生物安全实验室的安全防护

　   定义和分级适用对象

　　生物安全实验室是通过防护屏障和管理措施,达到生物安全要求的微生物 实验室和动物实验室,包括主实验室及其辅助用房。根据实验室所处理对象 的生物危害程度和采取的防护措施,把实验室生物安全防护水平分为四级 (见表 1),其中一级对生物安全防护要求最低,四级防护水平最高。

      对于从事微生物的实验室以 BSL-1~4 ( bio-safety level , BSL )表示应生物安全防护水平,对于从事包括动物活体操作的实验室以ABSL-1 4 ( animalbiosafety level , ABSL )

　　通常三级及以上级别统称为高级别生物安全实验室。

　　 安全风险

　　生物实验室主要生物危害包括微生物气溶胶的吸入、皮肤黏膜污染、刺伤 割伤、动物咬伤等,还有许多不明原因的实验室相关感染。实验室相关感染 统计分析结果表明,大多数可能是由于病原微生物形成的感染性气溶胶在 空气中扩散,实验室内工作人员吸入污染的空气后感染发病。实验室微生物 气溶胶主要分为飞沫气溶胶和粉尘气溶胶,这2类微生物气溶胶对实验室工 作人员的危害程度取决于微生物本身的毒性、气溶胶浓度、气溶胶粒子大 小以及当时实验室内的微气候条件。实验室气溶胶产生的因素包括:接种、 洗液、注射、离心等实验操作活动,患有呼吸道传染病或皮毛上染有病原微 生物的实验动物散播,外界可繁殖微生物进入实验室。微生物气溶胶在一个实验室内产生后,还可以通过气流转移到同一建筑物的其他地方,甚至污染 整个建筑物的空气。

　　安全防护原理

　　生物安全实验室既要保护实验人员的人身安全,还要避免有害微生物外泄 造成公共环境污染。针对气溶胶的污染控制措施,是暖通专业设计的核心要点,包括屏障隔离、负压梯度环境、定向气流控制、过滤净化、消毒灭菌等技术。

　　建立一二级屏障

　　一级屏障指的是建立被操作对象和操作者之间的隔离, 以防止操作人员被 感染,主要包含使用生物安全柜、实验饲养设备、个人防护装备、生命支持 系统、正压防护服等;二级屏障指的是实验室和外部环境之间的隔离, 以防污 染物外泄到外部环境,例如采用盒中盒式空间布局将实验室与其他公共区 域隔离开,划分清洁区、半污染区和污染区,把感染性材料局限在一个尽可 能小的空间内进行操作。

　　负压梯度环境

　　负压梯度环境指利用空调系统不同排风和送风风量差值形成房间的负压环 境,并保持相邻相通实验室房间以及实验室内外相对的负压梯度,越通往主 实验室负压差值越高,形成空气负压隔离,防止气溶胶的向外扩散。

　　定向气流控制

　　定向气流控制是建立有效气流组织,保证室内气流能够从清洁区向半污染 区、污染区有序流动,严格避免出现气流反向现象,高级别实验室要求全新 风送风排风,不能使用循环回风。

　　过滤净化

过 滤 净 化 是 指 生 物 安 全 实 验 室 内 的 空 气 在 排 入 大 气 之 前 , 必须通过HEPA ( high-efficiencypar-ticulateair )过滤器过滤,将感染性颗粒 有效拦截在滤材上,为防止实验室和操作对象被外界环境所污染,对送风进行过滤以保证实验室内维持适当洁净度。

　　消毒灭菌

　　消毒灭菌包括对实验室空气、表面、仪器物品、废物废水、过滤器等选择 针对性物理化学方法。常用方法包括物理消毒和化学消毒,前者主要采用热 力灭菌、辐射灭菌等方法,后者主要采用过氧化氢、甲醛等化学灭菌剂。

