技術文獻 | Technical literature

SPF級實驗動物房的設計與建設

分享 發布時間:2020/4/30

SPF級實驗動物房的設計與建設

    實驗動物廣泛應用于醫學、藥學生物學、獸醫學胚胎學、遺傳學等眾多研究領域,對生命科學的研究,特別是對生物醫學的研究有著重大意義。近年來,我國實驗動物科學發展迅速,醫學實驗特別是藥效及藥物安全性評價必須依賴于高品質的實驗動物。SPF( specific pathogen free) 動物,即無特定病原體實驗動物,能排除病原體的千擾,保證實驗結果的準確性,已成為生命科學研究中廣泛認可的標準實驗動物。

    眾所周知,實驗動物房設施的規范建設和順利運行,是有效應用實驗動物的前提條件。因此,我們借鑒國外先進的實驗動物房設計方案,吸納國內高品質實驗動物房設施的優點和實驗動物科學專家的建議,并經過充分的調研論證,最終確定適合本所科學研究工作發展實際需要的SPF級實驗動物房建設方案。我們期望該實驗動物房的建立,能有效促進醫學實驗動物模型及藥物篩選體系的研究成果利用經典的小鼠人類疾病模型向高等哺乳動物進行轉化。為了增進國家重點實驗室的開放合作機制,本文介紹SPF級實驗動物房的設計與建設規劃,與業界同行共探討。

1 SPF 級實驗動物房總體布局和設計依據

    實驗動物房位于新建的西南大學家蠶基因組生物學國家重點實驗室大樓負一樓,總面積288. 89m'”。 按照實用、經濟的原則進行設計規劃,嚴格按照高質量、高性能進行建設,確保內部設施達到國家標準。在整個實驗動物房的設計和施工過程中,合理布置各種設施,利于各種設備功能的實現。總體布局的原則是:有利于防治疾病的傳播, 避免動物之間的相互干擾和交叉感染,方便實驗人員操作,人員、實驗動物、實驗物品、空氣等均按單向流動,實現人員流.動物流、物品流的分離,確保實驗動物不會感染外來微生物。實驗動物房的工藝設計依據國標CB/T 14925- -2001 《實驗動物環境及設施》"GB/T 50447- -2008《實驗 動物設施建筑技術規范》日以及相關文件規定。

2SPF級實驗動物房建筑與基礎設施設計概況

2.1平面結構

  根據所需實驗動物的種類數量、密度、飼養目標及方法的不同對動物房進行分區,確定飼養室的數量及其面積。動物飼養室面積總計154.75 m',可滿足動物的飼養和繁育工作。動物房內功能分區:動物飼養室4,其中小白鼠飼養室3間,面積分別為33.83.33. 59.33.61 m2 ,兔飼養室I間,面積為53.72m2,小白鼠飼養室和兔飼養室進行分隔,并保證一定的空間距離;檢疫室1,用于實驗動物進入前的檢疫;解剖室1,用于各項動物實驗;潔物暫存室和清洗間各1,分別用于潔凈物品的儲存和實驗用品的洗刷、消毒、高壓滅菌等處理工作;庫房2,用于實驗室常規耗材的儲存;空調機房1,用于空調機組和風機設備的安裝等;監控室1,用于對環境 系統及設備機組各項參數進行監測和控制。動物房的平面布局如圖I所示。  

  

2.2裝飾材料

    實驗動物房的裝修材料如門窗、墻體和地面材料的選擇非常重要,用于動物實驗室的建筑材料和表面涂料均要達到生物安全要求“”。因此,本實驗動物房嚴格按國家標準,選擇環保耐用便于清潔維護的建筑材料。墻頂和門均采用δ=50 mm厚度的優質彩鋼夾芯保溫板和專用電泳鋁合金型材。要求材料的表面平整性好,隔音量≥28 dB(A);保溫性能好,保溫板傳熱系數為2.5 W/m2 .K。室內墻與墻墻與頂板、墻與地面均由專用鋁合金型材圓弧過渡連接,無積塵死角,以達到凈化要求。無菌區及相關區域選用防靜電PVC地板,具有不吸塵、不產塵、耐酸堿腐蝕及耐沖洗等特點。

