W型高效过滤器在生物制药洁净厂房中的分级过滤配置方案
引言
随着全球生物医药产业的快速发展，对药品生产环境的洁净度要求日益严格。特别是在无菌制剂、细胞治疗产品和基因工程药物等高附加值产品的生产过程中，空气洁净度直接关系到产品质量与患者安全。根据《中华人民共和国药典》（2020年版）及《药品生产质量管理规范》（GMP，2010年修订），生物制药洁净厂房必须达到特定的空气洁净级别，如A级（相当于ISO 5级）、B级（ISO 6级）、C级（ISO 7级）和D级（ISO 8级）。为实现这一目标，空气处理系统中广泛采用多级过滤技术，其中W型高效过滤器（W-Shape High-Efficiency Particulate Air Filter, 简称W型HEPA）因其独特的结构设计和卓越的过滤性能，已成为现代生物制药洁净室空调系统（HVAC）中的关键组件。
本文将系统阐述W型高效过滤器的技术特性、产品参数、在生物制药洁净厂房中的应用原理，并结合国内外权威文献，提出科学合理的分级过滤配置方案，旨在为洁净厂房的设计、施工与运行维护提供理论支持和技术参考。
一、W型高效过滤器概述
1.1 定义与结构特点
W型高效过滤器是一种采用折叠式滤料呈“W”形排列的高效空气过滤器，其核心材料通常为超细玻璃纤维或聚丙烯熔喷无纺布，具有高比表面积、低阻力、大容尘量等特点。相较于传统的平板式或V型高效过滤器，W型结构通过增加滤料褶皱密度和延长气流路径，在相同迎风面积下显著提升过滤效率与使用寿命。
该类过滤器常见于欧洲标准EN 1822:2009所定义的H13-H14等级（对应中国国家标准GB/T 13554-2020中的A类高效过滤器），适用于对微粒去除率要求极高的场合。
1.2 工作原理
W型高效过滤器主要依靠四种物理机制实现颗粒物捕集：
- 拦截效应（Interception）：当粒子随气流接近纤维表面时，因范德华力作用被吸附。
- 惯性撞击（Inertial Impaction）：较大粒子因惯性偏离流线而撞击纤维被捕获。
- 扩散效应（Diffusion）：亚微米级粒子受布朗运动影响，随机碰撞纤维被截留。
- 静电吸引（Electrostatic Attraction）：部分滤材带静电，增强对微小粒子的吸附能力。
其中，对于0.3μm左右的最易穿透粒径（MPPS, Most Penetrating Particle Size），上述机制共同作用，确保过滤效率可达99.995%以上（H14级）。
二、W型高效过滤器的主要技术参数
以下表格列出了典型W型高效过滤器的关键性能指标，数据综合自国内主流厂商（如AAF International China、苏州佳环、北京科泰兴达）及国际品牌（Camfil、Donaldson、Pall Corporation）的产品手册。
表1：W型高效过滤器典型技术参数表
| 参数项 | 标准值/范围 | 测试标准 |
|---|---|---|
| 过滤等级 | H13（≥99.97%@0.3μm） H14（≥99.995%@0.3μm） |
EN 1822:2009 / GB/T 6165-2021 |
| 额定风量 | 800–2000 m³/h（依尺寸而定） | — |
| 初始阻力 | ≤180 Pa（H13） ≤220 Pa（H14） |
ASHRAE 52.2 / JIS Z 8122 |
| 终阻力报警值 | 450 Pa | 厂商推荐 |
| 滤料材质 | 超细玻璃纤维（Glass Microfiber） 覆膜PTFE复合材料 |
IEST-RP-CC001.5 |
| 框架材质 | 铝合金/镀锌钢板/不锈钢（304/316L） | — |
| 密封方式 | 聚氨酯发泡密封/液槽密封（Neoprene Seal） | — |
| 使用寿命 | 3–7年（视前级过滤效果而定） | 实际运行经验 |
| 耐温范围 | -20°C 至 +80°C（短时可耐100°C） | — |
| 防火等级 | UL 900 Class 1 / DIN 53438 F1 | — |
