高效过滤器完整性测试方法在洁净工作台验证中的实践
1. 引言
洁净工作台作为制药、生物技术、医院洁净手术室及微电子制造等行业中关键的洁净环境控制设备，其核心功能依赖于高效空气过滤器（High-Efficiency Particulate Air Filter, HEPA）或超高效空气过滤器（Ultra-Low Penetration Air Filter, ULPA）对空气中微粒的高效截留能力。为确保洁净工作台持续提供符合GMP（药品生产质量管理规范）、ISO 14644-1洁净度等级要求的洁净空气，必须对高效过滤器进行定期的完整性测试（Integrity Test），以确认其无泄漏、无破损，从而保障工作区域的洁净度。
高效过滤器完整性测试是洁净工作台验证（Qualification）中的关键环节，属于性能确认（Performance Qualification, PQ）的重要组成部分。本文将系统阐述高效过滤器完整性测试的原理、常用方法、测试流程、关键参数、设备选型及在洁净工作台验证中的实际应用，并结合国内外权威标准与文献，提供详实的技术参数与实践指导。
2. 高效过滤器的基本原理与分类
高效过滤器主要通过拦截、惯性碰撞、扩散、静电吸附等机制捕获空气中0.3 μm及以上的微粒，其过滤效率通常在99.97%以上（HEPA）或99.999%以上（ULPA）。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》，高效过滤器按效率等级分为H10至H14（HEPA）和U15至U17（ULPA）。
| 过滤器等级 | 标准依据 | 过滤效率（0.3 μm） | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| H13 | GB/T 13554-2020 | ≥99.97% | 洁净工作台、局部洁净区 |
| H14 | GB/T 13554-2020 | ≥99.99% | 无菌制剂操作区 |
| U15 | ISO 29463 | ≥99.999% | 半导体洁净室 |
| U17 | ISO 29463 | ≥99.99995% | 高精度微电子制造 |
高效过滤器一旦出现破损或密封不严，将导致洁净区微粒浓度超标，严重影响产品质量与操作安全。因此，完整性测试是确保过滤器性能可靠的核心手段。
3. 高效过滤器完整性测试的原理
完整性测试的核心目标是检测高效过滤器是否存在结构性缺陷或安装密封不良导致的泄漏。测试原理主要基于在过滤器上游施加一定浓度的气溶胶挑战，然后在下游使用高灵敏度粒子计数器检测穿透粒子浓度，通过计算穿透率或扫描法定位泄漏点。
根据测试方式的不同，完整性测试可分为总效率测试法（整体测试）和局部扫描测试法（扫描法）两类。其中，局部扫描法因能精确定位泄漏点，被广泛应用于洁净工作台的验证。
3.1 气溶胶挑战源
完整性测试需使用标准气溶胶作为挑战粒子，常用的气溶胶包括：
- DOP（邻苯二甲酸二辛酯）：传统测试气溶胶，粒径分布集中于0.3 μm，适用于HEPA过滤器测试。
- PAO（聚α烯烃）：环保型替代DOP的气溶胶，毒性低，广泛用于现代洁净室测试。
- PSL（聚苯乙烯乳胶球）：单分散性好，用于校准和高精度测试。
根据美国药典USP 和中国GMP附录1《无菌药品》要求，推荐使用PAO或DOP作为挑战气溶胶。
4. 高效过滤器完整性测试方法
4.1 局部扫描法（Scan Method）
局部扫描法是洁净工作台验证中最常用的完整性测试方法。该方法通过在高效过滤器上游发生PAO或DOP气溶胶，形成均匀的挑战气流，然后使用粒子计数器在过滤器下游以固定速度（通常为5 cm/s）逐点扫描，检测是否存在局部高浓度粒子穿透。
测试流程：
-
准备工作：
- 关闭洁净工作台风机，连接气溶胶发生器至送风系统上游。
- 安装粒子计数器探头于工作台操作面下方，距离过滤器约2.5 cm。
- 确保测试环境无干扰气流，人员远离测试区域。
-
气溶胶发生：
- 启动气溶胶发生器，调节浓度至10–20 μg/L（上游浓度）。
- 稳定10分钟后开始测试。
-
下游扫描：
- 以“之”字形路径缓慢移动探头，覆盖整个过滤器表面及边框密封区域。
- 扫描速度控制在2–5 cm/s，采样周期为10秒/点。
-
泄漏判定：
- 根据ISO 14644-3标准，局部泄漏点的穿透率不得超过0.01%（即下游浓度/上游浓度 ≤ 0.0001）。
- 若某点检测值超过阈值，标记该区域并记录坐标。
优点：
- 可精确定位泄漏点，便于维修。
- 适用于小面积过滤器（如洁净工作台）。
