生物制药洁净车间高效过滤器的完整性测试方法

一、引言

在生物制药行业中，洁净车间是确保药品质量、防止微生物和微粒污染的关键环境。高效过滤器（High-Efficiency Particulate Air Filter，简称HEPA Filter）作为洁净室空气处理系统的核心组件，承担着去除空气中0.3微米以上颗粒物的重要任务，其过滤效率通常要求达到99.97%以上。然而，高效过滤器在长期运行过程中可能因安装不当、机械损伤、老化或密封失效等原因导致性能下降，从而影响洁净室的洁净度等级。

因此，对高效过滤器进行完整性测试（Integrity Testing）是验证其是否能够持续有效运行的必要手段。完整性测试不仅符合中国《药品生产质量管理规范》（GMP）的要求，也是国际制药行业通行的质量控制标准，如美国FDA、欧盟GMP、ISO 14644系列标准等均对此有明确规定。

本文将系统介绍生物制药洁净车间中高效过滤器完整性测试的原理、方法、测试设备、操作流程、判定标准及国内外相关标准与文献支持，并结合实际应用中的关键参数进行详细分析。

二、高效过滤器的基本参数与分类

2.1 高效过滤器定义与分类

根据国际标准ISO 29463和中国国家标准GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》，高效过滤器是指对粒径≥0.3 μm的粒子捕集效率不低于99.97%的空气过滤器。根据效率等级，可分为：

过滤器等级	标准依据	过滤效率（≥0.3 μm）	应用场景
H13	GB/T 13554, ISO 29463	≥99.95%	一般洁净区
H14	GB/T 13554, ISO 29463	≥99.995%	A/B级洁净区（无菌操作）
U15~U17	ISO 29463	≥99.9995% ~ 99.99999%	超高洁净环境（如隔离器）

注：H13-H14为生物制药中最常用等级，U级多用于半导体或特殊科研环境。

2.2 主要产品参数

参数名称	典型值/范围	说明
额定风量	500–2000 m³/h	依据过滤器尺寸（如610×610×292 mm）
初阻力	180–250 Pa	新过滤器在额定风量下的压降
终阻力	≤450 Pa	达到此值建议更换
过滤效率（0.3 μm）	≥99.97%（H13），≥99.995%（H14）	DOP或PAO测试法测定
框架材质	铝合金、镀锌钢板、不锈钢	影响密封性与耐腐蚀性
滤料材质	超细玻璃纤维	具有高比表面积与静电吸附能力
密封方式	液态密封胶（聚氨酯）、机械压紧	影响完整性测试结果

三、高效过滤器完整性测试的原理

完整性测试的核心是检测过滤器是否存在泄漏点（Leakage），即未经过滤的空气是否通过滤材破损、边框密封不严或安装缝隙进入洁净区。测试方法主要基于气溶胶挑战法（Aerosol Challenge Method），即在上游引入已知浓度的气溶胶颗粒，使用粒子计数器在下游检测泄漏情况。

3.1 测试原理图示

[上游气溶胶发生器] → [HEPA过滤器] → [下游扫描探头] → [粒子计数器]
         ↑（PAO/DOP）                     ↓（检测泄漏）

当过滤器完整时，下游检测到的粒子浓度极低；若存在泄漏，下游浓度将显著升高，据此可定位泄漏点并评估其严重性。

四、完整性测试方法

4.1 常用测试方法比较

方法名称	原理	适用场景	标准依据	优点	缺点
光度计法（Photometer Method）	上游注入气溶胶，下游用光度计测透光率	安装后初验、定期检测	ISO 14644-3, GB/T 14295	操作简便，成本低	灵敏度较低（仅检出≥0.3%泄漏）
粒子计数器法（Particle Counter Method）	上游注入单分散气溶胶，下游计数	高洁净度要求区域	ISO 14644-3, USP	灵敏度高（可检出0.01%泄漏）	设备昂贵，操作复杂
PAO法（Polyalphaolefin）	使用PAO油雾作为气溶胶源	国内主流方法	JGJ 71-90, ISO 14644-3	稳定性好，毒性低	需专用发生器与检测设备
DOP法（Dioctyl Phthalate）	使用邻苯二甲酸二辛酯雾化	传统方法，逐渐淘汰	MIL-STD-282（美军标）	历史悠久，数据可比性强	DOP具潜在致癌性，已被限制使用

注：目前中国生物制药行业普遍采用PAO法进行HEPA完整性测试，因其安全性优于DOP，且符合GMP要求。

4.2 光度计法（PAO法）详细流程

4.2.1 测试设备与材料

设备/材料	型号示例	技术参数
PAO气溶胶发生器	TSI 8160, ATI 2H	温度：20–35℃，雾化压力：20–30 psi，浓度：≥20 μg/L
光度计（Photometer）	TSI 8130, ATI TDA-2G	检测范围：0.0001–100 μg/L，精度±3%
粒子计数器	TSI 9510, Met One 3400+	可测0.1–5.0 μm粒子，流量：1 CFM（28.3 L/min）
扫描探头	1×1 inch（2.54×2.54 cm²）	扫描速度≤5 cm/s
屏蔽罩	透明塑料罩或金属框架	防止环境干扰

