基于平均故障間隔確定高效過濾器檢查頻率

文/陳曉東 歐陽健

本文作者均就職于南京社明科技有限公司。

用戶使用高效過濾器在現場進行的PAO 檢測并不能夠稱為檢漏，理論上只能夠稱之為完整性檢測。因為這是在使用的狀態條件下檢測該部件是否存在泄漏，并不是在規定的標準狀態下進行檢測——在GMP 的法規和指南中，對于A 級和B 級區域的高效過濾器，一般要求每6 個月檢測一次；對于C 級和D 級區域的高效過濾器，則要求每年檢測一次。這實際上僅是一個指導性的建議，一方面潔凈等級不同，對高效過濾器可靠性的要求不同；另一方面，品牌和質量不同的高效過濾器，在滿足同樣可靠性的前提下其檢測的周期肯定不會相同。本文將從統計學的角度出發，通過實驗數據，基于平均故障間隔，根據可接受的不可用率來確定高效過濾器的檢查頻率。

1.高效過濾器的標準

每個國家都有高效過濾器的標準，像中國還有多個高效過濾器相關的標準，但EN 1822標準（見表1）應該說是最具權威和科學性的。高效過濾器的作用就是除塵，所以它的標準是圍繞著除塵效率來的。

表1 EN 1822 的標準

在表1 中，E10 ～E12 為亞高效過濾器，H13 ～H14 為高效過濾器，U15 ～U17 為超高效過濾器。只有用EN 1822 方法檢測得出的高效過濾器，才能夠稱為H13 或者H14。而不是整體效率達到99.95%的高效過濾器，就能夠稱之為H13 的高效過濾器。采用不同標準檢測可能獲得相同的數值，但實際的過效率可能是大相徑庭的。

2.高效過濾器的檢測方法

正如上文所述，關于高效過濾器的標準較多，而且還在不斷的進行更新。目前行業內采用的主流高效過濾器標準有如下幾個：

· 美國環境科學技術協會的《IEST-RP-CC034.2：HEPA 與ULPA 過濾器檢漏試驗》；

·國際標準化組織的《ISO-14644-3∶2019 測試和測試方法》；

·歐洲標準《EN1882-4∶2009確定過濾器單元的泄漏（掃描法）W》

· 中國的國家標準《GB/T 13554-2020 高效空氣過濾器》。

2.1 高效檢漏的氣溶膠

業內常常提到的PAO（或者DOP）檢測，實際上泛指所有的氣溶膠檢測。目前用于高效過濾器泄漏測試的氣溶膠較多，但被廣泛使用的主要是表2 中展示的幾種。

表2 常用的幾種檢漏氣溶膠

高效過濾器有一個最易通過的粒徑，被稱為最易通過粒徑（Most Penetrating Particle Size,MPPS）。當然這個粒徑也不是一成不變的，它會隨著過濾風速的變化而變化（如圖1 所示）。在上述幾個主流標準中，僅有EN 1822 是用MPPS 來檢測的，所以它的要求是最苛刻的。在EN 1822-4:2009 附錄 E.4 中有這樣一段描述：“對于H13 級別過濾器（整體MPPS 效率大于99.95%，局部MPPS 效率大于99.75%），在0.3 ～0.5 m 粒徑的效率必須大于99.9996%。”這充分地說明了檢測用氣溶膠的粒徑對檢測結果的影響非常大。

圖1 最易通過粒徑（MPPS）示意圖

氣溶膠在用于檢漏的時候，有采用熱發生器和采用冷發生器兩種形式。同一種氣溶膠冷發生和熱發生的粒徑是不相同的，這個在實際應用中也是需要注意的。

2.2 檢測器

目前用于高效下游粒子計量的有光度計和光學粒子計數儀，它們在不同的方面各有優勢，但在進行高效過濾器檢測的時候，如果采用的是多分散粒徑氣溶膠，那么再用光學粒子計數儀可能會帶來較大的誤差。下文對二者進行了一個簡單的比較。

光度計的特性：

·其測量值為質量濃度，且將收集到的粒子都納入了計量；

·不能夠獲得與粒子粒徑相對應的信息；

· 動態檢測限范圍為0.0001 ～600 g/l ，比光學粒子計數儀的靈敏度低；

·對于藥廠H14 高效過濾器的完整性檢測來說，其檢測限完全充足。

光學粒子計數儀的特性：

·光學粒子計數器采用不同的光源，可以選擇性地檢測特定的粒徑；

·能獲得與粒子粒徑相對應的信息，但不是所有粒徑的粒子都納入了計量；

·雖然檢測的靈敏度要高于光度計數量級，但將其用于DOP 和PAO 的檢測容易被污染。

3.高效過濾器檢查間隔與可用率的關系

3.1 RCM概念概述

在國內最新的第二版GMP 實施指南中，首次提出了以可靠性為中心維護（Reliability Centered Maintenance,RCM）的概念，為方便下文對其應用案例進行講解，在此先對涉及的一些術語進行解釋：MTTF（Mean Time To Failure），即平均無故障時間；MTTD（Mean Time To Diagnosis），即平均診斷時間；MTTR（Mean Time To Repair），即平均修復時間；MTBF（Mean Time Between Failure），即平均故障間隔。圖2對這幾種術語所指的時間進行了圖解。

