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    Originaldokument

    Key Words
    Monitoring
    Umweltsensoren
    Partikelzähler
    Messtechnik
    GMP

    Aufbau moderner Monitoringsysteme
    Reinraum
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    Droid  Signika

    Monitoringsysteme im Reinraum Interpretation und Umsetzung von Normen Risikobasierter Ansatz Aktuelle Technik Technische Möglichkeiten Design von Produkten Projektmanagement Blick in die Zukunft
    Abbildung 1: Beispiel einer möglichen Risikoanalyse (Quelle aller Abbildungen: vali.sys gmbh).
    Michael Müller und Daniel Grüttner-Mierswa · vali.sys gmbh, Wetzikon (Schweiz)

    Korrespondenz:

    Daniel Grüttner-Mierswa, vali.sys gmbh, Hofstrasse 94,
    8620 Wetzikon (Schweiz); e-mail: gruettner@valisys.swiss

    Michael Müller
    Michael Müller ist seit rund 18 Jahren im Bereich der Reinraumtechnik tätig und seit 15 Jahren Inhaber und Geschäftsleiter der vali.sys gmbh in der Schweiz. Das Unternehmen hat sich im Bereich der Reinraumüberwachung mittels Monitoringsystemen spezialisiert. Nebst den üblichen Tätigkeiten in der Geschäftsleitung berät er verschiedenste Kunden bei der Systemplanung und betreut Großprojekte. Als Referent wurde er bereits bei verschiedenen Anlässen engagiert.
    Daniel Grüttner-Mierswa
    Daniel Grüttner-Mierswa ist seit 7 Jahren in der Reinraumbranche tätig. Er verantwortete bei einem Konzern als Key Account Manager EMEA den Geschäftsbereich „Reinraum“ und hat diesen erfolgreich aufgebaut, ehe er im Nov. 2017 die Verkaufsleitung DE für die vali.sys gmbh übernommen hat. Er eignete sich sein Wissen u. a. durch eine Vielzahl von Seminaren und den kontinuierlichen Austausch mit Experten an. Mittlerweile ist er auch selbst als Referent tätig und stets auf der Suche nach innovativen Ideen.

    Zusammenfassung

    Pharmazeutische Produktionsbetriebe stehen vor vielen Herausforderungen. Ein Kernthema ist sicherlich das für den jeweiligen Einsatzzweck optimale Monitoringsystem zu definieren. Normative Richtlinien spielen ebenso eine große Rolle wie der Prozess selbst, das beauftragte Projektteam, die Technik und das Design der Sensorik, als auch der vorausschauende Blick in die Zukunft.

    Monitoringsysteme im Reinraum

    Rein ist nicht gleich rein. Um einen Reinraum gemäß seiner Klassifizierung als „rein“ zu bezeichnen, bedarf es einer professionellen Überwachung. In einem Reinraum gibt es kritische Stellen, i. d. R. Prozesse, die mit einem kontinuierlichen Partikel- und oder Umweltmonitoring überwacht werden müssen. Diese sind mit einem Datenerfassungs- und Auswertsystem sowie einer dazugehörigen Supervisory-Control-and-Data-Acquisition(SCADA)-Software verbunden.

    Verwendet werden v. a. Partikelzähler mit 2–4 Kanälen, die z. B. Partikelgrößen von 0,5–5 μm erfassen. Zusätzlich werden meistens Sensoren zur Erfassung von Temperatur relativer Feuchte, Differenzdruck und Luftgeschwindigkeit an den jeweils zu bestimmenden Orten installiert und anschließend in die Software eingebunden. Die Faustregel besagt, dass pro Raum ein Differenzdrucksensor benötigt wird. Die Temperatur- und relative Feuchtesensoren werden hingegen an für das Produkt kritischen Stellen platziert, weshalb deren Anzahl variiert. Reine Temperatursensoren, meistens PT100-Sensoren, kommen v. a. in Klima-, Heiz- oder Kühlschränken zur Verwendung.

