Аналитические лаборатории, специализирующиеся на высокоточных измерениях, нуждаются в стабильных условиях окружающей среды, поскольку даже незначительные изменения концентрации частиц, температуры или влажности могут повлиять на качество данных, эффективность биоанализов и энергопотребление в чувствительных зонах, таких как помещения для масс-спектрометрии.

В статье рассматриваются ключевые факторы, влияющие на качество лабораторной среды, и объясняется, почему многие предприятия переходят от проведения периодических проверок к использованию непрерывного мониторинга. Также рассматриваются дистанционные счетчики частиц и система мониторинга оборудования (FMS) компании Zetron, освещается роль этих систем в обеспечении соответствия нормативным требованиям, контроле загрязнения и управлении энергопотреблением.

1. Важные факторы, влияющие на качество окружающей среды в аналитических лабораториях.

Высокая чувствительность к субмикронному загрязнению

Аналитические лаборатории, включая лаборатории высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), масс-спектрометрии (МС), установки для культивирования клеток и лаборатории контроля качества фармацевтической продукции, функционируют в условиях чрезвычайно строгих экологических допусков.

В этих областях частицы, находящиеся в воздухе, представляют прямую опасность для целостности данных, поскольку загрязняющие вещества субмикронного диапазона (от 0,1 мкм до 0,5 мкм) легко способны:

▪Вмешательство в деликатную подготовку образцов

▪Вызывает фоновый шум в оптических детекторах

▪Закупорка капиллярных колонок

▪Внедрение катастрофического перекрестного загрязнения в чувствительные биоанализы

Чрезвычайно высокая энергоемкость систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в чистых лабораториях.

Для поддержания такого уровня чистоты необходимо использовать огромное количество энергии. Энергопотребление чистых помещений и лабораторий, подлежащих строгим нормам, может быть в 15-50 раз выше, чем у обычного офисного здания. От 36% до 67% всей энергии, потребляемой зданием, приходится на системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК), и эти системы могут потреблять до 75% электроэнергии при работе с постоянно высокой скоростью воздухообмена и узкими заданными параметрами окружающей среды.

Строгие ограничения по температуре и относительной влажности

Точные аналитические весы, оптические спектрометры и хранение химических реагентов требуют строгих ограничений по температуре и влажности. Отклонение всего на 2 °C или 5% относительной влажности может привести к следующим последствиям:

⚠Ошибки при дозировании жидкости по объему

⚠Дефекты роста эмбрионов в лабораториях ЭКО или культивирования тканей.

⚠Дрейф базовой линии в высокочувствительных электронных датчиках

Каскады перепада давления для сдерживания

Кроме того, для безопасной изоляции необходимы строгие каскады перепада давления. Поддержание положительного или отрицательного градиента давления имеет важное значение и обычно осуществляется следующим образом:

●10–15 Па между занятиями в чистых помещениях

●12,5 Па между цехами обработки и прилегающими коридорами

Таким образом, образуется атмосферный барьер, предотвращающий перекрестное загрязнение между зонами, где обрабатываются опасные биологические материалы, и чистыми аналитическими зонами.

Люди-операторы как основные источники загрязнения

В контролируемых средах основным источником загрязнения воздуха являются люди, поскольку более 80% частиц образуются в результате отшелушивания кожи и движения. Поскольку уровень частиц варьируется в зависимости от количества присутствующих людей и уровня их активности, плановые проверки окружающей среды могут не выявить кратковременные случаи загрязнения, которые легко обнаружить с помощью непрерывного мониторинга.

Недостатки датчиков твердых частиц, основанных на измерении массы.

Стандартные приборы для измерения качества воздуха в помещениях, основанные на определении массы, например, измеряющие PM2.5 или PM10, не могут использоваться для проверки чистоты аналитических чистых помещений. Довольно низкое значение общей массы может легко замаскировать миллионы частиц размером менее одного микрона (0,1–0,5 мкм), представляющих серьезную аналитическую опасность. Именно поэтому в соответствии со стандартом ISO 14644-1 требуется дискретный лазерный подсчет частиц.

Потери энергии из-за чрезмерной вентиляции

Во многих аналитических чистых помещениях чистота поддерживается в изменяющихся условиях за счет непрерывной рециркуляции воздуха на полной скорости со скоростью от 30 до более 100 воздухообменов в час. Непрерывный мониторинг частиц может использоваться для обеспечения фильтрации с регулированием по потребности (DCF), что позволяет зданию снижать вентиляцию в периоды, когда оно не занято, при условии, что данные в реальном времени показывают, что чистота остается в пределах установленных норм.

