动态工况下SPF级实验兔饲养微环境模拟分析

龚光彩陈盟君安珂慧刘激扬石 星

(湖南大学土木工程学院,长沙 410082)

实验动物作为生物科学研究和发展的重要基础和支撑条件,已经在医学、生物学、毒理学等研究上有广泛的应用。为了获取科学、可靠的实验数据,就需要避免外部环境对实验动物的不利影响。恒温动物能在一定的温度范围内很好地调节生理机能,但当环境温度超过临界值影响生殖性能与生长发育[1-3]。大多数实验动物被安置20℃～24℃空调环境中,是符合人类舒适区的温度。而Gaskill等[4]的研究表明小鼠更愿意待在26℃～34℃的热中性环境中。Helppi 等[5]发现28℃的环境温度对小鼠的生殖健康没有不利影响,表明实际运行中可以使用比建议指标中更高的环境温度,还能在夏季降低空调设备的能耗。相对湿度影响动物的呼吸系统、进食及排便等,而且不同生长时期的动物最佳湿度范围也不同[6]。湿度太低促使大鼠患“环尾症”[7]。湿度越高,实验兔类的脚皮炎症发病率越高[8]。换气次数增加有利于排出室内污染物,也会导致室内气流速度变大,由于实验动物的体表面积与体重比值相对较大,其对风速大小更加敏感,容易导致局部病变如及不正常脱毛[9-10]。氨气浓度会影响小鼠的繁殖率与生长速度,而且饲养密度和环境的温度会影响氨气的浓度,温度升高不利于氨气的溶解[11-12]。规范中对实验动物设施中的各项指标主要是反映动物房的大环境,而大多数实验动物(如实验兔、小白鼠)长期生活在空间小、非自然的笼架或者箱子中。相对于实验动物房大环境,实验动物饲养微环境指贴近动物周围、直接影响其饲养质量的环境,更反映出实验动物的实际生活环境。

实验动物房内有静态和动态运行两种状态,而静态包括空态(无笼架态)及非运行态(无实验动物饲养态)两种状态。静态工况下的实验动物房洁净度容易达到设计要求,而动态下由于动物活动会引起毛发等污染物飞扬[13]。毕波等[14]对某动物屏障设施的静态及动态环境参数进行检测时发现空气洁净度的动态数值普遍高于静态值。国标中规定屏障环境下实验兔房中动物笼具处的气流速度不应大于0.2 m/s,而何婧等[15]发现标准中的换气次数在传统上送下回的气流组织形式下实现小于0.2 m/s 的可能性不大。安珂慧等[16]通过CFD 模拟不同换气次数下的实验动物房也发现动物笼具前端出现大于规定气流速度的位置,因此屏障环境中动态运行下的洁净度要求不容易实现。现行的有关动物环境标准中只规定了静态工况下的参数指标,因此,本文研究旨在通过模拟分析实验兔饲养微环境动态环境参数,为完善我国面向动物福利的动态工况下的饲养微环境参数标准提供参考。

1 材料和方法

1.1 实验动物

SPF 级成年日本大耳兔雄性共24 只,12 周龄,体重2.2～2.5 kg,其购于湖南太平生物科技有限公司[SCXK(湘)2015-0004],饲养在长沙湖南远泰生物技术有限公司一间屏障实验动物房[SYXK(湘)2018-0003],分为两个笼架干性饲养,实验经长沙湖南远泰生物技术有限公司实验动物中心伦理委员会审批(20190021-29),按照3R 原则进行饲养及实验。

1.2 主要仪器

德国Testo 174H 型温湿度自记仪,温度测量范围为-20℃～70℃,分辨率为0.1℃;湿度测量范围为0～100%RH,分辨率为0.1%RH。

1.3 实验方法

1.3.1 实验对象

饲养间的气流组织形式为非单向流,顶送四角回;送风参数为温度24℃,相对湿度60%;笼架几何模型参考不锈钢干养式实验兔笼(3 层×4=12)。实验动物房布置情况请参考表1,图1。

表1 实验动物房详细情况Table 1 Details of experimental animal rooms

图1 实验动物房间布置图Figure 1 Layout of the experimental animal room

1.3.2 实验兔表皮生物传热分析方法

为了简化模型便于计算,本文生物传热研究主要对象为实验兔与周围笼架微环境之间的传热传湿。实验兔的毛发可以类比人体皮肤周围的服装热阻,毛发可以增大皮肤热阻减少与空气的对流换热,起到保温作用。因此本文的实验兔皮肤传热模型参考人体对流换热系数,并考虑修正系数。国内对覆盖毛发的皮肤传热模型研究较少,Bejan[17]对生物传热模型进行大量对流换热研究:

