生物实验室洁净环境控制系统设计研究

赵贺

珠海云物智能科技有限公司，广东珠海 519000

摘要：在一些医学院、制药厂、医院以及医药科研单位对生物实验室的洁净环境有较高的标准，同时十分重视对于相关的生物实验室的环境控制系统的研究和设计，本文主要阐述了如何进行生物实验室对于清洁环境控制系统的研究与设计。

关键词：生物实验室；清洁环境；控制系统；设计；研究

很多不同行业领域广泛应用了生物实验室，例如微生物研究、遗传工程、生物实验、微生物学、电子工程、航天工程等。近年来，生物科学技术水平迅速提高，对于生物实验室的要求也随之增加。通常情况下，一些实力较强的相关企业都设置了生物实验室，一些医药单位在进行关节置换、脏器移植、心胸外科、脑外科等大型手术时广泛应用洁净手术室，还有一部分医药科研企业和制药厂也设置了生物实验室。生物实验室最基本的要求是无菌无尘，必须按照使用工艺标准来确定清洁度级别，按照工艺要求确定控制方案，为了达到相关控制要求，生物实验室还要保持一定的温度、湿度以及压力梯度等^[1]。

1. 生物实验室清洁控制的相关技术指标的设计

国家相关部门对生物实验室的具体技术指标有具体的规章制度，对于不同级别的实验室有不同的分类，主要有以下几种类别，如下图：

1. 空调净化设计

生物实验室设置空调净化系统是为了保证生物实验室内的空气质量，维持生物实验室内温度、湿度的要求，在北方地区，冬季气候较为干燥，需要注意在空调系统中增加干蒸汽加湿器或湿膜加湿器等其他加湿装置。

空调净化系统，通常采用低效、中效以及高效三种等级的过滤方式^[2]。过滤器通常使用金属框架，便于更新或者消毒。生物感染实验室的排风处通常根据实际现状使用中效或者高效过滤器处理，除此之外，还要根据其危害程度，通过臭氧消毒、活性炭或者杀菌灯等措施来净化排除有害气体。

2. 气流及换气量设计

从保证实验室的清洁角度来说，单向流送风方式是生物清洁室最为理想的气流组织形式，但是生物实验室的换气次数低于每小时20次，不属于循环式大风量洁净室，并且难以保证风速低于0.1m/s的要求以及温度和湿度放均匀分布。

据相关实验证明，洁净室顶棚通常使用散流器送风口，回风口设置距离地面0.5-0.6米的四个墙角处。这样的设计气流组织最为有效^[3]。

3. 主要技术指标

1. 生物安全等级： P1、P2、P3、P4级

2. 测量范围：

温度范围：0^oC—50^oC精度±0.3^oC

压力范围：0—50％—100pa，精度20^oC±2.5％MR

湿度范围：10％—95％相对湿度

测量精度（20^oC）

20％—90％相对湿度±5％相对湿度

40％—60％相对湿度±3％相对湿度

3. 空气洁净度：100级、1000级、10000级

4. 工艺控制范围

湿度：夏季：25^oC±1^oC

冬季：23^oC±1^oC

压力（压差）：感染室：（50—70）pa±3pa

湿度：55％RH±5％RH

洁净室：30pa±3pa

2. 控制系统的组成

洁净环境控制系统主要由空气净化系统和温度、湿度、压力控制系统组成^[4]。空气净化系统设置低效、中效、高效三个级别的过滤器进行净化，同时还要增加紫外线灯以及臭氧消毒器等对排出的有害气体进行灭菌消毒净化处理。温度、湿度以及压力控制系统主要由温度、湿度、压力传感器、温控阀门执行器、送风和排风调节阀、单片微处理机以及扩展部分组成。

在整个生物实验室系统的监控中，单片微处理机作为监控核心，主要包括：模数转换电路、CPU、LED显示器以及多路数据采集开关电路等^[5]。一但出现过滤装置的堵塞现象，系统会自动报警，并提示相关工作人员进行更换处理。

空气净化系统的低效、中效、高效三种级别的过滤器设置压差开关，发生故障是能够及时报警并换新^[1]。

空调机组的净化和控制系统如下：

3. 生物实验室的清洁环境控制原理

洁净环境控制原理如图所示：

洁净室内温度传感器和压差传感器将采集到的数据经过传感器内部的直流放大器变为0—10V模拟量信号，传送至多路开关电路按顺序依次闭合传感器输入信号，再通过A/D转换电路输入单片机，按照洁净实验室内设置的温度、湿度、压力经过计算进行自动调节；加热器和表冷器阀门按一定的比例自动调节送风阀门以及回风阀们，保证洁净间对走廊保持一定的压差，并且确保湿度温度满足相关标准^[2]。

