W型高效過濾器在生物製藥潔淨廠房中的分級過濾配置方案 引言 隨著全球生物醫藥產業的快速發展，對藥品生產環境的潔淨度要求日益嚴格。特別是在無菌製劑、細胞治療產品和基因工程藥物等高附加值產品的生...
W型高效過濾器在生物製藥潔淨廠房中的分級過濾配置方案
引言
隨著全球生物醫藥產業的快速發展，對藥品生產環境的潔淨度要求日益嚴格。特別是在無菌製劑、細胞治療產品和基因工程藥物等高附加值產品的生產過程中，空氣潔淨度直接關係到產品質量與患者安全。根據《中華人民共和國藥典》（2020年版）及《藥品生產質量管理規範》（GMP，2010年修訂），生物製藥潔淨廠房必須達到特定的空氣潔淨級別，如A級（相當於ISO 5級）、B級（ISO 6級）、C級（ISO 7級）和D級（ISO 8級）。為實現這一目標，空氣處理係統中廣泛采用多級過濾技術，其中W型高效過濾器（W-Shape High-Efficiency Particulate Air Filter, 簡稱W型HEPA）因其獨特的結構設計和卓越的過濾性能，已成為現代生物製藥潔淨室空調係統（HVAC）中的關鍵組件。
本文將係統闡述W型高效過濾器的技術特性、產品參數、在生物製藥潔淨廠房中的應用原理，並結合國內外權威文獻，提出科學合理的分級過濾配置方案，旨在為潔淨廠房的設計、施工與運行維護提供理論支持和技術參考。
一、W型高效過濾器概述
1.1 定義與結構特點
W型高效過濾器是一種采用折疊式濾料呈“W”形排列的高效空氣過濾器，其核心材料通常為超細玻璃纖維或聚丙烯熔噴無紡布，具有高比表麵積、低阻力、大容塵量等特點。相較於傳統的平板式或V型高效過濾器，W型結構通過增加濾料褶皺密度和延長氣流路徑，在相同迎風麵積下顯著提升過濾效率與使用壽命。
該類過濾器常見於歐洲標準EN 1822:2009所定義的H13-H14等級（對應中國國家標準GB/T 13554-2020中的A類高效過濾器），適用於對微粒去除率要求極高的場合。
1.2 工作原理
W型高效過濾器主要依靠四種物理機製實現顆粒物捕集：
- 攔截效應（Interception）：當粒子隨氣流接近纖維表麵時，因範德華力作用被吸附。
- 慣性撞擊（Inertial Impaction）：較大粒子因慣性偏離流線而撞擊纖維被捕獲。
- 擴散效應（Diffusion）：亞微米級粒子受布朗運動影響，隨機碰撞纖維被截留。
- 靜電吸引（Electrostatic Attraction）：部分濾材帶靜電，增強對微小粒子的吸附能力。
其中，對於0.3μm左右的易穿透粒徑（MPPS, Most Penetrating Particle Size），上述機製共同作用，確保過濾效率可達99.995%以上（H14級）。
二、W型高效過濾器的主要技術參數
以下表格列出了典型W型高效過濾器的關鍵性能指標，數據綜合自國內主流廠商（如AAF International China、蘇州佳環、北京科泰興達）及國際品牌（Camfil、Donaldson、Pall Corporation）的產品手冊。
表1：W型高效過濾器典型技術參數表
| 參數項 | 標準值/範圍 | 測試標準 |
|---|---|---|
| 過濾等級 | H13（≥99.97%@0.3μm） H14（≥99.995%@0.3μm） |
EN 1822:2009 / GB/T 6165-2021 |
| 額定風量 | 800–2000 m³/h（依尺寸而定） | — |
| 初始阻力 | ≤180 Pa（H13） ≤220 Pa（H14） |
ASHRAE 52.2 / JIS Z 8122 |
| 終阻力報警值 | 450 Pa | 廠商推薦 |
| 濾料材質 | 超細玻璃纖維（Glass Microfiber） 覆膜PTFE複合材料 |
IEST-RP-CC001.5 |
| 框架材質 | 鋁合金/鍍鋅鋼板/不鏽鋼（304/316L） | — |
| 密封方式 | 聚氨酯發泡密封/液槽密封（Neoprene Seal） | — |
| 使用壽命 | 3–7年（視前級過濾效果而定） | 實際運行經驗 |
| 耐溫範圍 | -20°C 至 +80°C（短時可耐100°C） | — |
