加強型BSL-2 實驗室改造設計研究

袁建欣，孫其勇，張曉東，楊孟瑜，陳 曦

（1.天津市疾病預防控制中心，天津 300011；2.山東省疾病預防控制中心，濟南 250014；3.中發(fā)建筑技術集團有限公司，天津 300392；4.河北工業(yè)大學，天津 300130）

0 引言

新型冠狀病毒感染疫情的突然暴發(fā)給疾控系統(tǒng)帶來許多挑戰(zhàn)，其中之一是病毒檢測的能力遠遠不能滿足需求。將原有的凈化實驗室改造成檢測新型冠狀病毒聚合酶鏈式反應（polymerase chain reaction，PCR）實驗室，是一個快速提高新型冠狀病毒檢測能力的措施。依據(jù)加強型生物安全二級（biosafety level 2，BSL-2）實驗室標準[1-2]，實驗室必須滿足潔凈度、送排風模式及氣流組織、換氣次數(shù)、溫濕度、壓力梯度要求[2-4]。實驗室防止內(nèi)部污染物向外界擴散的基本方式為空氣負壓隔離和機械密封隔離。其中空氣負壓隔離是指實驗室污染區(qū)與清潔區(qū)具有穩(wěn)定的壓力梯度，實現(xiàn)空氣定向流動，從而有效防止污染物向室外環(huán)境擴散。要實現(xiàn)空氣負壓隔離，加強型BSL-2實驗室潔凈空調(diào)系統(tǒng)的設計必須嚴格按照相關標準規(guī)范進行，同時潔凈空調(diào)要按照固定的控制流程運行。本文以某市疾病預防控制中心加強型BSL-2 實驗室改造設計為例，對實驗室分區(qū)、潔凈空調(diào)系統(tǒng)設計中的氣流組織形式、壓力控制方式、系統(tǒng)控制流程等技術要點進行研究。

1 加強型BSL-2 實驗室改造設計

1.1 核心實驗室布局

改造前的實驗室布局如圖1 所示，實驗室面積約663.5 m2，僅有一個PCR 實驗區(qū)（包含樣品處理間、樣本制備間、核酸擴增間和產(chǎn)物分析間）、1 個百級凈化實驗室和2 個千級凈化實驗室。這3 個凈化實驗室均有回風，且沒有負壓要求，因此除PCR 實驗區(qū)的樣本制備間外其他實驗室均不能達到加強型BSL-2 實驗室的要求，且樣本制備間數(shù)量少，嚴重限制了樣本核酸提取能力。根據(jù)現(xiàn)有的建筑以及實驗室的布局，將原有實驗室改建為3 個加強型BSL-2 實驗室，以增加樣本制備能力，如圖2 所示。

圖1 改造前實驗室布局圖

圖2 改造后的加強型BSL-2 實驗室布局圖

根據(jù)加強型BSL-2 實驗室設計原則，將原凈化實驗室改造為3 個BSL-2 實驗室，每個實驗室包括1 個緩沖間（-15 Pa）和1 個BSL-2 核心工作間（-25 Pa）。原有的PCR 實驗區(qū)進行改建，增加了樣本接收間，擴大樣本接受能力，并對標本制備間、擴增間實行負壓控制，各區(qū)域設置了緩沖間[2，5-6]。為防止各功能區(qū)之間空氣互通，拆除了部分實驗室隔斷，進行了加固處理，并使得各實驗區(qū)域的氣密性達到BSL-2 實驗室的要求。

試劑準備間主要完成試劑的配制、分裝和保存等工作，且所有送到該區(qū)的試劑材料不能經(jīng)過其他功能區(qū)域。本區(qū)域根據(jù)功能要求，其氣壓相對于走廊需要保持正壓，實驗臺置于室內(nèi)房門兩側(cè)，中間過道通向緩沖間，保持通風流暢以及逃生通暢。

標本制備間主要完成樣品核酸的提取、樣品的混樣和測試樣品的制備等工作，且所有送到該區(qū)的試劑材料不能經(jīng)過其他功能區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)某些實驗操作可能會產(chǎn)生氣溶膠粒子，為防止氣溶膠擴散，污染外部環(huán)境，其氣壓相對于走廊需要保持負壓；同時為防止相鄰區(qū)域氣溶膠粒子進入污染內(nèi)部環(huán)境，影響實驗樣品，內(nèi)部氣壓相對于擴增區(qū)以及產(chǎn)物分析區(qū)需要保持為正壓。另外，內(nèi)部所需生物安全柜選用B2型，其內(nèi)部所有吸入氣流均經(jīng)高效過濾器過濾后排到室外，可避免標本之間交叉污染，影響測試結(jié)果。

PCR 擴增間主要完成核酸擴增、擴增片段的測定、模板的加入等工作。該區(qū)域壓力為-20 Pa，緩沖間壓力為-10 Pa。

PCR 產(chǎn)物分析間主要承擔核酸產(chǎn)物分析測定工作，實驗過程中可能會用到某些有毒物質(zhì)，所以需要注重人員的安全防護。該區(qū)域壓力為-30 Pa，緩沖間壓力為-20 Pa，是整個實驗區(qū)域負壓最低的區(qū)域，從而保證病毒或有害物質(zhì)不會向外泄露。

