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一般型、加強(qiáng)型、PCR二級生物安全實驗室的暖通系統(tǒng)設(shè)計有什么區(qū)別?

一、二級生物安全實驗室
(一)空調(diào)負(fù)荷

一般辦公房間的空調(diào)負(fù)荷包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷、照明負(fù)荷、辦公設(shè)備負(fù)荷、人員負(fù)荷以及其他負(fù)荷等。生物安全實驗室比一般辦公房間的空調(diào)負(fù)荷要大得多,它需要額外考慮:實驗設(shè)備的散熱量與為維持房間風(fēng)量平衡而補充的新風(fēng)量。

實驗室相比于一般辦公房間,除辦公設(shè)備散熱量外還需額外考慮實驗室工作所用設(shè)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(fù)荷;實驗室因為存在局部排風(fēng)設(shè)備如生物安全柜,為了維持實驗室的風(fēng)量平衡,除人員新風(fēng)外還要補充新風(fēng),需要考慮額外的新風(fēng)負(fù)荷。

(二)空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)

生物安全實驗室的空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置應(yīng)根據(jù)操作對象的危害程度、平面布置、風(fēng)險評估等情況經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(tǒng)、“空氣—水”系統(tǒng)、變冷媒流量多聯(lián)機(jī)(VRF)系統(tǒng)或者分體空調(diào)等多種形式。

在空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)注意采取有效措施避免實驗室之間以及與其他區(qū)域的交叉污染。普通型BSL-2級生物安全實驗室當(dāng)配置有生物安全柜時應(yīng)設(shè)置機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng):設(shè)置內(nèi)循環(huán)型生物安全柜的實驗室應(yīng)設(shè)置全室排風(fēng)系統(tǒng);而全排型生物安全柜需設(shè)置獨立于建筑物其他公共通風(fēng)系統(tǒng)的專用風(fēng)機(jī)及管道將其排出。

需要注意的是,全排型生物安全柜的排風(fēng)并未在有關(guān)規(guī)范中禁止與所在實驗室的通風(fēng)系統(tǒng)合并,國外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中還提供了合并排風(fēng)的具體做法,美國BMBL標(biāo)準(zhǔn)以及NSF/ANSI-49給出了合并排風(fēng)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(fēng)接至實驗室排風(fēng)系統(tǒng),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62.5px),A、B之間的空隙提供了一個緩沖調(diào)節(jié)空間生物安全柜的排風(fēng)不受外部排風(fēng)風(fēng)變化的影響,即使外部風(fēng)機(jī)停止運行,生物安全柜仍可繼工作。《WHO實驗室生物安全手冊》要求“實驗室排風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)能力應(yīng)能滿足房間排風(fēng)和安全柜排風(fēng)的要求,套管應(yīng)可拆卸,或者設(shè)計成對安全柜進(jìn)行操作測試的類型” 。

圖 合并排風(fēng)套管做法示意圖(圖引自NSF/ANSI-49)

對于TYPE B1/B2 CLASS II生物安全柜,則通過硬管嚴(yán)密地連接到實驗室排風(fēng)系統(tǒng)或者針對每一個生物安全柜安裝專用風(fēng)管與風(fēng)機(jī)。WHO實驗室生物安全手冊要求“建筑排風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)量和排風(fēng)靜壓與生產(chǎn)廠商所指定的要求正好一致,對硬管連接的生物安全柜進(jìn)行認(rèn)證時,要比將空氣再循環(huán)送回房間或采用套管連接的生物安全柜更費時”。                                                                                                                  

(三)氣流組織

為了防止有害生物因子無序或逆向擴(kuò)散,不論是哪種類型的實驗室都應(yīng)重視室內(nèi)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(fēng)口和排風(fēng)口的布置應(yīng)形成向內(nèi)的定向氣流,從低污染區(qū)流向高污染區(qū),避免氣流在房間內(nèi)形成較大的死角或者渦流,而且務(wù)必不能影響生物安全柜的性能表現(xiàn)。《生物安全實驗室建筑技術(shù)規(guī)范》中明確“在生物安全柜操作面或其他有氣溶膠產(chǎn)生地點的上方附近不應(yīng)設(shè)送風(fēng)口……氣流組織上送下排時,過濾器排風(fēng)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(fēng)口排風(fēng)速度不宜大于 1m/s”。

二、加強(qiáng)型醫(yī)學(xué)二級生物安全實驗室

加強(qiáng)型醫(yī)學(xué)二級生物安全實驗室的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計首先需滿足普通型二級生物安全實驗室的設(shè)置要求。除此外,《醫(yī)學(xué)二級生物實驗室建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對其排風(fēng)做了特別要求——“加強(qiáng)型醫(yī)學(xué)BSL-2實驗室應(yīng)經(jīng)過濾器過濾后排出”。

