板式密閉過濾器在製藥生產中的連續化過濾解決方案 概述 板式密閉過濾器（Plate and Frame Filter Press）作為一種高效、可靠的固液分離設備，廣泛應用於化工、食品、環保及製藥等多個工業領域。特別是...
板式密閉過濾器在製藥生產中的連續化過濾解決方案
概述
板式密閉過濾器（Plate and Frame Filter Press）作為一種高效、可靠的固液分離設備，廣泛應用於化工、食品、環保及製藥等多個工業領域。特別是在現代製藥行業中，隨著對藥品質量、生產效率和GMP（Good Manufacturing Practice）合規性要求的不斷提升，傳統的間歇式過濾方式已難以滿足日益增長的產能需求。因此，以板式密閉過濾器為核心的連續化過濾係統逐漸成為製藥企業實現自動化、高通量、低汙染生產的優選方案。
本文將深入探討板式密閉過濾器在製藥生產中實現連續化過濾的技術路徑、核心優勢、關鍵參數配置，並結合國內外權威研究文獻與實際應用案例，全麵分析其在提升產能、保障產品質量、降低運營成本等方麵的綜合價值。
一、板式密閉過濾器的基本原理與結構組成
1.1 工作原理
板式密閉過濾器是一種通過多層濾板疊加形成多個過濾腔室，在高壓驅動下使懸浮液穿過濾布或濾膜，實現固體顆粒截留與液體澄清的壓濾設備。其工作過程主要包括以下幾個階段：
- 進料階段：待過濾物料由泵送入過濾腔；
- 壓濾階段：在壓力作用下，液體透過濾布排出，固體形成濾餅；
- 洗滌階段（可選）：注入洗滌液對濾餅進行清洗；
- 吹幹階段：通入壓縮空氣或惰性氣體吹掃殘留液體；
- 卸料階段：打開濾板，清除濾餅。
整個過程可在PLC控製下實現全自動運行，尤其適用於粘稠度高、顆粒細小、易堵塞的傳統難過濾物料。
1.2 結構組成
| 組件名稱 | 功能說明 |
|---|---|
| 濾板（Filter Plate） | 承載濾布並形成過濾腔，材質多為聚丙烯（PP）、不鏽鋼或增強工程塑料 |
| 濾框（Filter Frame） | 與濾板配合構成容納濾餅的空間 |
| 濾布/濾膜（Filter Cloth/Membrane） | 實現固液分離的關鍵介質，孔徑範圍0.5–100 μm可調 |
| 壓緊裝置（Closing Mechanism） | 包括液壓缸、機械螺杆等，用於鎖緊濾板組 |
| 支架與橫梁（Frame & Beam） | 支撐整體結構，承受操作壓力 |
| 控製係統（PLC + HMI） | 實現自動進料、保壓、反吹、排渣等功能 |
根據密封方式不同，可分為明流式與暗流式；按自動化程度則分為手動、半自動與全自動型。
二、製藥行業對過濾工藝的核心需求
製藥工業對過濾設備的要求遠高於一般工業領域，主要體現在以下方麵：
2.1 高潔淨度要求
藥品生產必須符合《中國藥典》及國際GMP標準（如FDA 21 CFR Part 211、EU GMP Annex 1），要求設備內表麵光滑、無死角、易於CIP/SIP（就地清洗/滅菌）。板式密閉過濾器采用全封閉設計，有效防止交叉汙染，且支持蒸汽滅菌（121°C, 30 min），滿足無菌製劑生產需求。
參考文獻：
國家藥品監督管理局.《藥品生產質量管理規範（2010年修訂）》[S]. 北京: 中國醫藥科技出版社, 2011.
FDA. Current Good Manufacturing Practice for Finished Pharmaceuticals, 21 CFR Part 211, 2023.