1.2 加強型BSL-2 實驗室氣流組織重構(gòu)

本項目的關鍵是將原有實驗室的3 個凈化實驗室改造為可以進行PCR 測試的核心實驗室，由于原有的凈化實驗室無壓差要求且?guī)в幸淮位仫L的中央空調(diào)系統(tǒng)，雖然不能滿足加強型BSL-2 實驗室的要求，但具有一定的改造基礎，比起新建加強型BSL-2實驗室要更加快捷。原實驗室各房間的技術參數(shù)見表1。

表1 原實驗室各房間的技術參數(shù)

加強型BSL-2 實驗室內(nèi)部房間要求全部采用全新風潔凈空調(diào)系統(tǒng)[7-9]，室外新風經(jīng)粗效過濾，再經(jīng)送風機、均流、中效、電加熱、加濕后送入室內(nèi)。送風口應安裝帶有靜壓箱和孔板擴散板的高效過濾器，實驗室排風經(jīng)高效過濾器過濾后直接排出室外，所有高效過濾段應設置在風機的正壓側(cè)。按照加強型BSL-2 實驗室設計規(guī)范，對原有風道進行改造，改造后的實驗室技術參數(shù)見表2。

表2 加強型BSL-2 核心實驗室各房間的技術參數(shù)

根據(jù)以上的實驗室參數(shù)對比，更新了中央空調(diào)機組，增加了排風機組，每個核心實驗室均采用獨立的排風系統(tǒng)。以加強型BSL-2 實驗室的3 個核心工作間為例，新的機組配置如圖3 所示，其中FAU-N-1單元為改造更新的送風單元，EAF-3-01、EAF-3-02、EAF-3-03 為新增獨立排風單元。

圖3 加強型BSL-2 實驗室的中央空調(diào)機組示意圖

為了穩(wěn)定實驗室內(nèi)壓力，進入實驗室的風道均采用定風量控制風閥（control air valve，CAV），而排風風道采用變風量風閥（variable air valve，VAV）控制，室內(nèi)增加了室內(nèi)壓力傳感器（如圖3 中P1～P7 所示）。根據(jù)壓力傳感器的壓力信號，調(diào)節(jié)變風量風閥開度，可對實驗室壓力和關聯(lián)附屬部分的壓力梯度進行調(diào)節(jié)。

加強型BSL-2 實驗室氣流組織設計的核心是防止病毒感染操作人員、污染室外環(huán)境及避免實驗操作產(chǎn)生的氣溶膠粒子污染試劑、樣本，從而影響檢測結(jié)果。通過合理設計氣流組織形式，選擇送、排風口的類型，設置送、排風口的位置，來快速排除室內(nèi)污染空氣。氣流組織按照以下原則設置：（1）氣流組織由進風量和排風量之差決定，當排風量大于進風量時，能夠穩(wěn)定實現(xiàn)氣流從送風口到操作臺或生物安全柜的定向流動，同時進風量與排風量應滿足換氣次數(shù)的要求；（2）合理設置送、排風口的位置，使?jié)崈艨諝庀冉?jīng)過操作人員，再流向污染區(qū)，保護操作人員的人身安全；（3）加強型BSL-2 實驗室設有緩沖間，緩沖間的氣密門和核心工作間的氣密門形成互鎖，當氣密門開啟時，在壓力梯度作用下氣流方向從走廊（-10 Pa）流向緩沖間（-15 Pa）或從緩沖間（-15 Pa）流向核心工作間（-25 Pa），保障在開門時氣流不會從核心工作間流向緩沖間或者從緩沖間流向走廊。

根據(jù)以上原則，本加強型BSL-2 核心實驗室及其附屬實驗室所有功能區(qū)房間通風均采用全新風潔凈空調(diào)系統(tǒng)以及上送風、側(cè)下排的氣流組織形式。根據(jù)房間面積設置送排、風口數(shù)量，確保定向氣流經(jīng)過實驗室內(nèi)絕大部分區(qū)域，并且嚴格控制上送風口、側(cè)下排風口的高度和位置，上送風口上邊高度應距地面2.4 m，側(cè)下排風口下邊與地面距離為0.85 m。送風口應置于各核心工作間操作臺上方，排風口置于操作臺一側(cè)墻面，使操作人員處于氣流組織的主體氣流內(nèi)。標本制備間內(nèi)部設置有生物安全柜，為防止送風口影響生物安全柜氣流（如通風櫥開啟時），造成對生物安全柜的氣流干擾，所有送風口應遠離生物安全柜，而其中一個排風口應布置在生物安全柜附近。

