关于国产化生物安全四级实验室设计与建造的研究

   日期:2019-04-12     来源:现代实验室装备网    浏览:31    
核心提示:生物安全是指国家有效应对生物因子及相关因素的威胁,维护自身安全与利益的状态和能力,主要涵盖防控人与动物、植物等新发、突发传染病疫情,防范生物恐怖袭击、防御生物武器攻击、防止生物技术谬用、防控外来入侵生物威胁、保障实验室生物安全、保护特殊生物资源安全等多个方面。
   生物安全国家有效应对生物因子及相关因素的威胁,维护自身安全与利益的状态和能力,主要涵盖防控人与动物、植物等新发、突发传染病疫情,防范生物恐怖袭击、防御生物武器攻击、防止生物技术谬用、防控外来入侵生物威胁、保障实验室生物安全、保护特殊生物资源安全等多个方面。生物安全实验室是指通过防护屏障和管理措施,达到生物安全要求的生物实验室和动物实验室,按其危害程度逐渐加重的顺序共分为四级。四级生物安全实验室(BSL-4)是最高级别的生物安全实验室,是指对人体、动植物或环境具有高度危害性,通过气溶胶途径传播或传播途径不明,或未知的、高度危险的致病因子,没有预防和治疗措施的微生物开展研究的场所。

  近年来,全球生物安全问题日益突出,它攸关政权稳定、社会安定、公众健康、经济发展和国防建设,是国家安全不可或缺的组成部分。为保证国家生物安全战略的实施和可持续发展,提高我国生物安全防护水平,以及降低生物恐怖和生物武器的威胁,打破西方国家的技术封锁,解决我国最高等级病原微生物实验室关键技术设备完全依赖进口、受制于人的问题,开展生物安全实验室相关设备设施的国产化研究,建设国产化生物安全四级实验室具有重大的现实意义。

  -奇幻的探索,正式开始-

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  -01-

  |国内外生物安全四级实验室现状

  据不完全统计,世界上已建成的生物安全四级实验室60座以上,美国从上个世纪60年代就开展了高级别生物安全实验室的建设,迄今为止已拥有生物安全四级实验室20座以上,澳大利亚、加拿大、法国、德国、日本、英国等发达国家上个世纪70~80年代以来也陆续建设了生物安全四级实验室。在亚洲地区,日本、蒙古、印度尼西亚、印度等国家都建有生物安全四级实验室,在非洲,加蓬和南非也分别建有1座生物安全四级实验室。

  世界生物安全四级实验室分布详见表1。SARS病毒肆虐后,国家高度重视高等级生物安全实验室的建设和发展,2004年经国家发改委批复,经十余年的努力,我国(除台湾省)已建成符合世界卫生组织《生物安全手册》和《实验室生物安全通用要求》GB19489-2008要求的生物安全四级实验室3家,分别是中国农业科学院哈尔滨兽医研究所国家动物疫病防控高级别生物安全实验室、中国医学科学院医学生物学研究所国家昆明高等级生物安全灵长类动物实验中心和中国科学院武汉国家生物安全四级实验室。中国农业科学院哈尔滨兽医研究所国家动物疫病防控高级别生物安全实验室为我国首个完全自主设计、建设的大动物生物安全实验室(见图1),是目前世界上已建成运行的4个大动物生物安全实验室之一,是我国大动物生物安全实验室建设的里程碑。该实验室建筑面积约20000m2,防护区面积约4000m2。建有独立运行的实验室(BSL-4)和动物实验室(ABSL-4),独立运行的实验室(BSL-3)和动物实验室(ABSL-3)及解剖室。

  -02-

  |国产化生物安全四级实验室设计与建造

  中国农业科学院哈尔滨兽医研究所承担了科技部“十三五”“生物安全关键技术研发”重点专项“国产化高等级病原微生物模式实验室”典型应用示范项目,项目应用国际生物安全实验室设计原理和理念进行设计,采用了全部国产化生物安全四级实验室相关设备进行建设,建成了具有生物安全四级实验室操作、生物安全管理、设备运行保障管理、相关验证等培训、新型设备验证和检测等功能的四级模式实验室综合技术平台。生物安全四级模式实验室主要应用了以下原理:

  (1)建筑隔离原理:独立建筑,内部采用3层立体结构和合理的平面布局,实现国产化生物安全四级模式实验室内部与周围环境的隔离。

  (2)气密防护原理:核心区采用不锈钢板焊接的围护结构及管线穿墙密封装置、充气式气密门、机械压紧式气密门、气密传递窗等气密防护设备,国产化生物安全四级模式实验室核心工作间围护结构的气密性达到《实验室生物安全通用要求》GB19489-2008规定的压力衰减指标要求。

  (3)空气负压隔离原理:国产化生物安全四级模式实验室核心工作间及其功能间的空气压力相对外环境为负压,通过建立有效的压力梯度,实现实验室内空气的负压隔离。

  (4)空气高效过滤原理:送风采用单级高效空气过滤器过滤,排风采用双级高效空气过滤器过滤,高效空气过滤器对0.3μm以上粒径粒子的过滤效率>99.99%。

  (5)个人防护原理:采用全身正压生物防护服及其配套的生命支持系统,实现最高级别的人员全身防护。

  (6)消毒灭菌原理:采用双扉高压灭菌器、压力蒸汽污水处理系统、化学淋浴设备、汽化过氧化氢消毒装置实现全身正压生物防护服表面、固体和液体废弃物、实验室空间的消毒灭菌。

