制药厂房G4级初中效板式过滤器过滤效率验证技术研究
一、引言
在现代制药工业中，洁净环境是保障药品生产质量的核心要素之一。根据《药品生产质量管理规范》（GMP）要求，制药厂房必须维持特定的洁净级别，以防止微生物、尘埃粒子等污染物对药品造成污染。空气过滤系统作为洁净室环境控制的关键组成部分，其性能直接影响到空气质量与产品安全。
其中，初中效板式过滤器广泛应用于制药厂房空调系统的预处理段，承担着去除空气中较大颗粒物的重要任务。G4级过滤器作为欧洲标准EN 779:2012中定义的“粗效至中效”过滤等级，具有较高的容尘量和适中的过滤效率，适用于对≥5μm颗粒物的有效拦截。本文将围绕应用于制药厂房的G4级初中效板式过滤器展开深入探讨，重点分析其结构特性、技术参数、过滤机理，并系统阐述其过滤效率验证方法、测试流程及实际应用案例，结合国内外权威文献进行理论支持与实践对比。
二、G4级初中效板式过滤器概述
2.1 定义与分类
根据国际标准ISO 16890:2016《空气过滤器 — 分类、性能测试和标记》，以及其前身EN 779:2012标准，空气过滤器按照其对不同粒径颗粒物的捕集效率被划分为多个等级。G级属于“一般通风用过滤器”中的中效类别，具体分级如下：
| 过滤等级 | 标准依据 | 颗粒物捕集效率（≥5μm） | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| G1 | EN 779:2012 | <65% | 普通通风系统 |
| G2 | EN 779:2012 | 65–80% | 商业建筑通风 |
| G3 | EN 779:2012 | 80–90% | 工业通风、空调初级过滤 |
| G4 | EN 779:2012 | >90% | 制药厂、医院、精密制造车间 |
G4级过滤器要求对粒径≥5μm的颗粒物捕集效率不低于90%，常用于保护高效过滤器（如H13/H14）免受大颗粒堵塞，延长后端设备寿命，同时提升整体空气净化效果。
2.2 结构组成与材料特性
G4级初中效板式过滤器通常采用框架+滤料+护网三部分构成，典型结构如下：
- 外框材料：镀锌钢板、铝合金或ABS塑料，具备良好的抗腐蚀性和机械强度；
- 滤料材质：合成纤维（聚酯、丙纶）、玻璃纤维混纺或无纺布，经特殊工艺处理形成三维立体纤维网络；
- 分隔方式：平板式设计，无分隔片，气流阻力低；
- 防护网：内外侧加装金属或塑料护网，防止滤料变形或破损。
该类型过滤器为可更换式一次性产品，安装方式灵活，支持侧进风或顶进风模式，适用于模块化空调机组（AHU）或独立送风单元。
三、关键性能参数与选型指南
为确保G4级过滤器在制药环境中稳定运行，需综合考虑多项技术指标。下表列出了典型G4级板式过滤器的主要参数范围：
| 参数项 | 典型值/范围 | 测试标准 |
|---|---|---|
| 额定风量 | 340 – 2000 m³/h（依尺寸而定） | ASHRAE 52.2 / EN 779 |
| 初始阻力 | ≤90 Pa | EN 779:2012 |
| 终阻力设定 | 250 – 300 Pa | 建议更换压差 |
| 过滤效率（≥5μm） | ≥90% | 计重法（Arrestance Test） |
| 容尘量 | ≥500 g/m² | ASHRAE Standard 52.2 |
| 使用寿命 | 6 – 12个月（视环境粉尘浓度而定） | 实际运行监测 |
| 工作温度范围 | -20℃ ~ +70℃ | 不结露条件 |
| 湿度适应范围 | ≤95% RH（非冷凝） | |
| 尺寸规格（常见） | 484×484×21/25/46mm, 595×595×46mm等 | 符合Eurovent标准 |
| 防火等级 | UL900 Class 2 或 DIN 4102 B1 | 安全认证要求 |
注：以上数据参考自Camfil、AAF International、Flanders等国际品牌技术手册与中国《GB/T 14295-2019 空气过滤器》国家标准。
在制药厂房选型过程中，应优先选择符合ISO 16890标准认证的产品，并确认其通过第三方检测机构（如SGS、TÜV、中国建筑科学研究院）的性能验证报告。
四、过滤机理与影响因素分析
4.1 主要过滤机制
G4级过滤器主要依赖以下几种物理机制实现颗粒物捕集：
| 过滤机制 | 适用粒径范围 | 原理说明 |
|---|---|---|
| 惯性撞击 | >1μm | 大颗粒因惯性无法随气流绕过纤维而撞击并被捕获 |
| 截留效应 | 0.5–5μm | 颗粒直径大于纤维间隙时直接被阻挡 |
| 扩散沉积 | <0.1μm | 超细颗粒布朗运动增强，增加与纤维接触概率 |
| 静电吸附 | 广泛 | 滤材带静电可吸引带电微粒，提高初始效率 |