缺点：
- 测试时间较长，依赖操作人员经验。
4.2 总效率测试法（Overall Efficiency Test）
总效率测试法通过测量过滤器上下游的粒子浓度，计算整体穿透率。该方法适用于大风量系统，但在洁净工作台中应用较少。
计算公式：
[
text{穿透率} (%) = frac{C{text{downstream}}}{C{text{upstream}}} times 100%
]
其中：
- ( C_{text{downstream}} )：下游粒子浓度（粒/L）
- ( C_{text{upstream}} )：上游挑战气溶胶浓度（粒/L）
根据美国IEST-RP-CC034.3标准，HEPA过滤器整体穿透率应 ≤0.01%。
4.3 光度计法 vs. 粒子计数器法
| 方法 | 原理 | 灵敏度 | 适用标准 | 优缺点 |
|---|---|---|---|---|
| 光度计法 | 测量气溶胶光散射强度 | 较低（0.01%） | ISO 14644-3, IEST-RP-CC034.3 | 操作简便，成本低，但无法区分粒子大小 |
| 粒子计数器法 | 直接计数0.3 μm以上粒子 | 高（0.001%） | USP , EU GMP Annex 1 | 精度高，可溯源，但设备昂贵 |
目前，制药行业普遍采用粒子计数器法，因其符合GMP对数据完整性和可追溯性的要求。
5. 洁净工作台验证中的完整性测试实践
5.1 验证周期与频率
根据中国GMP和FDA指南，洁净工作台的高效过滤器应进行：
- 安装后首次验证（IQ/OQ/PQ）
- 每年定期再验证
- 更换过滤器或维修后重新验证
- 重大环境变动后（如搬迁、装修）
5.2 测试参数设置示例
以下为某型号洁净工作台（型号：SW-CJ-2FD）的完整性测试参数设置：
| 参数项 | 设定值/说明 |
|---|---|
| 过滤器类型 | HEPA H14 |
| 过滤面积 | 0.8 m² |
| 面风速 | 0.35–0.55 m/s |
| 气溶胶类型 | PAO-4 |
| 上游浓度 | 15 μg/L |
| 下游采样仪器 | 激光粒子计数器（型号：Met One 3413） |
| 采样流量 | 28.3 L/min |
| 扫描速度 | 4 cm/s |
| 采样点间距 | 5 cm |
| 接受标准（局部穿透） | ≤0.01% |
| 测试环境温度 | 20–25°C |
| 相对湿度 | 45–65% RH |
5.3 测试结果记录与判定
测试过程中需记录每个采样点的粒子浓度，并绘制“泄漏分布图”。若所有点穿透率均低于0.01%，则判定过滤器完整性合格。若发现泄漏点，需进行如下处理：
- 检查密封胶是否开裂或老化；
- 检查过滤器边框是否变形；
- 重新密封或更换过滤器；
- 修复后重新测试直至合格。
6. 国内外标准与规范对比
| 标准/指南 | 发布机构 | 主要要求 | 适用范围 |
|---|---|---|---|
| ISO 14644-3:2017 | 国际标准化组织 | 规定光度计法和粒子计数器法，泄漏限值0.01% | 全球洁净室通用 |
| IEST-RP-CC034.3 | 美国环境科学与技术学会 | 详细规定扫描法流程、仪器校准、数据记录 | 北美洁净室 |
| USP | 美国药典 | 推荐使用PAO气溶胶，强调数据完整性与可追溯性 | 制药行业 |
| EU GMP Annex 1 (2022) | 欧盟药品管理局 | 要求定期进行过滤器完整性测试，采用经验证的方法 | 欧盟制药企业 |
| GB/T 14295-2019 | 中国国家标准 | 规定空气过滤器性能测试方法 | 中国大陆通用 |
| 中国GMP（2010年修订） | 国家药监局 | 要求洁净区高效过滤器定期检漏，确保无泄漏 | 中国制药企业 |
从上述标准可见，国际主流趋势强调高灵敏度检测、数据可追溯性、定期验证，且越来越多地采用PAO替代DOP以降低环境与健康风险。
7. 常见问题与解决方案
7.1 上游浓度不稳定
原因：气溶胶发生器未预热、压缩空气压力波动、液体消耗过快。
解决方案：预热设备15分钟，使用稳压阀，定期补充PAO溶液。
7.2 下游本底值过高
原因：测试前未充分清除环境粒子，或上游气溶胶未稳定。
解决方案：提前开启风机运行10分钟，确保气溶胶浓度稳定后再开始下游采样。
7.3 泄漏点重复出现
原因：密封胶老化、过滤器安装不平整、边框变形。
解决方案：更换密封材料（如硅酮密封胶），重新安装并压紧过滤器。
8. 设备选型推荐
