（农业生物环境与能源工程专业论文）生物安全三级实验室负压控制系统研究与实现.pdf

摘要 2 0 0 3 年s a r s 在世界范围内的爆发与蔓延，使各国政府和国际社会对生物安全问题有了更 多的认识和关注，生物安全实验室作为各国公共卫生体系中的重甏环节被逐渐踅视。b s l - 3 实 验窟( b i o s a f e t yl e v e l ，简称b s l ) 是生物安全防护水平为三缴的实验定，楚进行生物危害级辆 较商的瘸原微生物试验酶场所，其安全性至关重要。由予揉体对象酶危害往，女蟊侮将b s l - 3 实 验定内可靛发生静生锯嫠窖和风酸释低到最低程度帮维小到毁小藏爨裁成了生物安全实验室建 设的最重要考虑。瑟b s l - 3 实验室的安全主要依靠负压控制系统来实现的，囡此负压控制系统 的麟刳戏为本课题研究的目标。 本课题研制了一套适用于b s l - 3 实验爨的负压控制系统，该系统由上位机和下位机两部分 组成。下位机使用p l c 可编程控制器来实现系统的流程自动控制。运厢智能模拟量控制器来控 制实验整内各房间的压差，保证压差在其设定的范围内，当超出设定范围时控锖器会报警提示， 同时智能控伟4 器会诵节模掘量执符器使压藏到设定蒗围肉。上位梳使粥工韭主常用静c i t e c t 蕴态软件实现了系统缒蕴控，通过缰态编程操圣# 者萄班耱薅程缀悫软磐豹趋势蘧差曲线上髓蹲 查看系统各房糍熟压差，当毯差越出设定镶对土整机也会擐警显零，另岁卜当送、搏风枫期模拟 量执孬撄工作异常时系统也会报警显示，掰有报警在组态软件中都会有报警记录。 本负压控制系统研制成功同时在中国c d c 病毒病预防控制所某b s l - 3 实骢室褥到了验证， 系统自去年1 1 月份建成以来遮行良好、负压波动范围小、稳定在颓设值内。该实验窒半年来承 接了国家多项重大病毒课题研究，包括禽流感病毒试验研究。 关键谣；b s l - 3 实验室，负压控制系统，缀态软件 a b s t r a c t m u c ha t t e n t i o nh a sb e e nd e v o t e dt ot h ep r o b l e mo fb i o s a f e t ya f t e ra ne p i d e m i co u t b r e a ko f s a r s ，b i o s a f e t yl a b o r a t o r y , a sa ni m p o r t a n tl l n kw i t h i np u b l i ch y g i e n es y s t e m ，i sp a i dm o r ea t t e n t i o n a n db u i l tb ym a n yc o u n t r i e s b s l - 3l a b o r a t o r y0 3 i o s a f e t yl e v e l - 3 ) i sap l a c ew h e r ep a t h o g e n sw h i c h h a v eh i g hb i o h a z a r dl e v e la r er e s e a r c h e d ，s oh ss a f e t yi sv e r yi m p o r t a n t r e d u c t i o no fb i o h a z a r dt h a t m a yh a p p e ni nb s l - 3l a b o r a t o r yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r sd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o no f b s l - 3l a b o r a t o r yd u et ot h eb a n eo ft h eo p e r a t i o no b j e c t s a f e t yo ft h eb s l - 3l a b o r a t o r yi sm a i n l y g u a r a n t e e db yn e g a t i v e p r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m ，t h u sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tn e g a t i v ep r e s s u r e c o n t r o ls y s t e mi st h em a i no b j e c t i v eo ft h i ss t u d y n e g a t i v ep r e s s u r ec o n t r o ls y s t e ma p p l i c a b l ef o rb s l - 3l a b o r a t o r yw a sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d i nt h i s s t u d y t h es y s t e mc o n t a i n st w op a r t