生物安全型高效空气过滤装置(以下简称HEPA过滤装置)是一种专门用于生物安全领域的通风过滤装置,内部安装有高效空气过滤器(以下简称HEPA过滤器),并融入了符合生物安全理念的设计,是生物安全实验室最重要的二级防护屏障之一,可有效防止实验室内生物气溶胶泄漏到室外环境。2003年SARS疫情和2004年实验室获得性SARS感染事件暴露了我国生物安全实验室建设的短板,引起了全社会和政府部门的高度重视。2004年,GB 19489—2004《实验室 生物安全通用要求》 ^[1]正式发布,标志着我国生物安全实验室建设、运行和管理迈入了规范化、科学化的发展道路。GB 19489—2008《实验室 生物安全通用要求》重点修订了关于排风HEPA过滤器的要求 ^[2]。当时我国尚未实现相关技术与产品的国产化,这一内容修订有效促进了我国HEPA过滤装置与相关技术的研发。

　　 经过10余年的发展,HEPA过滤装置实现了国产化,并实现了核心技术的原始创新,成功在我国高等级生物安全实验室大范围推广应用。本文对HEPA过滤装置的发展概况进行介绍,对我国HEPA过滤装置的发展历程和成果进行总结,并为GB 19489的后续修订提出针对性建议。

　　 GB 19489—2008重点修订了关于排风HEPA过滤器的要求,共涉及两部分内容:1) 过滤器原位检漏与消毒;2) 安装位置。具体如下:

　　 鉴于HEPA过滤器有泄漏和表面被病原微生物污染的风险,WHO《实验室生物安全手册》要求高等级生物安全实验室“所有的HEPA过滤器的安装必须确保可以进行气体消毒和检测” ^[3]。同样,GB 19489—2008明确规定“应可以在原位对排风HEPA过滤器进行消毒和检漏”。

　　 基于“上送下排”是较“上送上排”更理想的气流组织方式的普遍认识,GB 19489—2004要求三级和四级实验室“送风口和排风口的布置应该是对面分布,上送下排” ^[1],因此SARS疫情后建设的大量高等级生物安全实验室普遍采用了“上送下排”的气流组织方式,即在围护结构侧墙下方安装HEPA过滤器的方式。受当时技术手段的限制,侧墙下方安装HEPA过滤器的方式存在难以或不能对HEPA过滤器进行原位检漏的难题 ^[4]。但随后相关研究结果表明,在设计合理的情况下,“上送上排”和“上送下排”均可形成定向趋势流,两者的颗粒物去除效果区别并不明显 ^[5,6]。同时,由于“上送上排”气流组织方式具有施工简单、便于维护等特点,被国外高等级生物安全实验室广泛采用。因此,GB 19489—2008删除了高等级生物安全实验室气流组织必须采用“上送下排”的强制性要求。

　　 新建的实验室迫切需要研制符合国际先进理念的HEPA过滤装置。国外高等级生物安全实验室自20世纪80年代便开始使用具有检漏和消毒功能的箱式HEPA过滤装置 ^[7,8]。GB 19489—2008颁布后,我国新建的实验室开始采用国外先进的设计理念,比如设置高大的设备层以便于设备维护,但当时我国还没有相配套的HEPA过滤装置,技术储备不足,几乎完全依赖于进口,严重制约了我国高等级生物安全实验室的发展。

　　 已建及一些在建的实验室的改造迫切需要研制满足现有实验室建筑结构条件的HEPA过滤装置。据统计,2008年我国已建成或基本建成的高等级病原微生物实验室有近60个,这些实验室几乎都无可供安装箱式HEPA过滤装置的设备层,已通过认可的实验室存在5年有效期过后不能通过复评审的隐患,如废弃重建,将造成严重浪费和一段时间内疾病预防、控制能力的削弱。为满足国家重大传染性疾病预防控制对高等级病原微生物实验室的需求,迫切需要解决通过改造使这些高等级生物安全实验室符合GB 19489—2008要求的技术难题。