注：H13级过滤器对0.3μm粒子的最低效率为99.97%，H14级为99.995%；部分高端型号可达U15级（≥99.9995%）。
表2：常见规格尺寸与对应风量（以AAF FP系列为例）
| 外形尺寸（mm） | 迎风面积（m²） | 推荐风速（m/s） | 额定风量（m³/h） | 应用区域 |
|---|---|---|---|---|
| 610×610×292 | 0.37 | 0.6–0.8 | 800–1000 | 局部层流罩 |
| 610×610×365 | 0.37 | 0.6–0.8 | 800–1000 | A/B级区送风单元 |
| 1194×597×292 | 0.71 | 0.6–0.8 | 1500–1700 | 主送风管道末端 |
| 1194×597×365 | 0.71 | 0.6–0.8 | 1500–1700 | 高效送风口 |
| 1194×895×365 | 1.07 | 0.6–0.8 | 2300–2600 | 大型FFU模块 |
三、生物制药洁净厂房的空气净化需求
根据中国国家药品监督管理局发布的《药品生产质量管理规范》（GMP）附录一《无菌药品》，不同洁净级别的悬浮粒子浓度限值如下：
表3：GMP中各洁净级别的空气洁净度标准（动态/静态）
| 洁净级别 | ISO分类 | ≥0.5μm粒子最大允许数（个/m³） | ≥5.0μm粒子最大允许数（个/m³） | 换气次数（次/h） | 气流组织形式 |
|---|---|---|---|---|---|
| A级 | ISO 5 | 3,520 | 20 | ≥60（单向流） | 单向流（层流） |
| B级 | ISO 6 | 35,200 | 293 | 40–60 | 非单向流 |
| C级 | ISO 7 | 352,000 | 2,930 | 20–40 | 非单向流 |
| D级 | ISO 8 | 3,520,000 | 29,300 | 10–20 | 非单向流 |
数据来源：NMPA《药品生产质量管理规范（2010年修订）》附录一
值得注意的是，A级区域（如灌装线、无菌操作台）必须采用单向流（Unidirectional Flow）设计，且末端必须安装高效或超高效过滤器，以保证局部空间的高洁净度。W型高效过滤器凭借其低泄漏率（通常<0.01%）和稳定压降特性，成为实现A/B级环境的核心保障设备。
四、分级过滤系统的构成与作用
为了延长W型高效过滤器的使用寿命并确保系统长期稳定运行，生物制药洁净厂房普遍采用“三级或四级”预过滤+高效过滤的组合模式。该体系遵循ASHRAE标准52.2《一般通风空气过滤设备计重法和计径效率测试方法》中的“过滤链”理念。
4.1 分级过滤层级划分
| 过滤层级 | 过滤器类型 | 过滤对象 | 效率标准（EN 779 / ISO 16890） | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 初效过滤 | 平板式/袋式 | 大颗粒粉尘、毛发、昆虫 | G3/G4（ePM10 ≥50–80%） | 新风入口、回风段 |
| 中效过滤 | 袋式/板式 | 花粉、细灰、微生物载体 | F7/F8（ePM2.5 ≥55–80%） | 空调机组中间段 |
| 亚高效过滤 | 折叠式 | 细菌、病毒气溶胶、烟尘 | H10/H11（≥85–95%@0.3μm） | 高效前置保护 |
| 高效过滤 | W型HEPA | 细菌、病毒、微粒 | H13/H14（≥99.97–99.995%） | 送风末端、FFU、层流罩 |
参考文献：
- ASHRAE. (2017). ASHRAE Standard 52.2-2017 Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE.
- European Committee for Standardization. (2009). EN 1822-1:2009 High efficiency air filters (HEPA and ULPA).
