趙 明，張宗興，牛 福，任旭東，吳金輝，衣 穎，郝麗梅，林 松，祁建城

微生物檢驗車的研制

趙 明，張宗興，牛 福，任旭東，吳金輝，衣 穎，郝麗梅，林 松，祁建城

目的：研制一臺主要開展病原體快速篩查檢測工作的微生物檢驗車。方法：采用陜汽2190汽車底盤進行設(shè)計，將車廂劃分為BSL-2+實驗間、緩沖間、送風(fēng)空氣處理設(shè)備間和排風(fēng)凈化設(shè)備間4個區(qū)域，進行緊湊合理科學(xué)的設(shè)備空間布局設(shè)置，滿足移動實驗室作業(yè)條件需求。采用全新風(fēng)組合式空調(diào)處理系統(tǒng)以及上送下排、邊側(cè)送風(fēng)、對側(cè)排風(fēng)的氣流組織形式，形成由潔凈區(qū)向污染區(qū)的定向氣流，對實驗室空氣進行凈化處理。結(jié)果：該檢驗車經(jīng)試驗測試，各項指標均達到設(shè)計要求。結(jié)論：微生物檢驗車可實現(xiàn)車廂內(nèi)部的負壓隔離，能夠?qū)χ車h(huán)境形成有效防護和保證實驗因子不受外界污染，為新發(fā)突發(fā)傳染病防控提供快速、機動、安全、高效的檢驗平臺。

生物安全實驗室；檢驗；負壓；凈化

0 引言

隨著生命科學(xué)和生物技術(shù)的發(fā)展，實驗室生物安全日益受到人們的關(guān)注，特別是相繼爆發(fā)的SARS和高致病性禽流感疫情，以及全球流行的H1N1甲型流感疫情，給全世界實驗室的生物安全敲響了警鐘，引起各國廣泛關(guān)注和重視。生物安全實驗室（bios-afety laboratory）在應(yīng)對公共衛(wèi)生事件、新發(fā)傳染病、動物疫病和生物恐怖襲擊事件等方面起到重要的支撐平臺作用。

生物安全實驗室是指通過規(guī)范的實驗室設(shè)計建造、實驗設(shè)備的配置、個人防護裝備的使用，嚴格遵從標準化的工作操作程序和管理規(guī)程等，確保操作生物危險因子的工作人員不受實驗對象的傷害，確保周圍環(huán)境不受其污染，確保實驗因子保持原有本性的實驗室。生物安全實驗室在20世紀50～60年代首先出現(xiàn)在美國，主要是針對實驗室意外事故感染所采取的對策。隨后在一些發(fā)達國家，例如英國、前蘇聯(lián)、加拿大、法國、日本等也相繼建造了不同級別的生物安全實驗室[1-4]。

微生物檢驗車是在建筑式生物安全實驗室技術(shù)基礎(chǔ)上，以變換地點使用為目的，具備可移動功能，展開運行后能夠達到生物安全防護要求的檢驗車輛，具有機動靈活、反應(yīng)迅速、安全可靠等特點，可迅速到達現(xiàn)場快速開展衛(wèi)生檢驗檢疫工作，是保障科研人員生命安全、保障周圍環(huán)境不受污染的重要裝備，為現(xiàn)場疾病預(yù)防控制工作提供重要的技術(shù)支撐[5]。

本文以微生物檢驗車作為研究目標，針對西藏地區(qū)氣候條件惡劣、道路情況復(fù)雜等特點，進行微生物檢驗車設(shè)計，并在西藏疾病預(yù)防控制中心微生物檢驗車實例中進行了工程實施，為今后車輛類實驗室的建設(shè)提供良好的技術(shù)借鑒。

1 目的

研制一臺微生物檢驗車，作為傳染病防控檢測工作平臺，具備較強的機動性，適用于快速反應(yīng)行

動，可公路、鐵路、輪船運輸，在處理新發(fā)突發(fā)傳染病事件時可快速抵達疫區(qū)現(xiàn)場，主要開展病原體快速篩查檢測工作，可實現(xiàn)車廂內(nèi)部的負壓隔離，能夠?qū)χ車h(huán)境形成有效防護和保證實驗因子不受外界污染，為新發(fā)突發(fā)傳染病防控提供快速、機動、安全、高效的檢驗平臺。