　　 实例分析

　　 平面布局和工艺设备

　　 以生物安全楼的小型动物实验室ABSL-3为例进行分析,该实验 室 以 小 型啮齿类动物实验为主,由主实验室、缓冲间组成污染区, 内走廊(准备间) 二更(更换洁净服简称“ 二更 ”)、淋浴间组成半污染区,一更(更换外衣简 称“ 一更 ”)作为清洁区,如图1所示。实验室的面积和净高以可满足实验工作需要为原则,过大不仅浪 费,而且会增大换气量和能耗,增加气流组织控制难度 。主实验室布置在流线末端,人流、物流通道分开设置,洁净物品 与污染物品通道分开设置。生物安全柜布置在远离实验室门的房间深处,减少开关门和人员走动对气流组织的影响。

　　  平面布局和工艺设备

　　  以生物安全楼的小型动物实验室ABSL-3为例进行分析,该实验室以小型 啮齿类动物实验为主,由主实验室、缓冲间组成污染区, 内走廊(准备间)、 二更(更换洁净服简称“ 二更 ”)、淋浴间组成半污染区,一更(更换外衣简 称“ 一更 ”)作为清洁区,如图 1 所示 。实验室的面积和净高以可满足实验 工作 需要为原则,过大不仅浪费,而且会增 大换 气量和能耗,增加气流组 织 控制难度 。主实验室布置在流线末端,人流、物流通道分开设置,洁净物品 与污染物品通道分开布置。生物安全柜布置在远离实验室门的房间深处,减 少开关门和人员走动对气流组织的影响。

　   主实验室除了配备实验必备仪器设备,还配备有独立负压通风笼具(IVC), 用于动物和实验室环境的隔离饲养,空气经高效过滤器处理后分别送入各 独立笼盒,使饲养环境保持一定压力和洁净度,避免污染动物或动物污染环境,设计时应考虑负压通风笼架的排风和补风。

　    根据生物危害级别配备II级A2型生物安全柜,生物安全柜是直接操作病 原微生物时所用的负压、箱式结构安全通风设备,作用是保护使用者不受操 作时产生的气溶胶暴露和伤害,保护实验室内外环境不受污染,还可以保护 样品不受环境物质污染。II级A2型生物安全柜工作窗口进风气流和一部分工作区气流垂直混合后吸入前排进风格栅,另一部分工作区气流进入后排 进风格栅,经内置风机后进入安全柜上方箱体,约70%空气经送风高效过滤器过滤后重新向下送至工作区,向下气流带走台面形成的气溶胶,约30%空 气经排风高效过滤器过滤后,经排风管道排至室外,安全柜内所有污染部位均为负压。

　   按照工艺要求配置了具有生命支持系统的正压防护服,能够将人体全部封 闭,并形成内部正压微环境,用以隔断实验人员暴露于气溶胶及喷溅物,或 者意外接触等造成的危害,在设计中要考虑正压防护服的排气对室内压力梯度的影响。

      空调系统设计

      室内设计参数

　　实验人员在生物安全实验室工作期间需要穿着多层防护服装和佩戴防护用 具,温湿度设定要满足人员舒适性及实验对象的温湿度工艺要求,尤其夏季 温度不宜过高 ;另外,实验室采用全新风空调能耗较高,而室内温湿度的设 定标准对空调能耗影响显著, 因此应在尽量满足实验操作要求的基础上,适 当降低室内温湿度设计标准,降低实验室空调系统能源消耗。实验室夏季干 球温度设计值为22~24 ℃,其他房 间 为 24~26 ℃,相 对 湿 度 均为50%~60%;冬季大部分房间温设计值为 20~22℃,由于内走廊面大且人员停留时间短,温度设定为18、20℃ ,所有房间相对湿度均为 40%、50% 。根据操作对象和实验工艺的要求,空气洁净度级别为7级,相应的房间换气次数随之确定。

　   压力梯度和定向气流

　　实 验 区 负 压 梯 度 从 更 衣 间 向 主 实 验 室 依 次 增 高 , 梯 度 数 值 指 标 根 据 GB50346-2011《生物安全实验室建筑技术规范》的要求确定,合理的压差能 够保证空气的有序流向,保证气流由清洁区流向半污染区,由半污染区流向 污染区,防止被污染空气发生倒流或外溢,在门打开期间也能够保证有足够 的气流向内流动,把可能带出的污染减小到最低程度。压力梯度的设置满足 工艺要求即可,不宜过高,长期高负压容易造成围护结构接缝松散、密封胶 脱落,破坏围护结构的密封措施,降低实验室的气密性从而导致泄漏,高负 压环境还会影响工作人体的健康。