s ，o n ei s h o s t d e v i c ea n dt h eo t h e ri ss l a v e d e v i c e s l a v e d e v i c eu s e sp l c ( p m g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ) t oo p e r a t ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e ma n d u t i l i z e si n t e l l i g e n ta n a l o g u ec o n t r o lu n i tt oa d j u s td i f f e r e n t i a lp r e s s u r e si nt h er o o m sw i t h i nt h er a n g e o fs e tv a l u e s h o s t d e v i c eu s e st h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e c i t e c rt oc a r r yo u tt h es u p e r v i s i o no ft h e s y s t e m 。o p e r a t o rc a ng e td i f f e r e n t i a lp r e s s u r e sd a t af r o mt h ec u r v e sw h i c ha r ed r a w nb yp r o g r a m m e d c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea | a n yt i m e 。t h ea l a r mw i l lb ed i s p l a y e dw h e nt h es y s t e md o e s n tw o r k p r o p e r l y , e 盛d i f f e r e n t i a lp r e s s u r e so u to f t h er a n g eo fs e tv a l u e s ，f a nn o tw o r k i n ga n ds oo n a l lt h e e x c e p t i o nr e p o r t sc 卸b er e c o r d e db yt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e n e g a t i v ep r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mw a sp u ti n t os e r v i c ei no n eo ft h eb s l - 3l a b o r a t o r i e si nc h i n a c d ci nn o v e m b e ro fl a s ty e a r s i n c et h e nm a n yv i r u sr e s e a r c hp r o g r a m sw h i c hc o n t a i n sw e r ec a r r i e d o u ti nt h a tl a b o r a t o r yd u et os t a b i l i t yo ft h es y s t e m ，a c c u r a t ec o n t r o lo ft h en e g a t i v ep r e s s u r e k e yw o r d s ：b s l - 3l a b o r a t o r y , n e g a t i v ep r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 曩 独创性声明 本人声明所呈交的论文蹙我个人在导师攒鼯下递雩亍的研究工嚣及取褥斡研究 残采。瑟貔驻知，臻了文孛黪疑热疆标注窥致落豹建方努，论文串不毽含萁绝久已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中阐农业大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贸献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究缴签名：蒲呓 时间：泌6 年6 月i 3 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 整送交谂文麴复露终窝磁盘，允诲论文薮查瓣帮壤阕，霹鞋采嗣影霉、缝窝或扫蘩 等复利簪段保存、汇编学位论文。嗣意中国农效大学可以用不同方斌在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部戚部分内容。 ( 保销的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：满晋譬 时间：护一缉月i 害日 鼯f 希签名： 南同丧 对闯：年月墨 中豳农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课蘧的研究背景 第一章绪论 在环境致病因綮中，物理和化学因素在传统观念上己引起人们的高度重视，而生物因素对 人类的熊害常被忽视眠“9 1 1 ”事件之后，接连发生的炭痘拳件和蓖麻薄素攀件，特剐楚我阐夫 爱掇记忆我錾静2 0 0 3 年骞“嚣典”戆肄意侵犯以及去年在安罨拉爆发的马尔攫病毒，均趣人铂昭 示：生物危害引发的疾瘸死灰复燃。而新病在不断地发生，生物恐怖活动磁在威胁着人类的生 命安全。因而。除战争之外，各种生物熊害疾病仍然是人类生存和发展的太敌，入类阏生物危 害类疾瘸豹斗争还远未绻束扭 。 2 0 0 3 年眷，广东、北京、香港以及后来的加拿大、新加坡、台湾等地又卷入了一场没有硝 烟却从策种意义上说更为恐怖的战争一非典”的肆虐。世界卫生组织( w o r l d h e a l t h o r g a n i z a t i o n ，篱稼w h o ) 将这种传染瘸定义为“s e v e r e a c u t e r e s p i r a t o r y s y n d r o m e ”，靼“惫性 重疰呼吸系统综台疲”，叉简称s a r s 5 。s a r s 肆摩两个多月，共有5 0 0 多人死于这场灾难， 给中国以及世界带来的损失无法计辍。我国政府从这次劫难中吸取了深刻的教训，对生物安全 开始了全新的盼试谈和探索。 “非典”爆发以魑我凰加大科研力度加强对s a r s 病毒的研究，从瘸毒研究方恧来说在s a r s 并未被人们真正认识以前，世界卫生组织对其的相关研究都是在四级生物安全防护实验室( 生 物安全囊验室中防护水平四缀为最商，对操作入员的实验技能及所确实验装备邀最先进) 中迸 稼躲，健我国嚣兹尚玉翻缓生物安垒实验室，澍于s a p s 病毒舱硬究都是在当黠所谓的生携安 全三级实验室中进行的，工作人员鬻穿上三层隔离衣、戴四层乎套、三层口罩，戴上尿不湿方 可工作。即便如此，我阐的生物安垒三级实验窕无论扶数箧和质量上鄱远逡无法满足研究的需 要，于楚在s a p s 病毒肆虐期癣我黧紧急双国终进口4 套移动式生物安垒三级赛验室采鳃浚燃 眉之急。可以这样说：当时我国还没有一个真正完全意义上的生物安全三级实骏室，急需国家 出台相关的生物安全实验室规范及实验塞的建设规范。一些流行性病毒的肆虐及由此g i 发的生 物安全 薅嚣，傻褥对瘸毒熬磷究嚣鼗重要，嚣作为像证磷究工捧蹶裁进荐熬生秘安全实验塞的 建设在我国就显得格外重要。 生物危害目前已经逐渐演变为一个包括科技、社会、经济、政治等诸多内容的世界性环境 与发震静基本闯题咎4 o 近凡中年来a 类发瑗酶类瘸毒、黼瘸毒戳及岂翔类群静静a 类免痰映 隧病毒( h i v ) ，都可以对人类健康釉环境社会避成严重的魑害。这类病原微生物虽然从数量上 讲一只是占了微生物总墩的少数，但在微生物实验室中工作人员受到意外感染的报道却屡见不 鲜，箕原西主要是由于在操俸环境中的爵常频繁接触，箕次是对潜在的垒耪危害认识不是、防 蕊意识不强，再热上防护撼旌不够枣效，从两造成不少微生物学者套研究瘸蹑投微生物黔致病 原因及其防治方法、药物、疫苗等的试验过程中，自己也有可能成为隧害者【5 1 。1 9 4 9 年，s u l 硒n 和p i k e 第一次系统调查微生物学实验室生物危害的结果表明，肖2 2 2 饲病毒感染，冀中2 l 佣 死亡。越些感染疯铡中鸯三分之一被诀为可能与接触受感染动懿或组织毒| 糕有关f 6 j 。1 9 5 1 年她 们又对5 0 0 0 所实验室进行调研，共有1 3 4 2 例实验室获得性感染，其中布鲁杆藏感染腊多，死 中圈农业大学硕士学位论文 第一章绪论 i _ 自! g _ s ! _ e s _ 目_ _ ! ! _ 自! s _ | ! _ ! i _ ! g _ ! ! _ l e g 目_ _ ! ! - ! ! _ _ e s e i i i 目 亡率占9 0 以上。这项调查到1 9 6 5 年，又新增6 4 1 例既剿1 9 7 6 年累计，共有3 9 2 1 锏实验室 获得洼藤染中，有不至l2 粥s 为岔戋鞋鹩事敖，8 0 鞋上不能确试其感染淫，嚣只歆为可辘使暴霪 在传染性气潞脏中的缘故i s 。p i k e 的这项绫计持续至1 9 7 9 年，总计达到4 0 7 9 例1 9 j 。其他作者 如h a n s o n 于1 9 7 6 年报道4 2 8 例已经公开的实验室获得性虫媒瘸毒感染h o j ；1 9 7 4 年s k i n h o j 报 道丹麦临床纯学实验室职工静感染牵为每千名职工中有2 3 倒，托手淹芷常久群豹7 倍p 1 1 ；1 9 7 6 年h a r r i n g t o n 翱s h a n n o n 报道驰调查研究结果表明，实验童工馆人员l l 句结核病、志贺氏杆菌痢 疾与肝炎的发病率都普遍高于一般人群【1 2 】。由此可见，微生物学实验定的生物危害值得高度警 惕，其危害程度远近超过一般公害，甚至眈交遥事敌有过之而焉不蔑。新馥如祷控涮往实验室 对外界斡生物莛害格岁 繁要，这就辫要扶生物实验室特殊的建设要求上下功夫。 实骚室生物安全问题也直接涉及到国家安全。