基于V型密褶结构的化学过滤器在制药洁净环境中的应用研究

引言

在制药行业中，洁净环境的维持是保障药品质量和生产安全的关键因素之一。随着制药工艺的不断进步，对洁净空气的要求也日益提高，尤其是在高风险的无菌生产环境中，空气中的化学污染物可能对产品质量、设备性能及人员健康造成严重影响。因此，化学过滤器作为洁净空气系统的重要组成部分，在制药洁净环境中发挥着不可替代的作用。

传统的化学过滤器多采用颗粒状活性炭或其他吸附材料填充结构，存在体积大、压降高、吸附效率不稳定等问题。近年来，基于V型密褶结构的化学过滤器因其紧凑的设计、高效的吸附性能和较低的运行阻力而受到广泛关注。V型密褶结构通过增加单位体积内的过滤面积，提高了吸附材料的利用率，同时降低了气流阻力，从而提升了整体过滤效率。

本文将围绕V型密褶结构化学过滤器的技术原理、产品参数、在制药洁净环境中的应用优势及实际案例进行深入探讨，并结合国内外研究成果，分析其在制药行业中的应用前景。

一、V型密褶结构化学过滤器的技术原理

1.1 结构特点

V型密褶结构化学过滤器的核心设计在于其独特的褶皱形式。与传统的平板式或圆筒式结构不同，V型褶皱通过在过滤材料上形成连续的“V”字形折叠，显著增加了单位体积内的过滤面积。这种结构不仅提高了吸附材料的填充密度，还有效延长了气流通过路径，从而增强了污染物的接触时间与吸附效率。

图1展示了V型密褶结构的示意图：

图1：V型密褶结构示意图

1.2 工作原理

V型密褶化学过滤器主要依赖吸附、催化氧化或化学反应等机制去除空气中的气态污染物（如VOCs、酸性气体、碱性气体等）。常见的吸附材料包括活性炭、分子筛、活性氧化铝、硅胶等。其中，活性炭因其高比表面积和良好的吸附性能被广泛使用。

在V型结构中，气流通过褶皱间的通道时，污染物与吸附材料的接触面积大幅增加，从而提高了去除效率。此外，V型结构还能有效减少气流短路现象，确保气流均匀分布，避免局部吸附材料过早饱和。

二、产品参数与性能指标

2.1 主要产品参数

以下为某型号V型密褶化学过滤器的主要技术参数（以某知名厂商产品为例）：

参数名称	数值范围	单位	说明
过滤面积	5.2 – 10.8	m²	依据不同型号设计
初始压降	80 – 150	Pa	在额定风量下
吸附容量	≥300	mg/g	对典型VOCs的吸附能力
额定风量	1000 – 3000	m³/h	适用于不同洁净等级环境
滤材类型	活性炭、分子筛	–	可根据污染物种类定制
使用温度范围	-20℃ – 80℃	℃	适应多种工况
使用湿度范围	≤90% RH	–	防止吸附性能下降
更换周期	6 – 12	月	依据污染物浓度与风量调整
安装方式	抽屉式、法兰式	–	便于维护与更换
外形尺寸	484×484×150	mm	标准化尺寸，兼容性强

2.2 性能测试数据

为验证V型密褶结构化学过滤器的实际性能，某研究机构对其在制药洁净车间的应用进行了测试。测试条件如下：

洁净等级：ISO 14644-1 Class 7
空气流量：2000 m³/h
目标污染物：乙酸、甲醛、丙酮、氨气
测试周期：6个月

测试结果如下表所示：

污染物种类	初始浓度（ppm）	过滤后浓度（ppm）	去除效率（%）
乙酸	2.5	0.05	98.0
甲醛	1.8	0.08	95.6
丙酮	3.0	0.12	96.0
氨气	1.2	0.06	95.0

从测试结果可以看出，V型密褶结构化学过滤器在去除多种气态污染物方面表现出优异的性能，去除效率均在95%以上。

三、在制药洁净环境中的应用优势

3.1 高效去除化学污染物

制药洁净环境中的污染物种类繁多，包括有机挥发性化合物（VOCs）、酸碱性气体、微生物代谢产物等。这些污染物不仅可能影响药品质量，还可能对操作人员的健康构成威胁。V型密褶结构化学过滤器能够有效吸附并去除这些污染物，保障洁净环境的稳定性。

例如，在无菌灌装车间中，空气中的乙酸和氨气可能来源于清洁剂或消毒剂的挥发。若不加以控制，这些气体可能与药品成分发生反应，影响其稳定性与纯度。研究表明，V型密褶结构化学过滤器对乙酸的吸附效率可达98%以上（Zhang et al., 2020）。

3.2 降低运行成本

与传统颗粒状活性炭过滤器相比，V型密褶结构具有更高的单位体积吸附效率，这意味着在相同处理能力下，所需过滤器体积更小，减少了设备空间占用。此外，由于其压降较低，风机能耗也相应降低，从而降低了整体运行成本。

一项由美国ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师学会）发布的报告指出，采用V型密褶结构化学过滤器可使系统能耗降低约15%（ASHRAE, 2019）。

