高效空气过滤器完整性测试在超净台验证中的实施方法
概述
高效空气过滤器（High-Efficiency Particulate Air Filter，简称HEPA）是超净台（Laminar Flow Cabinet）中保障洁净环境的核心组件。其主要功能是通过物理拦截、扩散沉积、惯性碰撞和静电吸附等机制，去除空气中≥0.3微米的颗粒物，确保工作区域达到ISO 14644-1标准中规定的洁净等级（如ISO Class 5或Class 4）。为保证HEPA过滤器在长期运行中持续有效，必须定期进行完整性测试（Integrity Testing），以检测是否存在泄漏、破损或安装缺陷。
本文系统阐述高效空气过滤器完整性测试在超净台验证中的实施方法，涵盖测试原理、标准规范、测试设备、操作流程、参数设置、结果判定及国内外相关研究进展，并结合实际应用案例与权威文献支持，提供全面的技术参考。
一、高效空气过滤器的基本参数与性能要求
1.1 HEPA过滤器分类与效率标准
根据国际标准ISO 29463-3:2011《High-efficiency and ultra-high-efficiency filters and filter elements》，HEPA过滤器分为H13、H14、H15三个等级，而ULPA（Ultra-Low Penetration Air）过滤器则包括U15、U16、U17等级。其主要性能指标如下表所示：
| 过滤器等级 | 对0.3μm颗粒的最低过滤效率 | 标准依据 |
|---|---|---|
| H13 | ≥99.95% | ISO 29463-3:2011, EN 1822:2009 |
| H14 | ≥99.995% | ISO 29463-3:2011, EN 1822:2009 |
| H15 | ≥99.9995% | ISO 29463-3:2011, EN 1822:2009 |
| U15 | ≥99.99995% | ISO 29463-4:2011 |
| U16 | ≥99.999995% | ISO 29463-4:2011 |
注：测试气溶胶通常采用邻苯二甲酸二辛酯（DOP）、癸二酸二异辛酯（DEHS）或聚α-烯烃（PAO）。
在中国，GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》规定了HEPA过滤器的技术要求，其中H13级对应“高效”，H14级为“超高效”。该标准等效采用ISO 29463系列，明确了额定风量下的阻力、效率、检漏等性能指标。
1.2 超净台中HEPA过滤器的关键参数
在超净台应用中，HEPA过滤器需满足以下典型技术参数：
| 参数项 | 典型值/范围 | 说明 |
|---|---|---|
| 迎面风速 | 0.3–0.5 m/s | 确保层流稳定，避免湍流 |
| 静压差 | ≤250 Pa（初阻力） | 新过滤器初始压降 |
| 最终阻力 | ≤450 Pa | 达到此值建议更换 |
| 过滤面积 | 0.5–2.0 m² | 依柜体尺寸而定 |
| 额定风量 | 800–2000 m³/h | 与风机匹配 |
| 泄漏率上限 | ≤0.01%（即穿透率≤0.01%） | 完整性测试合格标准 |
数据来源：ASHRAE Handbook—HVAC Applications (2020), GB/T 13554-2020
二、完整性测试的必要性与法规依据
2.1 测试目的
HEPA过滤器完整性测试旨在确认：
- 过滤介质无穿孔、裂缝或老化；
- 密封边框无泄漏（如密封胶开裂）；
- 安装过程未造成机械损伤；
- 整体系统在运行状态下保持气密性。
若存在局部泄漏，即使面积很小，也可能导致洁净区颗粒浓度超标，影响实验结果或产品安全。
2.2 国内外法规与标准要求
| 标准名称 | 发布机构 | 相关条款 |
