医药工业洁净室换气次数按需设计的研究

马骏

（中国电子系统工程第四建设有限公司，上海 200050）

医药工业洁净室换气次数按需设计的研究

马骏

（中国电子系统工程第四建设有限公司，上海 200050）

基于医药工业洁净厂房设计换气次数普遍偏大的现状，提出换气次数按需设计的概念。分析了换气次数可按需设计的内在原因，即工艺生产引起的产尘量的动态变化。提出了一次性调试按需设计和实时调节按需设计两种解决方案，并分别分析了两种方案的技术措施、优缺点等。阐述了突破实时调节按需设计的发展瓶颈，主要依于在线粒子监测系统的发展、产尘量经验数据的积累、系统集成的发展和完善等。展望了换气次数按需设计的前景。

医药工业洁净室；换气次数；按需设计

医药工业洁净厂房的设计遵循卫生部发布的《药品生产质量管理规范》（2010年修订，以下简称国内新版GMP），并满足现行国家规范GB 50073—2013《洁净厂房设计规范》[1]、GB 50457 《医药工业洁净厂房设计规范》[2]等的要求。

由于欧美在医药行业的发展领先于国内，因此国内新版GMP在很大程度上参考了欧盟GMP的内容。国内的医药工程设计也趋向于学习和借鉴欧美等国的工程设计经验，并且经常出现“有过之而不及”的情况。医药工程设计人员为了确保生产环境的洁净度，换气次数的选择往往就高不就低，由此造成医药工业洁净室换气次数偏大的过度设计[3-4]。

换气次数对于医药工程项目的初投资、运行费用影响很大。选用偏大的换气次数，一方面增加了制药企业的建造成本，另一方面增大了运行能耗。根据实际需求选用合适的换气次数，成为医药工程洁净室设计时亟须解决的一个问题。

1 换气次数可按需设计的内因

国际制药工程协会（International Society for Pharmaceutical Engineering，简称ISPE）关于暖通空调的实践指南[5]提供的医药工业洁净室设计换气次数经验值见表1。其中洁净度等级的定义参照欧盟GMP，国内新版GMP对洁净度的定义与此一致。换气次数经验值仅适用于方案设计，详细设计过程中需根据室外含尘量、工艺及人员发尘量、过滤综合效率等进行详细计算。根据国内外的设计经验，详细设计阶段医药工业洁净室各洁净度等级的换气次数与表1基本一致。

表1 ISPE指南提供的换气次数经验值Tab.1 Air change rates of rules of thumb by ISPE guide

国内的工程设计人员通常会选用较大的换气次数。如对B级区通常采用不小于50 h-1，甚至高至100 h-1以上的换气次数。实际上影响换气次数的因素有很多，包括洁净度等级要求、室外空气含尘浓度、系统过滤器设置、工艺设备运行情况、人员状况（包括人数、人员活动状况）等[6]。其中，若工艺生产是非连续的或分时段进行的，工艺设备运行情况、人员状况则可能是实时变化的。如冻干粉针生产过程中冻干和灌装有可能是分时段进行的，固体制剂生产过程中部分工艺过程是非连续进行的等。工艺设备运行情况、人员状况的变化，引起室内产尘量变化，维持洁净度等级所需的最小换气次数也随之变化，这是医药工业洁净室换气次数可按需设计的内在原因。此外，室外空气含尘浓度等因素也有可能是变化的，也会影响实际所需的换气次数。

根据设备运行情况、人员状况的变化，通过测量洁净室内粒子浓度水平，提供合适的换气次数，即对换气次数的按需设计。

2 换气次数按需设计的实现

换气次数按需设计，可分为一次性调试按需设计和实时调节按需设计两种实现方案。

2.1 一次性调试按需设计

一次性调试按需设计，即在设计阶段对房间换气次数按照在一定范围内可调进行设计，系统风量可调，在运行时通过初始调试，一次性确定每个房间的实际运行换气次数，并依此保持稳定的运行状态。系统方案如图1所示。

图1 一次性调试按需设计方案Fig.1 Design by demand plan by one-time commissioning

系统设置如下：

（1）每个房间的送风支管设置手动阀门或定风量阀。每个房间根据洁净度测试结果确定房间的送风量，此送风量为恒定值，确定后不再改变。根据每个房间确定的送风量，调节每个房间送风支管上的手动阀门或定风量阀，使系统每个房间的送风量达到之前确定的数值。采用机械式压力无关型的定风量阀，更有利于系统调试。