Заявленная экономия энергии от систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха составляет от 20% до 40%, хотя в некоторых случаях, когда объекты были значительно оптимизированы, была достигнута экономия до 69% при сохранении требуемого уровня чистоты.

2. Ключевые технологии обеспечения качества в аналитических лабораториях

Комплексная система обеспечения качества способна сочетать автоматизированный мониторинг окружающей среды в режиме реального времени с периодическими квалификационными мероприятиями. Дистанционные лазерные датчики частиц в сочетании с централизованным программным обеспечением мониторинга предоставляют руководителям лабораторий непрерывную запись условий окружающей среды. Эта запись полезна для проведения аудитов и позволяет более оперативно контролировать системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК).

2.1 Дистанционный счетчик частиц в воздухе R210 для непрерывного мониторинга

▸Специализированная онлайн-телеметрия частиц

Дистанционный счетчик частиц в воздухе Zetron R210 предназначен для использования в стационарных точках с непрерывным мониторингом в аналитических чистых помещениях, изоляторах и чистых боксах. Он отбирает пробы воздуха со скоростью 0,1 CFM (2,83 л/мин) с помощью оптического лазерного диода и внутреннего вакуумного насоса. Это означает, что можно обеспечить стабильный объемный отбор проб без использования сложных внешних вакуумных коллекторов, хотя интеграция внешнего насоса все еще возможна.

▸Гибкое определение размеров каналов и субмикронное детектирование

Прибор R210 обеспечивает гибкие возможности настройки размера каналов и способен обнаруживать частицы субмикронного размера. Он включает от 2 до 6 регулируемых каналов для частиц и способен улавливать частицы следующих размеров: 0,3 мкм, 0,5 мкм, 1,0 мкм, 2,0 мкм, 3,0 мкм и 5,0 мкм.

В условиях сверхчистых полупроводниковых или наноразмерных исследований специальные версии CLJ-R200 позволяют снизить чувствительность до 0,2 мкм. Кроме того, четкий 2,4-дюймовый OLED-дисплей на самом датчике, а также три отдельных светодиодных индикатора, отображающих состояние питания, связи и измерения, упрощают просмотр локальных данных.

▸Многопротокольная промышленная связь

R210 поддерживает несколько вариантов промышленной связи и вывода:

▸RS485 (Modbus-RTU)

▸Промышленный Ethernet TCP/IP (Modbus-TCP)

▸Стандартный PoE 48 В

▸аналоговый 4-20 мА

▸Двойные релейные контакты

▸Беспроводная связь Wi-Fi и LoRa

▸Конструкция корпуса, устойчивая к дезинфицирующим средствам

Корпус R210 имеет внутреннюю раму из алюминиевого сплава и внешний корпус из нержавеющей стали 316L, предназначенные для регулярной очистки в стерильных лабораторных условиях. В технических характеристиках указано, что корпус может подвергаться частой спороцидной протирке и циклам дезинфекции с использованием парообразной перекиси водорода (VHP).

▸Отбор проб микросреды и сжатого газа

При использовании с газовым диффузором высокого давления Zetron GK-01 или GKQ-01, прибор R210 способен отбирать пробы сжатого воздуха, азота, аргона или CO2 в диапазоне давлений от 0,1 до 1,0 МПа, поскольку диффузор понижает давление газа перед его попаданием в оптическую камеру счетчика частиц.

2.2 R320 Онлайн-счетчик частиц в воздухе для повышения точности данных

▸Высокая скорость потока и быстрое время отклика

Фильтр Zetron R320 имеет скорость отбора проб 1 CFM (28,3 л/мин), что делает его подходящим для использования в ситуациях, когда необходимо быстрее отбирать определенный объем воздуха. Более высокая скорость потока может сократить время, затрачиваемое на мониторинг и квалификационные мероприятия, проводимые в соответствии с ISO 14644-1 или процедурами Приложения 1 GMP ЕС.

▸Широкий динамический диапазон обнаружения

Прибор R320 измеряет частицы в шести размерных каналах, от 0,3 мкм до 10,0 мкм, с помощью оптической лазерной камеры. Операторы могут напрямую взаимодействовать с устройством через встроенный 4-дюймовый цветной сенсорный экран, на котором отображается следующая информация:

✔Графики динамики количества частиц в реальном времени

✔Локализованные пороговые значения тревоги

✔Настройки сети

▸Автоматическое активное управление потоком

В насосе R320 используется электронное измерение расхода для контроля скорости отбора проб, а также регулировка скорости насоса при изменении сопротивления трубок или нагрузки на фильтр. Это обеспечивает поддержание скорости потока 28,3 л/мин и снижает погрешность измерения, возникающую из-за нестабильных условий отбора проб.