    Sämtliche Messorte werden mittels einer Risikoanalyse sowohl für bestehende als auch neu zu planende Reinraumanlagen bestimmt. Zusätzlich kann mittels eines Mappings bestimmt werden, wo und wie viele Messtellen für die Überwachung der Anlage und ein konformes Monitoring notwendig sind.

    Interpretation und Umsetzung von Normen

    Die steigenden Anforderungen an die Reinräume haben einen Dschungel signifikanter Normen und Guidelines zur Folge.

    Die DIN EN ISO  14644-1 definiert den Reinheitsgrad der Luft, basierend auf der Bestimmung von Grenzwerten für die maximal zulässige Partikelkonzentration pro m3 und der entsprechenden Zuordnung der Reinraumklassen ISO 1 bis 9. Die Reinraumklasse ISO 1 bringt die höchste Luftreinheit im Gegensatz zur ISO-Klasse 9 mit der niedrigsten genormten Luftreinheit.

    Der Good-Manufacturing-Practice(GMP)-Leitfaden definiert hingegen nicht nur die Partikelhöchstwerte in der Luft, sondern auch die Grenzwerte für die mikrobiologische Kontamination und ist somit das Leitwerk für die Pharmaindustrie. Die Einteilung in die entsprechende Reinraumklasse erfolgt hier anhand beider Parameter. Im GMP-Leitfaden werden 4 Reinraumklassen unterschieden: von GMP-A mit den höchsten definierten Anforderungen an Luftreinheit und mikrobiologischen Verunreinigungen über die Klassen B und C bis hin zur Klasse D mit den niedrigsten definierten Grenzwerten. Wichtig hierbei ist, dass die Grenzwerte der Luftreinheit gemäß ISO und GMP nicht 1:1 deckungsgleich sind. Ebenso werden in der Norm wichtige Aspekte zur Planung, zum Betrieb sowie der Kontrolle von pharmazeutischen Reinraumanlagen berücksichtigt.

    Konkrete Anforderungen an die Reinheit der Luft, diverse Oberflächen wie die des Arbeitsplatzes, von Maschinen und Werkzeugen werden in der VDI 2083 Blatt 1 gestellt. Ebenso befasst sich das Blatt 1 mit den Prozessmedien (Gase, Flüssigkeiten, Chemikalien) und mit den Mitarbeitern.

    Die VDI 2083 nimmt stark Bezug auf die ISO 14644-1 und ergänzt diese um weitere Teile des Betriebs. Darin befinden sich auch branchenspezifische Hinweise für die Pharmaindustrie, Life Science oder auch Mikroelektronik. Für das Monitoring ist v. a. das Blatt 3.1 relevant.

    Sämtliche genannten Normen gilt es bei der Konzeption und Integration eines Monitoringsystems zu beachten, damit die relevanten Daten entsprechend erfasst und aufgezeichnet werden können. Nur so können die Anforderungen an den Reinraum nachweislich erfüllt werden.

    Risikobasierter Ansatz

    Eine Risikobewertung (Abb. 1) sollte auf jeden Fall durchgeführt werden, da durch eine solche Analyse das potenzielle Risiko eines Fehlers oder Schadens bereits im Vorfeld auf ein grösstmögliches Minimum oder vertretbares Mass reduziert wird. Die Entscheidungen sollten nachvollziehbar und transparent dokumentiert sein. Laut Annex 11 zum EU-Leitfaden der Guten Herstellungspraxis darf ein computergestützter Prozess, der eine manuelle Tätigkeit übernehmen soll, die Produktqualität, die Prozesskontrolle oder die Qualitätssicherung nicht beeinträchtigen. Daher muss ein computergestützter Prozess verglichen und einer Risikoanalyse unterzogen werden. Ziel ist, die erkannten Risiken zu bewerten und durch geeignete Massnahmen zu minimieren.

