Walidacja czystości produktów krytycznych pod względem zanieczyszczeń

czysty_pokój_IPA_strona_www

Obraz 1: Przedstawienie zapotrzebowania na badania krytycznych parametrów zanieczyszczeń w branżach przemysłowych produkujących w warunkach czystego pomieszczenia [2].

Obraz 2:
Przegląd rynków, które w produkcji stawiają na czystość [3].

Obraz 3: Przegląd krytycznych skażeń na powierzchniach produktów.

Obraz 4: Nagranie REM powierzchni z mieszanym skażeniem (filmowym i cząsteczkowym).

Obraz 5: Procedura weryfikacji stanu czystości produktów.

Obraz 6: Przegląd możliwych metod analizy.

Obraz 7: Krytyczne rozmiary cząstek dla elementów funkcjonalnych i systemów [6].

Obraz 8: Uszkodzony tłok (po lewej) i cylinder (po prawej). Przyczyną awarii było długotrwałe wtryskiwanie spowodowane przez cząstkę o rozmiarze kilku mikrometrów.

Obraz 9: Analiza czystości według VDA 19: Przegląd metod [7].

Obraz 10: Wartości czystości podczas pomiaru wygaśnięcia.

Obraz 11: Zdjęcie BREM przedstawiające zanieczyszczenie na membranie filtracyjnej.

Obraz 12: Ilościowe wyniki analizy czystości produktu medycznego.

Obraz 13: Procedura walidacji czyszczenia.

Obraz 14: Ustawienie progu dla analizy mikroskopowej automatycznego zliczania cząstek.

Obraz 15: Czyszczenie śniegu CO2 (z lewej), zintegrowane w czystym pomieszczeniu w ESTEC, Noordwijk (z prawej).

Obraz 16: Wydajność czyszczenia metodą strumienia śniegu z CO₂ dla cząstek na wybranej powierzchni

W przypadku wielu innowacyjnych produktów odgrywa kluczową rolę kontrola kontaminacji. Pomimo stosowania najnowocześniejszej technologii czystych pomieszczeń, krytyczne kontaminacje w produkcji masowej nie mogą być całkowicie wykluczone. Dlatego czystość produktów krytycznych pod względem kontaminacji musi być nieustannie monitorowana i walidowana.

Wiedza o znaczeniu czystości jest bardzo stara: Już w starożytności, na przykład w Rzymie, było wiadomo, że poprzez kwarantannę i mycie rąk, czyli podstawowe środki higieniczne, można zapobiec rozprzestrzenianiu się chorób zakaźnych. W XIX wieku te pierwsze zasady czystości zostały ponownie podjęte przez lekarzy takich jak Semmelweis i Lister, którzy naukowo udowodnili, że stosując metody dezynfekcji, np. rąk, narzędzi chirurgicznych i powierzchni, można drastycznie obniżyć wskaźnik infekcji i śmiertelności wśród pacjentów. Ich praca przyczyniła się do uznania zagrożeń „niewidzialnych” kontaminacji i opracowania środków do ich celowej kontroli.

Na początku ta wiedza była głównie stosowana w medycynie, aby chronić i zachować zdrowie pacjentów. Jednak już w pierwszej połowie XX wieku zasada kontroli kontaminacji zaczęła być stosowana także w produkcji produktów krytycznych pod względem czystości, początkowo w produkcji układów scalonych w przemyśle półprzewodnikowym, a obecnie także w różnych innych produktach wysokotechnologicznych, takich jak monitory płaskie, dyski twarde, moduły fotowoltaiczne, farmaceutyki, sprzęt medyczny i systemy motoryzacyjne. Ta lista może być niemal nieograniczona i pokazuje codziennie rosnące i coraz bardziej zróżnicowane obszary zastosowań, w których czystość odgrywa decydującą rolę [1].

Wymagania dotyczące czystości

Różnorodność branżowych zastosowań krytycznych pod względem czystości powoduje powstanie różnych wymagań dotyczących czystości, zwłaszcza w odniesieniu do krytycznych rodzajów kontaminacji, które mogą pochodzić z procesu produkcyjnego lub innych scenariuszy przenoszenia. Kontrolę tych kontaminacji należy przeprowadzać głównie ze względu na ich szkodliwy wpływ na produkt. Obecnie w branżach nauk przyrodniczych, takich jak przemysł farmaceutyczny, głównym celem jest ochrona ludzi przed niebezpiecznymi kontaminacjami.