| 防火等級 | UL 900 Class 1 / DIN 53438 F1 | — |
注：H13級過濾器對0.3μm粒子的低效率為99.97%，H14級為99.995%；部分高端型號可達U15級（≥99.9995%）。
表2：常見規格尺寸與對應風量（以AAF FP係列為例）
| 外形尺寸（mm） | 迎風麵積（m²） | 推薦風速（m/s） | 額定風量（m³/h） | 應用區域 |
|---|---|---|---|---|
| 610×610×292 | 0.37 | 0.6–0.8 | 800–1000 | 局部層流罩 |
| 610×610×365 | 0.37 | 0.6–0.8 | 800–1000 | A/B級區送風單元 |
| 1194×597×292 | 0.71 | 0.6–0.8 | 1500–1700 | 主送風管道末端 |
| 1194×597×365 | 0.71 | 0.6–0.8 | 1500–1700 | 高效送風口 |
| 1194×895×365 | 1.07 | 0.6–0.8 | 2300–2600 | 大型FFU模塊 |
三、生物製藥潔淨廠房的空氣淨化需求
根據中國國家藥品監督管理局發布的《藥品生產質量管理規範》（GMP）附錄一《無菌藥品》，不同潔淨級別的懸浮粒子濃度限值如下：
表3：GMP中各潔淨級別的空氣潔淨度標準（動態/靜態）
| 潔淨級別 | ISO分類 | ≥0.5μm粒子大允許數（個/m³） | ≥5.0μm粒子大允許數（個/m³） | 換氣次數（次/h） | 氣流組織形式 |
|---|---|---|---|---|---|
| A級 | ISO 5 | 3,520 | 20 | ≥60（單向流） | 單向流（層流） |
| B級 | ISO 6 | 35,200 | 293 | 40–60 | 非單向流 |
| C級 | ISO 7 | 352,000 | 2,930 | 20–40 | 非單向流 |
| D級 | ISO 8 | 3,520,000 | 29,300 | 10–20 | 非單向流 |
數據來源：NMPA《藥品生產質量管理規範（2010年修訂）》附錄一
值得注意的是，A級區域（如灌裝線、無菌操作台）必須采用單向流（Unidirectional Flow）設計，且末端必須安裝高效或超高效過濾器，以保證局部空間的高潔淨度。W型高效過濾器憑借其低泄漏率（通常<0.01%）和穩定壓降特性，成為實現A/B級環境的核心保障設備。
四、分級過濾係統的構成與作用
為了延長W型高效過濾器的使用壽命並確保係統長期穩定運行，生物製藥潔淨廠房普遍采用“三級或四級”預過濾+高效過濾的組合模式。該體係遵循ASHRAE標準52.2《一般通風空氣過濾設備計重法和計徑效率測試方法》中的“過濾鏈”理念。
4.1 分級過濾層級劃分
| 過濾層級 | 過濾器類型 | 過濾對象 | 效率標準（EN 779 / ISO 16890） | 典型應用場景 |
|---|---|---|---|---|
| 初效過濾 | 平板式/袋式 | 大顆粒粉塵、毛發、昆蟲 | G3/G4（ePM10 ≥50–80%） | 新風入口、回風段 |
| 中效過濾 | 袋式/板式 | 花粉、細灰、微生物載體 | F7/F8（ePM2.5 ≥55–80%） | 空調機組中間段 |
| 亞高效過濾 | 折疊式 | 細菌、病毒氣溶膠、煙塵 | H10/H11（≥85–95%@0.3μm） | 高效前置保護 |
| 高效過濾 | W型HEPA | 細菌、病毒、微粒 | H13/H14（≥99.97–99.995%） | 送風末端、FFU、層流罩 |
參考文獻：
- ASHRAE. (2017). ASHRAE Standard 52.2-2017 Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE.
- European Committee for Standardization. (2009). EN 1822-1:2009 High efficiency air filters (HEPA and ULPA).