2.3環境控制系統

2.3.1溫濕度 、噪音及照度控制系統

    實驗動物的健康生長和繁育極易受到環境的影響,溫度變化對實驗動物的健康影響較大。按照國標的要求,動物房對不同區域的溫濕度分別進行控制.結合重慶市氣候潮濕的特點,溫濕度控制的具體參數設置如下:萬級區的溫度為20-26 C ,最大日溫差3 C,相對濕度40%~ 70% ;10萬級的溫度為18~27 C,相對濕度30%~70%。噪音能引起實驗動物的躁動、恐慌,對實驗動物的健康生長和繁育產生負面影響,嚙齒類動物對噪音尤為敏感。為使實驗動物健康生長,保證噪音≤60 dB( A) ,同時在送回風管相應位

置裝有微孔板消聲器,以減少噪音的產生。根據功能需要,并保證動物的正常生長,動物照度和工作照度分別控制在15~20 lx150 -300 lx,明暗交替,時間為12/12 h。凈化系統內采用吸頂式凈化燈,該燈具有不吸塵、不產塵、防靜電等特點,可滿足凈化系統照明的要求。

2.3.2給水和排水系統

    用水不能低于自來水規定的清潔標準。屏障區內的用水,應全部進行消毒過濾。飲水和用水分別采用不同的消毒藥液進行消毒。隔離系統內的動物飲用水,應設置獨立的飲用水裝置。動物室的廢棄水,要有統一的污水系統,經處理后排除。并非所有的實驗動物飼育室皆需具備地面排水,一般而言,僅飼養囓齒類等小型動物的飼育室即無此需。在沒有地面排水的飼育室應用濕式吸塵器或拖把;配合適當的清潔或消毒劑,即可維持地面的潔凈。

泄水坡:在實驗動物設施有地面排水的區室,地面應作泄水坡處理,而使清洗后之環境濕度能迅速降低。

存水彎:排水管應具有存水彎(Drain trap)

排水管直徑:一般而言,排水管之直徑至少應有10 cm,飼育犬、經濟動物等大型動物設施則采用口徑更大的排水管為佳。

排除污物的增強設備:為增強排除固型污物的能力,可考慮在排水管口設計沖水裝置或其它污物處理設備。

排水孔蓋:實驗動物設施的排水孔應為可加蓋密封者,用以避免在長期不使用時,不會成為蟑螂等物之交通路徑。

2.3.3潔凈度換氣次數及壓差控制系統

    為避免實驗動物受到污染,減少不必要的損失,嚴格要求動物房及其設施的潔凈度。飼養室、潔凈走道和潔物暫存室等空氣潔凈度為萬級(粒徑≥0.5 μm的粒子密度≤35.31萬顆/m' );污物走道、更衣室和緩沖區等空氣潔凈度為10萬級(粒徑≥0.5 μm的粒子密度≤351.31萬顆/m')。沉降菌最大平均濃度為:萬級區0.10/min、φ90,10萬級區0.33/ min、φ90皿。凈化過濾系統分初、中、高3級過濾,有效阻止外源性病原體的進人,保證動物房不被外界環境污染。高效過濾器采用無隔板形式,使其具有效率高、容塵量大、使用壽命長初阻力小的特點,降低系統運行能耗。由于實驗動物自身及其代謝產物散發的氣味,會影響動物的健康生長,其中尿液散發的氨氣危害最大,所以需通過換氣系統排出動物代謝所產生的二氧化碳、氨等有害氣體,凈化實驗窒空氣,確保實驗動物的正常生活條件。換氣次數影響溫度和相對濕度,且實驗動物對氣流速度及其聲音十分敏感)],因此換氣次數并不是越多越好,而是需要合理控制。設計方案要求:萬級區換氣次數≥20;10萬級區換氣次數≥I5,并可調節。為防止動物飼養室內空氣交叉污染、有害氣體擴散及飼.養室與污物通道間逆向污染,使空氣保持固定的流向,避免空氣對流。潔凈走道、飼養室、污物走道及室外之間的壓力梯度應該是逐漸遞減的關系,具體壓力參數設置如下:潔凈走道35Pa,飼養室25Pa,污物走道15 Pa,室外0 Pa

