加强型BSL-2 实验室改造设计研究

袁建欣，孙其勇，张晓东，杨孟瑜，陈 曦

（1.天津市疾病预防控制中心，天津 300011；2.山东省疾病预防控制中心，济南 250014；3.中发建筑技术集团有限公司，天津 300392；4.河北工业大学，天津 300130）

0 引言

新型冠状病毒感染疫情的突然暴发给疾控系统带来许多挑战，其中之一是病毒检测的能力远远不能满足需求。将原有的净化实验室改造成检测新型冠状病毒聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）实验室，是一个快速提高新型冠状病毒检测能力的措施。依据加强型生物安全二级（biosafety level 2，BSL-2）实验室标准[1-2]，实验室必须满足洁净度、送排风模式及气流组织、换气次数、温湿度、压力梯度要求[2-4]。实验室防止内部污染物向外界扩散的基本方式为空气负压隔离和机械密封隔离。其中空气负压隔离是指实验室污染区与清洁区具有稳定的压力梯度，实现空气定向流动，从而有效防止污染物向室外环境扩散。要实现空气负压隔离，加强型BSL-2实验室洁净空调系统的设计必须严格按照相关标准规范进行，同时洁净空调要按照固定的控制流程运行。本文以某市疾病预防控制中心加强型BSL-2 实验室改造设计为例，对实验室分区、洁净空调系统设计中的气流组织形式、压力控制方式、系统控制流程等技术要点进行研究。

1 加强型BSL-2 实验室改造设计

1.1 核心实验室布局

改造前的实验室布局如图1 所示，实验室面积约663.5 m2，仅有一个PCR 实验区（包含样品处理间、样本制备间、核酸扩增间和产物分析间）、1 个百级净化实验室和2 个千级净化实验室。这3 个净化实验室均有回风，且没有负压要求，因此除PCR 实验区的样本制备间外其他实验室均不能达到加强型BSL-2 实验室的要求，且样本制备间数量少，严重限制了样本核酸提取能力。根据现有的建筑以及实验室的布局，将原有实验室改建为3 个加强型BSL-2 实验室，以增加样本制备能力，如图2 所示。

图1 改造前实验室布局图

图2 改造后的加强型BSL-2 实验室布局图

根据加强型BSL-2 实验室设计原则，将原净化实验室改造为3 个BSL-2 实验室，每个实验室包括1 个缓冲间（-15 Pa）和1 个BSL-2 核心工作间（-25 Pa）。原有的PCR 实验区进行改建，增加了样本接收间，扩大样本接受能力，并对标本制备间、扩增间实行负压控制，各区域设置了缓冲间[2，5-6]。为防止各功能区之间空气互通，拆除了部分实验室隔断，进行了加固处理，并使得各实验区域的气密性达到BSL-2 实验室的要求。

试剂准备间主要完成试剂的配制、分装和保存等工作，且所有送到该区的试剂材料不能经过其他功能区域。本区域根据功能要求，其气压相对于走廊需要保持正压，实验台置于室内房门两侧，中间过道通向缓冲间，保持通风流畅以及逃生通畅。

标本制备间主要完成样品核酸的提取、样品的混样和测试样品的制备等工作，且所有送到该区的试剂材料不能经过其他功能区域。在该区域内某些实验操作可能会产生气溶胶粒子，为防止气溶胶扩散，污染外部环境，其气压相对于走廊需要保持负压；同时为防止相邻区域气溶胶粒子进入污染内部环境，影响实验样品，内部气压相对于扩增区以及产物分析区需要保持为正压。另外，内部所需生物安全柜选用B2型，其内部所有吸入气流均经高效过滤器过滤后排到室外，可避免标本之间交叉污染，影响测试结果。

PCR 扩增间主要完成核酸扩增、扩增片段的测定、模板的加入等工作。该区域压力为-20 Pa，缓冲间压力为-10 Pa。

PCR 产物分析间主要承担核酸产物分析测定工作，实验过程中可能会用到某些有毒物质，所以需要注重人员的安全防护。该区域压力为-30 Pa，缓冲间压力为-20 Pa，是整个实验区域负压最低的区域，从而保证病毒或有害物质不会向外泄露。

