洁净室监测
洁净室类型
简单来说，洁净室是指一个受控的封闭空间，其中尽可能减少了微粒污染并根据生产要求控制其他环境参数，例如温度，湿度和气压等环境条件。
在航空航天、半导体制造、军事、医疗器械、生物技术、制药等众多行业中，洁净室必不可少，因为制造过程中需要减少空气悬浮颗粒的污染，这是制造取得成功的关键。洁净室对生产制造有多重要？洁净室技术支出从 1960 年开始上升，在短短几年内，这方面的全球开支已经相当于现代的 4000 亿美元。洁净室从彼时开始发展，其大小和复杂程度相差很大，但仍可以根据气流处理方式分为两大类：
紊流洁净室
紊流洁净室又称非单向流洁净室，最常见的设计是通过多个空气扩散器从天花板接收过滤后的洁净空气（也有一些系统采用单一的非扩散源入口）。外部进入的空气沿着不可预测的路径移动时，与室内空气混合，带走室内空气中的微粒污染物，最后通过地面靠墙处的管道离开房间。
紊流通气设计能够有效地去除较大的微粒污染物，如空气中的灰尘等。因此，这种系统比较适用于某些制药配料以及包装过程，但对于更敏感的生物制药的生产过程尚显不足，在这些过程中，细菌、病毒等更细小的微生物污染物可能会造成灾难性后果（见下文“分级与标准”）。
非单向流洁净室内空气流动更慢、更迂回，因此具有另一个缺点：在一定时间内，因气流的作祟，室内不同区域可能存在循环慢、微粒物多的气团。操作人员的移动、设备放置以及此类洁净室不可预测的下行气流特点，通常是产生这类气流的原因所在。
单向流洁净室
又称层流洁净室，洁净度高于非单向流洁净室，但需求更多的空气。此类洁净室不使用空气扩散器，而通常使用覆盖 35%–100% 天花板空间的层流罩。过滤后的多路气流从这些层流罩中恒速向下直线喷射，各路气流几近平行。
这种类型的洁净室地板瓷砖往往凸起并被穿孔，确保空气从入口到出口完全畅通无阻。气流卷走的微粒离开洁净室后，通过地板下面的真空泵收集，或在空气被送回再循环时由天花板上的过滤器清除。
与紊流系统相比，单向流系统显著降低了空气污染物随机四处漂浮并最终落在本不属于其沉降处的概率。平行气流从上至下冲洗室内，使非单向紊流中循环慢、微粒物多的气团难以形成。而且，层流洁净室中没有阻碍气流顺畅流动的多余结构，进一步减少局部紊流的可能性。
较大的洁净室设施有时采用混合通气方式为某些需要单向流的超净区提供单向气流，而非洁净室的整个区域。同一间室内洁净度条件要求较低的区域可以配备非单向式扩散器和抽气机，从而使紊流程度更高的气流不会干扰更洁净的层流区。
洁净室过滤
无论采用何种气流机制，任何洁净室的真正作用都在于其过滤空气的能力。所有输送到典型洁净室的空气都至少需经过安装于天花板的高效微粒空气过滤器（HEPA），这些过滤器可以捕获粒度 0.3 µm 或更大尺寸的微粒，过滤效率高达 99.97%。对于更高洁净度需求的情况下，则需使用超高效微粒空气过滤器（ULPA，捕获粒度大于等于 0.1 µm 的微粒，过滤效率高达 99.9995%）。
不难想象，简单的滤网可以拦截大于这些阈值粒度的气载微粒和微生物污染物，而较小的微粒可以穿过该滤网，但实际上的过滤机制要复杂得多。微粒过滤有四大机理：惯性碰撞、拦截、扩散和静电吸引。
- l惯性碰撞：惯性较大的大微粒（通常 ≥ 10 µm）在气流中转向并与气流经过的过滤器纤维发生碰撞。
- 拦截：大微粒（1.0 - 10µm）停留在气流中，但当气流穿过纤维时与纤维发生碰撞并粘附在纤维上。
- 扩散影响发生布朗（随机）运动的小微粒（≤ 1.0 µm）。它们自然获得的振动运动使它们很有可能接触纤维并脱离气流。扩散是 HEPA 过滤器和 ULPA 过滤器从进入洁净室的空气中除去小微粒的主要手段。
- 静电吸引可以捕获穿过气流的带电微粒，从而提高过滤效率。
其他考虑因素
除了气流和空气过滤之外，要想洁净室高效可靠地运转，还必须考虑其他几个结构问题：
