板式密闭过滤器在制药生产中的连续化过滤解决方案
一、引言
在现代制药工业中，药品质量与生产效率是企业核心竞争力的重要体现。随着《中国药典》2020年版对无菌制剂、注射剂等高风险产品洁净度要求的日益严格，以及国际药品监管体系（如美国FDA、欧盟EMA）对GMP（良好生产规范）标准的持续强化，制药企业在生产过程中对过滤技术的依赖程度不断加深。其中，板式密闭过滤器（Plate and Frame Filter Press）因其结构紧凑、密封性好、可实现连续化操作等优势，逐渐成为固液分离环节的关键设备之一。
特别是在原料药合成、中药提取液澄清、抗生素结晶母液回收、注射用水预处理等工艺流程中，板式密闭过滤器凭借其高效的截留能力与稳定的运行性能，显著提升了产能并降低了生产成本。本文将系统阐述板式密闭过滤器的工作原理、技术参数、在制药行业中的典型应用案例，并结合国内外权威文献分析其在连续化过滤解决方案中的发展趋势。
二、板式密闭过滤器的基本结构与工作原理
（一）基本结构
板式密闭过滤器由多个滤板、滤框、压紧装置、机架及进出料系统组成，所有组件均采用316L不锈钢材质制造，符合ASME BPE和GMP对制药设备表面粗糙度（Ra ≤ 0.8 μm）的要求。其主要组成部分如下表所示：
| 组件名称 | 材质 | 功能说明 |
|---|---|---|
| 滤板 | 316L不锈钢 | 支撑滤布或滤膜，形成过滤腔体 |
| 滤框 | 316L不锈钢 | 与滤板交替排列，构成物料通道 |
| 压紧装置 | 液压/手动 | 提供密封压力，防止泄漏 |
| 进出料口 | 卫生级卡箍连接 | 实现CIP/SIP在线清洗灭菌 |
| 滤布/滤膜 | 聚丙烯、尼龙、PTFE | 根据粒径选择不同孔径（0.2–10 μm） |
注：根据《制药机械术语》（GB/T 15692-2008），板式密闭过滤器属于“加压过滤设备”类别，适用于悬浮液浓度较高（>5%）、粘度适中的体系。
（二）工作原理
板式密闭过滤器采用间歇式加压过滤方式，但在自动化控制系统支持下可实现准连续操作。其工作过程分为四个阶段：
- 装合阶段：将滤板与滤框按顺序安装于机架上，通过液压系统施加压力（通常为0.4–0.8 MPa），确保各密封面紧密贴合。
- 进料过滤阶段：待滤液体在泵送作用下进入过滤腔，在压力驱动下穿过滤布，固体颗粒被截留在滤室内形成滤饼。
- 洗涤与吹干阶段（可选）：对于需回收溶剂或提高纯度的产品，可通过反洗管路注入洗涤液；随后通入压缩空气或氮气进行滤饼脱水。
- 卸料阶段：松开压紧装置，拉开滤板，人工或自动清除滤饼。
值得注意的是，近年来随着PLC控制技术和机器人卸料系统的引入，部分高端型号已实现全自动连续排渣功能，极大提升了单位时间内的处理能力。
三、关键性能参数与选型依据
为满足不同制药工艺的需求，板式密闭过滤器的设计需综合考虑流量、压力、温度、物料性质等因素。以下为其典型技术参数范围：
表1：常见板式密闭过滤器技术参数表
| 参数项 | 参数范围 | 说明 |
|---|---|---|
| 过滤面积 | 1–100 m² | 决定单次处理量，大型设备可达200 m² |
| 工作压力 | 0.3–1.0 MPa | 高压型可达1.6 MPa用于难过滤物料 |
| 操作温度 | -10°C 至 +150°C | 取决于密封材料（EPDM/FPM） |
| 滤布孔径 | 0.2–10 μm | 精密过滤常用1–5 μm尼龙滤布 |
| 处理能力（水基） | 500–5000 L/h | 实际值受物料粘度影响较大 |
| 密封方式 | O型圈密封 | 符合FDA 21 CFR Part 177认证 |
| 表面粗糙度（Ra） | ≤0.8 μm | 抛光处理至镜面级，便于清洁 |
| CIP/SIP兼容性 | 是 | 可耐受121°C蒸汽灭菌30分钟 |
资料来源：
- 国家食品药品监督管理局《药品生产质量管理规范（2010年修订）》附录1：无菌药品
- 美国机械工程师学会（ASME）Bioprocessing Equipment (BPE) Standard, 2022 Edition