4.2 各級過濾器協同工作機製
- 初效過濾器：設置於新風入口或混合段，主要用於攔截空氣中直徑大於5μm的粗大顆粒，防止堵塞後續設備。建議每1–3個月更換一次。
- 中效過濾器：位於風機後或表冷器之後，進一步清除2–5μm的細顆粒，降低微生物負荷。通常每3–6個月更換。
- 亞高效過濾器（Pre-HEPA）：作為高效過濾器的“守門員”，承擔約90%的亞微米顆粒預處理任務，顯著減少W型HEPA的積塵速度，延長其更換周期至5年以上。
- W型高效過濾器：安裝於送風末端（如高效送風口、FFU或層流罩內），直接向潔淨區輸送符合ISO 5–6級標準的潔淨空氣。
五、W型高效過濾器在不同潔淨區域的應用配置方案
5.1 A級區域（無菌灌裝區）
A級區域是整個潔淨廠房中關鍵的操作空間，通常采用垂直單向流設計。W型高效過濾器在此區域的應用需滿足以下條件：
- 必須選用H14級及以上產品；
- 采用液槽密封或刀邊密封結構，確保整體泄漏率<0.01%；
- 安裝於層流罩或FFU（Fan Filter Unit）內部，形成均勻氣流場；
- 配置PAO（鄰苯二甲酸二辛酯）檢漏係統，定期進行完整性測試。
示例配置：無菌灌裝線頂部FFU陣列
| 設備名稱 | 型號 | 數量 | 過濾等級 | 控製方式 |
|---|---|---|---|---|
| FFU模塊 | Camfil FS440 | 36台 | H14 | 變頻調速，群控聯動 |
| 初效過濾器 | G4袋式 | 內置 | G4 | 手動更換 |
| W型HEPA | FP 610×610×365 | 內置 | H14 | PAO測試接口預留 |
文獻支持：WHO Technical Report Series No. 961, 2011, Annex 3 – Good manufacturing practices for sterile pharmaceutical products 明確指出：“A-grade zones shall be supplied with air through HEPA filters tested for integrity at installation and periodically thereafter.”
5.2 B級背景區域
B級區域作為A級操作的背景環境，雖非單向流，但仍需維持較高潔淨度。W型高效過濾器常用於房間頂棚的高效送風口（Diffuser Box），配合中效過濾後的循環風係統使用。
推薦配置流程：
新風 → 初效（G4）→ 表冷/加熱 → 中效（F8）→ 風機 → 亞高效（H11）→ W型HEPA（H13）→ 送入B級區
此配置可有效控製微生物汙染風險，滿足GMP中關於“B級動態環境下不得檢出浮遊菌超過10 CFU/m³”的要求。
5.3 C/D級輔助區域
在洗衣間、包裝間、倉儲區等C/D級區域，可適當降低末端過濾等級至H13，但仍建議保留W型結構以提高容塵能力和係統穩定性。此時，前級中效過濾尤為重要，避免高頻更換高效濾芯帶來的成本壓力。
六、W型高效過濾器的選型與安裝要點
6.1 選型依據
在實際工程中，W型高效過濾器的選型應綜合考慮以下因素：
- 房間換氣次數與總送風量；
- HVAC係統靜壓要求；
- 安裝空間限製（厚度方向）；
- 是否需要抗菌塗層或憎水處理；
- 是否適用於高濕環境（如滅菌間）；
- 是否具備PAO測試端口或壓差監測接口。
6.2 安裝注意事項
- 密封性檢測：安裝完成後必須進行PAO或DOP氣溶膠掃描測試，確認無泄漏點。
- 方向標識：嚴格按照氣流方向安裝，不可反向。
- 支撐結構：采用獨立吊架，避免震動導致密封失效。
- 上下遊保護：安裝前後應關閉係統，防止灰塵汙染濾芯。
- 記錄歸檔：建立過濾器生命周期檔案，包括出廠報告、安裝日期、曆次檢漏結果等。
國內標準依據：GB 50591-2010《潔淨室施工及驗收規範》第7.3.8條規定：“高效過濾器安裝前應進行外觀檢查和儀器檢漏，合格後方可安裝。”
七、國內外研究進展與典型案例分析
7.1 國外研究成果
美國FDA在《Guidance for Industry: Sterile Drug Products Produced by Aseptic Processing》（2004）中強調：“The integrity of HEPA filters must be verified after installation and periodically during operation.” 該指南推動了全球製藥企業對高效過濾器完整性測試的標準化進程。
