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關于國產化生物安全四級實驗室設計與建造的研究

2019/3/29 14:53:29 作者:空氣過濾器 來源:

生物安全是指國家有效應對生物因子及相關因素的威脅,維護自身安全與利益的狀態和能力,主要涵蓋防控人與動物、植物等新發、突發傳染病疫情,防范生物恐怖襲擊、防御生物武器攻擊、防止生物技術謬用、防控外來入侵生物威脅、保障實驗室生物安全、保護特殊生物資源安全等多個方面。生物安全實驗室是指通過防護屏障和管理措施,達到生物安全要求的生物實驗室和動物實驗室,按其危害程度逐漸加重的順序共分為四級。四級生物安全實驗室(BSL-4)是最高級別的生物安全實驗室,是指對人體、動植物或環境具有高度危害性,通過氣溶膠途徑傳播或傳播途徑不明,或未知的、高度危險的致病因子,沒有預防和治療措施的微生物開展研究的場所。 

       近年來,全球生物安全問題日益突出,它攸關政權穩定、社會安定、公眾健康、經濟發展和國防建設,是國家安全不可或缺的組成部分。為保證國家生物安全戰略的實施和可持續發展,提高我國生物安全防護水平,以及降低生物恐怖和生物武器的威脅,打破西方國家的技術封鎖,解決我國最高等級病原微生物實驗室關鍵技術設備完全依賴進口、受制于人的問題,開展生物安全實驗室相關設備設施的國產化研究,建設國產化生物安全四級實驗室具有重大的現實意義。 

- 奇幻的探索,正式開始 -

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 | 國內外生物安全四級實驗室現狀

       據不完全統計,世界上已建成的生物安全四級實驗室60座以上,美國從上個世紀60年代就開展了高級別生物安全實驗室的建設,迄今為止已擁有生物安全四級實驗室20座以上,澳大利亞、加拿大、法國、德國、日本、英國等發達國家上個世紀 70~80年代以來也陸續建設了生物安全四級實驗室。在亞洲地區,日本、蒙古、印度尼西亞、印度等國家都建有生物安全四級實驗室,在非洲,加蓬和南非也分別建有1座生物安全四級實驗室。

       世界生物安全四級實驗室分布詳見表1。SARS 病毒肆虐后,國家高度重視高等級生物安全實驗室的建設和發展,2004年經國家發改委批復,經十余年的努力,我國(除臺灣。┮呀ǔ煞鲜澜缧l生組織《生物安全手冊》和《實驗室生物安全通用要求》GB19489-2008要求的生物安全四級實驗室 3 家,分別是中國農業科學院哈爾濱獸醫研究所國家動物疫病防控高級別生物安全實驗室、中國醫學科學院醫學生物學研究所國家昆明高等級生物安全靈長類動物實驗中心和中國科學院武漢國家生物安全四級實驗室。中國農業科學院哈爾濱獸醫研究所國家動物疫病防控高級別生物安全實驗室為我國首個完全自主設計、建設的大動物生物安全實驗室(見圖 1),是目前世界上已建成運行的 4 個大動物生物安全實驗室之一,是我國大動物生物安全實驗室建設的里程碑。該實驗室建筑面積約20000m2,防護區面積約 4000 m2。建有獨立運行的實驗室(BSL-4)和動物實驗室(ABSL-4),獨立運行的實驗室(BSL-3)和動物實驗室(ABSL-3)及解剖室。


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 | 國產化生物安全四級實驗室設計與建造


    中國農業科學院哈爾濱獸醫研究所承擔了科技部“十三五”“生物安全關鍵技術研發”重點專項“國產化高等級病原微生物模式實驗室”典型應用示范項目,項目應用國際生物安全實驗室設計原理和理念進行設計,采用了全部國產化生物安全四級實驗室相關設備進行建設,建成了具有生物安全四級實驗室操作、生物安全管理、設備運行保障管理、相關驗證等培訓、新型設備驗證和檢測等功能的四級模式實驗室綜合技術平臺。生物安全四級模式實驗室主要應用了以下原理: 

