實驗室空壓機CDA系統/氣體產生器系統訂閱式使用服務

科研實驗室使用 Lab CDA 無油式空壓機系統或者 On-Site 氮氣產生器系統經常會面臨一種情況:每年真正使用CDA (Clean Dry Air) 或 On-Site Gas Generator 的流量成本較採用鋼瓶Cylinders 經濟,但全年設備系統使用時數 (例如: 500小時) 遠低於年度保養運轉時數 (例如 : 4,000小時),卻每年需要支付維護保養耗材的高昂費用。

原因主要在於不論是空壓機系統或者是氣體產生器系統的維護保養耗材更換,都是以使用起算一年或者運轉超過多少千小時較早到者為主。也就是說,以上面的範例4,000小時為例,假設更換開始起算機器實際運轉七個月已經達到4,000小時,則運轉未滿一年也必須更換過濾器濾芯、排水器…等耗材;同時,更換後滿一年只實際運轉500小時,也必須更換昂貴耗材。以此類推,使用滿2年、3年或4年都個別需要更換越來越多耗材,即使滿四年才運轉2,000小時。

以空壓機每年耗材更換為例

選擇氣體鋼瓶Cylinder或者瓦特瓶的關鍵還是在使用流量的多寡,但是如果將On-Site CDA 或者 On-Site Gas Generators 年累積運轉實際時數維護保養也考慮進去,許多科研實驗室也會面臨一些困擾,這些困擾就是持續使用CDA或者氣體的流量與時間的確是一段時間,但是實際使用工況是 「一年有一段時間或整年分散的數個時段會持續使用 」 ,是否有較合理善用預算的服務方案?

  1. 訂閱使用期間:Easy Rent Program 1週~12週; GoUse Air Service 6個月~48個月
  2. 訂閱計費單位:Easy Rent Program: 週(使用未滿一週視同一週);GoUseAir Service: 月 (使用未滿一個月視同一個月)。
  3. 訂閱使用對象:大專院校實驗室、國家機構實驗室、科研實驗室應用需求 或 生醫製藥/高科技公司展覽需求 / 專案需求 / 長期服務需求。
  4. 產品系統範圍(A) 日本岩田無油渦卷式空壓站 (SLP07EED~SLP37EFD; P.D.P. < 15℃)、(B) 英國Chromalytic 氮氣產生器 ( HF30N : 純度 97% ~ 99% ; 流量 16~32LPM )、 (C) 英國Chromalytic 零空氣產生器 (ZA4; 流量 4LPM)、(D) 吸附式乾燥機 (P.D.P. -40℃) 以及 (E) 依實際需求提供自動排水器、各式過濾器、無油增壓機、氣體儲氣桶或管線。
  5. 維護保養費用:訂閱使用方不須負擔任何耗材或保養費用。
  6. 訂閱使用區域:臺灣本島。
  1. 訂閱使用期間:(A) ≦ 12個月 或 (B) > 12個月~48個月 (每年可以由承租方評估重新簽約或依據約定期間簽約)。
  2. 訂閱計費單位:月 (使用未滿一個月按當月使用比例設算)。
  3. 訂閱使用對象:科研實驗室應用需求。
  4. 產品系統範圍(A) 日本岩田無油渦卷式空壓站 (SLP07EED~SLP37EFD; P.D.P. < 15℃)、(B) 英國Chromalytic 氮氣產生器 ( HF30N (規格同上) 或 HF60N : 純度 < 99.001%; 流量 32~64LPM / (U)HP2 : 純度 > 99.999%; 流量 2LPM )、 (C) 英國Chromalytic 零空氣產生器 (ZA4; 流量 4LPM)、(D) 吸附式乾燥機 (P.D.P. -40℃)以及 (E) 依據實際需求提供自動排水器、各式過濾器、無油增壓機、氣體儲氣桶或管線。
  5. 維護保養費用:訂閱使用方不須負擔任何耗材或保養費用。
  6. 訂閱使用區域:臺灣本島;外島地區請洽本公司人員確認。

實驗室對於研究發展過程使用支援系統 (CDA空壓機系統及On-Site氣體產生器系統)的各種決策主要都是依據使用的流量、使用的頻率負荷以及各種預算的考量;面對實驗室研發或驗證專案高頻率使用期間小於一年的情況,未來服務工業的CDA空壓機系統與On-Site氣體產生器系統訂閱式服務能夠彈性應對使用需求,讓實驗室經費預算獲得最有利的利用!

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看懂活塞式空氣壓縮機規格表與活塞式空壓機特性

許多實驗室 老師與 前輩反映他們依據活塞式空壓機的規格表來採購,看空壓機規格表資料應該能夠對應實驗室精密科學儀器或氣體產生器的需求,但是不同的客戶碰到了不同的情況:

  1. 廠商提供的空壓機規格表資料顯示的風量是足夠的,但是用起來就是經常顯示低壓告警壓力不足。
  2. 剛開始的時候風量可以對應設備用氣需求,但是用了一陣子之後風量開始吃緊,而且運轉噪音越來越大。

這兩個問題可以分兩個層面來探討,我們先依據上述問題的先後來說明。

是指該活塞式空壓機機體的活塞、氣缸與氣缸蓋在空氣進行壓縮的時候,在沒有任何阻力(含壓力是1大氣壓時) 的情況下,該活塞式空壓機機體能夠輸出的空氣量;換句話說,活塞連桿組與氣缸壁之間完全密合沒有組合間隙、活塞能夠完全往上壓到底與氣缸蓋完全密合沒有間隙、組件之間零摩擦而且是在吸入是一大氣壓的空氣而壓縮時也處在一大氣壓的空氣壓力時,該活塞式空壓機的理論活塞變位量 (理論排氣量)。

但是現實是組件之間肯定有間隙、組件之間也會產生摩擦熱讓組件熱膨脹而加劇摩擦阻力、空氣吸入壓縮造成容積變小也會造成壓力上升而產生阻力與從間隙回漏 (請參考上圖說明);所以每一種類型空壓機都會有實務經驗上驗證的「容積壓縮效率」,商用型活塞式空壓機容積壓縮效率約為40~50%左右,工業級活塞式空壓機容積壓縮效率約為45~55%左右 (通常馬力數越小容積壓縮效率越差,而且不代表該空壓機持續都能維持這種效率)。

0.6馬力無油活塞式空壓機

3馬力無油活塞式空壓機

通常會以標示壓力,例如上表標示為FAD @ 8 bar 表示商用型0.6馬力活塞式空壓機在操作壓力 8 bar 時實際排氣風量是44L/min.,而商用型3馬力活塞式空壓機在操作壓力 8 bar 時實際風量是220L/min.。我們以商用型3馬力活塞式空壓機的「壓力-風量曲線」來討論下列幾個在採購實驗室空壓機時需要特別注意的地方:

  1. 活塞變位量Displacement (理論排氣量) 是424L/min.,在8 bar時實際排氣量是220L/min.;從上圖曲線來分析,如果操作壓力是 4 bar 時顯示的實際排氣量每分鐘是多少 Liter?從壓力是 4 bar 的地方往上畫一條垂直線到 60Hz 頻率的曲線,然後從這個點位再劃一條水平線向左延伸至實際風量的位置,在操作壓力 4 bar 時實際排氣量約為275L/min.。換句話說,同一組商用型活塞式機體,在操作壓力 4 bar 時實際風量為275L/min.,在操作壓力 8 bar 時實際風量為220L/min.。選型的時候需要先釐清需要用氣設備到底最少要多少操作壓力才能夠順暢運轉。
  2. 該空壓機是否能夠持續維持相同的容積壓縮效率 或者說 即使衰退也在可以控制的衰退範圍內 (例如還能夠維持原容積壓縮效率98%以上),這個部分我們將在下一個章節說明。