（2）空气处理机组设置变频器，可通过调节变频器的频率调整系统送风量，根据初始调试的结果确定机组的送风量。

一次性调试按需设计，部分解决了换气次数过度设计的问题，即根据实际需求调试出合适的换气次数，在一定程度上可以降低运行费用。由于无需对运行过程中的换气次数进行调节，初投资较小。适用于运行状态比较稳定的系统。

需注意的是，初始调试时应模拟最不利运行状态以确定合适的换气次数，即初始调试时工艺设备模拟运行，人员状况也需与正常运行一致。

房间实际所需换气次数的准确预判是系统设计成败的关键。换气次数预估过大，会导致系统设计风量过大，系统长期运行在低风量状态，效率偏低；换气次数预估过小，会导致系统风量过小，房间洁净度难以保证。这需要经验数据的积累与支持。

2.2 实时调节按需设计

实时调节按需设计，即通过一定的技术手段实现每个房间（或主要房间）的换气次数按实际需求实时调节。系统方案如图2所示。

图2 实时调节按需设计方案Fig.2 Design by demand plan by real-time adjusting

系统设置如下：

（1）每个房间的送风支管设置电动风阀或变风量阀，房间内设置在线粒子监测探头。根据房间在线粒子监测探头反馈的信号，调节电动风阀或变风量阀，使房间的送风量根据洁净度级别的需求实现按需调节和实时调节。

（2）每个房间的回风或排风支管设置电动风阀或变风量阀，房间内设置压差传感器。根据房间送风支管上的变风量阀反馈的信号和/或房间压差传感器反馈的信号，调节电动风阀或变风量阀，使房间的压差维持恒定。

（3）空气处理机组设置变频器，可通过调节变频器的频率调整系统送风量。根据每个房间送风支管上的变风量阀反馈的信号和/或送风总管的静压，调节变频器的频率，从而使系统送风量实现按需调节和实时调节。

（4）排风机组设置变频器，可通过调节变频器的频率调整系统排风量。根据每个房间排风支管上的变风量阀反馈的信号和/或排风总管的静压，调节变频器的频率，从而使系统排风量实现按需调节和实时调节。

房间粒子浓度水平实时测量一般通过在线粒子监测系统实现。在线粒子监测系统在医药行业已有较为广泛和成熟的应用[7-8]，但价格不菲。房间送风量和回/排风量的调节通过电动风阀、压力无关型变风量阀或文丘里阀实现，这也是比较成熟的应用。房间的压差控制通过电动风阀、压力无关型变风量阀或文丘里阀实现，通常采用余风量法或压差反馈法。建议采用余风量法控制为主，压差控制为辅的混合控制法。

实时调节按需设计最大限度地实现了换气次数的按需调节，运行费用可大大降低。但系统的初投资较大，且系统的控制较为复杂，系统的稳定性有待实践验证。现阶段推行难度较高，但可能会在将来获得较为广泛的应用。

实时调节按需设计需确定房间的最小换气次数。最小换气次数应能保证静态时房间的洁净度级别。另外，也需对房间的最大换气次数进行准确的预估，以合理选用空气处理设备。

由于风管系统并联管路存在相互影响的问题，风管系统应避免出现阻力不平衡，因此建议阀门选用压力无关型阀门。同时，变风量阀门选型时，需注意阀门的风量控制范围、偏差值和调节比，使其风量在合理区域内，避免阀门运行失控。

3 实时调节按需设计的瓶颈

实时调节按需设计之所以在现阶段难以推行，是因为存在如下的瓶颈。这些瓶颈问题有可能成为技术突破的发展方向。

3.1 在线粒子监测系统的发展

实时调节按需设计需在每个房间（或主要房间）设置在线粒子监测探头。而在线粒子监测系统昂贵的价格、漫长的投资回报期导致在短时期内很少会有制药生产企业尝试实时调节按需设计。当在线粒子监测系统发展到其成本相对较低使得制药生产企业较易接受其价格时，实时调节按需设计就可能水到渠成了。

另外，如何适应实时调节按需设计的要求（如探头的形式、安装位置、安装数量等）也是在线粒子监测系统需要探讨和解决的问题。

3.2 产尘量经验数据的积累

实时调节按需设计需要解决的一个问题就是准确预估最大换气次数。

国内洁净技术泰斗许钟麟在其专著[6]中对换气次数的计算有详细的描述。其中有一个重要的参数为房间的产尘量（产尘率）。作为计算参数，需要有大量的实际测量数据积累。医药工业洁净厂房工艺过程具有多样性，而且发展很快，很少有人会对这些基础数据进行积累和整理，因此产尘量（产尘率）的数据很是匮乏。