2 方案設(shè)計

2.1 型式設(shè)計

選用陜汽2190二類底盤進行設(shè)計，如圖1所示。該車輛為軍用越野底盤，具備較好的越野能力和機動能力。

圖1 整體式車廂運載示意圖

不改變原底盤的技術(shù)性能，將SX2190BQ汽車底盤加裝副車架，保持原車駕駛室不變，在底盤駕駛室后端及底盤主梁最后端安裝4個千斤頂，用于開展實驗工作時調(diào)節(jié)平衡以及長期駐車貯存時輔助支撐，以減輕鋼板彈簧壓力，延長底盤使用壽命[6]。

2.2 車廂設(shè)計

微生物檢驗車廂是由帶金屬骨架的硬質(zhì)聚氨酯泡沫夾心板拼接而成的廂式工作間，具有一定的剛度、強度，適于公路運輸和鐵路運輸。為保證車輛具備良好的運輸性能，兼顧車廂內(nèi)部設(shè)備安裝對車廂高度的要求，同時考慮實驗人員作業(yè)的舒適性，車廂外形尺寸為6 000 mm（長）×2 400 mm（寬）×2 000 mm（高），采用厚度為52 mm的鋁蒙皮聚氨酯大板制作。整車外形尺寸為8 950 mm（長）×2 460 mm（寬）× 3 348 mm（高），車廂后部設(shè)置攀爬梯及抽拉式蹬車梯。

2.3 實驗室分區(qū)設(shè)計

微生物檢驗車劃分為BSL-2+實驗間、緩沖間、送風(fēng)空氣處理設(shè)備間和排風(fēng)凈化設(shè)備間4個區(qū)域，采用密封隔板分隔，如圖2所示。

實驗間是系統(tǒng)的實驗工作區(qū)，是實驗室的核心區(qū)域，用于主要設(shè)備（生物安全柜、滅菌器和培養(yǎng)、檢驗設(shè)備等）的安放，是開展微生物檢驗工作的場所。緩沖間是實驗室的入口，人員可進行實驗準備工作，檢測人員在此區(qū)域可進行防護服更換[7]，同時也是整套實驗室系統(tǒng)的中控系統(tǒng)操作區(qū)域。其內(nèi)部設(shè)置儲物柜以及控制系統(tǒng)。

送風(fēng)空氣處理設(shè)備間用于安裝及控制對送入實驗間和緩沖間的空氣進行處理的設(shè)備，主要包括初中效過濾器、空調(diào)機組、送風(fēng)機、生物安全凈化箱、生物密閉閥和調(diào)節(jié)閥等設(shè)備。排風(fēng)凈化設(shè)備間用于對BSL-2+實驗間排出的空氣進行凈化處理，防止未經(jīng)處理的空氣排除車外，對外部環(huán)境形成污染[8]，主要包括生物安全高效空氣過濾裝置、生物密閉閥、風(fēng)量調(diào)節(jié)閥和排風(fēng)機等。

微生物檢驗車共設(shè)置2道門，一個設(shè)置在艙體入口處，另一個設(shè)置在緩沖間與實驗間之間。這2道門通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)互鎖，2扇門不能同時打開，保證實驗間對負壓及空氣潔凈度的要求[9]。

2.4 車廂內(nèi)部布局

實驗間左右側(cè)布置工作臺，中間為人員通道。端部設(shè)置生物安全柜，如圖3所示。

右側(cè)設(shè)置工作臺，工作臺一側(cè)設(shè)置洗手裝置，臺上固定相應(yīng)儀器設(shè)備，臺下設(shè)置儲物柜，如圖4所示。左側(cè)設(shè)置工作臺，臺上設(shè)置固定相應(yīng)儀器設(shè)備，臺下設(shè)置儲物柜，如圖5所示。

2.5 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

通風(fēng)空調(diào)是保證實驗室安全運行達到生物安全防護要求的關(guān)鍵。微生物檢驗車是負壓型BSL-2實驗室，其生物安全防護系統(tǒng)接近于BSL-3級實驗室中對通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)要求，因此，微生物檢驗車通風(fēng)流程及控制等有關(guān)生物安全防護要求參照GB 50346—2011《生物安全實驗室建筑技術(shù)規(guī)范》中的有關(guān)BSL-3實驗室要求的強制性條文規(guī)定要求。

圖2 移動式BSL-2+實驗室功能間設(shè)置與平面布局圖

圖3 實驗室平面布局示意圖

圖4 實驗室右側(cè)布局示意圖

圖5 實驗室左側(cè)布局示意圖

2.5.1 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

微生物檢驗車空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)能適應(yīng)西藏地區(qū)的氣候環(huán)境，并保證實現(xiàn)以下技術(shù)參數(shù)：實驗室防護區(qū)各房間的最小換氣次數(shù)應(yīng)不小于12次/h，工作間溫度應(yīng)保持在18～25℃。實驗室功能間設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 各功能間室內(nèi)參數(shù)表

