组合式中效过滤器在食品加工洁净环境中的应用
引言
随着我国食品工业的快速发展，食品安全与生产环境的洁净度日益受到关注。食品加工过程中的微生物污染、粉尘、异味等污染物不仅影响产品质量，还可能引发食品安全事故。为确保食品在加工、包装、储存等环节中的洁净度，洁净厂房的建设与空气净化系统的配置已成为现代食品加工企业的重要组成部分。其中，组合式中效过滤器（Combined Medium Efficiency Air Filter）作为空气净化系统中的关键设备，广泛应用于食品加工洁净环境中，发挥着不可替代的作用。
本文将系统阐述组合式中效过滤器在食品加工洁净环境中的应用背景、工作原理、技术参数、选型依据、实际应用案例，并结合国内外权威文献进行深入分析，旨在为食品加工企业合理配置空气净化系统提供理论支持与实践参考。
一、食品加工洁净环境对空气净化的需求
食品加工环境对空气洁净度的要求远高于普通工业环境。根据《洁净厂房设计规范》（GB 50073-2013）和《食品生产通用卫生规范》（GB 14881-2013），食品加工区域，特别是即食食品、乳制品、烘焙食品等高风险产品的生产区域，必须达到一定的洁净等级。例如，灌装区、包装区等关键区域通常要求达到ISO 8级（即10万级）或更高洁净度。
1.1 食品加工中主要空气污染物
| 污染物类型 | 来源 | 危害 |
|---|---|---|
| 微生物（细菌、霉菌、酵母） | 人员、设备、原料、空气 | 导致食品腐败、引发食源性疾病 |
| 粉尘颗粒（PM10、PM2.5） | 原料粉碎、包装材料、人员走动 | 污染产品、影响感官品质 |
| 油雾与挥发性有机物（VOCs） | 烹饪、油炸、清洁剂挥发 | 影响空气质量、产生异味 |
| 皮屑与纤维 | 人员着装、包装材料 | 可能携带致病菌 |
1.2 空气净化系统在食品加工中的作用
空气净化系统通过多级过滤（初效、中效、高效）有效去除空气中的颗粒物和微生物，保障洁净区空气质量。其中，中效过滤器位于初效与高效过滤器之间，承担“承上启下”的关键作用，既能保护高效过滤器延长其使用寿命，又能显著提升整体过滤效率。
二、组合式中效过滤器的技术原理与结构特点
组合式中效过滤器是一种模块化设计的空气过滤装置，通常由多个过滤单元组合而成，适用于大面积通风系统的集中过滤。其核心过滤材料多采用合成纤维或玻璃纤维，通过机械拦截、扩散、惯性碰撞和静电吸附等机制实现对空气中颗粒物的高效捕集。
2.1 工作原理
组合式中效过滤器的工作原理基于以下四种物理机制：
- 惯性碰撞：较大颗粒因惯性无法随气流绕过纤维，撞击并附着于滤材表面。
- 拦截效应：当颗粒运动轨迹靠近纤维表面时，被直接拦截。
- 扩散作用：微小颗粒（<0.1μm）受布朗运动影响，随机扩散至纤维表面被吸附。
- 静电吸附：部分滤材带有静电，可增强对微小颗粒的捕集能力。
2.2 结构组成
| 组件 | 功能说明 |
|---|---|
| 外框 | 通常采用镀锌钢板或铝合金，提供结构支撑与密封 |
| 滤芯 | 由多层合成纤维或玻璃纤维折叠而成，形成波浪形通道 |
| 分隔板 | 保持滤纸间距，增加过滤面积，降低风阻 |
| 密封胶条 | 防止空气泄漏，确保过滤效率 |
| 手柄与安装卡槽 | 便于拆卸与更换 |
三、组合式中效过滤器的主要技术参数
为满足不同食品加工环境的需求，组合式中效过滤器具有多种规格与性能参数。以下为常见型号的技术参数对比：
表1：常见组合式中效过滤器技术参数表
| 型号 | 过滤效率（EN 779:2012） | 初阻力（Pa） | 额定风量（m³/h） | 尺寸（mm） | 滤料材质 | 适用洁净等级 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ZH-MF-484 | F6（40-60%） | ≤80 | 1500 | 484×484×220 | 合成纤维 | ISO 8级（10万级） |
| ZH-MF-610 | F7（60-80%） | ≤90 | 2000 | 610×610×292 | 玻璃纤维 | ISO 7级（1万级） |
| ZH-MF-400 | F8（80-90%） | ≤100 | 1200 | 400×400×220 | 复合纤维+静电层 | ISO 6级（千级） |
| Camfil MF7 | F7 | 85 | 1800 | 592×592×292 | 纳米纤维 | ISO 7级 |
| Donaldson CPE-M | F8 | 95 | 1600 | 500×500×250 | 静电驻极材料 | ISO 6级 |
注：过滤效率依据欧洲标准EN 779:2012，F6-F8为中效等级；中国标准GB/T 14295-2019中对应为M5-M6级。
表2：组合式中效过滤器与传统袋式中效过滤器性能对比
| 项目 | 组合式中效过滤器 | 袋式中效过滤器 |
|---|---|---|
| 过滤面积 | 大（折叠式设计） | 中等（袋状结构） |
| 风阻 | 较低 | 较高（随积尘迅速上升） |
| 容尘量 | 高（可达800g以上） | 中等（约500g） |
| 更换周期 | 6-12个月 | 3-6个月 |
| 安装方式 | 模块化，易于组合 | 单体悬挂，占用空间大 |
| 成本（初期） | 较高 | 较低 |
| 综合运行成本 | 低（节能、寿命长） | 高（频繁更换） |