|---|---|---|
| ISO 14644-3:2019 | 国际标准化组织 | 第B.8节规定“过滤器安装后应进行扫描检漏测试” |
| USP | 美国药典 | 明确要求洁净室及层流设备中HEPA过滤器需定期检漏 |
| GMP附录1（2023版） | 中国国家药品监督管理局 | 第48条：“高效过滤器应定期进行完整性测试” |
| FDA Guidance for Industry: Sterile Drug Products | 美国FDA | 推荐使用气溶胶光度计法进行检漏 |
| JIS Z 8122:2015 | 日本工业标准 | 规定了粒子计数器扫描法的应用条件 |
据Kumar et al. (2021) 在《Journal of Pharmaceutical Innovation》的研究指出，全球超过85%的制药企业在洁净室验证中强制执行年度HEPA完整性测试，且多数采用PAO-Discus法（光度计法）作为标准手段。
三、完整性测试方法分类与比较
目前主流的HEPA完整性测试方法主要包括气溶胶光度计法和粒子计数器扫描法，两者各有适用场景。
3.1 气溶胶光度计法（Photometer Method）
原理：
上游发生稳定浓度的气溶胶（如PAO），用光度计测量下游泄漏点处的散射光强度，计算穿透率。
实施步骤：
- 在HEPA上游注入PAO气溶胶，浓度维持在10–100 μg/L；
- 使用光度计探头在距过滤器表面1–2 cm处以≤5 cm/s速度扫描；
- 记录最大穿透率，若超过0.01%则判定为泄漏。
优点与局限：
| 项目 | 描述 |
|---|---|
| 灵敏度 | 中等（可检测0.01%穿透） |
| 成本 | 较低，设备普及 |
| 适用性 | 适用于大流量系统、工厂预测试 |
| 缺点 | 无法区分粒径，易受背景干扰 |
参考文献：American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE), HVAC Systems and Equipment, 2020.
3.2 粒子计数器扫描法（Particle Counter Scan Method）
原理：
利用多通道粒子计数器测量下游空气中≥0.3μm或≥0.5μm粒子浓度，结合上游浓度计算局部穿透率。
操作要点：
- 上游气溶胶浓度：≥20,000 particles/cm³（@0.3μm）
- 扫描速度：≤5 cm/s
- 探头面积覆盖率：100%
- 数据采集频率：≥1次/秒
判定标准：
当某点局部穿透率 ( eta = frac{C{text{down}}}{C{text{up}}} times 100% > 0.01% )，视为泄漏。
公式中：( C{text{down}} ) 为下游粒子浓度，( C{text{up}} ) 为上游平均浓度。
该方法灵敏度高，可达0.001%，特别适用于ULPA过滤器或高风险区域（如无菌灌装线）。
方法对比表：
| 比较项 | 光度计法 | 粒子计数器法 |
|---|---|---|
| 检测原理 | 光散射强度 | 粒子数量统计 |
| 灵敏度 | 0.01%穿透 | 可达0.001% |
| 设备成本 | ￥3万–5万元 | ￥8万–15万元 |
| 数据分辨率 | 连续模拟信号 | 数字化记录 |
| 是否可追溯 | 否 | 是（带时间戳） |
| 适合标准 | ISO 14644-3, USP | EN 1822:2009, ISO 29463 |
| 推荐应用场景 | 普通实验室超净台 | 制药、生物安全柜、A级区 |
资料来源：Heikkilä et al., Aerosol Science and Technology, 2019; 李伟, 张明.《洁净技术与工程》, 2022.
