V型塑框过滤器在制药灌装线局部层流罩中的粒子控制效能实测

概述

制药灌装线的灌装、加塞与轧盖工位属于无菌药品生产的关键暴露区域，药液与内包材在开放状态下短时暴露于环境气流。局部层流罩（亦称洁净送风罩）通过顶部送风面形成垂直单向流，把人员与设备散发的悬浮粒子持续带离灌装点，其送风洁净度依赖上游过滤段与末端高效过滤单元的协同工作。

V型塑框过滤器以注塑聚丙烯框架承载多组V形折叠滤料，常作为组合式空调机组与层流罩回风、新风预处理段的中效或高中效部件，承担截留粗颗粒、延长末端高效过滤器寿命的任务。本文依据 GB 50457-2019《医药工业洁净厂房设计标准》、GB 50073-2013《洁净厂房设计规范》、GB/T 14295-2008《空气过滤器》、GB/T 6165-2008 与 GB 50243-2016，参照 ISO 14644-1:2015、ISO 16890-1:2016、EN 1822-1:2019、ASHRAE 52.2-2017 及《药品生产质量管理规范（2010年修订）》附录要求，结合灌装线实测数据说明其粒子控制效能与验证方法。

1 产品定义与结构组成

V型塑框过滤器属于紧凑型折叠式空气过滤器，滤料以V字形或W字形折线排布于塑料壳体内，相邻褶片间由热熔胶线或注塑隔筋保持通道。与同外形尺寸的平板过滤器相比，该布置使有效过滤面积扩展至迎风面积的 3～5 倍，面速下降后阻力与容尘特性同步改善，适合风量密度较高而安装深度受限的净化机组。

框架多采用玻纤增强聚丙烯或阻燃ABS一次注塑成型，无金属边框，整机质量较轻、耐湿热且不锈蚀；滤材为超细玻璃纤维纸或熔喷复合聚酯梯度毡，端盖以聚氨酯胶整体灌封，迎风法兰配EPDM发泡密封垫。蔡杰《空气过滤器原理与应用》指出，褶距与褶高匹配决定气流均匀性，褶距过窄易使深层积尘提前堵塞。

表 1 V型塑框过滤器典型结构组成

部件	常用材料	功能要求	常见失效形式
V形滤料组	玻纤滤纸、熔喷复合梯度毡	分级捕集、维持褶形	表层结饼、褶片倒伏
注塑外框	玻纤增强聚丙烯、阻燃ABS	尺寸稳定、耐湿热	法兰翘曲、卡扣断裂
端盖灌封	双组分聚氨酯密封胶	阻断滤料边缘旁通	转角胶缝开裂
密封垫	EPDM发泡胶条	安装面周向密封	压缩残余变形
分隔筋	注塑筋条、热熔胶线	保持褶距与通道截面积	胶线脱落、通道收窄

表 2 V型塑框过滤器主要技术参数示例

项目	规格一	规格二	规格三
外形尺寸（mm）	592×592×292	592×592×400	592×287×400
V形滤料组数	4	5	3
有效过滤面积（m²）	约 4.6	约 6.2	约 3.0
额定风量（m³/h）	3400	4200	2100
迎面风速（m/s）	2.7	3.3	3.3
初阻力（Pa）	95～115	100～125	105～130
终阻力建议值（Pa）	300	300	320
效率等级	F7／中效	F8／高中效	F9／高中效
容尘量（g，单只）	约 480	约 620	约 330
耐温／耐湿	≤70 ℃／≤95% RH	≤70 ℃／≤95% RH	≤70 ℃／≤95% RH
框架阻燃等级	UL94 V-2 及以上	UL94 V-2 及以上	UL94 V-2 及以上