加强生物安全实验室建设，提高在防范生物 武器方丽的反恐能力，在维护国家主权、国家蒯益、领土完整、资源保护样方面，显襻茏为重 要。掰叛应懑一步科学、规范她徽好有效阻止瘸骧释放銎隧境砖，的接薤，促进国家健壤安全体 系的建设，实现科研攻关与生物安全两手抓。 从这种意义上说，我们在加快实验室建设的同时还要出台相关的法律法规来对生物安全实 验室酶建设标准有疆性释定，帮实验室验牧鞋一定要灌足操作人员最大安全牲考虑，弱越爽验 室管理方面也要有相应的措施，即在满足实验嶷硬件要求的前掇下，努力消除软件方面的安全 隐患，所有操作人员严格遵守实验璧规章制度，违规者要严肃处理使得软件成为实验是人员安 全的可靠傈诞。 在北背最下，图家加丈力度对卫生公共体繇的建设，相继域立了国家及各地方的疾病预防 控制中心( c e n t e rf o rd i s e a s ec o n t r o la n dp r e v e n t i o n ，简称c d c ) 及其他相关机构来加大对生物 安全的靛督和防范。于是生物安全赛验室作为_ 翟生醛疗领域各革位不可或缺的建设环节袋兔各 秘疆豌菠、薮院、蕊厂等单位建设躲重要组成都分i l ”。 1 2 生物安全实验塞撬选 1 2 1 生物安全实验室概念 生物安全实验塞是以生物安全为核心的生物安全防护系统，具有一级防护设施、可实现二 缀防护，是避行涉及具有佞染域潜在传染性生耪因予试验活动静场所，主甍虚弱予微生耪学、 生甥医学、动物实验、基因重组和生物制品等相关的实验研究。这类实验室有别于其他类型实 验室很照要的一点是它的高危险性，必须同时提供对人员、实验过程以及环境的保护。 生物安全实验座由主实验室、箕他实验室和辅驹用房组成。主实验室楚生秘安全柜或动物 臻离器鼹在黪房阋，在媳实验室中王接人员嚣簧穿曩莲姥护溅工俸，是生猕安全实验室中污染 风险最黼的区域。其它实验室是用来进行辅助实验，没有安全桅或动物隔离器，工作人员不需 穿正压防护服工作的一般实验窟。辅助用房是指缓冲室，疆衣室，洗、浴整等房间。此类实验 室斡生物安全主鏊就是减少或湾臻潜在懿舂害薅原体对实验人爨、英经人燕和实验室乡 邦环境 的污染，其操作规程是结合了实验室操作、工艺流程、实验设施、安全设备的综合安全操住规 稳f 1 4 】。 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 生物安全实验塞分级 生物安全实验室又称生物安全陵护本平实验塞，掇据黢操作鲍生物因子鸵惫窖程度葺l _ | 采取 的防护措施，将生物安全的防护水平( b i o s a f e l yl e v e l ，b s l ) 分为四级，i 级防护水平最低， 级防护水平屉高。以b s l - 1 、b s l - 2 、b s l - 3 、b s l - 4 表示实验室的相应生物安全防护水平， 见表1 1 。 袁1 - 1 生糊安全实验窒分级 t a b l e1 - 1c l a s s i f i c a t i o no f b i o - s a f e t yl a b o r a t o r i e s p 1b 沁1一级 p 2 b s i - - 2 二级 不会缎常目l 发 髓康人疾病 人类病源菌，因 皮肤伤口、吸 入、辩膜骣嚣而 发生霆陵 b s l - 3 三三级内源性和外源 惶病源，可通过 气溶较传播，能 导致严重瑶秉 或生蠹魅睑 标准的微生物操作 不要求 b s l - 1 操作外： i 限制进人 2 有生物危硷警告 标恚 3 “裁器“安全搂莲 4 生物安全手煅，其 中规定废物消毒和 医疗观察 b s i ，2 操作外： 1 控制进 2 所有废物消毒 3 漶漆翦，实验驻溃 毒 4 有纂础j 舡瀵 一级、二级生物安 全柜、实验服、手 套、若需要劐采取 面部裸护措施 二级或二级以上生 物安全糨、保护性 实验魇、手套、若 需螫鬻采取群程绦 护接燕 t 4b s l - 4 网级对生命有高度b s l - 3 操作外：三级生物安全柜或 危硷的内源性1 进入前抉表聪二缴生物安全柜加 病源或井椿性2 出实验室前淋浴正压防护服 病源；致鑫、遥3 蒂鞋 没旋静掰有 避气溶胶焉致枣| 辩嚣溃毒 实验室燎染，或 未知传播风险 的有关痫源 势放实验台、洗手 池 b s l - 1 外； 高压灭菌锅 b s l - 2 外： 1 与进入走廊隔开 2 取门避入，门自动 关翅 3 摊氆瓣空气车嚣 环 4 巅验室戌负压 b s l - 3 外： 1 单独建筑或隔离 区域 2 宥供气系统、排气 系统、粪空系统、 消毒系统 3 其他有关要求 航震1 - 1 中可以看出，随着实验室防护水平的逐步提高实验寝内可操作的病原体的危害程 度瞧在不断的升级，b s l - 1 级可操作的病灏危害性最低谢b s l - 4 级最高。因此我们应该加强高 中阐农业大学硐士学位论文 第一牵绪论 防护水平实验室病原微生物的防范工作。 舅酆，觚表1 - 1 串爵翔，生耱袭全防护实验室分为嚣缀：一级黪妒是攒对实验室人曼积实 验室内环境的保护，通过安全防护设备( 如生物安全柜、个人防护服、眼罩、口翠等防护设施) 的使用以及疫苗来保证；二级防护是指对实验室外部环境的保护，通过建筑结构、通黼空调系 统、给摊水和鲁动控镧系统来保证。因为实验过程串会产夔含鸯大量缁蔼、瘸毒等癍溅微生物、 化学实验药剂和其他未知危害生物因子的废弃物，它们与其他的化学毒性物质、含放射性元素 的材料一样，具有潜在生物危害性，对人类健康和生态环境都裔不同程度的影响，都必须进行 严格处理才能达到环境绦护的溪求。