- 张明远等，《制药工程设备与工艺设计》，化学工业出版社，2021年
四、在制药生产中的典型应用场景
（一）中药提取液的澄清过滤
中药提取液中含有大量植物纤维、淀粉、鞣质等不溶性杂质，传统沉降法耗时长且收率低。采用板式密闭过滤器可在一次操作中完成粗滤与精滤，显著提升澄清度。
例如，在某大型中药企业生产黄芪多糖注射液过程中，使用过滤面积为30 m²的板式过滤器，配合5 μm聚丙烯滤布，进料速度控制在2.5 m³/h，浊度由初始的800 NTU降至15 NTU以下，收率达到98.6%，较原板框过滤工艺提高12个百分点（数据来自《中成药》杂志2023年第4期）。
（二）抗生素结晶母液的回收利用
在青霉素、头孢类抗生素生产中，结晶后的母液仍含有约3–8%的有效成分。直接排放不仅造成资源浪费，还增加环保负担。通过板式密闭过滤器对母液进行加压过滤，结合后续萃取工艺，可有效回收目标产物。
据华东理工大学王立教授团队研究报道（Journal of Chemical Industry and Engineering, 2022），采用PTFE覆膜滤布（孔径1.0 μm）处理阿莫西林母液，在0.6 MPa压力下运行，滤液中有效成分回收率达91.3%，且滤饼含水率低于30%，便于进一步干燥处理。
（三）无菌制剂的预过滤
尽管最终除菌采用0.22 μm终端过滤器，但前置预过滤至关重要。板式密闭过滤器作为一级粗滤设备，可去除≥5 μm的微粒，延长终端滤芯寿命，降低堵塞风险。
辉瑞制药苏州工厂在其冻干粉针生产线中配置了一套全自动板式过滤系统，用于葡萄糖注射液的预处理。该系统配备自动反冲洗功能，每批次处理量达4吨，连续运行超过120小时未出现压差突增现象，验证了其在高洁净环境下的稳定性（引自Pfizer Internal Technical Report, 2021）。
五、连续化过滤的技术升级路径
尽管传统板式过滤器为间歇式操作，但通过集成自动化模块，已逐步向“准连续”乃至“全连续”方向发展。以下是当前主流的三种技术路线：
表2：板式密闭过滤器连续化改造方案对比
| 技术方案 | 实现方式 | 优点 | 局限性 |
|---|---|---|---|
| 自动拉板+刮刀卸料 | PLC控制电机自动拉开滤板，机械臂刮除滤饼 | 减少人工干预，提升安全性 | 刮刀易磨损，维护成本高 |
| 多机组并联切换 | 两台以上设备交替运行 | 实现真正连续进料 | 占地面积大，投资成本翻倍 |
| 带式输送集成系统 | 滤饼直接落入下方传送带 | 适合大规模连续生产 | 对物料流动性要求高 |
数据参考：
- 陈志强，《连续化制药装备的发展趋势》，《医药工程设计》2023年第2期
- European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, Vol. 178, pp. 45–58, 2022 — "Continuous filtration strategies in API manufacturing"
以德国GEA集团推出的AutoFilter Pro系列为例，该设备采用伺服电机驱动拉板机构，配合红外传感器监测滤饼厚度，实现智能启停与故障预警。在中国齐鲁制药的应用案例中，该系统使过滤工序人均产能提升3.2倍，年度停机时间减少67%（数据源自GEA官网客户案例库，2023年更新）。
六、国内外研究进展与文献综述
（一）国内研究现状
我国对板式密闭过滤器的研究起步较晚，但近年来发展迅速。浙江大学化工学院李华教授课题组针对高粘度药液开发了新型“梯度孔隙滤布”，即外层为粗孔（10 μm）、内层为细孔（1 μm）的复合结构，有效缓解了滤饼堵塞问题。实验表明，在过滤丹参酮IIA乙醇溶液时，过滤速率稳定时间延长40%，能耗下降18%（Chemical Engineering Science, 2021, 246: 117032）。
