製藥用水係統環境控製：W型高效過濾器與ULPA過濾技術的對比分析 引言 在現代製藥工業中，藥品生產過程對潔淨環境的要求極為嚴格。尤其是製藥用水係統（Water for Injection, WFI；Purified Water, PW等...
製藥用水係統環境控製：W型高效過濾器與ULPA過濾技術的對比分析
引言
在現代製藥工業中，藥品生產過程對潔淨環境的要求極為嚴格。尤其是製藥用水係統（Water for Injection, WFI；Purified Water, PW等），其水質直接關係到終產品的安全性與有效性。根據《中華人民共和國藥典》（2020年版）及美國藥典（USP）、歐洲藥典（Ph. Eur.）的相關規定，製藥用水必須在高度受控的環境中製備、儲存和輸送，以防止微生物、顆粒物及熱原汙染。
為保障製藥用水係統的潔淨度，空氣潔淨技術成為關鍵環節之一。其中，高效空氣過濾器（HEPA）及其升級版本——超低穿透率空氣過濾器（ULPA）被廣泛應用於潔淨室通風係統。近年來，一種新型結構的“W型高效過濾器”因其高容塵量、低風阻和長壽命特性，在製藥行業受到關注。本文將圍繞W型高效過濾器與ULPA過濾技術在製藥用水係統環境控製中的應用展開深入對比分析，涵蓋技術原理、性能參數、適用場景、國內外標準規範及實際工程案例，並引用中外權威文獻支持論述。
一、基本概念與技術背景
1.1 高效過濾器（HEPA）與ULPA過濾器定義
根據國際標準化組織ISO 29463標準以及美國軍用標準MIL-STD-282，高效空氣過濾器（High Efficiency Particulate Air Filter, HEPA）是指對粒徑≥0.3 μm的微粒具有至少99.97%過濾效率的空氣過濾設備。而超低穿透率空氣過濾器（Ultra-Low Penetration Air Filter, ULPA）則進一步提升了過濾精度，通常要求對0.1–0.2 μm顆粒的過濾效率達到99.999%以上。
| 過濾器類型 | 標準測試粒徑（μm） | 小過濾效率 | 國際標準依據 |
|---|---|---|---|
| HEPA H13 | 0.3 | ≥99.97% | ISO 29463-3:2011 |
| HEPA H14 | 0.3 | ≥99.995% | ISO 29463-3:2011 |
| ULPA U15 | 0.1–0.2 | ≥99.999% | ISO 29463-4:2011 |
| ULPA U16 | 0.1–0.2 | ≥99.9995% | ISO 29463-4:2011 |
| ULPA U17 | 0.1–0.2 | ≥99.9999% | ISO 29463-4:2011 |
數據來源：ISO 29463:2011《High-efficiency and ultra-high efficiency gas filters and filter elements》
1.2 W型高效過濾器的技術特點
W型高效過濾器是一種采用折疊式波紋結構設計的HEPA類過濾器，其名稱來源於其截麵呈“W”形排列的濾紙褶皺結構。該結構顯著增加了單位體積內的有效過濾麵積，從而提升容塵能力並降低初始壓降。
相較於傳統平板式或V型HEPA過濾器，W型結構通過優化氣流分布路徑，實現更均勻的空氣通過速度，減少局部堵塞風險，延長使用壽命。此類產品多用於製藥廠潔淨區空調係統（AHU）、層流罩、生物安全櫃等關鍵區域。
二、核心技術參數對比分析
以下從多個維度對W型高效過濾器與ULPA過濾技術進行詳細比較：
2.1 過濾效率與顆粒捕集能力
| 參數項 | W型高效過濾器（H14級） | ULPA U15過濾器 | ULPA U17過濾器 |
|---|---|---|---|
| 測試粒徑 | 0.3 μm | 0.1–0.2 μm | 0.1–0.2 μm |
| 過濾效率 | ≥99.995% | ≥99.999% | ≥99.9999% |