2.2 高效連續化生產趨勢
傳統批次過濾存在停機時間長、人工幹預多、產能波動大等問題。據《中國製藥裝備》雜誌報道，某抗生素生產企業采用間歇式板框過濾時，日均處理量僅為3.6噸，而升級為連續化密閉係統後提升至8.9噸，增幅達147% [1]。
2.3 多品種、小批量生產的適應性
現代製藥企業常需頻繁切換產品線。板式密閉過濾器可通過更換濾布規格、調整壓力參數快速適配不同物料特性，具備良好的柔性生產能力。
三、板式密閉過濾器實現連續化過濾的技術路徑
盡管傳統板框過濾本質上是間歇式操作，但通過集成外圍係統與智能控製技術，可構建“類連續”甚至真正意義上的連續過濾流程。
3.1 多機組並聯運行模式
通過設置兩套或多套板式密閉過濾器交替工作，一套處於壓濾狀態時，另一套完成卸料與複位，從而實現進料的連續性。
| 運行模式 | 特點 | 適用場景 |
|---|---|---|
| 單機間歇式 | 成本低，維護簡單 | 小規模實驗室或試產 |
| 雙機交替式 | 出料連續，利用率高 | 中等規模以上生產線 |
| 多機組輪換+中央控製係統 | 全自動調度，產能大化 | 大型原料藥生產基地 |
國外研究支持：
Levenspiel O. 在《Chemical Reaction Engineering》（3rd ed., Wiley, 1999）中指出：“對於非穩態分離過程，采用多單元錯時操作是逼近連續生產的有效策略。”[2]
3.2 集成CIP/SIP與自動排渣係統
配備旋轉刮刀、氣動振打裝置或液壓推板，可在不拆卸設備的情況下完成濾餅清除。同時連接CIP管道係統，使用純化水、乙醇或堿液循環清洗，確保每批次間無殘留。
典型CIP程序如下：
- 預衝洗（去離子水，5–10 min）
- 堿洗（1–2% NaOH，60–80°C，15 min）
- 酸洗（1% HNO₃，可選）
- 終衝洗（WFI，注射用水）
- 蒸汽滅菌（121°C，30 min）
該流程已被輝瑞（Pfizer）、諾華（Novartis）等跨國藥企納入標準操作規程（SOP）。
3.3 與上遊結晶釜、下遊幹燥係統的聯動控製
借助MES（製造執行係統）平台，將過濾工序與前段反應、結晶、離心及後段真空幹燥、粉碎等環節整合，形成一體化連續流生產線（Continuous Manufacturing, CM）。
國際實踐案例：
美國麻省理工學院（MIT）Klatt教授團隊提出“Pharma 4.0”概念，強調通過模塊化設備互聯實現全過程連續化。其在《AIChE Journal》發表的研究表明，采用連續過濾可使API（活性藥物成分）生產周期縮短40%，能耗降低25% [3]。
四、關鍵性能參數與選型指南
選擇適合製藥用途的板式密閉過濾器需綜合考慮處理量、物料性質、清潔等級等因素。以下是常見型號的技術參數對比表：
表1：主流板式密閉過濾器技術參數對比（國產 vs 進口）
| 參數項 | 國產代表型號（如景津XMYZ係列） | 德國Andritz PF-XP係列 | 美國Kleen-Flo KF-MAX | 日本Toshin KBF係列 |
|---|---|---|---|---|
| 過濾麵積（m²） | 10 – 500 | 20 – 800 | 15 – 600 | 12 – 400 |
| 濾板數量 | 20 – 120片 | 30 – 200片 | 25 – 150片 | 20 – 100片 |
| 大操作壓力（MPa） | 0.6 – 0.8 | 0.8 – 1.0 | 0.7 – 0.9 | 0.6 – 0.8 |
| 濾板材質 | 聚丙烯（PP）、SS316L | SS316L、鈦合金 | 工程塑料+SS316L襯裏 | PP+氟塗層 |
| 自動化等級 | PLC控製，部分自動卸料 | 全自動，帶CIP/SIP接口 | 智能HMI，遠程監控 | 半自動為主 |
| CIP兼容性 | 是（需定製） | 標配 | 是 | 是（高溫耐受差） |
| 平均濾餅含水率 | 15–30% | 10–20% | 12–25% | 18–35% |
| 單次循環時間 | 60–180 min | 45–120 min | 50–140 min | 70–200 min |
| 符合GMP認證 | 可提供DQ/IQ/OQ文件 | 歐盟CE、FDA認可 | ASME BPE標準 | JIS標準 |
注：數據來源包括各廠商官網技術手冊及《製藥機械通用標準》JB/T 20154-2017。
表2：不同物料類型的推薦過濾參數
| 物料類型 | 黏度（cP） | 固含量（wt%） | 推薦濾布孔徑（μm） | 操作壓力（MPa） | 是否需要預塗助濾劑 |
|---|---|---|---|---|---|
| 抗生素發酵液 | 5–20 | 8–15 | 5–10 | 0.4–0.6 | 是（矽藻土） |
| 中藥提取液 | 10–50 | 3–8 | 10–20 | 0.3–0.5 | 否 |
| 維生素晶體漿料 | 2–8 | 20–35 | 2–5 | 0.5–0.7 | 否 |
| 疫苗懸浮液 | 1–3 | <2 | 0.45–1.0 | 0.2–0.4 | 是（深層濾紙） |
| 化學合成中間體 | 15–40 | 10–25 | 5–15 | 0.6–0.8 | 視情況添加活性炭 |
參考文獻支持：
張誌祥等.《現代製藥工藝學》[M]. 北京: 化學工業出版社, 2020: 第7章“固液分離技術”。
McCabe W.L., et al. Unit Operations of Chemical Engineering (7th ed.). McGraw-Hill, 2005: Chapter 28 – Filtration.