活塞因為馬達轉動帶動皮帶輪與連桿而在氣缸內來回作動,活塞式為避免活塞整個貼合氣缸摩擦產生熱膨脹時整組與氣缸壁高溫熔融,因此設計壓縮環與活塞環等O型環作為兩個關鍵組件之間的緩衝以密合間隙;經過一段時間來回作動會將活塞環磨耗掉,因此很快地兩個結果產生了:活塞與氣缸壁間隙變大讓高壓空氣回漏變大 (實際排氣量快速衰退,請參考下圖一) 以及 間隙變大讓運轉的噪音變大 (請參考下圖二)。

間隙變大讓高壓氣體回漏變大風量下降

間隙變大讓活塞作動產生斜角敲擊氣缸壁

活塞式空壓機機體上方有吸氣閥與排氣閥易損耗變形、活塞有活塞環與壓縮環易磨損、軸承數量多 (活塞與連桿、連桿與平衡錘、主軸與曲軸箱) 磨損容易影響順暢度…;每一個零件部品傳動都會造成能源效率損失,這也是為什麼活塞式空壓機耗能耗電較渦卷式空壓機高出20%~30%的原因。

姑且不論商用型活塞式空壓機是否能夠適合持續運轉供氣而不會過讓當機或燒毀,在選型空壓機的時候除了無油式與有油式的考量,應該是以能夠滿足對應需要用氣的設備需求 (例如氮氣產生器通常會設定CDA輸入的操作壓力建議在 6 bar 以上) 為主,包括:

  1. 操作壓力至少需要多少 Bar ? 而且還必須考慮停機壓力與啟動壓力的設定區間需求。
  2. 實際流量每分鐘需要多少公升以上?

而不能只看活塞變位量或者是廠商提供的特定操作壓力下的實際流量數據 (可能是 @ 4 bar 或者是 @ 5 bar 而非到達 @ 6 bar ~ 8 bar 或 更高操作壓力)。

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日本FUKUHARA為何設計Lab CDA系統0.2µm高精度除菌過濾器?

Oil Free, Germ Free, Trouble Free 是未來服務工業推動 GoUseAir Service時產品系統解決方案擬達成的關鍵價值,我們總代理日本岩田無油渦卷式空壓機來實現Oil Free,再總代理日本Fukuhara齒科除菌過濾器來實現Germ Free,兩個產品方案穩定可靠的品質、功能價值特性搭配未來服務工業快優專業服務落實Trouble Free!

為實踐科研實驗室客戶Germ Free的具體解決方案,提供 「無菌壓縮空氣」 對應 「無菌純水」 ,協助科研實驗室Lab CDA 「 無菌檢出」 的目標。

國際上,0.22μm (微米) 除菌過濾器的使用與規範主要參考以下標準與組織:

  • ISO 13408-2(無菌製藥產品的無菌處理 – 過濾)規定了無菌過濾的要求,0.22μm過濾器被廣泛認可為除菌級過濾器,能有效去除細菌(如最小細菌尺寸約0.2μm-0.5μm)。
  • ISO標準未明確規定0.22μm為唯一標準,但其為業界慣用孔徑,符合除菌挑戰試驗 LRV ≧ 7 (含) 以上(例如去除107次方每平方厘米的假單胞菌挑戰)。
  • USP <797>(無菌製劑)與Ph. Eur. 5.1.1(無菌產品製造)推薦使用0.22μm過濾器進行無菌過濾,特別在製藥過程中確保無菌性。
  • 0.22μm過濾器被認為能有效過濾細菌,但對病毒(部分 < 0.2μm)無效,除非結合其他技術(如奈米銀或紫外線)。

國際GMP規範要求除菌過濾器需通過細菌挑戰試驗,0.22μm過濾器通常能滿足要求,而0.45μm過濾器則無法完全符合除菌標準。

臺灣的規範主要依循國際標準,並結合本地法規與產業需求:

• 臺灣食品藥物管理署參考國際GMP與PIC/S(藥品檢查協約與藥品檢查合作計劃)標準,對於無菌製劑要求使用0.22μm過濾器進行最終過濾,以確保產品無菌。

• TFDA的《藥品優良製造規範》要求除菌過濾器必須通過驗證,0.22μm過濾器是常見選擇,需符合細菌截留試驗要求。

  • 臺灣的生技與製藥產業參考國際標準(如USP、Ph. Eur.),0.22μm過濾器廣泛應用於HPLC樣品製備、細胞培養與微生物過濾。(請留意CO2 Incubators 細胞培養十分在意黴漿菌 (支原體) 的汙染,而黴漿菌的粒徑可能會小於0.2μm或甚至小於0.1μm,須採用預過濾與特殊奈米濾材 (或靜電吸附處理))
  • 例如,臺灣業者提供的PES或PVDF材質0.22μm針筒過濾器,符合ISO 9001或ISO 13485(醫療器械品質管理)認證,確保產品品質與國際接軌。

國際規範(如ISO 13408-2、USP <797>、Ph. Eur.、GMP)明確支持0.22微米過濾器作為除菌標準,需通過細菌挑戰試驗。臺灣規範依循國際標準,TFDA要求無菌製劑使用0.22μm微米過濾器,並參考PIC/S GMP。實際應用中,0.22μm過濾器因其高效除菌能力,在兩者規範下均為主流選擇。

日本福原Fukuhara株式會社在1986年推出產業首支除菌過濾器,歷經四十幾年的創新開發成為業界重要解決方案。

日本FUKUHARA除菌過濾器

日本FUKUHARA除菌過濾器濾芯

FUKUHARA除菌過濾器入口通過1億個微生物,出口檢測微生物數為1個或0個,ASTM F838-05 標準為LRV ≧ 7 (含) 以上,FUKUHARA除菌過濾器除菌效率高達99.999999%。

主體內部採用抗菌處理;M系列濾芯外部也採用抗菌處理。日本JIS標準為活性值達到2.0 (含) 以上均認定可持續有效除菌。

A. GM500B-M2-4 實驗室空壓機房出口應用 (運轉使用6,000小時或一年更換濾芯)

主要應用安裝空壓機系統出口 (至作業現場入口之間),出入口徑大小為Rc 1/2″ ,處理流量500L/min. @ 7 bar。(有更大處理流量機型;下圖下方為小型除菌過濾器)

B. ILF100-N20精密儀器設備入口應用(捨棄式; 運轉使用6000小時或一年整支捨棄更換)

ILF (In Line Filter) 系列主要應用安裝於空壓機系統管路末端 (進入作業現場主要設備之前),出入口徑大小為Rc 1/4″ ,處理流量100L/min. @ 7 bar,是屬於In Line Filter的種類。(請參考下圖右;下圖左為診療過程會直接接觸病患或醫療器材的除菌氣槍)

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日本FUKUHARA除菌過濾器的規格特性與行業應用

日本福原在1986年推出業界首款上市的除菌過濾器,在食品、醫療、生物、精密工業、測量、化學、工業機械和工業電氣設備等各個領域都有廣泛應用。未來服務工業 (股) 公司為服務台灣的科研實驗室客戶而總代理 Fukuhara 除菌過濾器,目前主要推進的型號 (FUKUHARA有超過15個型號除菌過濾器) 包括:

  1. GM500B-M2-4:主要應用安裝空壓機系統出口 (至作業現場入口之間),出入口徑大小為Rc 1/2″ ,處理流量500L/min. @ 7 bar。(請參考上圖)

「LRV≧8」的意思是,即使向一次側 (入口) 釋放1億 ( 108 ) 個微生物,二次側 (出口) 檢出微生物數量只有最多1個或0個。表1表2是壓縮空氣中細菌含量調查結果的範例,結果顯示,在壓縮空氣中檢測到了普通細菌、黴菌和酵母菌。然而,由於大腸桿菌在空氣中幾乎不存在,因此調查結果為陰性。由此可見,細菌數量會根據空氣壓縮機的安裝環境條件而改變。

根據 ASTM F838-05 標準,無菌級過濾器(sterilizing-grade filter)需在標準挑戰測試中,對 Brevundimonas diminuta(粒徑約 0.3 微米)實現至少 LRV = 7(10^7 CFU/cm² 的去除率)。LRV > 8 表示 Fukuhara 除菌過濾器的微生物攔阻能力高於標準無菌級要求,顯示其高效性能。