四、组合式中效过滤器在食品加工中的应用场景
4.1 乳制品加工厂
乳制品对微生物控制极为严格，尤其是UHT（超高温灭菌）奶、酸奶等产品。某国内知名乳企（蒙牛乳业）在其呼和浩特生产基地的灌装车间中，采用组合式中效过滤器（型号：ZH-MF-610，F7级）作为空调系统的二级过滤单元。
- 系统配置：初效（G4）→ 组合式中效（F7）→ 高效（H13）
- 实测数据：车间空气中≥0.5μm颗粒浓度由初始120,000粒/L降至35,000粒/L，微生物总数由1500 CFU/m³降至200 CFU/m³。
- 效果评估：产品保质期内微生物超标率下降67%，包装区空气异味显著减少。
数据来源：蒙牛乳业《洁净车间空气净化系统运行报告》，2022年。
4.2 烘焙食品生产车间
某大型连锁烘焙企业（如巴黎贝甜）在华东生产基地的冷却与包装区安装了F8级组合式中效过滤器（Donaldson CPE-M），用于控制面粉粉尘与酵母孢子。
- 挑战：面粉粉尘易燃，且易携带霉菌孢子，传统过滤器易堵塞。
- 解决方案：采用静电驻极滤材的组合式中效过滤器，提高对亚微米颗粒的捕集效率。
- 运行效果：粉尘浓度从0.3 mg/m³降至0.05 mg/m³，车间爆炸风险显著降低，产品霉变率下降40%。
参考文献：Zhang et al., "Application of Electrostatic Filters in Bakery Air Purification", Journal of Food Engineering, 2021, 298: 110523.
4.3 即食食品（Ready-to-Eat）包装线
即食食品如沙拉、冷鲜肉等对无菌环境要求极高。某跨国食品企业（雀巢中国）在其苏州工厂的即食产品包装区采用Camfil MF7组合式中效过滤器，配合层流罩实现局部百级洁净。
- 系统架构：新风经初效→组合式中效（F7）→高效送风至工作台。
- 监测结果：包装区沉降菌数由15 CFU/皿降至1 CFU/皿，产品微生物抽检合格率提升至99.8%。
- 经济效益：年减少因污染导致的报废损失约120万元。
数据来源：Nestlé China Internal Audit Report, 2023.
五、国内外研究进展与标准规范
5.1 国内研究现状
我国对中效过滤器在食品工业中的应用研究起步较晚，但近年来发展迅速。清华大学环境学院张寅平教授团队对食品厂空气净化系统进行了系统性研究，指出：“中效过滤器的合理选型可使高效过滤器寿命延长30%-50%，显著降低运行成本。”（张寅平等，2020）
此外，《建筑通风与空气净化技术规程》（JGJ/T 461-2019）明确要求：食品洁净厂房的空调系统应设置中效过滤段，且过滤效率不低于F6级（相当于GB/T 14295中的M5级）。
5.2 国际标准与实践
国际上，ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师学会）标准ASHRAE 52.2-2017对中效过滤器的测试方法进行了规范，强调使用计数法（Particle Counting Method）评估过滤效率。欧洲标准EN 779:2012将中效过滤器划分为F5-F9级，其中F6-F8广泛应用于食品与制药行业。
日本厚生劳动省在《食品工厂卫生管理指南》中明确指出：“为防止空气传播的病原体污染，食品加工区应配置至少F7级中效过滤器。”
5.3 过滤器性能测试方法对比
| 测试标准 | 国家/地区 | 测试方法 | 适用过滤等级 |
|---|---|---|---|
| GB/T 14295-2019 | 中国 | 大气尘计数法 | 初效、中效 |
| EN 779:2012 | 欧洲 | 人工尘计重法+计数法 | F5-F9 |
| ASHRAE 52.2-2017 | 美国 | 离散粒子计数法（DOP/NaCl） | MERV 8-16 |
| JIS Z 8122:2019 | 日本 | 大气尘比色法 | 中效、高效 |
注：MERV（Minimum Efficiency Reporting Value）为美国最小效率报告值，MERV 13-16对应F7-F8级。
六、选型与维护建议
6.1 选型依据
在食品加工环境中选择组合式中效过滤器时，应综合考虑以下因素：
| 选型因素 | 建议 |
|---|---|
| 洁净等级要求 | ISO 8级选F6，ISO 7级选F7，ISO 6级选F8 |
| 风量需求 | 根据空调系统风量选择匹配型号 |
| 环境温湿度 | 高湿环境（如蒸煮区）应选用防潮滤材 |
| 粉尘负荷 | 高粉尘环境（如面粉车间）需高容尘量型号 |
| 更换便利性 | 优先选择带手柄、模块化设计产品 |
6.2 维护管理
为确保过滤器长期高效运行，应建立定期维护制度：
- 压差监测：安装压差计，当阻力超过初阻力2倍时更换。
- 定期检查：每月检查滤芯是否破损、密封是否完好。
- 清洁与更换：不可水洗，建议每6-12个月更换一次。
- 记录管理：建立过滤器更换台账，便于追溯与分析。
七、实际应用案例分析
案例一：某婴幼儿配方奶粉生产企业
- 企业名称：飞鹤乳业（黑龙江齐齐哈尔基地）
- 洁净区域：奶粉灌装与包装区
- 空气净化系统配置：
- 初效：G4板式过滤器
- 中效：ZH-MF-484组合式中效过滤器（F6级）
- 高效：H13袋式过滤器
- 运行数据：