實驗室通風(fēng)空調(diào)（heating ventilation amp;air-condition，HVAC）采用組合式空調(diào)處理系統(tǒng)。為了保證生物檢驗車的內(nèi)部氣流的單向性，避免送排風(fēng)形式影響氣流組織變化，該車的通風(fēng)空調(diào)采用了全新風(fēng)系統(tǒng)。送風(fēng)系統(tǒng)通過送風(fēng)機保證實驗室所需風(fēng)量，實驗室的送風(fēng)量通過送風(fēng)管道上的閥門或風(fēng)機頻率控制。經(jīng)過上述HVAC系統(tǒng)處理的空氣通過生物安全送風(fēng)凈化裝置（內(nèi)裝HEPA過濾器）統(tǒng)一處理后送入管道，再通過氣流分配器（送風(fēng)口）送入實驗間內(nèi)。

2.5.2 氣流組織設(shè)計

污染控制是高等級生物安全實驗室的核心，其核心技術(shù)是利用階梯壓力和合理的氣流組織來封閉核心實驗室內(nèi)檢驗操作產(chǎn)生的要害氣溶膠，防止其溢出實驗室外，即通過壓力遞減的方式來進行污染控制。

較高等級的實驗室為防止有害因子無序或逆向擴散，實驗室整體區(qū)域氣流方向為由外向內(nèi)，經(jīng)清潔區(qū)流向核心工作間，形成單向（定向）氣流組織，如圖6所示。

圖6 實驗室整體氣流組織

微生物檢驗車BSL-2+實驗間的氣流組織形式為上送下排，即主實驗間送、排風(fēng)口對面布置，實驗間一側(cè)上部均勻布置3個上送送風(fēng)口，另一側(cè)下部底角位置處布置一排風(fēng)口，以形成低污染區(qū)向高污染區(qū)的定向氣流，如圖7所示。

圖7 氣流組織設(shè)計示意圖

空調(diào)送風(fēng)經(jīng)初效過濾器、中效過濾器、高效過濾器三級過濾后，通過送風(fēng)管道、室內(nèi)氣流分配器送入至實驗間和緩沖間。緩沖間入口上方設(shè)送風(fēng)口，緩沖間的排風(fēng)主要依靠其與實驗之間的負壓差作用經(jīng)設(shè)置的百葉孔（內(nèi)裝高效空氣過濾器）送入實驗間內(nèi)。

BSL-2實驗間的送風(fēng)主要來源于2個部分：一是空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)直接送入，二是緩沖間通過百葉風(fēng)口、門滲透。實驗間的排風(fēng)經(jīng)由生物安全防護箱過濾后排出艙外。實驗間內(nèi)的生物安全柜為單人Ⅱ級A2型，其排風(fēng)則直接排入實驗室內(nèi)。

2.5.3 潔凈度控制技術(shù)

潔凈度是生物實驗室內(nèi)空氣環(huán)境的重要技術(shù)參數(shù)之一。車廂內(nèi)潔凈度通過如下設(shè)計保證：實驗間內(nèi)潔凈度要求8級，且為負壓環(huán)境，車廂外部氣溶膠顆?？赏ㄟ^實驗間送風(fēng)風(fēng)道、門窗、孔口、縫隙等進入車廂內(nèi)部，因此，送風(fēng)系統(tǒng)采用高效過濾的方式對空氣中的氣溶膠顆粒進行攔截，以防止污染內(nèi)部實驗因子。高效空氣過濾器對0.3 μm氣溶膠顆粒過濾效率≮99.97%，需對過濾器進行有效安裝，防止氣溶膠顆粒通過安裝縫隙滲漏[10]。

送風(fēng)凈化系統(tǒng)設(shè)置在空調(diào)間內(nèi)，位于艙體左后部。送風(fēng)凈化系統(tǒng)主要由進風(fēng)口、初效過濾器、中效過濾器、送風(fēng)風(fēng)道、空調(diào)機組、風(fēng)機、空氣高效凈化單元、靜壓箱、風(fēng)量調(diào)節(jié)閥、生物密閉閥、出風(fēng)口等組成，如圖8所示。它的主要作用是將進入進風(fēng)口的空氣經(jīng)初、中效過濾器過濾后被空調(diào)內(nèi)機吸入而后由風(fēng)機抽送入高效凈化單元經(jīng)過高效過濾后再經(jīng)靜壓箱、風(fēng)量調(diào)節(jié)閥分配，最終經(jīng)風(fēng)道送入實驗間和

