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一般型、加強型、PCR二級生物安全實驗室的暖通系統設計

一般型、加強型、PCR二級生物安全實驗室的暖通系統設計

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一般型、加強型、PCR二級生物安全實驗室的暖通系統設計

作為生物安全實驗室重要二級屏障的暖通空調系統,主要為實驗室工作人員及周圍提供保護,避免交叉感染。為了達到這個目的,暖通空調系統需要提供新風、控制溫濕度、減少異味。另外,暖通系統的空調、通風和凈化設計還需經運行管理人員、使用人員及生物安全負責人員的審查通過。

一、二級生物安全實驗室
01 空調負荷
一般辦公房間的空調負荷包括圍護結構負荷、新風負荷、照明負荷、辦公設備負荷、人員負荷以及其他負荷等。生物安全實驗室比一般辦公房間的空調負荷要大得多,它需要額外考慮:實驗設備的散熱量與為維持房間風量平衡而補充的新風量。
實驗室相比于一般辦公房間,除辦公設備散熱量外還需額外考慮實驗室工作所用設備如低溫冰箱、高壓滅菌器的高散熱量,這些都會影響實驗室的顯熱負荷;實驗室因為存在局部排風設備如生物安全柜,為了維持實驗室的風量平衡,除人員新風外還要補充新風,需要考慮額外的新風負荷。
02 空調及通風系統
生物安全實驗室的空調及通風系統設置應根據操作對象的危害程度、平面布置、風險評估等情況經技術經濟比較后確定,普通型BSL-2級生物安全實驗室一般可選擇采用全空氣系統、“空氣—水”系統、變冷媒流量多聯機(VRF)系統或者分體空調等多種形式。
在空調通風系統設計時應注意采取有效措施避免實驗室之間以及與其他區域的交叉污染。普通型BSL-2級生物安全實驗室當配置有生物安全柜時應設置機械通風系統:設置內循環型生物安全柜的實驗室應設置全室排風系統;而全排型生物安全柜需設置獨立于建筑物其他公共通風系統的專用風機及管道將其排出。
需要注意的是,全排型生物安全柜的排風并未在有關規范中禁止與所在實驗室的通風系統合并,國外的相關標準中還提供了合并排風的具體做法,美國BMBL標準以及NSF/ANSI-49給出了合并排風的實施方案。
對于TYPE A1/A2 CLASS II生物安全柜,可通過傘形罩或套管(canopy/thimble)將部分排風接至實驗室排風系統,如圖所示。套管或傘形罩的尺寸比生物安全柜的上接口B稍大些(直徑差通常為2.5cm),A、B之間的空隙提供了一個緩沖調節空間保證生物安全柜的排風不受外部排風風變化的影響,即使外部風機停止運行,生物安全柜仍可繼工作?!禬HO實驗室生物安全手冊》要求“實驗室排風系統的排風能力應能滿足房間排風和安全柜排風的要求,套管應可拆卸,或者設計成對安全柜進行操作測試的類型” 。

