實驗動物設施洗籠機配置調(diào)研及安裝設計

鄭琳琳，舒加樂，徐汪節(jié)，王朝霞

(上海交通大學 實驗動物中心，上海 200240)

實驗動物是生命科學研究的重要支撐之一，隨著我國生命醫(yī)藥行業(yè)的迅速發(fā)展以及我國實驗動物行業(yè)中單體設施飼養(yǎng)規(guī)模的擴大[1]，國內(nèi)各高校、科研院所對實驗動物資源需求日益增加[2]，逐漸形成的實驗動物管理體系體現(xiàn)了管理的規(guī)范化、標準化和法制化，而完善的實驗動物管理體系從實驗動物環(huán)境設施[3]、動物質(zhì)量檢測、人員操作培訓、動物福利方面健全了標準操作程序(standard operation procedure，SOP)[4]，而在清洗配套設施方面也逐漸規(guī)范化和自動化。過去因?qū)嶒瀯游镌O施單體規(guī)模小，人工清洗是飼養(yǎng)籠具主要的清洗方式[5]，但人工清洗存在工作效率低、清洗用水用熱損耗大、清洗質(zhì)量難以保證等諸多問題。隨著新建實驗動物設施規(guī)模日趨增大，日常工作量增加、人員招聘和培訓難、用工成本增加、節(jié)假日值守等問題已嚴重制約了設施的良好運行和發(fā)展[6]，此人工清洗不再是首選方案，洗籠機及自動化清洗流線更加符合大規(guī)模實驗動物設施的需求。就三種洗籠機的適用性及安裝條件進行介紹。

1 三種洗籠機介紹

1.1 柜式洗籠機

適合規(guī)模較小，飼養(yǎng)籠位在5000籠左右的動物設施。因其體積小、能耗少，在現(xiàn)有設施基礎上經(jīng)適當改造水電布排就能滿足其工作要求，見圖1。柜式洗籠機可清洗籠底、籠蓋、食槽，并具備多種清洗模式[7]，吞吐量可達每小時300個小鼠籠盒。本中心為提升硬件配置于2017年購置了3臺柜式洗籠機，安裝時未考慮蒸汽供能，初期使用過程中發(fā)現(xiàn)熱水供應慢，清洗耗時長的問題。但經(jīng)過加裝電熱水器直接供應熱水后可按預期設計工作，該洗籠機實際清洗工作效率可達每小時192 ～ 240個小鼠籠盒或每小時2400個鐵網(wǎng)食槽，大大提高了清洗效率。

圖1 三種洗籠機模式圖Figure 1 Schematic illustration of three types of washers

1.2 步入式洗籠機

適合較大型動物設施。步入式洗籠機的主要特點是強大的兼容性和高效性，可以清洗籠盒、籠蓋、鐵網(wǎng)、水瓶、IVC籠架、大動物籠架等。步入式洗籠機普遍設計吞吐量可達每小時800 ～ 1200個小鼠籠盒。但因其體積大、能耗高，對安置的樓層高度、樓板地坑及承重都有一定的要求，因此在基礎設施建設過程中應預先確定安裝位置[8]。另外該設備一般為整機出廠，若在高樓層安裝需要事先預留出大型設備的安裝通道。

1.3 隧道式洗籠機

適合大型且對自動化清洗有一定需求的動物設施。隧道式洗籠機的主要特點是高效性和連續(xù)性，吞吐量可達每小時800 ～ 1200個籠盒。單臺設備可清洗籠盒、籠蓋、鐵網(wǎng)等。在日本、美國、歐洲的大型實驗動物設施中均已將其對接籠盒自動翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)高度自動化的清洗模式，甚至形成集約式自動清洗中心。整個自動化清洗線主要包括臟區(qū)籠盒自動翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)、墊料傾倒系統(tǒng)、隧道式洗籠機、自動裝填干凈墊料系統(tǒng)及籠盒自動堆疊系統(tǒng)。工作人員只要將臟籠盒裝載到配套的轉(zhuǎn)運車上，然后將其與自送清洗線前端對接好即可離開，經(jīng)洗籠機一系列自動清洗后籠盒會被堆疊到轉(zhuǎn)運車上，然后將籠盒分配到不同屏障區(qū)的高壓滅菌設備處滅菌后，籠盒即可進屏障使用，該過程只需配備1 ～ 2人在始末端進行操作和管理?？纱蟠鬁p少人力的投入，也避免了工作人員因直接接觸動物廢墊料帶來的臭氣、粉塵、微生物等問題，保障了人員福利。