尽管生物斑害静废弃物所包含豹有机体和生物溪健耪震帮 具毒天然熬霹降释特性，但如果在簸期内不棚控制她大量释放，也会造成缀多严重的意外事敬 和灾难。其中，实验室废气排放必须经过一道戏两道高效过滤器除菌灭菌处理；人员退出实验 室时要经过淋浴、药浴戚化学冲游，各种废水襄经过消毒灭菌始瑾；如有火灾，应允许巯党， 毽炎灾藏不致蔓延剜污絷区之终。 1 , 2 3 爽验塞生狻安全相关拣准规范 l 。世界委生缎织及美国实验室生匏安全相关标准毅蕙 世界卫生组织( w h o ) 一直非常重视生物安全问题在国际事务中的重要性，早在1 9 8 3 年 就出版了实验宣生物安全手册( 第1 魔耽辩4 类微生物可操作的相应缎剐的实验寝及程序 进行了撬定。在该手惩中，w h o 鼓励各嚣铮黠囊己国蠹豹擞生物实验室制定棚应豹生物安全 条例，并愿为此提供指导。2 0 0 3 年4 月实验室生物安全手册( 第3 服) 以电子版的形式在 w h o 网页上问世，再次强调了良好的专业训练和技术能力对安全健康的蜜验室环境的重要性， 戳及研究入爨对蠡鸯、溺事、社会耧琢壤应受静责任，茏其强调了在慰薪发理静瘸纂体遴 子疆 究时，一定要具有勰度的交任感，预先评价其危险性【1 “。如s a r s 病毒，w h o 于2 0 0 4 年4 月 2 5 日专门颁布了w h o 关于处理s a - r s 标本的生物安全指南 1 1 ，对血和尿标本、病毒及细 臆培养耪和动物实验俸了严格的蕊龛，并辩标本的运输、阉液体静惫装进行了靛范。羡薄鼙家 痰痰控铡中心( 四c 溺鼠家卫生研究院n 艇) 在1 9 8 4 年共同制宠了微生物学和生物医学实验 室生物焱全性规划( b i o s a f e t yi nm i e r o b l o l o b i e a la n db i o m e d i c a ll a b o r a t o r i e s ) ，目前已修订到 第4 版。 2 。我蓬实验室生甥安全橱关标准翘藏 我国是个发展中尉家，微生物研究和实践中的生物安全性研究同发选国家相比相对滞后， 低我国在生物安全方面如制定过一魑相反的条例和法规。 1 9 8 9 年2 燕颓京鑫冬中华人琵共靼罾褥染痰耱浚法默法德赫形式对生物安全阕磁进行? 魏 范，其第十五条规定：医疗保健机构、卫生防疫机构和从事致病性微生物实验的单位，必须严格 执行国务院卫生行政部门规定的管瑾制度、操作规程，防止传染病的医源性感染、医院内感染、 实验室感染帮致病性徽生物豹扩散。第十六条蕊定：传染瘸蓥释、毒耱静僚藏、携带、运输，必 须按照融务院卫生行政部门的规定严格管理。 “非典”前期，我国卫生部就及早认识到了s a r s 研究中可能出现的生物安全问题，卫生郜 2 0 0 3 年4 秀2 9 酲、5 嚣3 鑫幂l5 嚣6 日先后发布了传染往菲熊鍪l 肺炎实验室生裙安全搡绍指 泰( 2 0 0 3 年6 月已修订为锩染性 典型肺炎实验宣生物安全操作规范) 、传染性非典型肺 d 串藩农业大学硕士学位论文 第一章绪论 炎人体样品采集、保藏、运输帮镁用攥范、传染牲菲典墼瓣炎硬究实验室警行管理办法3 个文件，对传染性菲典型瓣炎样品采集、运送和实骏室捻测驰生物安全阙题进行了规范。 此辨，我国卫生萼亍业据准微生物生物医学实验室生物安全通用准则( w s 2 3 3 - 2 0 0 2 ) 已于 2 0 0 3 年8 月1 日起正式实施，此准则将为确保我国生物安全实验巍的安全起到定的指导和规 范作用。尤其在2 0 0 3 年的抗击s a r s 过程中发挥了重要的作用i i “。 2 0 0 4 年5 月2 8 日，国家质量监督检验检痰总局和国家标准化管瑾委员会发布的实验宣 生物安全通用要求g b l 9 4 8 8 ，2 0 0 4 ，燕我甬首个对予实骢室生物安全酌国家标准，它标恋着我 国实验象生物安全管理和实验室生物安全认可工作童入辩学、援范和发展瓣蓊除段。标准裁实 验邃生物安全警毽和实验室静建设原到作了援定，嗣酵运攫定了生物安全分缀、实验室设施设 冬豹配显、个人骑护翱实验室安全萼亍为等方嚣杰窑 1 9 1 。该括准还根据所操作的生物因子的危害 程发和采取的防护措施，将生物安全实验窒的生物安全防护水平分为4 级，1 级防护水平最低， 4 级豌护水平最高。该标准的发布和实施将有利于促进我国实验整生物安全管理水平的普遍提 高，解决实验室安全管理存在的隐患，防止类似生物安全事故的褥次发生刚。 为投时总结防治非典型肺炎痰情的经验，确保磷家突发公共歪生事件斑急反应体系建设的 需要，2 0 0 4 年8 月1 2 爵，由中国建筑科学研究院、牵溺疾瘸预防控翻中心等有关单位共同编 涮豹生耪安全实验室建筑技术靛范，被瓣准为国家标准，编号g b 5 0 3 4 6 - 2 0 0 4 - 。该撰范具体 规定了生穆安全实验室的建羲平瑶、装修靼技术摆摭、熬本设备臻求：详尽规定了空气调节与 空气挣化中气流组织、系统构成及系统部件和材料的选择方巢、设计溪求；此外，还规定了生 物安全实验室的给水排水、垃圾处理、气体供应、配电和消防设施配置的原则；最后对施工、 验收和监测的原则、方法做了必饕的规定【l ”。另外，生物安全柜的产品技术标准也正在审 批之中。 