▸Прочный пылезащитный и экранированный от электромагнитных помех корпус

Оборудование размещено в прочном, пыленепроницаемом и защищенном от электромагнитных помех промышленном металлическом корпусе. Этот прочный корпус защищает от электромагнитных помех, создаваемых находящимся рядом тяжелым аналитическим оборудованием, таким как ультрацентрифуги и масс-спектрометры.

▸Надежный журнал аудита с памятью на 10 000 записей.

Устройство R320 включает энергонезависимую память для хранения до 10 000 событий и обеспечивает три уровня доступа пользователей: администратор, супервайзер и оператор. Устройство ведет учет системных событий и обеспечивает контролируемый доступ пользователей. Соответствие развертывания требованиям FDA 21 CFR Part 11 зависит от полной конфигурации системы, валидации, рабочих процедур и средств управления данными.

▸Автоматизированная динамическая петля обратной связи системы управления зданием (BMS)

Устройство R320 способно передавать данные о количестве частиц в систему управления зданием (BMS) по протоколу Modbus-TCP или с использованием выходов 4–20 мА. Если задана стратегия управления, она будет увеличивать вентиляцию при повышении количества частиц и уменьшать ее после возвращения помещения в проверенный рабочий диапазон.

2.3 Система онлайн-мониторинга чистой окружающей среды FMS

▸Единая распределенная система управления

Система онлайн-мониторинга Zetron FMS Clean Environment централизует данные из нескольких помещений и параметры окружающей среды, включая:

▪Чистота воздуха

▪Перепады давления

▪Температура и влажность

▪Скорость воздушного потока

▸Пять интегрированных аппаратно-программных модулей

Структура FMS состоит из пяти интегрированных модулей:

●Датчики дистанционного измерения

●Блоки управления вакуумными насосами

●Сетевые шкафы

●Локальное аудиовизуальное тревожное оборудование

●Программное обеспечение для мониторинга SCADA верхнего уровня компьютера

▸Универсальная совместимость датчиков

Система обеспечивает универсальную совместимость датчиков. В дополнение к своей встроенной совместимости с счетчиками частиц Zetron R210, R310 и R320, система FMS напрямую принимает данные от датчиков дифференциального давления DP-25/30R, датчиков температуры/влажности TH-25/30R, измерителей скорости воздуха WS-30R и любых сторонних устройств, передающих стандартный линейный аналоговый сигнал или сигнал Modbus.

▸Избыточная архитектура высокой доступности

Система FMS может быть настроена с использованием клиент-серверной архитектуры, включая резервные компоненты и избыточное хранилище баз данных. Эти функции предназначены для минимизации перебоев в мониторинге и обеспечения защиты записей в случае сбоя оборудования или сети.

▸Автоматизированные протоколы эскалации тревожных сигналов

Если показания параметров окружающей среды превышают заданный пороговый уровень, система FMS активирует локальные звуковые и визуальные сигналы тревоги и отправляет уведомления по SMS, электронной почте или телефону назначенному персоналу.

▸Динамическое интерактивное картографирование чистых помещений

Интерфейс мониторинга позволяет отображать планы помещений с указанием состояния датчиков цветом. Для проверки помещения или датчика пользователи могут выбрать узлы для просмотра:

▸Графики исторических трендов

▸Кривые затухания загрязнения

▸Экспортированные исходные данные (отчеты в формате CSV или Excel, не подлежащие редактированию)

3. Соблюдение нормативных требований и управление рисками качества

Непрерывный мониторинг окружающей среды предоставляет группам контроля качества информацию об изменениях лабораторных условий с указанием точного времени их возникновения. Включение этой информации в валидированную систему контроля качества может использоваться для проведения расследований, оценки рисков и подготовки к аудитам.

Обязательное управление рисками качества (QRM)

Как Приложение 1 к регламенту GMP ЕС, так и стандарт ISO 14644-2 подчеркивают важность контроля загрязнения на основе оценки рисков и использования документированных стратегий мониторинга. Баланс между непрерывным мониторингом и периодическим тестированием должен определяться в рамках процесса управления качеством и рисками предприятия, а также стратегии контроля загрязнения.

Полное соответствие требованиям FDA 21 CFR Part 11

Системы R320 и FMS производства Zetron содержат функции, соответствующие требованиям FDA 21 CFR Part 11, включая доступ на основе ролей, регистрацию событий, журналы аудита и контроль за хранимыми записями. Однако лаборатории все равно потребуется подтвердить работоспособность настроенной системы и разработать процедуры, подтверждающие соответствие требованиям при ее предполагаемом использовании.

