生物安全實(shí)驗(yàn)室空氣過濾器單元的研制 [摘要]目的：設(shè)計(jì)用于實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)過濾的空氣過濾單元，以實(shí)現(xiàn)空氣過濾器的原位檢漏和消毒功能。方法：主要依據(jù)空氣過濾單元的氣密性、過濾器上游氣溶膠混勻性能、漏點(diǎn)識(shí)別能力等指標(biāo)，設(shè)計(jì)裝置的結(jié)構(gòu)組成。結(jié)果：國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的空氣過濾單元，可實(shí)現(xiàn)原位檢漏和消毒功能，并可滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。結(jié)論：達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平，可滿足我國(guó)高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的需要。

    [關(guān)鍵詞]空氣過濾器；原位檢漏；原位消毒；生物安全實(shí)驗(yàn)室

    [中國(guó)圖書資料分類號(hào)]R318.6；R187[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1003-8868（2010）08-0030-03

    1·引言

    高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室是從事高致病性病原微生物檢測(cè)和科學(xué)研究的重要技術(shù)平臺(tái)，同時(shí)也是保護(hù)實(shí)驗(yàn)室工作人員不被感染、外界環(huán)境不受污染的防護(hù)屏障。事實(shí)上，許多常規(guī)的實(shí)驗(yàn)操作都會(huì)產(chǎn)生危害性生物氣溶膠，對(duì)276種實(shí)驗(yàn)室操作進(jìn)行測(cè)試表明，發(fā)現(xiàn)其中239種（86.6%）操作可以產(chǎn)生微生物氣溶膠[1]。這些氣溶膠粒子可在室內(nèi)空氣中長(zhǎng)時(shí)間存留，如果實(shí)驗(yàn)室內(nèi)帶菌、帶病毒的污染空氣擴(kuò)散到大氣中，將會(huì)感染周圍人群及動(dòng)物，引發(fā)流行病，嚴(yán)重威脅人類生命健康，甚至引發(fā)重大公共衛(wèi)生事件。因此，防止傳染性生物因子向外界擴(kuò)散是確保實(shí)驗(yàn)室生物安全的關(guān)鍵。

    實(shí)驗(yàn)室生物安全防護(hù)由一級(jí)防護(hù)屏障和二級(jí)防護(hù)屏障這2部分硬件及實(shí)驗(yàn)室管理規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)操作程序等軟件構(gòu)成。一級(jí)防護(hù)屏障是指安全設(shè)備，如生物安全柜、高壓滅菌器和離心機(jī)安全罩等；二級(jí)防護(hù)屏障是指實(shí)驗(yàn)室設(shè)施，即實(shí)驗(yàn)室在建筑上的結(jié)構(gòu)特征，如實(shí)驗(yàn)室的布局以及送、排風(fēng)系統(tǒng)等?？諝膺^濾器（簡(jiǎn)稱HEPA過濾器）是生物安全實(shí)驗(yàn)室的zui重要的二級(jí)防護(hù)屏障，可有效阻止實(shí)驗(yàn)室空氣中的有害粒子進(jìn)入環(huán)境。一方面，其表面可能存留了致病微生物；另一方面，其完整性須得到保證。因此，GB19489—2008《實(shí)驗(yàn)室生物安全通用要求》中6.3.3.8明確要求“應(yīng)可以在原位對(duì)排風(fēng)HEPA過濾器進(jìn)行消毒和檢漏”[2]。過濾器單元是一種預(yù)制的箱式空氣過濾裝置，便于HEPA過濾器的原位消毒和檢漏，也便于維護(hù)。我國(guó)目前的生物安全實(shí)驗(yàn)室的過濾器均存在原位檢漏和消毒問題，而國(guó)外高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室廣泛使用了空氣過濾器單元，成功地解決了以上問題[1，3-5]。本文介紹在國(guó)家課題資助下國(guó)產(chǎn)生物安全實(shí)驗(yàn)室空氣過濾器單元的研制概況。