FUKUHARA除菌過濾器濾芯採用長期自主研發的聚丙烯(PP),是一種密度低、耐熱性佳、化學穩定性高的熱塑性塑膠,常應用於醫療、食品包裝及過濾材料中。PP材質的除菌薄膜通常會經過特殊加工(如熔噴或電紡技術),形成微孔結構,用以攔阻微生物或微粒。一般PP除菌薄膜(如用於醫療滅菌包材或口罩)通常能有效攔阻0.3至0.5微米以上的微生物(如細菌)。

對於更小的病毒(如0.02至0.3微米),其攔阻效率取決於薄膜的孔徑分佈、靜電吸附能力或多層結構設計 (FUKUHARA濾芯過濾能力0.2微米)。PP薄膜經過奈米級加工(如電紡技術),理論上可攔阻或擄獲低至0.1微米甚至更小的粒徑,但這需要具體產品的規格說明來確認。

表1 抽測空氣壓縮機出口含菌量
表2 空氣壓縮機冷凝水排放口含菌量

主體內部採用抗菌處理;M系列濾芯外部也採用抗菌處理。

抗菌活性值:2.1~5.2 ( JIS將抗菌活性值設為2.0以上即為具有抗菌效果)。

日本福原Fukuhara過濾器專利設計

日本福原Fukuhara過濾器壓縮空氣 (或氮氣) 流道設計由一次側入口進入之後先經過過濾器濾芯內側,然後經過結構與PP材質濾材之後,將異物或微生物攔阻在濾芯內側,避免異物與微生物沾附於過濾器外殼或排水器,排放於環境之中或者在更換的時候造成汙染,能夠有效降低汙染與微生物洩漏。(請參考下圖一般過濾器設計)

Fukuhara除菌過濾器濾材材質為PP (聚丙烯) 且額定除菌粒徑0.2µm,除了部分病毒與粒徑0.1µm的Mycoplasma (黴漿菌)之外,大多數都能夠有效攔阻擄獲達到除菌效果,而且除菌效率高達99.999999%。以下是一般微生物的粒徑大小範圍:

細菌(如金黃色葡萄球菌、假單胞菌,0.5-5 微米)。

真菌(如黑麴菌、白色念珠菌,2-10 微米)。

支原體(如 Mycoplasma spp.,0.1-0.8 微米)。

病毒(如環境病毒,0.02-0.3 微米)。

主要細菌粒徑大小

Fukuhara除菌過濾器實際流量經過使用的時數達到6,000小時 或 安裝時間達到一年 時可以更換過濾器 (ILF100-N20) 或 過濾器濾芯 (GM500B-M2-4),具有極長時間的除菌過濾效果,節省營運費用。

確認GM500B-M2-4以及ILF100-N20的濾芯孔徑為 0.2微米 (含) 以上、材質為 PP (聚丙烯)、微生物攔阻驗證(如 ASTM F838 或支原體測試)對於部分粒徑小於0.2微米病毒與之原體無法確保攔阻擄獲、我們也建議可以採用0.5微米預過濾預滅菌設計。

Fukuhara 除菌過濾器適用的主要行業:

  • 應用場景
    • 無菌液體過濾:用於過濾抗生素、疫苗、蛋白質溶液、注射用水(WFI)等熱敏性液體,確保無菌並符合 FDA 和 EMA 標準(如 ASTM F838-05)。LRV ≧ 8 滿足無菌級要求,適合最終灌裝前的無菌過濾。
    • 細胞培養基過濾:在生物製藥中,過濾細胞培養基以去除細菌和真菌,保護細胞培養(如單克隆抗體、基因療法)。PP 材質低吸附性可避免影響培養基成分。
    • 醫療氣體過濾:過濾壓縮空氣、CO2 或氧氣,確保氣體無菌,用於發酵罐通氣或無菌操作環境。
  • 優勢
    • LRV ≧ 8 確保高效去除細菌和真菌,符合製藥行業嚴格的無菌要求。
    • PP 材質耐化學腐蝕,適合過濾多種藥物溶液。
    • 若孔徑為 0.1 微米,對支原體提供一定防護,適用於高風險細胞培養 (FUKUHARA為0.2微米孔徑無法對全部支原體提供防護)。
  • 局限:對部分病毒與部分支原體的攔阻能力有限(除菌活性 2.1 ~ 5.2),需搭配奈米過濾器或紫外線滅菌。
  • 應用場景
    • 醫療氣體供應:過濾手術室使用的氧氣、壓縮空氣或麻醉氣體,確保氣體無菌,防止術後感染。LRV ≧ 8 適合此類對於壓縮空氣與氮氣的過濾應用,符合手術室無菌要求(如 ISO 5 或 ISO 7)。
  • 優勢
    • LRV ≧ 8 提供高效率細菌/真菌攔阻,滿足手術室的高潔淨標準。
    • PP 材質耐潮濕,適合手術室高濕環境(50-60% 相對濕度)。
  • 局限:對病毒防護不足,需搭配紫外線(UV-C,254 nm 或 405 nm)或 HEPA 過濾器(0.3 微米,99.97% 效率)。
  • 應用場景
    • 氣體過濾:過濾發酵罐或灌裝線的壓縮空氣或 氮氣,防止微生物污染。
  • 優勢
    • 無菌過濾避免熱處理對風味的影響,符合清潔標籤(無添加劑)趨勢。
    • PP 材質符合食品安全標準(如 FDA 21 CFR),耐多種液體。
  • 局限:高顆粒負荷可能導致堵塞,需搭配預過濾器(如 0.5 微米 PP 膜)。
  • 應用場景
    • 細胞培養與發酵:過濾培養基、緩衝液或發酵用氣體,去除細菌和真菌,保護細胞或微生物培養。LRV ≧ 8 確保無菌環境,適合小規模實驗室或大規模生物反應器。
    • 樣品前處理:用於 HPLC、UPLC 等分析儀器的樣品過濾,確保無菌和無顆粒污染。
    • 注射器過濾器:若 GM500B 為小型濾芯,可用於實驗室注射器過濾,去除 0.2 微米以上的微生物。
  • 優勢
    • LRV ≧ 8 滿足生物技術對高無菌標準的需求。
    • 孔徑為 0.2 微米,可部分攔阻支原體,需考慮是否適合特定細胞培養實驗(如支原體陰性要求)。
  • 局限:對部分病毒與部分支原體無效,需搭配奈米過濾器或紫外線滅菌。
  • 應用場景
    • 生醫製藥產線或實驗室壓縮空氣管路末端:LRV ≧ 8 以及孔徑0.2微米設計適合此應用。
    • 食品飲料產線或實驗室壓縮空氣管路末端:LRV ≧ 8 以及孔徑0.2微米設計適合此應用。
    • 牙醫診所診療設備壓縮空氣管路末端過濾器:LRV ≧ 8 以及孔徑0.2微米設計適合此應用。
  • 局限:高懸浮物負荷需預過濾器,病毒去除需奈米過濾器。

您之前提到手術室應用,以下是 GM500B 在手術室中的具體適用性:

  • 醫療氣體過濾:最適合過濾氧氣、壓縮空氣或麻醉氣體,安裝在氣體管線末端(如氣瓶或中央供氣出口)。LRV ≧ 8 確保氣體無菌,防止術後感染。
  • 局限:對病毒防護有限,需搭配 HEPA(0.3 微米,99.97% 效率)和紫外線(254 nm 或 405 nm)消毒系統,確保手術室 ISO 5/7 標準。

  • 優勢
    • 高效微生物攔阻:LRV ≧ 8 對細菌和真菌的去除率超過 99.999999%,滿足製藥、醫療、食品等行業的無菌要求。
    • PP 材質穩定性:耐化學腐蝕和潮濕,適合多種流體和氣體過濾。
    • 廣泛應用性:適用於氣體、液體過濾,覆蓋多個高潔淨行業。
  • 局限
    • 支原體防護有限:除菌活性 2.1 ~ 5.2(若為支原體 LRV)表示去除率 99.2% 至 99.99937%,無法完全攔阻支原體,需 0.1 微米孔徑或專用濾膜驗證。
    • 病毒防護不足:對病毒(0.19微米以下)無效,需奈米過濾器或紫外線滅菌。
    • 高顆粒負荷:可能導致堵塞,需搭配預過濾器(如 0.5 微米 PP 膜)。

