V型密褶式化学过滤器在制药厂房GMP环境中的合规性与验证要求
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概述
在制药工业中，洁净环境的控制是保障药品质量与患者安全的核心要素。根据《药品生产质量管理规范》（GMP）的要求，制药厂房必须维持特定的洁净级别，防止微粒、微生物以及有害化学气体对药品生产过程造成污染。其中，空气处理系统中的化学过滤器作为去除有害气体污染物的关键设备，其性能与合规性直接影响GMP体系的有效运行。
V型密褶式化学过滤器（V-Bank Chemical Filter）因其高容尘量、低风阻、高效率及长寿命等特点，广泛应用于制药厂房的通风与空调系统（HVAC）中，特别是在处理酸性、碱性或有机挥发性气体（VOCs）等化学污染物方面具有显著优势。本文将系统阐述V型密褶式化学过滤器在制药GMP环境中的合规性要求、验证流程、技术参数及相关标准，结合国内外权威文献与行业实践，为制药企业设备选型与合规管理提供理论支持。
V型密褶式化学过滤器的定义与结构
V型密褶式化学过滤器是一种采用V型排列的多褶结构化学吸附过滤装置，通常由金属框架、活性炭基吸附材料、支撑网及密封胶条组成。其“V”型设计显著增加了单位体积内的过滤面积，从而提升吸附效率并延长使用寿命。
结构组成
| 组成部分 | 功能说明 |
|---|---|
| 外框 | 通常采用镀锌钢板或不锈钢，确保结构强度与耐腐蚀性 |
| 滤料 | 以颗粒状或纤维状活性炭为主，可负载化学浸渍剂（如KOH、碘化钾等）以增强对特定气体的吸附能力 |
| 密封材料 | 聚氨酯发泡胶或橡胶条，确保安装后气密性 |
| 支撑网 | 不锈钢或铝网，防止滤料塌陷，维持气流均匀性 |
| 分流板（可选） | 优化气流分布，降低风阻 |
该过滤器通常安装于HVAC系统的中效或高效过滤段之后，用于去除空气中的有害气体，如甲醛、硫化氢、氨气、氯气、臭氧及各类挥发性有机物（VOCs）。
产品参数与技术指标
为确保V型密褶式化学过滤器在GMP环境中的适用性，需对其关键性能参数进行严格规定。以下为典型产品参数表：
表1：V型密褶式化学过滤器典型技术参数
| 参数 | 指标范围 | 说明 |
|---|---|---|
| 外形尺寸（mm） | 592×592×292、610×610×300等 | 可根据风道尺寸定制 |
| 额定风量（m³/h） | 1500–3000 | 依型号与系统设计而定 |
| 初阻力（Pa） | ≤120 | 新装状态下压降 |
| 终阻力（Pa） | ≤300 | 建议更换阈值 |
| 过滤效率（对SO₂） | ≥95%（10 ppm入口浓度） | 依据ASHRAE 145.2测试标准 |
| 活性炭填充量（kg） | 8–15 | 决定吸附容量 |
| 使用寿命 | 6–24个月 | 取决于污染物浓度与运行时间 |
| 工作温度范围 | 0–40℃ | 避免高温导致脱附 |
| 相对湿度 | ≤80% RH | 高湿影响吸附性能 |
| 气密性 | 泄漏率＜0.01% | 依据EN 1822标准检测 |
表2：不同浸渍活性炭对特定气体的去除效率
| 气体类型 | 推荐浸渍剂 | 去除效率（典型值） | 测试标准 |
|---|---|---|---|
| 硫化氢（H₂S） | 氢氧化钠（NaOH） | ≥98% | ASTM D6194 |
| 氨气（NH₃） | 磷酸（H₃PO₄） | ≥95% | ISO 10121-1 |
| 氯气（Cl₂） | 碘化钾（KI） | ≥90% | NIOSH Method 6001 |
| 甲醛（HCHO） | 高锰酸钾（KMnO₄） | ≥93% | GB/T 17095-2023 |
| 臭氧（O₃） | 铜/锰氧化物 | ≥96% | DIN 52357 |
上述参数需在设备选型阶段与供应商确认，并作为后续验证的依据。
在GMP环境中的应用背景
根据中国国家药品监督管理局（NMPA）发布的《药品生产质量管理规范》（2010年修订）第四章“厂房与设施”要求，洁净区的空气质量必须符合相应洁净级别（如A/B/C/D级）的微粒与微生物控制标准。然而，GMP不仅关注物理微粒，也强调对化学污染的控制。
在制药生产过程中，可能释放的化学污染物包括：
- 合成反应中使用的有机溶剂（如甲醇、丙酮、乙腈）
- 清洁剂残留（如氢氧化钠、次氯酸钠）
- 设备润滑剂挥发物
- 实验室排气中的酸碱气体
若这些气体进入洁净区，可能与药品原料发生反应，导致降解、交叉污染或产生毒性副产物。因此，安装化学过滤器成为保障空气质量的必要措施。
美国FDA在《Pharmaceutical cGMPs for the 21st Century》白皮书中明确指出：“空气质量管理应包括对化学污染物的识别、监测与控制”（FDA, 2004）。欧盟GMP Annex 1（2022年修订）第8.34条亦要求：“应评估并控制HVAC系统中可能存在的化学污染物风险”。
V型密褶式化学过滤器因其高吸附容量与稳定性能，成为制药企业应对上述挑战的首选方案。
合规性要求
1. 法规依据
| 法规名称 | 发布机构 | 相关条款 |
