Warum uns Staub das Leben schwer macht?

Abbildung 3: Foto eines Reinraumes in der mikroelektronischen Industrie

Abbildung 1: Schematische Darstellung des laminaren Luftstromes in einer Reinraumzelle

Abbildung 2: Verschiedene Ausführungsformen von Laminar-Flow-Boxen

Tabelle 1: Reinraumklassen nach ISO 14644-1

Der Staub, der in großen Knäuel in Ecken liegt, den sieht man gut, und er lässt sich leicht durch Staubwischen entfernen. Aber wir wollen uns mit dem Staub beschäftigen, der mit dem Auge nicht mehr so gut wahrgenommen werden kann. Dazu greifen wir willkürlich 2 Ereignisse des letzten Jahres auf. Das eine Ereignis ist Saharastaub, denn im letzten Jahr gab es gleich mehrere Ereignisse, bei denen uns Feinstaub aus der Sahara besonders schöne, rotleuchtende Sonnenuntergänge beschert hat. Dieser natürlich verursachte Feinstaub kann je nach Jahreszeit erheblich sein, wie wir das von Wetterlagen, die durch Saharastaub geprägt sind, kennen. Die Zahlen sind gewaltig: Über die Hälfte des globalen troposphärischen Aerosols und etwa 35% der primär emittierten Partikelmasse besteht aus Mineralstaubpartikeln, von denen in Europa etwa die Hälfte aus der Sahara und der Rest aus anderen Wüstenregionen der Erde stammt. Mit ca. 1.8 Mrd. Tonnen pro Jahr trägt Winderosion von Mineralstaub zur globalen Aerosolbilanz bei. Mineralstaub beeinflusst das Erd-Atmosphäre System durch Streuung und teilweise Absorption eintreffender Solarstrahlung aber auch bei der Wolkenbildung durch Kondensationskeime.

Vom Sahara-Staub wissen wir, dass er über hunderte, wenn nicht gar tausende Kilometer weit von den Luftströmungen getragen werden und durch feinste Öffnungen in jeden Innenraum gelangen kann. Als Autofahrer wissen wir auch, wie zäh und rot er auf jedem Autolack klebt.

Das zweite Ereignis haben wir zur Jahreswende erlebt, denn hier wurde das Feinstaubproblem sichtbar: Die Luft war „zum Schneiden”. In diesem Jahr war es nämlich endlich wieder so weit: Das neue Jahr konnte mit einem gewaltigen Feuerwerk begrüßt werden. Ein Feuerwerk ist zwar schön anzusehen, aber die Folgen, insbesondere durch Verletzungen und Sachbeschädigungen, wurden gerade in diesem Jahr besonders kontrovers diskutiert. Wenig bedacht wurden dabei aber die gesundheits-relevanten und wirtschaftlichen Schäden, denn jährlich werden rund 2.050 Tonnen Feinstaub (PM10) durch das Abbrennen von Feuerwerkskörpern meist in der Sylvester-Nacht freigesetzt. Diese Menge entspricht in etwa einem Prozent der gesamt anthropogen freigesetzten Feinstaubmenge pro Jahr in Deutschland.(1)

Wegen seiner physikalischen Eigenschaft werden kleine Partikel auch häufig als Schwebeteilchen bezeichnet. Feinstaub ist ein Teil des Schwebstaubs. Als Schwebstaub (englisch "Particulate Matter": PM) bezeichnet man Teilchen in der Luft, die nicht sofort zu Boden sinken, sondern längere Zeit in der ⁠Atmosphäre⁠ schweben. Je nach ⁠Korngröße⁠ der Staubpartikel unterscheiden wir verschiedene Fraktionen: Unter ⁠PM10⁠ (PM2,5) versteht man vereinfacht alle Staubpartikel, deren aerodynamischer Durchmesser kleiner als 10 Mikrometer (2,5 µm) ist. Beide genannten Größenfraktionen werden täglich an über 600 Messstellen in der gesamten BRD überwacht, und es kommt häufig zu täglichen Überschreitungen der Grenzwerte, auch wenn der zulässige Jahresmittelwert von 40 µg/m3 in 2021 nicht mehr überschritten wurde. Im Allgemeinen wird die PM10-Fraktion als Feinstaub bezeichnet. Feinstaub ist mit bloßem Auge nicht wahrzunehmen, lediglich während bestimmter Wetterlagen oder wie beim Saharastaub oder beim Sylvester Feuerwerk kann man ihn in Form einer "Dunstglocke" sehen.

Unabhängig von ihrer Quelle werden die Eigenschaften dieser Partikel hauptsächlich durch zwei Parameter charakterisiert, nämlich einmal durch ihre Größe, besser gesagt durch ihren hydrodynamischen Durchmesser, und zweitens durch ihre Konzentration, d.h. durch ihre Masse, bzw. Anzahl der Teilchen, pro Kubikmeter Luft.