　　 在生物安全领域,HEPA过滤装置除具有最基本的高效过滤功能外,原位检漏与原位消毒是其2个核心技术。

　　 在高等级生物安全实验室中,HEPA过滤器安装完成且实验室达到正常通风运行条件后,需要对HEPA过滤器的完整性进行现场检测,通常只检测因安装问题或过滤器损坏造成的明显渗漏,称为原位检漏,有别于过滤器生产厂进行参数标定的出厂检测。

　　 HEPA过滤器检漏方法可以分为2种:效率检漏法和扫描检漏法。扫描检漏法是通过采样头在靠近过滤器出风面的位置沿HEPA过滤器的所有表面及HEPA过滤器与装置的密封连接处以固定速度移动,测试局部透过率以判断过滤器是否发生泄漏。效率检漏法是通过测量HEPA过滤器上、下游气溶胶浓度,计算其过滤效率(或透过率),进而判断HEPA过滤器及其安装边框是否发生泄漏。两者均为目前国际通用方法。最初采用效率检漏法对HEPA过滤装置内部HEPA过滤器进行原位检漏 ^[8],但随着国外对生物安全的重视日益加深,开始出现具有手动扫描检漏功能的HEPA过滤装置。由于手动扫描存在操作不便,且稳定性较差的缺点,美国和瑞典的一些公司相继研发了具有自动扫描检漏功能的HEPA过滤器单元 ^[9,10],可以更精确地识别并定位漏点,其可靠性大大增强。

　　 为最大限度保证效率检漏法检测结果的准确性,过滤器上、下游紧靠过滤器断面上的气溶胶浓度应分布均匀,以保证在上、下游采样点检测气溶胶浓度具有代表性。在GB 50346—2011《生物安全实验室建筑技术规范》 ^[11]发布前,我国相关标准还未就过滤器下游气溶胶的混匀性进行要求,缺少标准依据。为此,在研制国产效率检漏型HEPA过滤装置 ^[12]时,参考美国标准ASHRAE 52.2-1999《一般通风用空气净化器计径效率实验方法》 ^[13]对下游采样点气溶胶的混合性能进行了测试,解决了下游气溶胶混匀性检测的无方法和指标问题。

　　 相较于效率检漏法,扫描检漏法所采用的机械结构复杂,但是可以识别局部的微小漏点或缺陷,其测试精度明显高于效率检漏法 ^[14]。为了弥补效率检漏法测试精度低的缺点,美国IEST-RP-CC 001.5:2009《HEPA和ULPA过滤器》建议采用效率检漏法进行检漏时采用双风量检测,即20%额定风量与100%额定风量,因为在低风量时有漏点的过滤器的过滤效率会低于额定风量下的过滤效率 ^[15]。但由于生物安全实验室压差梯度较多,通风系统调试难度较大,现场开展双风量检测并不现实。所以应尽量采用扫描检漏法对HEPA过滤器进行检漏。

　　 目前,国际上多个标准针对原位检漏的方法选择进行了明确要求。比如美国的《微生物和生物医学实验室生物安全手册》(以下简称BMBL)(第5版) ^[16]与加拿大的《兽医生物安全设施防护标准》 ^[17]均要求生物安全四级实验室的HEPA过滤器必须采用扫描检漏法进行原位检漏。

　　 HEPA过滤器原位消毒是HEPA过滤装置在生物安全领域应用有别于其他应用领域最典型的技术特征。HEPA过滤装置气体消毒方法主要有2种:气体局部循环消毒法和实验室气体整体循环消毒法,分别适用于不同结构形式的HEPA过滤装置 ^[18]。箱式HEPA过滤装置对内部HEPA过滤器进行原位消毒通常采用气体局部循环消毒法,也可以采用实验室气体整体循环消毒法。对于在室内安装的HEPA过滤器单元,由于无法独自形成密封腔室结构,则主要采用实验室气体整体循环消毒法 ^[19,20]。目前,国内学者已开展了不同消毒剂对箱式HEPA过滤装置内HEPA过滤器消毒效果的研究 ^[21,22,23]。