緩沖間。

圖8 送風(fēng)系統(tǒng)流程圖

2.5.4 污染空氣排放處置技術(shù)

實驗間的受污染空氣經(jīng)過高效過濾后，將空氣中混雜的生物氣溶膠攔截濾除后排放到車廂外部，以達到無害化空氣排放要求，防止污染外部環(huán)境。

根據(jù)微生物檢驗車車廂結(jié)構(gòu)和布局要求，排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置在排風(fēng)凈化設(shè)備間內(nèi)，位于車廂的右前部。排風(fēng)系統(tǒng)的主要組成為：生物安全型高效空氣過濾裝置、生物密閉閥、風(fēng)量調(diào)節(jié)閥、排風(fēng)機、出風(fēng)百葉口等。實驗室內(nèi)的受污染空氣經(jīng)由實驗室排風(fēng)口，經(jīng)過高效空氣過濾裝置凈化后通過排風(fēng)機吸入排風(fēng)凈化管道排出艙外，通過風(fēng)機的持續(xù)工作及風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的調(diào)整維持實驗間內(nèi)負壓要求，如圖9、10所示。在靠近生物安全高效過濾裝置近端設(shè)置生物密閉閥，與送風(fēng)生物密閉閥門相對應(yīng)，通過閥門的截止和車廂壁板可將整個實驗室封閉，已達到車廂內(nèi)實驗室熏蒸消毒的目的[11]。

圖9 污染空氣排放原理圖

2.5.5 負壓及壓力控制

生物安全實驗室負壓實驗環(huán)境實現(xiàn)的核心就是送風(fēng)系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)二者之間的協(xié)調(diào)。目前，常用的實驗室壓差控制方式主要有2種：定風(fēng)量控制和變風(fēng)量控制。定風(fēng)量壓差控制是通過控制實驗室的送、排風(fēng)量以保持二者之間一定的風(fēng)量差，該控制方法是一種間接式的壓差控制方法，在運行過程中并不以室內(nèi)壓差作為目標值進行調(diào)節(jié)。對于生物安全實驗室而言，為了保證相對負壓，其送風(fēng)量要少于排風(fēng)量，此風(fēng)量差又稱為“余風(fēng)量”，即為所設(shè)定壓差下實驗室的漏風(fēng)量。

圖10 排風(fēng)凈化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

變風(fēng)量壓差控制是一種主動式的壓力控制策略，它通過電動或氣動風(fēng)量調(diào)節(jié)閥實時調(diào)節(jié)送風(fēng)量或排風(fēng)量，以達到并維持所設(shè)定的壓差。通常是采用定送（保證房間換氣次數(shù)）變排的控制原則，即使用定風(fēng)量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)并維持送風(fēng)量，而變風(fēng)量調(diào)節(jié)閥則實時調(diào)節(jié)排風(fēng)量。

由于該生物檢驗車只有2個區(qū)域，其中緩沖間的體積非常小，且2個房間的氣密性非常好，氣密性越好的房間其壓差控制難度也就越大。為了解決2個房間壓差控制的技術(shù)難題，緩沖間與實驗間的壓差控制分別采用了定風(fēng)量壓差控制及變風(fēng)量壓差控制方式，該技術(shù)策略可有效降低因緩沖間與實驗間之間的密閉門開關(guān)而導(dǎo)致的壓差波動，大大提高生物檢驗車的壓差控制穩(wěn)定性，具體方式為：緩沖間的壓差控制也并非單純的定送定排控制，而是送風(fēng)采用定風(fēng)量調(diào)節(jié)閥控制，而排風(fēng)則是在緩沖間與實驗間的壓差作用下通過可調(diào)節(jié)百葉風(fēng)口排至實驗間內(nèi)，如圖11所示。

圖11 壓差負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)圖

實驗間采用了純壓差控制與漏風(fēng)控制相結(jié)合的

方法，即實驗間的送風(fēng)采用定風(fēng)量控制，其主要由2個部分組成，即管路送風(fēng)及緩沖間的滲透風(fēng)，排風(fēng)采用變風(fēng)量控制，由壓差傳感器將測量的實驗室間與參照區(qū)域（室外大氣）的壓差傳輸至過程控制器，與壓差設(shè)定值比較后，控制器根據(jù)壓差偏差按所設(shè)定的控制算法實時調(diào)節(jié)排風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，從而達到并維持所設(shè)定的壓差。