    Nach der Risikoanalyse ist vor der Analyse. Ist diese fertig gestellt und das System in Betrieb, bedarf es ggf. von Zeit zu Zeit einer neuen Betrachtung. Sobald es z. B. System- und/oder Prozessänderungen gibt, sollte eine erneute Risikoanalyse durchgeführt werden, um weitere Fehler zu minimieren oder neu erkannte Risiken während des laufenden Betriebs zu bewerten.

    Aktuelle Technik

    Nebst den Partikelzählern werden heutzutage auch alle anderen Formen von Feldsensoren und Fremdsignalen in ein Reinraum-Monitoringsystem eingebunden (Abb. 2). Bei den allgemeinen Feldsensoren handelt es sich i. d. R. um Differenzdrucksensoren, Temperatursensoren, relative Feuchtesensoren und Luftgeschwindigkeitssensoren. In einigen Fällen, z. B. in der Pharmazie, wird zudem ein mikrobiologisches Monitoring verlangt, das auf verschiedene Arten integrierbar ist. Ein manueller Eintrag der Daten in die Software ist nicht zu empfehlen, da es sich dann nicht mehr um valide, manipulationssichere Daten handelt. Die Luftkeimsammler können über die Monitoringsoftware gesteuert sowie ein- und ausgeschaltet werden. Hier wird anhand eines Barcodelesesystems festgehalten, welche Petrischale wie lange und zu welchem Zeitpunkt auf dem Keimsammler lag. Diese Petrischalen werden anschließend ausgebrütet; die so gewonnenen Daten können in der Software der entsprechend gescannten Petrischale wieder zugeteilt werden.

    Die Messwerte von den Feldsensoren werden zum Datenerfassungssystem weitergeleitet, wo sie von analog zu digital umgewandelt und zum übergeordneten Data-Logging-System(DLS)-PC-System gesendet werden. Die Datenerfassungssysteme sind meistens größere Schaltschränke, in denen die Differenzdrucksensoren und die Spannungsversorgung für die restliche Sensorik enthalten ist.

    Die eigentliche Monitoringsoftware mit der kundenspezifischen Applikation ist direkt auf dem DLS-PC installiert. Dabei haben sowohl die SCADA-Software als auch die daraus erstellte Applikation selbstverständlich den Anforderungen aus CFR 21 Part 11 wie GAMP5 zu entsprechen. Die unveränderbare Ereignisaufzeichnung, auch Audit Trail genannt, und die elektronische Datenerfassung (Electronic Records) sind heute unabdingbarer Standard.

    Mit einem modernen und durchdachten Monitoringsystem lassen sich zudem digitale Unterschriften in die erstellten Dokumente einfügen, wodurch der Ausdruck und das manuelle Unterzeichnen der Papiere umgangen werden können. Selbstverständlich sollten klare Unterschriftsberechtigungen zu den einzelnen Dokumenten hinterlegt werden.

    Sowohl in einem bestehenden als auch einem neuen Reinraum besteht zudem die technische Möglichkeit, die Maschinen mit einem Tablet oder mittels Touchbildschirm zu steuern, welche mit dem Monitoringsystem verknüpft sind. Dies bringt den Vorteil, dass im Monitoringsystem aufgezeichnet wird, wann die Produktion gestartet und wann sie beendet wurde. Gleichzeitig können die Vakuumpumpen für die Partikelzähler angesteuert werden.

    Technische Möglichkeiten

    Industrie 4.0 ist mittlerweile in aller Munde. Wie kann diese in bestehende Monitoringsysteme integriert und umgesetzt werden? Ist dies überhaupt möglich?