　　 在部分欧美国家,采用“袋进袋出”(bag-in/bag-out)方式更换过滤器可作为原位消毒的一种替代方式。例如,欧盟标准EN 12128:1998要求生物安全三级与四级实验室的排风HEPA过滤器的安装必须确保可以进行安全更换,并不限定具体方式 ^[24]。WHO《实验室生物安全手册》则要求用于生物安全四级实验室的HEPA过滤装置应可在过滤器更换前进行原位消毒,也可以将过滤器装入密封的、气密的初级防护容器以备后续进行灭菌或焚烧处理;美国BMBL(第5版)要求生物安全三级实验室的HEPA过滤器箱体应安装消毒接口或袋进袋出装置(具备适当的消毒措施),同时要求生物安全四级实验室的HEPA过滤装置在更换过滤器之前进行原位消毒。但是,美国在1999年颁布的BMBL(第4版)则要求生物安全三级和四级实验室防护区的送排风HEPA过滤装置应可在更换过滤器前进行原位消毒或装到密封袋中进行后续消毒处理或焚烧处理 ^[25]。由此可见,美国在使用袋进袋出方式更换过滤器作为替代原位消毒这一做法上已开始持谨慎态度了。具体的原因可能有2点:一是采用袋进袋出方式更换过滤器需要由经过严格培训的专业人员进行操作,专业性强且过程烦琐;二是HEPA过滤器边角通常比较尖锐,操作不当则有可能划破更换袋,甚至划伤操作人员,未经原位消毒则有可能造成严重事故。由此可见,源于核工业的袋进袋出更换方式若直接应用于生物安全领域是有其局限性的。同时,实践也证明了袋进袋出更换方式并非HEPA过滤装置的标配,例如澳大利亚动物卫生研究所在1985年建成并投入使用的大动物四级实验室中所应用的HEPA过滤装置选择了原位消毒而非袋进袋出更换方式,已使用30余年,且运行良好,未发生病原微生物感染或泄漏事件。

　　 2008年之后,也就是GB 19489—2008(报批稿)的修订内容正式确定后,在科技支撑计划、传染病防治科技重大专项、国家重点研发计划项目等相关科技计划的支持下,我国相关科研机构开始对HEPA过滤装置及关键技术进行奋力攻关,正式进入科技创新发展阶段 ^[26]。

　　 过滤器扫描探头采样口的形状一般为正方形或矩形,大多为矩形。扫描机构可以采用单个探头,但要进行x-y双向运动,运动控制机构较为复杂,多为工厂过滤器检测台所采用。另一种方式是增设多个采样探头组成一排,探头只在一个方向运动,这种机构较为简单,但需要使用探头自动切换装置或手动切换。由于常规矩形采样探头定位区间小,突出了其精确定位漏点的功能,如果发现漏点,工厂可对其局部进行修补。但在生物安全领域,一旦检测到过滤器泄漏,即便是过滤器已完成消毒,也不允许拆下过滤器进行临时修补后再次使用,这样也就无法体现扫描检漏这一精确定位功能的优势。同时,这种扫描检漏装置也存在工作周期长、配套仪器多的问题。

　　 为了解决上述问题,国家生物防护装备工程技术研究中心研制了另一种形式的扫描采样探头,该采样探头与过滤器出风面等宽,采样口为狭缝,呈线状,只需由上到下运行一次即可完成对整个过滤器的检漏作业,根据其运行方式可以称为线扫描法。2009年,线扫描检漏装置的漏点识别能力通过了国家建筑工程质量监督检验中心的检测,结果显示线扫描检漏装置可准确识别并定位漏点(人造针孔漏点),如图1所示,3个漏点分别位于过滤器靠近边框处、1/4位置处和中间位置处。

　　 相关的发明专利“高效过滤器线扫描检漏系统” ^[27]分别于2014年和2015年获得天津市专利金奖和中国专利优秀奖,该技术突破了国外产品采用矩形扫描采样头对HEPA过滤器进行逐段扫描检漏的传统思路,实现了核心技术的创新。

