Calculando y comprendiendo el riesgo de la contaminación por partículasEl autor presenta un método para calcular la relación entre el suministro del volumen de flujo de aire y las concentraciones de partículas en el aire. Estos métodos y enfoques facilitan la comprensión global de los contaminantes del aire y proporcionan información valiosa en el diseño de las instalaciones y procesos de fabricación estéril.  Las partículas contaminantes son un factor muy importante en la industria farmacéutica, y la comprensión de las fuentes de contaminación de partículas y su comportamiento es fundamental para controlar su propagación dentro de las áreas de producción. Partículas ambientales, que llevan potencialmente contaminantes microbianos (partículas viables), y las partículas no viables pueden propagarse desde las superficies al aire que rodea un área limpia determinada a través de contaminación aérea y / o a través de personas, contaminando productos y la zona de fabricación. La principal fuente de partículas viables en el entorno es el operador. Otras fuentes potenciales de microorganismos se señalan en las directrices de las agencias regulatorias.1, 2 Una forma de reducir el riesgo de contaminación a través de partículas aéreas es reducir la intensidad de la fuente de partículas. Esto se puede lograr mediante la captura de los contaminantes en la fuente, sin embargo, es difícil capturar todos los contaminantes y frecuentemente se requieren diferentes tipos de protección. En áreas críticas, por ejemplo, se emplean normalmente la tecnología de barrera y las direcciones de flujo de aire controlados.  Los filtros de aire de partículas de alta eficiencia (HEPA) se utilizan para eliminar las partículas de aire que entra y desplazar a los que se puede propagar en el área controlada. Frecuentemente se requieren grandes cantidades de aire filtrado por HEPA, pero esta solución no siempre es confiable. El riesgo de contaminación real se puede cuantificar mediante una mejor comprensión de la posibilidad de contaminación, así como la eficacia de la filtración HEPA está en la atenuación de los riesgos de contaminación. El modelo descrito en este artículo permite calcular el riesgo de contaminación. Perturbaciones del aire Grandes cantidades de aire filtrado por HEPA puede producir vórtices debido a los altos niveles de energía creados por los movimientos del aire. Un vórtice puede exacerbar una fuente de contaminación por lo que es importante reducir la aparición de vórtices para mantener una sala o zona limpia. Figura 1: deposición convectiva de partículas.

.Comprender las fuentes de contaminación de partículas y su comportamiento es crítico para controlar su propagación en las áreas de producción.

. Las partículas contaminantes pueden ser exacerbadas por las perturbaciones del aire tales como vórtices derivados de grandes cantidades de aire filtrado por HEPA, así como la deposición gravitacional, fuerzas electrostáticas y las diferencias térmicas.

. Se puede usar una ecuación para calcular el número de partículas depositadas en el flujo de aire unidireccional, que permite calcular el riesgo de contaminación para diferentes tipos de procesos.

.Cuando se trata de concentración de partículas del aire ambiental, las normas reguladoras establecen claramente los niveles de clases respectivas, pero muchos no tienen en cuenta los factores que afectan los riesgos de contaminación en el aire, tales como el tamaño de viales y los tiempos de exposición

Un vórtice puede ser descrito como un movimiento rotacional de un fluido que es sostenido por una fuente de energía, por ejemplo, el suministro de aire de una sala limpia.  La investigación de Ljungqvist en 1979 mostró que en salas ventiladas, las regiones del vórtice se mueven como un cuerpo rígido o como vortex libre.4 Ljungqvist y Reinmüller describen un vórtex con líneas de corriente que se cierran dentro de una región.3 Los vórtices pueden acumular altas concentraciones de partículas que se liberan cuando se perturba el vórtex. Las perturbaciones pueden ocurrir cuando las personas cruzan el vórtex o cuando hay un cambio importante en las rutas de presión o flujo de aire, tales como cuando se abre una puerta. Esto es significativo con las dos estructuras de vórtice libre y rígido. 

Otro tipo de fenómeno de perturbación del aire es la turbulencia. La turbulencia puede ser descrita como un flujo de fluído fluctuante, no estacionario con grandes diferencias de velocidad perpendiculares a la dirección del flujo neto. La ciencia relacionada a la turbulencia es compleja y no se entiende completamente, pero puede crear dificultades con respecto a dispersiones de partículas. 

Teorías de Contaminación - dispersión de partículas en el aireLas partículas se propagan dentro de un volumen, debido a que se ven afectadas por una fuerza externa, tales como el flujo de la masa del volumen de aire (propagación convectiva y/o difusiva, por ejemplo, a través de vórtices o turbulencias), deposición gravitacional, fuerzas electrostáticas o diferencias térmicas.

Deposición GravitacionalLa gravedad crea un movimiento de partículas hacia abajo basado en la masa, y hay una relación entre el peso de la masa de la partícula y el tiempo de asentamiento.  Las partículas flotantes libres dentro de un volumen de aire también tienen un efecto gravitacional uno contra el otro, sin embargo esta fuerza es muy pequeña y, en un entorno farmacéutico, puede ser despreciable.