(1)建筑隔離原理:獨立建筑,內部采用 3層立體結構和合理的平面布局,實現國產化生物安全四級模式實驗室內部與周圍環境的隔離。 

(2)氣密防護原理:核心區采用不銹鋼板焊接的圍護結構及管線穿墻密封裝置、充氣式氣密門、機械壓緊式氣密門、氣密傳遞窗等氣密防護設備,國產化生物安全四級模式實驗室核心工作間圍護結構的氣密性達到《實驗室生物安全通用要求》GB 19489-2008規定的壓力衰減指標要求。 

(3)空氣負壓隔離原理:國產化生物安全四級模式實驗室核心工作間及其功能間的空氣壓力相對外環境為負壓,通過建立有效的壓力梯度,實現實驗室內空氣的負壓隔離。

(4)空氣高效過濾原理:送風采用單級高效空氣過濾器過濾,排風采用雙級高效空氣過濾器過濾,高效空氣過濾器對 0.3 μm 以上粒徑粒子的過濾效率>99.99%。 

(5)個人防護原理:采用全身正壓生物防護服及其配套的生命支持系統,實現最高級別的人員全身防護。 

(6)消毒滅菌原理:采用雙扉高壓滅菌器、壓力蒸汽污水處理系統、化學淋浴設備、汽化過氧化氫消毒裝置實現全身正壓生物防護服表面、固體和液體廢棄物、實驗室空間的消毒滅菌。 

    中國農業科學院哈爾濱獸醫研究所國產化生物安全四級模式實驗室依據《實驗室生物安全通用要求》GB 19489-2008 和《生物安全實驗室建設技術規范》GB 50346-2011 標準設計,模式實驗室建筑面積約 1000 m2,高度 10m。模式實驗室主體采用鋼結構形式,實驗室一層為設備層,層高3.1m,主要為污水處理間、生命支持系統、配電間、UPS電源設備間、培訓間;二層為實驗室層(層高4.10m,其中實驗室層高 2.8m)(見圖 2),設有 ABSL-4 核心實驗室及輔助房間;三層為設備層,用于敷設管道及布置 BIBO 高效過濾單元、凈化空調機組、排風機組、化學淋浴加藥裝置等(層高2.80m)。國產化生物安全四級模式實驗室平面布局設計滿足《實驗室生物安全通用要求》GB 19489-2008 關于生物安全四級實驗室平面布局的要求(見圖3),由教學區、更衣室、環形走廊、更衣間、淋浴間、防護服更換間、化學淋浴間、核心工作間組成。國產化生物安全四級模式實驗室分別對初級防護屏障設計、通風空調系統設計、消毒滅菌系統設計、自動控制系統設計進行集中整合和優化。 

(1)初級防護屏障設計:利用具有生命支持系統的正壓防護服進行人員防護,利用二級生物安全柜進行病原微生物操作。

(2)通風空調系統設計:采用獨立的全新風直流式通風空調系統,在設備層安裝箱式高效空氣過濾器單元,具備原位對高效空氣過濾器進行消毒滅菌和檢漏的條件,實驗室防護區的送風采用單級高效空氣過濾器過濾,排風采用雙級高效空氣過濾器過濾,室內送風口和排風口的布置符合定向氣流的原則。

