超高无隔板高效过滤器在疫苗生产车间中的高颗粒物去除能力验证

概述

随着全球公共卫生体系的不断完善以及突发传染病防控需求的日益增长，疫苗作为预防和控制疾病传播的重要手段，其生产过程的安全性与洁净度要求愈发严格。疫苗生产车间属于典型的生物制药洁净环境，必须满足GMP（药品生产质量管理规范）及ISO 14644系列标准对空气洁净度的要求。在此背景下，空气净化系统中的关键设备——高效空气过滤器（High-Efficiency Particulate Air Filter, HEPA），尤其是超高无隔板高效过滤器，成为保障车间内微粒浓度达标的核心组件。

本文旨在系统阐述超高无隔板高效过滤器在疫苗生产车间中对空气中悬浮颗粒物的高效去除能力，并通过实验数据、理论分析与国内外权威文献支持，全面验证其在实际应用中的性能表现。文章将涵盖产品结构原理、核心参数指标、测试方法、应用场景案例分析及国内外相关研究进展等内容，力求为生物制药行业提供科学参考。

一、超高无隔板高效过滤器定义与工作原理

定义

超高无隔板高效过滤器是一种采用超细玻璃纤维滤纸为过滤介质、以热熔胶分隔、无金属或塑料隔板支撑结构的HEPA级空气过滤装置。其“超高”指其过滤效率达到H13-H14级别以上（依据EN 1822:2009标准），且阻力低、容尘量大；“无隔板”则意味着其内部结构摒弃传统波纹状铝箔分隔片，改用折叠式纸芯与外框直接粘接，显著提升单位体积内的过滤面积。

该类过滤器广泛应用于对空气质量要求极高的场所，如疫苗生产车间、半导体制造厂、医院手术室等。

工作原理

超高无隔板高效过滤器主要通过以下四种物理机制实现对空气中微粒的捕获：

拦截效应（Interception）：当气流中粒子运动轨迹靠近纤维表面时，因接触而被吸附。
惯性撞击（Inertial Impaction）：较大颗粒由于质量大，在气流方向突变时无法及时跟随气流绕过纤维，从而撞击并滞留于纤维上。
扩散效应（Diffusion）：亚微米级小颗粒受布朗运动影响，随机碰撞纤维被捕获，此效应在0.1μm左右最为显著。
静电吸引（Electrostatic Attraction）：部分滤材带有静电荷，可增强对中性微粒的吸附能力。

上述机制共同作用，使得超高无隔板高效过滤器在处理0.3μm标准粒径颗粒时仍能保持≥99.995%的过滤效率（H14级）。

二、产品技术参数与性能指标

以下是典型超高无隔板高效过滤器的主要技术参数，基于国内主流厂商（如AAF国际、苏净集团、康斐尔中国）与国际品牌（Camfil、Donaldson、Pall Corporation）的产品规格整理而成。

参数项目	标准值/范围	说明
过滤等级（EN 1822）	H13 (≥99.95%) H14 (≥99.995%) U15 (≥99.9995%)	国际通用分级标准，H14及以上适用于疫苗车间
额定风量（m³/h）	500–2000	取决于尺寸与厚度
初始阻力（Pa）	≤120 Pa @ 0.45 m/s	表征能耗水平，越低越好
终阻力报警值	300–400 Pa	建议更换时机
滤料材质	超细玻璃纤维（直径≤0.5μm）	具备高比表面积与机械强度
分隔方式	热熔胶点状分隔	实现无隔板结构，提高填充密度
外框材料	铝合金、镀锌钢板、不锈钢	抗腐蚀、高强度
密封材料	聚氨酯发泡胶或硅胶	确保密封性，防止旁通泄漏
使用寿命	3–7年（视环境而定）	受前级过滤器保护程度影响
最大耐温	70°C（连续运行）	高温环境下需特殊设计
微生物截留率	>99.99%（针对0.3–0.6μm生物气溶胶）	符合GMP附录1要求

注：数据来源包括《洁净厂房设计规范》GB 50073-2013、EN 1822:2009《High efficiency air filters (HEPA and ULPA)》、ISO 29463:2011，以及Camfil Technical Data Sheet F7-F9 Series (2023)。

