Neue Methode zur Dichtheitsprüfung

Bei der Hochgeschwindigkeitsprüfung der Verschlussintegrität von Behältern (CCIT) bestehen erhebliche physikalische Hindernisse bei der Prüfung komplexer Verpackungsformate. Durch den Übergang von herkömmlichen Methoden auf Basis des Differenzdruckabfalls (DP) zu einer neuen Methode mit optimierten Inline-Bombing-Mechanismus in Kombination mit der Headspace-Analyse (HSA) können Hersteller das durch eingeschlossene Luft und Oberflächenfeuchtigkeit verursachte Signalrauschen umgehen, ohne dabei Abstriche bei der Liniengeschwindigkeit machen zu müssen.

Standardmäßige zerstörungsfreie Inline-Lecktestverfahren, insbesondere Standard-Differenzdruckprüfungen (DP-Prüfungen), basieren auf der Erfassung kleinster Druckabweichungen innerhalb einer isolierten Prüfkammer. Bei der Übertragung auf Hochgeschwindigkeits-Produktionsumgebungen verschlechtern mehrere physikalische Variablen das Verhältnis von Signal zu Rauschen, was mitunter die Datenintegrität beeinträchtigt:

Eingeschlossene Luft unter Verschlusskomponenten
Luft, die sich auf natürliche Weise unter Elastomerstopfen, Crimpkappen oder Abschirmkomponenten ansammelt, wirkt als pneumatischer Nachgiebigkeitspuffer. Während der Vakuum- oder Druckentnahme gibt dieses Mikrovolumen langsam Gas ab, was zu falschen Druckabfallmesswerten führt, die echte Behälterundichtigkeiten vortäuschen.

Oberflächenfeuchtigkeit und Restfeuchtigkeit
Vials oder Spritzen, die gerade einer thermischen Behandlung oder Sterilisation unterzogen wurden, können Restfeuchtigkeit enthalten. In einer Vakuumkammer verdampft dieses Wasser sofort, wodurch sich der Kammerdruck dynamisch verändert und die tatsächliche Gasentweichungsrate überdeckt wird.

Komplexe Behälterformate
Die Handhabung von nicht standardisierten oder hochspezialisierten Primärverpackungsstrukturen erfordert äußerst komplexe Formatteile. Die mechanischen Kosten für Formatwerkzeuge, die Transportintegration und die schonende Behälterhandhabung steigen exponentiell mit der Komplexität der Produktionslinie.

Hohe Empfindlichkeit bei hohen Geschwindigkeiten
Das Erreichen einer deterministischen Leckageerkennung für kritische Defekte bis hin zu 10Mikrometer bei gleichzeitigem Betrieb der Linien mit hohen Nenndurchsätzen (z. B. 200 Einheiten pro Minute oder mehr) überfordert herkömmliche physikalische Sensoren über ihre empirischen Grenzen hinaus.

Betriebliche Auswirkungen bei Grenzfällen

Bei bestimmten Produkten könnten normale Prozessschwankungen fälschlicherweise als strukturelle Fehler interpretiert werden, was zu erhöhten Falschauswurfquoten (FRR) führt und die unnötige Vernichtung teurer Produktchargen zur Folge hat. Dies mindert die Erkennungsleistung insgesamt. Daher müssen die Testzykluszeiten verlangsamt werden, um eine Druckstabilisierung zu ermöglichen. Daher erfordert die Skalierung herkömmlicher DP-Konfigurationen für eine 100-prozentige Inline-Prüfung große Mehrkammeranlagen, was die Implementierung unerschwinglich macht.

Um diese Einschränkungen zu beheben, verlagert eine alternative Methode den analytischen Fokus vollständig: Anstelle der Überwachung des Kammerdrucks wird der Headspace künstlich durch „Bombing“ mit Headspace-Analyse (HSA) verändert.

Bei der Bombing-Methode werden die Phase der strukturellen Belastungsprüfung und die Phase der Gasdetektion voneinander getrennt. Anstatt einen minimale Druckabfall außerhalb des Fläschchens zu messen, drückt das Verfahren unter hohem Druck ein nachverfolgbares Tracergas in eventuell vorhandene Leckkanäle und verändert so die Zusammensetzung des inneren Kopfraums der beschädigten Behälter.

Eine spezielle „Bombing“-Maschine automatisiert diesen Prozess durch eine Abfolge automatisierter Schritte:

1. Die Primärverpackungsproben werden in eine luftdichte Prozesskammer eingesetzt.
2. Die Kammertüren werden sicher verschlossen und verriegelt, um extremen Druckunterschieden standzuhalten.
3. Es beginnt ein präzise programmierter Druckzyklus, bei dem ein definiertes Tracergas unter hohem Überdruck eingeleitet wird.
4. Ein automatisierter Prozessgas-Spülvorgang evakuiert die Umgebungsatmosphäre und passt die Zyklusparameter dynamisch an, je nachdem, ob das System starre Behälter (wie Glas Vials) oder Behälter mit beweglichen Teilen (wie vorgefüllte Spritzen – PFS) prüft, um eine Bewegung des Verschlusses zu verhindern.
5. Eine kontinuierliche Drucküberwachung erfasst den Zustand der Behälter während des gesamten Expositionszyklus.
6. Die Steuerungsarchitektur ermöglicht volle Flexibilität und kombiniert individuell anpassbare Über- und Unterdruckzyklen direkt nacheinander, um die Gasdurchdringung zu maximieren.