Badanie rynku przeprowadzone w 2003 roku przez Fraunhofer IPA wskazuje na krytyczne kontaminacje z największym potencjałem szkodliwym dla produktów (rysunek 1): na pierwszym miejscu znajdują się cząstki, następnie produkty odgazowania („Airborne Molecular Contamination AMC”) i zjawiska wyładowań elektrostatycznych („Electrostatic Discharge ESD”).

Aby zredukować te kontaminacje do poziomu niekrytycznego, akceptowalnego dla produktu, tworzone są czyste środowiska produkcyjne. Tak zwane czyste pomieszczenia są w dużej mierze tworzone przez stałą cyrkulację powietrza połączoną z filtracją i wymianą powietrza (rysunek 2).

Pomimo stosowania najnowocześniejszej technologii czystych pomieszczeń, w produkcji masowej nie można całkowicie wykluczyć krytycznych kontaminacji: personel, sprzęt procesowy i media procesowe mogą wprowadzać kontaminacje do środowiska produkcyjnego i rozprowadzać je w sposób niekontrolowany [4], [5].

Dlatego czystość krytycznych produktów musi być nieustannie monitorowana i walidowana, szczególnie pod kątem kontaminacji cząsteczkowych i filmowych na powierzchniach produktów (rysunek 3). Kontaminacje cząsteczkowe i filmowe rzadko występują w formie czystej, najczęściej są to mieszane formy (rysunek 4).

Walidacja czystości

Idealnie, oznaczenie zanieczyszczeń powinno być przeprowadzane bezpośrednio na badanym produkcie, aby uniknąć strat związanych z pobieraniem próbek i ryzyka kontaminacji krzyżowej. Jednak bezpośrednia inspekcja powierzchni w całości jest często niemożliwa ze względu na geometrię elementów i strukturę powierzchni. Dlatego stosuje się różne metody ekstrakcji, które pozwalają na pobranie kontaminacji z powierzchni próbki (rysunek 5).

Po tym można, w zależności od potrzeb, zastosować odpowiednie metody analizy, które pozwalają na specyficzne wykrycie kontaminacji (rysunek 6).

Techniczna czystość w przemyśle motoryzacyjnym

Obecny rozwój bardziej oszczędnych i innowacyjnych technologii pojazdów od około dziesięciu lat konfrontuje przemysł motoryzacyjny z poważnym problemem jakościowym: nawet najmniejsze ilości krytycznych cząstek w zakresie mikrometrów mogą powodować błędy i awarie systemów (rysunki 7 i 8).

Dlatego w celu uniknięcia krytycznych błędów ustala się umowy jakościowe dotyczące maksymalnego poziomu pozostałych zanieczyszczeń w komponentach. Z tym związana jest również kontrola i walidacja ustalonych limitów czystości dla elementów.

W przemyśle motoryzacyjnym przyjęto metodę określania ilościowego cząstek na elementach zgodnie z VDA 19 lub ISO 16232 (rysunek 9): zanieczyszczenia na powierzchni elementu są usuwane za pomocą różnych metod ekstrakcji (ultradźwięki, strzykawki, płukanie, potrząsanie) i przenoszone na membranę filtracyjną, którą następnie można poddać analizie przy użyciu różnych metod w zależności od potrzeb (np. wielkości, materiału) [7].

Pomiar zaniku i kryterium wartości ślepej

Specjalną procedurą jest tutaj weryfikacja odpowiedniości wybranych parametrów ekstrakcji. W tym celu przeprowadza się tzw. badanie kwalifikacyjne (zwane również pomiarem zaniku), podczas którego ten sam element jest wielokrotnie badany, aby sprawdzić, czy wszystkie istotne cząstki zostały usunięte z powierzchni elementu przy użyciu wybranych parametrów ekstrakcji, takich jak czas, przepływ objętości czy moc ultradźwięków. Parametry uznaje się za odpowiednie, gdy 90% cząstek zostanie usuniętych (kryterium zaniku, rysunek 10).