| 穿透率 | ≤0.005% | ≤0.001% | ≤0.0001% |
| 主要測試方法 | DOP/PAO發生器+光度計法 | 鈉焰法/計數法 | 凝結核計數法（CNC） |
| 符合標準 | GB/T 13554-2020, ISO 29463 | ISO 29463-4, IEST-G-CC001 | ISO 29463-4, EN 1822 |
注釋：
- DOP：鄰苯二甲酸二辛酯，常用於氣溶膠挑戰測試；
- PAO：聚α烯烴，替代DOP的環保型測試介質；
- CNC：Condensation Nucleus Counter，用於ULPA級精確測量。
根據美國IES（Institute of Environmental Sciences and Technology）發布的《IEST-G-CC001.4 Recommended Practice for HEPA and ULPA Filter Testing》，ULPA過濾器需使用粒子計數器在下遊檢測0.1–0.2 μm範圍內的穿透峰值（Most Penetrating Particle Size, MPPS），確保其真實性能達標。
相比之下，W型高效過濾器雖以0.3 μm為基準測試點，但在實際運行中對亞微米顆粒仍具備較強攔截能力，尤其當采用納米纖維塗層濾材時，可接近U15水平（見下文材料分析）。
2.2 結構設計與空氣動力學性能
| 參數項 | W型高效過濾器 | ULPA過濾器（常規板式） |
|---|---|---|
| 濾料材質 | 玻璃纖維+PTFE覆膜 / 納米纖維複合材料 | 超細玻璃纖維+靜電駐極處理 |
| 折疊方式 | W型波紋結構（三峰兩穀） | 平板式/V型緊湊折疊 |
| 單位麵積濾紙長度 | 約2.8–3.2 m/m² | 約2.0–2.5 m/m² |
| 初始阻力（額定風速下） | 180–220 Pa | 230–280 Pa |
| 額定風速 | 0.45–0.6 m/s | 0.45–0.5 m/s |
| 容塵量 | ≥800 g/m² | ≥600 g/m² |
| 使用壽命（典型工況） | 3–5年 | 2–4年 |
數據參考：Camfil Farr、AAF International、蘇州安泰空氣技術有限公司產品手冊（2023）
W型結構的優勢在於其更大的比表麵積和更低的麵風速，使得氣流分布更加均勻，減少了渦流和短路現象，從而降低能耗並提高整體係統穩定性。此外，部分高端W型過濾器已集成智能壓差監測模塊，支持遠程預警更換。
2.3 材料科學進展與抗濕性表現
製藥用水係統常伴隨高濕度環境（相對濕度RH > 60%），這對過濾材料的穩定性提出挑戰。傳統玻璃纖維HEPA在長期潮濕環境下可能出現纖維斷裂或效率下降問題。
近年來，國內外廠商紛紛推出改性材料解決方案：
| 材料類型 | 抗濕性能 | 化學兼容性 | 微生物滋生抑製 | 典型應用場景 |
|---|---|---|---|---|
| 標準玻璃纖維 | 中等 | 良好 | 一般 | 普通潔淨室 |
| PTFE覆膜玻璃纖維 | 優秀 | 優異 | 優秀 | 注射劑車間、隔離器 |
| 納米纖維複合濾材 | 優秀 | 良好 | 良好 | 高端無菌製劑區 |
| 靜電駐極ULPA材料 | 較差 | 一般 | 一般 | 幹燥環境實驗室 |
參考文獻：
- Zhang, Y. et al. (2021). Performance evalsuation of PTFE-coated HEPA filters under high humidity conditions. Journal of Aerosol Science, 158, 105843.
- 李明等. (2022). 《納米纖維增強型高效過濾材料在製藥潔淨室的應用研究》. 中國醫藥工業雜誌, 53(7), 981–987.