Las fuerzas electrostáticasLas partículas y las superficies pueden ser cargados positiva o negativamente a través de la electricidad estática. Las partículas con carga positiva serán atraídas por una partícula o una superficie con una carga negativa. El potencial de carga estática también depende del material, por ejemplo, el vidrio tiene menos tendencia a ser cargado que los materiales plásticos. La tendencia de un material para desarrollar la carga eléctrica estática es una cuestión importante a considerar a la hora de usarlos en una sala limpia.  Una superficie con un material de carga positivo puede atraer partículas cargadas negativamente, que se acumulan en la superficie. Si una superficie de conecta a tierra, las partículas también pueden desprenderse y diseminarse a los alrededores.

Flujo de aire por convecciónLa energía en el flujo de aire influye en las partículas a moverse en paralelo con el vector de flujo de aire, es decir, las partículas se dispersan en la misma dirección que el movimiento del aire (Figura 1). Este conocimiento se utiliza comúnmente en la industria farmacéutica para crear áreas limpias y barreras de aire. Las unidades de flujo de aire unidireccional (UDF) tienen un flujo de aire paralelo de tal manera que las partículas en suspensión son transportadas lejos de la dirección del vector de flujo. El flujo en una unidad UDF es laminar o turbulento. Ljungqvist y Reinmüller nos dicen que "se asume que en un campo de flujo paralelo, cercano a superficies a lo largo de la dirección de flujo principal, hay una subcapa delgada (capa límite) en el que la transferencia de impulso está dominada por las fuerzas

viscosas, y el efecto de fluctuaciones turbulentas débiles puede ser despreciable. La situación es muy diferente para la difusión de partículas. En este caso, incluso las fluctuaciones débiles en la subcapa viscosa contribuyen significativamente al transporte ". 3

Figura 1: deposición convectiva de partículas.

Difusión molecularLas moléculas de gas que colisionan con partículas aéreas dan lugar a la propagación difusiva (Figura 2). El efecto de la difusión molecular puede ser considerado cuando las partículas aéreas son pequeñas (microscópicas), que podrían ocurrir en salas y áreas limpias.

Figura 2: Difusión de partículas.

Riesgo de contaminación - un modeloReconociendo el hecho de que los operadores de salas limpias son a menudo la principal fuente de microorganismos, puede ser útil estudiar la probabilidad de que los microorganismos contaminarán ciertas áreas asociadas con los operadores. Para calcular la deposición gravitacional de una concentración de partículas aéreas viables, Whyte describe una ecuación (Ecuación 1). 5

El tamaño de las partículas aéreas viables provenientes de los seres humanos en un entorno de sala limpia está en el rango de 5-20 micras. Se puede asumir que el promedio del tamaño de la partícula sea de 12 micras. Usando la ley de Stokes, Whyte demuestra que la velocidad de sedimentación para una partícula de 12 micras en el aire es 0,462 cm/s (Ecuación 2).

 

El conocimiento de la velocidad de sedimentación es útil en volúmenes donde las partículas sólo son afectadas por la gravedad, y no por las principales rutas del flujo de aire, como en las salas limpias. En un entorno farmacéutico, sin embargo, el aire se utiliza para crear barreras con velocidades de aire muy superiores a 0,462 cm/s. En las áreas críticas utilizando unidades UDF, el rango común de las velocidades de aire está entre 0,3 - 0,5 m/s, o 30 - 50 cm/s. Comparando el tiempo de sedimentación de una partícula de 12 micras (0,462 cm/s) afectado únicamente por la gravedad, el efecto convectivo sobre la partícula en un área crítica será dominante y el efecto de la gravedad a menudo puede ser despreciable. 3

Si sólo se considera el efecto de convección, la ecuación se puede usar para calcular el número de partículas depositadas en UDF, el cual permite calcular los riesgos de contaminación para diferentes tipos de procesos. Whyte da ejemplos de cómo calcular los índices de contaminación para los diferentes tamaños de contenedores y tiempos de exposición, en relación al tiempo de sedimentación por gravedad (Tabla 1).

En la mayoría de los procesos estériles, se considera que 1.350 bacterias / m 3 es un valor alto. Por ejemplo, un entorno de sala limpia de Grado D de acuerdo con EU GMP se define teniendo un límite menor de 200 UFC (partículas viables) / m 3. Whyte informa un valor promedio de 0,2 bacterias /m 3 en una unidad UDF wellworking (correspondiente a una designación de sala limpia grado A por EU GMP).  Esto demuestra un cambio significativo en el aumento de la seguridad de los productos en el cálculo.

Se puede llevar a cabo una comparación de las tasas de contaminación si la velocidad de sedimentación de la gravedad en el cálculo se sustituye por la velocidad de sedimentación convectivo. Los resultados en la Tabla 2 presenta cálculos para los mismos recipientes como en la Tabla 1, a excepción de su colocación bajo una unidad UDF (grado A), con una velocidad UDF de 40 cm/s. Los cálculos se basan en la suposición de que la fuerza de la gravedad es despreciable. El grado A, de acuerdo con los límites recomendados de la EU GMP de menos de 1 UFC / m3 se utiliza en el cálculo, pero también lo es un valor medio de 0,2 UFC/m 3, porque este representa con mayor precisión un entorno UDF verdadero.