    Intelligente und digital vernetzte Systeme sind eine technische Grundlage der Industrie 4.0. Ein Monitoringsystem, das zwischen den Sensoren und dem Mitarbeiter kommuniziert, stellt genau ein solches intelligentes und digital vernetztes System dar. An ein Monitoringsystem können mittels digitaler Schnittstellen weitere Komponenten angeschlossen werden, z. B. die Schleusen- und Lüftungssteuerung, ein Zutrittskontrollsystem, Abfüllmaschinen, Lichtanlagen und vieles mehr. Der gesamte Prozess vom Eintritt in die Reinraumschleuse bis zum Beginn der eigentlichen Arbeit kann im Monitoringsystem implementiert werden, welches überwiegend für die Überwachung der Umweltparameter und der Partikelkonzentration in der Luft gedacht ist.

    Je nach Projektstatus gibt es dabei verschiedene Vorgehensweisen. Klar zu empfehlen ist es, das Monitoringsystem nicht als Ergänzung oder notwendige Pflicht zu betrachten, sondern es bereits in der Planungsphase für den Reinraum miteinzubeziehen. Wird es zu Beginn der Planung integriert und werden die weiteren Komponenten, die gesteuert werden sollen, in das Monitoring einbezogen, bekommt ein Pharmaproduzent am Ende ein Steuerungs- und Monitoringsystem für alle gewünschten Abschnitte – und das sicher, valide und reproduzierbar.

    Ein Beispiel:

    Ein Mitarbeiter befindet sich vor der entsprechenden Personalschleuse und verschafft sich kontaktlos Zutritt – mittels Venenscanner (Abb. 3). Über den Venenscan werden Zutrittsberechtigungen abgefragt und ggf. mit dem Schichtplan verglichen. Das Monitoringsystem zeichnet auf, wann die Tür geöffnet wurde, und wie lange sie offen war. Nach dem Umkleideprozedere öffnet der Mitarbeiter über einen weiteren Venenscanner und die im Hintergrund definierten Abfragen und Bestätigungen die automatisch angetriebene Tür zum Reinraum. Ist der Mitarbeiter schließlich an seinem Arbeitsplatz, laufen bereits die notwendigen Systeme und Maschinen, da über die im Venenscan hinterlegten Berechtigungen ein Signal an die entsprechenden Anlagen gesendet wurde. Dies kann auch verzögert geschehen. Hat der Mitarbeiter seine Aufgaben erledigt, begibt er sich zurück zur Schleuse und benutzt den Venenscanner erneut, um die Maschinen auszuschalten und nach einer Erholzeit in den Reinraumstatus „at rest“ zu wechseln.

    Wie bereits erwähnt ist bei einer Planung für eine neue Anlage oder Produktionsumgebung zu beachten, dass das Monitoringsystem von Beginn an mit eingeplant und ganzheitlich betrachtet wird. Hier ist es ratsam, bereits bei Erstellung einer User Requirement Specification (URS) einen Spezialisten für Monitoringsysteme miteinzubeziehen, damit am Ende alle Anforderungen klar und eindeutig und auch aus unterschiedlichen Blickwinkeln definiert sind. Ziel ist es, alle Komponenten zu bestimmen, welche Einfluss auf das Monitoring haben und ggf. bedient werden sollen. Den Trend zu papierlosen Produktionsstätten sollte man nicht außer Acht lassen – aufgrund möglicher Kreuzkontaminationen gerade in Pharmazie.