(3)消毒滅菌系統設計:采用雙扉壓力蒸汽滅菌器、壓力蒸汽污水處理系統、汽化過氧化氫消毒裝置實現實驗室排放物、空間的徹底消毒滅菌。

(4)自動控制系統設計:采用送風機變頻與文丘里變風量閥門相結合的壓力控制方式,保證實驗室的換氣次數及壓力、壓力梯度的穩定。溫度通過調節表冷器冷動水流量實現調節,濕度通過調節電極加濕器的加濕量來保證實驗室內部濕度恒定。通過工控機和PLC 相結合的方式,實現對實驗室整體系統的自動控制和操作。采用Siemense 的 WINCC 組態軟件編制了用戶界面友好、易于使用和維護的自動監測和控制系統界面,實時監控、記錄和存儲實驗室防護區內有控制要求的參數、關鍵設施設備的運行狀態。根據以上設計,采用 solidworks 軟件構建國產化生物安全四級模式實驗室的建筑結構、平面布局、關鍵生物安全裝備的三維可視化模型,并準確表達建筑結構及其與生物安全裝備間的配合關系,利用三維可視化模型研究實驗室圍護結構氣密防護、通風空調系統、自動控制 系統及水、電、氣綜合保障系統的設計工藝,檢查各系統立體布置及穿線、穿孔和管線交叉、干涉情況,減少設計過程中的錯誤以及提高設計質量。 

       保證實驗室的換氣次數及壓力、壓力梯度的穩定。溫度通過調節表冷器冷動水流量實現調節,濕度通過調節電極加濕器的加濕量來保證實驗室內部濕度恒定。通過工控機和PLC 相結合的方式,實現對實驗室整體系統的自動控制和操作。采用Siemense  WINCC 組態軟件編制了用戶界面友好、易于使用和維護的自動監測和控制系統界面,實時監控、記錄和存儲實驗室防護區內有控制要求的參數、關鍵設施設備的運行狀態。根據以上設計,采用 solidworks 軟件構建國產化生物安全四級模式實驗室的建筑結構、平面布局、關鍵生物安全裝備的三維可視化模型,并準確表達建筑結構及其與生物安全裝備間的配合關系,利用三維可視化模型研究實驗室圍護結構氣密防護、通風空調系統、自動控制 系統及水、電、氣綜合保障系統的設計工藝,檢查各系統立體布置及穿線、穿孔和管線交叉、干涉情況,減少設計過程中的錯誤以及提高設計質量。 

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 | 國產化設備的應用情況

    國產化生物安全四級模式實驗室集成生命支持系統、化學淋浴、生物安全型雙扉高壓滅菌器、 BIBO高效過濾單元、污水處理系統等關鍵國產化生物安全設備,建成1套國產化生物安全四級實驗室系統。 

1BIBO高效過濾單元 國產化生物安全四級模式實驗室采用軍事科學院系統工程研究院衛勤保障技術研究所研發、天津市昌特凈化工程有限公司生產的 BIBO 高效過濾單元(見圖4),送風采用單級高效空氣過濾器過濾,排風采用雙級高效空氣過濾器過濾,高效空氣過濾器對0.3 μm以上粒徑粒子的過濾效率>99.99%,并采用自主研發的線掃描技術,實現過濾器的原位檢漏,確?諝馀欧虐踩。

2)生物安全型雙扉高壓滅菌器、污水處理系統 國產化生物安全四級模式實驗室應用山東新華醫療器械股份有限公司研發生產的生物安全型雙扉高壓滅菌器(見圖6)、污水處理系統(見圖5)改進了蒸汽發生器、穿墻生物密封性能及廢棄蒸汽冷凝、水冷、溫度控制功能,提升微處理器程序控制的穩定性和可靠性。

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 | 結語

      我國首個國產化生物安全四級模式實驗室完全按照《實驗室生物安全通用要求》GB 19489-2008、《生物安全實驗室建設技術規范》GB 50346-2011設計建設,為通過真實生物安全四級環境評價驗證國產防護設備性能,保證實驗數據的真實可信創造了重要的平臺條件。同時生物安全四級模式實驗室將開展生物安全四級實驗室使用、生物安全管理和維護人員培訓工作,成為國家生物安全四級實驗室體系重要的人才培養示范基地,為我國國家高級別生物安全實驗室體系建設發揮指導和借鑒作用。

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