合并排風套管做法示意圖

對于TYPE B1/B2 CLASS II生物安全柜,則通過硬管嚴密地連接到實驗室排風系統或者針對每一個生物安全柜安裝專用風管與風機。WHO實驗室生物安全手冊要求“建筑排風系統的排風量和排風靜壓必須與生產廠商所指定的要求正好一致,對硬管連接的生物安全柜進行認證時,要比將空氣再循環送回房間或采用套管連接的生物安全柜更費時”。  
03 氣流組織
為了防止有害生物因子無序或逆向擴散,不論是哪種類型的實驗室都應重視室內的氣流組織,生物安全實驗室的氣流組織宜采用上送下排方式,其送風口和排風口的布置應形成向內的定向氣流,從低污染區流向高污染區,避免氣流在房間內形成較大的死角或者渦流,而且務必不能影響生物安全柜的性能表現?!渡锇踩珜嶒炇医ㄖ夹g規范》中明確“在生物安全柜操作面或其他有氣溶膠產生地點的上方附近不應設送風口……氣流組織上送下排時,高效過濾器排風口下邊沿離地面不宜低于 0.1m,且不宜高于0.15m;上邊沿高度不宜超過地面之上0.6m。排風口排風速度不宜大于 1m/s”。
二、加強型醫學二級生物安全實驗室
加強型醫學二級生物安全實驗室的空調通風系統設計首先需滿足普通型二級生物安全實驗室的設置要求。除此外,《醫學二級生物實驗室建筑技術標準》對其排風做了特別要求——“加強型醫學BSL-2實驗室應經高效過濾器過濾后排出”。
加強型BSL-2級生物安全實驗室建議每個實驗單元設置獨立的一套空調通風系統,送新風系統至少需設置初效+中效過濾。排風系統不與其他實驗單元合用,排風機根據需要宜設置備用風機,排風側設置高效過濾器。根據實驗室所使用的生物安全柜的不同類型,即 “全排型生物安全柜”或“內循環型生物安全柜”,可進一步劃分,現以全空氣空調系統為例進行介紹。
1)帶內循環生物安全柜的加強型BSL-2級生物實驗室典型暖通空調系統原理,如圖所示。



帶內循環生物安全柜的加強型BSL-2實驗室暖通空調系統原理 

一般送風側采用定風量閥(文丘里閥或可靠的電動蝶閥)保證風量在風壓波動時保持相對穩定,排風側根據壓力梯度控制要求或余風量通過變風量閥(文丘里或可靠的電動蝶閥)進行調整滿足壓力梯度要求。此外,為了保證實驗室要求的負壓,排風機應與送風機連鎖,排風先于送風開啟,后于送風關閉,維持室內負壓。

2)帶全排型生物安全柜的加強型BSL-2級生物實驗室典型暖通空調系統原理,如圖所示。
帶全排型生物安全柜的加強型BSL-2實驗室暖通空調系統原理
對于帶全排柜的實驗室,一種典型的做法是額外增加一組生物安全柜的專用排風與專用補風,為了防止生物安全柜內的有害生物因子外逸,生物安全柜專用排風機應與專用補風風機連鎖,排風先于補風開啟,后于補風關閉,始終保持負壓。
三、動物生物安全二級實驗室
物生物安全實驗室的生物安全防護原則與防護設施與微生物生物安全實驗室基本相似,但是因為動物生物安全實驗室的操作對象既有微生物又有動物,因此考慮的因素相比微生物生物安全實驗室更加復雜。例如,動物生物安全實驗室的設計要考慮人流、物流與動物流避免交叉污染,動物生物安全實驗室排風不得循環使用等。
由于a類和b1類動物生物安全二級實驗室對潔凈度、換氣次數以及負壓均無特殊要求,本書僅對要求相對較高的b2類動物生物安全二級實驗室的暖通系統設計進行簡要介紹。
01  獨立通風籠盒系統
Individual Ventilated Cages,簡稱IVC,b2類動物生物安全二級實驗室內一般設有獨立通風籠盒系統(IVC)作為一級屏障, IVC的送、排風量取決于籠盒數量、設計通風換氣率等,一般換氣次數在40次/h~70次/h這個范圍內,IVC的排風通常經專用排風機排出室外,不可直接排放至實驗室內。
02 二級屏障
B2類動物生物安全二級實驗室二級屏障的主要技術指標
相比于一般二級生物安全實驗室,b2類動物生物安全二級實驗室的負壓要求更高,而且有明確的潔凈要求。
b2類動物二級生物實驗室的熱濕負荷主要包括:圍護結構的冷熱負荷、新風的熱濕負荷、室內動物的熱濕負荷以及室內照明設備的冷熱負荷。室內動物的熱濕負荷計算可參考《實驗動物設施建筑技術規范》GB50447-2008,該規范給出了15種動物全熱量,但未給出動物的小時散濕量,且全熱量偏大,計算得到的冷熱濕負荷主觀隨意性較大。浙江大學實驗動物中心經過數次調研,最終提供了日常教學與動物實驗監測中統計的數據,如表所示。

