PMS APPLICATION NOTE #1 · LIFE SCIENCE & PHARMA RESEARCH

Trong sản xuất dược phẩm vô trùng và các môi trường kiểm soát nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn EU GMP Annex 1 (2022) và ISO 14644-1/-2, kiểm soát nhiễm bẩn tiểu phân không chỉ dừng lại ở việc đọc chỉ số trên màn hình. Để thiết lập một Chiến lược Kiểm soát Nhiễm bẩn (Contamination Control Strategy – CCS) thực sự khoa học và hiệu quả, các chuyên gia QA/QC, kỹ sư thẩm định và chuyên gia phòng sạch bắt buộc phải thấu hiểu bản chất vật lý của hạt, động học khí dung trong đường ống lấy mẫu, hiện tượng lắng đọng do trọng lực, cùng nguyên lý quang học tán xạ laser của máy đếm hạt (OPC). Cẩm nang chuyên sâu này – được phát triển từ tài liệu kỹ thuật nền tảng của Particle Measuring Systems (PMS) – phân tích toàn diện cơ sở vật lý vi mô, động học vận chuyển hạt, các yếu tố gây sai số và phương pháp giám sát liên tục tối ưu cho nhà máy dược phẩm hiện đại.

📌 Điểm quan trọng cần hiểu: Bản Chất Của Tiểu Phân & Quy Tắc Vận Chuyển Khí Dung Trong Phòng Sạch

Tiểu phân lơ lửng trong không khí không phân bố ngẫu nhiên mà tuân theo quy luật lũy thừa (Power Law Distribution: nồng độ tỉ lệ nghịch với xấp xỉ lũy thừa bậc 2.1 của đường kính hạt). Các hạt lớn (≥ 5.0 µm) cực kỳ nhạy cảm với hiện tượng lắng đọng do trọng lực và mất mát do quán tính tại các khúc cua của đường ống lấy mẫu. Việc sử dụng sai vật liệu ống (chất liệu dễ tích điện) hoặc thiết kế bán kính uốn cong dưới 15 cm có thể làm mất tới 50% – 80% nồng độ hạt kích thước lớn trước khi hạt đi tới buồng quang học của máy đếm.

Trong môi trường sản xuất dược phẩm và công nghệ sinh học, các hạt ô nhiễm có nguồn gốc từ hai nhóm chính: vô sinh (non-viable particles) như bụi kim loại, mảnh vụn sợi vải, tinh thể hóa chất; và hữu sinh (viable particles) như tế bào vi khuẩn, bào tử nấm bám trên bề mặt hạt da người hoặc hạt bụi.

Một con người trong trạng thái làm việc bình thường bong tróc khoảng 28 gram tế bào biểu bì mỗi ngày và phát tán từ hàng trăm ngàn đến hàng triệu tiểu phân mỗi phút vào không gian. Ở thang đo vi mô, chuyển động của các hạt này chịu sự chi phối chặt chẽ của các định luật cơ học chất khí:

• Chuyển động Brown (Brownian Motion): Chi phối chủ đạo đối với các hạt siêu mịn (submicron, dưới 0.1 – 0.5 µm). Ở kích thước này, va chạm ngẫu nhiên giữa phân tử chất khí và hạt khiến hạt dao động liên tục và khuếch tán trong không gian mà hầu như không bị lắng đọng bởi trọng lực.
• Lắng đọng trọng lực (Gravitational Settling): Đối với các hạt có kích thước lớn (đặc biệt là ≥ 5.0 µm theo phân loại của EU GMP Annex 1), vận tốc lắng do trọng lực tăng lên rõ rệt. Trong dòng không khí tĩnh, hạt 5 µm có thể lắng xuống bề mặt làm việc chỉ trong vòng vài phút.
• Hiện tượng bám dính bề mặt (Adhesion): Khi hạt tiếp xúc với bề mặt (như vách tường, bàn làm việc hoặc thành ống lấy mẫu), lực Van der Waals và lực tĩnh điện sẽ giữ chặt hạt lại, khiến việc tái hòa nhập vào dòng khí trở nên rất khó khăn.