Kolejnym czynnikiem do rozważenia jest spełnienie kryterium wartości ślepej przed rozpoczęciem właściwej analizy czystości: aby potwierdzić zdolność pomiarową używanego sprzętu, przeprowadza się analizę czystości bez elementu. Ilość wyekstrahowanych cząstek nie powinna przekraczać 10% ilości cząstek oczekiwanych podczas właściwej analizy, aby uzyskać wiarygodny wynik bez zakłóceń spowodowanych zanieczyszczeniem sprzętu (rysunek 11).

Przeniesienie metodyki

Chociaż idea czystości jest od dziesięcioleci głęboko zakorzeniona w technice medycznej i jest wiążąco określona w odpowiednich krajowych i międzynarodowych normach, nadal występują problemy wynikające z braku higieny lub czystości. W ciągu ostatnich dziesięciu lat od 2001 roku odnotowano 243 wycofania produktów medycznych przez FDA (Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków), z czego 64 (ok. 26%) z powodu zanieczyszczeń, a tendencja ta rośnie [8]. Wynika to m.in. z metody, w jakiej przeprowadza się kontrolę czystości produktów, instrumentów lub innych powierzchni w środowisku medycznym.

Na przykład w przypadku oznaczania biobójczości produktów medycznych zgodnie z ISO 11737-1, przeprowadza się ekstrakcję kontaminacji specyficzną dla danego elementu, jednak skuteczność pobierania próbek nie jest weryfikowana. W tym miejscu można zaadaptować metodę VDA 19, która sprawdza odpowiednie metody ekstrakcji dla danego elementu wraz z użytymi parametrami (rysunek 12). Ta procedura zapewnia uzyskanie wyników o wysokiej wiarygodności ilościowej.

Innym ważnym aspektem w dążeniu do wiarygodnych wyników czystości jest zatrudnienie wykwalifikowanego personelu z odpowiednią wiedzą fachową, aby wykluczyć błędne wyniki spowodowane krzyżową kontaminacją wynikającą z ewentualnych błędów personelu kontrolnego.

Walidacja procesów czyszczenia w celu oceny metod czyszczenia

Jeśli stan czystości produktu jest niewystarczający, konieczne może być przeprowadzenie czyszczenia jako celowego usunięcia kontaminacji. Aby móc wybrać odpowiednią metodę czyszczenia, ważne jest wcześniejsze ilościowe i porównawcze określenie skuteczności metod czyszczenia.

Metody walidacji czystości mogą być również wykorzystywane do oceny metod czyszczenia lub walidacji procesu czyszczenia. Pomiar skuteczności czyszczenia odbywa się przez porównanie stanu czystości próbki przed i po czyszczeniu (rysunek 13).

Ocena i wybór wysoce precyzyjnych metod czyszczenia dla przemysłu kosmicznego

Postępy technologiczne w dziedzinie kosmicznej towarzyszą nam niepostrzeżenie i są nieodłącznie związane z codziennym życiem: nowoczesne systemy nawigacji, telekomunikacja, prognozy pogody i klimatu, aby wymienić tylko kilka przykładów, bez satelitów z dziedziny kosmosu nie byłyby możliwe. Wymagania dotyczące trwałości, niezawodności i wydajności satelitów i statków kosmicznych, które muszą funkcjonować w ekstremalnych warunkach przestrzeni kosmicznej, można zapewnić tylko przy użyciu najnowocześniejszej technologii czyszczenia i czystych pomieszczeń.

Oprócz zwiększania wydajności i niezawodności, konieczne jest również spełnianie międzynarodowo ratyfikowanych wymagań w ramach „Planetary Protection” (Ochrona Planetarna): zgodnie z nimi, formy życia ziemskie (np. mikroorganizmy, bakterie i zarodniki) nie mogą przedostać się z Ziemi do przestrzeni kosmicznej. Ma to na celu niezakłócanie ewolucji i niezakłócanie wyników pomiarów, np. podczas poszukiwań pozaziemskich form życia.

Aby spełnić wysokie wymagania dotyczące czystości cząsteczkowej i filmowej dla komponentów statków kosmicznych, takich jak planowany na ESA ExoMars Rover, konieczne jest uprzednie sprawdzenie przydatności wybranych metod czyszczenia. Aby przeprowadzić taką walidację wiarygodnie, wszystkie próby muszą być przeprowadzane w środowisku quasi-bezkontaminacyjnym, kontrolowanym pod kątem AMC i cząstek (klasa ISO 1 wg ISO 14644-1). Jednocześnie stosuje się ślady kontaminacji, które nie pochodzą z otoczenia próbki, co zapewnia ochronę przed błędnymi interpretacjami wynikającymi z krzyżowej kontaminacji.

