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生物安全柜的气流分析

发布时间:2020-06-28 05:26  

  第18届国际污染控树学术论坛生物安全柜的气流分析 生物安全柜的气流分析 苏净集团安寨公司 一、介绍近几年,曾不断出现过大范围流行的“BARS”疫倩、禽流感、艾滋病和疯牛病等疾病, 促使我国进一步加快了公共卫生体系的建设,相继对各级疾病预防控制中心、商品的检验检疫 等重要环节加大了投资和管理。随着生物病毒研究、生物技术开发、遗传基因工程、特殊医疗 手术和病房等方面,越来越多的生物安全实验室相继建立和投入使用,生物安全将被得到进一 步的重视。而与之相应的生物安全柜作为非常有效的第一道防御装置正得到广泛的运用。 在生物实验室中造成污染或感染的原因很多,从有关实验室感染事故的分析看,吸入污 染的空气是造成实验室相关感染的主要因素。因为在污染的空气中带有传染性的生物气溶胶 具有传播面积大,爆发性强,感染剂量小等特点。因此作为重要装置的生物安全柜及其正确 使用是避免在实验过程中污染的气溶胶和溅出物对人和环境造成危害的有效手段之一。 二、生物安全柜的定义和原理 生物安全柜的定义是为了操作人员及其周围人员的安全,把在处理病原体时发生的污染 气溶胶隔离在操作区域内的第一道防御装置。 生物安全柜的作用应是围绕着有效地防止污染气溶胶的逃逸,对人和环境起到保护作 用,同时又要控制污染气溶胶的有序流向,对试件起到保护作用等工作展开的。 生物安全柜按结构的设计、排风的比例及保护对象和程度的不同可分为I级、级和 级,其中的II级生物安全柜中A2型又是在目前在微生物研究领域中运用最为广泛的设备之 一。本文也主要是讨论A2型的II级生物安全柜。 表1.目前生物安全柜的分类 循环空气 工作窗口进风 级类型 比例柜内气流 平均速度 保护对氖 别%I级可向室内排风 乱流 >0.40 使用者、环境 Al型 可向室内排风 70 单向流 )0.40 使用者.受试样本 和环境级B1型 不可向室内排风 30 单向流 m不可向室内排风O单向流 在无工作窗进风口时, 主要是使用者和环 当一只手套筒取下时, 境,有时兼顾受试 级或乱流 手套口流入风速)0.7 样本 1657 第18届国际芳染控智学术诗坛 生物安全柜的气流分析 三、生物安全柜工作区的气流 在A2型级生物安全柜运行时,操作者可通过前窗的操作口 在安全柜内进行工作。此时将主要有两股气流会同时进入工作区。 通过安全柜内部的风机将空气送出,经过高效空气过滤器过滤后 的第一股气流以垂直下降的形式流向工作区。其作用是保护受试 产品。同时第二股气流是在前操作窗口向内吸入负压气流,其作 用是保护人员的安全。 首先我们讨论下降气流(downflow air)。 在级生物安全桓中为了保护受试产品,由风机送出经高效 空气过滤器过滤后的洁净空气以一定的速度垂直下降,使工作区 保达到洁净度为IS05(100级)或更高的要求。下面是一台带倾 斜面的生物安全柜的工作区在距周边150nma范围内实测的数据。 图1工作区气流 表2.斜面生物安全柜工作区多层面风速测定值 单位m/s \距离50nun 150mna 250ram 。35(knm? 450tara 550ram 600mm 沿深度行数 A0.420.43 0.40 O.38 0.33 0.20 0,09 B0.34 034 0.35 .。o.3芎 O32025 027 C045 0.45 0.36 .0.34: 035 O.44 045 044032 0.37 0.470.72 0.90 平均 0.43 0.39 0.37 0-370.40 0,43 备注(离操作台面) 600mm 500nml 400nHn 300ram. 200ntrn 100ram 50mm 由表中可知,在工作区内部离下降气流的出风匀流板50ram至350ram为一段相对气流 稳定区域,基本认为是一种层流的状态。我们通常也是在这段区域内靠近台面的这一层作为 考评安全柜下降气流的流速的依据V平均卸.36m/s。 从表中的测量值也反映出由于是倾斜面的移窗导 致的逐渐扩容效果,使得在c行和D行测得的风速有 所衰减,两其变化幅度应在---20%的可控制范围之内。 我们从理论上来分析,如假设此区域中有一污染 的气溶胶为球形状,并假定作为气流中的点源此时安 全柜工作腔内流场应是垂直送风平行气流流场和点源 流场的叠加结果。模拟的污染扩散包络线,会快速的 沿下降气流排出。 图2.平行气流中点源及点源污染的包络线 第伯届国际污染控制学术论坛 生物安全柜的气流分析 其污染半径的经验公式为;R=5.7(1一cosa)“5y 其中:v-—垂直平行气流速度m/s。 因此,从上式中明显可以看出,安全柜的送风风速V。越大,则点源污染半径就越小, 反之则越大。交叉感染的机率就越大。 当我们观察在工作区距出风匀流板350mm至600ram下降气流的流速,从表2可以看出 该区域的气流将逐渐进入不稳定的状态。尤其是450mm至600mm这段范围。