  中国农业科学院哈尔滨兽医研究所国产化生物安全四级模式实验室依据《实验室生物安全通用要求》GB19489-2008和《生物安全实验室建设技术规范》GB50346-2011标准设计,模式实验室建筑面积约1000m2,高度10m。模式实验室主体采用钢结构形式,实验室一层为设备层,层高3.1m,主要为污水处理间、生命支持系统、配电间、UPS电源设备间、培训间;二层为实验室层(层高4.10m,其中实验室层高2.8m)(见图2),设有ABSL-4核心实验室及辅助房间;三层为设备层,用于敷设管道及布置BIBO高效过滤单元、净化空调机组、排风机组、化学淋浴加药装置等(层高2.80m)。国产化生物安全四级模式实验室平面布局设计满足《实验室生物安全通用要求》GB19489-2008关于生物安全四级实验室平面布局的要求(见图3),由教学区、更衣室、环形走廊、更衣间、淋浴间、防护服更换间、化学淋浴间、核心工作间组成。国产化生物安全四级模式实验室分别对初级防护屏障设计、通风空调系统设计、消毒灭菌系统设计、自动控制系统设计进行集中整合和优化。

  (1)初级防护屏障设计:利用具有生命支持系统的正压防护服进行人员防护,利用二级生物安全柜进行病原微生物操作。

  (2)通风空调系统设计:采用独立的全新风直流式通风空调系统,在设备层安装箱式高效空气过滤器单元,具备原位对高效空气过滤器进行消毒灭菌和检漏的条件,实验室防护区的送风采用单级高效空气过滤器过滤,排风采用双级高效空气过滤器过滤,室内送风口和排风口的布置符合定向气流的原则。

  (3)消毒灭菌系统设计:采用双扉压力蒸汽灭菌器、压力蒸汽污水处理系统、汽化过氧化氢消毒装置实现实验室排放物、空间的彻底消毒灭菌。

  (4)自动控制系统设计:采用送风机变频与文丘里变风量阀门相结合的压力控制方式,保证实验室的换气次数及压力、压力梯度的稳定。温度通过调节表冷器冷动水流量实现调节,湿度通过调节电极加湿器的加湿量来保证实验室内部湿度恒定。通过工控机和PLC相结合的方式,实现对实验室整体系统的自动控制和操作。采用Siemense的WINCC组态软件编制了用户界面友好、易于使用和维护的自动监测和控制系统界面,实时监控、记录和存储实验室防护区内有控制要求的参数、关键设施设备的运行状态。根据以上设计,采用solidworks软件构建国产化生物安全四级模式实验室的建筑结构、平面布局、关键生物安全装备的三维可视化模型,并准确表达建筑结构及其与生物安全装备间的配合关系,利用三维可视化模型研究实验室围护结构气密防护、通风空调系统、自动控制系统及水、电、气综合保障系统的设计工艺,检查各系统立体布置及穿线、穿孔和管线交叉、干涉情况,减少设计过程中的错误以及提高设计质量。

  保证实验室的换气次数及压力、压力梯度的稳定。温度通过调节表冷器冷动水流量实现调节,湿度通过调节电极加湿器的加湿量来保证实验室内部湿度恒定。通过工控机和PLC相结合的方式,实现对实验室整体系统的自动控制和操作。采用Siemense的WINCC组态软件编制了用户界面友好、易于使用和维护的自动监测和控制系统界面,实时监控、记录和存储实验室防护区内有控制要求的参数、关键设施设备的运行状态。根据以上设计,采用solidworks软件构建国产化生物安全四级模式实验室的建筑结构、平面布局、关键生物安全装备的三维可视化模型,并准确表达建筑结构及其与生物安全装备间的配合关系,利用三维可视化模型研究实验室围护结构气密防护、通风空调系统、自动控制系统及水、电、气综合保障系统的设计工艺,检查各系统立体布置及穿线、穿孔和管线交叉、干涉情况,减少设计过程中的错误以及提高设计质量。

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  |国产化设备的应用情况

  国产化生物安全四级模式实验室集成生命支持系统、化学淋浴、生物安全型双扉高压灭菌器、BIBO高效过滤单元、污水处理系统等关键国产化生物安全设备,建成1套国产化生物安全四级实验室系统。

  (1)BIBO高效过滤单元国产化生物安全四级模式实验室采用军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所研发、天津市昌特净化工程有限公司生产的BIBO高效过滤单元(见图4),送风采用单级高效空气过滤器过滤,排风采用双级高效空气过滤器过滤,高效空气过滤器对0.3μm以上粒径粒子的过滤效率>99.99%,并采用自主研发的线扫描技术,实现过滤器的原位检漏,确保空气排放安全。

  (2)生物安全型双扉高压灭菌器、污水处理系统国产化生物安全四级模式实验室应用山东新华医疗器械股份有限公司研发生产的生物安全型双扉高压灭菌器(见图6)、污水处理系统(见图5)改进了蒸汽发生器、穿墙生物密封性能及废弃蒸汽冷凝、水冷、温度控制功能,提升微处理器程序控制的稳定性和可靠性。

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  |结语

  我国首个国产化生物安全四级模式实验室完全按照《实验室生物安全通用要求》GB19489-2008、《生物安全实验室建设技术规范》GB50346-2011设计建设,为通过真实生物安全四级环境评价验证国产防护设备性能,保证实验数据的真实可信创造了重要的平台条件。同时生物安全四级模式实验室将开展生物安全四级实验室使用、生物安全管理和维护人员培训工作,成为国家生物安全四级实验室体系重要的人才培养示范基地,为我国国家高级别生物安全实验室体系建设发挥指导和借鉴作用。
 
日期: 2019-04-12
标签: 生物安全 安全 维护 生物技术
 
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