医药工业洁净室压差控制要求及控制方法_邱济夫

收稿日期 ：2012-07-25 作者简介 ：邱济夫（1979－），男，工程师，主要从事医药行业工 程、咨询等工作。 Tel ：021-61918155-8507　　E-mail：jiff-q@126.com 医药工业洁净室压差控制要求及控制方法 邱济夫 （河北省石油化工设计院有限公司上海坤元医药工程分公司，上海　200050） 总结了医药工业洁净室压差控制的要求，探讨了压差控制的原理，对医药工业洁净室压差控制的方法进行了探 讨。 洁净室；压差控制；控制方法；医药工业 中图分类号： TU834 文献标识码： A 文章编号： 1008-455X(2012) 06-0058-05 Requirement and Method for Pressure Drop Control for Clean Room in Pharmaceutical Industry Qiu Jifu (Shanghai Kun Yuan Pharmaceutical Engineering Branch, Hebei Petrochemical Design Institute, Shanghai, 200650) Abstract: In this article, the requirements for the control of differential pressure for pharmaceutical used clean room were summarized and the principle of differential pressure control was discussed. On the basis, the method of controlling the differential pressure for pharmaceutical used clean room was discussed. Keywords: clean room; control of differential pressure; control method; pharmaceutical industry 关键词 摘要 对于洁净室而言，维持其洁净度级别至关重要。 洁净室的设计、建造和运行都要尽量减少周围环境 对洁净室内部空间的干扰和影响，而压差控制是维 持洁净室洁净度等级、减少外部污染、防止交叉污 染的最重要、最有效的手段。 洁净室静压差具有如下作用 [1]： （1）洁净室门窗关闭时，防止周围环境的污染 由门窗缝隙渗入洁净室内； （2）洁净室门窗开启时，保证足够的气流速度， 尽量减少门窗开启和人员进入瞬时进入洁净室的气 流，保证气流方向，以便把进入的污染减小到最低 程度。 电子、医疗卫生、医药工业、动物实验等行业 的洁净室，因为行业背景不同以及其污染控制需求 不同，产生了各自不同的压差控制要求。本文将对 医药工业洁净室压差控制的要求及方法进行探讨。 1　医药工业洁净室压差控制要求 1.1　压差控制基本要求 国内外、规范对医药工业洁净室压差控制 的推荐值不尽相同。《医药工业洁净厂房设计规范》 中规定，“不同空气洁净度等级的医药洁净室（区） 之间以及医药洁净室（区）与非洁净室（区）之间 的空气静压差不应小于 5Pa，医药洁净室（区）与 室外大气的静压差不应小于 10Pa”[2]。 欧盟 GMP[3] 推荐医药工业洁净室不同级别的 相邻房间之间需保持 10～ 15Pa 的压差。WHO 的 指南 [4] 里指出，相邻区域之间通常采用 15Pa 的压差， 一般可接受的压差为 5～ 20Pa。中国 2010 年修订 版 GMP 中要求，“洁净区与非洁净区之间、不同级 别洁净区之间的压差应当不低于 10 帕斯卡。必要时， 相同洁净度级别的不同功能区域（操作间）之间也 应当保持适当的压差梯度”[5]。 WHO 的指南 [4] 中指出，设计压差太低而压差 控制精度较低时，会发生气流逆转。