- 气闸室：又称前室，是与洁净室相连且房间洁净度较低的空间，可作为设备进入洁净室之前的拆箱空间。气闸室可以帮助前室保持负压差并防止空气和微粒流向其他更洁净的区域。
- 窗口：洁净室通常需要观察窗口。窗户必须以抗冲击玻璃制成，安装时应尽可能减少非流线型窗台或其他突出结构延伸至洁净室内部。
- 选址：洁净室的选址对其高效运行至关重要。选定洁净室位置时，必须考虑进出人员移动、设备振动等因素。即便是附近停车场正在运转的马达也能产生足够的振动，震散洁净室内的微粒。近距离机械源产生更强烈的振动，导致管道系统和过滤器出现泄漏。
生物制药操作的洁净室标准
在生物制药的生产过程中，由于活性微生物在加工过程中可能导致的毁灭性污染至今仍具挑战。而且，由于在这些设施中生产的产品具有生物分子特性，因此操作人员本身就是主要的污染源。人类平均每小时会脱落 35,000 个皮肤细胞2，这些都是致污染微生物的潜在载体。
常见的皮肤相关细菌包括微球菌、葡萄球菌、棒状杆菌和芽孢杆菌。遭受来自这些群体和其他群体的细菌污染后，生物制药产品制造将遭受巨大影响。至少，它们的存在会改变产品的一致性和杂质谱。细菌污染还可以通过酶修饰或降解导致产品效力降低，并将分泌的细菌内毒素注入产品中。
此外，研究还发现，从洁净室中分离出的最常见真菌种类均来自金芽孢属、枝孢属、曲霉属和青霉属，后两个属和马拉色菌属在人体上最常见。这些真菌污染会导致药品变质，可能对服用者（尤其是免疫功能低下者）的健康造成更严重的危害。
为控制这些微生物污染源，洁净室操作人员需要全副武装（靴子、手套、头罩、面罩），在人员和受控工作环境之间竖起一道屏障。但是，任何服装装备都不可能百分之百奏效。
鉴于我们的皮肤表层每平方厘米可以容纳多达 100 万个微生物（人体平均 200 亿个），即便是分级更为严格的洁净室，工作人员也需要穿戴覆盖全身的工作服和口罩，同时还需要努力采取无菌技术从而隔离微生物的污染。
在抗菌和抗病毒药剂方面，严格程度较低的洁净室足以生产口服类化合药物（胶囊、片剂、液体制剂），因为当这些药物人体被摄入时，胃肠道通常可以杀死任何与之一同摄入的游离微生物。然而，非肠道药物（用于静脉或肌肉注射的药物）在没有这些保护措施的情况下直接进入血液，因此必须在更高标准的洁净度下生产。企业通常需要不惜一切代价避免空气中的微生物微粒进入产品中。非肠道药物加工过程则需要大面积无菌环境，洁净室可以满足这个条件。
的确，微生物仍然会进入洁净室气流，所以我们必须清楚它们的存在度以及浓度，才能避免出现的任何污染问题，从而准确评估洁净室的运行效率。目前可以实时追踪气载微生物的技术尚不存在，不过我们可以通过高精度微粒计数器间接进行检测。此类微粒计数器在洁净室环境中取样后，提供给定空气体积内给定粒度范围的微粒（包括微生物）数量报告。这就是洁净室分级的由来。
洁净室分类等级
洁净室按空气清洁程度分类。在美国，分级名称则取自每立方英尺空气中含有 0.5μm 或更大微粒的最大允许数量，包括 FDA 联邦标准 209E 定义的 1000 级、10,000 级等。
虽然此项标准仍在应用中，但国际标准化组织（ISO）于 2001 年发布了 ISO 14644 文件系列，对“洁净室和相关受控环境设备、设施和操作方法标准化”进行了定义。这项新制定的标准很快被欧洲采纳，正式取代 FED STD 209E。新标准将英制单位转换为公制单位，并根据熟悉的基于微粒标准定义更简单的 ISO 等级。例如，原来的 1000 级洁净室现在变成 ISO 6 级，允许 0.5 µm 或更大微粒的计数为 35,200/m3。
下表显示生物制药行业一些常见洁净室所用旧版美国分级（左侧第一栏）和对应的新版 ISO 名称（节选部分内容）。