    Die besten Voraussetzungen für die Integrierung von bestehenden Maschinen und anderen Komponenten in ein Monitoringsystem sind dann vorhanden, wenn das gesamte System so geplant ist, dass eine Erweiterung jederzeit ohne großen Aufwand möglich ist. Folglich ist in der Planungsphase darauf zu achten, dass im Schaltschrank genügend Platzreserven für spätere Erweiterungen vorhanden sind. Ein Schaltschrank sowie die Input/Output(I/O)-Struktur, die ungefähr 20–30 % größer dimensioniert werden sollten als notwendig, ermöglichen später eine kostengünstige und unkompliziertere Erweiterung. Dass der Techniker vor Ort weniger Zeit benötigt, der Schaltschrank nicht durch ein größeres Modell ersetzt werden muss und je nach Umfang immer noch weitere I/O-Module nachgerüstet werden können, sind klare Vorteile. Dies betrifft nicht nur die Integrierung einer Schleusen- oder Maschinensteuerung, sondern auch eine Erweiterung des Monitoringsystems selbst. Wird z. B. ein weiterer Umweltsensor benötigt, kann dieser im Schaltschrank schnell und einfach angeschlossen werden. Dann fehlt nur noch die Anpassung der Software, damit das System mit dem neuen Sensor betriebsbereit ist. In einem sog. Change Control werden die vorherigen Daten festgehalten und es entsteht kein Verlust bereits aufgezeichneter Daten. Dieses Prozedere muss auch bei einem Softwareupdate eingehalten werden. Das bedeutet u. a. eine neue Installationsqualifizierung (IQ) und Funktionsqualifizierung (OQ). Die Sensoren werden dabei kalibriert, qualifiziert und darauf getestet, ob sie mit der „neuen“ Software richtig kommunizieren.

    Design von Produkten

    Design wird als Gestaltung oder Formgebung definiert. Die Reinraumtechnik und besonders pharmazeutische Betriebe achten seit jeher auf das Design von Produktionsequipment sowie auf die Gestaltung der gesamten Räumlichkeiten (Abb. 4), denn Design kann auch praktisch sein. So können etwa durch die richtige Formgebung von Partikelzählern oder Umweltsensoren eine Erleichterung der Reinigungstätigkeiten erzielt, die Oberflächenbeschaffenheit optimiert und somit das Kontaminationsrisiko verringert werden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass das Design nicht ausschließlich im Vordergrund steht. Die Funktionalität und technische Weiterentwicklung sind entscheidende Faktoren und sollten zunächst im Vordergrund stehen. Dazu gehören Funktionen und Handhabung wie z. B. eine berührungslose Bedienung, welche wiederum ihren Beitrag zum Design leistet. Bauteile werden immer kompakter, funktionaler und intuitiver zu bedienen, was den Arbeitskomfort im Reinraum z. T. erheblich steigert. Dabei ist nicht zu vergessen, dass auch bei der Art und Weise, wie etwas verbaut wird (also eben beim Design), immer eine Risikoanalyse dazugehört. In der Detailplanung sollte genügend Zeit investiert werden, um die Anforderungen genau abzuklären und sie mit der Funktionalität in Einklang zu bringen. Zudem sind im Vorfeld Herstellerhinweise, Anweisungen und allgemeine Richtlinien, u. a. zur Montage, zu beachten. Ansonsten heißt es dann: Design top – Funktion Flop.

    Eine neue Formgebung beinhaltet oft auch erweiterte Funktionen. Es gibt bereits Panels, in denen der Differenzdruck-, Temperatur- und Feuchtesensor integriert sind – inklusive einer digitalen Anzeige. Dies spart Platz, Kosten und Zeit bei der Wartung. Gleichzeitig fügt sich ein solches Reinraumpanel optimal in die Umgebung ein und ist dank der Oberflächenbeschaffenheit einfach zu reinigen, was wiederum Zeit und Kosten spart. Nebst dem sichtbaren Design spielt auch das Design im Hintergrund eine entscheidende Rolle. Hat ein Partikelzähler z. B. Power over Ethernet (PoE), verringert sich der Kabelsalat. Ist der Partikelzähler weiterhin noch über einen Web-Server auslesbar, kann dies mittels Tablet im oder auch außerhalb des Reinraums erfolgen, ohne notwendige Festinstallationen und jegliche Störung des betrieblichen Ablaufs.

