生物安全实验室的循证设计,你get到了吗?

16:24 - 12/06/2020 | 来自: 医疗建筑师联盟

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生物安全学科早在100多年前就已出现,这是一门安全处理和控制传染性微生物和有害生物材料的学科。人类研究微生物的同时不断地受到微生物的危害,甚至感染严重疾病、危及生命安全。整个世界也不时出现不明微生物,研究人员往往难以预料对此类微生物进行实验的危害程度。为此,建造生物安全实验室就是要在封闭的实验室环境中隔离危险的病原体所需的一套生物安全防护措施。



一)生物安全实验室循证设计的重要性



生物安全防护的基点是绝对安全的,控制措施十分有效。近年来,实验室内造成或出现生物危害多半是因实验人员操作失误、不良实验技术和试验仪器使用或处理不当造成。几乎很少是由于实验室设施问题而引起的。从另一方面来讲,正因为要求绝对受控,相关标准的条文要求以及设施中许多措施是过度的、冗余的。目前国内外许多标准以及大多实验室控制措施的制订都是以专家经验和判断为基础的。是否真正对生物安全防护有效,需要通过国际合作以循证为基础,探讨生物安全实验室的最低的安全标准,这是降低生物安全实验室的建造成本与运行能耗的根本。
循证设计(Evidence Based Design)不同于传统的建筑设计。传统设计将类似的、特定的工程经验或专家意见作为项目设计的依据。其实在类似的项目中,相同的数据和工程技术可能由于具体项目条件或时间与地理等因素导致不同的结果,同时工程技术也在不停地发展,相关的数据和信息也在不停地更新。也许传统设计所依据的知识和资料可能是陈旧过期的信息,因此,必须循证通过多种信息途径来寻求更多的相关的最新信息。近年来,提出用实验室获得性感染(LAI)来评估生物安全性的有效性十分重要。将LAI作为循证的信息依据,分析引起LAI的生物安全风险或操作问题或防护设施缺陷等信息,以此来改进设计,修改相关规范。对此,我国建筑界还没有充分认识到这一点。
总之,循证设计就是有意识地、明确地、审慎地在所有相关领域寻找重要可靠的信息,严谨地做出自己的分析判断,制定出生物安全环境控制策略,以优化设计的决策。这标志着循证设计从基于专家意见的做法转向更加透明、基于循证数据的建议。



二)实验室设施与实验环境控制模式循证



      1910年德国Friedrich Loeffler 在里姆斯岛上(Riems),建立了第一座病毒学研究所。生物实验室是与整个社会分离以隔绝生物危害的模式建造,是早期防护措施。感染动物圈养,实验室只有通风,建设费用与运行能耗很低。随后,美国动物疾病研究所也在梅岛(Plum)上建立了动物疾病中心(图1)。这些孤独、封闭的实验室建筑给人神秘甚至恐怖的感觉。



图1 美国梅岛动物疾病中心



比利时是第一个将核研究所建立在大城市的国家,依托大城市的综合优势极大地推动了学科的发展。生物安全实验室借鉴了核防护设施,从荒岛进入了都市,主要参照核研究设施的防护标准,以及以往的经验教训、共识和专家意见,对其环境控制提出更高要求,使得生物安全实验室标准大大高于其他标准,开创了生物安全近代防护的围堵措施,生物实验室与感染动物饲养进入封闭空间,必须强调设施气密性围护。实验室区域内无窗、密闭、负压、全新风直流式空调系统,新风与排风之间不允许任何形式热回收。又必须保证排出的风、气、水、物完全除菌,才能避免对外环境无害。建设费用与运行能耗极大地增长。如图2的美国堪萨斯州立大学生物安全研究所(BRI),以及图3为美国乔治·梅森大学的生物医学研究实验室(BRL),这些建筑使人感到沉重、严实与安全。

图2  堪萨斯州立大学生物安全研究所(BRI)




图3 乔治·梅森大学的生物医学研究实验室(BRL)



近年来,生物安全相应的法规与条例中的防护要求与设施已经十分完善,现代生物安全实验室建筑完全改变了过去沉闷、压抑与封闭的外观,大开口、大空间、大玻璃,浅色调,呈现出开放、明快、轻盈。使建筑对人与环境更友善。实验区内隔墙上的玻璃窗多了,即使是最高等级的BSL-4主实验室也配置外窗。使实验区更加通透,减轻了内部工作人员的压力。对生物安全环境控制措施提出新的挑战,要求内部的控制设施更为严格、更为完善。围护结构热负荷增加,不利于空调系统节能降耗。由于技术进步,控制模式有了相应转变。更加注重采用先进的自控系统降低运行能耗了。近十年来新建的生物安全实验室建筑充分体现了这点,图4是美国堪萨斯州曼哈顿新建的国家生物和农业防护设施(NBAF)。图5就是全世界著名的最大最高等级的生物安全实验室所在地,位于马里兰州弗雷德里克堡(Fort Detrick)的美国陆军传染病医学研究所(USAMRIID)。


