生物安全四级实验室(简称“BSL-4实验室”)作为目前世界上最高等级的生物安全实验室,是国家生物安全体系的核心物质基础。BSL-4实验室根据使用生物安全柜的类型和穿着防护服的不同,可分为生物安全柜型和正压服型2类 ^[1]。当BSL-4实验室采用正压防护服作为个人防护装备时,须配套生命支持系统(或称生命维持系统) ^[2],为正压防护服提供压力稳定的正压维系气源的同时,为防护服内人员提供可呼吸的洁净空气。如果正压防护服的供气因故障而被中断,内部人员将面临窒息或者受病原微生物感染的风险。因此,生命支持系统的安全性关乎实验室内人员的健康甚至生命,是BSL-4实验室的核心关键设备之一。

　　 由于我国BSL-4实验室的发展起步较晚,包括生命支持系统在内的许多核心关键设备没有技术储备,致使我国在BSL-4实验室建设过程中长期依赖进口相关设备。其中,法国某公司发明了集所有功能于一体(all-in-one)的系列生命支持系统产品,是我国实验室的主要供应商;美国某公司依托其先进的空气压缩机(简称“空压机”)制造技术,为全球高等级生物安全实验室配备生命支持系统 ^[3]。

　　 为了提升我国BSL-4实验室核心关键设备的自主保障能力,推动实现国家生物安全的自主可控,本文依据国内外相关标准研制了国产化的实验室生命支持系统,并通过第三方检验验证了其安全性和可靠性。

　　 实验室生命支持系统的用气终端为正压防护服,一方面需要满足正压防护服供气压力和供气流量的要求,另一方面需要满足正压防护服内人员呼吸的空气品质要求。因此,生命支持系统一般包括主供气设备、压缩空气品质处理、压力调节、温度调节及紧急支援供气设备等功能模块,系统构成如图1所示。

　　 为了保障正压防护服内人员的健康和安全,生命支持系统必须具备高等级的安全性和可靠性。本文研制的生命支持系统设计了包括RB/T 199—2015《实验室设备生物安全性能评价技术规范》 ^[4]所要求的空压机一用一备且自动切换、紧急支援气罐自动投入、压缩空气品质监测与报警、温度压力超限报警等功能在内的多种安全冗余、故障报警、故障处理。

　　 生命支持系统以空压机为主供气设备。空压机的关键参数为供气压力和供气流量,同时应满足一定的噪声、节能、维护方便性等要求。为了提高可靠性,生命支持系统配备一用一备2台空压机。根据空压机的供气流量是否满足最大量正压防护服的供气需求,空压机备用方式有全载备用和半载备用2种,各自的优缺点对比如表1所示。

　　 本文研制的系统采用半载备用方式,即每台空压机的供气量约为系统总体额定满载供气量的1/2。以编号为CC8486219的正压防护服为例,要求供气压力540 kPa,供气量为470～950 L/min。按最大供气量计算,6套正压防护服供气量需求约为5 700 L/min,则每台空压机的供气量应大于2 850 L/min。本方案选用的变频喷油螺杆空压机,供气量为3 300 L/min(800 kPa),能满足6套工作于550 L/min流量的正压防护服的供气需求,此时空压机备机处于待机状态,但当空压机主机发生故障或某几套正压防护服工作于更高供气量时,空压机主机供气量不足,空压机备机加载运行。

　　 不同于全载备用方式只需进行主备切换即可,本方案采用的半载备用方式需要对主备2台空压机的运行控制逻辑进行优化。空压机状态包括停机和运行,运行状态包括加载和卸载。加载指空压机作功向外输出压缩空气,卸载指空压机进气阀关闭,电动机空转,不输出压缩空气。为避免空压机长时间空转作无用功,在卸载持续一定时间后进入停机状态,即空久停机。优化后的控制逻辑如图2所示,具体描述为:1) 系统上电,首先将累积运行时间较短的1台空压机设置为主机。