需要对不同工艺过程进行数据积累和整理，以便提供不同工艺过程的产尘量（产尘率）数据。有了这些数据就可以在设计初始阶段比较准确地预估最大换气次数，提供较为准确的设备选型。

3.3 系统集成的发展和完善

实时调节按需设计实现的一个关键环节是要有一套稳定、可靠的控制系统。由于在线粒子监测系统一般只用于监测，并未用于反馈控制，自控系统需根据其特性设置合理的控制逻辑和控制参数。自控系统的集成只能在工程实践中不断发展和完善。

3.4 敢为人先的设计与使用者

传统的洁净室技术要求洁净室的换气次数是不变的，而换气次数实时调节是变换气次数的。系统的实现需要设计者进行充分的计算与合理的设计，需要制药生产企业的创新勇气与大力配合。

4 结论与展望

医药工业洁净室换气次数按需设计是解决过度设计带来的投资、运行费用、能源浪费的有效手段。

其中，一次性调试按需设计较易实现，在现有的经济技术条件下可以推行。

而实时调节按需设计的实现则需要突破传统观念的束缚，在相关硬件和软件获得突破性发展之后可以实现。鉴于其巨大的节能潜力，前景非常令人期待。

[1]GB 50073—2013 洁净厂房设计规范[S]．

[2]GB 50457—2008 医药工业洁净厂房设计规范[S]．

[3]杨婧文．制药厂洁净空调系统设计和使用问题分析[J]．制冷与空调，2004，4（6）：75-77.

[4]许钟麟，孙宁，张益昭，等．确定生产无菌药品的背景环境——B级区换气次数的方法[J]．暖通空调，2013，43（12）：135-140.

[5]ISPE.Good practice guide：heating， ventilation， and air conditioning（HVAC）[M]， 2009.

[6]许钟麟．空气洁净技术原理[M]．3版．北京：科学出版社，2003.

[7]邱济夫．新版规范要求下暖通空调系统关于环境参数监控的对策[J]．暖通空调，2013，43（5）：105-108.

[8]魏嵬，叶涛，张颖聪，等．悬浮粒子在线监测系统设计实例[J].洁净与空调技术，2012（2）：71-75.

“2015年化工与医药工程”有奖征文活动通知

为进一步加强化工与医药工程领域学术研究、工程设计、制造与应用的交流和研讨，由中石化上海工程有限公司主办的《化工与医药工程》期刊将举办“化工与医药工程”有奖征文活动，欢迎从事化工、医药工程相关科研开发、理论研究、工程设计、生产应用的工程技术人员及大专院校师生踊跃投稿。参加征文活动的论文将在《化工与医药工程》期刊上发表，并在2015年底评选出优秀论文若干篇。奖项如下：

一等奖2名，奖金5000元；

二等奖3名，奖金2000元；

三等奖8名，奖金1000元。

征文内容为《化工与医药工程》期刊栏目所包含范畴，征文请用word文件存盘，通过E-mail发送至：cpe.ssec@sinopec.com 或 kebao666@126.com 邮箱。《化工与医药工程》编辑部将在完成2015年编辑出版工作后，在2015年全年刊出论文中评选得奖论文（已收稿未刊登之论文列入2016年度评选）。

《化工与医药工程》编辑部

Study of Air Exchanging Design Based on Exchanging Number for Cleaning Room Used in Pharmaceutical Industry

Ma Jun
（China Electronic System Engineering No.4 Construction Co., Ltd, Shanghai 200050）

Recently air exchanging number is commonly designed to slight large for cleaning room used in pharmaceutical industry.In this article, the concept of design based on necessary number of air exchanging was presented.The reason that design can be based on air exchanging number was analyzed, that is the dusts resulted from process and production change dynamically.Two schemes – one adjustment in design and multi adjustments on time – were proposed.The technical details and their cons and pros were analyzed.Moreover, the neck in the method of adjustments on time in design based on demand was stated, it consists of the development of online particle monitoring system, the accumulation of empirical dust data and the development and improvement in integrity of system.Finally, the prospect of the method of design based on demand was forecasted.

pharmaceutical cleaning room; air exchanging number; design based on demand

TU 834

：A

：2095-817X（2015）05-0023-000

2015-03-18

马骏（1964—），男，工程师，主要从事医药及医院受控环境新技术、医药工业智能化制造系统研究。