呂未海
(中核第四研究設計工程有限公司,河北石家莊 050021)
大輸液是指大容量(50 ml以上)注射劑,包括可最終滅菌的品種和非最終滅菌的品種(如:熱穩(wěn)定性差的藥品),其中絕大多數(shù)是可最終滅菌的品種。大輸液包裝容器分瓶型和袋型兩種,是制藥行業(yè)的一個重要劑型。大輸液屬于無菌藥品,對空調(diào)系統(tǒng)有較高的要求,生產(chǎn)環(huán)境所需的潔凈區(qū)一般包括A級、C級、D級和B級(非最終滅菌的品種),另外,還有輔助區(qū)工藝性空調(diào)。空調(diào)系統(tǒng)作為降低生產(chǎn)過程中氣載的污染和交叉污染的主要措施,是大輸液藥品質(zhì)量保證體系的重要組成部分。在大輸液車間的各個子系統(tǒng)中,空調(diào)系統(tǒng)是僅次于工藝系統(tǒng)的“第二子系統(tǒng)”,要提高大輸液車間的整體設計水平,對空調(diào)系統(tǒng)設計進行研究是十分必要的。本文針對配制和(洗烘)灌封工序的空調(diào)負荷計算和系統(tǒng)設計進行分析研究。
大輸液工藝流程一般以原輔料處理過程為主線,內(nèi)包材和制水系統(tǒng)處理過程為支線。各處理過程中的各步驟,合理的結(jié)合在一起,共同組成大輸液工藝流程。
配制至灌封的工藝流程一般為:原輔料經(jīng)稱量后進入配制工序,通過兩步配制法或一步配制法,溶液配制完成,取樣檢測合格后,進行除菌過濾(粗濾、精濾),精濾后藥業(yè)再檢查合格后,進入灌裝工序,藥液在A級無菌環(huán)境下灌裝入包裝容器內(nèi)。在接下來的密封工序中,根據(jù)包裝容器的類型和材質(zhì)采取相應的密封措施。
進入灌封間后在灌裝藥液前,玻璃瓶用注射水精洗后進入灌裝工序(最終滅菌產(chǎn)品);塑料瓶在A級環(huán)境下,經(jīng)過帶負離子的潔凈壓縮空氣除靜電吹洗后,進入灌裝工序;復合膜軟袋在A級環(huán)境下進行制袋、熱合口管后進入灌裝工序。近年來塑料瓶吹灌封(BFS)三合一技術應用逐漸增多。
對于玻璃瓶裝的非最終滅菌產(chǎn)品,玻璃瓶進入灌封間前經(jīng)過隧道滅菌烘箱除熱原處理后灌封。
配制一般分為兩步配制法和一步配制法。兩步配制法包括濃配→過濾→稀配,濃配時需要加入活性炭吸附熱源和雜質(zhì),一步配制法直接稀配。濃配一般需要加熱,配制溫度多為90℃~100℃。稀配配制溫度多為60℃左右。雖然目前提倡采用一步配制法,但是原輔料的溶解度、理化性質(zhì)、藥品的性質(zhì)和檢驗指標等諸多因素決定采用何種配制法,不能一概而論。
配制區(qū)室內(nèi)設備發(fā)熱量較大,濃配間有時還有較大的產(chǎn)濕量,如果空調(diào)系統(tǒng)設計不當,很容易造成室內(nèi)溫度較高、濕度較大。下面以濃配為例分析空調(diào)冷負荷、濕負荷及送排風量計算。
濃配間的空調(diào)冷負荷是由設備、照明、人員、圍護結(jié)構(gòu)冷負荷構(gòu)成,濕負荷是由設備和人員散濕量構(gòu)成,本文主要分析占冷負荷比重最大的設備冷負荷和散濕量的算法。設備冷負荷包括藥液泵和濃配罐散熱形成的冷負荷。
藥液泵機械能轉(zhuǎn)化為熱能后被藥液吸收帶走,其散入房間的熱量只是電機的發(fā)熱量,形成冷負荷可按下式計算:
QJ-T— 藥液泵計算時刻冷負荷,W;
T — 設備開始運行時刻,h;
J — 計算時刻,h;
XJ-T— 計算時刻冷負荷系數(shù)(運行時間不易確定時,可用蓄熱系數(shù)n=0.5代替);
QS— 電機發(fā)熱量,W。
電機發(fā)熱量可按下式計算:
QS= 1 000 n1n2n3N(1-η)/η[1]
n1— 安裝系數(shù),取 0.8;
n2— 負荷系數(shù),取 0.9;
n3— 同時使用系數(shù),單臺取1.0,多臺視生產(chǎn)情況取0.5~1.0;
N — 設備安裝功率,kW;
η — 電機效率,0.82~0.85。
濃配罐散熱量包括對流和輻射兩部分,算法分別如下[1][3]:
(1)對流散熱量
罐體表面對流散熱,屬于空氣大空間自然對流散熱。
Qdl= Qdm+ Qcm+ Qbm
Qdm= 1.7FdmΔt1.33[2]
Qcm= 1.13FcmΔt1.33[2]
Qbm= 0.59FbmΔt1.25/d0.25[3]
Qdl— 對流散熱量 W
Qdm、Qcm、Qbm— 頂面、側(cè)面、底面對流散熱量,W;
Fdm、Fcm、Fbm— 頂面、側(cè)面、底面面積,m2;
Δt — 罐體表面與室溫溫差,℃;
d — 濃配罐直徑,m;
(2)輻射散熱量
Qfs= FCf〔(273+tb)4-(273+ti)4〕×10-8[4]
Qfs— 輻射散熱量,W;
F — 罐體表面積(Fdm+Fcm+Fbm),m2;
Cf— 罐體輻射系數(shù),取 0.3 W/m2K4;
tb— 罐體表面溫度,50℃~60℃;
ti— 室內(nèi)溫度,22℃~ 24℃。
Qlfs= QfsXJ-T
Qlfs— 計算時刻輻射散熱形成冷負荷,W;
總空調(diào)冷負荷:
QL= Qdl+Qlfs+QJ-T+ Q0
Q0— 照明冷負荷、人員顯熱冷負荷、圍護結(jié)構(gòu)冷負荷,W;
濃配罐的散濕量計算:
G = 101 325β(Pqb- Pq)A /B’[4]
G — 液面散濕量,kg/h;
β — 水蒸氣擴散系數(shù),kg/m2h Pa,取值見下表:
表 水蒸氣擴散系數(shù)表
Pqb— 濃配溫度下的飽和水蒸氣分壓力,Pa;
Pq— 室內(nèi)點飽和水蒸氣分壓力,Pa;
A — 液面面積,m2;
B’ — 當?shù)卮髿鈮毫?,Pa。
例如:葡萄糖大輸液濃配間面積50 m2,吊頂高度3.5 m,布置V=3 m3濃配罐2個,直徑1 600 mm,高度1 800 mm,藥液泵2臺,N=2.2 kW,兩臺濃配罐同時工作,煮沸加熱,頂面溫度90℃,保溫部分罐體溫度55℃,室內(nèi)23℃,相對濕度55%,當?shù)貫闃藴蚀髿鈮?,計算設備生產(chǎn)1 h后的空調(diào)負荷。
單臺濃配罐的對流散熱量:
Qdl= Qdm+ Qcm+ Qbm= 2 018.1 W
單臺濃配罐的輻射散熱量:
Qfs= FCf〔(273+tb)4-(273+ti)4〕×10-8=187.2 W
單臺濃配罐的煮沸時散濕量:
查濕空氣物性表得Pqb=101 325 Pa;查焓濕圖得Pq=1 542 Pa
G100= 101 325β(Pqb-Pq)A /B’=89.8 kg/h
依上述算法可得90℃和80℃時散濕量:
G90= 52.2 kg/h,G80=32.1 kg/h
濃配煮沸時間一般為15~20 min,小時綜合散濕量約60 kg/h。
單臺藥液泵的散熱量:
QS= 1 000 n1n2n3N(1-η)/η=279.5 W
圍護結(jié)構(gòu)、照明、人員形成的空調(diào)負荷相對穩(wěn)定,按25 W/m2計算。根據(jù)以上計算值匯總空調(diào)冷負荷QL和濕負荷G。對流散熱量和散濕量直接形成空調(diào)冷負荷和濕負荷。濃配罐的輻射散熱量和藥液泵的散熱量,由于圍護結(jié)構(gòu)有蓄熱能力,其形成空調(diào)冷負荷有一定的延遲和衰減。濃配罐輻射散熱1 h后,取冷負荷系數(shù)XJ-T= 0.8,藥液泵不是連續(xù)工作,運行時間不確定,用蓄熱系數(shù)n=0.5代替冷負荷系數(shù)。
新版GMP規(guī)定,濃配間潔凈度應為D級[5],如設計換氣次數(shù)20 h-1,送風量為3 500 m3/h。消除空調(diào)冷負荷需5℃的送風溫差,消除空調(diào)濕負荷則需28.6 g/kg干空氣的濕度差,不改變送風量,空氣處理過程不能實現(xiàn),依靠送風來消除空調(diào)濕負荷需要巨大的送風量,并且空調(diào)機組制冷量隨之大幅增加,很顯然是不可取的。需要做局部排風將水蒸氣直接排出室外,避免室內(nèi)高熱高濕的情況出現(xiàn)。那么,在設計局部排風系統(tǒng)時,是否應考慮將濃配罐對流散熱產(chǎn)生的上升氣流一起排出呢?