实验动物皮肤表面被大量毛发垂直覆盖,假设毛发密度为常数,即:

其中毛发的分布密度n 是与皮肤表面上毛发的空隙度相关联的,即:

对于毛发部分,相应的能量方程即为传统的肋片导热方程[16]:

其中,Ks 为毛发热导率,h 为周向传热系数,二者均认为常数。

在气流空间内有:

其中,ρCp和Ka分别为气流热容和热导率,U 为气流速度。而沿长度方向的导热因较弱可忽略;nPs表示总接触面积。在较靠近皮肤表面的地方,主要是皮肤与空气对流传热,因而的可忽略;而在远离皮肤表面的部位,气流可看做受毛发影响加热,因而导热项可忽略,即此时,在y 方向气流是等温的。简化后可计算出生理参数(如毛发直径、密度等)对毛发换热情况的规律。

1.3.3 污染源计算方法

动物的尿液会向周围环境进行湿扩散和氨扩散。目前对实验动物房的污染物研究中大多数是将笼架看成一个整体,并没有将具体的污染源细化。本文为了进一步研究微环境特性,将托盘作为实验兔房的唯一污染源。由于实验室中的笼架为干养式,因此托盘中的液体认为全部是来自于实验兔的尿液,托盘作为自由液面向外散湿和散发氨气。

1)湿边界条件

根据前期初步对室内的温度场测量情况,因此在后续CFD 模拟中将托盘内液体温度定为28℃。液面散湿量公式采用以下公式[18]:

2)污染物边界条件

目前关于实验兔氨气排放量的研究较少,本文根据排放因子法[19]计算实验兔排放的粪尿计算氨气量,一只实验兔饲养状态下的散氨量约为0.007 mg/s。

1.3.4 CFD 模型建立

模型前期的网格建立及划分前处理器ICEM 软件,根据实际测量的几何数据以及送风参数建立几何模型。根据上述方法计算,CFD 模型中计算采用的边界条件为:

1)实际兔房四周壁面为绝热壁面,且不产生滑移;

2)托盘作为污染源,散氨量根据计算m=0.007 mg/s;

3)笼具、托盘作为热耦合面处理;

4)假定送、回风口处的气流均匀分布,且速度值的大小不变。

5)换气次数为每小时15 次,送风温度取24℃,送风相对湿度为60%。

6)实验兔边界按照等温体表处理,向周围空气散热、散湿,温度取39℃[20],散湿量的取值按照温度为39℃时相对湿度为60%计算[21]。

2 结果

2.1 气流组织分析

从图2 和图3 对比可知,加入实验兔后实验动物设施大环境中没有明显变化,笼具内部的气流组织更加混乱。由图3b 可知,在笼具内部的微环境中,主要产生小漩涡的地方有贴近实验兔颈部周围,实验兔上背部以及实验兔尾部与笼具、笼架与托盘之间的空间。由图3c 可知,位于笼架第二、三层的实验兔在左右身侧形成了一对气流漩涡,结合图3a 可知这一对漩涡位置在笼具的后上方,而且漩涡面积占据了笼具侧面的3/4,这一对漩涡的存在将会严重阻碍实验兔与外界的对流传热,可能导致动物饲养区出现局部高温、高湿、污染物聚集的情况。

图3 动态工况下的气流组织分布Figure 3 Air distribution under dynamic conditions

2.2 温度场分析

整体来看,实验室内的大体温度流场与笼架周围温度场分布保持一致,但模拟发现笼架外围存在大漩涡阻碍了热质交换,因此导致贴近笼架的周围温度达到26℃～27℃,明显高于周边温度。屏障环境中实验动物生产间温度指标为20℃～26℃,而在靠近实验兔的区域空气温度达到28℃。从图4c 可知,位于笼架中、高层的实验兔在身体上方的部分空间温度达到 28℃ ～30℃。图4d 为 x=1.25 m 截面的温度梯度分布,图中底层实验兔的头部及背部,第二、三层兔子的头部、颈部下侧及尾部和温度梯度达到600。表明兔子周围这些部位的有较大的热流量。而关节部位长时间处于局部大温度梯度、大热流的情况,将会导致关节病变,详见图4。