Để đo lường chuẩn xác số lượng và kích thước của những hạt lơ lửng này, các nhà khoa học sử dụng khái niệm Đường kính hình cầu tương đương (Equivalent Spherical Diameter), lấy chuẩn từ hạt Polystyrene Latex (PSL). Khi một hạt bất kỳ đi qua chùm tia laser, cường độ ánh sáng tán xạ tương đương với một hạt PSL có đường kính xác định, từ đó máy gán kích thước danh định cho hạt đó.

Một trong những thách thức kỹ thuật lớn nhất khi triển khai hệ thống giám sát phòng sạch liên tục (FMS/EMS) tại các khu vực vô trùng Grade A là đường ống lấy mẫu (sample tubing). Nếu thiết kế hoặc lắp đặt không đúng cách, mẫu khí đến buồng đếm hạt sẽ không phản ánh trung thực nồng độ thực tế tại vị trí làm việc.

Theo tài liệu nghiên cứu chuyên sâu của Particle Measuring Systems, các yếu tố chi phối thất thoát hạt trong ống lấy mẫu bao gồm:

A. Số Reynolds ($Re$) và chế độ dòng chảy: Dòng khí chuyển động trong ống cần duy trì ở chế độ chảy tầng (laminar flow, $Re < 2300$) hoặc chuyển tiếp có kiểm soát. Dòng chảy rối (turbulent flow, $Re > 4000$) sẽ làm gia tăng sự va chạm của các hạt vào thành ống, dẫn đến hiện tượng mất mát tiểu phân (tubing loss) nghiêm trọng.

B. Va đập quán tính tại các khúc cua (Inertial Impaction): Khi dòng khí chuyển hướng đột ngột, các hạt lớn do có quán tính lớn sẽ không thể bẻ hướng kịp theo dòng khí mà đâm thẳng vào thành ống và bị giữ lại. Để hạn chế hiện tượng này, quy tắc thiết kế nghiêm ngặt là bán kính uốn cong của ống không được nhỏ hơn 15 cm (6 inches) và tuyệt đối không dùng cút vuông 90°.

C. Chiều dài ống và hiện tượng lắng đọng: Đối với hạt ≥ 5.0 µm, đoạn ống nằm ngang càng dài thì lượng hạt lắng xuống đáy ống càng lớn. Khuyến cáo thực hành tốt nhất là giới hạn chiều dài ống dưới 3 mét (hoặc tối đa không quá 5 mét đối với các cảm biến lưu lượng cao) và ưu tiên bố trí đường ống dốc đứng hoặc đặt cảm biến máy đếm tiểu phân Lasair Pro càng gần điểm lấy mẫu càng tốt.

D. Lựa chọn vật liệu ống lấy mẫu: Vật liệu ống là nhân tố then chốt ngăn ngừa bẫy hạt tĩnh điện. Thứ tự ưu tiên chất liệu ống:

1. Thép không gỉ 316L (Stainless Steel): Độ nhẵn bề mặt cực cao, không tích điện, trơ hóa học, phù hợp nhất cho các đường ống cố định trong tường phòng sạch.
2. Polymer dẫn điện chống tĩnh điện (như Bev-A-Line® XX / Carbon-loaded conductive tubing): Dẫn điện bề mặt giúp triệt tiêu điện tích tích tụ, mềm dẻo, lý tưởng cho đường ống kết nối thiết bị di động.
3. Tránh sử dụng: Ống silicone tiêu chuẩn, PVC thông thường hoặc Teflon không dẫn điện vì ma sát dòng khí sẽ tạo điện áp tĩnh điện cao, bẫy giữ lại phần lớn tiểu phân vi mô.