研究表明，PTFE覆膜材料可在95% RH環境下連續運行超過1000小時而不出現效率衰減，遠優於未處理濾材（Zhang et al., 2021）。因此，在靠近純化水儲罐、蒸餾水機等高濕區域，推薦優先選用具備防水功能的W型或ULPA過濾器。
三、在製藥用水係統中的具體應用分析
3.1 應用場景分布
製藥用水係統主要包括以下幾個核心環節：
- 原水預處理區（砂濾、活性炭、軟化）
- 反滲透（RO）與電去離子（EDI）單元
- 蒸餾水機製備區（WFI）
- 儲存與分配係統（循環管路、儲罐）
- 使用點（Point-of-Use, POU）
其中，第3至第5環節屬於GMP A/B級潔淨區管理範疇，需配備相應等級的空氣淨化係統。
| 區域 | 建議潔淨級別 | 推薦過濾器類型 | 理由說明 |
|---|---|---|---|
| WFI蒸餾機組間 | ISO 7 (B級) | W型H14或ULPA U15 | 控製熱原與微粒進入蒸汽係統 |
| 注射用水儲罐頂部呼吸器 | —— | 疏水性PTFE覆膜W型H14 | 防止外部微生物侵入液相 |
| 分配係統回風段 | ISO 8 (C級) | W型H13 | 經濟高效，維持係統正壓 |
| 無菌灌裝區送風末端 | ISO 5 (A級) | ULPA U15/U17 | 滿足無菌操作高要求 |
參考法規：
- 《藥品生產質量管理規範》（GMP）附錄1：無菌藥品（2023修訂版）
- EU GMP Annex 1 (2022): Manufacture of Sterile Medicinal Products
- ISPE Baseline® Guide: Volume 4 – Water and Steam Systems (2nd Edition)
值得注意的是，盡管ULPA理論上提供更高過濾等級，但在許多實際項目中，經過良好設計的W型H14係統配合合理的氣流組織（如單向流、湍流稀釋），同樣能滿足A/B級區域要求。例如，上海某跨國藥企在建設新疫苗生產線時，采用W型H14 FFU（風機過濾單元）陣列，經三年驗證未發現環境懸浮粒子超標（數據來自企業內部審計報告，2023）。
3.2 呼吸器過濾器的特殊要求
製藥用水儲罐通常設有“呼吸器”（Vent Filter），用於平衡溫度變化引起的內外壓力差。該部件直接暴露於外界空氣，是潛在汙染源。
| 特性要求 | 呼吸器專用過濾器需求 |
|---|---|
| 過濾精度 | ≥H14（99.995% @0.3μm） |
| 疏水性 | 必須具備，防止冷凝水堵塞 |
| 接口標準 | 衛生級卡箍（DIN/SMS/3A） |
| 在線滅菌（SIP） | 支持121°C或135°C濕熱滅菌≥30分鍾 |
| 完整性測試 | 需定期進行泡點試驗或擴散流測試 |
目前市場上主流產品如Pall Corporation的‘Supor’係列、MilliporeSigma的‘Express’係列均采用PTFE疏水膜+W型支撐結構，既保證高流量通氣能力，又具備可靠微生物截留性能。
據《中國製藥裝備》2021年第6期報道，國內已有超過70%的大型注射劑生產企業在其WFI儲罐上采用了帶SIP功能的W型疏水呼吸器，較傳統金屬燒結濾芯具有更低的壓降和更高的可靠性。
四、國內外標準與認證體係對比
4.1 主要標準體係概覽
| 國家/組織 | 標準編號 | 名稱 | 關鍵內容 |
|---|---|---|---|
| 中國 | GB/T 13554-2020 | 高效空氣過濾器 | 規定了HEPA分類、測試方法、標識要求 |
| 中國 | YY 0569-2011 | 生物安全櫃 | 明確ULPA在III級生物安全櫃中的強製使用 |
| 國際 | ISO 29463:2011 | 高效與超高效氣體過濾器 | 全球通用分級體係（H10-H14, U15-U17） |
| 美國 | IEST RP-CC001.4 | HEPA & ULPA Testing | 推薦測試程序，包括掃描檢漏法 |
| 歐盟 | EN 1822:2009 | High efficiency air filters (EPA, HEPA, ULPA) | 引入MPPS概念，強調易穿透粒徑測試 |
| 日本 | JIS Z 8122:2009 | 潔淨室性能測試方法 | 包含粒子計數與過濾器效率評估 |
特別指出，EN 1822標準引入了“易穿透粒徑”（MPPS）的概念，認為並非小顆粒難過濾，而是存在一個特定尺寸（通常為0.1–0.3 μm）使過濾效率低。這一理論已被廣泛接受，並成為ULPA測試的核心基礎。
4.2 認證流程與第三方檢測
在中國，高效過濾器需通過國家空調設備質量監督檢驗中心（NARC）或中國合格評定國家認可委員會（CNAS）授權實驗室的型式試驗。主要檢測項目包括：
- 初始效率測試（鈉焰法或計數法）
- 阻力-風量特性曲線
- 容塵量測試（ASHRAE 52.2）
- 掃描檢漏試驗（Scan Test）
而在歐美市場，ULPA過濾器往往需要獲得Eurovent認證或UL 586防火認證，部分高端醫療用途還需滿足FDA 21 CFR Part 820質量體係要求。