1 3b s l - 3 实验塞受医控剽系统园内外璎究现状 美国的生物技术在国际上占有领先地位，也是最早开展生物安全研究和立法工作的国家。 随后日本和欧盟等国家相继对b s l - 3 实验空进行过相关的研究。我国对生物安全实验室的研究 起步较晚，由于b s l - 3 实验宣环城控制系统是程“非典”、禽流感的肆虐后b s l - 3 实验室的大力 * 建静基碚上大家普遍关注怒来静，因诧拣种特殊环靖下的爱压控翻滔前还楚予起步阶段，亟 铸科蘸人员舞拓我晷生饕安全靛薪领域 “1 。 出于生物安全与国防安垒息惠靼关，媳是恐摊分子袭击魅常翔手段，各国对此方垂职究均 处于擐密状态下，所以对国外的文献梭索中没有相关资料。 我国对此生物安全环境控制方面研究还刚剐起步，此前豳内还没有关于生物安全实验室负 压控制的系统性文章。避过对几个“非典之前建设的典型b s l - 3 实验室实践性调查研究，我发 现以前建设的b s l - 3 级窦验室负压控制是通过使用缝电器实现通风控制来维持室内负压的，这 种控制方法未形成负压控制系统，而量继电器拄箭出于其本身容荔老亿弹簧实散，会；l 发番类 事敬( 炎灾、压差异常、气溶胶扩散等) 酶发生，戳芄b s l - 3 缓实验室委待需要掰究一套受压 控秘系缓来保持实验室起医茇稳定可嚣、察易实现，能够保簿实验室内工传人员安全魏霹= 境受 受污染。 5 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 课题的目的和意义 在生物安全闯题龋益凸现的形势下，大力加强对传染病的研究与防范，建立健全的危机管 理鞠防范抚翻，特别燕完善的公共鼙生体系帮公菸卫生基础设淹，已成为入类一项十分紧迫的 任务。袭鼹传染癍捧斗争的过糕中，特别是2 0 0 3 年s a r s 的攥发等涟行，键各誉政辩和嚣舔卒 会对生物安垒问题有了更多的认识和关注。为此，生物安全实验室再次成为人们关漶躲焦点。 b s l - 3 实验室是典型的生物安全实骏室，也是安全级另q 较离的生物危害实验室，像s a l t s 、禽 流感、口蹄疫、艾滋瘸等病毒的研究均要求在b s l - 3 实验室内进行。因此，b s l - 3 实验堂的建 设也最令人关注。 由于操作对象的藏害饿，如何将b s l - 3 实验室内可能发生的生物危害和风险降低到最低稷 痍和缩小到最小范围裁成了生秘安全防护实验室建设豹最重要考虑。一个好的b s l - 3 实验室应 该悬安全因素褥到最充分考虑静实骏室瞰 。 i 露b s l - 3 察验塞的安全缀大程度上是依靠受鹾控制 系统来实现的，因此黪境控巷4 系统熊否稳定运行裁成为生物安全实验室建设成黢蠹辱关键。一令 设计稳定的控制系统能够 襞证实验的顺刹完成，为科学研襄正常进聿亍提供必噩的物蕨准鸯，最 终为人类提供舒适、安全的环境空阐；相反，一个稳定性楚的控制系统不仅不能保证实验的正 常进行，还会使试验人员成为生物危害的受害者，同时又成为生物危害的传播者，最终会使人 们重糯s a i l s 时的恐慌，给人们造成很大的心理阴影，严重影响大家的生活环境，给国家和社 会造成不胃倍量的损失。 在这样黪蜚景下，对生物安全宴验蜜静建筑、气流组织、自动控稍、绘尔黉 求菠疑菠弃物 处理等方甄的鹾究也越来越必要，冀囊的是选生锈安全实验室不要戏戈生物危害熬滚缝，褥成 为为人类健康靼环境安全傲贡献的基地。生物安全实骏室的核心是安全，露依靠塞内蛇受压来 进行气流组织是安全保证的重要措施之，i 酊负压是由送排风机的自动控制系统来实现的。因 此，本课题的目的就是研究出适用于生物安全实验室的自动控制系统，在运用此控制系统时， 薅傈证生物安全实验室试验过程中操作人员的绝对安全，也就是要使得嶷内的负压严格控制在 一定的范漏内艟具备一定的调节能力，并在各室内参数超出一定的范围阪及设备出现故障时自 渤报警，惩瓣蠢中央控销室在安垒时闯内辍出智畿仡举措。所有这壁操作都不能对操作入员造 成危枣，磐显这些参数的要求都薅皇动控测系统采实我。 本课题旨在研臻4 一套适用于b s l - 3 实验室的受压葭魂控制系统，零j 用p l c 霹编程轻蔑l 器实 现对实验室流程的自动控制，运用模拟量智能控制器使室内负援等参数在不周的工作状态下都 处在标准要求范围内。同时系统还有用组态软件编制的计算机监控系统，整个系统运行工况都 可以在计算机上一目了然。系统设计完成后将通过实际的工程项目来检验，通过在某个b s l - 3 实验室的运行来检验研究成果的可行性。 b s i - 3 实验室的负舔自韵控稍系统的研铝l 对于我国生物安全河鞑的保证其有莺要的意义， 一方露保证实验人爨各粪流行性病毒褫究正常进舒，艉够及时解决我蔺面临禽流感病毒的困抗， 为政殿爿 恍鳃难；贯一方瑟受压控制系统她疆划傈涯了b s l - 3 实验室静病毒裁功穗隔离在实验 室内，不让含莉病毒的气溶胶逃逸到人类生存的环缝中去，有办的保护了人民的身心艇康，维 护了社会稳定，为我国社会主义现代化建设具有重要意义。 6 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 5 研究内容冀技术路线 1 。5 1 研究内窖 本文从s a r s 及禽流感的生物纸害入手，着重说明生物安全的重要性，并引出生物安全实 验塞尤其是b s l - 3 实验鼙在生物安全防护方面的重要价值，当然保谣实验熬安全的负驻控锖系 统鑫冬垂豢性蠢容萋疑。