Feinstaub stammt aus zwei unterschiedlichen Quellen: Aus natürlichen und anthropogenen Quellen. Natürlicher Feinstaub kann wie erläutert durch Bodenerosion hervorgerufen werden aber auch aus biologischen Quellen stammen, wie wir das im Frühjahr beim Pollenflug immer wieder beobachten. Pollen sind für Allergiker selbst in geringster Konzentration unangenehm, und andere biologische Schwebeteilchen wie Sporen von Schimmelpilzen oder Keime, wie Bakterien oder Viren, können Nahrungsmittel verderben oder Krankheiten auslösen. Dieser Anteil des Feinstaubes natürlichen Ursprungs ist unvermeidbar. Allerdings wird ein noch größerer jedoch vermeidbarer Anteil des Feinstaubes durch menschliches Handeln erzeugt: Dieser Feinstaub entsteht durch Emissionen aus Kraftfahrzeugen, Kraft- und Fernheizwerken, Öfen und Heizungen in Wohnhäusern, bei der Metall- und Stahlerzeugung oder auch beim Umschlagen von Schüttgütern. In Ballungsgebieten ist der Straßenverkehr die dominierende Staubquelle. Dabei gelangt Feinstaub nicht nur aus Motoren – vorrangig aus Dieselmotoren – in die Luft, sondern auch durch Bremsen- und Reifenabrieb sowie durch die Aufwirbelung des Staubes. Eine weitere wichtige Quelle ist auch die Landwirtschaft, denn die Emissionen gasförmiger Vorläuferstoffe, insbesondere die Ammoniakemissionen aus der Tierhaltung, tragen zur sekundären Feinstaubbildung bei. Die anthropogenen Feinstaubemissionen werden in Deutschland auf ~ 200.000 t (nach Angaben des Umweltbundesamtes) pro Jahr geschätzt.

Zusammenfassend können wir sagen, dass Schwebeteilchen (Staub- und Feinstaubpartikel, Keime, Aerosole oder andere Biopartikel) überall in der Umgebungsluft und in Innenräumen vorkommen und wegen ihrer kleinen Abmessungen unter 10 µm lange in der Raumluft verweilen oder mit dem Luftstrom über große Entfernungen transportiert werden können.

Wo und was müssen wir vor Feinstaub schützen?

Nicht nur für den Menschen ist Feinstaub schädlich und kann gesundheitliche Probleme verursachen, sondern auch mikroelektronische, medizinische oder pharmazeutische Produkte können in Mitleidenschaft gezogen werden! Dies gilt ganz besonders für die Fertigung von mechanischen und elektronischen Bauteilen, deren Struktureigenschaften im µm-Bereich liegen, wie in der Mikroelektronik, bei hochauflösenden optischen Komponenten, wie Sensoren, insbesondere bei Kamera- und Videobildsensoren, aber auch in der Datenspeicherung.

Bei medizintechnischen und pharmazeutischen Produkten stören insbesondere Partikel mit biologischem Ursprung, denn für viele Produkte muss eine Keimfreiheit garantiert werden bzw. darf die Zahl an Keimen bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten.
Produkte, deren Eigenschaften von Partikel egal welchen Ursprungs, verändert, beeinträchtigt oder komplett zerstört werden können, müssen vor Partikeln jeglicher Art geschützt werden, wenn bestimmte Produktqualitäten und -eigenschaften gefordert werden.
Wenn wir über Partikelbelastungen von Innenräumen sprechen, müssen wir zwei Quellen im Auge behalten. Feinstaubpartikel, die aus der Umgebungsluft stammen, lassen sich recht einfach durch geeignete Luftströmungen und Luftfilteranlagen in den Griff bekommen. Aber die zweite Partikelquelle ist der Mensch selbst, denn er setzt eine sehr große Anzahl dieser Schwebeteilchen als Aerosol beim Sprechen und bei jedem Atemzug oder direkt als Partikel (Hautschuppen, Faserteilchen der Kleidung) bei jeder Bewegung frei. Immer dann, wenn Menschen in der Produktion, Herstellung oder Verpackung involviert sind, ist deshalb zusätzlicher Handlungsbedarf gegeben. Allein durch Haut und Kleidung werden in einem reinen Raum (ISO-Klasse 8) von jeder Person in einer Schicht mehr als 600 Millionen Partikel (> 0,5 µm Ø) pro Kubikmeter abgegeben, wie Daten des Fraunhofer Institutes für Prozesstechnik und Automation (IPA) aus Stuttgart zeigen.

Wie können wir Produkte vor Feinstaub schützen?

