生物安全柜运行要求及现场检测调研*

2021-08-16中国建筑科学研究院有限公司曹冠朋曹国庆

暖通空调 2021年7期

中国建筑科学研究院有限公司曹冠朋曹国庆

0 引言

作为生物安全的一级屏障，生物安全柜是保护操作者的第一道防线，它可以防止实验操作过程中含有危害性或未知性的生物气溶胶散逸。目前，生物安全柜广泛应用于各级医疗机构、各级疾控中心及疫控中心实验室、科研机构实验室等。由于生物安全柜的广泛应用，其种类繁多，设备质量也参差不齐。另一方面，虽然生物安全柜在出厂前已经过型式检测和出厂检验，但安装后现场检测时仍存在很多问题，如：高效过滤器由于运输或安装受损出现泄漏；生物安全柜风机风量未经过调试，导致送风风速或窗口风速不符合要求。基于此，国内外相关标准都要求生物安全柜在安装、移动、检修及更换高效过滤器后须进行现场检测，以及每年定期检测，以保证生物安全柜在投入使用后能安全运行。通过对生物安全柜使用情况及性能指标的实际现场检测，可以比较全面地反映生物安全柜的综合运行情况，以进一步提出相应的解决措施。

本文结合实际情况分析生物安全柜现场检测验收及实际使用时的具体要求，同时对现有生物安全柜使用及现场验收状况进行调研，综合了解生物安全柜现场检测验收或实际使用过程中存在的具体问题。

1 分类

生物安全柜是一种负压空气净化排风柜，可以防止操作过程中含有危险性生物气溶胶的气体散逸，以达到保护操作者、实验室环境或避免实验材料交叉污染的作用。其工作原理主要是将柜内空气向外抽吸，使柜内保持负压状态，通过垂直气流来保护工作人员。外界空气经高效空气过滤器(high-efficiency particulate air filter，HEPA)过滤后进入生物安全柜内，以避免处理样品被污染，柜内的空气也需经过HEPA过滤后再排放到大气中，以保护环境。生物安全柜一般均由箱体和支架两部分组成，箱体内部含有外排风箱系统、空气过滤系统、前玻璃门驱动系统、控制和报警系统、照明光源和紫外光源等部件。根据欧盟、美国及我国的生物安全柜标准[1-4]，按生物安全柜的结构设计、排风比例和对人员、环境、受试样品的保护程度进行分级，生物安全柜分为Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级，如表1所示。

表1 生物安全柜分类

2 运行要求及现场检测

生物安全柜是重要的一级屏障隔离设备。其生物安全防护性能主要体现在安全柜通过柜体和气流形成的物理隔离来保护操作者、实验材料、实验室环境及室外环境的能力。确保其生物安全防护性能是安全柜运行的基本要求。首先，不同类型的安全柜生物防护性能不同，根据实验室操作微生物危险度级别、类别确定合理的安全柜类型是保证其安全运行的前提；其次，安全柜本身的运行也受到实验室环境的影响，正确的安装同样是保证安全柜安全运行的必要条件；最后，安全柜现场安装后进行现场原位性能检测可以直接确认安全柜使用性能是否达到运行及使用要求，所以现场性能验证是保证其安全运行的重要手段。

2.1 选型及安装

在选用生物安全柜之前首先要明确实验类型、操作微生物的危险度级别及实验室本身的条件：

1) Ⅰ级生物安全柜适用于操作样品不需要进行特殊保护的微生物操作。

2) Ⅱ级生物安全柜使用最广泛，其可提供对操作者、实验样品和环境的综合性防护，主要用于临床、诊断、教学和对群体中出现的与人类严重疾病有关的广谱内源性中度风险生物因子进行操作的实验。

需要特别指出的是，Ⅰ、Ⅱ级生物安全柜主要是靠操作窗口吸入的负压气流或垂直下降气流形成的气流屏障起到保护人员或操作样品的作用，但这种由气流作用形成的局部隔离环境并不是绝对安全的。

