedure de toegestane hoeveelheid deeltjes wordt overschreden, wijst dat op een mogelijke lekkage. Dit kan nader worden bevestigd door een lokale lekcontrole.

Meting van perslucht met deeltjesdetectors
Als men spreekt over cleanroomlucht, wordt in de eerste plaats de pure omgevingslucht bedoeld. Met perslucht wordt de lucht bedoeld die voor een proces wordt gebruikt (bijvoorbeeld pneumatiek of besturingslucht). Ook hier gaat het om lucht die in contact kan komen met een product en het kan vervuilen.

De perslucht mag echter niet rechtstreeks met de deeltjesdetector worden gemeten, omdat de lucht de meetkamer van de detector kan beschadigen of de doorstroming van de detector kan beïnvloeden. Daarom moet tussen perslucht en deeltjesdetector een zogenaamde diffuser worden geplaatst. Voor deze meting kan de norm ISO 8573 worden geraadpleegd.

Monitoring
Tot nu toe werd vooral gesproken over mobiele deeltjesdetectors. Stationair worden daarentegen de monitoringsystemen gebruikt. Ze worden continu ingezet en bewaken bepaalde processen, zoals de afvulling van medicijnen. Dit zijn meestal uiterst complexe systemen die door een vakman moeten worden bediend.

Conclusie
Een deeltjesdetector is een uiterst complex meetinstrument waarmee de kleinste zwevende deeltjes in de lucht kunnen worden vastgelegd. Onder fabrikanten bestaan echter grote kwalitatieve verschillen. De nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de apparaten zijn belangrijke criteria bij de aanschaf. Andere absolute must-criteria zijn: de deeltjesdetectors moeten jaarlijks worden gekalibreerd en de koper moet over een goede servicepartner beschikken. Wie zich aan deze eenvoudige basisprincipes houdt, zal zo'n aanschaf nooit betreuren.

ISO-norm 21501-4
De ISO-norm 21501-4 beschrijft de procedure voor de kalibratie van deeltjesdetectors. De norm vereist onder andere dat de tel-efficiëntie (hoeveelheidskalibratie) moet worden aangegeven. Hierbij worden monodisperse latexdeeltjes op het testapparaat en op de referentie-deeltjesdetector aangebracht en worden de twee hoeveelheden met elkaar vergeleken. Bij de grootte-onderscheidingsfunctie (size resolution) wordt vervolgens gecontroleerd of de toewijzing van de deeltjes in de kleinste kanaal correct gebeurt. Met een nul-telfilter wordt verder gecontroleerd of de meetkamer vrij is van deeltjes. De ISO-norm 21501-4 beveelt aan om jaarlijks te kalibreren.