对于G4级过滤器而言，由于其目标颗粒集中在5μm以上，因此惯性撞击和截留效应为主要作用机制。随着使用时间延长，积尘会填充空隙，反而可能提升对小颗粒的拦截能力（即“深度过滤”现象），但同时导致阻力上升。
4.2 影响过滤效率的关键因素
| 因素 | 影响机制 | 控制建议 |
|---|---|---|
| 风速 | 高风速降低停留时间，减少捕集机会；过低则影响通风效率 | 维持设计风速（通常0.8–1.2 m/s穿过滤材） |
| 滤材密度 | 密度过高增加阻力，过低降低效率 | 优化克重（常见250–350g/m²） |
| 粉尘负荷 | 积尘初期效率略升，后期压降剧增 | 定期更换，避免超期使用 |
| 环境湿度 | 高湿可能导致滤材吸水膨胀或滋生微生物 | 控制相对湿度<80%，必要时选用防潮处理滤料 |
| 安装密封性 | 泄漏会导致未经过滤空气进入洁净区 | 使用密封胶条，定期检查边框密封 |
美国ASHRAE在其《HVAC Systems and Equipment Handbook》中指出：“即使高效过滤器性能优异，若前端G级过滤器失效或泄漏，整个系统的洁净度将迅速恶化。”这凸显了初中效过滤环节的重要性。
五、G4级过滤器过滤效率验证方法
5.1 验证目的与基本原则
过滤效率验证旨在评估G4级过滤器在实际工况下的性能表现，确保其满足设计要求和法规标准。验证工作应遵循以下原则：
- 可重复性：测试条件标准化，结果具有一致性；
- 可追溯性：所有仪器设备经过校准，数据记录完整；
- 代表性：采样点覆盖整个过滤面，反映真实状态；
- 合规性：符合ISO 16890、EN 779或GB/T 14295等相关标准。
5.2 标准测试方法对比
目前国际上主流的过滤器效率测试方法包括：
| 方法名称 | 标准依据 | 测试原理 | 适用等级 | 局限性 |
|---|---|---|---|---|
| 计重法（Arrestance） | ASHRAE 52.1 / EN 779 | 测定过滤前后人工尘的质量变化，计算总捕集率 | G1–G4 | 不区分粒径，仅反映宏观效率 |
| 比色法（Dust-Spot） | ASHRAE 52.2 | 利用滤纸变色程度间接反映细尘去除能力 | G3–F5 | 主观性强，已逐步淘汰 |
| 粒子计数法 | ISO 16890:2016 | 使用激光粒子计数器测量上下游不同粒径段浓度差 | ePMx系列 | 更精确，推荐用于现代验证 |
对于G4级过滤器，虽然传统上采用计重法测定其效率（即Arrestance ≥90%），但近年来越来越多企业转向基于ISO 16890的ePM4效率测试，即针对3–5μm区间颗粒的过滤性能评估，更具科学性和前瞻性。
5.3 实验室验证流程（以ISO 16890为例）
（1）测试装置配置
| 设备名称 | 功能描述 |
|---|---|
| 风洞测试台 | 提供稳定气流，模拟实际运行风速 |
| 气溶胶发生器 | 生成标准人工尘（如ASHRAE Dust, KCl溶液雾化） |
| 激光粒子计数器 | 上下游同步测量0.3、0.5、1.0、2.5、5.0μm粒径分布 |
| 差压传感器 | 实时监控过滤器前后压差 |
| 温湿度传感器 | 监控环境温湿度，确保测试一致性 |
| 数据采集系统 | 自动记录并处理测试数据 |
（2）测试步骤
- 样品准备：选取同批次3个G4级过滤器样本，编号登记；
- 安装调试：将过滤器固定于测试夹具中，确保四周密封无泄漏；
- 初始阻力测定：在额定风量下（如1.0 m/s面风速），记录初始压降；
- 上游粒子浓度测量：开启气溶胶发生器，待浓度稳定后，测得上游各粒径段粒子数；
- 下游粒子浓度测量：在同一条件下测定过滤后空气中的粒子浓度；
- 计算过滤效率：
$$
eta = left(1 – frac{C{text{down}}}{C{text{up}}} right) times 100%
$$
其中 $ C{text{up}} $ 和 $ C{text{down}} $ 分别为上下游粒子浓度。 - 重复测试：更换样本，重复上述过程，取平均值作为最终结果。
（3）典型测试结果示例
某国产G4板式过滤器在实验室条件下的测试数据如下：
| 粒径段（μm） | 上游浓度（pcs/L） | 下游浓度（pcs/L） | 过滤效率（%） |
|---|---|---|---|
| 0.3–0.5 | 12,500 | 9,800 | 21.6 |
| 0.5–1.0 | 8,300 | 5,200 | 37.3 |
| 1.0–2.5 | 3,700 | 1,450 | 60.8 |
| 2.5–5.0 | 1,200 | 280 | 76.7 |
| ≥5.0 | 850 | 65 | 92.4 |
注：尽管整体Arrestance达到92.4%（符合G4标准），但对小于5μm颗粒的去除能力有限，提示其主要用于粗中效防护。
六、现场验证与安装确认（IQ/OQ/PQ）