1.2 加强型BSL-2 实验室气流组织重构

本项目的关键是将原有实验室的3 个净化实验室改造为可以进行PCR 测试的核心实验室，由于原有的净化实验室无压差要求且带有一次回风的中央空调系统，虽然不能满足加强型BSL-2 实验室的要求，但具有一定的改造基础，比起新建加强型BSL-2实验室要更加快捷。原实验室各房间的技术参数见表1。

表1 原实验室各房间的技术参数

加强型BSL-2 实验室内部房间要求全部采用全新风洁净空调系统[7-9]，室外新风经粗效过滤，再经送风机、均流、中效、电加热、加湿后送入室内。送风口应安装带有静压箱和孔板扩散板的高效过滤器，实验室排风经高效过滤器过滤后直接排出室外，所有高效过滤段应设置在风机的正压侧。按照加强型BSL-2 实验室设计规范，对原有风道进行改造，改造后的实验室技术参数见表2。

表2 加强型BSL-2 核心实验室各房间的技术参数

根据以上的实验室参数对比，更新了中央空调机组，增加了排风机组，每个核心实验室均采用独立的排风系统。以加强型BSL-2 实验室的3 个核心工作间为例，新的机组配置如图3 所示，其中FAU-N-1单元为改造更新的送风单元，EAF-3-01、EAF-3-02、EAF-3-03 为新增独立排风单元。

图3 加强型BSL-2 实验室的中央空调机组示意图

为了稳定实验室内压力，进入实验室的风道均采用定风量控制风阀（control air valve，CAV），而排风风道采用变风量风阀（variable air valve，VAV）控制，室内增加了室内压力传感器（如图3 中P1～P7 所示）。根据压力传感器的压力信号，调节变风量风阀开度，可对实验室压力和关联附属部分的压力梯度进行调节。

加强型BSL-2 实验室气流组织设计的核心是防止病毒感染操作人员、污染室外环境及避免实验操作产生的气溶胶粒子污染试剂、样本，从而影响检测结果。通过合理设计气流组织形式，选择送、排风口的类型，设置送、排风口的位置，来快速排除室内污染空气。气流组织按照以下原则设置：（1）气流组织由进风量和排风量之差决定，当排风量大于进风量时，能够稳定实现气流从送风口到操作台或生物安全柜的定向流动，同时进风量与排风量应满足换气次数的要求；（2）合理设置送、排风口的位置，使洁净空气先经过操作人员，再流向污染区，保护操作人员的人身安全；（3）加强型BSL-2 实验室设有缓冲间，缓冲间的气密门和核心工作间的气密门形成互锁，当气密门开启时，在压力梯度作用下气流方向从走廊（-10 Pa）流向缓冲间（-15 Pa）或从缓冲间（-15 Pa）流向核心工作间（-25 Pa），保障在开门时气流不会从核心工作间流向缓冲间或者从缓冲间流向走廊。

根据以上原则，本加强型BSL-2 核心实验室及其附属实验室所有功能区房间通风均采用全新风洁净空调系统以及上送风、侧下排的气流组织形式。根据房间面积设置送排、风口数量，确保定向气流经过实验室内绝大部分区域，并且严格控制上送风口、侧下排风口的高度和位置，上送风口上边高度应距地面2.4 m，侧下排风口下边与地面距离为0.85 m。送风口应置于各核心工作间操作台上方，排风口置于操作台一侧墙面，使操作人员处于气流组织的主体气流内。标本制备间内部设置有生物安全柜，为防止送风口影响生物安全柜气流（如通风橱开启时），造成对生物安全柜的气流干扰，所有送风口应远离生物安全柜，而其中一个排风口应布置在生物安全柜附近。