| 设备名称 | 型号示例 | 主要参数 | 生产厂家 | 参考价格（人民币） |
|---|---|---|---|---|
| 气溶胶发生器 | TSI 8009 | PAO/DOP，浓度可调，数字控制 | 美国TSI公司 | 80,000 |
| 激光粒子计数器 | Met One 3413 | 0.3–10 μm，28.3 L/min，USB数据导出 | 美国Met One | 120,000 |
| 便携式完整性测试仪 | Palltronic Flowstar | 集成发生器与检测，自动计算穿透率 | 美国Pall公司 | 150,000 |
| 国产PAO发生器 | 苏净SGZ-1 | 适用于中小风量系统，性价比高 | 苏州净化设备厂 | 30,000 |
注：进口设备精度高、稳定性好，适合GMP认证环境；国产设备适用于一般工业洁净区。
9. 案例分析：某制药企业洁净工作台验证
某生物制药企业在新建洁净实验室中安装了10台垂直单向流洁净工作台（型号：Thermo Scientific 1300 Series A2）。在PQ阶段进行高效过滤器完整性测试，采用TSI 8009 PAO发生器与Met One 3413粒子计数器。
测试结果：
- 8台工作台通过测试，局部穿透率最大值为0.008%；
- 2台发现边框泄漏，穿透率达0.03%，经检查为密封胶未完全固化；
- 重新密封后复测，泄漏消除，符合EU GMP Annex 1要求。
该案例表明，完整性测试能有效发现安装缺陷，避免潜在污染风险。
10. 数据记录与报告要求
完整性测试报告应包含以下内容：
- 测试日期、环境条件（温湿度）
- 设备型号与校准证书编号
- 气溶胶类型与上游浓度
- 扫描路径示意图与泄漏点坐标
- 各采样点数据表
- 结论与判定结果
- 测试人员与审核人签字
数据应保存至少5年，符合GMP数据完整性要求（ALCOA+原则：可归因、清晰、同步、原始、准确、完整、一致、持久、可用）。
参考文献
- 国家药品监督管理局. 《药品生产质量管理规范（2010年修订）》附录1：无菌药品. 2011.
- European Commission. EudraLex – Volume 4: EU Guidelines for Good Manufacturing Practice for Medicinal Products for Human and Veterinary Use, Annex 1: Manufacture of Sterile Medicinal Products. 2022.
- International Organization for Standardization. ISO 14644-3:2017 Cleanrooms and associated controlled environments — Part 3: Test methods.
- IEST. IEST-RP-CC034.3: Testing HEPA and ULPA Filter Systems. Institute of Environmental Sciences and Technology, 2020.
- United States Pharmacopeia. USP Microbiological Control and Monitoring of Aseptic Processing Environments.
- GB/T 13554-2020. 高效空气过滤器. 中国标准出版社, 2020.
- GB/T 14295-2019. 空气过滤器. 中国标准出版社, 2019.
- 张利军, 王晓东. 洁净室高效过滤器检漏技术研究进展[J]. 洁净与空调技术, 2019, 3: 45-49.
- TSI Incorporated. Aerosol Generation and Measurement: Principles and Applications. Application Note, 2021.
- Pall Corporation. Filter Integrity Testing in Pharmaceutical Manufacturing. Technical White Paper, 2020.
- 百度百科：高效空气过滤器. https://baike.baidu.com/item/高效空气过滤器 （访问日期：2024年6月）
- 百度百科：洁净工作台. https://baike.baidu.com/item/洁净工作台 （访问日期：2024年6月）
（全文约3,680字）