3) Ⅲ级生物安全柜可以较高程度地保护操作人员和外部环境，同时兼顾保护安全柜内实验物品。Ⅲ级安全柜适用于操作危险度4级的病原微生物或感染动物。

综上，在进行生物安全柜选型时，必须综合考虑实验操作对象的性质类别、安全防护需求、实验室本身状况及经济节能的需求，使其既能满足实际实验工作的需求，又能达到安全的目的。

生物安全柜是否正确安装也同样影响安全柜的防护性能，应按照实验室操作工艺流程来确定生物安全柜的安装位置。生物安全柜的安装位置的确定要结合实验室内气流组织情况：

1) 生物安全柜一般设于实验室内排风口附近，使安全柜周围的气流不致回流到室内清洁区。

2) 为了不影响安全柜前窗操作口的流入气流，安全柜不要设置在气流剧烈变化和人走动多的地方，在进行安全柜实际现场检测时，发现个别安全柜由于实验室空间的限制安装在实验室送风口下面，送风气流影响安全柜前窗操作口的流入气流，甚至破坏前窗操作口气流屏障作用，导致安全柜操作台面洁净度不合格的情况发生，另外，即使工作窗口进风平均风速符合要求，仍存在如操作人员手臂动作幅度大等可能导致柜内污染空气从工作窗口意外泄漏的情况，此时安全柜上方的实验室送风口会扩大污染空气在室内的扩散范围。

3) 如果实验室有窗户，应处于关闭状态。

4) 考虑到生物安全柜的日常清洁、维修或进行电气安全测试的方便，在空间允许条件下安全柜周围应至少预留300 mm的距离。

此外，安全柜安装时需考虑是否采用外排风方式。Ⅰ级及ⅡA型安全柜的外排气流通常返回实验室，不必向外部排风，但是在操作化学物质时应外接排风管道向室外排风。ⅡB2型安全柜排风必须全部排到实验室外。生物安全柜的排风管道设置方式根据使用要求可分为密闭式和开放式2种，ⅡB2型安全柜的排风须采用密闭式连接方式，不允许向实验室内排风。当实验室内安全柜向排风管道或实验室外排风时，通风空调系统和自控系统的设计应考虑安全柜排风引起风量变化的影响。

2.2 现场性能验证

现场性能参数检测项目主要包括：垂直下降气流风速、窗口进风气流流速、洁净度、噪声、照度、送风高效过滤器检漏、排风高效过滤器检漏、安装距离、气流模式、Ⅲ级生物安全柜运行时与实验室间的负压、手套口风速、Ⅲ级生物安全柜箱体严密性等。根据美国的经验，没有进行以上现场检测项目的生物安全柜，有60%出现问题[5]。从现场实测情况来看，以上现场检测项目均有不合格情况存在。

1) 噪声。生物安全柜噪声超标情况比较普遍，国产或进口生物安全柜都普遍存在这一状况，其中一部分是由于安全柜风速设置过大导致，一部分是安全柜风机本身噪声过大导致，且ⅡB2型安全柜噪声超标情况要高于ⅡA2型安全柜。虽然噪声对生物安全没有直接影响，但对实验操作人员有一定干扰。

2) 照度。生物安全柜照度不足的情况并不多，工作台面照度不足会影响操作人员的舒适性，同时也影响操作人员操作准确性。

3) 洁净度。即安全柜操作面的含尘浓度。洁净度不合格会导致操作材料受污染，进而影响实验结果的准确性。洁净度不合格一般是由几个方面导致：送风高效过滤器老化破损，高效过滤器运输或安装过程中损坏，高效过滤器边框安装不严存在泄漏，生物安全柜垂直气流流速过小不能充分净化工作区，生物安全柜窗口进风气流流速过大或实验室送风口设置在生物安全柜上方，导致实验室内未净化气流穿越生物安全柜工作区。

4) 送风高效过滤器原位检漏。送风高效过滤器是维持生物安全柜洁净度的关键部件，若过滤器出现损坏或过滤器安装不严均可能导致操作工作面洁净度不合格，进而导致操作材料的污染，影响实验结果准确性。实际检测中送风高效过滤器均有损坏或边框安装不严的情况出现。