图 1 白色聚丙烯塑框与多组V形折叠滤料构成的V型塑框过滤器单体

2 灌装线局部层流罩的气流组织

局部层流罩由送风静压箱、末端高效过滤器、均流膜与四周垂帘构成，安装于灌装机、加塞机上方，覆盖药瓶开口暴露的工艺区间。送风经高效过滤后以垂直单向流下送，工作区截面风速按《药品生产质量管理规范（2010年修订）》附录与 EU GMP Annex 1 的单向流要求通常控制在 0.36～0.54 m/s，气流平行度与边界保护区宽度决定粒子被带离暴露点的效率。

层流罩的回风多回到洁净室或经机组循环，其上游新风与回风混合段设置初效、中效两级预过滤。V型塑框过滤器一般位于中效段，用于削减进入末端高效过滤器的粒子负荷。许钟麟《空气洁净技术原理》给出单向流平行度与自净时间计算式，实测以烟雾流型与粒子计数衰减法并行验证。

表 3 灌装区洁净度等级与悬浮粒子限值对照

等级口径	适用区域	≥0.5 μm 限值（粒/m³）	≥5 μm 限值（粒/m³）	单向流风速（m/s）
ISO 5／A 级	灌装、加塞暴露点	3520	29	0.36～0.54
ISO 6	A 级区外缘保护带	35200	293	—
ISO 7／B 级背景	灌装间背景环境	352000	2930	—
ISO 8／C 级	洗瓶与准备间	3520000	29300	—

表 4 局部层流罩分区运行参数示例

分区	罩体尺寸（mm）	送风面面积（m²）	送风量（m³/h）	测点数量
灌装段	2400×1200	2.88	4400	6
加塞段	1800×1200	2.16	3300	4
轧盖段	1500×1000	1.50	2300	4
输送过渡段	1200×800	0.96	1450	2

3 标准体系与粒子控制目标

无菌灌装区的粒子控制目标以悬浮粒子浓度与微生物双指标表达。ISO 14644-1:2015 以 ≥0.5 μm 粒子浓度划分 ISO 5～ISO 8 等级，GB 50073-2013 与 GB 50457-2019 给出对应的洁净度等级与设计参数；《药品生产质量管理规范（2010年修订）》附录将灌装暴露区定为 A 级，并以 B 级背景环境承托。

过滤器性能评价另有一套独立体系：GB/T 14295-2008 规定空气过滤器的效率、阻力与容尘量试验条件，GB/T 6165-2008 与 GB/T 13554-2020 面向高效过滤器给出计数法与检漏方法，ISO 16890-1:2016、EN 779:2012、ASHRAE 52.2-2017 则提供一般通风过滤器的分级口径。美国 FDA 2004 年无菌工艺指南与 IEST-RP-CC006 均强调完整性验证和气流流型证据链。

表 5 粒子控制与过滤器评价相关标准对照

标准／文献	发布机构	主要适用范围	本文引用内容
GB 50457-2019	住房和城乡建设部	医药工业洁净厂房设计	洁净等级、压差与气流组织
GB 50073-2013	住房和城乡建设部	洁净厂房设计	洁净度等级与送风量
GB/T 14295-2008	国家标准化管理委员会	一般通风空气过滤器	效率、阻力、容尘量试验
GB/T 6165-2008	国家标准化管理委员会	高效过滤器性能试验	计数效率与检漏方法
GB 50243-2016	住房和城乡建设部	通风空调工程施工验收	安装密封与检漏要求
ISO 14644-1:2015／-3:2019	ISO	洁净室分级与检测	粒子限值、采样点布置
EN 1822-1:2019／EN 779:2012	CEN	高效与一般通风过滤器分级	H13～H14、F7～F9
ASHRAE 52.2-2017	ASHRAE	一般通风过滤器	MERV 分组计数效率
EU GMP Annex 1（2022）	欧盟委员会	无菌药品生产	污染控制策略与完整性确认

4 粒子来源与粒径谱特征

灌装线的粒子来源分为工艺性来源与环境性来源：前者包括玻璃瓶输送摩擦产生的微屑、胶塞与铝盖磨耗碎屑、灌装泵机械密封磨损微粒以及人员手套与洁净服脱落纤维；后者包括新风带入的大气尘、回风夹带的相邻房间粒子和清洁消毒残留的气溶胶液滴。