Aby zastosować opisany na rysunku 13 schemat walidacji czystości w odniesieniu do kontaminacji cząsteczkowych i filmowych, konieczne jest posiadanie odpowiednich metod analizy, które jednoznacznie i ilościowo wykryją poszczególne kontaminanty. Cząstki na powierzchniach, które mają wystarczający kontrast materiałowy w stosunku do powierzchni, mogą być automatycznie wyodrębnione za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM). Próg w obrazowaniu ustala się na podstawie wartości szarości, tak aby obiekty na powierzchni były liczone jako cząstki (rysunek 14). W przypadku organicznych kontaminacji filmowych można się odwołać do chromatografii gazowej połączonej z spektrometrią mas (TD-GC/MS).

Zgodnie z podejściem przedstawionym na rysunku 14, do czyszczenia komponentów kosmicznych z użyciem strumienia śniegu z CO2, wykorzystano powierzchnie zastępcze. Ta metoda jest szczególnie obiecująca dla przemysłu kosmicznego, ponieważ może skutecznie usunąć zarówno cząstki (biotyczne i abiotyczne), jak i organiczne kontaminacje filmowe (rysunek 15).

Walidacja czystości metodą strumienia śniegu z CO2 potwierdziła ich przydatność do spełniania wysokich wymagań czystości w przestrzeni kosmicznej. Przykładowe wyniki skuteczności czyszczenia cząstek przedstawiono na rysunku 16.

Ta metoda może być również stosowana do oceny skuteczności innych metod czyszczenia i umożliwia porównanie różnych metod w celu wstępnej oceny i wyboru najbardziej odpowiedniej. Oczywiście, podejście to nie jest ograniczone do przemysłu kosmicznego: również w branżach takich jak farmaceutyka i sprzęt medyczny można celowo porównywać i wybierać metody czyszczenia.

Literatura

[1] L. Gail, U. Gommel, H.-P. Hortig: Technika czystych pomieszczeń, 3. wydanie, Springer, Berlin, Heidelberg, 2012.

[2] U. Gommel, Metodyka określania przydatności materiałów do czystych pomieszczeń (ang. A method for determining the cleanroom suitability of material pairings), Jost-Jetter, Heimsheim 2006.

[3] The McIlvaine Company: World Cleanroom Markets Online Report, 2005.

[4] U. Gommel, G. Kreck, Y. Holzapfel: Dostosowane czyste pomieszczenia i sprzęt produkcyjny odpowiedni do czystości: Industrial Alliance „Cleanroom Suitable Materials CSM”, VCCN Cleanroom Symposium 2012.

[5] Związek Przemysłu Motoryzacyjnego (VDA): Tom 19.2 Techniczna czystość w montażu – otoczenie, logistyka, personel i urządzenia montażowe, 1. wydanie, 2010.

[6] Rochowicz, M.: Wyzwania przyszłości. Seminarium: Techniczna czystość dla inżynierów i konstruktorów, Stuttgart, 2010.

[7] Związek Przemysłu Motoryzacyjnego (VDA): Tom 19. Badanie technicznej czystości – cząstki zanieczyszczające funkcjonalnie istotne części samochodowe, 1. wydanie, 2004. FDA: Wycofanie produktów medycznych. URL: http://www.fda.gov/MedicalDevices/Safety/RecallsCorrectionsRemovalR/ListofRecalls/default.htm; dostęp 04.06.2012.

__________________________________________________

Guido Kreck jest inżynierem dyplomowanym i referentem seminarium „Produkcja w warunkach czystych”. Pracuje w Fraunhofer IPA w dziale Reinstalacji i Mikroprodukcji, zajmując się optymalizacją i certyfikacją sprzętu do czystych pomieszczeń oraz w zakresie walidacji czystości.

Yvonne Holzapfel jest trenerką/ekspertką VDA Tom 19 „Badanie technicznej czystości”. Pracuje w Fraunhofer IPA w dziale Reinstalacji i Mikroprodukcji, kierując laboratorium technicznej czystości.
__________________________________________________