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從瞬間啟動與正常運轉扭矩談空壓機節能省電與穩定可靠程度

討論這個問題之前,我們想要先定義「扭矩」並探討空壓機啟動扭矩與運轉扭矩較高時對空壓機 (系統) 會有哪些影響?首先,所謂的「機械扭矩(Mechanical Torque)」簡單來看指的是是指一個力讓物體繞某一軸心旋轉的能力。我們可以把它想像成「轉動力」或「轉動的力量大小」。更精確的物理定義:扭矩=力×力臂;其中:

單位:牛頓‧米(N·m)

力(F):施加在物體上的力(單位:牛頓 N)

力臂(r):從旋轉中心到施力點的距離(單位:公尺 m)

以我們在日常生活中使用活動板手工作做為例子,我們用板手轉螺絲 → 你手的力 × 板手的長度 = 扭矩;用短的板手轉不動,但換長板手就能輕鬆轉 → 力臂增加,扭矩大。

而事實上,當空壓機的瞬間啟動扭矩正常運轉扭矩都偏高時,會對整體系統的能耗效率運作穩定性造成顯著影響。以下從兩個面向詳細說明:

  • 高扭矩空壓機本身啟動與停機切換會帶來壓力震盪。
  • 在小儲氣桶或控制壓差太小的情況下更明顯。
  • 導致終端設備(如氣動工具、醫療儀器)壓力不穩、性能變差。
  • 高啟動扭矩造成瞬時轉動慣量衝擊,對底座、管線與皮帶張力都造成影響。
  • 長期造成機體鬆動、接頭漏氣、軸承磨損,降低整機穩定性。
  • 長期高扭矩運轉 → 溫升大 → 散熱不良。
  • 溫升會造成:
    • 馬達繞組絕緣老化。
    • 若為有油式空壓機則空壓機潤滑油變質。
    • 壓縮效率下降、反覆循環失控。
  • 因瞬間電流大、熱量高,容易造成:
    • 過載保護器頻繁跳脫。
    • 馬達啟動失敗或延遲。
    • 電箱發熱、斷路器誤動作。
  • 啟動扭矩高 → 馬達每次啟動需輸出大量能量克服初期慣性與壓力負載
  • 伴隨的**啟動電流極高(5~8倍以上)**會造成:
    • 短時間的功率暴衝
    • 產生熱能而非有效機械功
    • 電力浪費、電費尖峰計價(尤其商用三相電)。
  • 高扭矩代表機械負載大,馬達需長期處於高功率輸出狀態:
    • 轉換效率降低(如馬達效率從 90% 降到 75%)。
    • 轉速與負載不匹配時會出現「能耗高但產氣效率低」的現象。
  • 若冷卻與有油式空壓機潤滑不足,更會造成潛在過熱→效率進一步下降。
  • 高啟動/運轉扭矩造成電網負擔加重,導致功因下降。
  • 尤其在無變頻控制下,馬達無法調整輸出功率→浪費明顯。

我們將以科研實驗室常見的3馬力空氣壓縮機作為探討扭矩的範例,並且以科研實驗常見的60Hz 220V電壓的活塞式空壓機 ( 轉速RPM1,440 )與渦卷式空壓機 ( 轉速RPM3,660) 來分析「瞬間啟動扭矩」以及「正常運轉扭矩」的數據與影響。

啟動扭矩 Tstart​取決於馬達功率與轉速, T 牛頓米 = ( 9,550 x 馬達功率 ) / 轉速,其中9,550 是功率與扭矩換算的常數;如果一組馬達帶動兩個活塞汽缸則通常扭矩會再提高10~20%左右。

依據上述計算式所得額定扭矩約為 14.85Nm 左右,Tstart​ 活塞式空壓機無壓直接啟動扭矩通常為額定扭矩的1.6~1.8倍,所以瞬間啟動扭矩約為 24~27Nm瞬間啟動電流約為55~65安培,而雙汽缸活塞式空壓機實際正常運轉的扭矩考慮損耗後約為17~18Nm

依據上述計算式所得額定扭矩約為 14.85Nm 左右,Tstart​ 活塞式空壓機無壓直接啟動扭矩通常為額定扭矩的1.6~1.8倍,所以瞬間啟動扭矩約為 24~27Nm瞬間啟動電流約為55~65安培,而雙汽缸活塞式空壓機實際正常運轉的扭矩考慮損耗後約為17~18Nm

依據上述計算式所得額定扭矩約為 5.94Nm 左右,Tstart​ 渦卷式空壓機無壓直接啟動 ( DOL ) 扭矩通常為額定扭矩的1.5~2.5倍,所以直接啟動模式瞬間啟動扭矩約為 9~15Nm瞬間啟動電流VFD約為20~45安培;變頻啟動 ( VFD ) 扭矩通常為額定扭矩的 0.5~1.0倍,所以變頻啟動模式瞬間啟動扭矩約為 3~6Nm瞬間啟動電流VFD約為13~20安培,而渦卷式空壓機實際正常運轉的扭矩考慮損耗後約為6.6Nm

雙缸活塞式空壓機 24~27Nm

渦卷式空氣壓縮機 3~ 6Nm (VFD變頻啟動)

渦卷式空氣壓縮機 9~15Nm (直接啟動)

雙缸活塞式空壓機 17~18Nm

渦卷式空氣壓縮機 6.6Nm

雙缸活塞式空壓機 55~65安培

渦卷式空氣壓縮機 13~20安培 (VFD變頻啟動)

渦卷式空氣壓縮機 20~45安培 (直接啟動)

雙缸活塞式空壓機 9.3~11.4安培

渦卷式空氣壓縮機 7.5~10.4安培

如果空壓機系統又因為規劃選型不佳,造成空壓機啟停頻繁,那麼即使都是工業級設計的,活塞式空壓機的耐久穩定與使用壽命也可以預期比渦卷式空壓機面對更大的挑戰。

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冷凝水(氣)對空壓機系統設備管道以及終端設備儀器的禍害

水 ( H2O ) 對於許多動物與植物是十分重要的生命要素,在許多日常與高科技洗淨更是發揮極大功能;但是,水 ( H2O ) 與水氣在壓縮空氣中卻是人人欲除之而後快決定能不能是潔淨乾燥壓縮空氣 ( CDA, Clean Dry Air ) 的重要規範參數,因為空壓機系統產生冷凝水會讓潤滑油乳化 ( 如果 貴機構採用有油式空壓機) 、損害電氣控制元件或讓機器設備產生鏽蝕影響精度…等。

台澎金馬屬於海島型氣候,尤其在台灣本島冬天的時候相對濕度約在70%左右,夏天的相對濕度則會更高而落在70%~85%區間。雖然空氣本身可以被壓縮,但是顯形水或隱形水氣是無法被壓縮的,所以當空氣壓縮機開始運轉吸入大氣將空氣壓縮至一定錶壓力的時候,空氣的水氣會有許多因為過飽和 ( 超過相對濕度100% ) 而由隱形水氣變成顯形冷凝水 ( 請參考下列示意圖當大氣被壓縮到8 bar時 )。

大氣中的水氣被空壓機吸入開始壓縮的過程會開始有機會產生冷凝水,但是隨著空壓機機體壓縮產生的壓縮熱以及腔體壓力冷凝水,腔體內的沸點降低為攝氏80℃上下 ( 視設定的壓力而定 ),即將產生的冷凝水又讓壓縮熱蒸發成為水氣排出。

排到儲氣桶的壓縮空氣因為降溫終於開始產生冷凝水 ( 如果空壓機啟停時間很短而打打停停則冷凝水在機體內就開始產生了,如果是有油式空壓機則機體內就會產生油乳化現象 ) ,再利用乾燥機進行捕捉水氣讓壓縮空氣中的含水量大幅下降。