單個罐體上部H高度的對流散熱熱射流流量LH和直徑DH按下式計算:
LH= 144(Qdl/1 000)0.33(H+1.26d)1.5m3/h[6]
DH= 0.36H+d m
通過計算可得,在濃配罐上方1.2 m處排風,排風罩直徑為2.4 m,計算排風量為2 042 m3/h。兩個濃配罐的排風量就達到4 084 m3/h。對計算結(jié)果分析可得:排風罩過大,制造安裝困難,影響接管,并且不美觀;排風量過大,影響氣流組織;排風要由新風補充,新風處理的冷負荷遠大于排出的余熱。
可以得出結(jié)論,對濃配罐的對流散熱是完全沒有必要排風的,正確的設計方法是要將濃配罐人孔處排出的水蒸氣直接排出室外,同時,也將隨水蒸氣逸出的糖類和碳粒排出,以免影響空調(diào)系統(tǒng)。
濃配罐人孔直徑一般為Φ450 mm,水蒸氣上升擴張角約20°,固定排風罩安裝高度高出人孔800 mm不會影響生產(chǎn)操作。根據(jù)這些數(shù)據(jù),計算得排風罩直徑750 mm。設計中可取排風罩直徑800 mm,罩面風速0.5 m/s,排風量900 m3/h。并且應在罩口加寬度200~300 mm的法蘭邊,減少周圍氣流的影響,得到更好地排風效果。同時,盡量減小橫向氣流對排風氣流組織的干擾。濃配生產(chǎn)結(jié)束后就不再需要排風,對于沒有房間正壓自動控制功能的空調(diào)系統(tǒng)可采用如圖1所示方法解決。排風機出口的排風電動閥和回風電動閥互鎖,濃配結(jié)束不需排風后,開啟回風電動閥,關閉排風電動閥,系統(tǒng)轉(zhuǎn)為回風狀態(tài)。為不影響其它房間正壓穩(wěn)定,將濃配罐排風管道接至AHU新風管道,并通過自控系統(tǒng)保持新風管道壓力穩(wěn)定,以維持由新風管道進入系統(tǒng)的風量穩(wěn)定。轉(zhuǎn)入回風狀態(tài)后,新風管壓力控制器控制新風機組風機自動減速運行,減少新風吸入量適應系統(tǒng)狀態(tài)變化。
稀配間主要發(fā)熱設備是稀配罐,沒有散濕量,算法與濃配罐相同,不再重復敘述。稀配罐雖然外表面積大,但是其表面溫度較低,總散熱量不大,稀配間潔凈級別為C級,換氣次數(shù)較高,綜上原因,稀配間不需做排風,只要正常的送回風即可。
圖1 濃配間回、排風切換系統(tǒng)示意圖
配制間等生產(chǎn)性房間設備發(fā)熱量較大,其它散熱量穩(wěn)定,沒有外圍護結(jié)構(gòu),通常只有吊頂和樓板有傳熱,造成一定的冷熱負荷,但由于溫差較小,單位面積的冷熱負荷較小,尤其吊頂傳熱基本可忽略。因此,此類生產(chǎn)性房間需要全年供冷。冬季冷源一般可采用閉式冷卻塔提供冷水方式和調(diào)節(jié)新風比直接供冷方式。
閉式冷卻塔提供冷水方式,只須將夏季冷凍水供回水管切換至閉式冷卻塔系統(tǒng)即可。制冷系統(tǒng)冷凍水與室外空氣不直接接觸,冷凍水水質(zhì)好,不會對組合式空調(diào)機組的表冷盤管造成額外不利影響。在嚴寒地區(qū)也不會造成塔體和風機葉片掛冰,免去了北方地區(qū)冬季人工維護冷卻塔的繁瑣工作。但是由于多一套冬季制冷系統(tǒng),設備初投資和冬季運行成本較高,并且要有冬季冷凍水系統(tǒng)的防凍措施,比如:采用開式系統(tǒng)、水泵停止運行后室外管道自動排空等。采用閉式冷卻塔供冷方式,空調(diào)風系統(tǒng)全年維持固定運行狀態(tài),示意性流程如圖2。