3.3 易于维护与更换

V型密褶结构通常采用模块化设计，便于安装与更换。在制药洁净环境中，定期更换过滤器是保障系统稳定运行的重要环节。由于其结构紧凑，维护人员可快速完成更换作业，减少停机时间，提高生产效率。

3.4 多功能性与可定制性

V型密褶结构化学过滤器可根据具体应用场景选择不同的吸附材料组合，如活性炭用于去除VOCs，分子筛用于脱水，活性氧化铝用于去除酸性气体等。这种多功能性使其能够适应不同制药工艺的需求。

例如，在生物制药车间中，常需去除空气中的氨气和硫化氢，此时可选用负载了金属氧化物的活性炭滤材，以提高对特定气体的选择性吸附能力（Wang et al., 2021）。

四、国内外研究现状与案例分析

4.1 国内研究进展

近年来，国内多个研究机构和企业开始关注V型密褶结构化学过滤器在制药洁净环境中的应用。例如，清华大学环境学院与某制药设备公司合作，开发了一款基于V型密褶结构的复合型化学过滤器，该产品在某大型抗生素生产车间中应用后，显著降低了空气中的VOCs浓度（Liu et al., 2022）。

此外，中国药典（ChP）与GMP规范中对制药洁净环境的空气质量提出了明确要求，推动了相关过滤设备的技术升级。国家药品监督管理局（NMPA）也在相关技术指南中推荐使用高效化学过滤器以保障药品生产安全。

4.2 国外研究与应用案例

在国际上，V型密褶结构化学过滤器已被广泛应用于制药、半导体、医院等高洁净要求场所。美国Camfil公司、德国MANN+HUMMEL公司等国际知名过滤设备制造商均推出了成熟的V型化学过滤器系列产品。

例如，Camfil的“MegaSorb”系列化学过滤器采用了V型密褶结构，广泛应用于制药与生物技术领域。据Camfil公司官网数据显示，该系列产品对甲醛的去除效率可达99.5%，且在高湿度环境下仍保持良好性能（Camfil, 2021）。

另一项由德国Fraunhofer研究所进行的实验表明，在制药洁净室中使用V型密褶结构化学过滤器可使空气中总挥发性有机物（TVOC）浓度降低至0.1 mg/m³以下，远低于欧盟GMP标准规定的0.5 mg/m³限值（Fraunhofer, 2020）。

五、V型密褶结构化学过滤器在制药洁净环境中的应用实例

5.1 某生物制药企业洁净车间改造案例

5.1.1 项目背景

某国内生物制药企业在进行洁净车间升级过程中，发现原有颗粒状活性炭化学过滤器存在吸附效率低、更换频率高、运行能耗大等问题。为提升空气质量并降低运营成本，决定引入V型密褶结构化学过滤器进行系统改造。

5.1.2 改造方案

过滤器选型：选用活性炭与分子筛复合型V型密褶化学过滤器，适用于去除VOCs与水分。
安装方式：采用抽屉式安装，便于维护。
系统风量：2000 m³/h
洁净等级要求：ISO Class 7

5.1.3 实施效果

改造完成后，对车间空气质量进行了为期3个月的监测，结果如下：

指标	改造前（ppm）	改造后（ppm）	改善幅度（%）
TVOC	0.8	0.12	降低85%
氨气	0.6	0.05	降低91.7%
甲醛	0.4	0.03	降低92.5%
系统压降（Pa）	200	120	降低40%
年维护成本（万元）	12	8	降低33.3%

通过此次改造，该企业不仅显著提升了洁净车间的空气质量，还实现了运行成本的有效控制。

六、结论与展望（注：本文不设结语段落）

参考文献

Zhang, Y., Li, H., & Wang, J. (2020). Performance evaluation of V-pleated chemical filters in pharmaceutical cleanrooms. Journal of Pharmaceutical Engineering, 45(3), 123-132.
ASHRAE. (2019). HVAC Applications Handbook. Atlanta: ASHRAE.
Wang, L., Chen, X., & Zhao, Q. (2021). Development of metal-impregnated activated carbon for selective gas adsorption in biopharmaceutical environments. Chemical Engineering Journal, 412, 128567.
Camfil. (2021). MegaSorb Series Technical Data Sheet. Retrieved from https://www.camfil.com
Fraunhofer Institute. (2020). Air purification in cleanrooms: Application of V-pleated chemical filters. Technical Report No. 2020-08.
Liu, H., Sun, Y., & Zhou, M. (2022). Application of V-pleated chemical filters in antibiotic production facilities. Chinese Journal of Environmental Engineering, 16(5), 45-52.
中国药典（ChP）. (2020). 中华人民共和国药典. 北京：中国医药科技出版社。
国家药品监督管理局（NMPA）. (2021). 药品生产质量管理规范（GMP）. 北京：NMPA发布。
Wikipedia. (n.d.). Activated carbon. Retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/Activated_carbon
ISO 14644-1:2015. Cleanrooms and associated controlled environments – Part 1: Classification and testing. International Organization for Standardization.