空壓機系統產生的冷凝水 或 水氣 假設相對濕度都相同的情況下,原則上是一種 「 壓力 與 溫度 」 變化的結果所產生的狀況。

整個空壓機系統產生冷凝水 ( 水氣 ) 高低的源頭在於上圖的左側三個因素,通風好壞影響環境溫度與乾燥程度,鄰近高潮濕環境也無法渴望大氣中的空氣不充滿水氣! 當然環境溫度除了影響能源效率 ( 環境溫度每上升 3℃ 則能源效率會下降 1% ) 也會影響水氣高低。

這個影響包括對終端設備儀器的損壞以及對空壓機系統本身的設備與管路,對於後者的影響主要是:

  1. 縮短使用壽命:空壓系統各零組件長期接觸水氣會加速老化。
  2. 腐蝕與鏽蝕:水氣會腐蝕空壓機內部、儲氣桶、配管與閥件,導致漏氣、降低壽命,甚至造成突發性故障。
  3. 堵塞與積垢:冷凝水容易混合油污與雜質形成污泥,堵塞濾網、調壓閥與噴嘴。

許多機器為防止異物或粉塵入侵,會在關鍵部品設計氣封方式來造成類似負壓病房方式避免異物影響精密儀器或精密部品精度;空氣壓縮後的水氣與冷凝水會造成部品鏽蝕而嚴重影響精密程度。數百萬元與數千萬元的精密儀器設備可能遭受嚴重損害。

精密儀器設備需要氣壓流動的管路通常都有電磁閥或氣壓缸進行作動控制,作動的過程需要透過電磁閥On/Off開關提供或切斷氣源,同時需要有吸磁或者是線圈協同機械元件作動,壓縮空氣中含有冷凝水或水氣將嚴重造成線圈短路燒結以及讓元件部品轉動時的軸承因為劣化的油乳化潤滑油而卡死或故障。

在許多先進國家對於有油式空壓機系統冷凝水排放的油水是有嚴格規範,不得隨意排放,否則會受到國家環保部門的罰款與查驗是否有安裝油水處裡裝置;尤其是有油式空壓機在歐美日…等國必須在排放前做環保處理。例如:日本福原Fukuhara設計開發提供的油水分離器裝置 ( 請參考下圖 )。

如果有細菌需要的食物、酸性環境、溫度、並且經過一段時間、溫度、氧氣與濕度等條件充分之後,細菌與病毒…等微生物會快速孳生並且充滿整個空壓系統管路之中,這個就是科學業界稱的 FAT TOM。所以,我們會瞭解有油式空壓機系統比無油式空壓機系統管路內具有更多的細菌與病毒…等微生物,因為潤滑油成為微生物的食物;無油式空壓機超過攝氏200℃高溫壓縮消滅微生物…。

在半導體、光電產業以及生醫製藥行業,壓縮空氣的潔淨乾燥程度備受關注,甚至有時候會捨棄採用Clean Dry Air (CDA) 而採用成本費用較為高昂的氮氣;主要是這個壓縮空氣需要高潔淨乾燥的規範十分重要,例如:藥錠生產時或者是包裝前使用的壓縮空氣乾燥程度不夠可能會受潮,或者是當下沒有問題而是發生在運輸或者是到達目的地國家的環境溫度較低而讓包裝內的空氣結露而受潮,藥錠就會變質或缺角剝落。

同樣的例子在光學鏡頭封裝過程也是一樣的情況,同樣也是會因為運輸過程或到達全球各地使用會因為環境溫度的變化造成內部鏡頭結露且起霧。

許多科研實驗室為了要減少干擾因子,都會十分在意水氣中的水元素 ( H2O ) 在實驗程序過程中與其他元素起反應而造成實驗失敗或影響實驗結果;甚至還會想辦法減少碳氫化合物的含量,讓實驗結果更精準。

其實好好處理空壓機系統中冷凝水 (氣) 的解決方案我們在本篇分享一開始就已經提到了,市面上有許多解決方案的產品與系統可以解決這類需要;但是回歸源頭,最終還是要一開始就好好安排空壓機房的環境條件,讓環境中的水氣含量較低,然後在系統過程中應對科研實驗室或科技廠房末端要求的壓縮空氣品質!

空壓機系統吸入大氣裡的空氣的同時也吸入了大氣裡的微生物,如果壓縮空氣管路中的水氣存在且其他條件滿足時,細菌與病毒…等微生物就會在管路中大量孳生,因此適當的在系統管路中布局過濾裝置是一種必要的作法。

特別是在生醫製藥實驗室,未來服務工業 GoUseAir Service 服務套裝組合為滿足符合「無菌壓縮空氣」的規範要求,未來服務工業除了下列的長期租用套裝組合服務還會增加提供一組全球業界第一家上市推出的「日本福原Fukuhara除菌過濾器」(除菌效果日本政府驗證LRV>8;除菌活性2.1~5.2)。

一馬力內置乾燥機套裝組合(單相110V)
SLP07EED + 50L不鏽鋼工檢桶 + 精密過濾器。

三馬力內置乾燥機套裝組合(三相220V)
SLP22EFD + 88L不鏽鋼工檢桶 + 精密過濾器。

五馬力內置乾燥機套裝組合(三相220V)
SLP37EFD + 155L不鏽鋼工檢桶 + 精密過濾器。

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GoUseAir Service:岩田實驗室空壓站套裝服務方案

一般標準型式的空壓機系統是由 「空壓機 + 空氣桶 + 乾燥機 + 過濾器…等組合」 所構成 (請參考下面示意圖) 。

考量空壓機系統若採用分散式供氣系統 ( 關於 中央集中式供氣系統 與 分散式供氣系統 的優缺點與考量重點可以參考本網站早期文獻 ) 或者是空間極為有限的情境,日本岩田無油渦卷式空壓機與靜音型往復式空壓機則推出 「 無油式空壓站 Air Hub 」 系列產品:空壓機內置乾燥機、內置空氣桶以及過濾排水裝置,大大節省佔地空間;五馬力 (含) 以下並可選配安裝腳輪,方便彈性移動使用。

科研實驗室採用的高精密儀器設備越來越普遍,對於潔淨乾燥壓縮空氣的需求負荷越來越重。關鍵的四項選擇重點在於「空間節省」、「潔淨乾燥」、「工業級耐久運轉供氣」以及「靜音運轉」。未來服務工業 GoUseAir Service 長期租用服務新增內置乾燥機機型。

一馬力內置乾燥機套裝組合(單相110V)
SLP07EED + 50L不鏽鋼工檢桶 + 精密過濾器。

三馬力內置乾燥機套裝組合(三相220V)
SLP22EFD + 88L不鏽鋼工檢桶 + 精密過濾器。

五馬力內置乾燥機套裝組合(三相220V)
SLP37EFD + 155L不鏽鋼工檢桶 + 精密過濾器。

生醫製藥實驗室 GoUseAir Service 服務套裝組合為滿足符合「無菌壓縮空氣」的規範要求,未來服務工業則會增加提供一組全球業界第一家上市推出的「日本福原Fukuhara除菌過濾器」(除菌效果日本政府驗證LRV>8;除菌活性2.1~5.2)。

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GoUseAir Service, 鬆綁預算對使用優質無油式空壓機系統的限制

日本岩田無油式空壓機 (特別是無油渦卷式空壓機與靜音型無油往復式空壓機) 廣受日本科研實驗室客戶信賴採用,尤其是內置冷凍式乾燥機的無油渦卷式空壓站更是最暢銷機種,在台灣也有越來越多的實驗室客戶因為其他工業行業客戶的引薦而逐漸採用;能夠如此受到青睞擔綱單機獨立供氣系統或中央供氣系統的主要原因包括:

  1. 多數實驗室採用1~5馬力機型,日本岩田無油渦卷式空壓機運轉噪音範圍為 41~49 分貝 (實驗室空壓機運轉噪音要求規範建議應該小於 55dB(A) )。
  2. 如果客戶採用1~5馬力內置乾燥機機種,則再搭配30~155L不銹鋼空氣桶,占地面積 則約0.5M2~0.6M2
  3. 日本岩田無油渦卷式空壓機上市超過35年,是全球第一家商轉上市的品牌,也是全球銷售量第一名的品牌。