Dieses Konzept macht das „Bombing“-Verfahren in einzigartiger Weise geeignet für Standard-CCIT-Anwendungen, Transport-/Versandsimulationsstudien unter variablen atmosphärischen Bedingungen sowie für inhärente CCIT-Protokolle (iCCIT), die zur Qualifizierung und Validierung des Dichtungsverhaltens von Elastomeren auf Komponentenebene verwendet werden.

Wie bewirkt der Bombing Prozess das Eindringen von Tracergas durch Lecks?

Die Strömungsdynamik, die das Eindringen von Tracergas bestimmt, wird durch feste Parameter vorgegeben: den Durchmesser des physikalischen Defekts, das Innenvolumen, den Innendruck und die Expositionszeit. Um das Empfindlichkeitsprofil zu verstehen, betrachten wir ein Standard-6R-Glasfläschchen unter dem folgenden berechneten Validierungsszenario: 

Diese schnelle interne Gasanreicherung schafft ein klares Analysefenster. Da der Konzentrationssprung von 0,04 % auf 1,0 % eine Veränderung darstellt, lässt sich ein beschädigter Behälter eindeutig und unmissverständlich erkennen. Qualitätsingenieure verfügen über drei zentrale Einstellmöglichkeiten, um diese Methode an die spezifischen Empfindlichkeiten der Produkte anzupassen: die Modulation der Amplitude des Gasbeaufschlagungsdrucks, die Anpassung der Gesamtdauer der Gasbeaufschlagung oder die Änderung der Zusammensetzung des Spürgasgemischs (z. B. durch Variation der CO2-Anteile).

In der Vergangenheit war das Bombing aufgrund der langen Einwirkzeiten, die in statischen Kammern erforderlich waren, auf Laborversuche im Chargenbetrieb beschränkt. Die Innovation, die diesen Prozess zu einem hochgeschwindigkeitsfähigen, zu 100 % in die Produktionslinie integrierten Prüfverfahren macht, ist der spezielle Bombing-Rotor.

Der Bombing-Rotor wandelt einen von Natur aus chargenweisen, sequenziellen Prozess in einen kontinuierlichen Fertigungsablauf um. Die Behälter werden kontinuierlich in ein rotierendes Karussell aus Druckkammern eingespeist, wodurch der präzise Druckbeaufschlagungszyklus während der Hochgeschwindigkeitsbewegung durchgeführt wird.

Sobald die Primärverpackung den Bombing-Rotor verlässt, durchläuft sie direkt eine Headspace-Analyse-Prüfstation (HSA). Da sich das Spurengas bereits in undichten Behältern angesammelt hat, reicht ein einziger, für die Erkennung optimierter HSA-Laserkopf aus, um die Messung durchzuführen.

Wichtige Leistungskennzahlen des Inline-Systems:

• Durchsatzgeschwindigkeit im kontinuierlichen Betrieb: Erreicht Durchsatzraten von bis zu 600 Fläschchen pro Minute.
• Kompromisslose Lecksensitivität: Erkennt zuverlässig kleinste Leckagen bis hinunter zu 10 micorns.
• Minimierter Platzbedarf: Durch den Einsatz eines kontinuierlichen mechanischen Rotors in Verbindung mit einem einzigen Lasersensor entfallen der große Platzbedarf und die komplexe Wartung mehrerer Kammern, wie sie bei groß angelegten Differenzdruckanordnungen anfallen.

Die Dichtheit ist nur ein Aspekt der Gesamtqualität pharmazeutischer Verpackungen. Je nach Produkt und Behälterformat lassen sich daher das Inline-Bombing und der HSA-Prozess mit der automatisierten visuellen Inspektion (AVI) auf einer einzigen Inspektionsplattform kombinieren.

Nach dem CCIT können spezielle Kamerastationen weitere Qualitätskriterien prüfen, wie zum Beispiel:

• Füllstand und Vorhandensein des Produkts
• Sichtbare Partikel und Fremdkörper
• Optische Mängel und Oberflächenunregelmäßigkeiten
• Verformungen, Dellen oder beschädigte Konturen des Behälters
• Absplitterungen durch Schneide- oder Fertigungsprozesse
• Korrekte Positionierung und Zustand der Verschlusskomponenten

Bei Produkten, die zur Sedimentation neigen, können maßgeschneiderte Bewegungsprofile Partikel vor der Prüfung mobilisieren. Kontinuierliche Rotation und mehrere Kameraperspektiven sorgen für eine umfassende Abdeckung bei gleichzeitig schonender und stabiler Handhabung des Produkts.

Durch die Integration von Bombing, HSA und AVI in ein Inline-System können Hersteller sowohl die Dichtheit von Behälterverschlüssen als auch sichtbare Produkt- oder Verpackungsfehler bei Produktionsgeschwindigkeit bewerten. Dies reduziert die Anzahl separater Maschinen, vereinfacht die Linienintegration und ermöglicht eine umfassendere Qualitätsbewertung innerhalb eines koordinierten Prüfprozesses.

Durch die Kombination deterministischer Dichtheitsprüfungen mit automatisierter Sichtprüfung können selbst komplexe Verpackungsformate sowohl auf mikroskopische Undichtigkeiten als auch auf sichtbare Qualitätsmängel geprüft werden, ohne den Produktionsdurchsatz zu beeinträchtigen.