　　 2) 同时启动2台空压机运行并加载,达到设定压力900 kPa后,两机组卸载。3) 如果终端用气少时,在“空久停机时间”计时内储气罐压力一直维持在800 kPa以上,则两机组进入空久停机状态;如果储气罐压力衰减至800 kPa以下,主机加载运行,储气罐压力上升,备机继续处于空久停机状态,主机一直处于800 kPa加载和900 kPa卸载的循环中。4) 若此后终端用气量加大,在主机加载的情况下,储气罐压力仍然衰减至750 kPa以下,则备机运行并加载,如果储气罐压力上升至设定压力900 kPa以上,则两机组卸载进入逻辑3);如果在设定时间内储气罐压力持续衰减至750 kPa以下,则主备空压机同时加载运行仍然不能满足供气需求,判定为供气不足故障。

　　 GB 50346—2011《生物安全实验室建筑技术规范》 ^[1]及GB 19489—2008《实验室 生物安全通用要求》 ^[5]规定,生命支持系统需同时配置紧急支援气罐,紧急支援气罐的供气时间应不短于60 min/人。根据紧急支援气源压缩空气钢瓶的容积、压力、数量及正压防护服的额定供气压力、流量和数量,计算气罐储存的气体是否满足紧急支援气源的支持时间要求,可按式(1)计算。

　　 ${\rm T}=\frac{(p{}_{\text{b}}-p{}_{\text{s}})V{}_{\text{b}}{\rm N}{}_{\text{b}}}{p{}_{0}Q{}_{\text{s}}{\rm N}{}_{\text{p}}}(1)$

　　 式中 T为紧急支援气源的支持时间,min;p_b为紧急支援气源压缩空气钢瓶的初始压力,kPa;p_s为紧急支援气源压缩空气钢瓶的供气终止压力,kPa;V_b为紧急支援气源压缩空气单个钢瓶的容积,L;N_b为紧急支援气源压缩空气钢瓶的数量;p₀为标准大气压,kPa;Q_s为正压防护服的供气流量,L/min;N_p为支持正压防护服的数量。

　　 p_s与正压防护服的供气压力、减压阀参数有关,一般可取1 MPa。本文采用一组压缩空气钢瓶集装格形式,设置12个20 MPa工作压力的80 L钢瓶,如果6套正压防护服工作流量均为500 L/min,则依据式(1)计算紧急支援供气至少可持续60 min。钢瓶中可储存含21%±1%氧气的标准混合气(其余为氮气),也可利用高压充气泵将空气压缩并经过净化过滤模组后充入钢瓶。

　　 当主供气设备因故障无法正常供气时,系统需要自动切换至由压缩空气钢瓶组紧急支援供气,设计如图3所示的切换方式。紧急支援气源的供气管道上设置气动常开阀,当主供气设备正常工作时,主供气管道上的压力开关动作接通气动常开阀的电磁阀,从而关闭气动常开阀,正压防护服由主供气设备供气;当主供气设备发生故障时,主供气压力过低使压力开关恢复,从而使气动常开阀恢复打开状态,正压防护服由紧急支援气源供气。该方式可以保证即使出现供电故障等极端情况也可以切换至紧急支援供气。

　　 经过空压机机械压缩产生的压缩空气中往往存在多种污染物,包括颗粒物、水蒸气、油、有害气体(如一氧化碳、二氧化碳)等 ^[6,7],必须经过净化处理才能达到人体呼吸的要求。针对生命支持系统的空气品质,RB/T 199—2015《实验室设备生物安全性能评价技术规范》借鉴BS EN 12021:1999《Respiratory protective devices—compressed air for breathing apparatus》 ^[8],规定了有害气体浓度范围:CO₂含量低于500 mL/m³,CO含量低于15 mL/m³。虽然RB/T 199—2015《实验室设备生物安全性能评价技术规范》未对油含量和气味提出明确的要求,但是BS EN 12021:1999中要求为呼吸防护装置提供的压缩空气应无明显气味,油含量应小于0.5 mg/m³。本文为保证穿着正压防护服人员的职业健康防护及舒适性,将异味和油分去除考虑在内,空气品质处理部分采用如图4所示的系列过滤器组合。

　　 1 μm粗过滤器去除较大粒径的固体颗粒物、油雾与液态水,0.01 μm精密过滤器去除较小粒径的颗粒物、微生物、油雾与液态水,活性炭过滤器去除残余油雾及异味,一氧化碳催化器将CO催化转化为CO₂,二氧化碳吸附过滤器去除CO₂,最后一级0.01 μm精密过滤器去除CO催化剂及CO₂吸附剂可能产生的颗粒物。