許多客戶是「傾向使用品質較好的產品甚於較便宜的產品 」的,只是往往受限於機構或公司資源有限以及年度編列的預算限制,最後不得已採用自己也認為不是優質但是價格便宜的科研實驗室空壓機產品。有些甚至僅運轉使用一年多就悄然離世的空壓機,或者使用年份不超過2年就經常發生故障且維修的費用動輒是一整台空壓機新機的三成或四成的費用,但是由於受限於預算仍舊得修理繼續忍受。

最令在科研實驗室內執行任務的教授、科學家與研發工程師們詬病的是「運轉噪音 」,不僅影響到進行科學研究成員的專注力,甚至造成同樓層或上下樓層鄰居機構的申訴抗議,不得已只能用紙箱或者請人製作木相關在裡面 (因為會造成散熱不良更加深影響空壓機穩定性與可靠度)。

科研實驗室的科學家與研發工程師們通常有行政幕僚協助處理與科學研究較不相干的日常事務,但是通常也會需要協同處理儀器設備相關的事情,而空壓機系統與氣體產生氣系統就屬於與科研實驗室執行任務內容不像科學儀器如此直接,而且是成員們非專業項目,有問題總是很困擾,尤其是處理設備採購與機器維修保養的事務。

空壓機系統使用者實際上很難認知到他們需要的是「符合實驗室需要的壓縮空氣產生的效用 」,而不是「空壓機設備或乾燥過濾設備裝置 」;機器設備運轉就會產生磨耗,就需要維護保養更換耗材,隨著機器設備使用年份會越來越需要投入維修保養精神與經費,更需要承擔非預期故障的風險或情境。

科研實驗室要的是能夠發揮實驗過程效用所需要符合品質要求的壓縮空氣,絕對不是空壓機本身;任何無法發揮效果的投入絕對都是高成本;浪費高端人才處理實驗室本身科學研究非專業且非核心的事務更是無限浪費。

科研實驗室可以考慮鬆綁上述困擾或挑戰的方案,未來服務工業 GoUseAir Service 提供科研實驗室無憂無慮無負擔的 Clean Dry Air & Gas 系統 (CDA&G) 服務方案;相對應的同時,未來服務工業 GoOneAir Solution 完整解決方案,我們想要讓科研實驗室的各位 「安心輕鬆地使用好的產品與系統服務 」。

易租服務方案是提供科研實驗室的非經常性科學研究項目所提出的服務,許多時候實驗室並不需要一直使用Clean Dry Air,這樣的研究專案可能由數週至數個月不等,但是往往使用不會超過一年,珍惜得之不易的研究資源與資金,我們提供EasyRentAir Program讓實驗室客戶最低實驗干擾的高品質壓縮空氣!

需要的時候由我們的專業技術業務人員了解需求狀況,並由技術服務工程師去勘查現場確保水氣電、空間與通風需求的介面並需求的備料,使用期間定期前往巡迴檢查服務;專案使用完畢則快速拆除復原場所。

科研實驗室取得資金來之不易,因此資金應用方面會依據優先順序排序,甚至即使有較充沛的資金仍舊考量未來發展而聘用核心專業人員,更希望將非核心科學儀器或設備項目類似委外管理或者是類似物業管理模式。

未來服務工業 GoUseAir Service 服務方案係針對科研實驗室仍舊需要長期使用Clean Dry Air 或 Gas,但是不想一次做資本支出持有支援性Utility設備讓現金流量更好,甚至不想管理與維護保養機器設備而採用類似委外管理的模式,只想使用壓縮空氣或壓縮氣體。

採用 未來服務工業 GoUseAir Service 定期由我們專業的服務工程師執行免費巡迴檢查服務,並且可以採用支付固定租金而不額外支付維修保養費用的使用模式,或者是採取支付年度維護保養耗材的使用模式,並不持有機器設備而於需要的時候要求更換更新型的機器設備。

未來服務工業 遵循 循環台灣經濟 的產品服務化模式,提供客戶使用權取代所有權且提供彈性換機模式…等服務方案,提高科研實驗室營運彈性 (請參考下圖左頁)。

科研實驗室或許沒有預算限制問題,只是不想冒風險而採用租購的模式,租購合約裡可以載明如果發生一些機器設備不穩定或者是故障問題,當約定解約條件成熟時可以要求退回機器設備。

而大多數情況是科研實驗室成員想要使用好的產品系統,但是機構或公司有每年的預算限制,這些年度預算可能可以買到一些種類的空壓機系統設備,但是成員卻不想後面需要處理品質問題或故障毛病問題,如此就可以採用 UtilityBuyOut Program (請參考上圖右頁) 來鬆綁年度預算帶來的限制問題,而不需要屈就於不符合自己較佳選擇的產品系統。

進一步瞭解未來服務工業 GoUse Air Service 與 GoOneAir Solution 的細節? 歡迎到我們的科研實驗室空壓機系統專業網站 http://www.oilfree-compressor.com.tw 逛逛! 或者聯繫我們科研實驗室的專人 黃先生 0937-847981 / simon.huang@nextut-service.com.tw / Line ID : nexen.machinery 諮詢!

生醫製藥廠與新藥研發實驗室壓縮空氣品質的無菌策略

在製藥生產體系中,壓縮空氣作為關鍵Utility Engineering Media,其品質標準直接關聯藥品安全性和製程合規性,當然下列的空壓機系統無菌策略同樣適用於半導體實驗室或光電研發實驗室。經系統評估,現就相關技術要求說明如下。

根據生醫製藥行業通用規範,直接接觸藥品的生產環節(如:配液、分裝、灌封等)所需壓縮空氣須滿足:

  • 固態顆粒 ≤ 0.1μm(ISO 8573-1 Class 1級 潔淨度)。
  • 壓力露點 P.D.P ≤ -40℃ (ISO 8573-1 Class 2級 或 1級 標準)。
  • 含油量 ≤ 0.01mg/m³(ISO 8573-1 Class 1級 標準)。
  • 微生物菌落數 < 5 cfu/m³。

有油空氣壓縮機因採用潤滑油進行機械部件潤滑,存在油分 (特別是油氣 ) 會被帶至管路與現場的風險,難以穩定達到上述潔淨度要求,原則上不適用於直接接觸藥品的生產場景。

上述提到直接接觸是依據BRC & BCAS : 2013 年提出的食品飲料等級壓縮空氣實務指南將壓縮空氣在使用的場合是否會直接接觸以及是否具有的風險高低區分為:

  1. 直接接觸(ISO 8573-1 Class 2.2.1. 級標準)。
  2. 間接接觸但是具有高風險汙染(ISO 8573-1 Class 2.2.1. 級標準)。
  3. 間接接觸但是風險程度低(ISO 8573-1 Class 2.4.2. 級標準)。

實務上,生醫製藥廠或新藥研發實驗室會依據生產或開發的環境製程、區域是否有獨立分開以及人員在各區域之間流動的頻率,會去制訂不同製程區域或作業區域採用不同等級的壓縮空氣品質。例如:健康食品生產廠區或研發實驗室可能會依據 Class 2.4.2. 甚至採用有油式空壓機系統再加裝過濾裝置;而藥品工廠又區分為外用藥膏、食用膠能/藥錠或侵入注射的針劑/疫苗依據藥典或行業規範或技術經驗設定不同等級的壓縮空氣品質規範。

因此,有些像針劑或疫苗工廠或新藥實驗室就會直接在空壓機系統機房全機構採用最高等級要求的壓縮空氣品質,並且在需要更嚴謹的作業區域末端進入區域前安裝確保乾燥的小型低露點吸附式乾燥機或者安裝除菌過濾器。