2.3.4空調通風系統

    良好的空調通風系統是實驗動物房溫度、濕度及潔凈度的重要保障。本實驗動物房采用全新通風系統,其中:小鼠飼養系統選用JK.1系統,風量I0 000 m'/h,冷量93 kW,排風6 000 m2/h;兔飼養系統選用X-1系統,風量2500m'/h,冷量15 kW,排風2 500 m'/h;清洗間、庫房室解剖室各配1500 m'/h的風機盤管。要求該系統氣流均勻柔和,送風氣流設計采用頂送風,墻壁下側排風;組合式凈化空調器冷熱源由風冷熱泵機組提供,實現冷、熱量回收,回收率大于70% ,減少能耗;送排風管表面采用保溫材料覆蓋,有效防止氣流運行過程中冷熱量損失。考慮到對環境的保護,排風系統裝有活性碳過濾器,并配有噴淋除臭處理裝置,在排入大氣前對排風進行除臭處理。
   
動物房的空調和空氣凈化系統設計宜采用集中式。空調系統須長年運行,否則將帶來災難性后果,因此,必須設有備用的空調機組。

2.3.5自控系統

    自控系統對保證實驗動物房的長期、安全及正常運行起關鍵作用。本實驗動物房采用一套完善的自控系統。風冷熱泵機組自帶電腦,自動控制水溫、設定參數、設置時間、顯示報警,實現功能保護、記憶、狀態顯示和密碼保護等多種功能。飼養間溫濕度由傳感器自動設定,溫控器改變冷凍水的流量,實現自動控制溫度。在組合式空調器內,安裝有電極式加濕器,該加濕器帶有控制器,可以實現濕度控制自動化。自控系統的變頻器自動調節空調通風系統使送風量恒定,壓差傳感器自動調整排風量,達到各房間的壓力要求。另外設有故障報警和初、中、高效過濾器堵塞報警。

3 SPF 級實驗動物房的運行與管理方案

3.1規章制度與人員培訓

    制定《SPF級實驗動物房管理規范細則》、《人員進人SPF級實驗動物房操作規范》、《動物進人SPF級實驗動物房操作規范》《物品進人SPF級實驗動物房操作規范》、《物品消毒標準化流程》《動物飼養標準化流程》等科學的管理制度和標準化的實驗操作規范,確保SPF級實驗動物房的正常運行。所有進入動物房的實驗人員和工作人員必須通過崗前專業培訓,學習動物房內主要設施的特點、動物房管理制度、實驗操作標準化規范及注意事項;并定期體檢。所有人員在患病期間,尤其是感染人畜共患病的,不得進人實驗動物房。

3.2內部設施的維護與管理

實驗動物房內部設施的安裝、調試由專業技術人員完成,任何人不得隨意變動設置參數。工作人員定期保養空調通風系統;每天監測溫濕度、照度、壓差及各設備參數是否正常并進行記錄。

3.3實驗動物與物品流向的規范化管理

人員、動物和物品的進出嚴格按照單向流動的原則。

人員流向:外環境→更衣室→緩沖區→潔凈走道→實驗室→潔凈走道→緩沖區→外環境。(屏障環境更衣應為:換鞋→一更→淋浴→二更)

動物流向:購買實驗動物→檢疫室→飼養室→潔凈走道→緩沖區→解剖室。

物品流向:洗消間→高壓滅菌/傳遞窗/渡槽→潔物暫存室→實驗室→緩沖區→外環境。

3.4保證屏障環境內的潔凈度

保證屏障環境內的清潔衛生,定期對飼養室飼養籠架進行消毒處理。所有進人動物房的物品都要進行消毒滅菌。根據各種物品的不同特性,合理選擇相應的消毒滅菌試劑及方式、方法。

合理選擇消毒方法
根據進入SPF級動物房的各種物品的不同特性,選擇不同的消毒方法。飼養籠盒、飲水瓶、墊料、衣服和各種實驗用具采用高壓蒸汽滅菌器消毒;動物食用飼料采用放射性照射(60co)的消毒方法;工作人員用的拖鞋等采用渡槽浸泡的方法(05%滅菌凈溶液)消毒;對于不耐熱、不耐水、不耐酸堿和不能進行放射性照射的物品采用傳遞窗紫外線消毒。

