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生物安全柜
(biological safety cabinet,BSC)

www.icccs.cn 赵 2006年11月
 

前言

    生物安全柜是实验室主要物理隔离设备，是为实验室人员在操作培养物、病毒株以及诊断性样品，特别是操作高危险等级的微生物、有毒物质等具有感染性的实验对象时得到安全保护，避免由于操作过程中产生的感染性气溶胶和溢出物对实验室人员产生危害，有效地防止有害悬浮微粒的扩散而设计。通过HEPA送风过滤与排气过滤以及一系列检测、报警等复杂机构从而实现了既保护受试样品又保护人员与环境。

关键词: 生物安全柜 生物危险 物理隔离 

生物安全柜作用 原理 型号类型

 

级别	类型	排风方式	循环空气比例%	柜内气流	窗口进风平均风速m/s	保护对象
Ⅰ级	—	可向室内排风	—	乱流	≥0.4	使用者、环境
Ⅱ级	A1型	可向室内排风	70	单向流	≥0.4	使用者、受试样品和环境
	A2型	可向室内排风	70	单向流	≥0.5
	B1型	不可向室内排风	30	单向流	≥0.5
	B2型	不可向室内排风	—	单向流	≥0.5
Ⅲ级	—	不可向室内排风	0	单向流或乱流	无工作窗口，当一只手套筒取下时，手套口平均风速≥0.7	主要是使用者和环境，有时兼顾受试样品

2 Ⅰ级生物安全柜

    一级生物安全柜是市面上所见的设计最简单，最基本的一类生物安全柜也是最早得到认可的生物安全柜，目前仍在世界各地广泛使用。

    微生物操作时产生的气溶胶混合外界空气进入安全柜，经HEPA将粉尘颗粒或是感染因子过滤，最后将干净无污染的气体排到外界环境中。虽然一级安全生物柜能够确保操作人员和环境免受危害，但是它不能确保受试样品不会被实验室内的空气所污染。当然，也不能完全排除交叉感染的可能性。因此，一级生物柜的使用范围极为有限，而且此类生物安全柜已经落后于现代生物安全水平的防护需要。所有一级生物安全柜都可以对达到生物安全水平一、二、三级的微生物因子操作中使用。

Ⅰ级生物安全柜工作原理示意图

3 Ⅱ级生物安全柜

    Ⅱ级生物安全柜在设计上不但能提供个体防护，而且能保护工作台面的物品不受污染（既保护人员又保护受试样品和环境）。Ⅱ级生物安全柜有四种不同的类型（分别为A1、A2、B1 和B2 型），不同于Ⅰ级生物安全柜的地方是 只让经HEPA 过滤的（无菌的）空气流过工作台面。Ⅱ级生物安全柜可用于操作危险度2 级（BSL2）和3 级（BSL3）的感染性物质。在使用正压防护服的条件下，Ⅱ级生物安全柜也可用于操作危险度4 级（BSL4）的感染性物质。

3.1 Ⅱ级A1型生物安全柜

    风机将房间空气经操作面开口吸入生物安全柜内部，并进入了前面的进风隔栅，在操作面开口处向内的气流流速不低于0.38m/s，使前操作口形成一个空气幕，以防止污染性气溶胶从操作口逃逸，经送风HEPA过滤后的洁净气流垂直向下通过工作面，并通过下方的前后两组隔栅排出，在工作台面上形成的气溶胶立刻被向下的洁净气流带走，充分的保护了受试样品，污染的空气被抽入风机后送如后面的压力排风管道到达安全柜顶部，介于送风HEPA与排风HEPA之间，约70%的通过送风HEPA参与再循环，而剩余的30%空气经排风HEPA过滤后排出安全柜，送入实验室。

    在风机和两个HEPA之间是正压的，且充满了污染性气溶胶，故称为正压污染区。（由于污染区是正压的，当污染区的结构发生漏泻时，污染性气溶胶会借助压力的作用很快从安全柜内逃逸，直接对实验室和操作者造成危险）

Ⅱ级A1型生物安全柜

3.2 Ⅱ级A2型生物安全柜

    Ⅱ级A2型生物安全柜是目前世界上Ⅱ级生物安全柜中运用最广泛的，其工作原理与A1类似，区别是A2型生物安全柜的回风道为负压污染区，并且通过排风管道将安全柜排出的气体引入室外，不再排到实验室内，这样即使在排风HEPA泄露时，也不会对操作人员造成危险，但会对室外的环境会造成污染，针对此情况，采取一些额外的保护是必须的（如排风气流报警、排风HEPA压差报警、双重排风HEPA等）