图4    联邦生物和农业防护设施



图5   美国陆军传染病医学研究所




(三)循证基础上理性理解生物安全环境控制措施




生物安全的重要性、生物危害的严重性,要求生物安全实验室的环境绝对受控。而在具体项目的评审与实施过程中又常常以专家的经验和判断为基准。在实施过程中生物安全防护要求又被不断提高,设施措施也被层层加码,常常冗余过度。通风空调系统形式被固化,无人敢改变。使得生物安全实验室的建设费用昂贵,运行能耗巨大,靠提高能源效率来实现节能降耗,十分困难。如何理性看待现有的生物安全实验领域的环境控制措施,哪些真正对生物安全防护有效,哪些是过度冗余,这需要以循证为基础进行探讨、验证、修订。
我国生物安全实验室的标准与规范要高于国外同类的指南或手册,对此要理性理解。相对于西方发达国家,我国生物安全实验室起步较晚,国家标准与规范编制更晚。使得我国的管理模式、管理规程和工作人员的操作或运行等软件方面与发达国家有一些差距。我们往往会采用提高硬件标准来弥补软件方面的不足。
国外对生物安全实验室的环境控制没有提及洁净度级别要求,而我国的《生物安全实验室建筑技术规范》有相应规定。对BSL-3和BSL-4生物安全实验室的主实验室与辅助用房,如内走廊、准备间、内外更衣室,均有洁净度级别要求。一部分是由于我国的室外空气质量问题,时常出现雾霾天气。高级别生物安全实验室都采用全新风的直流系统,尘埃浓度较高的新风在一定程度上会损害昂贵的生物安全柜等设备,减短设备内置高效过滤器的寿命,而生物安全防护实验室的维护检修又是相当昂贵的。我国生物安全实验室的主实验室与辅助用房采用7-8级洁净度应该是合适的。但是也要防范在实际工程中为确保达到洁净度级别而盲目加大换气次数来提高实验室洁净度、繁琐的进出流程与缓冲间等问题,不利于生物安全实验室建设与节能降耗。
生物安全实验室在实验过程中不时产生的有害微生物与生物材料随着排风经过排风装置的高效过滤器可完全过滤除菌排到室外。这些有害微生物和生物材料会在过滤器上富集,使得更换过滤器变得十分危险。这种排风装置必须十分有效才能保证控制好周围的环境,又必须十分安全才能保证维修人员无风险地安装、更换与检测内置的高效过滤器。这种排风装置就是采用核工业标准的袋进袋出的过滤装置(图6)。它的最大的特点是可以原位安装、消毒、更换、检测过滤器时,均在PVC 袋(或者高温袋)保护下进行,过滤器完全不与外界空气接触,从而保证了人员与环境的安全,使得整个更换过程方便快捷。
但是这种排风装置必须按照在ASMEAG-1中列出的质量标准生产,采用14号T-304不锈钢结构,全焊接重型不锈钢结构,其结构强度应至少能承受5000Pa(20英寸水柱)的正压或负压。出厂时要按照ANSI/ASME-N510-1995测试压力衰减。这种核工业生产要求对生物安全实验室是否太高,值得探讨。因此,我们建议理性看待国外的生物安全装置与设备。当前,我国已经生产出生物安全实验室专用的排风装置。


图6  生物安全实验室排风用的袋进袋出的过滤装置





(四)结语



生物安全的重要性及生物危害的严重性都要求生物安全实验的环境绝对受控,因此,建议理性地看待生物安全实验室的相关标准与规范。提倡用实验室获得性感染(LAI)来循证生物安全性的有效性,通过国际合作以循证为基础,探讨生物安全实验室的最低的安全标准,这是降低生物安全实验室的建造成本与运行能耗的根本。另一方面,如今生物安全的新理念、新技术、新设备、新系统在不断涌现,以及国外许多成功实施的经验都值得我国借鉴,也是对我国现有的标准、规范与工程实践提出新的挑战。
循证设计就是明确、明智地利用当前研究与实践,以及与知情的客户一起制定特定项目设计的关键方式。采取这种方式,方能设计出合理、合适、合规的生物安全环境。建议建筑工程界以更开放、更积极的心态主动地参与循证设计,改变过去经验型的设计方法,合理使用循证设计不仅会带来更佳的设计结果,也会引领出更多样化的优秀设计概念,更有利于生物安全实验室的健康发展,也能更有效地降低建设成本与运行能耗。

本文节选至chae杂志,因版面关系特略去参考文献。

刘燕敏  沈晋明  同济大学 上海


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