　　通过实验室送排风 口的布置,确保气流方向:清洁区 → 缓冲区 → 污染区 → 排出方向,单向流动，减少室内回流与涡流。送排风口布置原则:送风 口远离排风口布置,排风口设在室内污染风险最高的区域,如生物安全柜、饲 养笼架、高压灭菌器等设备附近。

　　实验室风口布置如图2所示

　　在设计中应注意,保持负压洁净室的洁净度难度要大于普通正压洁净室。正 压洁净室是通过洁净送风向外扩散排出空气而维持洁净度, 负压洁净室由 于围护结构密闭性不严及门的开关等容易发生非洁净空气向室内渗漏 。对已建成实验室检测发现,从一更就开始设为负压,很容易将外界含尘气溶胶 吸入实验区, 因此设计时将清洁区的一更设置成微正压保护,可以有效防止 实验区外大气尘侵入破坏室内洁净度。

　   实验室风量计算

　　实验室风量的计算依据风量平衡的原则,总排风量=送风量+漏风量。送风量 可根据 GB50346-2011推荐的洁净换气次数要求和实验室通风设备确定,送 风量作为房间风量计算的基准 ;实验室压力梯度决定了排风和送风的差值 即漏风量数值，漏风量一般考虑通过围护结构的缝隙、开关门、开关传递 窗引起的渗入风量。由于漏风量计算过程中采用了多个假设数据,与实验室 实际使用情况、现场施工、材料质量等因素有较大关系,实验室实际漏风量 很难精确确定,总结多个工程实际调试结果,通常实验室排风量与送风量比 值在1.05~1. 10之间可以满足压力梯度要求。

　   负压控制

　　根据 GB50346-2011《生物安全实验室建筑技术规范》 ,高级别生物安全实 验 室应有 能够调节排风或送风 以维持 室 内压力和压差梯度稳定的措施,避 免实验室出现正压和气流反向等严重故障 。引起实验室压力扰动的原因分 为正常运行工况下的扰动和异常故障所引起的扰动2类 。正常工况下要考 虑工作人员进出开关门引起的压力变化、室内实验设备排风启停引起的压 力波动、正压防护服的排风, 以及送排风系统设备的连锁启停顺序等 ;异常 故障主要考虑送排风系统发生故障。房间负压控制采用余风量法,通过余风 量控制和房 间压差再设定的 串级控制维持房间压力稳定,控制 室 内排风与 送风之间的风量差形成动态平衡 。近几年建设的高级别生物安全实验室建 设项目大都采用定送变排的控制模式,即保持送风量恒定,调节实验室排风 量满足余风量要求, 同时根据房间压差监测结果进行房间风量差的再设定: 每当房间气密性或局部排风量发生变化导致维持固定压差所需余风量变化 时,压差控制器根据压差实测值与设定值的偏差,对送排风量进行再设定, 最终使压力达到设定值。由于主实验室排风量较大,而送排风量差值并不大, 为适应精准压力控

　　制需求,常采用排风主风管设置一个较大风量的定风量阀,并联支风管设置 一个较小风量的变风量阀,可实现实验室风量的精确调节,小型动物实验室ABSL-3的空调通风系统原理如图3所示。

　　通过自控系统设定空调通风系统的连锁启停顺序,确保通风系统开关机过 程中不出现正压,在启动实验室空调通风系统时,应先启动排风机、生物安 全柜,后启动送风机 ;关停时,应先关闭生物安全柜等安全隔离装置和排风支管密闭阀,再关闭送风机及密闭阀,最后关闭排风机及密闭阀。送排风机是通风系统的关键设备,为保证正在工作的风机出现故障时室内负压状态不被破坏,确保动物实验室能够长期稳定运行,应设置备用送排风机,并能够自动切换启动,使系统不间断正常运行。