    2·空氣過濾器單元的主要技術(shù)要求

    2.1箱體嚴(yán)密性

    過濾器單元通常安裝在實(shí)驗(yàn)室防護(hù)區(qū)外，因而對(duì)其密封性有嚴(yán)格要求。GB19489—2008《實(shí)驗(yàn)室生物安全通用要求》中6.3.3.9明確規(guī)定[2]：過濾器單元的整體密封性應(yīng)達(dá)到在關(guān)閉所有通路并維持腔室內(nèi)的溫度在設(shè)計(jì)范圍上限的條件下，若使空氣壓力維持在1 000 Pa時(shí)，腔室內(nèi)每分鐘泄漏的空氣量應(yīng)不超過腔室凈容積的0.1%。

    2.2 HEPA過濾器的原位檢漏

    掃描檢漏或全效率檢漏法是目前上通用的方法。掃描檢漏法通過采樣頭在靠近過濾器出風(fēng)面的位置沿過濾器的所有表面及過濾器與裝置的連接處以固定速度移動(dòng)，測(cè)試局部過濾效率，判斷過濾器是否發(fā)生泄漏。全效率檢漏法通過測(cè)試過濾器的總過濾效率判斷過濾器是否發(fā)生泄漏。全效率檢漏法一般用于無(wú)法接近的HEPA過濾器或W型、圓形等異型HEPA過濾器的檢漏，精度較掃描檢漏法低。如果可行，應(yīng)盡量采用掃描的方法對(duì)HEPA過濾器進(jìn)行檢漏。

    無(wú)論是全效率檢漏還是掃描檢漏均應(yīng)采用人工塵作為試驗(yàn)氣溶膠，人工塵濃度比較穩(wěn)定，也不會(huì)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室造成污染。人工塵可以選用癸二酸二異辛酯（DEHS）、鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）或聚α烯烴（PAO）等物質(zhì)，應(yīng)優(yōu)先選用對(duì)人和環(huán)境低毒或無(wú)害的物質(zhì)，應(yīng)注意的是，DOP有致癌作用[6]。按照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)IEST-RP-CC034.2：2005的要求，應(yīng)保證上游檢測(cè)氣溶膠的空間和時(shí)間一致性，要求在上游緊靠被試過濾器的斷面上，在至少9個(gè)均勻分布的測(cè)點(diǎn)上測(cè)量，其中任一點(diǎn)的氣溶膠濃度不偏離平均值的10%[7]。全效率檢漏法的被測(cè)過濾器下游采樣口應(yīng)選擇在混合較好的區(qū)域，建議依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASHERE52.2—1992對(duì)下游采樣點(diǎn)氣溶膠混合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]，即在過濾器背風(fēng)面盡量接近過濾器處平均布置的9個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別注入人工發(fā)生的檢測(cè)氣溶膠，在下游采樣口進(jìn)行測(cè)試，各點(diǎn)發(fā)塵所導(dǎo)致的下游采樣口氣溶膠濃度測(cè)試結(jié)果與平均值的偏差均應(yīng)不大于10%。

    2.3 HEPA過濾器的原位消毒

    國(guó)外對(duì)HEPA過濾器消毒主要采用氣體熏蒸方法。由于氣體“*”，可同時(shí)消毒管道，容易進(jìn)行消毒效果驗(yàn)證，必然是發(fā)展趨勢(shì)。應(yīng)在過濾器單元的過濾器上游及下游合適位置處配備熏蒸消毒接口，以滿足對(duì)HEPA過濾器及箱體內(nèi)部進(jìn)行原位氣體熏蒸消毒的要求。

    3·空氣過濾器單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    3.1箱體結(jié)構(gòu)