調(diào)節(jié)新風比直接供冷方式系統(tǒng)流程圖如圖1。冬季將新風預熱到5℃,關閉旁通風閥DM4,手動調(diào)節(jié)新、回、排風電動風閥DM1、DM2、DM3的開度,使新回風混合溫度達到冬季送風溫度,維持冬季固定新風比,新風處理機組配合DM1開度調(diào)節(jié)手動變頻控制。如果空調(diào)系統(tǒng)自控水平較高,有各房間的正壓自動控制系統(tǒng),也可采用新、回、排風電動風閥開度根據(jù)室內(nèi)溫度自動調(diào)節(jié)新風比的控制方式,以適應潔凈室內(nèi)由于設備開啟或停止造成的空調(diào)冷負荷變化。
冬季可根據(jù)工程具體情況,選擇合理的供冷方式。
灌封是將經(jīng)過除菌過濾后檢驗合格的藥液,灌裝入包裝容器內(nèi)并密封的工序。根據(jù)新版GMP的要求,大輸液屬于“高污染風險產(chǎn)品”[5],必須在A級環(huán)境下灌裝,可最終滅菌的大輸液品種灌封間潔凈級別為C+A級,非最終滅菌的大輸液品種灌封間潔凈級別為B+A級。
灌封間的空調(diào)冷負荷是由設備、藥品散熱、照明、人員、圍護結(jié)構(gòu)冷負荷構(gòu)成,濕負荷是由人員散濕量構(gòu)成。主要分析占冷負荷比重最大的設備冷負荷,以及藥品散熱冷負荷的算法。
設備冷負荷包括工藝設備冷負荷和自循環(huán)冷負荷。
工藝設備冷負荷按下式計算:
QJ-T= QS1XJ-T+ QS2XJ-T
QJ-T— 計算時刻冷負荷,W;
T — 設備開始運行時刻,h;
J — 計算時刻,h;
XJ-T— 計算時刻各設備冷負荷系數(shù)(灌封連續(xù)生產(chǎn)時間較長,統(tǒng)一取0.95);
QS— 設備散熱量,W;
在灌封間內(nèi)的產(chǎn)熱工藝設備可分為兩類,一類是運動設備,另一類是電熱設備。運動設備都屬于電機和工藝設備均在空調(diào)房間內(nèi)的情況,設備散熱量QS1按下式計算[2]:
QS1= 1 000 n1n2n3N/η
n1— 安裝系數(shù),取 0.8;
n2— 負荷系數(shù),取 0.7;
n3— 同時使用系數(shù),取1.0;
N — 設備安裝功率,kW;
η — 電機效率,0.82~0.85。
電熱設備散熱量QS2按下式計算[2]:
QS2= 1 000 n1n3N
式中各符號含義和取值同上。
自循環(huán)冷負荷Qzl是由于風機對空氣傳遞的機械能最終全部轉(zhuǎn)化為熱能,導致空氣溫升。
Qzl= 1 000 n1n2N/η
式中其它各符號含義同上,n2取0.9,其它取值同上。
藥品散熱量很小,在本文中只是提出其算法,實際工程設計中酌情可以忽略不計。計算散熱量時換熱系數(shù)取綜合系數(shù),按照對流散熱部分形式計算:
Qdl=αFnΔt
Qdl— 藥品散熱量,W;
α — 換熱系數(shù) 取 11.63 W/m2·℃;
F — 包裝容器表面積(與輸送帶接觸的面積不算),m2;
n — 灌裝后同時在灌封間內(nèi)的包裝容器數(shù)量;
Δt — 包裝容器表面與室溫溫差,℃;
Qldl= QdlXJ-T
Qldl— 計算時刻藥品散熱形成冷負荷,W;
QL= Qldl+QJ-T+ Q0+Qzl≈QJ-T+ Q0+Qzl