在制药厂房中，除实验室测试外，还需进行现场性能验证，通常纳入设备验证主计划（VMP），包括安装确认（IQ）、运行确认（OQ）和性能确认（PQ）三个阶段。
6.1 安装确认（Installation Qualification, IQ）
| 项目 | 检查内容 | 合格标准 |
|---|---|---|
| 过滤器型号 | 核对采购订单、技术协议 | 与设计一致 |
| 外观检查 | 是否破损、变形、锈蚀 | 无损伤 |
| 安装方向 | 气流方向箭头是否正确 | 与系统流向一致 |
| 密封情况 | 框架与箱体间是否使用密封胶条 | 无可见缝隙 |
| 文件资料 | 出厂合格证、检测报告、材质证明 | 齐全且有效 |
6.2 运行确认（Operational Qualification, OQ）
| 测试项目 | 方法 | 接受标准 |
|---|---|---|
| 静态压差测试 | 在额定风量下测量过滤器前后压差 | ≤90 Pa（初始） |
| 气密性测试 | 使用烟雾笔或粒子扫描法检测边框泄漏 | 无明显泄漏 |
| 风量平衡 | 多台并联时测量各支路风量 | 偏差≤10% |
6.3 性能确认（Performance Qualification, PQ）
此阶段关注长期运行下的实际过滤效果，通常包含：
- 周期性压差监测：每日记录压差变化趋势，绘制曲线图；
- 末端粒子浓度检测：在洁净室内布点，使用便携式粒子计数器检测≥5μm粒子数；
- 更换周期确定：当压差达到终阻（如250Pa）或效率下降超过15%时，判定需更换。
德国TÜV专家在《洁净室技术指南》中强调：“现场验证不应局限于单次测试，而应建立持续监控机制，结合预防性维护策略。”
七、国内外应用现状与发展趋势
7.1 国内制药行业应用特点
中国《医药工业洁净厂房设计标准》（GB 50457-2019）明确规定：空调系统新风段应设置初效（G3/G4）、中效两级过滤。目前大多数口服固体制剂车间、原料药厂房均采用G4级板式过滤器作为第一道防线。
然而，部分地区存在以下问题：
- 忽视前端过滤重要性，频繁更换高效过滤器；
- 使用劣质滤材，导致效率不达标或脱落纤维；
- 缺乏定期验证制度，依赖经验判断更换时机。
为此，国家药监局在近年飞行检查中多次通报因“空气过滤系统维护不当”导致洁净度不合格的案例。
7.2 国际先进实践
欧美制药企业普遍采用更严格的前端控制策略。例如：
- 辉瑞公司（Pfizer）在其全球生产基地推行“三级预过滤”体系：G4 + F7 + F9组合，显著降低HEPA负载；
- 诺华（Novartis）引入智能压差传感系统，实现实时预警与自动排程更换；
- FDA指南虽未强制规定过滤等级，但在《Sterile Drug Products Produced by Aseptic Processing》中明确指出：“任何影响空气质量的因素都必须经过验证。”
此外，欧盟GMP Annex 1（2022年修订版）新增条款强调：“应定期评估过滤器完整性，并提供数据支持其在整个生命周期内的有效性。”
7.3 技术发展趋势
未来G4级过滤器的发展方向主要包括：
- 智能化集成：内置RFID芯片，记录使用时间、累计风量、压差历史；
- 环保可降解材料：研发生物基滤料，减少废弃过滤器环境污染；
- 复合功能设计：集成活性炭层，兼具除味与颗粒过滤功能；
- 数字化验证平台：通过云系统上传测试数据，实现远程审计追踪。
八、常见问题与解决方案
| 问题现象 | 可能原因 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 压差上升过快 | 环境粉尘浓度过高或前级未设粗效 | 加装G1/G2前置过滤器 |
| 效率低于标称值 | 滤材克重不足或生产工艺缺陷 | 更换合格供应商产品，索取第三方检测报告 |
| 边框泄漏 | 安装不平整或密封条老化 | 重新安装，更换EPDM密封条 |
| 滤纸穿孔或撕裂 | 运输损坏或高压反吹 | 改善搬运流程，禁止反向吹扫 |
| 微生物滋生 | 高湿环境下有机滤材成为培养基 | 改用抗菌涂层滤料，控制相对湿度 |
日本学者山田健太郎在《洁净环境工程学》中特别提醒：“即使是中效过滤器，也应视为GMP体系的一部分，不可轻视其质量风险。”
九、经济性与维护管理建议
从全生命周期成本（LCC）角度分析，高质量G4过滤器虽单价较高，但因其阻力低、容尘量大、更换周期长，反而能节省能耗与人工成本。
建议制药企业在管理中采取以下措施：
- 建立过滤器台账，记录型号、安装日期、更换记录；
- 制定SOP文件，明确巡检频率与更换标准；
- 与供应商签订年度维保协议，获取技术支持；
- 对操作人员进行培训，避免野蛮装卸造成损坏。
据中国制药装备行业协会统计，实施规范化过滤器管理的企业，其空调系统能耗平均降低12%，HEPA更换频次减少40%。