2 新建設施集中清洗設計

2.1 集中清洗模式優(yōu)勢

新建實驗動物房在完成選址和建筑總體設計后[9]，在工藝平面設計上根據(jù)設計的飼養(yǎng)量設計清洗間面積[10]。傳統(tǒng)設計理念每個屏障設施配置清洗間，但隨著設施建設規(guī)模的增加，多層或多設施的不同屏障區(qū)域逐漸形成集約化清洗中心的模式，目前國際上大型實驗動物設施集約化清洗以隧道式洗籠機為基礎[11]，配機器人手臂、平面自動翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)等智能化模塊發(fā)展為高度自動化清洗線[12]，如美國[13]華盛頓大學、加州大學、日本理化研究所[14-16]等均為集中化清洗[17-18]，以美國加州大學圣地亞哥分校為例，該校區(qū)有19個動物房，飼養(yǎng)總量約7萬籠小鼠，若每個動物房配置清洗間，需要19臺步入式洗籠機、10臺隧道式洗籠機，專職清洗人員47人，而采用集中化清洗只需配置2臺步入式洗籠機，3臺隧道式洗籠機，清洗轉(zhuǎn)運人員共16人，相比傳統(tǒng)清洗方案，集中化清洗從設備、能耗、人工等方面均極大減少運行支出，具體見表1。

2.2 布局設計

臟/潔分區(qū)，形成閉環(huán)。集中清洗主要配置設備包括步入式洗籠機、隧道式洗籠機、臟墊料處理系統(tǒng)、干凈墊料處理系統(tǒng)以及全自動翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)，在平面設計階段，根據(jù)規(guī)劃的飼養(yǎng)量配置洗籠機的型號和數(shù)量。在實驗動物設施中，人流、物流、動物流是否合理直接關系到交叉污染風險的大小[19]，可利用洗籠機雙門或隧道設計，臟進潔出單向流線實現(xiàn)清洗間臟/潔分區(qū)，實現(xiàn)籠具單向運輸形成閉環(huán)[20]，見圖2。

表1 加州大學圣地亞哥分校動物房清洗對比

注：a：45 000個籠具的承載能力；b：100 000個籠具的承載能力。

Note.a, Capacity of 45 000 cages.b, Capacity of 100 000 cages.

圖2 集約化清洗中心模式圖Figure 2 Schematic diagram of the central cage wash and sanitation facility

2.3 樓層選擇

方便運輸，基建承重。大型設備體積和質(zhì)量決定安裝的位置承重比一般設備高，步入式洗籠機體積大，底面積小，安裝位置承重要求大于1250 kg/m2(12.25 kN/m2)，有20 cm左右深度的地面下沉要求，工作時噪音可達70 ～ 80 dB以上，并有一定的震動，因此選擇底層能夠減少樓層加大承重造價，減少對動物在噪音和震動上的影響。

2.4 供能要求

合理設計，布排管道。洗籠機屬高能耗設備，為了保證清洗效果，一般采用82℃/55℃的熱水清洗漂洗[21-22]，因此在設計階段需要預留管道空間。大型設施優(yōu)先選擇鍋爐供能，若無配置鍋爐條件，也需要配置蒸汽發(fā)生器供能，可保證短時間開機工作，并可避免工作中水溫[23]不夠等問題而影響清洗效率[24]外供排水、散熱排風、壓縮空氣、檢修空間等管道也需一并預留。