4.2.2 测试步骤

系统准备
- 关闭洁净室所有门窗，停止非必要设备运行。
- 启动空调系统，稳定风量至少15分钟。
- 确认上游气溶胶浓度稳定（通常为10–30 μg/L）。
上游浓度测定
- 将光度计探头置于过滤器上游30–50 cm处，记录基准浓度C₀。
下游扫描检测
- 使用扫描探头以≤5 cm/s的速度沿“S”形路径移动，覆盖整个过滤器表面及边框。
- 探头距过滤器表面2–5 cm，避免接触滤纸。
- 实时记录下游浓度C₁。
泄漏判定
- 泄漏率 = (C₁ / C₀) × 100%
- 单点最大允许泄漏率：≤0.01%（H14级）或≤0.03%（H13级）
- 总体穿透率：≤0.005%（ISO 14644-3）
泄漏点定位与修复
- 若发现泄漏，标记位置，使用硅酮密封胶或专用密封剂修补。
- 修复后重新测试，直至合格。

4.3 粒子计数器法（适用于高灵敏度要求）

该方法使用单分散气溶胶（如PSL微球或DEHS雾），通过粒子计数器在下游检测0.3 μm以上粒子数量。

判定标准（依据ISO 14644-3）：

测试方法	允许最大泄漏率	检测粒径	采样流量
粒子计数器法	≤0.01%	0.3 μm	28.3 L/min

操作要点：

上游气溶胶浓度应稳定在10⁵–10⁷ particles/L。
下游采样时间不少于1分钟/点。
扫描路径间距≤5 cm，覆盖滤器全表面及拼接缝、边框。

五、国内外标准与法规要求

5.1 中国标准

标准编号	名称	相关要求
GB/T 13554-2020	《高效空气过滤器》	规定H13/H14效率与测试方法
GB 50073-2013	《洁净厂房设计规范》	要求HEPA定期检测
GMP（2010年修订）	《药品生产质量管理规范》	第四十二条：洁净区空气过滤系统应定期验证
JGJ 71-90	《洁净室施工及验收规范》	明确PAO法为推荐测试方法

5.2 国际标准

标准组织	标准编号	名称	要求摘要
ISO	ISO 14644-3:2019	《洁净室及相关受控环境第3部分：检测方法》	完整性测试为必检项目，推荐光度计或粒子计数法
FDA	Guide to Inspections of Microbiological Pharmaceutical Production	要求HEPA系统在安装、更换后必须进行完整性测试
EU GMP	Annex 1 (2022)	《无菌药品生产》	强调A/B级区域HEPA需定期测试，泄漏率≤0.01%
USP	USP	《洁净室与其他受控环境》	推荐使用PAO或DEHS进行挑战测试

六、测试频率与验证要求

6.1 测试频率建议

情况	建议测试频率	依据
新安装或更换后	100%测试	GMP、ISO 14644-3
正常运行期间	每6个月一次	行业惯例
A/B级洁净区（无菌操作）	每3个月一次	EU GMP Annex 1
经历重大维修或地震后	立即测试	JGJ 71-90
过滤器阻力接近终阻力	增加测试频次	GB 50073

6.2 验证文件要求

完整性测试应纳入洁净室验证主计划（Master Validation Plan），测试报告应包括：

测试日期、环境温湿度、风速
过滤器型号、编号、安装位置
上游气溶胶浓度
下游扫描路径图与泄漏点坐标
最大泄漏率与总体穿透率
测试人员与审核人签字
仪器校准证书编号（有效期）

七、常见问题与解决方案

问题现象	可能原因	解决方案
上游浓度不稳定	气溶胶发生器故障、气流扰动	检查加热器、稳定风量、延长平衡时间
下游持续高读数	过滤器大面积破损或安装错误	更换过滤器，重新安装并密封
局部泄漏	边框密封不严、滤纸穿孔	使用硅胶密封，局部修补或更换
环境背景干扰	室内已有气溶胶污染	清洁环境，关闭无关设备，使用屏蔽罩
光度计读数漂移	仪器未校准、探头污染	定期校准（每年至少一次），清洁探头

八、案例分析：某生物制药企业HEPA测试实例

8.1 背景

某生物制药企业新建A级洁净室（无菌灌装区），安装H14级HEPA过滤器共12台，采用PAO法进行完整性测试。

8.2 测试参数

项目	参数值
过滤器型号	H14, 610×610×292 mm
气溶胶源	PAO-4（Polyalphaolefin）
发生器型号	ATI 2H
光度计型号	TSI 8130
上游浓度	22.5 μg/L
扫描速度	4 cm/s
允许泄漏率	≤0.01%

8.3 测试结果

过滤器编号	最大泄漏率（%）	是否合格	备注
HEPA-01	0.003	是	–
HEPA-02	0.008	是	–
HEPA-03	0.015	否	边框密封不良，重新打胶后复测合格
HEPA-04	0.002	是	–
…	…	…	…
HEPA-12	0.004	是	–

结论：1台不合格，经修复后复测合格，整体通过率100%。

九、发展趋势与新技术

随着智能制造与数字化转型的推进，高效过滤器完整性测试正向自动化、智能化方向发展：

自动扫描机器人：如TSI AeroTrak® Remote 9000系列，可编程路径扫描，减少人为误差。
在线监测系统：在关键区域安装固定式粒子计数器，实现实时泄漏监控。
数据追溯与电子记录：符合FDA 21 CFR Part 11要求，实现测试数据电子化存档与审计追踪。
绿色气溶胶替代：研究使用无毒、可生物降解的气溶胶（如甘油雾）替代PAO。

参考文献

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中华人民共和国住房和城乡建设部. GB 50073-2013《洁净厂房设计规范》[S]. 北京: 中国计划出版社, 2013.
国家市场监督管理总局. GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》[S]. 北京: 中国标准出版社, 2020.
中华人民共和国建设部. JGJ 71-90《洁净室施工及验收规范》[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1991.
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United States Pharmacopeia. USP Microbiological Control and Monitoring of Aseptic Processing Environments [S]. Rockville: USP, 2023.
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