QL— 總冷負荷,W;
Q0— 照明冷負荷、人員顯熱冷負荷、圍護結(jié)構(gòu)冷負荷,W。
由于篇幅所限,上述算法不再舉例計算。
灌封間潔凈級別為C+A級或B+A級?!夺t(yī)藥工業(yè)潔凈廠房設計規(guī)范(GB50457-2008)》規(guī)定 :“局部單向流區(qū)溫度不應超過室內(nèi)設計溫度2℃,且不應超過24℃[7]。為保證局部單向流流型不被干擾和破壞,且不影響操作的情況下,宜設置圍簾,高度應低于操作面,且不宜高于0.5 m?!标P鍵生產(chǎn)區(qū)和背景環(huán)境宜采用不同的空調(diào)系統(tǒng)負擔,空調(diào)系統(tǒng)形式有AHU+FFU、AHU+FMU和AHU+AHU三種,分別分析研究。
AHU+FFU的系統(tǒng)形式見圖3。
此系統(tǒng)形式,灌封間室內(nèi)的冷負荷、加濕、去濕、新風需求、正壓控制全部由背景環(huán)境的AHU負擔,AHU送風溫度較低,并有可能為負擔室內(nèi)冷負荷而增大送風量。另外,F(xiàn)FU自循環(huán)系統(tǒng)由于FFU風機壓頭較低,不能采用接風管的下回風方式,只能采用靜壓箱上部回風。室內(nèi)氣流組織在A級區(qū)是“上送下回”,而在背景區(qū),A級自循環(huán)工作時, “上送下回”、“下送上回”和 “下送下回”同時存在,不過由于自循環(huán)風量較大,背景區(qū)動態(tài)潔凈度只要求ISO7級,此氣流組織一般不會對背景區(qū)動態(tài)潔凈度造成影響。在靜態(tài)時,A級區(qū)FFU機組停止工作,房間恢復“上送下回”氣流組織,以保證靜態(tài)潔凈度。
AHU+FMU的系統(tǒng)形式見圖4。
此系統(tǒng)形式,灌封間室內(nèi)的冷負荷由背景環(huán)境的AHU和FMU系統(tǒng)干表冷盤管共同負擔,新風需求、加濕、正壓控制由背景環(huán)境的AHU負擔,AHU不必設計較低送風溫度,也不必為負擔室內(nèi)冷負荷而增大送風量。
AHU+AHU的系統(tǒng)形式見圖5。
此系統(tǒng)形式,也俗稱“A級大循環(huán)”,在空調(diào)冷負荷、新風需求、加濕、正壓控制的負擔方面與AHU+FMU系統(tǒng)形式相同。
圖3 灌封間AHU+FFU系統(tǒng)示意圖
圖4 灌封間AHU+FMU系統(tǒng)示意圖
圖5 灌封間AHU+AHU系統(tǒng)示意圖
比較上述三種空調(diào)系統(tǒng)形式:從設備初投資和運行成本方面比較,AHU+FFU形式最低,AHU+AHU形式最高。從控制噪音和微振方面比較,AHU+FFU形式較差,AHU+AHU形式最好。從對灌封間室內(nèi)溫濕度控制方面比較,AHU+FFU形式較差,AHU+AHU形式最好。從灌封間室內(nèi)的美觀程度方面比較,AHU+FFU形式不美觀,AHU+FMU和AHU+AHU形式美觀。從設備檢修和更換高效過濾器方面比較,AHU+FFU形式不方便,AHU+AHU形式最方便。從管路布置方面比較,AHU+FFU形式無管路,AHU+AHU形式布置困難。通過上述比較,筆者認為,一般情況灌封間A級區(qū)面積較大,在條件允許的情況下,宜首選AHU+FMU形式。