比如两相邻洁 净室之间的设计压差为 5Pa，而压差控制精度为± ·��· 医药工程设计 2012年　第33卷　第6期　12月20日出版Pharmaceutical & Engineering Design 2012， 33(6) 洁净空调设计　 3Pa 时，极端情况下会发生气流逆转。 从药品生产安全和防止交叉污染的角度考虑， 医药工业洁净室的压差控制要求较高，因此，在医 药工业洁净室的设计过程中，不同级别之间推荐 采用 10～ 15Pa 的设计压差。这一推荐值符合中国 2010 年修订版 GMP、欧盟 GMP 等的要求，且正在 被越来越广泛地采用。 1.2　相对负压要求 医药工业洁净室中，如下房间（或区域）对同 级别的相邻房间应保持相对负压： 有大量热湿产生的房间，如 : 清洗间、隧道烘 箱洗瓶间等； 有大量粉尘产生的房间，如 : 物料的称量、取 样等房间，以及固体制剂车间中的混合、筛粉、制粒、 压片、胶囊填充等房间； 有有毒物质、易燃易爆物质产生的房间，如 : 固体制剂生产车间中使用有机溶媒的配浆、包衣间 等； 有病原体操作的房间，如 : 质检实验室的阳性 对照室等； 有高致敏性、高风险性物质产生的房间，如 : 青霉素类、避孕药、疫苗类等特殊药品的生产车间； 放射性物质操作区，如 : 放射性药品生产车间。 设置相对负压可以有效防止污染物、有毒物质 等的扩散，保护周围环境和人员的安全。 2　医药工业洁净室压差控制原理 2.1　风量控制原理 不考虑空气比容的变化，进入洁净室的风量和 排出洁净室的风量是平衡的，即 SA = RA + EA + LA　　　　　　（1） 其中，SA 为送风量，m3/h；RA 为回风量， m3/h；EA 为排风量，m3/h；LA 为渗透风量，m3/h。 当房间对外漏风时，渗透风量值为正，反之则为负值。 洁净室的对外压差，是和渗透风量与房间的严 密性相关的。在房间的严密性不变的情况下，房间 的对外压差直接决定于渗透风量的大小。 由此，空调系统通过对系统内各房间的送风、 回风及排风风量的合理设计和调节来达到各个不同 洁净级别之间以及室内外压差控制要求。 在设计阶段根据压差进行房间的风量计算时， 需计算送风量与回排风量之间的差值，即差值风量。 差值风量等于公式（1）中的设计控制的渗透风量。 2.2　差值风量的计算 差值风量的设计计算方法通常有两种，其一是 附加换气次数法，其二是缝隙法。 附加换气次数法，就是根据洁净室相对正压的 值确定附加换气次数，依此计算差值风量。 对于房间正压与附加换气次数之间的关系，有 关资料 [6] 给出了推荐数值，见下表。 表　附加换气次数经验数据表 室内正压 值（Pa） 有外窗、密封性 稍差的洁净室 有外窗、密封性 较好的洁净室 无外窗、土 建式洁净室 5 0.9 0.7 0.6 10 1.5 1.2 1 15 2.2 1.8 1.5 20 3 2.5 2.1 25 3.6 3 2.5 30 4 3.3 2.7 35 4.5 3.8 3 40 5 4.2 3.2 45 5.7 4.7 3.4 50 6.5 5.3 3.6 由于洁净室的密封性会影响差值风量，相同体 积的洁净室维持同样的压差实际所需的差值风量可 能是不同的。而且，由于医药工业洁净室的密封性 较好，根据上表选用的医药工业洁净室附加换气次 数往往偏大很多。因此，附加换气次数法可以作为 初步设计参考，但不宜用于#施工图#设计。 缝隙法即根据洁净室缝隙的渗透风量统计计算 房间的差值风量。 可将洁净室的缝隙分为两类，一类是围护结构 的缝隙，一类是门窗等的缝隙。 LA = LAW + LAM　　　　　　 （2） 其中，LAW 为通过围护结构缝隙的渗透风量， m3/h；LAM 为通过门窗缝隙的渗透风量，m 3/h。 通过围护结构缝隙的渗透风量与围护结构的缝 隙特性（长度、宽度）相关，可通过如下公式进行 简化计算： LAW =α×A×ΔP β　　　　　　（3） 其中，α为经验系数，通常取 0.15~0.5；A 为 洁净室面积，单位 m2；ΔP 为房间对外压差，Pa； β为指数，一般取 0.5。 