在逐步接近 工作台面时测量到的风速会逐渐变小,这也更证明了工作区下部前后两侧的回风是非常有利 于气溶胶快速排出。 另外,对那些没有随下降的气流直接进入 回风道而直接落到工作台面上的气溶胶进行 分析。当污染的气溶胶会与台面产生碰撞(完 全弹性碰撞或非完全弹性碰撞)时,它会产生 弹跳;由于有前后两侧的回风诱导,它就会在 前后方向产生迁移。这时如果下降气流的流速 速过高,气流在接触台面后也会产生散射,并 在即将碰撞台面的微粒下侧时形成切变气流, 促使它“弹跳”和变向滑移。这个污染的气溶 胶粒子则完全有可能会:悬浮一沉降一弹跳, F降气流变化情况反复循环,并在水平方向进行无规则迁移,如果它是“带菌粒子”就会使得工作区域产生相 互交叉感染。因此在工作台面上风速的逐渐变小会更有利于污染的气溶胶做前后方向的定向 流动。通过用生物验证的实验方法进行论认,将下降气流控制在O.3-.0.36 m/s是合适的。 当然特殊情况也是会发生的,如在安全柜的工作区使用酒精灯等明火器具。上升的热气 流会将平衡的下降气流破坏掉。因此在必须使用明火做灭 菌时处理时,要将其火焰尽量调小。 第二讨论生物安全柜用以保护人员的前窗吸入气流 (intl.ow air)。当带斜面的移窗随着向上开启高度的不断 增高,通过的吸入气流平均风速会逐渐下降,从表3可见 尽管靠近操作台面处的风速基本不受移窗升高的变化,但 逐步远离操作台面的吸入风速会明显下降。通过做气流的 流行观察实验,确实能见到外界的空气会不断地沿隔离气 幕外侧流入到安全柜的前吸风槽中。证明安全柜的工作区 整个是处于一个负压状态。证明在此过程中吸入的气流流 量确实在不断增大,这对降低安全柜内污染气溶胶的浓度 图4.吸入气流照片 是有利的。 同时在实验测试过程中发现当移窗开启高度超过250mm后,吸入的气流受外界的干扰 影响波动很大,在工作台面上的气流分界线也会飘移。降低了防止交叉污染的安全性。有时 甚至还会在外界气流的干扰下,工作区内部气流出现外溢的现象。如果是带菌的气溶胶那就 会对人和环境造成危害。因此在生物安全柜中规定当移门超过规定的高度后,控制系统会采 取一些强制的保护措施。 1659 第18届国际污染控制学术论坛 生物安全柜的气流分析 表3.斜面生物安全柜工作区移窗趿入风速测定值 单位m/s \离工作台 80120 160 戮240 290 320 360 400 440 mmmm mm mm mm mm沿宽度列蒙\ A(靠台面) 0.96 0.96 O.95 ,‘I.03、 1.02 O.98 0.87 0.93 0.78 08l B0.44 0.44 ,O.53‘ 053 049 0.48 0.53 055 0.45 C028 0360.36 0.34 0.4l 0.42 O36 Di‘蹙黔“: O,32 0.30 0,37 0.37 037 0.32 E’ii璃j 0.17O29 033 0。36 0。30 0070.23 0.27 034 0.31 O.060.25 0.33 030 0040.26 0.27 0.040.19 0.04平均风速(m/s) 0.96 0.70 0.56 0.470.40 0.39 O.39 038 0.34 影响吸入气流变化的因素还有许多,如由于排风阀的开启度的变化能导致吸入气流的变 化,在工作区放置的试验物品或器材等位置不妥也会影响吸风槽时吸入气流也会发生变化。 通过生物验证的方法测试,我们认为当移窗开启高度控制在200mm,吸入口风速达到 0.5rrds以上时,是完全符合对人体保护的生物验证测试的要求。 四、结语 1、对于一台正常使用的生物安全柜并不是下降气流的流速越高越好。 2、倾斜式操作窗口的生物安全柜虽然出风尺寸与工作台面尺寸不同,但从出风口到操 作穆窗下沿的气流均匀度还是能控制在20%以内的。 3、在正常情况下倾斜式操作窗口的生物安全柜,工作区内的较适宜操作的区域在离工 作台面150ram以上,离周遍150ram以内。这样更有利于保护操作人员和受试产品。 4、倾斜式操作窗口的生物安全操作时移窗高度控制在160mm--250mm时,吸入气流的 平均流速可控制在>10.5m/s。这样既方便工作人员的操作,又对保护人员和环境起较好的保 护作用。 5、下降气流的流速和吸入气流的流速并不是越高越好。在满足生物验证安全的情况下, 要充分考虑制造成本和运行费用问题。特别是要开发生产具有节能和环保型的产品,只有当 你正确使用生物安全柜才能体现其真正的安全性。 【参考文献1 1许钟麟著《空气洁净技术原理》(第三版) 2车凤翔著《空气生物学原理及应用》 3NSF/ANSl49-2002Class(1aminarflow)biosa岛tycabinetry 4ENl2469:2000Bioteclmology--pcrformanoe criteriaformicrobiological safety cabinets 5J]S K3800".2000 Class 11 biological safety cabinets 1660