Доктор Ганс Г. Шихт (Hans H. Schiht) окончил Швейцарский федеральный институт технологии, Цюрих, инженер-механик и химик. Более 20 лет занимал инженерные и руководящие должности на фирмах, связанных с промышленным кондиционированием воздуха и техникой чистых помещений в Швейцарии и за ее пределами. С 1991 г. – независимый консультант в области техники чистых помещений и контроля загрязнений. Автор многочисленных статей по контролю загрязнений, руководитель семинаров и лектор во многих странах. Представитель Швейцарии в ИСО/ТК 209 и СЕН/ТК 243, занимающихся стандартизацией по чистым помещениям в мире и Европе. В 1994-2004 гг. выполнял функции исполнительного секретаря Швейцарского общества по контролю загрязнений (SRRT). Является председателем Международной конфедерации обществ по контролю загрязнений (ICCCS) в 1988 – 1990 гг. и президентом SRRT в 1987 – 1994 гг., член Института наук и технологии окружающей среды (IEST, США), почетный член Бразильского общества по контролю загрязнений (SBCC) и один из наиболее известных специалистов в области чистых помещений.
Перевод публикации в журнале Renhets Teknik, 2:2006.
Техника чистых помещений – ключ к решению задач, технологии микро – и наносистем, находящихся на грани между настоящим и будущим. К этим новым областям относятся микроэлектроника и связанные с нею отрасли, фармацевтическая промышленность, биотехнология, производство медицинских изделий и космическая промышленность.
Для новых высоких технологий будущего характерны:
- инженерная реализация экзотических физических и биологических явлений;
- возрастающая роль сверхтонких структур вплоть до молекулярного и атомного уровней;
- создание и использование материалов и технологических сред высшей чистоты;
- расширяющееся и углубляющееся использование возможностей биотехнологии.
Роль техники чистых помещений в решении этих задач состоит в борьбе с частицами и микроорганизмами и, во все возрастающей степени, – с посторонними газовыми включениями в воздухе.
Технологенная цивилизация не может существовать без техники чистых помещений.
Было бы неправильным связывать технику чистых помещений только с наиболее современными технологиями. Она находит все более широкие области применения в промышленности: автомобилестроении, производстве пластмасс, продуктов питания, розливе напитков и космической промышленности. И это лишь краткий перечень. Чистые помещения необходимы в больницах и при проведении научных исследований.
К настоящему времени мировой объем выпуска продукции ушел далеко за отметку 1000 млдр. (1 триллион) Евро в год. Можно без преувеличения сказать, что наша технологическая цивилизация с высоко развитой международной кооперацией и расширяющимися возможностями не может существовать без чистых помещений.
Не смотря на столь широкое применение, техника чистых помещений остается специализированной областью с объемом производства до 11,6 млрд. долларов. Сюда входит все, что относится к чистым помещениям (конструкции, инженерные системы, запасные части, расходные материалы, одежда, обслуживающие системы).
Устойчивый рост реализации продукции, производимой в чистых помещениях, не обязательно связан с аналогичным ростом производств, вложений в сами чистые помещения и рабочие места. В этом плане применение чистых помещений варьируется очень широко.
Существуют три характеристики инвестиционного процесса:
- цикличность;
- потребность в больших первоначальных вложениях для производства нового продукта и динамика инвестиций, которые могут прекращаться или резко сокращаться при насыщении рынка;
- наличие сфер применения с устойчивым ростом в течение длительного времени и, следовательно, постоянным ростом мощности.
Тот, кто хочет занять ведущую роль в прорыве на рынке новых видов продукции, должен быть готов к резкому расширению мощности в течение короткого периода времени. Примером такой продукции является прорыв в производстве плоских экранов. Рост их реализации составляет 100 млрд. долларов в год и в текущем году достигнет 500 млрд. долларов.
В отличии от микросхем экраны имеют большие размеры. Для их производства могут потребоваться здания, занимающие несколько гектаров, а требования к чистоте воздуха в помещениях сравнимы с требованиями электронной промышленности.
Техника чистых помещений и науки о жизни
Отрасли науки и промышленности, связанные с жизнью людей, являются вторым по величине потребителем чистых помещений. Однако характер инвестиций в них существенно отличается. Основными потребителями являются фармацевтическая и биотехнологическая промышленность и производство медицинских изделий.
Эти отрасли связаны в значительной степени со старением населения и ростом потребности в соответствующих продуктах. 75 % лекарственных средств потребляют люди в возрасте старше 65 лет. Мир движется в сторону увеличения продолжительности жизни, и это дает основу для постоянного роста инвестиций.
В прошлом техника чистых помещений была связана почти полностью со стерильным производством. Но теперь, порой в несколько специфических формах, она становится все более важным звеном в цепи мер по обеспечению безопасности при производстве активных субстанций в химической и биотехнологической отраслях, а также при производстве нестерильных лекарственных средств. Расширяется применение техники чистых помещений в индивидуальном приготовлении лекарственных средств по рецептам и производстве малых объемов лекарственных средств в больничных аптеках.
Перспективы развития новых рынков
Новые рынки для чистых помещений могут появиться на стыке разных технологий, микро- и нано-систем, находящихся на пределе возможностей микроэлектроники и микромеханики. Они, повидимому, относятся к наиболее перспективным направлениям. Некоторые структуры имеют настолько малые размеры, что, с учетом квантового эффекта, технология может выйти за пределы традиционной физики. Это направление может открыть совершенно новые перспективы в разработке продукции и ее применении. Индикатором того, что может прийти, являются миниатюрные сенсоры и микроинструменты, уже появившиеся на рынке. Они дали основу для прорыва в области малоинвазийной хирургии, которая является новым шагом в хирургическом лечении и позволяет сократить время пребывания больных в стационаре.