为了研究微环境参数对实验兔的影响,选取了实验兔嘴部、颈部下方部位的6 个检测点,图中监测点布置在x=1.25 m 截面中兔子周围,坐标情况见表2。

由图5 可知,第三层的实验兔头部前端对应的温度梯度最高,且气流速度达到0.03 m/s。与顶层和底层相比,位于中间层的实验兔头部前端气流速度相比较小,因此中间层实验兔头部温度梯度最小。最高层实验兔颈部下部速度达到0.03 m/s,对应温度梯度最大,中间层次之,底层最小。温度梯度与气流速度分布保持一致。

2.3 相对湿度分析

从图6a 可知,围绕笼具周围出现相对湿度的等值线,湿度峰值靠近笼架后上方,在中心处最小,比周围低了1.0%～2.0%,这一现象和气流组织及温度分布保持一致。对室内大环境进行分析,实验动物房大环境相对湿度保持60%,室内散湿源对大环境影响不大。对笼具微环境进行分析,实验兔和托盘散发的水蒸气在气流的作用下聚集在在笼具后方上侧壁面周围,导致此处相对湿度偏高,最高达到了66%,湿度增加集中在实验兔和托盘液面附近,图6b 显示在笼具内部相对湿度湿度却比大环境低了1.0%～2.0%,这是因为实验兔和托盘散湿引起相对湿度增大的程度低于实验兔对流传热引起的相对湿度变小的程度。参考图6 d,顶层外侧和第二三层笼具后壁面出现高湿情况,相对湿度在63%以上,室内环境下,如果同一位置长期处于高湿环境下,有很大风险出现壁面结露、长霉菌,笼具及托盘生锈等情况,详见图6。

表2 实验兔周围监测点布置情况Table 2 Arrangement of monitoring points around rabbits

图4 动态工况下的温度场分布Figure 4 Temperature field distribution under dynamic conditions

2.4 氨气浓度分析

结合图7a 和图7b,笼架内部与外部大环境相比,整体氨气浓度高了0.1 mg/m3,高氨气浓度区域围绕在中间层的实验兔尾部,氨气浓度达到0.6 ～0.8 mg/m3,结合之前的气流分布图分析,气流从第二层实验兔下面进入笼具内部,在实验兔尾部和笼具壁面之间的空间内产生气流漩涡,因此实验兔尾部氨气浓度较高。从图7c 送风口截面分布图可知,送风气流主流区域因气流速度主导氨气浓度很低,不大于0.1 mg/m3,而在其他区域氨气浓度达到了0.3～0.4 mg/m3。除此之外,结合同一截面速度分布图可知,由于漩涡的存在,笼架中间层第二、三个笼具之间的区域氨气浓度比底层高,达到0.5～0.7 mg/m3。

图5 x=1.25 m 截面中实验兔嘴部及颈部监测点风速值Figure 5 Wind speed values of rabbit mouth and neck monitoring points in x=1.25 m section

图6 动态工况下的相对湿度分布Figure 6 Relative humidity distribution under dynamic conditions

3 讨论

对实验动物饲养环境的调控本质上就是对实验动物的生活区域各项指标的调控,使环境参数维持在实验动物的舒适区内[22],而实际上与实验动物质量密切相关的就是实验动物饲养微环境因素。现行的标准对动态运行中的微环境指标没有明确规定,环境调控策略有待深入研究[23]。因此本文选择根据实测工况通过CFD 方法将SPF 级实验兔房大环境与生活微环境结合分析,首次在模型中考虑重力因素并细化了热源和污染源模型,采用了类比人体来计算实验兔的散热量以及排放因子法计算排氨量的方法,并验证了实验兔等温体表生物传热模型的适用性。

与静态工况下的实验动物房相比,加入实验兔之后的外部大环境变化不明显,而笼架内部微环境流场变得复杂,实验兔两侧的空间以及笼具内部两顶角位置有较大的漩涡产生。局部漩涡的存在会严重影响热量与污染物的扩散,导致笼架环境温度比大环境平均温度高。由于气流漩涡的产生以及笼架内部框架布置情况,导致笼架内部的热质聚集,部分位置环境温度达到28℃～30℃大于指标值,因此在进行数值分析时,忽略笼架微环境和动物的生物传热会严重影响计算结果的可靠性。为了保证动物福利,获取高质量的实验数据,建议将动态运行下的饲养微环境成为评价实验动物福利与实验动物设施的研究重点。

图7 动态工况下的氨气浓度分布Figure 7 Ammonia concentration distribution under dynamic conditions