　　 设计如图5所示的压缩空气品质监测方法,当压缩空气品质不合格时及时响应处理措施。在过滤器组后的主供气管道上设置采样支路,采样气体进入品质检测采样箱内曝气,箱内设置O₂,CO和CO₂ 3个浓度传感器并连接至空气品质控制仪。空气品质控制仪可设置3级报警模式,如表2所示。当任一种气体的浓度超出Ⅲ级报警阈值时,控制主供气管道上的供气阀关闭,打开排放管道上的排气阀,将不合格气体排出系统管道,同时将报警信息传送到生命支持系统的PLC控制器。

　　 RB/T 199—2015《实验室设备生物安全性能评价技术规范》中要求供气温度在18～26 ℃范围内可调,以提高实验室人员的舒适性。如图6所示,本文采用预冷机与电加热型管道加热器串联的形式组成温度调节模块,在温度调节模块的进出气管道上分别设置温度传感器。如果调节前温度低于用户设定值,则停止预冷机,启动加热器,PLC通过调功器自动调节(PID)加热器功率,使调节后温度达到用户设定值。如果调节前温度高于用户设定值,则预冷机和加热器共同工作,由于预冷机制冷量较大会使压缩空气温度降至用户设定值以下,通过调节加热器功率使调节后温度达到用户设定值。为了保证制冷和加热是在压缩空气流动的状态下进行的,利用系统供气出口处安全过滤器(0.01 μm精密过滤器)两端的压差信号作为温度模块控制的使能信号,即当实验室内终端有正压防护服接入生命支持系统时,过滤器两端压差值大于某一阈值,则判定为有气体流动,温度调节功能开始运行。

　　 本文研制的生命支持系统采用上位机、PLC控制器、现场设备的3层控制结构,除实现上述的空压机运行控制,温度调节控制及设备、阀门控制等基本功能外,针对关键运行参数设置相应的传感器进行监测与判断,实现可靠的故障报警及耗材管理。

　　 设置储气罐压力传感器用于判断储气罐超压、欠压故障;在温度调节模块后端设置温度传感器、露点传感器、压力传感器,分别用于判断供气温度过高或过低故障、供气露点温度过高故障、供气压力过高或过低故障等;O₂,CO和CO₂ 3个浓度传感器用于空气品质提示和故障报警;利用气动角座阀的反馈信号判断阀门打开或关闭故障;利用管道加热器的温度开关判断加热器故障。

　　 在1 μm粗过滤器和0.01 μm精密过滤器设置压差传感器,过滤器阻力大于设定值时提示用户更换。PLC控制器内设置计时器(断电存储)用于累积活性炭过滤器、一氧化碳催化器、二氧化碳吸附过滤器、空压机、干燥机及O₂,CO,CO₂ 3个浓度传感器的运行时间,达到设定时间时提示用户进行过滤器更换,或对空压机、干燥机、浓度传感器进行维护保养。不同于压力、温度等物理参数传感器具有较高可靠性,常用的采用电化学原理的O₂,CO浓度传感器可靠性较差,使用寿命仅2 a,需要定期校准以保证其准确性。如不考虑成本因素,可以选择在线分析仪器进行O₂和CO浓度的检测,如采用热磁式氧分析技术的O₂分析仪和采用红外气体分析技术的CO分析仪,其使用寿命可达10 a甚至更久,每年校准一次即可保证准确性和稳定性。

　　 国家建筑工程质量监督检验中心参照RB/T 199—2015《实验室设备生物安全性能评价技术规范》对本文研制的实验室生命支持系统进行了可靠性检验,包括空压机可靠性、紧急支持气罐可靠性、报警装置可靠性及供气管道气密性。

　　 检验结果表明:模拟故障关停空压机主机时,空压机备机可自动投入运行,储气罐压力可恢复至900 kPa以上;人为关停所有空压机,当输出气体压力下降至压力开关设定值(500 kPa)以下时,紧急支援供气管道上的常开阀可正常打开;储气罐压力下降至设定值以下时,控制系统输出声光报警;人为增大空气品质检测采样箱内的CO浓度,分别出现Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ级报警,且Ⅲ级报警时主供气管道的供气阀关闭,阻止气体进入储气罐,排气阀打开排气;在正常运行时,使用皂泡法对系统管道及接口进行检测,未见泄漏。