Hệ thống xử lý không khí HVAC kết hợp màng lọc hiệu suất cao HEPA/ULPA là trái tim của mọi phòng sạch dược phẩm. Màng lọc sợi thủy tinh HEPA bắt giữ các hạt ô nhiễm thông qua 4 cơ chế vật lý đồng thời:

• Sàng lọc (Sieving): Xảy ra khi khoảng cách giữa hai sợi lọc nhỏ hơn đường kính hình học của hạt. Cơ chế này loại bỏ hiệu quả các hạt rất lớn (> 5 µm).
• Va đập quán tính (Inertial Impaction): Hạt chuyển động với vận tốc cao và quán tính lớn không kịp uốn theo đường bao quanh sợi lọc nên va đập trực diện vào sợi lọc và dính lại.
• Chặn giữ (Interception): Hạt chuyển động theo đường bao dòng khí, nhưng do kích thước hữu hạn, mép ngoài của hạt tiếp xúc với sợi lọc và bị bám giữ.
• Khuếch tán do chuyển động Brown (Diffusion): Các hạt siêu nhỏ (< 0.1 µm) chuyển động dích dắc hỗn loạn, liên tục va chạm vào các sợi lọc và bị giữ lại với xác suất rất cao.

Điểm giao nhau giữa cơ chế khuếch tán và va đập tạo ra một vùng kích thước hạt mà màng lọc bắt giữ kém nhất, được gọi là MPPS (Most Penetrating Particle Size), thường nằm trong dải 0.1 đến 0.3 µm. Vì vậy, hiệu suất của màng lọc HEPA H14 (≥ 99.995%) luôn được kiểm tra và đánh giá tại chính điểm MPPS này theo EN 1822 / ISO 29463.

Máy đếm tiểu phân quang học (Optical Particle Counter – OPC) là công cụ nền tảng được tiêu chuẩn hóa trong ISO 14644-1 và EU GMP Annex 1 để giám sát môi trường sản xuất. Một thiết bị OPC hoàn chỉnh bao gồm 5 cấu phần phối hợp chính xác:

1. Nguồn phát Laser (Laser Source): Đi-ốt laser hoặc laser khí thể rắn phát ra chùm sáng đơn sắc, cường độ cao và ổn định, chiếu xuyên qua buồng đo.
2. Buồng lấy mẫu khí (Sample Cavity / View Volume): Nơi dòng không khí mẫu giao cắt vuông góc với chùm tia laser. Khí được duy trì lưu lượng chính xác (ví dụ 1.0 CFM / 28.3 LPM, 50 LPM, hoặc 100 LPM) nhờ bơm chân văn chuyên dụng hoặc cảm biến đo lưu lượng khối (mass flow sensor).
3. Hệ quang học thu gom ánh sáng (Collection Optics): Các thấu kính khẩu độ lớn hoặc gương cầu elip parabol thu gom toàn bộ ánh sáng tán xạ từ hạt theo góc nghiêng tối ưu (thường là góc rộng để tăng độ nhạy phân giải).
4. Cảm biến quang điện (Photodetector): Bộ chuyển đổi quang điện cực nhạy (Photodiode Silicon PIN hoặc Avalanche Photodiode) tiếp nhận photon và biến đổi thành tín hiệu xung điện áp (voltage pulse). Biên độ xung điện áp tỷ lệ thuận với lượng ánh sáng tán xạ, tương ứng với kích thước hạt.
5. Mạch phân tích độ cao xung (Pulse Height Analyzer – PHA): Xử lý và phân loại các xung điện áp vào từng kênh kích thước tương ứng (ví dụ: kênh 0.5 µm, 1.0 µm, 5.0 µm, v.v.) và ghi nhận số lượng hạt theo thời gian thực.

Để đảm bảo kết quả đo đạc giữa các thiết bị khác nhau có tính tương đồng và pháp lý, máy đếm tiểu phân bắt buộc phải trải qua dịch vụ hiệu chuẩn thiết bị PMS định kỳ theo chuẩn ISO 21501-4:2018. Bạn có thể tìm hiểu hiệu chuẩn máy đếm hạt theo ISO 21501-4 để nắm rõ các chỉ tiêu kiểm định nghiêm ngặt như hiệu suất đếm (counting efficiency), độ phân giải kích thước (size resolution), tỷ lệ đếm sai (false count rate) và độ chính xác lưu lượng.