3.5合理安排日常的管理工作

安排專人做好日常管理工作,負責《人員進出登記冊》、《動物進出登記冊》、《物品進出登記冊》、《動物實驗登記冊》、《動物房環境指標記錄本》的登記和管理。建立實驗動物數據庫,對每次購進的動物的來源、品系、數量和體質量進行登記造冊。實驗動物進人飼養室之前必須在檢疫室進行檢疫,并做好檢疫情況記錄。

3.6妥善處理動物尸體

動物實驗結束后,依照實驗動物手冊的相關規定處死動物,動物尸體暫時存放-20℃冰箱,由專業人員統一送到處理廠焚燒處理。

4討論

一、功能作業區(Functional areas)探討
一實驗動物設施的特征取決于其所屬研究單位在應用實驗動物上之需求。下列所述的各種功能區,為一般功能完備的實驗動物設施所應具備者。然對于規模小或僅需特定飼育環境條件者;如無菌動物(Gnotobiotics)、無特定病原(Specific pathogen free; SPF) 動物或僅以戶外型飼育欄舍進行飼養的動物等,可能就不需要有完整的下列功能區,或者,可將下列部份區域合并。
(
)一般而言,標準化實驗動物設施應具下列基本功能作業區域

1. 一般動物飼育及依物種或特定試驗所需而分隔的獨立飼育區,

2. 動物接收、檢疫及隔離飼育區,

3. 籠具清潔消毒區,

4. 儲存區。

()功能完備的實驗動物設施則應具備下列功能作業區

1. 鄰近動物飼育區的特殊實驗功能區室,例如:尸體解剖房、基因轉殖程序區室、無菌手術設施、X光攝影室、特殊飼料制備室、動物試驗操作區室、臨床診療室、實驗診斷室等。

2. 避免發生生物、物理或化學性公害的動物試驗隔離飼育區域與設備。

3. 飼育設備與飼育材料之清洗、消毒與滅菌區。此區空間之大小應依工作量;用以清洗與消毒飼育籠、籠架、飲水瓶、廢棄物容器、所具備之清洗與滅菌機械機型與水槽之大小與維修空間、暫存污穢待洗與洗凈及/或滅菌后待用籠具的空間等加以訂定。

4. 飼料、墊料、藥品、生物制劑及耗材之接收及儲存區。

5. 待丟棄或待處理之廢棄物暫存區。

6. 冷藏及冷凍之尸體存放庫。

7. 辦公區包括行政辦公室、主管辦公室以及可進行教育訓練之空間。

8. 工作人員休息區應包括浴室、廁所與更衣室等。

9. 門禁的刷卡系統、電子攝影監控等保全警報系統所需的區室。

二、動物房|動物實驗室|動物研究室平面布局和設計探討
 
案例一:實驗動物房一般由飼養室、健康觀察室、隔離檢疫室、各種實驗室(外科手術、實驗處理解剖、術后管理、疾病診斷、治療、生理生化檢查、微生物檢疫、飼料營養分析和特殊飼料的調制室等),以及貯藏室、清潔準備室、洗滌消毒室、工作人員用房(包括辦公室、淋浴室、更衣室等)、走廊(清潔區和污染區)、廢棄物處理設施、機房和變電所等組成。其平面布置,應使人、動物和物品的流動路線合理,作業方便。嚴格區分清潔區域和污染區域,以保證人和動物的健康,確保實驗的準確性(人、動物和物品的流動路線見圖)。


案例二

該該實驗室位于建筑的首層
三走廊,兩側為污物走廊,中間為清潔走廊。有一個緩沖室——后室。
實驗室在兩翼布置,中間為公用清潔消毒場所,對利用面積有利。
沒有明確解剖、病理分析等用房。
人出入路線上共用一次更衣室,節省了面積
人、物路線分開。