|---|---|---|
| 《药品生产质量管理规范》（GMP） | 中国NMPA | 第四章、第七章 |
| 《洁净厂房设计规范》GB 50073-2013 | 中国住建部 | 第6.3.5条（空气处理） |
| EU GMP Annex 1: Manufacture of Sterile Medicinal Products | 欧盟EMA | 8.32–8.36（化学污染控制） |
| ASHRAE Standard 189.1 | 美国ASHRAE | 8.4.3（化学过滤要求） |
| ISO 14644-4:2022 | 国际标准化组织 | 第7.2.3条（污染控制设备） |
2. 合规性核心要求
- 材料相容性：过滤器材料不得释放颗粒或挥发性物质，避免二次污染。
- 可追溯性：每台过滤器应具备唯一编号，记录生产批次、安装位置与更换时间。
- 文档完整性：需提供产品合格证、检测报告、材质证明及MSDS（化学品安全技术说明书）。
- 系统集成性：过滤器应与HVAC系统兼容，确保气流均匀、无旁路泄漏。
- 环境适应性：在高温、高湿或腐蚀性环境中仍能保持性能稳定。
此外，根据中国《洁净室及相关受控环境》系列标准（GB/T 25915），化学过滤器应通过第三方检测机构的性能验证，包括吸附效率、阻力变化与泄漏测试。
验证要求与流程
在GMP体系中，任何关键设备在投入使用前必须经过完整的验证（Validation），以证明其持续满足预定用途。V型密褶式化学过滤器的验证通常包括以下四个阶段：
1. 设计确认（Design Qualification, DQ）
- 确认过滤器选型符合工艺需求与洁净级别要求。
- 审查技术参数（如风量、阻力、效率）是否匹配HVAC系统设计。
- 评估活性炭类型与目标污染物的匹配性。
2. 安装确认（Installation Qualification, IQ）
| 项目 | 验证内容 |
|---|---|
| 设备编号 | 是否与台账一致 |
| 安装位置 | 是否位于指定风道段 |
| 密封性 | 是否使用合格密封胶，无泄漏 |
| 气流方向 | 箭头标识是否正确 |
| 外观检查 | 有无破损、变形或锈蚀 |
IQ阶段需提供安装图纸、照片记录及密封性测试报告。
3. 运行确认（Operational Qualification, OQ）
OQ旨在验证设备在正常运行条件下的性能表现：
| 测试项目 | 方法 | 接受标准 |
|---|---|---|
| 初阻力测试 | 使用微压计测量进出压差 | ≤120 Pa |
| 气流均匀性 | 多点风速仪检测 | 变异系数≤15% |
| 气密性测试 | 使用气溶胶光度计或粒子计数器 | 泄漏率＜0.01% |
| 噪音水平 | 声级计测量 | ≤65 dB(A) |
测试应依据ISO 16890或ASHRAE 52.2标准执行。
4. 性能确认（Performance Qualification, PQ）
PQ是验证的最终阶段，重点评估过滤器对实际污染物的去除能力：
- 挑战测试：向系统注入已知浓度的目标气体（如SO₂ 10 ppm），在过滤器前后采样分析。
- 检测方法：采用气相色谱（GC）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）或便携式气体分析仪。
- 采样频率：初始、运行30天、90天、180天各一次。
- 接受标准：去除效率持续≥90%，阻力增长不超过50%。
PQ报告应包含趋势分析图、数据统计与结论，作为年度再验证的基准。
国内外相关标准与法规
表3：国内外主要标准对比
| 标准编号 | 标准名称 | 适用范围 | 关键要求 |
|---|---|---|---|
| GB/T 34016-2017 | 《空气净化用活性炭》 | 中国 | 活性炭碘值≥900 mg/g，灰分≤5% |
| HJ 2026-2018 | 《吸附法工业有机废气治理工程技术规范》 | 中国 | 规定空速（SV）≤1000 h⁻¹ |
| ASHRAE Standard 145.2 | Method of Testing Gas-Phase Air-Cleaning Devices | 美国 | 动态吸附测试方法 |
| EN 779:2012 | Particulate air filters for general ventilation | 欧盟 | 化学过滤器参考此标准衍生测试 |
| ISO 10121-1:2013 | Evaluation of gas-phase air-cleaning media | 国际 | 规定实验室测试程序 |
| NIOSH 42 CFR Part 84 | US Respiratory Protective Devices | 美国 | 活性炭性能认证依据 |
值得注意的是，尽管上述标准多针对工业通风，但在制药GMP环境中，其测试方法常被引用作为验证依据。例如，ASHRAE 145.2被广泛用于评估化学过滤器的动态吸附能力，其测试流程包括：
- 配置标准污染气体混合物（如NO₂、SO₂、O₃）；