　　 由于气体熏蒸消毒的实际消毒效果受消毒剂种类、剂量、消毒容积、温湿度、作用时间、过滤器滤料穿透性等多种因素影响,其消毒效果存在较大的不确定性,特别是汽化过氧化氢消毒 ^[22],给HEPA过滤器更换及其检测维护带来极大的安全隐患。为此,进行消毒效果验证成为确保达到气体消毒要求的关键一环。在我国GB 19489—2008颁布后,第2年美国就发布了BMBL(第5版),其中就要求生物安全四级实验室防护区的送排风HEPA过滤装置应具有在更换过滤器之前进行原位消毒和验证的功能,其技术要求较BMBL(第4版)显著提高。由此说明,美国生物安全领域的相关专家也意识到了消毒效果验证的重要性。

　　 在美国BMBL(第5版)发布前,我国的相关研究人员已意识到并率先解决了该技术难题。为实现HEPA过滤器的原位气体消毒效果验证,国家生物防护装备工程技术研究中心研发了一种可安装于HEPA过滤装置的原位消毒验证装置 ^[28]。该装置由箱体连接端、密闭隔离阀、腔室、网杯及密封盖组成,其内端与装置箱体内部相通,中部设置密闭隔离阀,外端设置密封盖,在密闭隔离阀与密封盖之间设置一段腔室用于放置网杯,网杯则用于放置验证消毒效果的生物指示剂,腔室另一端与密封盖密封连接,如图2所示。该装置可安装于箱式、风口式等多种结构的HEPA过滤装置上,也可安装于气体循环消毒装置上,其安装位置通常位于HEPA过滤器的下游。在进行消毒验证时,打开密闭阀后,该验证装置用于放置生物指示菌片的空腔与过滤装置的HEPA过滤器下游箱体连通,该位置相对HEPA过滤器表面而言是消毒不利点,因此,有学者认为存在过度消毒的问题。但是,HEPA过滤装置内存在很多死角,如果消毒达标仅限于HEPA过滤器,而不涵盖整个过滤装置内部,则在更换过滤器或进行原位检漏时存在病原体泄漏的安全风险。同时,相关的实验研究已经证明了该原位消毒验证装置的可行性。

　　 经过近10年的发展,通过借鉴国外相关技术,并在实现关键技术原始创新基础上,我国已研制出系列HEPA过滤装置并已实现产业化,具体包括箱式扫描检漏型HEPA过滤装置 ^[29]、风口式扫描检漏型HEPA过滤装置 ^[20]、立式效率检漏型HEPA过滤装置 ^[12]及风口式效率检漏型HEPA过滤装置 ^[30],已成功应用于全国范围内多个高等级生物安全实验室,满足了我国新建和改造实验室的建设需求,基本实现了自主保障。同时,国产HEPA过滤装置成功应用于中国援塞拉利昂固定式生物安全三级实验室和哈萨克斯坦“中国-哈萨克斯坦农业科学联合实验室(生物安全三级)”建设,迈出了国产生物安全防护装备走向国际化的坚实一步。

　　 GB 19489—2008的发布实施对于指导生物安全实验室的建设和管理及我国生物安全实验室体系的发展,起到了重要的支撑作用。国产化HEPA过滤装置的发展历程是一个先进标准倒逼国产装备研发和引领国产装备研发的成功典型案例。生物安全装备研发事关国家安全和人民健康,只有继续完善技术标准,提高标准水平,从而促进技术和产品创新,提升装备品质,打造民族品牌,才能更好地支撑我国生物安全事业的发展。

　　 修订建议:1) GB 19489—2008要求生物安全四级实验室的排风应经过两级HEPA过滤器处理后排放,而GB 50346—2011则要求生物安全四级实验室所有防护区房间的排风都要经过两级HEPA过滤器处理,建议修订2个标准时,统一并进一步明确生物安全四级实验室排风需经过两级HEPA过滤器处理的区域范围。2) 在对HEPA过滤装置进行原位消毒时,消毒剂需要穿透一级甚至两级HEPA过滤器,难以保证每次消毒均能达到灭菌要求,为降低安全风险,有必要明确要求对HEPA过滤器原位消毒均进行消毒效果验证。