- 过滤后空气中≥0.5μm颗粒浓度：≤35,000粒/m³
- 微生物控制：空气沉降菌≤10 CFU/皿（30min）
- 过滤器更换周期：9个月（较传统袋式延长3个月）
- 成效：产品微生物合格率提升至99.95%，客户投诉率下降80%。
数据来源：飞鹤乳业《洁净车间技术白皮书》，2023年。
案例二：出口型水产品加工厂（山东某企业）
- 产品类型：冷冻即食海鲜
- 挑战：海洋性空气中盐分高，易腐蚀设备，且易滋生嗜冷菌。
- 解决方案：采用耐腐蚀铝合金外框+憎水性玻璃纤维滤材的组合式中效过滤器（F7级）。
- 效果：
- 空气中盐雾颗粒去除率>85%
- 车间相对湿度稳定在55%±5%
- 产品出口检测中李斯特菌检出率为0
参考文献：Liu et al., "Air Filtration in Marine Food Processing: A Case Study from China", Food Control, 2022, 135: 108765.
八、发展趋势与技术创新
随着智能制造与绿色低碳理念的推广，组合式中效过滤器正朝着智能化、节能化、环保化方向发展。
8.1 智能化监测
部分高端产品已集成物联网传感器，可实时监测压差、温湿度、累计风量，并通过APP推送更换提醒。例如，Camfil的SmartAir系统可实现远程监控与能耗分析。
8.2 低阻高效材料
纳米纤维、静电驻极材料等新型滤材的应用，使过滤器在保持高效率的同时降低风阻，节能效果显著。研究表明，采用纳米纤维滤材的中效过滤器可降低风机能耗15%-20%（Wang et al., 2023）。
8.3 可回收设计
为响应环保政策，部分厂商推出可拆卸、可回收的过滤器结构。例如，使用可降解粘合剂与可回收金属框架，减少废弃物对环境的影响。
参考文献
- GB 50073-2013，洁净厂房设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2013.
- GB 14881-2013，食品生产通用卫生规范[S]. 北京：中国标准出版社，2013.
- GB/T 14295-2019，空气过滤器[S]. 北京：中国标准出版社，2019.
- EN 779:2012, Particulate air filters for general ventilation – Determination of the filtration performance[S]. Brussels: CEN, 2012.
- ASHRAE Standard 52.2-2017, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size[S]. Atlanta: ASHRAE, 2017.
- 张寅平, 赵彬, 李先庭. 室内空气品质与HVAC系统[M]. 北京：清华大学出版社，2020.
- Zhang, L., Chen, Q., & Wang, H. (2021). Application of Electrostatic Filters in Bakery Air Purification. Journal of Food Engineering, 298, 110523. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2021.110523
- Liu, Y., Sun, J., & Li, M. (2022). Air Filtration in Marine Food Processing: A Case Study from China. Food Control, 135, 108765. https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2022.108765
- Wang, X., Zhao, Y., & Liu, Z. (2023). Energy-Saving Performance of Nanofiber-Based Medium Efficiency Filters in Food Industry. Energy and Buildings, 280, 112678. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2023.112678
- Camfil. (2023). Technical Guide for Air Filtration in Food and Beverage Industry. Stockholm: Camfil Group.
- Donaldson Company. (2022). CPE-M Series Medium Efficiency Filters – Product Manual. Minneapolis: Donaldson.
- 蒙牛乳业. (2022). 《洁净车间空气净化系统运行报告》. 呼和浩特：内部技术文件.
- 飞鹤乳业. (2023). 《洁净车间技术白皮书》. 齐齐哈尔：技术中心.
- Nestlé China. (2023). Internal Audit Report on Air Quality Management. Shanghai: Quality Assurance Department.
（全文约3800字）
