Optischer Sensor arbeitet ohne Prüfgas

Die Qualität und Wirksamkeit von Medikamenten hängt entscheidend mit ihrer Verpackung zusammen. Nach ersten Ansätzen für die Prüfung der Integrität der Dichtheit von Verpackungen in den 1980er-Jahren, wurde in den 1990er-Jahren eine umfangreiche Liste verschiedener physikalisch-chemischer und mikrobiologischer Testmethoden für die Überprüfung der Verpackungsdichtheit erstellt. Der Bericht enthielt auch die Empfehlung, eine physikalisch-chemische Methode anhand eines direkten Vergleichs mit einer mikrobiologischen Eindringprüfung zu validieren. Mikrobiologische Eindringprüfungen sind probabilistische Testmethoden, die auf einer Anzahl aufeinanderfolgender oder gleichzeitiger Ereignisse basieren, von denen jedes zufällige Ergebnisse liefert. Diese Ergebnisse sind mit Unsicherheiten behaftet, die eine hohe Anzahl an Experimenten und eine präzise Überwachung der experimentellen Parameter erfordern. Eine mikrobiologische Eindringprüfung kann sehr empfindlich sein und Leckkanäle mit den Abmessungen eines einzelnen Mikroorganismus aufspüren. Klinische Studien haben jedoch nachgewiesen, dass diese Art der Prüfung auch Lecks übersehen kann. Demnach ist die Anwendung einer deterministischen Prüfmethode empfehlenswert. Hier basieren die Messungen auf einer vorhersagbaren Kette von Ereignissen. Eine Form der deterministischen Prüfmethoden ist die Helium-Lecksuche.

Die Helium-Lecksuche an hermetisch dichten Objekten wie pharmazeutischen Verpackungen erfordert eine spezielle Vorbereitung der Verpackung mit Zugabe des Prüfgases Helium. Helium kann mit verschiedenen Verfahren in die Packung eingebracht werden. Das Befüllen vor dem Verschließen erfordert die Abdichtung der Verpackung in einer speziellen Atmosphäre, die das Prüfgas Helium enthält. Dies kann beispielsweise in einer eingehausten Station in einer Produktionsstraße oder einem Handschuhkasten für absatzweise Produktion erfolgen. Während des Verschließens muss die Konzentration des Prüfgases Helium präzise überwacht werden, um quantitative Aussagen auf Basis einer bekannten Heliumkonzentration im Inneren des Prüfkörpers zu ermöglichen.

Bei der Drucklagerungsprüfung (Bombing-Test) wird In einem ersten Schritt das zu prüfende Objekt Helium unter hohem Druck in einer Druckkammer, der Bombingkammer, ausgesetzt. Das Prüfgas dringt dann durch eventuell vorhandene Leckkanäle in das innere freie Volumen des Prüfobjekts ein. In einem zweiten Schritt wird das Bauteil in einer Vakuumkammer geprüft, die an ein Helium-Lecksuchgerät angeschlossen ist. Die Theorie dieser Methode ist etabliert und als quantitative integrale Methode klassifiziert.

Die Helium-Dichtheitsprüfung hermetisch geschlossener Bauteile unterliegt Einschränkungen. Während der Lagerung der Prüfobjekte in der Druckkammer muss das Prüfgas durch enge Leckagen diffundieren. Die Heliumkonzentration im Inneren des Prüfobjekts folgt einer exponentiellen Zunahme. Der Vorgang ist dabei umso langsamer, je kleiner die Dimensionen des Lecks sind. Oftmals dauert die Drucklagerung zu lange, um eine produktionsbegleitende Prüfung an 100 % der zu testenden Objekte durchzuführen. Die Heliumkonzentration im Prüfobjekt hängt vom Druck bei der Lagerung, der Bombingzeit und dem freien Volumen im Inneren des Objekts ab. Zusätzlich spielt auch die Leckrate eine Rolle, die vor der Prüfung noch unbekannt ist. Nach Ende der Druckbeaufschlagung kann die Konzentration des Prüfgases im Inneren des Objekts nur berechnet, nicht aber gemessen werden.

Sowohl nach Verschließen unter einer prüfgashaltigen Atmosphäre als auch nach der Drucklagerung wird das befüllte Prüfobjekt einige Zeit unter atmosphärischen Bedingungen gelagert. Dies ist erforderlich, um die Desorption von oberflächlich anhaftendem Helium zu ermöglichen. Wirkt auch nur ein kleiner Anteil der Materialien an der Oberfläche des Prüfobjekts als „Heliumschwamm“, wird die Empfindlichkeit der Methode vom Signaluntergrund beschränkt und die theoretischen Modelle werden versagen.

Während der Wartezeit wird das Prüfgas aus dem Objekt durch die Leckkanäle diffundieren. Somit kann ein einmal gefülltes Objekt vor einer Prüfung nicht unbegrenzt gelagert werden. Demzufolge muss für jeden Bombingtest ein präzises Prüfrezept mit Zeitangaben entwickelt werden. In der Praxis werden oft Normen angewandt, in denen Klassen von Prüfobjekten definiert sind. Drücke und Lagerungszeiten werden in Abhängigkeit vom freien inneren Volumen des Prüfobjekts empfohlen. Die maximale Wartezeit darf für alle Produktklassen eine Stunde nicht überschreiten. Während der Wartezeit wird die Nachweisgrenze durch Minimierung des Untergrundsignals verbessert. Die Fähigkeit zum Nachweis von Groblecks durch Gasverlust aus dem Prüfgasvorrat im Inneren des Prüfobjekts wird verschlechtert.