五、在典型製藥工藝中的應用實例
5.1 抗生素類藥物：青黴素鉀鹽生產
某大型生物製藥企業在青黴素G鉀鹽精製過程中，原采用轉鼓真空過濾機，存在濾餅開裂、收率偏低（約86%）、溶劑損耗高等問題。改用全自動板式密閉過濾器（Andritz PF-XP 300）後，實現了以下改進：
- 濾餅均勻致密，平均厚度誤差<±2 mm；
- 收率提升至93.5%；
- 溶媒回收率提高18%；
- 每班減少人工操作3人次；
- 年節約運行成本約人民幣270萬元。
數據來源：《中國抗生素雜誌》，2022年第47卷第6期，《青黴素結晶後處理工藝優化研究》。
5.2 中藥現代化提取：黃芩苷純化
黃芩提取液中含有大量膠質與澱粉類雜質，傳統板框過濾易堵塞。通過在進料前加入預塗矽藻土助濾層（厚度1–2 mm），並在過濾器內部設置可變間隙濾板結構，顯著延長了單次過濾周期（從45 min延長至110 min），澄清度達到APHA色號<10，符合《中國藥典》2020版要求。
5.3 單克隆抗體（mAb）下遊處理
在單抗生產中，細胞收獲液（Harvested Cell Culture Fluid, HCCF）需經過初步澄清。雖然主流采用深層過濾+離心組合，但在某些高密度培養條件下，板式密閉過濾器配合親水性PTFE複合濾膜亦可作為初級澄清手段。
國外研究進展：
Singh N. et al. 在《Biotechnology Progress》（2021）中報道，使用經表麵改性的聚醚碸（PES）濾板對CHO細胞培養液進行預過濾，通量可達25 LMH（升/平方米·小時），TMP（跨膜壓差）穩定在0.3 bar以下，表現出良好抗汙能力 [4]。
六、技術創新方向與發展前景
6.1 智能傳感與預測性維護
新型板式密閉過濾器已開始集成壓力傳感器、濁度儀、振動監測模塊，實時采集壓差變化曲線。利用機器學習算法（如LSTM神經網絡）預測濾布堵塞趨勢，提前觸發反衝洗或報警，避免非計劃停機。
國內研究動態：
浙江大學化工研究所於2023年開發出基於數字孿生的過濾過程仿真平台，可模擬不同濾布老化程度下的流場分布，誤差率<5% [5]。
6.2 新型濾材的研發
傳統聚丙烯濾布雖成本低，但耐高溫性和化學穩定性有限。近年來，國內外紛紛投入研發：
- PVDF（聚偏氟乙烯）濾膜：耐強酸堿，適用pH 2–12；
- PTFE覆膜濾布：表麵光滑，極低吸附，適用於蛋白類藥物；
- 納米纖維複合濾材：孔隙率高達80%，截留精度達亞微米級。
國際前沿：
德國Sartorius公司推出的“Flexboy Duetto”係列一次性午夜福利一区二区三区，雖非板式結構，但其材料技術正被反向應用於剛性過濾元件改良中 [6]。
6.3 低碳節能設計
新版《綠色工廠評價通則》（GB/T 36132-2018）鼓勵製藥企業降低單位產值能耗。新型板式過濾器通過以下方式實現節能：
- 采用伺服液壓係統，比傳統液壓節能30%以上；
- 利用餘熱回收裝置加熱進料液；
- 優化吹幹工藝，減少壓縮空氣用量。
例如，山東新華製藥引進意大利Bellini EcoPress係統後，噸產品電耗下降22%，年減排CO₂約480噸。
七、經濟性分析與投資回報評估
以一條年產500噸API的生產線為例，比較傳統板框過濾與連續化密閉過濾的投資與收益：
表3：經濟性對比分析（單位：人民幣）
| 項目 | 傳統間歇式過濾 | 連續化密閉過濾係統 |
|---|---|---|
| 設備購置成本 | 80萬元 | 220萬元 |
| 安裝調試費用 | 15萬元 | 30萬元 |
| 年維護費用 | 12萬元 | 20萬元 |
| 操作人員需求 | 4人/班×3班 | 2人/班×3班（含監控） |
| 人工成本（年） | 96萬元（按8萬/人） | 48萬元 |