Согласно прогнозу McIlvane рост потребности в чистых помещениях при производстве микро-электромеханических систем составит 45 % в год. Благодаря широкому диапазону возможных областей применения, технология микро- и наносистем является областью, в которой не скоро наступит традиционный для инвестирования циклический период с насыщениями рынка.
Микроэлектроника: частиц не должно быть
Микроэлектроника была и остается движущей силой развития требования к чистоте. Переход от силиконовых пластин с диаметром 200 мм и технологическим размером элементов 0,1 мкм к пластинам с диаметром 300 мм и технологическим размером 0,065 мкм в значительной степени совершен. Большинство строящихся производств пластин ориентированы на новый уровень технологии. Ожидается появление пластин с еще меньшим технологическим размером элементов и диаметром 400 мм.
Для техники чистых помещений это означает, что время, когда в воздухе могли быть частицы, прошло. Их наличие не совместимо с высокотехнологичными микроструктурами. Опасностью номер один является молекулярное загрязнение. В настоящее время риск загрязнений в полупроводниковом производстве связан с:
- эффектом окисления, вызываемом мономолекулярными слоями оксидов на подложке;
- загрязнением примесей в концентрациях ppb (часть на миллиард), например находящихся в воздухе молекул бора.
Это заставляет переносить процессы в инертную среду или в условиях глубокого вакуума. При этом необходимо использование SMIF- технологии.
Изолирующая технология: тенденция или тупик
Изолирующая технология в фармацевтической промышленности аналогична миниокружениям в электронике.
В последние годы ее использование в производстве лекарственных средств резко возросло, причем не только в количественном выражении, но и географически. Европа была лидером в течение длительного периода времени, но с 2000 г. более высокий темп внедрения производственных линий, защищенных изоляторами, стал приходиться на Северную Америку.
Перспективы внедрения изолирующих технологий в мировом масштабе зависят, вероятно, от возможности производителей установок наполнения существенно снизить чувствительность процесса наполнения к остановкам. До тех пор, пока ручные вмешательства в процесс будут более или менее частыми, уровень стерильности будет ограничен. Даже там, где персонал одевается и ведет себя в соответствии с требованиями к нахождению в чистых помещениях, он является сильным источником распространения микроорганизмов (работы Ljungqvist и Reinmuller).
Если вмешательство персонала в технологический процесс практически полностью исключено за счет комплексной автоматизации и других технических мер, то триумфальное шествие изоляторов может быть необратимым. Ведущие эксперты в этой области убеждены, что к 2010 г. изолирующие технологии будут на всех новых предприятиях. Если отпадает необходимость вмешательства человека в процесс, то в асептическом производстве станет более близкой цель полного предотвращения микробного загрязнения через воздух или контакт.
Сможем ли мы тогда поднять требования к асептическому производству до уровня стерильных процессов?
Международная стандартизация: мир становится менее хаотичным
Развитие стандартизации в ближайшие годы предсказать легче, чем перспективы инвестиций. Это объясняется тем, что стандартизация значительно меньше подвержена колебаниям. Немногим более, чем за 10 лет произошел переход о национальной стандартизации к международным стандартам по чистым помещениям. Эта работа проводится в рамках ИСО – Международной организации по стандартизации, при активной поддержке CTN – Европейского комитета по стандартизации. Признанный в мире комплекс стандартов по чистым помещениям включает восемь действующих стандартов и два проекта. Они охватывают наиболее важные вопросы, связанные с проектированием, строительством, приемкой, испытаниями и эксплуатацией чистых помещений и их инфраструктуры. Эти стандарты будут регулярно пересматриваться, и будут добавляться новые темы.
Соответствие нормативным требованиям
К сожалению, прорыв к глобальной гармонизации в области требований GMP, предъявляемых надзорными органами, который можно было бы сравнить со стандартизацией ИСО по технологии чистоты, все еще является добрым пожеланием. По-прежнему доминируют национальные и региональные нормы, которые являются барьерами в торговле.
Международную гармонизацию в этой области могут проводить:
- Международная организация по стандартизации ИСО, располагающая комплексом стандартов ИСО 9000 общего содержания, и ИСО 13485 как их развитием для медицинских изделий;
- Pharmaceutical Inspection Convention, PIC и ее обновленная форма Pharmaceutical Inspection Cooperation Scheme, PIC/S;
- The International Conference on Harmonization of Technical Requirements of Pharmaceuticals for Human Use, ICH.
В недавнем прошлом ICH было издано руководство по GMP для активных фармацевтических субстанций, которое принято в Европейском Союзе, Японии и FDA. Это первый хороший шаг в нужном направлении.
Следует ли ожидать появления в обозримом будущем международного гармонизированного руководства по GMP для готовых лекарственных средств?
Лишь верхушка айсберга
Рассмотренные выше тенденции и шаги в развитии – только верхушка айсберга. Ясно одно: будущее чистых помещений связано с интересными решениями и возможностями.
Благодарность
- McIlvaine R.: $ 11 billion cleanroom hardware and consumables market in 2009. E-mail circular dated 24 January 2006, The McIlvaine Company, Northfield IL/USA.
- Reinmiller Berit, Ljungqvist B.: Modern cleanroom clothing systems – people as a contamination source. PDA Journal of Parenteral Science and Technology 57 (2003) 2, 114-125