3 試驗

微生物檢驗車設(shè)計研制完成后，參照生物安全實驗室檢測標準對微生物檢驗車實驗室系統(tǒng)進行環(huán)境控制實驗，包括車廂密閉性、排風(fēng)凈化效果、壓力等。對保證車廂環(huán)境人機功效性能的溫濕度、噪聲、照度等關(guān)鍵指標進行實驗測試，實驗結(jié)果表明，生物檢驗車的各技術(shù)指標均達到設(shè)計要求，采用負壓防護技術(shù)實現(xiàn)核心實驗室內(nèi)部污染空氣安全排放，保證內(nèi)部氣溶膠顆粒不通過門窗、孔口、縫隙等向外界滲漏，且核心實驗間與緩沖間形成壓力梯度。采用上送下排的氣流組織形式，保證潔凈空氣由危險程度低向危險程度高方向形成定向氣流，最大程度地降低對周圍環(huán)境污染的風(fēng)險。采用全新風(fēng)空調(diào)技術(shù)的送風(fēng)模式，保證艙室內(nèi)部換氣要求，減少艙內(nèi)氣流擾動。送風(fēng)經(jīng)初、中、高三級過濾保證車廂內(nèi)部潔凈度，避免檢測樣本受外界因素干擾，從而影響檢測數(shù)據(jù)的準確性和真實性。

4 結(jié)語

本文構(gòu)建了微生物檢驗車系統(tǒng)技術(shù)方案，進行了車輛設(shè)計，開展保障生物安全核心的結(jié)構(gòu)布局、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計，進行實驗室防護性能與人機功效性能實驗，運用人機工效學(xué)設(shè)計理念，綜合集成生物安全防護技術(shù)、車廂密封技術(shù)、通風(fēng)空調(diào)控制技術(shù)等，采用各設(shè)備模塊化組合的思路，針對實驗室核心要素，充分利用有限空間，進行科學(xué)合理布局與設(shè)計，提高車廂內(nèi)環(huán)境舒適性和功效保障能力，構(gòu)建安全穩(wěn)定、人機和諧、先進實用的傳染病現(xiàn)場檢驗技術(shù)平臺。本文研究成果已在西藏自治區(qū)疾病預(yù)防控制中心微生物檢驗車得到推廣應(yīng)用。

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[2]GB 19489—2008 實驗室生物安全通用要求[S].

[3]GB 50346—2011 生物安全實驗室建筑技術(shù)規(guī)范[S].

[4]Word Health Organization.Laboratory Biosafety Manual[M].2nd ed. Geneva：Word Health Organization，1993.

[5]王厚照.野戰(zhàn)環(huán)境下的醫(yī)學(xué)檢驗工作探討[J].人民軍醫(yī)，2002，45（8）：485.

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[10]俞詠霆.生物安全實驗室建設(shè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[11]國家環(huán)境保護總局規(guī)劃與財務(wù)司.危險廢物和醫(yī)療廢物處置設(shè)施建設(shè)手冊[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2004.

（收稿：2014-02-17 修回：2014-03-03）

Development of Microbial Assay Vehicle

ZHAO Ming1,2,ZHANG Zong-xing1,2,NIU Fu1,REN Xu-dong1,WU Jin-hui1,2, YI Ying1,2,HAO Li-mei1,2,LIN Song1,2,QI Jian-cheng1,2
（1.Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China; 2.National Bio-Protection Engineering Center,Tianjin 300161,China）

Objective To develop amicrobialassay vehicle for rapid screening and detection ofpathogen.Methods Shanqi2190 chassis was adopted,and the compartmentwas divided into BSL-2+laboratory,buffer room,and equipment sections for air supply treatment as well as air exhausting and purification.Overall layoutwas performed tomeet the requirements ofmobile laboratory.A combined air-conditioning system was adopted to form the air flow blew from above and one side and exhausted downwards and to the other side.The air flow was from the clean area to the polluted area to purify the air in the laboratory.Results Trials proved that the vehicle could meet the desired requirements.Conclusion The vehicle can realize the negative-pressure isolation in the compartment and the protection of experiment factors against surrounding environment.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（3）：101-105]

bio-safety laboratory;inspection;negative pressure;purification

R318.6；U270.2

A

1003-8868（2014）03-0101-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.03.101

趙 明（1981—），男，碩士，助理研究員，主要從事生物防護技術(shù)與裝備方面的研究工作，E-mail：zhaom@npec.org.cn。

300161天津，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所（趙 明，張宗興，牛 福，任旭東，吳金輝，衣 穎，郝麗梅，林 松，祁建城）；國家生物防護裝備工程技術(shù)研究中心（趙 明，張宗興，吳金輝，衣 穎，郝麗梅，林松，祁建城）

祁建城，E-mail：qijc@npec.org.cn