通过门窗缝隙的渗透风量与门窗的缝隙量相关。 因为医药工业洁净室的缝隙所在平面一般比较平整， 缝隙也不复杂，可通过简化的公式进行计算。根据 ISPE GPG[7] 给出的公式通过单位换算，得出如下公 ·��·医药工程设计2012年　第33卷　第6期　12月20日出版Pharmaceutical & Engineering Design 2012， 33(6) 式： LAM = 4 640×S×ΔP β　　　　　　　　 （4） 其中，S 为缝隙总面积，单位 m2。 通过缝隙法计算的差值风量数值比通过附加换 气次数法计算得到的渗透风量数值准确，可用于洁 净室的施工图设计。 3　医药工业洁净室压差控制方法 3.1　气锁及气锁的压差设计 为了更好的控制洁净室的洁净度，并减少洁净 室内部与外部环境的相互影响，气锁室（Air Lock） 被广泛用于洁净室设计中。 气锁室按其压差设计分为三种：其一是从高净 化级别房间到低净化级别房间或非净化区压差依次 降低，这可以有效防止低级别或无级别房间对高级 别房间的影响，称为梯级（Cascade）气锁；其二是 气锁室对两边的房间均为正压，这样可以有效防止 两边房间的相互干扰，称为正压（Bubble）气锁； 其三是气锁室对两边的房间均为负压，这样也可以 有效防止两边的相互干扰，称为负压（Sink）气锁。 如图 1 所示（图中箭头方向表示压差方向）。 a 梯级（Cascade）气锁 b 正压（Bubble）气锁 c 负压（Sink）气锁 图 1　三种形式的气锁 其中，梯级气锁一般用于不同级别的洁净区之 间；或有防泄漏需求的同级别洁净室之间。 正压气锁和负压气锁用于有防泄漏需求（如： 高致敏性、高毒性的药品生产区、疫苗等生产区） 的不同级别洁净区之间，通常正压气锁用于无污染 操作（进入更衣和物料进入气锁），负压气锁用于有 污染操作（脱衣、物料消毒和物料出口气锁）。有低 湿度要求的洁净室（区）也宜设置正压气锁。 当气锁用于不同级别洁净区之间时，只要保证 高级别和低级别之间 10~15Pa 的压差即可，无需每 个门两侧均按 10~15Pa 的压差设计。 图 2　所示为各种气锁的典型压差设计。 低级别 气锁 高级别 a 梯级气锁 低级别 气锁 高级别 b 正压气锁 无级别 气锁 净化区 c 负压气锁 图 2　各种气锁的典型压差设置 对于大空间的洁净室，保持较高的正压值有一 定的困难，也可设置一个对两边都是正压的气锁， 从而降低大空间洁净室的对外正压值。 在医药工业洁净室设计过程中，应选用合适的 气锁形式，以保证区域之间的压差，并防止污染和 交叉污染。 3.2　独立压差控制系统 一般洁净室只设置一套空调系统（同一空调区 域内），以实现该系统内温湿度和压差的控制。由于 进行压差控制需对系统内每个洁净室送、回、排风 量进行调节，系统的稳定性因此下降。对于压差影 响因素较多、变量较多且压差控制要求较高的洁净 室，可采用两套空调系统。其中一套自循环空调系 统恒定风量，主要用于对室内的温湿度、洁净度进 ·�0· 医药工程设计 2012年　第33卷　第6期　12月20日出版Pharmaceutical & Engineering Design 2012， 33(6) 行控制；另外一套新风系统主要用于控制洁净室的 压差。用于压差控制由独立的系统提供，调节方便 且不会影响到房间的温湿度控制。详见图 3。独立 压差控制系统应用不多，国内有固体制剂车间的使 用案例。在我国洁净手术部应用较多。 新风 空调系统 回风 排风 送风 洁净室 a 常用系统 空调系统 1 空调系统 2 回风 送风 送风 新风 洁净室 排风 b 独立压差控制系统 图 3　常用系统与独立压差控制系统 3.3　回（排）风变风量控制压差 一般对洁净室的压差控制是在洁净室的送、回、 排风支管上安装手动风量调节阀，在系统调试时调 节手动风量调节阀的开度，将洁净室压差调整至设 定值。