而空壓機系統機房驗收時會以空壓機系統出口的取樣口為基準點,由第三方公正檢驗機構進行現場檢測,並取樣回其實驗室培養微生物確定動態取樣微生物含量的報告。

許多公司工廠或實驗室認為只要在空壓機系統機房出口安裝除菌過濾器或作業區域末端就可以確保無菌而避免生產過程或研發過程被汙染,而疏忽了其他環節;實際上,除菌是有系統化策略的,做好這幾個層次的除菌環節,也能夠更確保最終得到無菌的成果 ( 請參考下圖空壓機系統除菌策略 )。

FAT TOM 胖湯姆原理」指的是在下列這六種條件俱足的環境下,細菌與病毒會快速貲生,尤其是環境溫度、濕度與通風是否良好,在空壓機系統機房尤其重要,這六個條件是指 F ( Food ):有油式空壓機的潤滑油可以適切地提供細菌與病毒需要的能量、A (Acid):環境或細菌病毒所處物質PH值、T (Time) 經過的時間長短、T (Temperature):環境溫度介於5℃ ~ 60℃是細菌與病毒最容易孳生的溫度、O (Oxygen):含氧量高低、M (Moisture):活水性或稱相對濕度在85%~100%是細菌與病毒最容易孳生的。我們針對避免受FAT TOM原理中要素影響空壓機系統吸入空氣中含菌量的措施簡要說明:

  1. 環境通風環境溫度越高則空氣中的相對濕度越高,通常我們會依據空壓機與發熱設備的發熱量焦耳多寡,設計新鮮空氣入口與熱空氣排出,可以適切地降低環境相對濕度與空壓機排放的熱氣提高機房環境溫度。須留意一個迷思:就算讓空壓機吹空調但是沒有通風,空壓機系統設備使用壽命與穩定性仍舊會受到不利影響。
  2. 環境溫度:環境溫度最好控制在35℃以下,環境溫度越高則空氣中的相對濕度越高,除了影響機器使用壽命與耗材壽命,更重要的是會影響環境相對濕度。
  3. 環境濕度:這項是細菌與病毒滋生最重要的影響因素,應盡量將空壓機系統設備放置在相對乾燥且通風的環境。

環境中大氣的細菌或病毒含量經過空壓機壓縮之後,單位壓縮空氣中細菌與病毒的含量會因為操作壓力被壓縮升壓程度上升6~8倍數量,也是一項需要特別留意的現象。

由於有油式空壓機不論是往復式、渦卷式或螺旋式空壓機都不是我們認為適合應用在生醫製藥廠或新藥研發實驗室的方案,因此我們僅針對無油式空壓機來探討。

乾式壓縮機區分為往復式、渦卷式以及螺旋式空壓機,壓縮過程壓縮熱會高達150℃ ~ 250℃,其中無油渦卷式空壓機壓縮腔溫度約220℃~250℃ (請參考下列無油渦卷式使用手冊),基本上是空壓機系統中的第一次最有效的高溫殺菌歷程。

水潤滑螺旋式空壓機十分強調等溫壓縮,大氣在機體腔體內被壓縮過程的溫度約攝氏45℃,整個過程正式處在FAT TOM原理中適合細菌滋生的溫度5℃ ~ 60℃中最容易滋生細菌病毒的中間帶溫度。

空氣桶與管路材質通常會採用不銹鋼材質,不銹鋼空氣桶內部也會進行需要的內拋光規格 (有些會要求內拋光) ,主要原因是表面越光滑越能避免細菌或病毒附著或產生生物膜,因此有些疫苗廠也會要求針對管路銲接的工法與銲接部位內視鏡檢查銲道,當然不銹鋼管進行禁油處理也是常見的規範要求。另外,如前面FAT TOM原理提到的相對濕度與水氣達到一定程度會產生讓微生物容易滋生的環境,因此空壓機、空氣桶、乾燥機與管路的冷凝水排放設計也十分重要!

環境中的除了相對濕度所隱含的水氣,因為工廠或汽機車排放的各種物質的粉塵顆粒與油氣都會存在空壓機吸入的大氣中,即使是無油式空壓機沒有潤滑油 (氣) 份,還是需要攔阻大氣中的粉塵顆粒與油份。

因此有必要依據生醫製藥廠製程或新藥研發實驗室需求,設計需要的管路過濾器、精密過濾器或活性碳過濾器,當然有必要時末端也會依據認證或者是實際需要安裝末端過濾器。

過濾器的品牌與種類相當多,我們會考慮的是處理效率能力、壓力損失、耐久程度以及是否具有國際確效認證;如果沒有國際確效認證則會依據工廠或實驗室品質需要一定期間進行確效檢測。

一般針對壓縮空氣乾燥除水處裡會採用四類裝置與機器:

  1. 氣水分離器 (或稱 水滴過濾器):通常安裝在空壓機出口或者進入乾燥機之前,主要是透過旋風分離的方式怯除顯形的冷凝水,多數宣稱的除水效率99% (CKD或SMC宣稱),部分會宣稱99.999% 甚至說可以替代冷凍式乾燥機而號稱是不耗電乾燥機 (這種說法是很有問題的)。
  2. 冷凍式乾燥機:這是利用空調冷媒壓縮機系統的壓縮、冷凝、膨脹以及蒸發過程進行熱交換循環讓壓縮空氣中的水 (氣) 份因為溫度下降被凝結下來排出系統外部 (從自動排水器排出);通常受環境溫度與入氣溫度影響效率,當然不同品牌的效率能力也有很大的差異 (部分中國或台灣品牌會偷多數客戶空壓機運轉負載多落在 50~75% 而以標稱的 80% 基礎設計乾燥機) 以及乾燥機選型影響出口壓縮空氣的壓力露點 (P.D.P),正常而言P.D.P會落在 3℃ ~ 15℃之間。
  3. 膜管式乾燥器 (中空絲膜乾燥器) :這是利用膜管分離不同分子的原理將水 (氣) 分子攔阻下來的方式 ,正常而言P.D.P會落在 5℃ ~ -20℃之間。曾經看過部分客戶利用膜管式乾燥器想要達到P.D.P. -40℃ (或者是大氣露點-65℃,雖然放大數倍處理量的規格或許可以達成,但是Purge掉的壓縮空氣極高甚至達到60~70%,並且造成露點與供氣流量壓力不穩定)。
  4. 吸附式乾燥機:此類乾燥機通常採用PSA技術,利用化學分子篩或氧化鋁… 材料等吸附水氣,透過再生程序將吸飽水氣的桶槽內化學分子篩或氧化鋁乾燥;有無熱式、外加熱式、熱回收式的機型,大型機型如果加裝露點節能對於降低不必要的再生吹洩風量節省有很大的效益,正常而言壓力露點P.D.P常見的落在 -25℃ ~ -70℃之間。

除菌過濾器通常安裝位置會是在空壓機系統機房出口的位置,其後則會設計壓縮空氣動態取樣檢測口;而許多場域也會在進入要求嚴苛無菌壓縮空氣的製程機器設備或科學儀器前安裝末端除菌過濾器。

除菌過濾器除了耐受操作壓力與處理流量的規格外,最重要的參數式除菌能力,重要指標包括:

  1. LRV (Log Reduction Value):也就是從一次側進入的微生物數量經過除菌過濾器處理攔阻之後有多少微生物會在二次側被偵測到;例如:開發出世界第一款除菌過濾器的福原 (FUKUHARA) 除菌過濾器 LRV ≧ 8 表示一次側有 108的微生物數量進入後只有1個或0個的微生物會被偵測到,除菌能力達99.999999%。
  2. 抗菌活性值:依據日本JIS標準抗菌活性值必須大於2.0,福原FUKUHARA除菌過濾器經取樣檢測抗菌活性值落在2.1~5.2之間。

未來服務工業(股)公司正式取得「日本福原株式會社」 除菌過濾產品系列台灣代理權,Fukuhara是全球抗菌空氣過濾器是業界首款上市的產品,該公司於1986年推出了業界首款抗菌過濾器,未來服務工業因此完善了GoOneAir Solution的拼圖。

我們針對想要專注的目標行業應用,一直存在著「 Oil Free, Germ Free, Trouble Free 」 這樣空壓機系統的深層概念;因為:

  1. Oil Free (無油):系統少了潤滑油系統,可以減少機器與系統的複雜保養、影響機器考靠度以及油水排放的環保問題;所以 Oil Free 可以更接近 Trouble Free。
  2. Germ Free (無菌):空壓機系統中的壓縮空氣作好各層次的無菌策略 (請參考下圖),最重點是可以避免藥廠製程汙染或實驗室操作過程實驗數據扭曲,並且增強科學家與研發工程師的健康防護;所以 Germ Free 可以更接近 Trouble Free。
  3. Trouble Free (無困擾):Oil Free 以及 Germ Free 無油無菌能夠減少昂貴精密診療儀器與裝置的故障維修費用、提高儀器設備裝置妥善率、並且避免因為可能的汙染影響品質;所以 Oil Free, Germ Free 以達成 Trouble Free。

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空壓機系統冷凝水產生的原因有哪些?冷凝水排放措施有哪些?