1.3 加強型BSL-2 實驗室壓力及壓力梯度控制

加強型BSL-2 及以上級別生物安全實驗室的壓力及壓力梯度控制方法是實驗室建設的關鍵技術之一[9-12]。應用自動控制的負反饋原理，在進風量恒定時，此時進風量CAV 開度決定了房間的換氣次數(shù)，通過壓力傳感器檢測室內(nèi)壓力p并與設定值相比較，由可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）控制VAV 的開度即排風量，使得核心工作間在任何時候都處在負壓狀態(tài)，在走廊—緩沖間—核心工作間之間形成壓力梯度，該壓力梯度決定了氣流方向。在圖2 所示的BSL-2 實驗室壓力及壓力梯度中，核心工作間壓力-25 Pa、緩沖間壓力-15 Pa、前室壓力-10 Pa、潔凈走廊為常壓，從而形成一個氣流流向核心工作間的壓力梯度分布。

加強型BSL-2 實驗室所采用的壓力控制方法基本可分為變送定排、定送變排、變送變排以及定送定排（大壓差）4 種壓力控制模式[9-10]。本項目中采用定送變排的控制模式，該模式下送風機采用定頻風機，排風機采用變頻風機，送風主管路、排風主管路、風量末端均設有風量傳感器，送風系統(tǒng)中的風量傳感器用來判斷送風系統(tǒng)是否工作正常，排風系統(tǒng)中通過對變風量末端的風量傳感器的輸出信號匯總和計算來控制排風機變頻控制器，保持總排風風量不變。每個房間安裝壓力傳感器，根據(jù)房間壓力傳感器輸出信號實時對變風量末端VAV 開度進行調(diào)節(jié)，進而調(diào)節(jié)房間內(nèi)部壓力。

實驗室內(nèi)的壓力與流量的數(shù)學模型可通過伯努利方程建立，在沒有外界流量干擾情況下壓力與流量的關系如公式（1）所示：

式中，p為實驗室內(nèi)壓力，負號表示室內(nèi)壓力為負壓；QS為送風流量，由CAV 控制；QP為排風流量，由VAV 控制；ρ 為空氣密度；K為常數(shù)。由公式（1）可知壓力p與排風量QP為非線性關系，這會使得壓力控制變得極為困難，系統(tǒng)的穩(wěn)定性難以得到保證。

考慮在系統(tǒng)穩(wěn)定情況下即房間壓力與排風VAV開度已經(jīng)建立平衡，令Q0=QP-QS，此時房間壓力也就是室內(nèi)設定的壓力p0。若存在擾動流量Qr，諸如房間開關門、進風管流量和排風管流量變化等等，必然會影響室內(nèi)壓力使其偏離設定壓力p0?？紤]由擾動流量Qr引起的室內(nèi)壓力變化量為Δp，則公式（1）可寫成

為了使室內(nèi)壓力在擾動流量情況下重新回到壓力平衡點p0，將（2）改寫成

公式（3）為非線性方程，在p0附近展開泰勒級數(shù)，略去高階項可得

由以上分析可得實驗室壓力控制系統(tǒng)如圖4 所示，PLC 控制系統(tǒng)通過比例-積分-微分（proportionintegration-differentiation，PID）控制算法調(diào)節(jié)排風VAV 的開度，消除擾動流量Qr，實現(xiàn)實驗室壓力與壓力梯度的穩(wěn)定[10]。

圖4 加強型BSL-2 實驗室壓力控制系統(tǒng)框圖

2 改造效果

改造后的加強型BSL-2 實驗室由天津市醫(yī)藥空氣潔凈檢測中心有限公司依據(jù)GB/T 16292—2010《醫(yī)藥工業(yè)潔凈室（區(qū)）懸浮粒子的測試方法》、GB/T 16293—2010《醫(yī)藥工業(yè)潔凈室（區(qū)）浮游菌的測試方法》、GB/T 16294—2010《醫(yī)藥工業(yè)潔凈室（區(qū)）沉降菌的測試方法》、GB 505091—2010《潔凈室施工及驗收規(guī)范》和GB 50346—2011《生物安全實驗室建筑技術規(guī)范》檢驗并出具檢測報告，檢測結(jié)果全部合格，主要檢測數(shù)據(jù)見表3。

表3 加強型BSL-2 實驗室主要檢測數(shù)據(jù)

根據(jù)上述測試結(jié)果，各房間的潔凈度均滿足ISO 8 級凈化（顆粒數(shù)＜3 520 000）要求，風量與換氣次數(shù)也滿足標準要求，并且BSL-2 實驗室核心工作間、標本制備間、擴增間及其緩沖間與前室、潔凈走廊的壓力呈現(xiàn)梯度分布。

3 結(jié)語

本文將普通凈化實驗室快速改造為用于PCR檢測的加強型BSL-2 實驗室。在改造過程中充分利用了原實驗室可利用的部分，并嚴格遵守加強型BSL-2 實驗室的規(guī)程，從實驗室重新規(guī)劃布局、氣流組織以及壓力控制3 個方面進行改造，實際改造項目通過驗收并取得良好效果。生物安全實驗室的排風過濾系統(tǒng)和壓差控制系統(tǒng)是升級改造的核心，但目前行業(yè)內(nèi)缺少支撐可快速改造的模塊化裝備，該方向可能將是后續(xù)研究的重點。