由于 GMP 并没有要求房间压差一定要采用自 动控制，因此，使用手动风量调节阀是符合 GMP 要 求的比较经济的做法。 在洁净室运行过程中，洁净室的压差可能会发 生变化，甚至超出可接受的范围，此时需要人工进 行调整。手动控制方法复杂，且可能存在人为延误 和人为误差。对于压差控制要求很高的洁净室，可 以采用一定的自控手段，以简化操作，消除不必要 的误差。图 4 所示为某项目已建成同一车间内设手 动控制和设自动控制的两个不同洁净室在同一个月 内的压差。可以看出，手动控制房间的压差波 动较大，且可能因系统变化或部件失灵造成压差较 大的变化。 a 某手动控制房间一个月内压差波动 b 某自动控制房间一个月内压差波动 图 4　房间压差手动控制和自动控制实例比较 通常在房间的送风支管上设置定风量阀，维持 房间送风量恒定；在房间的回风支管上设置变风量 阀或电动调节阀（当房间为直流系统时，变风量阀 或电动调节阀设置在排风管），在房间内设置压差传 感器，根据其反馈信号控制变风量阀或电动调节阀 的开度，从而维持房间压差恒定。如图 5 所示。 新风 空调系统 回风 排风 送风 洁净室 图 5　变风量房间压差控制系统 变风量阀包括文丘里阀、带压差传感器的多叶 调节阀等。其中文丘里阀的调节性能较好、反应速 度较快，但价格相对较高，可用于控制要求较高的 洁净室。 4　总结 （1）在医药工业洁净室的设计过程中，不同级 别洁净室之间建议采用 10～ 15Pa 的设计压差。 （2）根据笔者设计经验，建议采用缝隙法作为 医药工业洁净室施工图设计时差值风量的计算方法。 （3）医药工业洁净厂房设计中应合理布置、采 用并设计合适的气锁室。 （4）独立压差控制系统可用于压差影响因素较 多、变量较多且压差控制要求较高的洁净室。 （5）对于压差控制要求很高的洁净室，可采用 回（排）风变风量控制压差。 参考文献： [1] 许钟麟 . 空气洁净技术原理 [M]. 第 3 版 . 北京：科学出版社， 2003,39-40 [2] GB 50457-2008 医药工业洁净厂房设计规范 [S]. ·��·医药工程设计2012年　第33卷　第6期　12月20日出版Pharmaceutical & Engineering Design 2012， 33(6) [3] EU Guidelines to Good Manufacturing Practice Medicinal Products for Human and Veterinary Use, Annex 1, Feb. 2008． [4] WHO Technical Report Series 937, Annex 2 -Supplementary guidelines on good manufacturing practices for heating, ventilation and air-conditioning systems for non-sterile pharmaceutical dosage forms． [5] 药品生产质量管理规范（2010 年修订）[S]. 中华人民共和国卫 生部 . [6] 陈霖新 . 洁净厂房的设计与施工 [M]. 1 版 . 北京：化学工业出版 社，2005,135-147. [7] ISPE Good Practice Guide: Heating, Ventilation, and Air Conditioning (HVAC). ISPE，2009. [8] 吴 伟 清 . 谈 洁 净 室 的 风 量 及 压 力 控 制 [J]. 医 药 工 程 设 计， 1998,20(5):36-38. [9] 严德隆 . 洁净室压差控制方法选择及讨论 [J]. 洁净与空调技术， 2005,4 期 (4):52-56. [10] 童颖 . 洁净厂房压差控制问探讨 [J]. 