大氣被吸入空壓機系統因為空氣被壓縮,但是水氣中的水分子無法被壓縮,因此在壓縮空氣在經過壓縮過程就會讓水氣過飽和由氣態變成液態變成顯形的冷凝水 (請參考下圖)。

空壓機系統管路中如果存在冷凝水可能會產生下列危害:

  1. 如果是再有油式空壓機系統中有冷凝水,可能會造成需要潤滑油的電磁閥、氣動閥、氣壓缸或者CNC主軸氣封產生劣質化的油乳化現象,造成機器設備故障(如上方油乳化的油水排放)。
  2. 空氣中含有水氣在一定溫度下則讓細菌病毒更容易孳生,造成食品或藥物汙染,藥錠部分水解崩塊…等製程品質或運輸保存品質的不利影響;甚或在醫療或手術過程中,增加病患感染的機率而產生不利風險。
  3. 許多國際化企業的產品行銷至全球各地,產品必須經過封裝過程,如果水氣過高則可能再一些地方造成產品瑕疵或嚴重品質問題;例如:半導體晶片造成短路、監控鏡頭產生水氣影響影像顯示、瓦斯表顯示數據產生水霧看不清楚…。
  4. 其他:影響實驗過程的結果、造成三維列印品質不良、或其他如影響儀錶控制精準度…。

空壓機系統中的冷凝水主要來自於壓縮空氣中的水分凝結,其產生的主要原因包括:

  1. 空氣中的水蒸氣含量
    • 環境空氣中含有水蒸氣,當空氣被壓縮時,相對濕度上升,超過飽和點時,多餘的水蒸氣會凝結成液態水。
    • 濕度高的環境(如台灣夏季)會導致冷凝水產生量增加。
  2. 壓縮過程中的溫度變化
    • 空壓機壓縮空氣時會產生高溫,壓縮後的空氣冷卻時,水蒸氣因溫度下降而凝結成水。
  3. 冷卻系統的影響
    • 若使用**後冷卻器(Aftercooler)**降低空氣溫度,會促使更多水氣凝結成冷凝水。
  4. 儲氣桶的冷卻作用
    • 儲氣桶(儲氣罐)在壓縮空氣儲存時,因與環境溫差產生冷卻效應,也會使水氣凝結成液態水。

冷凝水若未有效排放,會影響空氣品質,造成管路腐蝕、設備損壞,因此需採取以下措施:

  1. 使用自動排水器(Auto Drain
    • 浮球式自動排水器:利用浮球機制排出冷凝水,適合儲氣桶與過濾器使用。
    • 電子定時排水器:可設定定時開啟排放冷凝水,適合用於空壓機、儲氣桶、冷凍式乾燥機。
    • 無損失排水器(Zero Loss Drain:偵測冷凝水水位並自動排放,避免壓縮空氣損失,適合高效率空壓系統。
  2. 設置冷凝水收集與分離裝置
    • 冷凝水分離器:透過旋風分離、過濾等方式去除冷凝水,防止水分進入空壓管路。
    • 油水分離器(Oil-Water Separator:過濾冷凝水中的油污,確保排放達到環保標準。
  3. 使用乾燥機降低冷凝水產生量
    • 冷凍式乾燥機(Refrigerated Dryer:將壓縮空氣冷卻至 3°C~5°C,使水氣凝結成水滴排出。
    • 吸附式乾燥機(Desiccant Dryer:利用吸附劑(如活性氧化鋁或矽膠)吸收空氣中的水分,適合需要低露點(-40°C 以下)應用。
  4. 定期檢查與手動排水
    • 定期檢查儲氣桶、管路、過濾器、乾燥機等排水裝置,確保排水功能正常。
    • 若系統中未安裝自動排水器,需安排人員手動排水,避免水分積累。

電子式自動排水器實際照片範例

空壓機吸入周邊環境的大氣,然後經過壓縮之後會產生冷凝水,因此如果能夠從環境著手則可以從源頭減少冷凝水量:

  1. 避免空壓機放置的位置在高度潮濕的環境中,例如:許多從事布料染整的工廠將空壓機房放置在布料進入然染料水槽附近,除了增加吸入大氣高潮濕水氣的空氣之外,也讓機器設備受到化學染劑腐蝕的不利情況。
  2. 規劃有利通風的新鮮空氣入口與熱空氣排放出口,必要時設計排風扇或導風罩,通風的環境能夠降低環境空氣中的水氣。
  3. 避免將空壓機系統設備放置在環境溫度高的地方,因為環境溫度越高則相對濕度越高,並且容易增加壓縮熱的產生造成溫度過高機器跳脫或壽命縮短。

選擇適當的空壓機與乾燥機設備

  • 使用冷凍式乾燥機(Refrigerated Dryer
    • 冷卻壓縮空氣至 3~5°C,使水氣凝結後排出,可有效降低管路內的冷凝水。
    • 推薦品牌:日本 ORION 冷凍式乾燥機,具備高效能除水能力、節能設計與靜音運行。
  • 使用吸附式乾燥機(Desiccant Dryer(適用於超低露點應用)
    • 若應用需要極低露點(如 -40°C 以下),可使用 吸附式乾燥機 吸收壓縮空氣中的水分,進一步減少冷凝水。

設置合適的冷凝水分離與排放裝置

  • 加裝高效水氣分離器
    • 儲氣桶出口主要管路安裝旋風分離器(Cyclone Separator,透過離心力去除水滴,減少水氣進入後端設備。
  • 使用高效自動排水器(Auto Drain
    • 安裝 浮球式排水器、電子定時排水器或無損失排水器(Zero Loss Drain,確保冷凝水能及時排出,而不浪費壓縮空氣。
  • 定期檢查與維護排水裝置
    • 確保儲氣桶、管路低點及過濾器的排水閥保持通暢,防止冷凝水積聚。

優化儲氣桶與管路設計

  • 使用適當容量的儲氣桶(Air Receiver Tank
    • 足夠大的儲氣桶能降低壓縮空氣溫度,使水氣更容易凝結排出,減少後端管路內的冷凝水。
    • 建議儲氣桶設有排水閥,並定期手動或自動排水。
  • 優化管路設計,避免冷凝水滯留
    • 避免長距離水平管路,因為水氣容易在管壁內部累積,造成水擊或管路腐蝕。
    • 管路應設置適當的坡度(約 1-2%,並在低點處安裝排水閥,以便冷凝水流向排水點。

維護與定期檢查

  • 定期檢查與清潔過濾器、冷卻器與排水系統
    • 確保空壓機進氣過濾器、冷卻器、乾燥機、排水閥等運行正常,避免冷凝水堆積導致設備損壞。
  • 監測壓縮空氣露點(Dew Point Monitoring
    • 透過露點監測儀(Dew Point Sensor)監測空氣中的水氣含量,確保乾燥機與排水系統運行正常,及早發現異常。
    • 如果對於水氣要求雖然較高但式僅需要控制在500 ~ 5,000ppm以內或者說是10 ~ 80mg/m3,則可以選用簡易的水蒸氣檢知器 (歡迎洽詢 日本Fukuhara台灣代理 未來服務工業 02-29002797)。

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