灌封區(qū)空調(diào)系統(tǒng)和配制區(qū)空調(diào)系統(tǒng)一樣,也存在冬季如何提供冷源和冬夏季節(jié)切換控制的問題,解決方案可參見配制區(qū)空調(diào)系統(tǒng)設計研究中相關的論述,此處不再重復。
非最終滅菌的大輸液產(chǎn)品灌裝前,玻璃瓶除熱原用的連續(xù)隧道滅菌烘箱的工作狀況卻與空調(diào)系統(tǒng)的風量風壓平衡有緊密的聯(lián)系,在設計中應特別注意,引起足夠的重視。
連續(xù)隧道滅菌烘箱,安裝在D級潔凈區(qū),包括進瓶段(預熱段)、高溫滅菌段和冷卻出瓶段,各段之間有可供瓶子通過的隔板分隔,進瓶段開口與洗瓶機相連,與本房間D級環(huán)境相通,出瓶段開口與灌封間A級環(huán)境相通。整條隧道內(nèi)的壓力分布由瓶出口向瓶進口依次降低,出瓶段壓力低于灌封間壓力,瓶子運動方向與氣流方向相反。從進瓶段到出瓶段全部設有單向流保護,在進瓶段和出瓶段還設有排潮汽和排熱風風機,將預熱和冷卻產(chǎn)生的熱濕氣直接排出室外。隧道滅菌烘箱內(nèi)部的空氣循環(huán)和氣流流向以及正壓分布見圖6。
隧道滅菌烘箱對空調(diào)系統(tǒng)的主要影響在于其是動態(tài)運行的工藝設備。隧道滅菌烘箱工作狀態(tài)包括:工作、空載、休眠等,不同的工作狀態(tài),從房間的吸排風量不同,即使同一工作狀態(tài),從房間的吸排風量也會因為隧道內(nèi)溫度變化和工作階段的不同而動態(tài)變化。設計洗烘瓶間空調(diào)系統(tǒng)時,如果不能處理好這些動態(tài)變化的影響,就有可能造成滅菌段300℃以上的高溫空氣外泄量增大,使洗烘瓶間溫度上升并可能損壞預熱段的常溫電氣設備,或不同潔凈級別間氣流反向,使無菌區(qū)受到污染。
圖6 隧道滅菌烘箱內(nèi)部構(gòu)造示意圖
雖然隧道滅菌烘箱工作狀態(tài)復雜,吸排風量動態(tài)變化,但是設備自控程度較高,不會主動造成隧道內(nèi)部氣流流向錯誤。只要保證無論隧道滅菌烘箱吸排風量如何變化,洗烘瓶間和灌封間正壓值始終維持穩(wěn)定,就能使隧道滅菌烘箱內(nèi)的氣流流向和流量穩(wěn)定,不會對空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。對房間正壓有影響的因素,一是房間送、排風量差值發(fā)生變化,二是對不同正壓值的相鄰房間開門。要達到洗烘瓶間和灌封間正壓值始終維持穩(wěn)定,房間正壓自動控制系統(tǒng)是必須設置的。一般作法是在房間回風管上設電動調(diào)節(jié)閥,根據(jù)房間正壓自動調(diào)節(jié)開度,維持正壓穩(wěn)定,并且閥門的執(zhí)行器和控制器必須是快速反應型的,以適應設備吸排風量突變和房門開啟的變化,使房間正壓穩(wěn)定。另外,洗烘瓶間和灌封間設置正壓值與該房間相等的氣鎖,房門互鎖控制,也是非常有效的措施,可使房門開啟不會對房間正壓產(chǎn)生影響。
大輸液車間的配制區(qū)是主要產(chǎn)熱濕崗位,灌封是工藝生產(chǎn)的核心區(qū),二者都是空調(diào)系統(tǒng)設計中較容易出問題的部位。筆者希望配制區(qū)和灌封間空調(diào)系統(tǒng)的設計研究,能對設計工作起到一定的參考和借鑒作用。
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