圖2 術語解釋示意圖

按照RCM 的概念資產或者叫設備的維修，可以將其分為如圖3所示的幾種形式。高效過濾器的定期檢測，在RCM 理念中就是故障檢查。這是被動性維修中的一種形式，在檢測的時候只能夠獲得“完好”或者“泄漏”的結果，看不出功能下降的趨勢。但通過數據的積累，并且根據用戶可用率的要求，可以來確定故障檢查的間隔周期。

圖3 RCM 理念的維護形式[1]

3.2 案例分享

以某一個工廠潔凈區域的126只高效過濾器為例，其故障檢查為每年進行一次， 對其6 年的維護積累數據進行收集整理，得出在6 年中檢測后過濾器更換的相關信息如表3 所示。

表3 高效過濾器維護數據匯總

根據表3 中的匯總數據，可以進行如下的統計學計算。高效過濾器運行的總工作時間為：

在總運行期限內故障的次數為：

高效過濾器的平均故障間隔為：

6 年間高效過濾器的故障總時間（假設為在兩次故障檢查的中間時間發生損壞）即不可用總時間為：

高效過濾器的不可用率為：

由此高效過濾器的可用率為：

根據如下的算式（1），經過推導可以得到算式（2）[1]：

如果用戶希望將可用率提高到99.5%，即不可用率為：

那么用算式（2）可以計算出其故障檢查間隔必須調整為：

故障檢查間隔= 2×不可用率平均故障間隔= 2×0.5%×50.4=0.504（年）≈6.05（月）

運用之前積累的數據通過計算后得知，如果需要將高效過濾器的可用率從99.01%提高到99.5%。故障檢查的間隔需要從原來的每年一次，調整為每6.05 個月檢查一次。

4.結論

4.1 高效過濾器的檢測數據

在高效過濾器EN 1822 標準中，H14 的過濾器其局部泄漏率僅為0.025%，而業內對高效過濾器泄漏率的要求普遍是0.01%。這在EN 1822 標準中也是有解釋的，原文是：“Local penetration values lower than those given in table may be agreed between supplier and purchaser（若泄漏率低于表中的給定值可由供應商和買方商定）。”之所以平時能夠在檢測中獲得更低的數值，主要有兩個方面的原因：

·平時所用的氣溶膠粒徑并非MPPS，從圖1 中可以看到曲線呈倒拋物線，隨著粒徑偏離MPPS，過濾效率會迅速地得到提高。其中，熱發生PAO 的粒徑分散重心在0.3 m，冷發生PAO 的粒徑分散重心在0.5 m。

·如果使用光學粒子計數儀，僅測量到一個粒徑的數據，這樣是不完整的。對于高效過濾器的檢漏應該采用光度計，這樣才能夠收集到過濾器下游所有粒子的數據。

基于以上兩個方面的原因，有些企業高效過濾器完整性檢測的數據，比廠家的出廠標準要好一個數量級。有的甚至在高效過濾器生命周期內，就不存在檢測出泄漏的情況。這種情況存在著較大的無菌風險，因此若發現了一定要檢查是檢測中的哪個環節出了問題。

4.2 高效過濾檢查間隔與不可用度的關系

在P D A發布的“P o i n t s t o Consider No. 1: Aseptic Processing（Revised 2023）”中，對高效過濾器的檢查間隔有這樣一段描述：“再確認頻率應基于使用歷史性能、可用數據、潔凈室設計和使用情況的風險評估”[2]。其中6個月或者12個月的間隔周期，是對A、B及其他較低級別區域的最長間隔要求。對于高效過濾器檢測的周期，由算式（2）可以得出檢測的周期（故障檢測間隔），是不可用率和平均故障間隔（MTBF）的函數。其可接受的不可用率越高，檢測的周期就可以越長；平均故障間隔的時間越長，檢測的周期也可以越長。可接受的不可用率與高效使用的環境有關，平均故障間隔與品牌和制作工藝有關。當然，同一個品牌使用的環境條件不同，它反應出來的平均故障間隔也是不同的。如果現場使用的條件越惡劣，那它的平均故障間隔必然越短。例如，若現場運行的風量超過其額定的風量，那么平均故障間隔必然是會縮短的。如果有了平均故障間隔這個特性參數，很容易得出對應可用率的檢測間隔時間（見表4）。

表4 在不變平均故障間隔下可用度與檢查間隔的對應

當然，在此也需要明確的是，進行高效過濾器的檢漏是為了避免泄漏造成環境檢測超標，是否引起了偏差是根據環境的檢測數據判定的。