    Ein weiterer Zusatznutzen in der Betrachtung designtechnischer Aspekte ist sicherlich auch der Werbeeffekt. Hat man einen modernen und durchdacht designten Reinraum, kann man diesen auch als Aushängeschild bewerben und die Kunden (z. B. bei einem Audit) noch ein Stückchen mehr von seiner Kompetenz überzeugen. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Farbgebung des Reinraums, welcher unter dem Aspekt Gestaltung viel zu oft vernachlässigt wird. Ein gelungenes Farbkonzept kann für motiviertere und konzentriertere Mitarbeiter sorgen. Eine optische Aufwertung und eine leichtere Orientierung für Betriebsfremde gehen hiermit einher.

    Projektmanagement

    Teil des Projektmanagements ist es, dafür zu sorgen, dass von Beginn an die richtigen Kompetenzen an den entsprechenden Stellen eingesetzt werden. Häufig herrscht anfangs enthusiastische Begeisterung, die dann in plötzliche Verwirrung wechselt, während ggf. ein Unschuldiger bestraft wird und ein völlig Unbeteiligter die Lorbeeren erhält. Ein Projekt muss von Anfang an optimal strukturiert sein, sodass jeder Beteiligte seine Aufgaben kennt. Eine einwandfreie Kommunikation über die Beteiligten und deren Aufgabenfelder ist unabdingbar – sowohl bei dem Kunden und den Lieferanten als auch in der Projektgruppe selbst.

    Unterstützend wirkt dazu ein optimales Lastenheft, worin bereits alles so detailliert wie möglich enthalten ist. Ein Außenstehender muss von Anfang an alle Anforderungen und Notwendigkeiten identifizieren können. Bei der Einführung in das Projekt sollten die Grunddaten wie Standort, Betreiber und Zielsetzung zu erkennen sein. Eine detailliertere Zusammenfassung des Projektes, eine genaue Beschreibung sowie mitgeltende Dokumente, Vorschriften und Normen sind unverzichtbare Bestandteile. Nach der Schilderung der Ausganssituation (IST-Zustand) folgt die detaillierte Aufgabenstellung mit allen Aspekten und deren Zielsetzung (SOLL-Zustand). Es sollten weitere Eckdaten wie der Zeitplan für ggf. verschiedene Gewerke und die einzelnen Ansprechpartner genannt werden.

    Blick in die Zukunft

    Wer würde schon nicht gerne in die Zukunft blicken können? Machbar ist heute bereits Vieles, was gestern nicht einmal vorstellbar war. Einiges bedarf noch rechtlicher und ethischer Diskussion, z. B. die Überwachung des Reinraumpersonals. Gemeint ist damit die Integrierung und Auswertung von Bewegungsabläufen und Zeitintervallen mittels visueller Endgeräte. Der Mensch ist die größte Kontaminationsquelle im Reinraum, heute jedoch noch nicht gänzlich wegzudenken. Verhaltensverbesserungen in Schulungen über Virtual-Reality(VR)-Techniken sind derzeit in der Startphase. Neuartige Schleusensysteme werden auch in Zukunft die Sicherheit und das Kontaminationsrisiko minimieren.

    Durch die digitale Verknüpfung und Zusammenführung von verschiedenen Systemen werden die Fülle an Daten und die Möglichkeiten bei deren Auswertung steigen (Abb. 5). Das kontaktlose Betreten eines Reinraums und die Vernetzung mit den Betriebsmitteln wie im oben beschriebenen Beispiel wird sich früher oder später durchsetzen.

    Dies bietet Raum für weitere Gedankenexperimente: Was wäre, wenn z. B. die Steuerung oder das einfache Abrufen von Informationen eines Reinraums mittels Sprachsteuerung erfolgen könnte? Alexa, Siri und Co. haben sich im täglichen Leben schon längst durchgesetzt. Wo die Reise hingeht, lässt sich nur mutmaßen. Es bleibt aber spannend und – stellt Pharmaproduzenten vor immer neue Herausforderungen.

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