空调机组内设置新风温度传感器，当新风温度低于5摄氏度时，加热系统开始工作，预热器打开，将新风温度加热5—10摄氏度，如果预热器阀门全部打开后，新风温度仍然低于5摄氏度，为了避免空调机组预热器冻坏，设置关小或关闭新风阀门程序^[3

^]。在新风预热温度恢复正常时，控制加热器阀门将预热后新风与回风混合加热至预设值。

当新风检测数值高于夏季设定数值时，制冷系统开始工作，控制表冷器阀门将混合流冷却至设定数值。

为了降低能源消耗，空调机组风机采用变频机组送风，根据生物实验室使用期和非使用期，自动调节送风量和风量，维持微正压5—10pa运行，从而降低能源大量消耗^[5]。

四、对生物感染实验室的控制

生物感染实验室主要是进行有害病毒实验的场所，在这样的实验室内进行实验既要保证外界空气对生物感染实验室的污染，还要保证实验室内有毒物质对于外界的泄漏，因此对于进入实验室的空气必须进行粗效以及高效两级过滤，对于排除生物感染实验室的空气必须进行包括中效、高效两级过滤，同时还应该利用空气消毒系统加以辅助，必须要保证从实验室排出的气体不会污染。

与其他实验室的区别在于生物感染实验室主要采用全新风系统，每小时的换气次数在十次左右，在新风进入生物感染实验室之前，必须经过交换器进行加热或者冷却处理，然后再经过两级的过滤置入感染实验室，派出的空气主要经过下部的排风口进行排出，经过过滤和回收相应的冷、热能量后排出。

生物感染实验室内外走廊应该安装压差传感器，测量实验室内外的压差，在所有的实验室门外安装有显示压差的装置设备，为工作人员了解室内压力情况提供参考，室内压差偏离设定值较多，自控设备会自动报警并引起相关工作人员的重视^[6]。

在送风、排风总管以及紧急排风总管上，均设有电动密闭阀以及风机联锁，密闭阀门在风机运行时打开，在风机停止时，自动关闭。

生物感染实验室洁净区不使用时，应该减少排风量和风量，确保不被外界污染影响。降低不必要的能源消耗。

为了保证空调系统具有良好的密闭性，开关机方面必须设置联锁设备，开机时先启动排风系统，联锁打开电动密闭阀延时启动送风机，与此同时，联锁打开送风阀门，然后延时停用排风机，联锁管壁排风阀门。

为了保证能够负压运行，还应该设置单片微处理机自动控制系统。

结束语：

生物洁净环境控制系统设计，主要有生物实验室中的洁净实验室要求洁净间正压运行以及生物实验室中感染试验室要负压运行两种控制形式组成。采用单片处理机系统能够满足洁净间内温度、湿度、以及压力控制的需求，还能够根据实际要求进行调节，使用空调机组风机高速运行送风非使用期低俗运行，维持正压从而确保洁净间不受外界环境污染。根据相关实验使生物实验洁净环境控制系统技术指标达到相关工艺要求，具有稳定可靠运行、自动化控制程度较高，抗干扰能力较强，以及节约能源等特点^[6]。

参考文献：

[1]王虹,赵添,贾琨,等.BSL-3生物洁净实验室自动控制系统设计与调试[C].//首届国际智能与绿色建筑技术研讨会论文集.北京:中国建筑工业出版社, 2005:708-713.

[2]赵明,张宗兴,衣颖,等.机动侦检平台的研制(二)——通风系统及环境控制技术研究[J]. 医疗卫生装备,2015,36(11):30-32,35.

[3]王虹,赵添,贾琨,等.BSL-3生物洁净实验室自动控制系统设计与调试[C]. //全国暖通空调制冷2004年学术年会资料摘要集(2).2004.

[4]陶晓军.浅谈大跨度生物实验室洁净地面施工技术[J].甘肃科技,2008,24(13):131-132,128.

[5]冯庆祥,毕和.生物实验室洁净环境控制系统设计[J]. 应用能源技术,2001(6):43-45.