洁净与空调技术，2002, (1):19-23. [11] 王希星，徐文华 . 净化空调系统风量和压力调试中发现的几个 常见问题 [J]. 洁净与空调技术 ,2006,(4):34-37. 消息 化工过程的演变 从 20 世纪 90 年代后期工业的技术和手段有很多的变化， 特别是计算机技术的发展，对于化学工业也有很大的影响。 而消费者和市场的变化也影响了化学工业战略的变化。一方 面大型企业提高过程的自动化，大规模生产一些产品，同时 也进行专业化的多品种，小批量的生产。 沿革 1. 1997—2001 年 在 1997 年终端消费者的嗜好变得多样化，对于化学工 业业界城市很大的影响，希望企业能够应对多品种，少批量， 高质量，短期限，省力化的需要。所以，从连续生产向间隙 生产（批量生产）的考量产生了。工程开发中开始开发多功 能设备和无管道化过程。随着计算机技术的开始应用，分散 控制技术（DCS）和计算机技术结合的自动化过程开始应用， 从技术上支持了间隙生产的运行。具体的实例包括涂料生产， 啤酒生产，润滑油调配设备，自动液体配制设备等。 由于间隙生产属于非常规作业，需要和生产信息管理相 结合，控制供货时间（lead time），大幅度压缩生产过程的时间， 生产效率提高。解决包括提倡生产信息管理系统 CALS （连续信息采集和生命周期支持系统）。当时，间隙生产的课 题还包括：模型化和标准化，系统设计法，配合和实施美国 仪表协会 ISA SP88 国际标准，生产管理信息系统等。生产过 程模拟技术的使用在该时期开始获得应用，特别在石油和化 工行业，如 G2 Tool 和 BATCHFRAC 等。 1998 年日本出版了 2 本特集：讨论了计算机技术发展 对于工程开发的影响，以及在控制技术方面的应用。当时全 世界过程控制技术的市场在 2200 亿美元，而且趋势强劲，占 到全球化工销售的 17%。实例包括（1）AI 的运行支援；（2） 聚合物企业品种转换控制技术；（DCS 技术，即过程计算机 技术）（3）钢铁生产过程（机器人控制）；（4）流化床催化裂 解装置自动化运行的过程控制；（5）乙烯工厂的控制（LP 综 合工程）等。 随着控制技术的发展，已经从单环路发展到多环路参数， 条件和工况均变得复杂。而且，参数从单纯的生产参数扩大 到经济参数，控制对象从工厂水平到了企业水平。 在数据测量方面已经从测定温度，压力，光，微波，生 物传感器等技术发展到非接触型传感器技术。这类技术的实 例有：微波浓度计，在线平面测定式超声波流量计，微波界 面测定仪表，分光测色计等。 2001 年开始，研究的重点又放到化学过程的现象分析， 从化学工程的原理出发进行设备和过程的设计。提出了产品 本位的概念，即系统性方法论。现象分析的实例包括结晶装 置的物理模型，蒸馏设备的设计，超临界流体的利用等，研 究其微细的结构，非线性动态，进行动态的设计。 2. 2002—2006 年 2002 年日本提出了“间隙生产的挑战”，推广 SP88 规格， 而欧美已经在实施 SP 88。在这一阶段重点在硬件和软件方 面的努力。 2004 年出版特集生产过程中的维修管理，包括使用寿 命预测，运行管理等的维护，深化和改革。设备堵塞和污染 的对策。开始利用超声波清洗方法，开发污染传感器，将风 险管理理念 RBM 引入锅炉的运行管理中。 3. 2007—2011 年 这时，企业进入集团化，开始开发高度综合性技术，关 键的背景是原油价格飞涨，中东，中国，印度等国家都进行 大型石油化工企业的建设，产品进入了低价竞争，同时要应 对 CO2 减排的要求。 今后的趋向应该包括 IT 技术，自动化和无人化结合， 机器人的应用，机电一体化技术的应用，遥控技术应用，预 测控制技术和综合化技术将成为研究的课题。 （摘译自化学工学，2012(5):90-92） ·��· 医药工程设计 2012年　第33卷　第6期　12月20日出版Pharmaceutical & Engineering Design 2012， 33(6)