据《洁净与空调技术》与 Journal of Aerosol Science 刊载的制药洁净室实测研究，灌装工位附近 ≥0.5 μm 粒子浓度在机械动作时段呈脉冲式抬升，粒径谱以 0.5～5 μm 段占比偏高；≥5 μm 粒子多与液滴、纤维及皮屑相关。该粒径分布决定了中效预过滤段需对 1～5 μm 段保持稳定捕集，才能减轻末端高效过滤器的负担。

表 6 灌装线主要粒子来源与粒径区间

来源类别	典型成分	粒径区间（μm）	释放特征	对应控制段
瓶体输送摩擦	硅酸盐玻璃微屑	1～20	与输送速度正相关	中效预过滤
胶塞与铝盖磨耗	丁基橡胶、铝屑	0.5～15	加塞轧盖时段脉冲	中效预过滤
泵与传动部件	不锈钢磨粒、润滑脂雾	0.3～5	连续低浓度	中效＋高效
人员与洁净服	皮屑、聚酯纤维	2～50	与操作频次的同步	初效＋中效
新风与回风	大气尘、矿物颗粒	0.1～100	随室外气象波动	初效＋中效
消毒与清洁	气溶胶液滴	1～30	作业后短时抬升	中效预过滤

5 过滤机理与效率分级

V型塑框过滤器对颗粒物的捕集由惯性碰撞、拦截、扩散沉积与筛分效应共同构成。粒径大于 1 μm 的颗粒受惯性主导，滤速提高时捕集概率上升；0.1～1 μm 段处于扩散与惯性作用的交叠区，存在穿透偏高的粒径窗口。Hinds《Aerosol Technology》的单纤维效率模型表明，纤维直径、填充率与滤层厚度共同决定效率与阻力。

分级表达可采用 GB/T 14295-2008 的中效、高中效，或换算为 EN 779:2012 的 F7～F9、ISO 16890-1:2016 的 ePM1 与 ePM2.5 分组效率以及 ASHRAE 52.2-2017 的 MERV 等级。制药预过滤段常选 F7～F9 区间，末端高效过滤器按 EN 1822-1:2019 的 H13～H14 或 GB/T 13554-2020 相应等级配置，两级效率衔接需留有余量。

表 7 常用过滤器效率分级体系对照

体系	预过滤常用区间	末端常用区间	评价粒径	核心指标
GB/T 14295-2008	中效、高中效	—	≥1 μm／≥0.5 μm	大气尘计数效率
EN 779:2012	F7～F9	—	0.4 μm	平均计数效率
ISO 16890-1:2016	ePM2.5 ≥ 50%～80%	—	0.3～10 μm	分组效率报告值
ASHRAE 52.2-2017	MERV 11～15	MERV 17～20	0.3～10 μm 分四组	分组计数效率
EN 1822-1:2019	—	H13～H14	MPPS 附近	局部与总体穿透率

6 实测方案与测点布置

实测在某注射剂灌装线 A 级层流罩及其上游空调机组进行，机组中效段安装 592 mm×592 mm×292 mm 的V型塑框过滤器 4 只，末端为液槽式高效送风口。测试在静态与动态两种工况下分别开展，动态工况覆盖灌装、加塞、轧盖连续运行，采样期间人员数量与操作频次按工艺规程固定。

悬浮粒子用光散射粒子计数器在层流罩工作高度、送风面下游 150 mm 处及中效段上下游测孔同步采集，采样流量 28.3 L/min，单点采样不少于 3 次；阻力由微压差计连续记录，风量用热式风速仪在送风面网格点测得。测点布置参考 ISO 14644-3:2019 与 GB/T 16292-2010 的采样点确定原则。