1.3 加强型BSL-2 实验室压力及压力梯度控制

加强型BSL-2 及以上级别生物安全实验室的压力及压力梯度控制方法是实验室建设的关键技术之一[9-12]。应用自动控制的负反馈原理，在进风量恒定时，此时进风量CAV 开度决定了房间的换气次数，通过压力传感器检测室内压力p并与设定值相比较，由可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）控制VAV 的开度即排风量，使得核心工作间在任何时候都处在负压状态，在走廊—缓冲间—核心工作间之间形成压力梯度，该压力梯度决定了气流方向。在图2 所示的BSL-2 实验室压力及压力梯度中，核心工作间压力-25 Pa、缓冲间压力-15 Pa、前室压力-10 Pa、洁净走廊为常压，从而形成一个气流流向核心工作间的压力梯度分布。

加强型BSL-2 实验室所采用的压力控制方法基本可分为变送定排、定送变排、变送变排以及定送定排（大压差）4 种压力控制模式[9-10]。本项目中采用定送变排的控制模式，该模式下送风机采用定频风机，排风机采用变频风机，送风主管路、排风主管路、风量末端均设有风量传感器，送风系统中的风量传感器用来判断送风系统是否工作正常，排风系统中通过对变风量末端的风量传感器的输出信号汇总和计算来控制排风机变频控制器，保持总排风风量不变。每个房间安装压力传感器，根据房间压力传感器输出信号实时对变风量末端VAV 开度进行调节，进而调节房间内部压力。

实验室内的压力与流量的数学模型可通过伯努利方程建立，在没有外界流量干扰情况下压力与流量的关系如公式（1）所示：

式中，p为实验室内压力，负号表示室内压力为负压；QS为送风流量，由CAV 控制；QP为排风流量，由VAV 控制；ρ 为空气密度；K为常数。由公式（1）可知压力p与排风量QP为非线性关系，这会使得压力控制变得极为困难，系统的稳定性难以得到保证。

考虑在系统稳定情况下即房间压力与排风VAV开度已经建立平衡，令Q0=QP-QS，此时房间压力也就是室内设定的压力p0。若存在扰动流量Qr，诸如房间开关门、进风管流量和排风管流量变化等等，必然会影响室内压力使其偏离设定压力p0。考虑由扰动流量Qr引起的室内压力变化量为Δp，则公式（1）可写成

为了使室内压力在扰动流量情况下重新回到压力平衡点p0，将（2）改写成

公式（3）为非线性方程，在p0附近展开泰勒级数，略去高阶项可得

由以上分析可得实验室压力控制系统如图4 所示，PLC 控制系统通过比例-积分-微分（proportionintegration-differentiation，PID）控制算法调节排风VAV 的开度，消除扰动流量Qr，实现实验室压力与压力梯度的稳定[10]。

图4 加强型BSL-2 实验室压力控制系统框图

2 改造效果

改造后的加强型BSL-2 实验室由天津市医药空气洁净检测中心有限公司依据GB/T 16292—2010《医药工业洁净室（区）悬浮粒子的测试方法》、GB/T 16293—2010《医药工业洁净室（区）浮游菌的测试方法》、GB/T 16294—2010《医药工业洁净室（区）沉降菌的测试方法》、GB 505091—2010《洁净室施工及验收规范》和GB 50346—2011《生物安全实验室建筑技术规范》检验并出具检测报告，检测结果全部合格，主要检测数据见表3。

表3 加强型BSL-2 实验室主要检测数据

根据上述测试结果，各房间的洁净度均满足ISO 8 级净化（颗粒数＜3 520 000）要求，风量与换气次数也满足标准要求，并且BSL-2 实验室核心工作间、标本制备间、扩增间及其缓冲间与前室、洁净走廊的压力呈现梯度分布。

3 结语

本文将普通净化实验室快速改造为用于PCR检测的加强型BSL-2 实验室。在改造过程中充分利用了原实验室可利用的部分，并严格遵守加强型BSL-2 实验室的规程，从实验室重新规划布局、气流组织以及压力控制3 个方面进行改造，实际改造项目通过验收并取得良好效果。生物安全实验室的排风过滤系统和压差控制系统是升级改造的核心，但目前行业内缺少支撑可快速改造的模块化装备，该方向可能将是后续研究的重点。