加強(qiáng)型BSL-2級生物安全實驗室建議每個實驗單元設(shè)置獨立的一套空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng),送新風(fēng)系統(tǒng)至少需設(shè)置初效+中效過濾。排風(fēng)系統(tǒng)不與其他實驗單元合用,排風(fēng)機(jī)根據(jù)需要宜設(shè)置備用風(fēng)機(jī),排風(fēng)側(cè)設(shè)置過濾器。根據(jù)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(nèi)循環(huán)型生物安全柜”,可進(jìn)一步劃分,現(xiàn)以全空氣空調(diào)系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹。

1)帶內(nèi)循環(huán)生物安全柜的加強(qiáng)型BSL-2級生物實驗室典型暖通空調(diào)系統(tǒng)原理,如圖所示。

圖 帶內(nèi)循環(huán)生物安全柜的加強(qiáng)型BSL-2實驗室暖通空調(diào)系統(tǒng)原理

一般送風(fēng)側(cè)采用定風(fēng)量閥(文丘里閥或可靠的電動蝶閥)風(fēng)量在風(fēng)壓波動時保持相對穩(wěn)定,排風(fēng)側(cè)根據(jù)壓力梯度控制要求或余風(fēng)量通過變風(fēng)量閥(文丘里或可靠的電動蝶閥)進(jìn)行調(diào)整滿足壓力梯度要求。此外,為了實驗室要求的負(fù)壓,排風(fēng)機(jī)應(yīng)與送風(fēng)機(jī)連鎖,排風(fēng)先于送風(fēng)開啟,后于送風(fēng)關(guān)閉,維持室內(nèi)負(fù)壓。

2)帶全排型生物安全柜的加強(qiáng)型BSL-2級生物實驗室典型暖通空調(diào)系統(tǒng)原理,如圖 所示。

圖 帶全排型生物安全柜的加強(qiáng)型BSL-2實驗室暖通空調(diào)系統(tǒng)原理(自繪)

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(fēng)與專用補風(fēng),為了防止生物安全柜內(nèi)的有害生物因子外逸,生物安全柜專用排風(fēng)機(jī)應(yīng)與專用補風(fēng)風(fēng)機(jī)連鎖,排風(fēng)先于補風(fēng)開啟,后于補風(fēng)關(guān)閉,始終保持負(fù)壓。

三、動物生物安全二級實驗室

動物生物安全實驗室的生物安全防護(hù)原則與防護(hù)設(shè)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(fù)雜。例如,動物生物安全實驗室的設(shè)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(fēng)不得循環(huán)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(shù)以及負(fù)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(tǒng)設(shè)計進(jìn)行簡要介紹。

(一)獨立通風(fēng)籠盒系統(tǒng)

Individual Ventilated Cages,簡稱IVC,b2類動物生物安全二級實驗室內(nèi)一般設(shè)有獨立通風(fēng)籠盒系統(tǒng)(IVC)作為一級屏障, IVC的送、排風(fēng)量取決于籠盒數(shù)量、設(shè)計通風(fēng)換氣率等,一般換氣次數(shù)在40次/h~70次/h這個范圍內(nèi),IVC的排風(fēng)通常經(jīng)專用排風(fēng)機(jī)排出室外,不可直接排放至實驗室內(nèi)。

(二)二級屏障

表 B2類動物生物安全二級實驗室二級屏障的主要技術(shù)指標(biāo)

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(fù)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(fù)荷主要包括:圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷熱負(fù)荷、新風(fēng)的熱濕負(fù)荷、室內(nèi)動物的熱濕負(fù)荷以及室內(nèi)照明設(shè)備的冷熱負(fù)荷。室內(nèi)動物的熱濕負(fù)荷計算可參考《實驗動物設(shè)施建筑技術(shù)規(guī)范》GB50447-2008,該規(guī)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,計算的冷熱濕負(fù)荷主觀隨意性較大。浙江大學(xué)實驗動物中心經(jīng)過數(shù)次調(diào)研,終提供了日常教學(xué)與動物實驗監(jiān)測中統(tǒng)計的數(shù)據(jù),如表所示。

表 動物實驗中心實驗動物發(fā)熱量與散濕量指標(biāo)

b2類動物二級生物實驗室空調(diào)系統(tǒng)一般采用全新風(fēng)直流凈化空調(diào)系統(tǒng),送風(fēng)側(cè)設(shè)置初效、中效、三級空氣過濾,排風(fēng)側(cè)設(shè)置過濾。由于要主實驗區(qū)的負(fù)壓,排風(fēng)機(jī)應(yīng)先于送風(fēng)機(jī)開啟,后于送風(fēng)機(jī)關(guān)閉;排風(fēng)機(jī)應(yīng)設(shè)備用風(fēng)機(jī)。