在洁净度方面，被评为 ISO 8、ISO 7 和 ISO 6 的洁净室被认为是“不严格的”或“中间”洁净室，足以满足许多制药应用的需求。ISO 5 及以下洁净室是“严格的”洁净室，其天花板几乎无一例外覆盖约百分之百层流罩和 HEPA 微粒过滤器。高度灵敏电子器件的制造则通常需要等级更高的洁净室（ISO 2 和 ISO 1）。还有一个洁净室名称，即 ISO 9“最脏的洁净室”，其受控程度最低的区域内，其中的微粒浓度有可能达到 3,520 万粒/m3。
| 洁净区分级（0.5µm颗粒/立方英尺） | ISO 名称 | ≥0.5µm颗粒/m3 | 空气微生物主动采样行动水平（cfu/m3） | 微生物沉降碟行动水平（直径 90mm；cfu/4小时） |
| 100 | 5 | 3,520 | 1 | 1 |
| 1000 | 6 | 35,200 | 7 | 3 |
| 10,000 | 7 | 352,000 | 10 | 5 |
| 100,000 | 8 | 3,520,000 | 100 | 50 |
图 1. 美国 cGMP 定义的洁净室等级
这些年来，ISO 文档系列中增加了一些解释性内容，但指导原则保持不变。尽管现在洁净室分类已经涉及低至 0.1 µm 的粒度，但生物制药设施仍然主要关注于 0.5 µm 及以上的微粒污染，原因在于，细菌、病毒等微生物以单个单位存在的情况很少见，更多的是粘附到粒度范围在 10-15 µm 的较大气载微粒（如皮肤细胞等）上。
令人不解的是，美国和欧美国家在洁净室标准方面仍存在明显差异，欧盟国家使用字母等级来代替 FED STD 209 编号系统：
| 等于或大于表格所列粒度的每立方米微粒最大允许数量 | ||||
| 等级 | 静态 | 动态 | ||
| 0.5µm | 5.0µm | 0.5µm | 5.0µm | |
| A | 3,520 | 20 | 3,520 | 20 |
| B | 3,520 | 29 | 352,000 | 2,900 |
| C | 352,000 | 2,900 | 3,520,000 | 29,000 |
| D | 3,520,000 | 29,000 | 未定义 | 未定义 |
图 2. 欧盟 GMP 定义的洁净室等级
《美国现行药品生产质量管理规范》（美国 cGMP）和欧盟GMP 规范均要求操作人员应根据类似的方法对洁净室气载微粒进行分类和监测。但是，如上文图 2 所示，需要记住一些重要的区别：
- 美国 cGMP 仅定义洁净室运行状态下（动态）的空气洁净度水平，而欧盟增加了静态洁净室微粒计数最大值。
- 美国 cGMP 在欧盟 GMP 等效等级 A 和 B 之间还多出一个等级名称（1,000）。
- 欧盟 GMP 的静态洁净室多出等级 D，即粒度范围 ≥ 0.5 µm 时最大微粒计数 ≤ 3,520,000。
- 尽管美国 cGMP 和欧盟 GMP 都要求对洁净室粒度 ≥ 0.5 µm 的气载微粒进行分类和监测，但欧盟 GMP 还要求对粒度 ≥ 5 µm 的微粒给予了同样的关注，如上所述，粒度 ≥ 5 µm 与生物制药生产高度相关。
安全至上
特别是在生物制药行业中，经济生存取决于成品的安全。污染将会危及产品的安全性，因此制造商熟悉以下各方面至关重要：
- 行业中使用的不同洁净室类型和名称
- 洁净室需要预防的生产过程最常见污染源
- 由适用政府机构制定和执行的所有《药品生产质量管理规范》（GMP）标准
- 为确保 GMP 合规性、消费者安全和企业健康生产而需要使用的高精度环境监测设备
应该了解为何洁净室是任何生物制药生产业务的必要组成部分 —— 为什么保持洁净室环境完整性就像药物开发和测试过程本身一样不能仅凭臆想。
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