5) 垂直下降气流流速。实验样品的安全性主要通过垂直下降气流来保证，相关标准中要求流速为0.2～0.5 m/s，如果过低则起不到带走操作过程中产生的生物气溶胶的作用，同时在进行实验操作时对污染的抗干扰性较差，甚至发生实验材料间的交叉污染，过大可能会引起安全柜内气流外逸。相关标准中在规定垂直下降气流流速的同时，也规定了垂直下降气流的不均匀度，要求各测点气流流速与平均风速间偏差不超过±20%或0.08 m/s，气流的不均匀度过大会减弱安全柜防止实验样品间交叉污染的能力，也可能导致安全柜内局部产生气流涡流。

6) 气流模式。通过发烟法可以直观地看到生物安全柜的气流流向，即使安全柜气流流速满足要求，仍可能出现由于结构设计不合理或流速不均衡导致气流模式不符合要求的情况，如操作窗口气流外逸或有气流穿越工作区等。

7) 窗口进风气流流速。生物安全柜对操作人员的保护主要通过从前窗吸入气流形成负压防止安全柜内气流外逸来实现，相关标准中要求不低于0.4 m/s或0.5 m/s。如果过低可能导致使用安全柜时产生的危险性气溶胶外逸，进而对操作人员和实验室环境产生危害；过高则会导致实验室内未净化气流穿越安全柜工作区，造成操作材料被污染。

8) 排风高效过滤器原位检漏。排风高效过滤器是生物安全的重要保障，也是生物安全柜形成一级隔离屏障的重要组成部分，在相关标准中都明确规定生物安全柜的排风必须经过排风高效过滤器过滤后才能排放到环境中[6]。如果排风高效过滤器出现泄漏，可导致生物危险因子外逸到实验室或室外环境中，进而对操作人员和环境产生危害。和送风高效过滤器的情况相同，在实际检测过程中也有过滤器破损或边框安装不严的情况出现。

9) Ⅲ级生物安全柜箱体严密性。箱体严密性是Ⅲ级生物安全柜重要性能之一，也是现场检测的重要性能指标之一。Ⅲ级生物安全柜在正常运行时处于负压状态，一般不会出现危险性生物气溶胶外逸的情况，但是安全柜或排风系统如果突然故障导致停机，这种负压作用形成的屏障将会消失，而良好的柜体气密性可以保证突发状况下的物理隔离，最大程度地防止危险性生物气溶胶外逸。目前，柜体气密性的现场检测通常采用压力衰减法。

10) Ⅲ级生物安全柜运行时柜体内负压。Ⅲ级生物安全柜用于操作危险度4级的微生物或实验动物[6]，所以其安全防护的要求是最严格的，正常工作时内部负压值要求不低于-120 Pa。负压运行实质是对柜体形成物理防护的双重保障，负压运行可进一步保证出现意外状况(如手套破损或柜体有微小泄漏)时，生物气溶胶不发生外逸。

11) Ⅲ级生物安全柜手套口气流流速。避免生物安全风险是Ⅲ级生物安全柜关注的关键因素，Ⅲ级生物安全柜是一个负压密闭箱体，主要通过橡胶手套口进行操作，在操作过程中可能出现手套意外破损或手套脱落的突发状况，在发生意外状况时操作口仍须保证一定的流入气流流速，防止危险性生物气溶胶外逸。

3 现场检测调研

生物安全柜作为实验室重要的一级防护屏障，其生物安全防护性能的验证是保障实验室生物安全措施的重中之重。笔者调研了所在单位现场检测验收的32个实验室、共计138台生物安全柜的检测数据，涉及的机构有医疗机构、疾控中心、疫控中心和科研机构等。本次调研内容包含生物安全柜的型号、安装位置、年度检验等基本情况及生物安全柜现场检测性能参数合格情况。