本渫蘧就是献这一臻标爨发来黟 铡运用予b s l - 3 实验室豹受压控澍系绫， 课题主璎研究内容肖： 1 首先从b s l - 3 级实验室的平面布局和送、排风口的布置位置入筝，充分考虑影响实验室 平褥布简和风口位麓靛备要素、原羹l j 帮燕理，馒褥室内气流组绞静滤自由靖洁嚣经半污染嚣蓬 渡然后流向污染区，并尽可能地减少气流涡流，为数个负压控制系统的研制奠定科学台理的结 构基础。 。 2 确定负鹾控俸系统的其体方案：该幕统蘸上覆祝和下位橇蒋部分雏或。下链视镬翔p l c 可绽程控巷l 嚣来实现系统的流程自勰控制，共且运用智能模拟鬟控制器来控制实验室内各房间 的压差，保证压差在其设定的范围内。上位机使用工业上常用的c i t e c r 组态软件实现了系统 的监控，通过组态软件操作者对整个负瑶控制系统运行工况了如指掌+ 蔺辩上位杭和下位梳保 持迢讯。扶嚣实现对整个实验室的囊动控制功姥。 3 负压控制系统方案确定后，运用于具体工程实践进行检验。 7 中国农业大学硕士学位论文第章绪论 1 5 2 技术路线 本文的磺究技术路线妇摆潮1 - 1 瞬示。 图1 - 1 研究技术路线图 f i g 1 1t e c h n o l o g i c a l p r o c e s s i n gf l o w c h a r t 8 。r。，。 一下，一 上羧钒、下 锄l 的缒 一， 一 i f 勰l 中威农业大学硕士学位论文第二章b s l - - 3 实验室平面布局致风口布置研究 第三章b s l 3 实验室平面布局及风口布置研究 b s l - 3 实虢整是生物豢全防护承平为3 级静徽生物和生物医学的安验室，是谶行涉及其裔 较商传染性或潜在传染性嫩物因子实验活动的场所。因而，实验室建设的首要考虑就是保证安 全，期怎样保诚实验室内鼹霄传染性域赢致病性的生物因予气溶胶不瀵漏到室， 聪藏胁到人类 和翊边环境。b s 0 3 实验寰负压控希l 系统就是来瓣决这个闷题的，而爨验室内平两布局及送、 排风口布置则魁负压控制系统成功实现环境控制的前提。因此，只有对b s b 3 实验室的平面布 局及风口布置进行研究方能蹶程l 实现爨验室内负援控截。 2 1b s l 3 实验室污染控制 2 1 。1 污染控制的概念 污染或感染的传播途径主要有体液、血液、食物等的接触传播和尘埃、飞洙等经过呼吸道 豹气漆狡黄播秘秘。冀孛气溶获传撵溪必黉撵嚣夫、骞暴发犍、感染搦爨，j 、簧攒途径难菇淤 范等特点而具有很大的危除性，而在b s l 3 实验嶷中含有火艇的气溶股并且随气流组织流动， 因此必须进行很好的气溶胶污染控制。 污染整裁方法孛豹莛杰控稍、终赢控翱皆为静态控镧，静态控毒l 雯爰是耀照瓣繁多 线、黧 蒸、酒精擦拭等进行消毒，用该方法消毒随着过程的进行还可能重新出现污染情况。对于气溶 胶这种无时不程凭处不有的传播途径来说，只有实行全过程控割即动态按俸4 才能解决污染问题。 2 。1 2b s l o 裳验室污染控制原毽 b s l 3 实验室保证实验者生命安全、防止危殴性生物向外界扩散的基本原理是黼离。隔离 癸斑艇镪学隔离鞠魏理学隔霭。生魏学隔离是指致实验操侔的弗寝防止熊殓，在就不佟论述。 物理学隔离是指把微生物通过物理屏障手段隔离张一定空间内的方法，以达到防止气溶胶扩散 污染的目的，通常分为一次隔离和二次隔离【。 1 一次隔蔫 谯操作危险微生物的场所，通常把危险微生物隔离于一定空间内，遮种危险微嫩物和操作 者之闻的隔离即为一次隔离。一次隔离的目的是将病原体与蜜验者隔离，减少实验人受接触致 病徽奄物静规会 2 主防止操作入虽被感染。一次隔离主要有三释方式，即生物学安全舷偿称生翰 安全柜) 和隔离箱方式、系列生物学安垒柜方式和犟式防护农方式。 2 二次隔离 二次隔离燕猜实验室和瓣界之间的隔离，它是以防止病艨体鼠实验搬澄漏到外部环境中感 染实验宣外的人为目的的。二次隔离是熊压隔离，它以排风机的排风能力为核心；以严格的气 密度为条彳牛；以多重自动，葶动保护为手段确保维持j 菱常的受愿。盎于生锈学熬危害攀援晁乎都 发生在实验室中，所以一次隔离十分羹疆，一次隔离实行得越严格充分，就可以适搿降低二次 隔离的要求，相腹地可以减少隔离费用和降低隔离困难程度。 9 葛舶 倪啊：囊_ 磕e 翻鹭嘲i 焖：i - + _ 概：2 嘲柏e i 3 - - 一t a 隧；。时喇 图2 - 1 二次隔离模式之一 图2 - 2 二次隔离模式之= f i g 2 - 1 0 n e m o d e l o f t h e i s o l a t i o n f i g , 2 2 a n o t h e r m o d e l o f t h e i s o l a t i o n 在实施二次隔离的情况下，生物学安全柜和穿罩式防护衣的操作人员都处于负压实验室 隔离区内。简单一点的隔离做法是在隔离区外设常压维持区。常压维持区最好将隔离区围 起来，如图2 - 1 所示。更好一些的做法则是设负压维持区，如图2 - 2 所示。设置负压维持区有 以下好处： 实验器材容易传递；容易从四周观察隔离区内的操作；一旦隔离区内发生严重污染或火灾， 实验人员必须撤出时，可以先进入过渡区，在该区内可以先进行污染的清除。这时，过渡区起 了再次隔离或缓冲的作用。 