    如圖1所示，空氣過濾器單元由密閉閥門、檢測(cè)氣溶膠發(fā)生段、混合段、上游采樣段、過濾器安裝段、掃描檢漏段、密閉門、密閉閥門等部分組成。運(yùn)行過程中，密閉閥門處于打開狀態(tài)；消毒過程中，密閉閥門及密閉門處于關(guān)閉狀態(tài)，以避免消毒劑外溢。為了保證箱體的嚴(yán)密性，箱體采用不銹鋼整體氣密焊接，密閉門采用的橡膠條用螺栓壓緊密封，電氣件采用氣密連接件連接。

               

    3.2過濾器壓緊機(jī)構(gòu)

    如圖2所示，空氣過濾器壓緊機(jī)構(gòu)安裝于過濾器箱體內(nèi)部，由旋轉(zhuǎn)把手、安裝調(diào)整塊、偏心輪、壓緊框等構(gòu)成。通過旋轉(zhuǎn)把手帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)壓緊框施加作用力，推動(dòng)壓緊框上部過濾器運(yùn)動(dòng)并施加壓緊力，使過濾器與過濾器安裝框緊密貼合并壓緊。

              

    3.3過濾器掃描檢漏機(jī)構(gòu)

    掃描探頭采樣口的形狀一般為正方形或矩形，大多采用矩形采樣探頭，采樣口長(zhǎng)寬比不高于15∶1[9-10]，掃描速度不超過5 cm/s。掃描機(jī)構(gòu)可以采用單個(gè)探頭，但要進(jìn)行x-y雙向運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜。另一種方式為增設(shè)多個(gè)采樣探頭，探頭只在一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，這種機(jī)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但需要使用探頭循檢裝置。每一次采樣探頭掃描與探頭寬度相當(dāng)?shù)牟糠?，掃描完整個(gè)過濾器需要探頭來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)多次，根據(jù)這種采樣探頭的運(yùn)行方式，這種掃描方法可以稱為“逐行掃描法”。這種方式突出了其定位漏點(diǎn)的功能，如果發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)，可以由供應(yīng)方對(duì)其局部進(jìn)行修補(bǔ)從而節(jié)約成本。但在生物安全領(lǐng)域，安裝現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過濾器時(shí)，一旦發(fā)現(xiàn)泄漏，過濾器將不能進(jìn)行修補(bǔ)后再次使用，也就無(wú)法體現(xiàn)掃描檢漏這一定位功能的優(yōu)勢(shì)。這種掃描檢漏裝置也存在工作周期長(zhǎng)、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、配套儀器多的問題。為了解決上述問題，筆者單位研制了另一種形式的掃描采樣探頭，該采樣探頭與過濾器出風(fēng)面等寬，采樣口為狹縫，呈線狀，只需由上到下運(yùn)行一次即可完成對(duì)整個(gè)過濾器的檢漏作業(yè)，根據(jù)其運(yùn)行方式可以稱為“線掃描法”。“線掃描”裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

              

    為了測(cè)試“線掃描”探頭識(shí)別漏點(diǎn)的性能，進(jìn)行了“線掃描”探頭與常規(guī)探頭的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。常規(guī)探頭采樣口的尺寸為9 mm×120 mm，在過濾器出風(fēng)面上制造2個(gè)漏點(diǎn)A、B，分別對(duì)應(yīng)線掃描探頭采樣口不同位置，漏點(diǎn)直徑約為0.4 mm，過濾器的效率為≥99.97%@0.3μm。2種探頭均在距過濾器出風(fēng)面25 mm處，在漏點(diǎn)周圍進(jìn)行固定采樣，確定漏點(diǎn)可識(shí)別范圍。測(cè)試結(jié)果如圖4、5所示。由圖4、5可見，線掃描探頭漏點(diǎn)識(shí)別范圍為7 mm左右，透過率分布呈拋物線狀，zui高透過率分別為0.28%、0.22%；矩形采樣探頭漏點(diǎn)識(shí)別范圍為11 mm左右，透過率分布呈梯形狀，zui高透過率分別為0.40%、0.37%。2種探頭出現(xiàn)不同結(jié)果的主要原因是探頭采樣口的寬度，漏點(diǎn)可以近似看作小孔射流[11-12]，線掃描探頭采樣口寬度窄，無(wú)法*覆蓋射流的擴(kuò)散區(qū)，所測(cè)的穿透率就出現(xiàn)了較為明顯的波峰，而矩形采樣探頭采樣口寬，在一定范圍內(nèi)可較*覆蓋射流的擴(kuò)散區(qū)，因此峰值周圍透過率分布較為平緩。兩者的zui高透過率的差別并未出現(xiàn)較大的差異，也說明了線掃描探頭同樣可以地識(shí)別漏點(diǎn)。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，線采樣探頭的運(yùn)行速度以及滲漏指認(rèn)要結(jié)合探頭的具體技術(shù)參數(shù)予以確定。