2.5 安裝要求

清洗設備均為大型儀器設備，尤其是全自動清洗線，單臺隧道式洗籠機長度不小于6 m，若加上前后裝載模塊預計達10 m以上，出廠前組裝測試無誤后，然后按模塊拆機運輸?shù)侥康脑O施。一般清洗設備在設施土建完成后進場，與內(nèi)部裝修同步，保證各式管道布排合理[25]。全自動清洗線安裝調(diào)試的難點是整個控制系統(tǒng)的精準性和同步性，自動翻轉(zhuǎn)夾取模塊對不同尺寸的籠盒的精準識別是整個技術關鍵，售后技術支持與服務是設備正常運行的重要保障，因此最好安排相關操作人員全程參與安裝調(diào)試，以便后期使用有專業(yè)人員進行維護。

3 洗籠機配置現(xiàn)狀

3.1 洗籠機配置情況調(diào)研

對國內(nèi)有實驗動物設施[26]的66所單位洗籠機配置情況調(diào)研，總共131臺洗籠機，其中柜式洗籠機55臺，步入式洗籠機58臺，隧道式18臺，如圖3。對配置不同類型洗籠機的單位統(tǒng)計，見圖4，單配置柜式洗籠機的有27家，占總的41%，其中985、211高校、大型企業(yè)單位占比26%，事業(yè)單位、醫(yī)院、研究所、普通高校占比74%；單配置步入式洗籠機的有20家，占總的30%，其中985、211高校、大型企業(yè)單位占比35%，事業(yè)單位、醫(yī)院、研究所、普通高校占比65%；有步入式柜式兩種洗籠機的有7家，985、211高校、大型企業(yè)單位占71%，研究所只有2家，占比29%；有步入式隧道式兩種洗籠機的有5家，企業(yè)占60%，研究所、普通高校為2家，占比40%；三種類型洗籠機均配置的有3家，均為985高校；配置兩種或以上的單位有15家，其中985、211高校、大型企業(yè)單位有11家，占73%。

圖3 不同類型洗籠機占比Figure 3 Proportion of different types of cage washers

圖4 不同類型洗籠機配置Figure 4 Configuration of different types of cage washers

事業(yè)單位、醫(yī)院、研究所、普通高校實驗動物設施規(guī)模較小的單位選擇柜式洗籠機或者步入式洗籠機較多，結合設備的安裝條件及投入，此最為適合。985、211高校，大型企業(yè)等實驗動物設施較大的一般會選擇兩種或三種類型洗籠機的配置方案，以滿足大批量、多種類的實驗動物用具的清洗。但在這12家配置隧道式洗籠機的單位中，目前還沒有一家單位完全實現(xiàn)自動化清洗。

3.2 洗籠機配置建議

根據(jù)調(diào)研分析，以小鼠飼養(yǎng)籠位為例，籠位小于5000籠設施可選擇單柜式洗籠機?；\位大于5000籠小于10 000籠，可選擇步入式洗籠機。籠位大于10 000籠可選擇步入式洗籠機配合隧道式洗籠機，數(shù)量根據(jù)實際情況選擇，隧道式洗籠機優(yōu)先清洗盒底，并配合墊料處理設備，步入式洗籠機優(yōu)先清洗籠架、盒蓋、鐵網(wǎng)、水瓶，可滿足清洗要求。

4 討論與展望

中國實驗動物行業(yè)雖起步較晚，但發(fā)展快，已在法律法規(guī)、行業(yè)標準、科學研究、生產(chǎn)供應、質(zhì)量保障和人才培養(yǎng)等各方面建立了較為完善的管理體系，國家也加大了對實驗動物行業(yè)的投入，在清洗配套設備上也將從傳統(tǒng)的人工清洗到機械化清洗甚至全自動化清洗發(fā)展。而隨著配套設備機械自動化程度越高，對操作人員素質(zhì)的要求必然也會提高，加強相關人員的技能操作培訓、提高理論與實操基礎、建立一支操作熟練、維修有素的設備保障隊伍亦是關鍵之一。相信在不久的將來，實驗動物設施清洗自動化將會是我國實驗動物發(fā)展又一階段性標志。