En la Tabla 2, donde los cálculos son adaptados a UDF, hay un mayor riesgo potencial de contaminación de los contenedores. Con una unidad UDF wellworking y rutinas de operación, sin embargo, la cantidad de partículas aéreas viables (UFC /m 3). es probablemente menor a 0,2 UFC /m 3 . Al aplicar la ecuación 1 en un volumen con aire mezclado completamente o sin movimientos del aire, se debe usar la ley de Stokes (Ecuación 2) para calcular la velocidad de sedimentación de las partículas. En una UDF, la velocidad de sedimentación es igual a la velocidad del aire.

Como se ha demostrado por los cálculos, las tasas de contaminación dependen de diferentes factores. No es sólo la cantidad de partículas viables en el aire que se debe considerar, sino también el tiempo de exposición y el área expuesta a aquellas partículas viables. Sundström, Ljungqvist y Reinmüller han utilizado este modelo para calcular las concentraciones de partículas en parenterales de pequeño volumen producidos por la tecnología de soplado-llenado-sellado. 6 También han realizado estudios experimentales con análisis de la cantidad de partículas que se dispersan en la ampolla desde los alrededores como una comparación con el método teórico.

Este conocimiento puede ser utilizado para diversos fines. Un ejemplo es durante las investigaciones de las desviaciones en la cantidad de partículas aereas viables (UFC /m 3) en una sala limpia. El modelo puede ser utilizado para calcular el riesgo de contaminación de un recipiente o de la superficie, aunque una investigación como la descrita tiene que ser más compleja, y se necesitará considerar otros métodos prácticos y experimentales.

Como un ejemplo práctico, el modelo se puede utilizar para calcular la tasa de contaminación si se incrementa el tiempo de exposición para ampollas en una máquina de llenado blow-fill-seal. Muchos tipos de máquinas de llenado blow-fill-seal generan una gran cantidad de partículas durante la extrusión del plástico. A menudo, estas partículas se eliminan a través de dispositivos de escape locales dentro de la máquina. Para mejorar los dispositivos de escape locales y de ese modo eliminar más partículas aéreas, el tiempo de ciclo se incrementó, permitiendo que el molde permanezca en la posición de extrusión para un tiempo más largo. En este caso, la concentración de partículas aéreas en la máquina de llenado se redujo. Sin embargo, el aumento del tiempo de exposición y el tiempo del ciclo se deben tener también en cuenta en la evaluación de la situación de riesgo general. La tasa de contaminación calculada se incrementó un 20% debido al aumento de tiempo de exposición (20% más).  La concentración de partículas en el aire se redujo en un 25%. Al final, teniendo en cuenta tanto el aumento del tiempo de exposición y la reducción de la concentración de partículas en el aire, el riesgo de contaminación disminuyó en un 5%.

Como otro ejemplo, se pueden hacer comparaciones entre diferentes técnicas de llenado. Si viales en proceso de llenado A tienen la misma área expuesta, la concentración en el aire y la velocidad de sedimentación como las ampollas en el proceso B, pero el doble del tiempo de exposición, la tasa de contaminación calculada se duplicó para el proceso A. Las 1,2 directrices no hacen ninguna excepción entre estas dos técnicas, pero en teoría, la concentración en el aire en el proceso B podrían ser dos veces tan altos como para el proceso A y aún tener el mismo riesgo de contaminación.

ConclusiónLos modelos de cálculo que se presentan en este artículo pueden ser de ayuda para el cálculo de los factores de riesgo y aumentar la comprensión de la contaminación causada por las partículas en suspensión. El método descrito muestra que es posible calcular el factor de riesgo o la tasa de contaminacion a un área determinada. El riesgo teórico para contaminar, por ejemplo, un contenedor o ampolla, depende de la zona del cuello expuesta, la concentración de partículas en el aire y el tiempo de exposición.

Referencias

1. Comisión de la UE GMP Europeas, Normas sobre medicamentos en la Unión Europea, vol. 4, Directrices de la UE de Buenas Prácticas de Manufactura, Anexo 1, fabricación de medicamentos estériles, 1997 (revisada en 2008).

2. Administración de Alimentos y Drogas. Orientación para la industria:. Productos de Drogas estériles producidos por Procesamiento Aséptico - Current Good Manufacturing Practice Rockville, MD, 2004.

3. B. Ljungqvist y B. Reinmüller, Clean Room Design: Reducir al mínimo la contaminación mediante un diseño adecuado(CRC Press LLC, Boca Raton, Florida, EE.UU., 1997).

4. B. Ljungqvist, Algunas observaciones sobre la interacción entre los movimientos del aire y la dispersión de la contaminación: Documento D8: 1979, Consejo Sueco de Investigación para la Construcción, Estocolmo, Suecia (1979).

5. W. Whyte, Journal of Parenteral Science & Technology, 40 (5) 188-197 (1986).

6. S. Sundström, B. y B. Ljungqvist Reinmüller, Revista Europea de la Ciencia y farmacéutica parenteral, 15 (3) 87-92 (2010).