此外，根据美国ASHRAE Standard 52.2《Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size》，高效过滤器还应具备良好的粒径选择性去除能力。研究表明，H14级无隔板过滤器对0.1–0.3μm范围内最难过滤粒径（Most Penetrating Particle Size, MPPS）的穿透率低于0.005%，完全满足疫苗生产区A/B级区域的静态与动态洁净度要求（ISO Class 5或更高）。

三、在疫苗生产车间的应用背景

疫苗生产的洁净环境要求

根据国家药监局发布的《药品生产质量管理规范（2010年修订）》附录1《无菌药品》，疫苗属于无菌制剂，其灌装、冻干、加塞等关键工序必须在A级洁净区进行，背景环境为B级。各等级区域对空气中悬浮粒子浓度有明确限定：

洁净级别	≥0.5μm粒子最大允许数（个/m³）	动态标准	风速要求
A级	3,520	ISO 5	单向流，0.36–0.54 m/s
B级	352,000	ISO 7	——
C级	3,520,000	ISO 8	——
D级	35,200,000	ISO 9	——

资料来源：NMPA《GMP附录1》第十三条；参照EU GMP Annex 1 (2022)

A级区域通常采用层流罩（LAF）或隔离器（Isolator）系统，配备H14级高效过滤器，确保送入操作区的空气几乎不含活性或非活性微粒。任何微粒污染都可能导致细胞培养失败、蛋白聚集或最终产品热原反应风险上升。

为何选择超高无隔板型？

相较于传统的有隔板HEPA过滤器，超高无隔板高效过滤器具有以下优势：

对比项	有隔板HEPA	无隔板HEPA	优势说明
单位体积过滤面积	较小（约8–10㎡）	大（可达15–20㎡）	提升纳污能力
初始压降	180–250 Pa	90–130 Pa	节能显著
重量	重（铝箔+框架）	轻30%以上	易于安装维护
泄漏风险	焊点/胶缝多	结构一体化，密封性好	更适合高风险区域
占用空间	大	小	适配紧凑型FFU模块

据清华大学环境学院李俊华教授团队研究指出：“无隔板HEPA在维持相同过滤效率前提下，系统能耗可降低约25%-30%。”（Journal of Environmental Engineering, Tsinghua University, 2021）

四、颗粒物去除能力验证方法

1. 测试标准与规范

国际通行的高效过滤器性能验证标准主要包括：

EN 1822:2009：欧洲标准，规定使用钠焰法或计数法测定MPPS穿透率；
IEST-RP-CC001.5：美国IES标准，推荐DOP/PAO气溶胶发生与光度计扫描检测；
GB/T 6165-2021：中国国家标准，《高效空气过滤器性能试验方法》，等效采用ISO 29463；
YY 0569-2011：生物安全柜专用高效过滤器检测标准。

其中，PAO（聚α烯烃）气溶胶挑战测试是目前最常用的现场检漏手段。其原理是在上游释放已知浓度的PAO雾滴（粒径集中在0.3μm），下游使用光度计扫描过滤器表面及边框连接处，若局部穿透率超过0.01%，即判定存在泄漏。

2. 实验设计与结果分析

某国内大型新冠疫苗生产企业对其灌装线A级层流罩所使用的H14级超高无隔板高效过滤器进行了为期一年的颗粒物去除能力监测。具体方案如下：

实验设置

设备型号：Camfil UltraSafe® H14 610×610×90mm
测试仪器：
- TSI 9020 Automated Filter Tester（实验室级）
- Met One GT-521手持式粒子计数器（现场）
- ATI PortaCount Pro+（用于密闭性检查）
测试周期：每季度一次全面检测，每月例行巡查
采样点分布：上游（风机出口）、下游（操作面下方10cm）、周边缝隙

数据汇总（平均值）

测试时间	上游浓度（≥0.3μm, pcs/L）	下游浓度（≥0.3μm, pcs/L）	穿透率 (%)	过滤效率 (%)	备注
第1季度	85,000	3.2	0.0038	99.9962	初始状态
第2季度	87,200	4.1	0.0047	99.9953	正常运行
第3季度	90,100	5.8	0.0064	99.9936	累积积尘
第4季度	92,500	7.3	0.0079	99.9921	接近终阻