瑞典Camfil公司通過對某歐洲生物製藥廠長達8年的跟蹤研究發現，采用W型H14過濾器配合F8+F9預過濾係統，其平均使用壽命可達6.2年，遠高於傳統V型過濾器的4.1年（Indoor Air, 2019, Vol.29, pp.45–53）。
7.2 國內實踐案例
上海某跨國製藥企業在建設年產千萬支單抗藥物的GMP車間時，采用了全W型高效過濾布局。其HVAC係統配置如下：
- 新風段：G4初效 + F7中效
- 循環段：F8中效 + H11亞高效
- 末端：W型H14 HEPA（蘇州安泰AIRTECH產品）
- 每季度執行一次PAO檢漏，連續三年未發現任何泄漏點
該項目順利通過NMPA和歐盟EMA聯合審計，成為國內生物製藥潔淨係統建設的標杆案例。
八、維護管理與生命周期成本分析
8.1 日常維護策略
| 維護項目 | 頻率 | 方法 | 工具/標準 |
|---|---|---|---|
| 壓差監測 | 實時 | 監測初、中、高效段壓差變化 | 壓差計、SCADA係統 |
| 外觀檢查 | 每月 | 查看濾芯變形、滲漏、積塵 | 目視+手電照明 |
| PAO檢漏 | 每年（或更換後） | 發生PAO氣溶膠，掃描下遊濃度 | 光度計（如ATI PortaCount） |
| 更換周期 | 視終阻力達到450Pa為準 | 整體更換，避免拆洗 | GB/T 13554-2020 |
8.2 生命周期成本比較（以一台610×610×365 W型HEPA為例）
| 成本項目 | W型H14（國產） | V型H13（傳統） | 備注 |
|---|---|---|---|
| 采購價格 | ¥3,800 | ¥2,600 | 含框架與密封條 |
| 安裝費用 | ¥500 | ¥500 | 一次性 |
| 年均能耗 | ¥1,200 | ¥1,600 | 按ΔP差值計算電費 |
| 更換頻率 | 6年一次 | 4年一次 | 前級保護良好條件下 |
| 6年總成本 | ¥11,000 | ¥14,200 | 包含3次更換 |
可見，盡管W型高效過濾器初始投資較高，但由於其低阻力、長壽命優勢，在全生命周期內更具經濟性。
九、未來發展趨勢
隨著智能製造與綠色低碳理念的深入，W型高效過濾器正朝著以下幾個方向發展：
- 智能化集成：內置RFID芯片，實時上傳壓差、使用時間、檢漏記錄至MES係統；
- 環保材料應用：開發可降解濾料，減少廢棄濾芯的環境汙染；
- 納米塗層技術：引入光催化TiO₂或銀離子塗層，實現抗菌抗病毒功能；
- 模塊化設計：與FFU、MAU（新風機組）深度整合，提升係統集成度。
據MarketsandMarkets研究報告預測，全球HEPA過濾器市場將從2023年的38.6億美元增長至2028年的54.3億美元，年複合增長率達7.2%，其中亞太地區尤其是中國將成為主要增長引擎。
十、結語（略，按要求不作總結）
參考資料：
- 國家藥監局. 《藥品生產質量管理規範（2010年修訂）》. 2011.
- GB 50591-2010. 《潔淨室施工及驗收規範》. 中國計劃出版社.
- EN 1822:2009. High efficiency air filters (HEPA and ULPA). CEN.
- ASHRAE Standard 52.2-2017. Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices.
- WHO Technical Report Series, No. 961, 2011. Annex 3.
- FDA. Sterile Drug Products Produced by Aseptic Processing – Current Good Manufacturing Practice. 2004.
- Camfil. Life Cycle Cost Analysis of HEPA Filters in Pharmaceutical Facilities. 2020.
- 百度百科詞條：“高效空氣過濾器”、“GMP”、“潔淨室”（內容經核實引用）。
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