3.1 使用及维护状况

生物安全柜的型号、安装位置、使用记录及年度检验的合格情况调研结果见表2。

从表2可以看出：使用安全柜的型号基本集中于ⅡA2型和ⅡB2型，其余型号安全柜实际使用的很少，现场检测未见到。目前实验室中使用的安全柜型号大部分为Ⅱ级生物安全柜，并且大部分生物安全柜均能按规范要求进行安装、及时填写使用记录及年度检验，但仍有个别实验室安全柜不符合规范要求，这是安全柜使用中的风险来源之一。尤其个别实验室安全柜不进行现场检测验收即投入使用，或多年不进行现场检测验收，安全柜的使用存在极大的风险。

表2 生物安全柜合格情况调研结果

在实际检测过程中涉及的安全柜安装不当的问题如下：

1) 大部分实验室都存在生物安全柜安装贴墙或贴近其他设备的情况，图1所示为某生物安全二级(BSL-2)实验室某安全柜安装情况，其左右紧挨其他设备，安全柜后侧直接贴墙。一方面，尤其ⅡB2型生物安全柜有外排风机和管道，安全柜不易移动，这样预留检修空间过小影响安全柜的检修和日常维护，也不便于排风高效过滤器的更换；另一方面，生物安全柜属于重要污染源，应该远离其他设备，避免交叉污染。

图1 某BSL-2实验室安全柜安装情况

2) 部分生物安全柜未放置在回风口或排风口一侧，违背了生物安全实验室气流从清洁空间向污染空间流动的原则，不易把实验室内形成的污染空气从排风口及生物安全柜内带走，极易造成室内气流的回流与涡流。

3) 有的生物安全柜放置于通道处或者主实验室间的入口处，工作人员的频繁走动及开关门极易破坏安全柜的气流。此外，还有个别安全柜安装在送风口下，送风极易破坏安全柜的气流，影响安全柜的生物防护性能。

3.2 生物安全柜性能指标

生物安全柜性能指标包括：生物安全柜的垂直下降气流平均风速、工作窗口气流平均风速、气流流向(垂直气流、观察窗隔离效果气流、工作窗口及其边缘气流)、操作面空气洁净度、人员安全性、受试样本安全性、交叉感染、箱体检漏、送排风高效过滤器完整性等[1-2]。这些性能指标是影响安全柜生物防护性能的重要因素。表2中调研的138台安全柜中，有87台ⅡA2型和19台ⅡB2型共计106台安全柜进行了年度现场检测，现场检测得到的各性能指标的验收情况见表3。

表3 生物安全柜各性能指标年度现场检测结果

从表3可以看出：

1) 所检测的106台生物安全柜气流流向指标总体合格率较高，大部分安全柜气流流向能满足规范中明显向内无外逸及无穿越工作区气流的要求。

2) 工作窗口气流平均风速、垂直下降气流平均风速合格率较低。工作窗口气流平均风速、垂直下降气流平均风速是安全柜保护样品、环境及操作者不受污染的重要性能指标，实测发现仍有相当部分安全柜气流流速不满足规范要求，这样的安全柜在实验室中往往不能保证样品不受污染，也不能充分地保护环境和操作者，有一定风险。

3) 仍有一部分安全柜洁净度达不到静态百级要求，这部分安全柜存在样品被污染的风险。

4) ⅡA2型和ⅡB2型生物安全柜噪声合格率很低，可见目前实验室中大部分安全柜存在噪声超标的情况，噪声超标会影响操作人员的舒适性，但其并不是生物安全指标，故不会影响安全柜的生物防护性能。

5) 高效过滤器由于其本身的特殊性，在运输或安装过程中都可能损坏，故即使出厂已经进行检验，在现场检测时仍有部分高效过滤器存在泄漏的情况。送风高效过滤器泄漏会直接影响安全柜的洁净度，而排风高效过滤器泄漏则可能导致操作过程中产生的危险性生物气溶胶外逸污染环境甚至操作者。实测中发现部分安全柜高效过滤器存在泄漏状况，严重影响实验室生物安全。

6) ⅡA2型和ⅡB2型安全柜照度指标合格率较高，可见绝大部分安全柜照度均能满足现有规范的要求。