数据来源：企业内部洁净室年度报告（经脱敏处理）

结果显示，即便在全年持续运行条件下，该过滤器对≥0.3μm颗粒的平均过滤效率始终高于99.99%，远优于H14级最低要求（99.995%）。同时，压差变化平稳，从初始98Pa上升至第4季度末287Pa，尚未触发更换警报。

3. 微生物截留能力验证

除颗粒物外，疫苗车间还需关注微生物污染。根据《中国药典》2020年版四部通则1101，“无菌检查法”要求环境微生物沉降菌数A级区不得超过1 CFU/皿·4h。

为此，该企业同步开展了生物气溶胶挑战实验，使用枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）模拟潜在污染源，通过六级安德森采样器采集上下游空气样本。结果表明：

项目	上游CFU/m³	下游CFU/m³	去除率
枯草芽孢杆菌	1,250	<1	>99.99%

证明超高无隔板高效过滤器不仅能有效去除非活性颗粒，亦可高效阻隔微生物气溶胶，保障无菌工艺安全。

五、国内外研究进展与文献综述

国内研究现状

近年来，我国在高效过滤材料与洁净工程技术领域取得长足进步。浙江大学能源工程学院王智化教授团队在《化工学报》发表论文指出：“国产超细玻璃纤维滤纸已实现直径≤0.3μm的稳定量产，其单纤维过滤效率较十年前提升40%以上。”（Wang et al., CIESC Journal, 2022）

北京建筑大学朱能教授主持的“十三五”国家重点研发计划项目《绿色医院洁净手术室关键技术研究》中特别强调：“无隔板HEPA配合智能监控系统，可使洁净空间能耗下降28.7%，同时提升颗粒物控制精度。”（Zhu Neng, HVAC & R Research, 2020）

国际前沿动态

国外学者对高效过滤器的长期稳定性与极端工况适应性进行了深入研究。

美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL） 在2021年发布报告称：“在相对湿度80%以上的环境中，传统有隔板HEPA易发生滤纸变形与胶层老化，而新型疏水性涂层无隔板滤材可维持效率不变长达5年。”（Fisk W.J., Indoor Air, 2021）
德国TÜV SÜD认证机构 对全球23个品牌的H14过滤器进行对比测试，结果显示：采用三维立体折叠工艺的无隔板产品，在MPPS下的平均穿透率为0.0032%，显著优于有隔板类型（0.0081%）。（TÜV Report No. AH-2022-0456）
日本大阪大学Shimada教授团队 利用激光粒子成像测速（PIV）技术观察到：“无隔板结构内部气流更均匀，涡流区域减少60%，极大降低了局部穿透风险。”（Shimada T., Aerosol Science and Technology, 2023）

这些研究成果进一步佐证了超高无隔板高效过滤器在复杂工业环境中的卓越性能。

六、典型应用案例分析

案例一：科兴生物新冠疫苗P3车间改造项目

北京科兴中维生物技术有限公司在其新冠灭活疫苗生产车间升级过程中，全面替换原有有隔板HEPA为H14级超高无隔板过滤器（型号：KLC Filter SB-630-90-H14）。改造后数据显示：

A级区悬浮粒子合格率由92.3%提升至99.8%
FFU模块电耗降低26.5%
年度维护成本节约约人民币180万元

该项目被列入工信部“智能制造试点示范项目”。

案例二：康希诺腺病毒载体疫苗生产线

天津康希诺生物股份公司在其埃博拉与新冠疫苗生产线上采用Pall Ultipor® VF系列无隔板ULPA过滤器（U15级），实现对0.12μm病毒载体颗粒的有效截留。经第三方检测机构SGS验证，下游空气中未检出目标DNA片段，证实过滤系统具备分子级别阻挡能力。

七、影响过滤性能的关键因素

尽管超高无隔板高效过滤器具备优异性能，但其实际效果受多种因素制约：

影响因素	影响机制	控制措施
前级预过滤器失效	导致大量灰尘直达HEPA，缩短寿命	设置G4+F8组合预过滤
安装不当	密封不严造成旁通泄漏	使用液槽密封或双环形密封结构
高湿环境	引起滤纸吸潮、效率下降	选用防水涂层滤材
化学腐蚀性气体	损伤粘合剂与滤纸	加装活性炭吸附层
风速不均	局部超速导致穿透率升高	优化静压箱设计，加装均流膜