Bei Blisterverpackungen lässt sich das Prüfgas auch durch die angestochene Aluminiumfolie mit einer Spritze einbringen. Durch ein zweites Loch kann die eingeschlossene Luft entweichen und die Kavität gespült werden. Während der folgenden Prüfung werden die Löcher wieder abgeklebt. Diese Methode wird für absatzweise Prüfungen eingesetzt, um Fehler von Verpackungsmaschinen aufzudecken. Sie ist zerstörend und kann nicht produktionsbegleitend eingesetzt werden.

Im Falle großer Leckagen kann das Prüfgas sehr schnell aus dem Prüfobjekt austreten. Schon während des Abpumpens der Vakuumkammer kann das gesamte Volumen der Kavität evakuiert werden und die hochempfindliche Helium-Dichtheitsprüfung wird blind gegen grobe Leckagen. Daher wird die Drucklagerungsprüfung meist als Feinlecktest eingesetzt, der mit einer Grobleckprüfung ergänzt wird. Diese zweite Methode kann eine Blasenprüfung, eine optische Prüfung oder jede andere Prüfmethode sein, deren Empfindlichkeitsbereich mit dem der Heliumprüfung überlappt.

Eine Helium-Dichtheitsprüfung kann nicht ohne Weiteres eingesetzt werden, wenn die mechanische Stabilität des Prüfobjekts einen Differenzdruck von einem Bar (in der Kavität des Prüfobjekts) und Vakuum in der Prüfkammer nicht aushält. In diesem Fall muss das Prüfobjekt in der Kammer abgestützt werden. Typische Beispiele sind Lebensmittel- oder Blisterverpackungen.

Die Helium-Dichtheitsprüfung ist die empfindlichste Methode zur Prüfung hermetisch geschlossener Prüfobjekte. Wie bereits ausgeführt, gibt es jedoch Beschränkungen, die meist mit der Zugabe des Prüfgases verbunden sind. Demzufolge war es notwendig, eine empfindliche Dichtheitsprüfung ohne spezifisches Prüfgas durchführen zu können. Als logische Konsequenz wurden Methoden entwickelt, die eine quantitative Dichtheitsprüfung mit dem bereits in der Kavität der Verpackung eingeschlossenen Gas durchführen.

Pfeiffer Vacuum hat einen Sensor auf Basis optischer Emmissionsspektrometrie entwickelt. Er erreicht eine niedrigere Nachweisgrenze als alle anderen Verfahren, die ohne spezifisches Prüfgas arbeiten. Die zu prüfende Blisterverpackung wird in eine Prüfkammer mit Schauglas und mechanischer Abstützung des Blisters gelegt. Mit einer Größe von 150 x 100 x 10 mm ist die Prüfkammer groß genug für die größten Blisterverpackungen auf dem Markt und kann kundenspezifisch angepasst werden.

Nach dem Einbringen des Prüfobjekts wird die Kammer geschlossen und evakuiert. Bei Drücken unterhalb von 10-2 mbar wird eine Glimmentladung gezündet und das vom Plasma ausgestrahlte Licht mit einem optischen Emissionsspektrometer analysiert. Die Nachweisgrenze entspricht einem Leck mit einem Durchmesser von rund 0,1 µm. Die größten nachweisbaren Lecks sind durch das begrenzte Volumen der Kavität beschränkt. Bei einem freien Volumen von 1 cm3 können Lecks bis zu einer Größe von rund 200 µm nachgewiesen werden.

Die AMI-Sensortechnologie kann zur Erhöhung der Nachweisfähigkeit von größeren Lecks mit einem Sauerstoffsensor ergänzt werden. Mit ihm können Leckagen bis zu einem Durchmesser von 2 mm nachgewiesen werden. Die Softwarelösungen des AMI-Prüfsystems sind konform mit dem Standard CFR21, Teil 11. Optionale Softwarelösungen sind für ein Produktionssteuerungssystem verfügbar. In die Software kann eine Trendanalyse zur Früherkennung der Drift von Produktions- und Verpackungsmaschinen implementiert werden.

Das AMI-System ist einfach zu bedienen. Es liefert quantitative Ergebnisse mit hoher Wiederholgenauigkeit. Über die Möglichkeiten einer reinen vergleichbaren Methode nach Gut-/Schlecht-Kriterium hinaus erlaubt das System die Früherkennung der Drift von Produktions- und Verpackungsmaschinen in Echtzeit. Der Verlust wertvoller Produkte wird vermieden und der Aufwand für korrektive Maßnahmen in der Produktion minimiert. Der Zeitbedarf für eine Prüfung hängt von der spezifizierten Nachweisgrenze ab. Für eine Rückweisleckagerate von 1,0 · 10-4 mbar · l/s kann mit einer Prüfzeit von rund 30 s gerechnet werden. Im System enthalten sind automatische Kalibrierroutinen auf Basis kalibrierter Prüflecks mit Zertifikat. Damit werden objektive, benutzerunabhängige Kalibrierungen und Messergebnisse erhalten.

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