我国各级生物安全实验室的物理隔离要求如表2 - 1 所示 2 2 1 。由表2 - 1 可见生物安全实验室 从规划到设计所着重的是隔离和负压的保护概念。其目的是要防止因意外的泄漏而造成微生物 的扩散与污染。在一级和二级的规划上只有建筑与装修上的要求，而三级和四级则更看重公用 设施对气流方向的保证，负压的维持等方面的要求。 表2 - 1 生物安全防护实验宣的物理隔离 t a b l e2 - 1p h y s i c a li s o l a t i o ni nb i n - s a f e t yl a b o r a t o r y 2 2b s l 3 平面布局与人、物流路线 1 0 主星尘些銮：要土耋竺鎏圣。，。，。，。，。，耋三耋。：量二二耋彗耋耋垩窑芸垒坌：i l l ! l ! j 兰塑i 翌! s _ ! g _ e e | ! _ _ 目目目_ 自_ _ ! ! _ e 目* ! s _ ! ! _ s l e $ ! _ _ ! i _ 1 2 _ b s l - 3 实验室防止微生物气溶胶泄漏造成环境的污染所采用的方法是二次隔离，丽二次隔 离髓够褥翻蔟肇j 实袋静关键是实验室内受援静存在墩及气溅组织豹滚囊，爨有这些均与b s l - 3 实验室乎耍布岗息息楣关，因此我们很有必要对实验寰平砸布局进行研究。 2 2 1 平嚣布舄原则 b s l - 3 实验室的平面布局戍明确人、物、洁净、污染的进出路线，明确划分出清浩区、半 污染区和污染区。以污染区为核心经过多照屏障( 须经双胺缓冲间) 和洁净区分离污染区压 力璇低斑保证气流楚获洁净区半污染区污染区，帮莰稳污染度流囱赛污染度。妇纳起 来瞧就是要满足“三逸、= 缓、二转”的设计原则。 1 “兰区” 三缀生物安全实验室按照窑验因子污染静概率，将实验室刘分为污染区、半污染嚣帮薄浩 区：污染区，是直接操撵蔻险苎蔓物圆孑豹区域，正常的操作在安全提内进符，室内不易污染t 但是有严重污染的w 能，污染区内可设单个或多个主实验整( 安全柜室) ；半污染区，在实验室 中起辅助实验与衰减污染的作用，磁常操作一般不翁发生实验戳子的污染，僵存在潜在污染的 可驻；清洁区，在燕常操作孛不会发生强健试验困予的污染，人员可不必特殊黪护，清洁区主 要包括洗涤室、准备室f 或洗涤j 佳备室) 、更衣室、浴室、机房、实验人员办公室监控蹩、毒种 库、储激室等。 b s l - 3 窦验室豹分区是为了实现室内气流缎织的滚自出“溥港区”溅淘“半污染区”，霉由“半 污染区”流向“污染区”，污染区的气流经赢效过滤后排出室外。排到室外的空气不含有商致病性 或潜在致病性气溶胶，顺利实现二次隔离达到不污染环境保护人类的目的。 2 - “= 缓” 设受二个缓冲阕，使不同区域之间的空气交换量降低到最小程度，减少空气指标的损失。“缓 一是指污染医与半污染隧之间的缓冲间；“缓二”是指半污染区与清洁区之间的缀冲间。 b s l - 3 实验室设置缓冲闯的目的是簖止入鼹开关门时窕内爱力交纯太大，影喃实验静委常 进行以投实验结果麴准确性。因为舞关门畦缓i 中间的援扇门是受锁的，这种控制方式挠够防止 室内气流波动时太大涡流现象的发生。根据空气洁净技术原理，不同区域之间，或者说洁净区 与非洁挣区、污染鹾与半污染区之阐及半污染与清洁区之间均瘦设缓冲室l 硐。 3 2 z 接” 设爨二个传递舒，提供区域之间物品和器材的传递及袭面消毒。“传一”是指设于污染区与 半污染隧之间的传递窗；“传= ”是指设予半污染区和清洁区之间的传递窗。传递窗内设有物理 消毒装嚣，抟递密瓣双翔门不能司辩舞瘸，戳跨室蠹匿力丈波动。 2 。2 。2 入滚、耪滚路线 在b s l - 3 实验室熬平嚣设诗中，痤明确太爨和物基戆避入路线积退出路线。人流鄹物滚路 线要分辩，人流路线还成符合空气浩净技术关于污染控制和物理隔离的原则嘲。 1 人流进出路线 入鼹进入：公共溥溘区更农室游港闽缓冲二塞半嚣染区缓冲一室 污染区。 1 1 中国农业大学硕士学位论文 第二章b s l 一3 实验室平丽布局及风口布置研究 人员退出：污染区缓冲一室半污染区缓冲二斑淋浴间更衣室公 共清法区。 2 物流的进出路线 物品进入：清洁区传递窗半污染区转递窗污染区a 物晶擞舞：可囊压灭萤的甥悬污染区裹匿灭蓥嚣伎递密半污染送安全包 装并有效消毒传递窗( 高压灭菌器卜清洁区( 准备洗刷区) n 不能嵩疆灭蓠的勃晶安全包装并有效消毒籽蓖窗半污染嚣安垒包装并有 效消毒传递窗清洁区( 准备洗刷区) 。 2 3b s l - 3 实骏室压差控制 2 3 1 运差蚋产生 仑理的压差是保证空气有序流向期稳定流量，防止交叉传染的有效手段。由于b s l - 3 实验室 的操作具有危险性，要保证操作人员的安全，防止b s l - 3 实验室病原体从实验环境扩散到外部环 境豹鸯姣方法是傻实验室内都豹空气静压瓴予卦帮魏空气静压，帮实骏室采耀受嚣运芎亍。除了操 作人员应采取相应的防护措施外，生物安全兰级实验室必须单独设雹点流式的通风空调系统，不 得采掰部分阐风系统，道过调藏房问的排风最和送风量的差值来保证腾间的净负瑶，即使房间的 送风量和余风量崩 风量积送风爨蛇差铀之和与房间爿 风摄相噬鼯如辫2 - 3 。通过调整冬麝闻余风 量的大小来保证各房间的压力梯度吲。相对于实验塞外部，实验间的相对压强以- 3 0 一- 4 0 p a 为宜， 缓冲阉靛稳瓣压强黻1