動物實驗中心實驗動物發熱量與散濕量指標

b2類動物二級生物實驗室空調系統一般采用全新風直流凈化空調系統,送風側設置初效、中效、高效三級空氣過濾,排風側設置高效過濾。由于要保證主實驗區的負壓,排風機應先于送風機開啟,后于送風機關閉;排風機應設備用風機。
03 凈化通風基本要求
氣流組織形式:
動物生物安全二級實驗室采用頂送下排氣流組織方式。氣流組織應采用控制進入室內空氣流動方向及各區域間空氣流動方向,避免交叉感染。
動物生物安全二級實驗室采用采用全新風通風換氣形式,稀釋及消除空氣中之臭(異)味、微生物、病毒、有害化學及輻射性物質等。
應保證其換氣量及空氣過濾質量。避免實驗室各區域的污染物擴散到其他房間,實驗室內應維持適當負壓。不同的區域皆能滿足其各自需求之不同溫、濕度、潔凈度要求。溫濕度與潔凈度要求:負壓潔凈空氣設計。
動物安樂死工作站應比污染區主實驗室低10Pa。室內噪音及風速必須考慮到實驗動物的感受,并避免使實驗動物感受到不舒適之氣流(建議風速在0.18-0.21m/s范圍內)。
排風處理:動物生物安全二級實驗室臭氣排放應滿足GB14554《惡臭污染物排放標準》要求。
四、PCR實驗室
PCR實驗室,又稱基因擴增實驗室,是專門用來檢驗艾滋病、乙型肝炎、禽疫病等病毒感染性疾病的專用特殊實驗室。PCR是聚合酶鏈式反應(Polymerase Chain Reaction)的簡稱,它是一種分子生物技術,用于放大DNA片段,可看作生物體外的特殊DNA復制。當前,PCR實驗室廣泛應用于醫院及各疾病預防控制中心的疫病檢驗,2010年,衛生部辦公廳制定并發布了《醫療機構臨床基因擴增檢驗實驗室管理辦法》以及《醫療機構臨床基因擴增檢驗實驗室工作導則》(以下簡稱導則)。導則規定了PCR實驗室設計的基本原則,原則上PCR實驗室需設置4個區域:試劑儲存和準備區、標本制備區、擴增區、產物分析區,各個分區具體設備配置如表所示。

PCR實驗室主要設備配置

PCR反應的最大特點就是極高的靈敏性,極其微量的污染就會造成PCR實驗結果的假陽性,因此組合型PCR實驗室設計的核心問題就是避免交叉污染,而組合型PCR實驗室的平面布局模式及各區域的壓力梯度控制成為了解決這一核心問題的關鍵。
根據導則要求,PCR實驗室各個區域無論在空間上還是使用中必須完全獨立,不能有任何空氣的直接相通??諝饬飨蚩砂凑赵噭﹥Υ婧蜏蕚鋮^—標本制備區—擴增區—產物分析區壓力遞減的方式進行,防止各區域空氣的交叉污染。
《疾病預防控制中心建筑技術規范》(以下簡稱規范)對 PCR 實驗室的各項設計參數進行了規范與要求,PCR 實驗室各區域并沒有凈化控制要求,但為了避免交叉感染,通常采用全送全排的直流空調系統,并且需要嚴格控制好送排風的比例,保證各實驗區域的壓力梯度。
組合型PCR實驗室應設置緩沖間,如圖所示。緩沖間在實驗核心區與專用走廊區域形成一道雙向保護屏障,既阻止外部環境的潛在污染物質如氣溶膠等進入實驗核心區,同時控制核心實驗(產物分析)的有害物質滲入環境,對實驗區外部環境及內部試劑均起到了保護作用。

PCR平面布局

組合型PCR實驗室的空調負荷、換氣次數等要求與BSL-2生物安全實驗室原則一致。PCR實驗室的暖通空調系統需設置獨立的一套全新風空調系統,PCR實驗室并無空氣凈化的強制性要求,因此只需要設置初效+中效過濾器即可,不同房間的排風宜設置止回裝置,排風機吸入側設置活性炭等生物凈化裝置。




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