三、節能設計淺談

1、減少冷熱負荷消耗

    在建筑和實驗室室內裝修選材上,加強了圍護結構的絕熱,選用較好的隔熱材料,成為節能理念思考的第一步。

  實驗室室內的高度也成為直接影響到風量和冷負荷的問題,為此,在滿足的正常工作的前提下,盡量降低了每層潔凈室的層高。

   本工程的空調機組均采用變頻風機,采用了自動控制的變頻調速技術,精確調節將氣流速度控制在標準下限運行,同時當有的實驗室不使用時,降低該實驗室的送回風量,以只滿足與相鄰房間的壓力即可。

 根據《實驗動物設施建筑技術規范》gb50447-2008規定,屏障環境室內溫度范圍為20~26°。那么將溫度設定成冬季為標準的下限,夏季為標準的上限,而不是冬夏季都達到一個共同的標準,在符合規范的大前提下,經過計算本工程單臺機組要節省15kw/h的冷熱負荷。

2能源的再次回收利用

  為了達到凈化目的、排除室內實驗動物排泄物等散發的污濁氣體,防止空氣的交叉污染,本工程實驗室內的回風都采用了過濾處理后直排的形式,為了將這部分的負荷再利用,在凈化空調機組中增加了熱管式余熱回收段。

 熱管式熱回收是利用熱管元件作為能量回收芯體,對通過的新風和排風進行能量交換,從而實現能量的回收利用。熱管是在真空的管子內充入工質,依靠毛細結構的抽吸作用來驅動工質循環流動的蒸發、冷凝傳熱元件。

相關計算: 

根據沈陽地區氣象資料,獲取空氣參數(以單臺機組為例) 

大氣壓:冬季1023.3hpa,夏季998.5hpa 

新風量:lx=18000m3/h=5m3/s 

新風狀態:冬季(干球溫度-20.6°,相對濕度65% 

i1=-19.86kj/kgd1=0.00038kg/kg 

夏季(干球溫度31.4°,相對濕度60.5% 

i1=76.16kj/kgd1=0.01737kg/kg 

排風狀態:冬季(干球溫度22°,相對濕度50% 

i1=42.87kj/kgd1=0.00812kg/kg 

夏季(干球溫度25°,相對濕度50% 

i1=50.11kj/kgd1=0.00976kg/kg 

迎風面積風速取2.5m/s,迎風面積f=lx/vy=5/2.5=2 

根據此面積參照熱管式回收器圖集,選熱管式熱回收器kls2090×2586. 

根據圖集說明,該型號換熱器熱回收效率為ηt=68%,壓力損失△p=120pa 

修正效率:冬季熱回收ηt=68%×0.9=61.2%

夏季熱回收ηt=68%×0.95×0.9=58.14%

壓力損失120pa×1.1=132pa 

回收熱量計算: 

冬季總熱量:qmax=lminρcpt3-t1 

=5×1.2×1.01×[22-(-20.6) 

=258kw 

冬季單臺機組節省能源為:ηt qmax =61.2%×258=157.9kw 

夏季總冷量:qmax=lminρcpt1-t3 

=5×1.2×1.1×(31.4-25 

=42.24kw 

冬季單臺機組節省能源為:ηt qmax=58.14%x42.24=24.56kw 

空氣離開熱管式回收器的狀態: 

冬季新風t2=t1+q/lxρxcp 

=-20.6+157.9/5x1.2x1.01 

=5.4 

冬季排風t4=t3- q/lpρp cp 

=22-26 

=-4 

查焓濕圖,冬季排風的露點溫度為11.1℃左右,以此在排風側肯定會有凝結水 

i 4=i3- q/lpρp 

=42.87-26.32=16.55(kj/kg) 

離開回收器空氣按照相對濕度90%考慮,查焓濕圖得到冬季排風溫度為t44.7℃。 

夏季新風t2=t1+q/lxρxcp 

=-31.4-24.56/5x1.2x1.01 

=27.35 

冬季排風t4=t3+q/lpρp cp 

=22+4.05 

=29.05 

冬季單臺機組可回收熱量157.89kw/h,夏季回收冷負荷42.24kw/h(此數據為空調滿負荷運行回收熱量)

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