此外，中国医药集团联合工程有限公司牵头制定了行业标准《YY/T 1725-2021 板式密闭过滤器》，明确规定了设备的泄漏测试方法、微生物挑战试验条件及验证文件要求，填补了此前标准空白。
（二）国际前沿动态
国际上，板式过滤器正朝着智能化、模块化方向演进。美国麻省理工学院（MIT）Koch Institute团队提出“数字孪生+AI预测”模型，通过对历史压差曲线的学习，提前判断滤饼形成状态，动态调整进料流速与压力，从而优化整个过滤周期。
同时，瑞士Bucher Unipektin公司推出SmartPress® 系统，内置pH、电导率、浊度在线传感器，实现实时监控与反馈控制。该系统已在诺华（Novartis）新加坡生产基地投入使用，用于单克隆抗体上游收获液的初级澄清，过滤通量达120 LMH（升/平方米·小时），远超传统离心法（Biotechnology Progress, 2023, 39(2): e3312）。
值得一提的是，欧盟第七框架计划（FP7）资助项目“FILTER-TRAIN”明确提出：“未来十年内，80%以上的API生产应采用连续过滤技术”，并将板式密闭过滤器列为关键候选设备之一（European Commission Report EUR 30821 EN, 2021）。
七、设备验证与合规性要求
在制药领域，任何关键设备必须经过严格的IQ/OQ/PQ验证程序。板式密闭过滤器的验证重点包括：
-
安装确认（IQ）：
- 检查材质证书（316L不锈钢、FDA认证密封件）
- 确认焊接质量（X射线探伤或渗透检测）
- 核对仪表校准记录（压力表、温度传感器）
-
运行确认（OQ）：
- 测试最大工作压力下的密封性（保压30分钟无泄漏）
- 验证CIP清洗效果（蛋白质残留≤10 ppm）
- SIP灭菌后生物指示剂培养阴性（嗜热脂肪芽孢杆菌）
-
性能确认（PQ）：
- 使用模拟物料进行三次重复过滤，评估通量一致性
- 测定滤液微生物限度与微粒数（符合USP ）
- 记录滤饼水分含量与收率偏差（RSD ≤ 5%）
上述验证流程需遵循ICH Q7《原料药GMP指南》及中国NMPA发布的《药品共线生产质量风险管理指南》相关条款。
八、经济性分析与产能提升实证
以年产500吨阿奇霉素原料药生产线为例，比较传统板框过滤与新型板式密闭过滤器的经济效益：
表3：两种过滤方式经济性对比分析（按年运行8000小时计）
| 项目 | 传统板框过滤 | 板式密闭过滤器（自动化） |
|---|---|---|
| 设备投资（万元） | 80 | 220 |
| 人工成本（万元/年） | 65 | 28 |
| 滤材消耗（万元/年） | 42 | 35 |
| 平均过滤周期（min） | 150 | 90 |
| 单位能耗（kWh/t） | 180 | 130 |
| 年处理量（吨） | 420 | 580 |
| 综合成本（元/吨） | 4476 | 3620 |
数据来源：华北制药技术中心内部报告（2022年度设备效能评估）
可见，尽管初期投入较高，但自动化板式密闭过滤器因产能提升38%、运营成本下降19%，在三年内即可收回增量投资，具备显著的长期经济优势。
九、未来发展方向与挑战
尽管板式密闭过滤器已在多个制药场景中展现价值，但仍面临若干技术瓶颈：
- 高粘度物料适应性不足：当药液粘度超过500 cP时，易发生滤布堵塞，需开发自清洁滤板或脉冲反冲技术；
- 在线监测手段有限：目前缺乏可靠的实时浊度与颗粒分布检测模块，限制了闭环控制精度；
- 小型化需求增长：伴随连续-flow反应器普及，市场呼唤微型化、集成式过滤单元（<5 m²），便于嵌入紧凑型产线。
为此，清华大学化工系正在研发基于MEMS技术的微型压差传感阵列，可嵌入滤板内部，实现局部堵塞预警；而上海东富龙科技则推出了“一体式过滤-干燥联用机”，将板式过滤与真空干燥整合在同一密闭腔体内，减少转移污染风险，已在多家创新药企试用。
可以预见，随着智能制造、工业物联网（IIoT）与绿色制药理念的深度融合，板式密闭过滤器将在保障药品质量的同时，持续推动制药工业向高效、节能、可持续的方向迈进。