    線采樣探頭定位區(qū)域?yàn)闂l形區(qū)域，漏點(diǎn)定位精度雖沒有常規(guī)掃描頭高，但同樣具有掃描檢漏可以準(zhǔn)確檢測(cè)滲漏的優(yōu)點(diǎn)。該掃描方式工作周期短、配套儀器少，其所需的機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，自動(dòng)掃描系統(tǒng)的電器元件可全部安裝在箱體的外側(cè)，當(dāng)對(duì)過濾器進(jìn)行消毒時(shí)可避免消毒劑對(duì)掃描系統(tǒng)性能的影響。

              

    3.4過濾器的原位消毒

    如圖6所示，在過濾器單元的過濾器上游及下游合適位置處配備熏蒸消毒接口，氣體熏蒸消毒時(shí)，關(guān)閉箱體兩端的密閉閥，將氣體消毒裝置連接于熏蒸消毒接口，打開熏蒸消毒接口，啟動(dòng)氣體消毒裝置和循環(huán)風(fēng)機(jī)，在循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用下，氣體消毒劑穿透HEPA過濾器，在箱體內(nèi)往復(fù)循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過濾器及箱體內(nèi)部的*消毒。

               

    4·主要技術(shù)指標(biāo)的檢測(cè)驗(yàn)證

    2009年10月，國(guó)家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)過濾器單元的主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果如下：

    （1）氣密性：將過濾單元（容積為0.626 m3）打壓至+2 730 Pa并維持穩(wěn)定，每分鐘實(shí)測(cè)漏氣量為0.04 L/min，為過濾單元容積的0.006%，滿足GB19489—2008的小于腔室凈容積的0.1%的要求。

    （2）過濾器上游氣溶膠混勻性能：9個(gè)均布測(cè)點(diǎn)測(cè)試氣溶膠濃度與平均值的偏差均滿足GB 13554—2008《空氣過濾器》不大于10%的要求。

    （3）漏點(diǎn)識(shí)別能力（測(cè)試風(fēng)量1 500 m3/h）：在測(cè)試過濾器距一側(cè)邊框約350 mm處，人為制造一直徑為0.4 mm的漏點(diǎn)，掃描檢漏裝置可準(zhǔn)確識(shí)別并定位該漏點(diǎn)。

    5·結(jié)語(yǔ)

    國(guó)外高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室自20世紀(jì)80年代初就使用了具有原位消毒和檢漏功能的空氣過濾單元，而我國(guó)高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)起步較晚，現(xiàn)采用的實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)處置技術(shù)仍十分落后，已建的高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室均存在不能原位對(duì)排風(fēng)HEPA過濾器進(jìn)行消毒和檢漏的問題。針對(duì)以上問題，在國(guó)家課題的資助下，我國(guó)開始了空氣過濾器單元等實(shí)驗(yàn)室生物防護(hù)裝備的自主研發(fā)工作。本文介紹了國(guó)產(chǎn)生物安全實(shí)驗(yàn)室空氣過濾器單元的研制概況，檢測(cè)結(jié)果表明，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)空氣過濾器單元的氣密性、過濾器上游氣溶膠混勻性能、漏點(diǎn)識(shí)別能力等指標(biāo)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平，可滿足我國(guó)高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的需要。

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