四、超净台中完整性测试的具体实施流程
4.1 测试前准备
（1）环境条件控制
- 温度：18–26°C
- 相对湿度：30–70%
- 室内洁净度：至少达到ISO Class 8，避免外部污染干扰
（2）设备校准
所有测试仪器须经计量部门校准，有效期不超过12个月。
| 仪器类型 | 校准项目 | 校准周期 |
|---|---|---|
| 气溶胶发生器 | 输出浓度稳定性 | 每年一次 |
| 光度计 | 零点漂移、响应线性 | 每年一次 |
| 粒子计数器 | 流量精度、粒径分辨 | 每6个月 |
（3）超净台状态设置
- 关闭照明与紫外灯；
- 风机运行至少15分钟，使气流稳定；
- 移除台面物品，确保扫描路径无障碍；
- 安装测试口（如有）或临时开启上游采样点。
4.2 气溶胶引入与上游浓度建立
常用气溶胶发生方式：
| 发生方式 | 代表设备 | 特点 |
|---|---|---|
| 热发烟（Thermal Generator） | TSI Model 8160 | PAO加热蒸发，粒径集中于0.3–0.5μm |
| 冷雾发生（Cold Aerosol） | Palas GA-30 | 压缩空气雾化DEHS，安全性高 |
| 喷雾法 | ATOMTEX ATM-393 | 适用于小型设备 |
推荐上游浓度目标值：
- 光度计法：80–100 μg/L（PAO）
- 粒子计数器法：≥50,000 particles/cm³ @0.3μm
4.3 扫描测试操作规范
扫描路径设计原则：
- 覆盖整个过滤器出风面；
- 包括边框、拼接缝、支架固定点等薄弱区域；
- 探头移动轨迹呈“S”形或平行线，间距≤2 cm；
- 每个区域重复扫描两次以验证一致性。
典型扫描参数设置（以TSI 3120粒子计数器为例）：
| 参数 | 设置值 |
|---|---|
| 采样流量 | 28.3 L/min |
| 采样时间 | 10秒/点（连续模式） |
| 粒径通道 | 0.3, 0.5, 1.0, 3.0, 5.0 μm |
| 数据记录间隔 | 1秒 |
| 报警阈值 | 局部穿透率 > 0.01% |
4.4 泄漏定位与修复
一旦发现泄漏点，应：
- 标记具体位置（如“左上角距边缘5cm处”）；
- 使用硅酮密封胶或专用修补胶带临时封堵；
- 重新测试直至合格；
- 若泄漏面积较大或位于滤材本体，建议整体更换。
注意：禁止使用普通胶带或非洁净室兼容材料进行修补。
五、测试结果分析与报告编制
5.1 数据处理方法
（1）平均上游浓度计算
取上游采样点连续5分钟数据的算术平均值：
[
C{text{up,avg}} = frac{1}{n} sum{i=1}^{n} C_i
]
（2）局部穿透率计算
[
etaj = left( frac{C{text{down},j}}{C_{text{up,avg}}} right) times 100%
]
其中 ( j ) 表示第 ( j ) 个扫描点。
（3）整体效率验证
[
text{Overall Efficiency} = left(1 – frac{sum C{text{down}}}{sum C{text{up}}} right) times 100%
]
应 ≥99.995%（H14级）
5.2 合格判定标准
根据ISO 14644-3:2019 B.8.4条款：
- 任何单点穿透率不得超过 0.01%；
- 总体平均穿透率不得超过 0.005%；
- 不得有连续性泄漏或结构性破损。
5.3 测试报告内容模板
一份完整的完整性测试报告应包含以下信息：
| 项目 | 内容示例 |
|---|---|
| 设备编号 | LCAB-2023-001 |
| 测试日期 | 2025年3月15日 |
| 测试人员 | 王工（持证） |
| 过滤器型号 | Camfil AAF F8V-B |
| 安装位置 | 生物安全二级实验室超净台顶部 |
| 测试方法 | 粒子计数器扫描法（ISO 14644-3） |
| 上游气溶胶 | DEHS，浓度：62,300 #/cm³ @0.3μm |
| 扫描速度 | 4 cm/s |
| 最大局部穿透率 | 0.007% |
| 泄漏点数量 | 0 |
| 结论 | 合格 |
| 备注 | 无异常振动或噪音 |
报告需由质量负责人审核签字，并归档保存至少5年（GMP要求）。
六、影响测试准确性的常见因素与对策
| 影响因素 | 对测试的影响 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 气流不稳定 | 上游浓度波动，误判泄漏 | 预运行15分钟，关闭门窗 |
| 探头距离过远 | 灵敏度下降，漏检小泄漏 | 保持1–2 cm距离 |
| 扫描速度过快 | 数据缺失，覆盖率不足 | 控制在≤5 cm/s |
| 背景粒子干扰 | 下游读数偏高 | 在洁净环境中测试，先测背景值 |
| 气溶胶分布不均 | 局部浓度偏低 | 使用混合腔或延长扩散时间 |
| 仪器未校准 | 测量误差累积 | 定期送检，保留校准证书 |
据Zhang et al. (2020) 在《Indoor Air》发表的研究显示，在未控制背景粒子的情况下，假阳性率可高达18%；而在规范操作下，检测可靠性提升至99.2%。
七、国内外研究进展与技术创新
近年来，随着智能制造与数字化管理的发展，HEPA完整性测试正向自动化、智能化方向演进。
7.1 自动化扫描系统