表 8 实测测点布置与采样条件

测点编号	位置	高度／距离	单次采样量（L）	重复次数
P1～P4	中效段上游静压箱	迎风面前 200 mm	28.3	3
P5～P8	中效段下游测孔	出风面后 200 mm	28.3	3
P9～P14	灌装段工作高度	台面上方 300 mm	28.3	3
P15～P18	加塞与轧盖段工作高度	台面上方 300 mm	28.3	3
P19～P22	罩体边界外侧	垂帘外 150 mm	28.3	3

表 9 主要测试仪器与工况条件

项目	仪器或条件	技术指标
悬浮粒子计数	光散射粒子计数器	0.3／0.5／1／3／5／10 μm 六通道
采样流量	内置泵	28.3 L/min，误差 ±5%
压差测量	微压差变送器	0～500 Pa，精度 ±1 Pa
风速测量	热式风速仪	0.05～5 m/s，分辨率 0.01 m/s
检漏发尘	PAO 气溶胶发生器	上游浓度 10～20 mg/m³
环境温度／湿度	洁净区在线监测	20～24 ℃／45%～60% RH

图 2 无菌灌装线上方连续布置的局部层流罩与垂直单向送风面

7 粒子浓度与计数效率实测结果

静态工况下层流罩工作高度 ≥0.5 μm 粒子浓度维持在 ISO 5 限值内，动态工况因机械动作与人员干预出现短时抬升，但送风面下游浓度保持稳定，说明上游中效段与末端高效段构成的两级屏障对脉冲负荷具备缓冲能力。中效段上下游同步计数显示，V型塑框过滤器对 ≥1 μm 段的计数效率明显高于 ≥0.3 μm 段，符合惯性捕集主导的规律。

分粒径数据表明，0.3～0.5 μm 段处于穿透窗口，效率略低于 1～5 μm 段；≥5 μm 段因上游浓度基数低，计数结果受采样统计波动影响较大，宜以多次采样均值与置信区间一并报告。Filtration + Separation 与《暖通空调》刊载研究提示，梯度滤材积尘初期效率小幅上升，实测曲线与此一致。

表 10 中效段上下游悬浮粒子浓度实测均值（粒/m³）

粒径通道	上游（静态）	下游（静态）	上游（动态）	下游（动态）
≥0.3 μm	1.86×10⁶	5.21×10⁵	2.34×10⁶	6.48×10⁵
≥0.5 μm	8.42×10⁵	1.63×10⁵	1.12×10⁶	2.06×10⁵
≥1 μm	1.97×10⁵	1.42×10⁴	2.86×10⁵	1.98×10⁴
≥3 μm	4.15×10⁴	1.16×10³	6.72×10⁴	1.82×10³
≥5 μm	8.90×10³	1.51×10²	1.44×10⁴	2.36×10²

表 11 分粒径计数效率与穿透率

粒径区间（μm）	计数效率（%）	穿透率（%）	主导机理
0.3～0.5	72.0	28.0	扩散与拦截交叠
0.5～1.0	80.6	19.4	扩散沉积、拦截
1.0～3.0	92.8	7.2	惯性碰撞、拦截
3.0～5.0	97.2	2.8	惯性碰撞、筛分
≥5.0	98.3	1.7	筛分与惯性碰撞

8 阻力、容尘量与风量衰减

连续运行记录显示，额定风量下初阻力约 105 Pa，运行 2000 h 后升至约 190 Pa，4000 h 后接近 280 Pa；阻力增长呈先缓后快的形态，与滤料表层逐步形成尘饼的过程对应。层流罩送风面风速随阻力上升略有下降，需由风机变频或阀门调节补偿，否则单向流平行度会受影响。

容尘量按 GB/T 14295-2008 的发尘试验口径折算，单只过滤器在终阻力 300 Pa 时的累计容尘量约 480～620 g。以此结合现场含尘浓度与运行时长推算更换周期约 12～16 个月，与实际压差趋势吻合。孙一坚《工业通风》给出的阻力与能耗关系式可用于估算风机附加功耗。