ISO 21501-4 Гарантия калибровки

Счетчики R210, R320 и B330 откалиброваны в соответствии со стандартами ISO 21501-4 и JIS B9921 для счетчиков рассеянных частиц. Заявленная эффективность подсчета составляет 50% при 0,3 мкм и 100% при ≥0,5 мкм при условии, что точность расхода остается в пределах строгого допуска ±5%.

Соответствие стандарту ISO 14644-16 в области энергетической устойчивости

Непрерывный мониторинг может помочь в мероприятиях по управлению энергопотреблением, как указано в ISO 14644-16. Исторические данные о частицах и окружающей среде могут помочь предприятию оценить, позволит ли снижение скорости воздухообмена поддерживать требуемый уровень чистоты до утверждения и подтверждения каких-либо изменений в системе управления.

Прогностическая аналитика для немедленного раннего предупреждения

Сочетание данных о перепаде давления и количестве частиц может помочь группам контроля качества выявлять возникающие проблемы, такие как:

⚠Деградация уплотнения HEPA-фильтра

⚠Уплотнение двери протекает.

⚠Снижение давления вентилятора

Эти тенденции позволяют заблаговременно выявить ухудшение ситуации до того, как результат выйдет за рамки допустимых значений.

Автоматизированная отчетность, готовая к аудиту

Программное обеспечение формирует отчеты, соответствующие заданным критериям ISO 14644-1 и EU GMP. Хотя автоматизированная отчетность сокращает время, затрачиваемое на ручную документацию, степень этого сокращения варьируется в зависимости от рабочего процесса предприятия, подхода к валидации и требований к проверке.

4. Сотрудничество с Zetron для обеспечения полного контроля качества и экологической безопасности в лаборатории.

Компания Beijing Zetron Technology поставляет оборудование для экологического мониторинга чистых помещений и аналитических лабораторий, в том числе:

●Датчики частиц в режиме онлайн (R210, R310, R320)

●Переносные счетчики (B330, B1030, B110-PRO)

●Микробиологические пробоотборники воздуха (FSC-IV, MAS-110)

●Высокоточные преобразователи для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (DP-25/30R, TH-25/30R, WS-30R)

Компания Zetron также предлагает инженерные решения и услуги OEM/ODM для сложных лабораторных планировок, в том числе:

▪Изготовленные на заказ коллекторы для отбора проб в чистых помещениях

▪Комплекты для прокладки кабелей в стенах из нержавеющей стали 316L

▪Пользовательские протоколы связи

▪Специализированные газовые диффузоры высокого давления (ГК-01/ГКК-01)

При выборе системы экологического мониторинга необходимо учитывать не только технические характеристики датчиков. Лаборатории также должны обращать внимание на записи о калибровке, используемые материалы, средства контроля целостности данных, требования к интеграции, сервисную поддержку и подтверждение соответствия каждому заявленному нормативному стандарту. Хотя продукция Zetron предлагает надежные варианты централизованного мониторинга, каждую установку следует оценивать и проверять с учетом ее конкретных задач.

Часто задаваемые вопросы

В1: Почему необходимо проводить непрерывный мониторинг окружающей среды в аналитических чистых помещениях?

Периодические проверки могут не выявить кратковременные случаи загрязнения, вызванные перемещением персонала или технологическими процессами. Непрерывные лазерные счетчики частиц обеспечивают измерения с отметкой времени, что помогает группам выявлять такие события, расследовать их причины и вести учет в соответствии с программами ISO 14644 или EU GMP.

В2: Каким образом непрерывный мониторинг частиц снижает затраты на электроэнергию для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в чистых помещениях?

При подключении онлайн-счетчиков частиц к системе управления зданием (BMS) их данные используются для регулирования фильтрации по потребности (DCF). Проверенная стратегия управления может снизить скорость воздухообмена в периоды, когда помещение не занято, при условии, что чистота воздуха остается в допустимых пределах. Заявленная экономия энергии составляет от 20% до 69% в зависимости от объекта и условий эксплуатации.

В3: Какие функции программного обеспечения необходимы для соответствия требованиям FDA 21 CFR Part 11 для чистых помещений?

К функциям, обычно используемым для обеспечения соответствия требованиям FDA 21 CFR Part 11, относятся: доступ на основе ролей, журналы аудита, электронные подписи (где это применимо), безопасное хранение записей и средства контроля, предотвращающие несанкционированные изменения. Соответствие требованиям также требует проверки системы, документированных процедур, обучения пользователей и надлежащего анализа электронных записей.