例如德国Palas公司推出的SecuSafe®自动扫描系统，集成机器人臂与高精度粒子计数器，可实现无人值守全自动扫描，定位精度达±1 mm，显著提高重复性与可追溯性。
7.2 在线监测技术
部分高端超净台已配备内置气溶胶传感器网络，可在日常运行中实时监测过滤器状态。如Thermo Scientific™ Heracell™ iCO₂培养箱集成HEPA监控模块，通过云端平台推送预警信息。
7.3 新型气溶胶示踪剂
研究者正在探索更环保、无毒的替代气溶胶。美国NIOSH（国家职业安全卫生研究所）正在评估纳米纤维素悬浮液作为新型示踪粒子的可行性，其生物可降解且对人体无害（NIOSH Report No. 2023-104）。
7.4 人工智能辅助分析
清华大学环境学院团队开发了基于深度学习的泄漏图像识别算法，能自动标注扫描路径中的异常热点，并预测潜在失效趋势（Li et al., Building and Environment, 2023）。
八、行业应用案例分析
案例一：某生物制药企业A级区超净台验证
- 设备：ESCO AC2-4SW-C-I型垂直层流超净台
- 过滤器等级：H14（欧标）
- 测试方法：TSI 9020光度计 + PAO发生器
- 问题发现：右下角边框处测得穿透率0.03%
- 原因分析：运输过程中密封胶开裂
- 处理措施：重新打胶并复测，结果降至0.006%
- 结论：修复后符合GMP要求
案例二：高校实验室超净台年度验证
- 单位：某985高校生命科学学院
- 测试频率：每年一次 + 更换过滤器后
- 方法：粒子计数器法（Met One GT-526S）
- 数据趋势：连续三年最大穿透率分别为0.008%、0.009%、0.011%
- 决策：第三年接近限值，建议提前更换过滤器
九、测试频率与维护建议
根据USP 和中国GMP指南，建议测试频率如下：
| 使用场景 | 建议测试频率 | 依据 |
|---|---|---|
| 制药企业无菌操作区 | 每6个月 | GMP附录1 |
| 医疗器械洁净车间 | 每年一次 | YY 0569-2011 |
| 科研实验室超净台 | 每年一次或更换后 | ISO 14644-3 |
| 生物安全柜（BSC） | 每年一次 + 搬迁后 | NSF/ANSI 49:2022 |
此外，出现以下情况时应立即进行完整性测试：
- 过滤器更换或维修后；
- 设备经历剧烈震动或撞击；
- 洁净区环境监测连续超标；
- 风速明显下降或压差异常。
十、结语（略）
（按用户要求，此处不作总结性陈述）
参考文献
- ISO 14644-3:2019. Cleanrooms and associated controlled environments — Part 3: Test methods. International Organization for Standardization.
- USP-NF . Microbiological Control and Monitoring of Aseptic Processing Environments. United States Pharmacopeia, 2023.
- GB/T 13554-2020. 《高效空气过滤器》. 中国标准出版社.
- ASHRAE Handbook—HVAC Applications. Chapter 8: Clean Spaces. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2020.
- EN 1822:2009. High efficiency air filters (HEPA and ULPA). European Committee for Standardization.
- Kumar, S., et al. (2021). "HEPA Filter Integrity Testing in Pharmaceutical Facilities: A Global Survey." Journal of Pharmaceutical Innovation, 16(3), 245–253.
- Heikkilä, J., et al. (2019). "Comparison of Different Methods for HEPA Filter Leak Testing." Aerosol Science and Technology, 53(7), 789–801.
- Li, W., & Zhang, M. (2022). 《洁净技术与工程》. 化学工业出版社.
- NIOSH. (2023). Evaluation of Cellulose Nanofiber Aerosols for Filter Testing. Publication No. 2023-104.
- Zhang, Y., et al. (2020). "Impact of Background Particles on HEPA Filter Leak Detection Accuracy." Indoor Air, 30(4), 678–689.
- Li, X., et al. (2023). "Deep Learning-Based Anomaly Detection in Cleanroom Filtration Systems." Building and Environment, 231, 110045.
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