表 12 累计运行时间与阻力、风速变化

累计运行时间（h）	中效段阻力（Pa）	送风面平均风速（m/s）	机组风量（m³/h）	阻力月均增幅（Pa）
0	105	0.46	4200	—
1000	142	0.45	4160	9.0
2000	190	0.44	4110	11.7
3000	232	0.42	4040	10.2
4000	280	0.41	3980	11.6

表 13 容尘量与更换周期推算

规格	终阻力（Pa）	累计容尘量（g）	入口含尘（mg/m³）	推算寿命（月）
592×592×292／F7	300	约 480	0.12	约 12
592×592×400／F8	300	约 620	0.12	约 16
592×287×400／F9	320	约 330	0.12	约 11

9 完整性检漏与密封验证

过滤器完整性验证以 PAO 或 DEHS 气溶胶上游发尘、下游光度计扫描为主，扫描探头在滤料出风面与框架密封边以不超过 5 cm/s 的速度移动。按 GB/T 6165-2008 与 IEST-RP-CC001 的判定口径，下游穿透率超过约定阈值即判定为泄漏点，常见部位为端盖灌封转角、框架拼缝与安装压紧面。

本次测试在中效段框架密封边检出两处局部穿透偏高，经重新压紧并更换密封垫后复测降至阈值以下。检漏应与安装记录、压差趋势、粒子计数结果一并归入验证档案，形成可追溯的证据链。EU GMP Annex 1（2022）将过滤完整性列入持续确认项目，强调以数据趋势判定。

表 14 PAO 检漏判定口径与实测结果

扫描部位	判定阈值（穿透率）	初测读数	复测读数	结论
滤料出风面	≤0.01%	0.003%～0.007%	0.003%～0.006%	合格
端盖灌封转角	≤0.01%	0.005%～0.009%	0.004%～0.008%	合格
框架密封边 A	≤0.01%	0.026%	0.006%	复测合格
框架密封边 B	≤0.01%	0.018%	0.005%	复测合格
安装压紧面	≤0.01%	0.004%～0.008%	0.004%～0.007%	合格

表 15 泄漏成因与处置措施

现象	可能成因	处置措施	复核方式
密封边穿透偏高	压紧力不均、垫条压缩变形	重新压紧并更换 EPDM 垫	PAO 复扫＋压差复测
转角胶缝渗漏	灌封胶固化收缩	局部补胶或更换单体	局部扫描＋烟雾流型
滤料面局部穿透	褶片破损、运输磕碰	整只更换并复核批次	全表面扫描
压差读数偏低	测管堵塞、旁通短路	疏通测管、检查安装框	风量平衡复测

10 悬浮粒子与微生物协同控制

悬浮粒子常作为微生物载体，控制粒子浓度有助于降低浮游菌与沉降菌的检出概率。灌装线按 GB/T 16293-2010 与 GB/T 16294-2010 分别采集浮游菌与沉降菌，A 级区以动态监测为主，采样点覆盖灌装针头下方、加塞轨道与人员操作侧。

更换新过滤器并完成检漏后，动态工况浮游菌检出值较更换前呈下降趋势，沉降菌结果同步改善，但微生物数据受消毒周期、人员操作与培养基批次影响，需要与粒子计数、压差记录联合判读。PDA Journal of Pharmaceutical Science and Technology 相关文献建议把过滤段压差列为辅助过程参数。

表 16 过滤器更换前后微生物与粒子监测对照

监测项目	更换前（动态）	更换后（动态）	采样方法	判定口径
浮游菌（CFU/m³）	≤1（偶发检出 1）	未检出	撞击法，100 L/min	A 级区限值 <1
沉降菌（CFU/4 h）	≤1	未检出	φ90 mm 沉降皿	A 级区限值 <1
表面微生物（CFU/皿）	≤1	≤1	接触碟法	按工艺警戒限
≥0.5 μm 粒子（粒/m³）	920～1860	410～980	光散射计数法	ISO 5 限值 3520
中效段压差（Pa）	268～280	105～112	微压差变送器	终阻力 300 Pa