Unter den verschiedenen technischen Möglichkeiten zur Reinigung von Raumluft haben sich Filtertechniken besonders bewährt, weil sie eine preiswerte und im Betrieb kostengünstige Alternative darstellen und auch nachträglich noch nachgerüstet werden können. Nur durch eine sachgemäße Reinigung der Raumluft lassen sich Schwebeteilchen und Feinstaub vermeiden!

Mit dem Einbau einer Luftreinigungsanlage ist es deshalb allein nicht getan, um Partikel aus der Fertigung und Verpackung fernzuhalten, sondern es muss ein strategisches Gesamtkonzept erstellt werden. Dies besteht aus einer ganzen Reihe von Maßnahmen, wie der Reinigung der Raumluft durch geeignete Filteranlagen, das Tragen geeigneter Schutzkleidung, die Optimierung von Arbeitsabläufen und die direkte Abschirmung der Produkte vor Partikeln, die von Mitarbeitern emittiert werden können. Bei besonders hohen Anforderungen werden Personen- und Produktschleusen ebenso notwendig wie die Schulung des Personals und die Qualitätskontrolle der Raumluft durch regelmäßige Messung der Partikelanzahl.

Die Qualität eines Reinraumes oder entsprechender kleinerer Reinraumbereiche, wie einer Flow-Box, wird nach DIN-Norm EN ISO 14644 beurteilt, in der die Güteklassen durch die Anzahl der Teilchen in einer vorgegebenen Größen-Fraktion definiert werden: Siehe Tabelle 1.(2)

Die Funktion eines Reinraumes ist recht einfach, siehe dazu die schematische Darstellung des laminaren Luftstromes in einer Reinraumzelle in Abbildung 1. Die Raumluft wird mittels eines Ventilators (meist bevorzugen unsere Kunden besonders geräuscharme Ventilatoren der Super-Silent Serie) angesaugt und durch einen Hochleistungs-Partikel-Filter gepresst. Beide Komponenten sind im oberen Deckenbereich in einem Modul der FMS Serie der Firma Spetec GmbH eingebaut. Der HEPA 14 Filter weist einen Isolationsfaktor von 104 auf und reduziert so die Anzahl der Partikel und verbessert die Luftqualität im Inneren um mindestens das 10.000-fache gegenüber der äußeren Umgebungsluft. Durch die Filteranordnung wird im Arbeitsbereich hinter den Glasscheiben (oder Lamellen) ein laminarer Luftstrom erzeugt, was heißt, dass die Luft wie ein Vorhang von oben nach unten in parallelen Stromlinien fließt und die Probe, das Produkt oder den Arbeitsbereich durch einen Überdruck vor eintretenden Partikeln geschützt wird. Schwebeteilchen, die sich in der Raumluft befinden oder vom Personal freigesetzt wurden, werden vom Luftstrom erfasst und durch einen Abluftkanal entfernt oder durch einen Rückluftkanal wieder zur Filtereinheit zurückgeführt.

Alternativ zu einer großen Reinraumzelle haben sich für viele Anwendungen kleinere Module, die Laminar-Flow-Boxen, bewährt und in Abbildung 2 sind verschiedene Ausführungsformen gezeigt, die für unterschiedliche Anwendungen in der Fertigung, Montage oder Verpackung mikroelektronischer oder optoelektronischer Bauteile entwickelt wurden. Je nach Ausführungsvariante sind diese auch als zertifizierte Werkbank der ISO-Klasse 5 in unterschiedlichen Größen erhältlich oder wurden mit bestimmten Werkstoffen gefertigt, um die Anforderungen nach dem GMP Leitfaden, Annex Biokontamination, zu erfüllen und um Keime im Arbeitsbereich dauerhaft zu vermeiden.

Durch Kombination von Reinräumen oder Laminar-Flow-Boxen lassen sich ganze Fertigungs-Straßen aufbauen, so dass das Produkt an keiner Stelle des Fertigungsablaufes mehr mit Partikeln jeglicher Art in Kontakt kommen kann. Die Aufstellung oder Anordnung, aber auch die Auslegung einzelner Komponenten kann auf die Bedürfnisse des Kunden angepasst werden.

Anwendungsbeispiel: Montage von mikro-elektronischen Sensoren für hochauflösende Videokameras

An dieser Stelle soll ein Reinraumkonzept an einem Beispiel diskutiert werden. Bei der Montage von hochauflösenden Kamera- und Videosensoren können schon winzigste Staubpartikel zu riesigen Störfaktoren werden. Je hochauflösender die Kameras, desto aufwendiger wird die Herstellung und Montage. Um jegliche Verunreinigung bei ihren Videotechnik-Systemen zu vermeiden, hat sich ein Kunde für die Installation eines ISO Klasse 5-Reinraums von SPETEC GmbH aus Erding entschieden, denn die Nachfrage nach hochauflösenden und immer schnelleren Kamerasensoren wächst stetig, genauso so wie die Qualitätsanforderungen.

