1苏州净化生物安全柜控制的关键点

生物安全柜是实验室内最为主要的一级屏障设备, 一般对病原生物的处理都是在生物安全柜中进行。生物安全柜根据隔离( 防护) 要求的不同分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级, Ⅱ级生物安全柜又分为A型和B型2种。在一级和二级生物安全实验室中可以使用Ⅱ级以下生物安全柜, 生物安全柜可以采用循环风。而在三级和四级生物安全实验室中必须使用Ⅱ级B型生物安全柜和Ⅲ级生物安全柜, 生物安全柜不能采用循环风, 必须全排。Ⅲ级生物安全柜是一种完全密闭的负压操作柜, 操作员和操作空间完全隔离, 有很高的安全性, 但也造成了使用和操作的困难。实验室大量使用的是Ⅱ级A型或B型生物安全柜, 对于这样的生物安全柜, 保证它的防护作用和集尘能力是比较困难的。生物安全柜的控制目的就是要在保证气流量和节能的情况下满足集尘能力和对操作人员的有效保护。

生物安全柜通常是通过负压开口向柜内吸入气流来达到防护目的, 对实验室工作人员来说, 生物安全柜的集尘能力是关键。与集尘能力相关的几个因素是: 面风速、交叉通风和工作实践。大量的研究与实践经验使人们认识到生物安全柜有效的面风速设定值: 通用的工业标准是 0.3～0.5m/s。但很多研究指出, 在工作人员操作生物安全柜时, 合适的面风速为0.4～0.5m/s, 在这样的面风速时, 生物安全柜能够最大限度地遏制污染泄漏。而一旦面风速超过0.6m/s时, 它会在生物安全柜内造成过大的湍流, 这不仅危及到生物安全柜的集尘能力而且还造成了很大的能源消耗。而在生物安全柜未占用时( 无人操作) , 0.3m/s的面风速可以保证生物安全柜的集尘能力。现在很多设施中, 0.5m/s被接受作为安全运行标准。下面的研究表明,0.5m/s的面风速要求是因为操作人员的存在和移动对集尘效果的影响。

2生物安全柜的控制

Ⅲ级生物安全柜由于是全封闭、全隔离的, 其控制相对简单, 主要是通过对排风量的控制保持柜内与实验室的相对负压。一般运行时为定风量控制, 但需要有应急控制措施, 如当手套破损或安全柜发生泄漏时, 排风系统要立刻提高排风量,使柜内负压达到- 250Pa, 进入柜内的空气流速不低于0.75m/s。而对于Ⅱ级生物安全柜的控制相对要复杂, 由于它不是完全隔离, 其调节门的打开与关闭都会对实验室的压差控制产生影响, 并且出于安全防护的需要必须对面风速进行控制。以下控制方法主要针对Ⅱ级生物安全柜。

2.1 生物安全柜的定风量控制

定风量控制即通过人工调整排风风阀位置, 设定固定的生物安全柜排风量, 此排风量可以保证当调节门处于规定开度时达到希望的面风速( 0.5m/s) 。规定的开度通常用机械的调节门限位块来实现, 通过限位块防止使用者将调节门打开到预定的设置开度以外。但遗憾的是, 操作人员在每天的工作和实验时常常会超越机械限位。如果排风量没有考虑到调节门全开的情况, 就会产生危险的低面风速。同时, 当调节门开度小于规定开度时, 由于采用固定排风量, 因此, 会造成较大的面风速, 在生物安全柜内产生过大的干扰和涡流, 导致从柜中释放出有毒颗粒对其集尘能力构成威胁。另外, 采用定风量系统, 必须按照峰值流量进行设计, 以保证系统的安全性, 因此,生物安全柜总是保持大风量运行状态, 对能源的消耗是非常巨大的, 需要很高的运行费用。

2.2 生物安全柜的双稳态控制

双稳态控制系统实质上仍是定风量控制, 但其在开关机制上显著不同。采用调节门位置开关、光电开关或房间占用传感器与排风流量控制阀联锁, 系统在使用和待命2个状态切换不同的排风量设定。例如, 带房间占用传感器或光电传感器的控制系统会在夜间减小风量, 这可以节省一些能源。带调节门开关的系统, 允许每个生物安全柜根据调节门的位置切换控制风量。当调节门在设定位置以下时, 排风量为可以保证面风速的低流量, 而高于开关点时切换为最大排风量。应该注意的是, 必须将调节门关上才能实现节能。双稳态控制的优点是当操作人员使用时, 将生物安全柜流量增加达到安全的面风速: 当操作人员关闭调节门、离开生物安全柜时, 将流量减小到安全的“待命”面风速。存在的问题是, 在切换点气流的不确定性, 气流可能为高流量也可能为低流量, 这将会影响安全性。根据生物安全柜调节门开关进行双稳态控制的原理见图2。图2( a) 表示: 带调节门门开关的生物安全柜风流量曲线, 开关定位在 20%的开度位置。当调节门在开关点(S) 以下时, 通过通风柜的风量被减小到最小值; 在开关点之上时, 风量增加到最大值。

2.3 生物安全柜的变风量控制( 面风速控制)

生物安全柜的变风量控制是采用面风速传感器或安全柜调节门位置传感器来测量面风速或调节门位置, 根据测量值对排风量进行连续不断的调节, 使得排风量与调节门开度为线性关系。因此, 生物安全柜调节门在不同位置时都能够保证恒定的面风速(0.5m/s)。它能够很好地保证生物安全柜的集尘性能, 并有显著的节能效果。原理图见图3[2]。

由于生物安全柜的面风速始终被控制在保证安全柜最大集尘能力的风速上( 如0.5m/s) , 当操作人员使用时, 若不慎超过调节门限位, 仍能够保证有效面风速, 不至于会产生较低的不安全面风速。同时, 当调节门开度较小时, 也能够避免很大的面风速, 在生物安全柜内造成过大的涡流, 以至对生物安全柜的集尘能力产生影响。因此, 生物安全柜采用面风速控制的有效防护能力比采用前述控制方法要好。从图4可以清楚地看出变风量控制与定风量控制在调节门不同开度时面风速的变化对比。并且, 由于采用变风量控制, 排风量与调节门的开度有关, 系统不必采用最大容量设计, 可以相对节约能源。

3结语

过去很长一段时间里, 生物安全柜和装有生物安全柜的实验室是定风量运行的, 与生物安全柜调节门位置、热负荷或实验室使用情况无关。在这种情况下, 由于设备都是根据峰值负荷来选择的, 使用能耗很高, 这些系统在使用期内有很高的运行费,同时定风量控制系统由于其自身的限制, 使得生物安全柜的防护能力受到威胁。这种情况在20世纪80年代随着变风量( VAV) 气流控制系统的出现而显著变化。由原来的定峰值风量到根据生物安全柜调节门的位置改变而改变风量, 这使得生物安全柜和实验室风量减小。这样, 与定风量(CAV) 系统相比, 在保证实验室安全运行的同时, 还有设备容量和能耗减小的潜力( 注: 当生物安全柜调节门保持开度时, 是不能减小的) 。当然,先进的变风量控制虽然有着性能上的优越, 但也存在设备投资高和维修难度大的缺点; 而定风量控制也有着结构简单、维修容易、设备投资较少的优点。选用什么样的控制方式应该根据操作的风险评估和实际情况来确定。