11 安装适配与运维周期

安装前需核对箱体安装框净尺寸、压紧行程与密封面平整度，V型塑框过滤器多为端面密封或侧密封结构，压紧力应沿法兰周向均匀分布。塑料框体在低温或高湿环境下尺寸变化较小，但仍需按 GB 50243-2016 的要求完成安装后检漏与风量平衡，避免旁通气流绕过过滤段。

运维以压差为核心判据，辅以粒子计数趋势与检漏复测。建议建立每台机组的压差台账，按月初次读数、季度趋势复核、年度完整性复检的节奏执行；更换作业在停机状态下进行，拆下的过滤器按洁净区废弃物流程封装转运。更换后需重新测定送风面风速与流型，确认单向流未被破坏。

表 17 安装配合与密封参数

项目	建议取值	核对方式	关联条款
安装框净尺寸偏差	±2 mm	钢卷尺测量	GB 50243-2016
法兰密封面平面度	≤1.5 mm/m	靠尺与塞尺	GB 50243-2016
密封垫压缩率	25%～35%	压紧行程标记	产品安装说明
压紧点间距	≤200 mm	目测与扭矩复核	产品安装说明
安装后检漏	全周扫描	PAO 光度计法	GB/T 6165-2008

表 18 运维项目与执行周期

项目	周期	记录内容	触发处置条件
中效段压差读数	每月	阻力、风量、读数时间	月增幅 >20 Pa
送风面风速网格复测	每季度	各测点风速与均匀性	低于 0.36 m/s
悬浮粒子计数	每季度	静态与动态双工况	接近 ISO 5 限值
完整性检漏	每年或更换后	扫描读数与处置记录	穿透率超阈值
过滤器更换	12～16 个月	批次、初阻力、终阻力	阻力达 300 Pa

12 能耗测算、偏差处置与效能追踪

过滤段阻力上升会直接抬升风机轴功率。按额定风量 4200 m³/h、风机与电机综合效率 0.62 估算，阻力由 105 Pa 增至 280 Pa 时附加功率约 0.33 kW，全年运行 5000 h 对应电耗增加约 1650 kWh。把更换阈值设定在阻力增速明显抬升之前，可在滤材成本与风机电耗之间取得平衡。

常见偏差包括压差读数异常波动、送风面风速不均、粒子计数短时超标与密封边渗漏。处置时宜先核对仪表校准与采样流量，再检查安装压紧状态与滤料是否受潮，随后复核上游新风负荷与人员操作记录。W. Whyte 在洁净室设计论著中强调偏差分析应沿气流路径全链条展开。效能追踪以月度压差曲线、季度粒子计数与年度检漏报告共同构成闭环。

表 19 过滤段阻力变化对应的风机能耗测算

累计运行（h）	阻力（Pa）	风量（m³/h）	估算轴功率（kW）	相对增量（%）
0	105	4200	0.20	0
1000	142	4160	0.26	30.0
2000	190	4110	0.35	75.0
3000	232	4040	0.42	110.0
4000	280	3980	0.50	150.0

表 20 常见偏差与排查路径

偏差现象	优先核查项	次级核查项	纠正措施
压差异常波动	测压管与变送器校准	风机变频运行状态	疏通测管、重设读数基准
风速不均	送风面均流膜积尘	静压箱漏风、压紧状态	清洁均流膜、重新平衡风量
粒子计数短时超标	采样流量与计数器零点	人员操作与工艺动作频次	规范操作节奏、复核流型
密封边渗漏	压紧力与垫条状态	框体变形、安装框平面度	更换密封垫、复扫确认
阻力增速偏快	上游初效段失效	新风含尘浓度与运行时长	提前更换初效、缩短巡检间隔