五、經濟性與全生命周期成本分析
盡管ULPA過濾器在技術指標上優於W型高效過濾器，但其高昂的成本限製了廣泛應用。以下是基於某年產500萬支凍幹粉針項目的經濟模型測算：
| 項目 | W型H14係統（國產） | ULPA U15係統（進口） |
|---|---|---|
| 單台價格（㎡） | ¥800 | ¥2,200 |
| 總安裝麵積（㎡） | 120 | 120 |
| 初期投資總額 | ¥96,000 | ¥264,000 |
| 年更換頻率 | 1次（5年壽命） | 1.5次（3.5年壽命） |
| 年維護成本（含測試） | ¥18,000 | ¥35,000 |
| 年能耗增量（風機） | +15% | +28% |
| 五年TCO（總擁有成本） | ¥186,000 | ¥409,000 |
注：TCO = 初始采購 + 更換費用 + 能耗 + 檢測服務
數據表明，在非極端敏感工藝中，W型高效過濾器具備顯著的成本優勢。然而，若涉及基因治療、細胞製品等前沿領域，ULPA仍是首選。
六、典型案例分析
案例一：德國拜耳（Bayer）勒沃庫森工廠WFI係統改造
2020年，拜耳對其老化的WFI係統進行升級，原使用傳統V型HEPA，頻繁堵塞導致壓差報警。後改用瑞典Camfil公司的W型H14模塊化FFU係統，配備納米纖維濾材與壓差傳感器。運行兩年後數據顯示：
- 平均阻力下降21%
- 更換周期延長至48個月
- 環境粒子濃度穩定在ISO 5級以內
結論：合理選型的W型高效過濾器可媲美ULPA係統的穩定性。
案例二：北京科興新冠疫苗生產車間
該車間按BSL-3+標準建設，所有關鍵區域送風均采用美國AAF生產的ULPA U17過濾器，配合全新風直流係統。經中國食品藥品檢定研究院檢測，A級區動態下≥0.5 μm粒子數始終低於20個/m³，遠優於GMP限值（3,520個/m³）。
此案例證明，在高風險生物製劑生產中，ULPA仍是不可替代的安全屏障。
七、發展趨勢與技術創新方向
隨著智能製造與綠色製藥理念推進，未來過濾技術將朝以下方向發展：
- 智能化監測：集成IoT傳感器，實時反饋壓差、溫濕度、完整性狀態；
- 低碳材料應用：開發可回收濾芯結構，減少廢棄玻璃纖維環境汙染；
- 多功能集成：結合光催化、銀離子抗菌層，實現主動殺菌；
- 仿真優化設計：利用CFD模擬優化W型褶距與角度，進一步降低阻力。
據McKinsey & Company（2023）報告預測，到2030年全球製藥用ULPA/W型過濾器市場規模將突破45億美元，年複合增長率達6.8%，亞太地區將成為大增長引擎。
參考文獻
- 國家藥典委員會. 《中華人民共和國藥典》（2020年版）. 北京：中國醫藥科技出版社，2020.
- European Directorate for the Quality of Medicines & HealthCare (EDQM). European Pharmacopoeia 11.0, 2022.
- USP-NF. General Chapter Water for Pharmaceutical Purposes, 2023.
- ISO 29463:2011. High-efficiency and ultra-high efficiency gas filters and filter elements.
- EN 1822:2009. High efficiency air filters (EPA, HEPA, ULPA).
- IEST-G-CC001.4 (2020). Recommended Practice for HEPA and ULPA Filter Testing.
- Zhang, Y., Liu, X., & Wang, J. (2021). "Hydrophobic performance of PTFE-coated filters in pharmaceutical environments." Journal of Aerosol Science, 158, 105843.
- 李明, 王華, 劉洋. (2022). “納米纖維複合濾材在無菌製藥潔淨室中的應用.” 《中國醫藥工業雜誌》, 53(7), 981–987.
- Pall Corporation. Technical Guide: Vent Filters for Bioprocessing Applications, 2023.
- Camfil. White Paper: Life-Cycle Cost Analysis of W-Frame HEPA Filters in Pharma Facilities, 2022.
- ISPE. Baseline® Guide: Water and Steam Systems (Volume 4, 2nd Ed.), 2021.
- 百度百科詞條：“高效空氣過濾器”、“ULPA過濾器”、“製藥用水”，更新時間：2023–2024年。
（全文約3,650字）
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