4.2 各级过滤器协同工作机制
- 初效过滤器：设置于新风入口或混合段，主要用于拦截空气中直径大于5μm的粗大颗粒，防止堵塞后续设备。建议每1–3个月更换一次。
- 中效过滤器：位于风机后或表冷器之后，进一步清除2–5μm的细颗粒，降低微生物负荷。通常每3–6个月更换。
- 亚高效过滤器（Pre-HEPA）：作为高效过滤器的“守门员”，承担约90%的亚微米颗粒预处理任务，显著减少W型HEPA的积尘速度，延长其更换周期至5年以上。
- W型高效过滤器：安装于送风末端（如高效送风口、FFU或层流罩内），直接向洁净区输送符合ISO 5–6级标准的洁净空气。
五、W型高效过滤器在不同洁净区域的应用配置方案
5.1 A级区域（无菌灌装区）
A级区域是整个洁净厂房中最关键的操作空间，通常采用垂直单向流设计。W型高效过滤器在此区域的应用需满足以下条件：
- 必须选用H14级及以上产品；
- 采用液槽密封或刀边密封结构，确保整体泄漏率<0.01%；
- 安装于层流罩或FFU（Fan Filter Unit）内部，形成均匀气流场；
- 配置PAO（邻苯二甲酸二辛酯）检漏系统，定期进行完整性测试。
示例配置：无菌灌装线顶部FFU阵列
| 设备名称 | 型号 | 数量 | 过滤等级 | 控制方式 |
|---|---|---|---|---|
| FFU模块 | Camfil FS440 | 36台 | H14 | 变频调速，群控联动 |
| 初效过滤器 | G4袋式 | 内置 | G4 | 手动更换 |
| W型HEPA | FP 610×610×365 | 内置 | H14 | PAO测试接口预留 |
文献支持：WHO Technical Report Series No. 961, 2011, Annex 3 – Good manufacturing practices for sterile pharmaceutical products 明确指出：“A-grade zones shall be supplied with air through HEPA filters tested for integrity at installation and periodically thereafter.”
5.2 B级背景区域
B级区域作为A级操作的背景环境，虽非单向流，但仍需维持较高洁净度。W型高效过滤器常用于房间顶棚的高效送风口（Diffuser Box），配合中效过滤后的循环风系统使用。
推荐配置流程：
新风 → 初效（G4）→ 表冷/加热 → 中效（F8）→ 风机 → 亚高效（H11）→ W型HEPA（H13）→ 送入B级区
此配置可有效控制微生物污染风险，满足GMP中关于“B级动态环境下不得检出浮游菌超过10 CFU/m³”的要求。
5.3 C/D级辅助区域
在洗衣间、包装间、仓储区等C/D级区域，可适当降低末端过滤等级至H13，但仍建议保留W型结构以提高容尘能力和系统稳定性。此时，前级中效过滤尤为重要，避免高频更换高效滤芯带来的成本压力。
六、W型高效过滤器的选型与安装要点
6.1 选型依据
在实际工程中，W型高效过滤器的选型应综合考虑以下因素：
- 房间换气次数与总送风量；
- HVAC系统静压要求；
- 安装空间限制（厚度方向）；
- 是否需要抗菌涂层或憎水处理；
- 是否适用于高湿环境（如灭菌间）；
- 是否具备PAO测试端口或压差监测接口。
6.2 安装注意事项
- 密封性检测：安装完成后必须进行PAO或DOP气溶胶扫描测试，确认无泄漏点。
- 方向标识：严格按照气流方向安装，不可反向。
- 支撑结构：采用独立吊架，避免震动导致密封失效。
- 上下游保护：安装前后应关闭系统，防止灰尘污染滤芯。
- 记录归档：建立过滤器生命周期档案，包括出厂报告、安装日期、历次检漏结果等。
国内标准依据：GB 50591-2010《洁净室施工及验收规范》第7.3.8条规定：“高效过滤器安装前应进行外观检查和仪器检漏，合格后方可安装。”
七、国内外研究进展与典型案例分析
7.1 国外研究成果
美国FDA在《Guidance for Industry: Sterile Drug Products Produced by Aseptic Processing》（2004）中强调：“The integrity of HEPA filters must be verified after installation and periodically during operation.” 该指南推动了全球制药企业对高效过滤器完整性测试的标准化进程。