Trong quy trình thẩm định và vận hành phòng sạch vô trùng, cần phân định rạch ròi giữa hai hoạt động đo đạc:

A. Phân loại phòng sạch (Classification): Thực hiện theo ISO 14644-1:2015 nhằm xác định cấp sạch ban đầu của phòng (Grade A, B, C, D) ở trạng thái Nghỉ (At-Rest) hoặc Hoạt động (In-Operation). Hoạt động này sử dụng máy đếm hạt di động lưu lượng cao như Lasair Pro 5100 (100 LPM) để rút ngắn thời gian lấy mẫu thể tích lớn (ít nhất 1 m³ mẫu tại mỗi điểm theo yêu cầu của Annex 1).

B. Giám sát phòng sạch liên tục (Continuous Monitoring): Thực hiện trong suốt quá trình pha chế, chiết rót và đóng gói vô trùng tại khu vực Grade A và Grade B. Hệ thống giám sát môi trường cơ sở (FMS) kết hợp các cảm biến hạt cố định (như IsoAir Pro-E, IsoAir Pro-Plus) tại các vị trí nguy cơ cao nhằm phát hiện ngay lập tức bất kỳ sự cố phát tán bụi hoặc mất kiểm soát dòng khí một chiều.

Bên cạnh đó, toàn bộ dữ liệu giám sát phải được bảo vệ nghiêm ngặt theo hướng dẫn ALCOA+ và 21 CFR Part 11 thông qua giải pháp kiểm soát tính toàn vẹn dữ liệu PMS, bảo đảm mọi sự cố vượt ngưỡng cảnh báo (Action/Alert limit) đều được ghi nhận dấu vết điện tử (Audit Trail) không thể xóa sửa.

Đường Kính Trong (ID, mm)	Hệ Số Reynolds (Re)	Tổn Thất Áp Suất (psi/m)	Vận Tốc Khí (m/s)	Đánh Giá Ứng Dụng Phòng Sạch
10.0 mm	3,670	0.013	6.5 m/s	Tổn thất áp suất thấp; vận tốc khí tương đối chậm, cần kiểm soát lắng đọng ống ngang
9.525 mm (3/8″)	3,865	0.016	7.2 m/s	Kích thước tiêu chuẩn tối ưu được khuyến cáo phổ biến nhất trong hệ thống FMS
8.0 mm	4,585	0.040	10.1 m/s	Vận tốc khí tốt, duy trì hạt lơ lửng, áp suất suy hao vừa phải
6.35 mm (1/4″)	5,780	0.110	16.0 m/s	Tổn thất áp suất bắt đầu cao; xuất hiện dòng rối tăng va đập thành ống
4.0 mm	9,150	0.980	40.3 m/s	Áp suất sụt giảm nghiêm trọng; dòng chảy hoàn toàn rối, nguy cơ vỡ/mất hạt cao

LIÊN HỆ TƯ VẤN KỸ THUẬT & DỊCH VỤ HIỆU CHUẨN PMS CHÍNH HÃNG

Công ty TNHH TM HC DV KT SAO NAM là Authorized Sales and Service Center của Particle Measuring Systems (PMS) tại Việt Nam. Chúng tôi cung cấp giải pháp máy đếm tiểu phân, lấy mẫu vi sinh, thẩm định DQ/IQ/OQ và dịch vụ hiệu chuẩn On-site chuẩn ISO/IEC 17025.

📞 Hotline: 0903 938 641 ✉️ Email: info@saonamchem.com 🌐 Trang Liên Hệ

📍 Trụ sở: 92 Đường số 13, Phường Bình Trị Đông B, Quận Bình Tân, TP. Hồ Chí Minh

English Technical Summary · Cleanroom Contamination Control