(三)凈化通風(fēng)基本要求

氣流組織形式:

動物生物安全二級實驗室采用送下排氣流組織方式。氣流組織應(yīng)采用控制進(jìn)入室內(nèi)空氣流動方向及各區(qū)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(fēng)通風(fēng)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(xué)及輻射性物質(zhì)等。

應(yīng)其換氣量及空氣過濾質(zhì)量。避免實驗室各區(qū)域的污染物擴(kuò)散到其他房間,實驗室內(nèi)應(yīng)維持適當(dāng)負(fù)壓。不同的區(qū)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(fù)壓潔凈空氣設(shè)計。

動物安樂死工作站應(yīng)比污染區(qū)主實驗室低10Pa。室內(nèi)噪音及風(fēng)速考慮到實驗動物的感受,并避免使實驗動物感受到不之氣流(建議風(fēng)速在0.18-0.21m/s范圍內(nèi))。

排風(fēng)處理:動物生物安全二級實驗室臭氣排放應(yīng)滿足GB14554《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求。

(四)PCR實驗室

PCR實驗室,又稱基因擴(kuò)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?zhǔn)椒磻?yīng)(Polymerase Chain Reaction)的簡稱,它是一種分子生物技術(shù),用于放大DNA片段,可看作生物體外的特殊DNA復(fù)制。當(dāng)前,PCR實驗室廣泛應(yīng)用于醫(yī)院及各疾病預(yù)防控制中心的疫病檢驗,2010年,衛(wèi)生部辦公廳制定并發(fā)布了《醫(yī)療機(jī)構(gòu)臨床基因擴(kuò)增檢驗實驗室管理辦法》以及《醫(yī)療機(jī)構(gòu)臨床基因擴(kuò)增檢驗實驗室工作導(dǎo)則》(以下簡稱導(dǎo)則)。導(dǎo)則規(guī)定了PCR實驗室設(shè)計的基本原則,原則上PCR實驗室需設(shè)置4個區(qū)域:試劑儲存和準(zhǔn)備區(qū)、標(biāo)本制備區(qū)、擴(kuò)增區(qū)、產(chǎn)物分析區(qū),各個分區(qū)具體設(shè)備配置如表所示。

表 PCR實驗室主要設(shè)備配置

PCR反應(yīng)的大特點就是高的靈敏性,其微量的污染就會造成PCR實驗結(jié)果的假陽性,因此組合型PCR實驗室設(shè)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(qū)域的壓力梯度控制成為了解決這一核心問題的關(guān)鍵。

根據(jù)導(dǎo)則要求,PCR實驗室各個區(qū)域無論在空間上還是使用中完全獨立,不能有任何空氣的直接相通。空氣流向可按照試劑儲存和準(zhǔn)備區(qū)—標(biāo)本制備區(qū)—擴(kuò)增區(qū)—產(chǎn)物分析區(qū)壓力遞減的方式進(jìn)行,防止各區(qū)域空氣的交叉污染。

《疾病預(yù)防控制中心建筑技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱規(guī)范)對 PCR 實驗室的各項設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了規(guī)范與要求,PCR 實驗室各區(qū)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(diào)系統(tǒng),并且需要嚴(yán)格控制好送排風(fēng)的比例,各實驗區(qū)域的壓力梯度。

組合型PCR實驗室應(yīng)設(shè)置緩沖間,如圖所示。緩沖間在實驗核心區(qū)與專用走廊區(qū)域形成一道雙向保護(hù)屏障,既阻止外部環(huán)境的潛在污染物質(zhì)如氣溶膠等進(jìn)入實驗核心區(qū),同時控制核心實驗(產(chǎn)物分析)的有害物質(zhì)滲入環(huán)境,對實驗區(qū)外部環(huán)境及內(nèi)部試劑均起到了保護(hù)作用。

圖  PCR平面效果圖

組合型PCR實驗室的空調(diào)負(fù)荷、換氣次數(shù)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(diào)系統(tǒng)需設(shè)置獨立的一套全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng),PCR實驗室并無空氣凈化的強(qiáng)制性要求,因此只需要設(shè)置初效+中效過濾器即可,不同房間的排風(fēng)宜設(shè)置止回裝置,排風(fēng)機(jī)吸入側(cè)設(shè)置活性炭等生物凈化裝置。


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