　　 在系统供气出口使用经过洁净处理的钢瓶收集处理后的压缩空气,并送至山东省化工产品质量监督检验站,依据GB 8982—2009《医用及航空呼吸用氧》检验压缩空气中的O₂,CO,CO₂及水分的含量,检测结果为:O₂ 20.9%,CO 0.8 mL/m³,CO₂ 94.2 mL/m³,露点温度-21 ℃。

　　 在系统供气出口串联1个手动阀门和1台气体流量计,通过调节该手动阀门的开度调节供气流量约至470 L/min的倍数,模拟连接不同数量的正压防护服,观察供气流量、压力、温度、CO体积分数、CO₂体积分数、O₂体积分数等供气参数的变化情况。设定系统供气压力550 kPa,供气温度25 ℃,依次调节手动阀门使供气流量为470,940,1 410,1 880,2 350,2 820 L/min,每次调节后维持5 min,控制系统每2 s记录一组数据,计算平均值和标准差的结果如表3所示。

　　 目前,我国没有专门针对生物安全实验室生命支持系统的标准规范,仅在生物安全实验室建设的相关标准中有部分针对生命支持系统的条款。GB 50346—2011《生物安全实验室建筑技术规范》仅在第6.4.4条中强调生命支持系统应配备紧急支援气罐并规定供气时间。GB 19489—2008《实验室 生物安全通用要求》第6.4.9～6.4.12条中除规定紧急支援气罐供气时间外,还规定了不间断备用电源供电时间,供呼吸使用的气体压力、流量、含氧量、湿度、有害物质的含量等应符合职业安全的要求,应具备必要的报警装置,但未明确应遵循哪一项职业安全的标准规范,也未明确哪些报警装置是必要的。RB/T 199—2015《实验室设备生物安全性能评价技术规范》中,对空压机一用一备、紧急支援气罐、空气品质、报警装置、管道气密性等可靠性的检测明确了具体要求,为生命支持系统的性能评价提供了依据。但是,针对气体浓度报警阈值,RB/T 199—2015《实验室设备生物安全性能评价技术规范》依据BS EN 12021:1999仅规定了O₂,CO,CO₂的报警阈值,这对于职业安全的保证来说不够全面。相较而言,GB/T 31975—2015《呼吸防护用压缩空气技术要求》针对呼吸防护用压缩空气规定了更详细的质量指标及测试方法 ^[9],质量指标不仅包括O₂,CO,CO₂的含量,而且包括油雾与颗粒物、露点温度和异味,笔者建议应将上述指标引入生命支持系统的评价中。另一方面,BS EN 12021:1999中对于压缩空气中水分含量的规定也是不明确的 ^[8],Anthony等人分析和讨论了这一问题,明确了多种使用压力、环境温度条件下的适宜含水量及露点温度,如供气压力500 kPa,环境温度20～30 ℃时,最大含水量应低于500 mg/m³,对应露点温度为-24.3 ℃ ^[10]。相应地,生命支持系统的评价体系中也应该根据实际使用情况细化对水分含量或露点温度的要求。

　　 生命支持系统是正压防护服型BSL-4实验室的核心关键设备之一,本文研制的生物安全四级实验室生命支持系统具备空压机一用一备且自动切换、紧急支援气罐自动切换、压缩空气净化至呼吸防护用气水平、温度可由用户设定并自动调节等特点,且具备完善的故障报警及耗材管理等功能,满足GB 50346—2011《生物安全实验室建筑技术规范》、GB 19489—2008《实验室 生物安全通用要求》及RB/T 199—2015《实验室设备生物安全性能评价技术规范》等相关标准规范的要求,可应用于正压防护型BSL-4实验室,满足我国国产化BSL-4实验室建设对此关键设备的保障需求。同时,本文研制的生命支持系统仍有需要改进的内容,如温度调节模块中可订制变频型预冷机组以达到更节能的目的。另外,整机系统对不同地区、不同季节、不同空气参数的适应性的验证也有待进一步深入研究。