Partikelfreiheit ist bei der Montage der in den Kameras verbauten Sensoren notwendig, um die sehr staubempfindlichen Komponenten in den komplexen mikro-elektronischen Systemen zu schützen. Das gemeinsam erarbeitete Konzept hierfür umfasste neben reinraumtypischen Größen auch die Forderung nach bestmöglichen Arbeitsbedingungen in ergonomischer Hinsicht.

Die installierte SPETEC-Reinraumzelle mit den Maßen 9 x 4 m, siehe Foto in der Abbildung 3, besteht aus einem flächenbündigen Wandsystem aus Aluminium-Festelementen und Sichtfenstern sowie Schiebetüren für die Personalschleuse, ferner einer einflügeligen Tür als Notausgang und Service-Ein-/Ausgang. Zusätzlich zur Klimaanlage wurden sechs Laminar-Flow-Module zur Luftfilterung in der Version „SuSi Super Silent“ eingebaut, um an den vier Arbeits- bzw. Montageplätzen, wie überall im Unternehmen, ergonomisch bestmögliche Arbeitsbedingungen für die Mitarbeiter/innen zu gewährleisten, und den Geräuschhintergrund auf ein absolutes Minimum zu minimieren. Das Personal trägt fusselfreie Kleidung, Hauben, Mundschutz und Überziehschuhe, wodurch Partikelemissionen durch Mitarbeiter/innen drastisch reduziert werden können, um die Partikelfreiheit im Reinraum auch während der verschiedenen Arbeitsgänge aufrecht erhalten zu können.

Die installierten SPETEC® Laminar Flow Module FMS verwenden einen Hochleistungsfilter des Typs H14 mit einem Abscheidegrad von 99,995 Prozent, wodurch ein Isolationsfaktor von 104 erreicht wird. Dies bedeutet, dass die Luftqualität unter dem Laminar Flow Modul gegenüber der Umgebung mindestens um das 10.000-fache verbessert wird und die Partikelkonzentration innerhalb der Einheit von rund 15 Mio./m3 auf etwa 1.500 Partikel im Größenbereich von mehr als 0,5 µm reduziert wird.

Ferner umfasst die Installation ein Partikel-Messgerät, eine Materialschleuse mit Druckluftreinigung, an einem Arbeitstisch eine Absauganlage für lokale Aerosole, wie sie beim Löten entstehen, eine abgestimmte LED-Beleuchtung in der Decke, sowie eine extra Flow Box in der Schleuse zur Vorreinigung der elektronischen und optischen Bauteile. In dieser Konstellation wird selbst bei voller Personalbesetzung eine Reinraumklasse ISO 5 gewährleistet, was täglich kontrolliert und dokumentiert wird.

In der Reinraumzelle befinden sich als weitere "Möblierung" ein Garderobenschrank und eine Sitzbank. So ist laut dem Unternehmen ein Höchstmaß an Reinheit im Montageprozess und damit eine maximale Produktqualität sichergestellt, wenn die Sensorboards und Objektive der verschiedenen Kameratypen unter diesen optimalen Bedingungen miteinander luftdicht verschraubt werden.

Fazit

Zusammenfassend bleibt zu sagen, dass Laminar-Flow-Boxen ideal sind, um Produkte immer dann vor Partikeln und Keimen zu schützen, wenn die Produktionsschritte mit wenig Raumbedarf auskommen. Wachsen die Bedürfnisse des Kunden kann durch eine Kombination von Reinraummodulen eine ganze Fertigungs-Straße aufbaut werden. Wird ein großer Raumbedarf benötigt oder gefordert, dass die Boxen begehbar sein sollen, weil komplexere Produktion oder Verpackung notwendig werden, dann ist ein Reinraum oder eine Reinraumzelle eine ideale Lösung. Ein vorhandener Reinraum kann jederzeit durch das verwendete Modulsystem auch nachträglich erweitert werden. Dies schützt den Kunden vor teuren Fehlinvestitionen und ist besonders nachhaltig, weil vorhandene Komponenten in ein neues Konzept integriert werden können.

Die Firma SPETEC GmbH verfügt über jahrzehntelange Erfahrung bei Entwicklung und Anwendung von Reinraum- und Luftreinigungsanlagen und bietet ihren Kunden nicht nur eine technische Lösung an, sondern entwickelt mit ihnen auch ein kostengünstiges strategisches Gesamtkonzept. +

(1) Feinstaub durch Silvesterfeuerwerk / Umweltbundesamt
(2) https://www.beuth.de/de/norm/din-en-iso-14644-1/238330395