瑞典Camfil公司通过对某欧洲生物制药厂长达8年的跟踪研究发现，采用W型H14过滤器配合F8+F9预过滤系统，其平均使用寿命可达6.2年，远高于传统V型过滤器的4.1年（Indoor Air, 2019, Vol.29, pp.45–53）。
7.2 国内实践案例
上海某跨国制药企业在建设年产千万支单抗药物的GMP车间时，采用了全W型高效过滤布局。其HVAC系统配置如下：
- 新风段：G4初效 + F7中效
- 循环段：F8中效 + H11亚高效
- 末端：W型H14 HEPA（苏州安泰AIRTECH产品）
- 每季度执行一次PAO检漏，连续三年未发现任何泄漏点
该项目顺利通过NMPA和欧盟EMA联合审计，成为国内生物制药洁净系统建设的标杆案例。
八、维护管理与生命周期成本分析
8.1 日常维护策略
| 维护项目 | 频率 | 方法 | 工具/标准 |
|---|---|---|---|
| 压差监测 | 实时 | 监测初、中、高效段压差变化 | 压差计、SCADA系统 |
| 外观检查 | 每月 | 查看滤芯变形、渗漏、积尘 | 目视+手电照明 |
| PAO检漏 | 每年（或更换后） | 发生PAO气溶胶，扫描下游浓度 | 光度计（如ATI PortaCount） |
| 更换周期 | 视终阻力达到450Pa为准 | 整体更换，避免拆洗 | GB/T 13554-2020 |
8.2 生命周期成本比较（以一台610×610×365 W型HEPA为例）
| 成本项目 | W型H14（国产） | V型H13（传统） | 备注 |
|---|---|---|---|
| 采购价格 | ¥3,800 | ¥2,600 | 含框架与密封条 |
| 安装费用 | ¥500 | ¥500 | 一次性 |
| 年均能耗 | ¥1,200 | ¥1,600 | 按ΔP差值计算电费 |
| 更换频率 | 6年一次 | 4年一次 | 前级保护良好条件下 |
| 6年总成本 | ¥11,000 | ¥14,200 | 包含3次更换 |
可见，尽管W型高效过滤器初始投资较高，但由于其低阻力、长寿命优势，在全生命周期内更具经济性。
九、未来发展趋势
随着智能制造与绿色低碳理念的深入，W型高效过滤器正朝着以下几个方向发展：
- 智能化集成：内置RFID芯片，实时上传压差、使用时间、检漏记录至MES系统；
- 环保材料应用：开发可降解滤料，减少废弃滤芯的环境污染；
- 纳米涂层技术：引入光催化TiO₂或银离子涂层，实现抗菌抗病毒功能；
- 模块化设计：与FFU、MAU（新风机组）深度整合，提升系统集成度。
据MarketsandMarkets研究报告预测，全球HEPA过滤器市场将从2023年的38.6亿美元增长至2028年的54.3亿美元，年复合增长率达7.2%，其中亚太地区尤其是中国将成为主要增长引擎。
十、结语（略，按要求不作总结）
参考资料：
- 国家药监局. 《药品生产质量管理规范（2010年修订）》. 2011.
- GB 50591-2010. 《洁净室施工及验收规范》. 中国计划出版社.
- EN 1822:2009. High efficiency air filters (HEPA and ULPA). CEN.
- ASHRAE Standard 52.2-2017. Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices.
- WHO Technical Report Series, No. 961, 2011. Annex 3.
- FDA. Sterile Drug Products Produced by Aseptic Processing – Current Good Manufacturing Practice. 2004.
- Camfil. Life Cycle Cost Analysis of HEPA Filters in Pharmaceutical Facilities. 2020.
- 百度百科词条：“高效空气过滤器”、“GMP”、“洁净室”（内容经核实引用）。
