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技术升级 降低风险—对提高生物安全柜安全性能的建议

 周维华
 
 
    在微生物实验研究中,人与微生物之间最常用的隔离屏障是生物安全柜,作为一级隔离屏障,生物安全柜已被大量应用于生物安全实验室,其安全防护性能直接影响实验室安全。在我国,生物安全柜已应用在基因工程、生物细胞、医疗器械、制药等领域,其安全性能如何满足扩展应用领域的需要已成为一项新的课题。本文从我国目前执行的标准YY 0569-2011《Ⅱ级生物安全柜》角度出发,论述生物安全柜安全性能的提高空间。
 
    期望获得性能改善
    最初,生物安全柜仅用于保护实验人员。当人们认识到微生物实验中样本保护的重要性后,生物安全柜的操作舱就有了垂直层流和洁净气流的概念,生物安全柜从而演变为一个负压通风过滤的箱型操作柜。与暴露的实验操作相比较,Ⅱ级生物安全柜将人员污染风险概率降到了1×10-5。
    基因工程、生物细胞等新兴产业领域期望生物安全柜性能获得持续改善,以满足如下需求:①整个操作舱成为样本受保护的空间范围。现有技术中存在“不受保护区域范围”,生物细胞实验操作中易发生样本污染事件。②持续改善操作舱内部的洁净度等级,并要求相对大于或等于0.5μm直径当量的气溶胶计数上限应小于或等于100颗粒/m3。③洁净度检测的采样点分布调整为距离操作舱内侧壁30mm的边界处,现有技术中100mm边界条件导致样本受保护区域范围过小,样本污染风险大。④正压污染高效空气过滤器与柜体密封结合处应保证无泄漏。现有生物安全柜不能避免基因污染,因为基因片段远小于0.3μm。
 
    安全性能新要求
    整合新兴产业领域要求,Ⅱ级生物安全柜技术性能需要持续改善的项目主要包括以下三个。
    一是“零泄漏”安全保护功能。高效空气过滤器的透过率是可控的,所有安装于生物安全柜的过滤器都经过严格检测。所谓“零泄漏”,是对过滤器与柜体间的密封要求。所有要求样本受保护的应用场合,操作舱内不应存在泄漏的悬浮颗粒物。Ⅱ级A2型生物安全柜的排风泄漏风险危害更大,排风气流是输送到房间环境内的,如气流中含有泄漏的悬浮颗粒物,可能导致实验室污染和人员污染事件发生。
    二是洁净度提高到3级(关注0.3μm直径当量颗粒)。现有技术或GMP规范所述的洁净度等级都关注0.5μm直径当量颗粒,颗粒计数上限3520颗粒/m3,相对0.3μm颗粒的计数上限可能高达10176.25颗粒/m3,这样的空气仍有可能污染细胞样本。持续改善生物安全柜操作舱洁净度的技术主要包括两方面,一方面,可通过物理方法杜绝颗粒物泄漏于操作舱内;另一方面,可通过物理方法消除悬浮颗粒物滞留的条件,高效空气过滤器有效滤芯面积全覆盖操作舱横截面是一项有效措施。已知细菌颗粒的直径当量范围约0.5μm~5.0μm,关注颗粒直径当量的基点落在0.3μm是必要的,更能有效降低细菌污染细胞组织的几率。
    三是颗粒物计数采样点分布于距离操作舱内侧壁30mm处。这是检测方法范畴的考虑,目的是验证操作舱整体满足保护样本的要求。
 
    样本污染原因分析
    操作舱气流盲区,即不受保护的区域范围,是下降气流过滤器有效面积小于操作舱横截面所致。操作舱中心区域因具有大量垂直下降的洁净气流而形成样本受保护区域范围,操作舱周边的气流盲区构成不受保护区域范围。因气流盲区沿操作舱内壁四周呈立体状,因此,不受保护区域范围是一个立体空间范围。
    在小区域空气净化环境内,气流盲区是影响该区域空气洁净等级的重要因素,生物安全柜操作舱的洁净等级受制于舱内净面积与高效空气过滤器的有效截面的比值,比值为1时,无菌作业环境为最优。
    样本在生物安全柜中被污染的原因,主要有以下两种。
    一是热壁效应危害。生物安全柜操作舱是一个气流场与温度场并存的空间,照明灯与风机电机发散的热导致热壁效应。操作台面向上直至散流板的各横截面高度不同,其温度也不同,顶部区域温度最高,构成了气流盲区内悬浮颗粒上升的物理条件。实验操作中,人员动作与器械移动形成的干扰气流使悬浮颗粒进入气流盲区,温度效应使悬浮颗粒沿壁板上移,气流盲区顶部的气流漩涡使悬浮颗粒滞留。当气流漩涡中的颗粒物随边界气流下降时,就会污染样本。
    二是气流模式缺陷。气流模式的薄弱环节突出暴露于距离前窗玻璃内侧25mm且高于额定前窗开启高度150mm水平方向的项目检测中。可视烟雾在气流模式检测中常有烟雾向上反流情况发生,说明该区域范围内悬浮颗粒物不能完全被台面前沿的格栅吸收,样本有被污染的风险。
 
    降低污染风险的设计技术
    下降气流过滤器有效面积与操作舱横截面面积比设计技术(Desi gn t echnol ogy of ar ea r at io,ARD)是降低样本污染风险的主要设计对策。“零泄漏”设计技术(Zer o l eakage desi gn t echnol ogy,ZLD)是降低样本、实验室环境及人员污染风险的第二对策措施。Ⅱ级A2型生物安全柜采用ARD和ZLD综合设计技术,可用于对样本污染特别敏感的场合。
    ARD可消除生物安全柜操作舱左、右、后三侧气流盲区,提供垂直向下洁净空气的气流活塞效应条件;ZLD完全截断了正压污染静压箱内气溶胶颗粒物泄漏于操作舱或房间空气环境的通路。下降气流过滤器出风面与位于生物安全柜操作舱顶部的空气散流板间建立气流引导设计,可使气流扩散至生物安全柜操作舱顶部前沿,实现整个操作舱被洁净气流覆盖。
    上述设计的成效可通过气溶胶光度计扫描检漏、颗粒物计数检测两个方法验证。高效空气过滤器与柜体的密封结合处应实现“零泄漏”,气溶胶光度计扫描检漏方法关注高效空气过滤器与操作舱顶部的结合处,按YY 0569-2011或美国NSF/ANSI 49《生物安全柜:设计,结构,性能和现场验证》标准给出的方法验证。颗粒物计数检测验证按GB/T 25915.1-2010/ISO 14644-1:1999《洁净室及相关受控环境 第一部分:空气洁净度等级》的规定执行。
 
(摘自中国食品药品网)
 
 
 
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