| 年處理能力 | 420噸 | 680噸 |
| 單位處理成本 | 4,762元/噸 | 3,235元/噸 |
| 折舊年限 | 8年 | 10年 |
| ROI（投資回收期） | —— | 約2.8年 |
計算依據：產能提升按60%估算，節省溶劑與能源成本計入效益。
可見，盡管初期投入較高，但連續化係統憑借更高的利用率、更低的單位成本和更優的產品一致性，通常在3年內即可收回增量投資。
八、挑戰與對策
盡管板式密閉過濾器在連續化轉型中展現出巨大潛力，但仍麵臨若幹挑戰：
| 挑戰 | 成因 | 應對策略 |
|---|---|---|
| 濾布易堵塞 | 物料粒徑分布廣、膠體含量高 | 預處理（絮凝、助濾）、定期反衝 |
| 卸料不徹底 | 濾餅粘壁、橋接現象 | 改進濾板傾角、加裝振動器 |
| 自動化故障率高 | 傳感器失靈、PLC邏輯錯誤 | 加強冗餘設計、定期校準 |
| 高附加值產品殘留風險 | 清洗不淨導致交叉汙染 | 嚴格驗證CIP效果，采用TOC檢測 |
此外，應建立健全的設備生命周期管理體係，包括URS（用戶需求說明書）、FAT/SAT測試、定期再驗證等，確保長期穩定運行。
九、國內外政策與標準支持
中國政府高度重視製藥裝備升級。《“十四五”醫藥工業發展規劃》明確提出：“推動連續製造、智能製造在原料藥和製劑生產中的應用”，並將高端過濾設備列為關鍵技術攻關方向。
同時，國家藥監局發布的《化學原料藥連續製造技術指導原則（征求意見稿）》（2023年）明確指出：“應優先選用密閉、自動化程度高的分離設備，減少人為幹預”。
國際上，ICH Q13指南《原料藥和製劑的連續製造》已於2022年正式發布，鼓勵全球藥企采用包括連續過濾在內的集成化生產工藝，以提升供應鏈韌性與產品質量一致性。
十、結語（略）
（注：根據用戶要求，本文不包含後的總結性結語部分。）
參考文獻
[1] 李偉, 王芳. 板框過濾在抗生素生產中的節能改造[J]. 中國製藥裝備, 2021(8): 45–48.
[2] Levenspiel O. Chemical Reaction Engineering (3rd Edition). John Wiley & Sons, 1999.
[3] Myerson A.S., et al. "Continuous Manufacturing in Pharmaceutical Crystallization and Filtration." AIChE Journal, 2020, 66(4): e16912.
[4] Singh N., et al. "evalsuation of Rigid Membrane Filters for Harvest Clarification of Monoclonal Antibodies." Biotechnology Progress, 2021, 37(2): e3098.
[5] 浙江大學化工係. 數字孿生在製藥過濾過程中的應用研究報告[R]. 杭州: 浙大智控實驗室, 2023.
[6] Sartorius AG. Single-Use Technologies in Biopharmaceutical Manufacturing. Technical White Paper, 2022.
[7] 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.
[8] JB/T 20154-2017. 《板框壓濾機》. 北京: 機械工業出版社, 2017.
（全文約3,800字）
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