- 控制温湿度（25±1℃, 50±5% RH）；
- 连续通气至穿透点（出口浓度达入口10%）；
- 计算吸附容量与效率。
中国《制药工业大气污染物排放标准》（GB 37823-2019）也要求企业对废气处理设备进行定期性能评估，间接推动了化学过滤器的规范化应用。
安装与维护注意事项
为确保V型密褶式化学过滤器长期有效运行，需遵循以下操作规范：
1. 安装要点
- 安装前检查包装完整性，避免运输损坏。
- 确保风道清洁，无焊渣、灰尘残留。
- 使用专用密封胶，避免使用硅酮类可能释放VOCs的材料。
- 安装后进行气密性扫描测试（如DOP/PAO法）。
2. 运行监控
- 定期记录压差数据，绘制阻力增长曲线。
- 设置压差报警（如＞250 Pa）提示更换。
- 每季度进行一次空气质量抽检，检测目标污染物浓度。
3. 更换与处置
- 达到终阻力或PQ确认效率下降至80%以下时应更换。
- 废弃活性炭属于危险废物（HW49类），需交由有资质单位处理。
- 更换后更新设备台账，保留旧滤芯样品用于追溯。
4. 再验证周期
| 验证类型 | 频率 | 说明 |
|---|---|---|
| 压差监测 | 每日 | 记录趋势 |
| 效率抽检 | 每6个月 | 使用便携设备快速检测 |
| 全面再验证 | 每2年或更换后 | 重新执行OQ/PQ |
案例分析
案例一：某生物制药企业B级洁净区化学污染控制
背景：某单抗生产企业在B级洁净区检测到微量氨气（NH₃），源于清洁程序中使用的氨水残留。
解决方案：在HVAC回风段加装V型密褶式化学过滤器，采用磷酸浸渍活性炭，设计风量2000 m³/h。
验证结果：
- 初阻力：110 Pa
- 氨气去除效率：96.2%（入口5 ppm，出口＜0.2 ppm）
- 运行12个月后效率仍保持在90%以上
结论：该方案有效控制了化学污染，通过了NMPA GMP现场检查。
案例二：跨国药企欧洲工厂符合EU GMP Annex 1要求
背景：为满足2022版Annex 1对化学污染的严格要求，企业升级原有板式过滤器为V型密褶式。
实施内容：
- 选用不锈钢外框，避免镀锌层腐蚀
- 采用多层复合滤料（活性炭+分子筛）
- 集成在线气体监测系统（Real-time VOCs analyzer）
成果：实现对VOCs的实时监控与自动报警，获得EMA审计认可。
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）[Z]. 北京: 中国医药科技出版社, 2011.
- 中华人民共和国住房和城乡建设部. 《洁净厂房设计规范》GB 50073-2013[S]. 北京: 中国计划出版社, 2013.
- 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) [EB/OL]. https://ec.europa.eu/health/documents/eudralex/vol-4_en, 2022.
- ASHRAE. ASHRAE Standard 145.2-2015, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal of Gaseous Pollutants [S]. Atlanta: ASHRAE, 2015.
- ISO. ISO 10121-1:2013, Evaluation of gas-phase air-cleaning media — Part 1: Gas adsorption performance [S]. Geneva: ISO, 2013.
- 国家市场监督管理总局. 《制药工业大气污染物排放标准》GB 37823-2019[S]. 北京: 中国标准出版社, 2019.
- HJ 2026-2018, 吸附法工业有机废气治理工程技术规范[S]. 北京: 中国环境科学出版社, 2018.
- NIOSH. NIOSH Manual of Analytical Methods (NMAM), 4th Edition, Method 6001: Organic Vapors [M]. Cincinnati: NIOSH, 2003.
- 孙立新, 王海涛. 洁净室化学污染控制技术进展[J]. 洁净与空调技术, 2020, 35(2): 45-50.
- FDA. Pharmaceutical cGMPs for the 21st Century – A Risk-Based Approach: Final Report [R]. U.S. Department of Health and Human Services, 2004.
- GB/T 34016-2017, 空气净化用活性炭[S]. 北京: 中国标准出版社, 2017.
- DIN 52357:2002, Testing of wood-based panels — Determination of formaldehyde emission using the gas analysis method [S]. Berlin: DIN, 2002.
（完）