Ⅱ级A2型生物安全柜工作原理示意图

     在Ⅱ级A2型生物安全柜中操作一些会产生化学气体的化学试剂（如不稳定的化学试剂）时，生物安全柜的排风必须连接到排风管道，因依靠HEPA是不能完全除去排风中的化学气味（HEPA的机理决定它只能除去气溶胶和相应的微粒），由于Ⅱ级A2型生物安全柜有70%的气流重新参与再循环，这些化学气味会更多的进入到垂直层流中，对此问题的解决方法是在排风管上增加活性炭过滤器，依靠活性炭的吸附作用来除去排风中的化学气体，但活性炭不是对所有的化合物都起作用，客户应根据相应的操作进行选用，此外应安装有相应的活性炭过滤器饱和度检测装置。排风管道是安全柜的安全保障，必须正确连接，并且不建议使用硬管密封连接，因为生物安全柜内部的循环以及垂直层流系统会受到排风系统的影响，例如，当排风系统的排风量增大或降低时，生物安全柜的平衡系统会受到影响（如 流入气流流速、下降气流流速等），最坏的情况— 排风机停止运行时或排风管道受到外力的因素堵塞的情况下，安全柜的气流会彻底受到影响，很可能会发生下降气流流速过大、流入气流流速过低，导致气溶胶逃逸的危险。（美国NSF49：2002中指出Ⅱ级A2型生物安全柜禁止使用密封硬管连接）。

套管连接示意图

    Ⅱ级A2型生物安全柜排风系统正确的连接方式应为套管连接，套管连接的方式基本与硬管连接相同，但套管连接时在套管与生物安全柜的连接口有一定间隙，允许房间空气通过套管上的间隙被吸入排风系统中，在正常情况下生物安全柜内的排风通过HEPA后被吸入到排风系统中，同时房间内的洁净空气也通过套管上的间隙被吸入到排风系统中，采用套管连接时，生物安全柜的气流平衡可以独立与排风系统，无论排风系统多么波动都不会对生物安全柜的平衡造成影响，即使在排风系统故障的情况下，生物安全柜的气流也会通过套管的间隙排到房间内，而不会造成危险；另一方面，在排风系统排气量增大的情况下（如风机转速突然升高、风量调节阀故障等…），房间的空气也会通过套管上的间隙补充到排风系统中，生物安全柜内的气流平衡仍然不会受到影响。

3.3 Ⅱ级B型生物安全柜

     由于其操作入口平均风速可达0.5m/s以上，且无正压污染区，循环风量减少到30%（Ⅱ级B2型为0）因此较Ⅱ级A型生物安全柜具有更高的安全性，Ⅱ级B型生物安全柜又细分B1型B2型两种。Ⅱ级B型生物安全柜内操作危险实验对象时必须采用密封硬管连接生物安全柜排风排至室外，且排风管道应为负压管道。在安装多台Ⅱ级B型生物安全柜时，应自使用独立排风管道，且不能共用排风管道。

3.3.1 Ⅱ级B1型生物安全柜

     Ⅱ级B1型安全柜可以用于以微量挥发性有毒化学品和痕量放射性核素为辅助剂的微生物实验。

     特点：前窗操作口流入气流的最低平均流速为0.50m/s；下降气流大部分由未污染的流入气流循环提供,经过高效过滤器过滤（C）后送至工作区；大部分被污染的下降气流经过高效过滤器（C）后通过专用的排气管道排入大气中；安全柜内所有生物污染部位均处于负压状态或者被负压通道和负压通风系统包围。

Ⅱ级B1型安全柜工作原理示意图

3.3.2 Ⅱ级B2型生物安全柜

    所有流入和下降的气流都经过HEPA过滤器过滤后直接排到外界环境，在安全柜内部没有再循环的气体。因为没有循环气体，所以Ⅱ级B2型安全柜可以用于以发挥性有毒化学品和放射性核素为辅助剂的微生物实验。理论上，即使HEPA过滤系统停止正常运作，因为气体完全排出，所以B2型生物安全柜可以被看作是2级生物安全柜中最安全的一类安全柜。

3.4 Ⅱ级A型生物安全柜和Ⅱ级B型生物安全柜的比较

生物安全柜类型		Ⅱ级A型	Ⅱ级B型
是否存在正压污染区		A1有，A2无	无
操作面活动窗结构		开启固定型或垂直推拉型
操作面开口高度/mm		160~250
操作区层流风速/m·s-1		≥0.23
循环风比例%		70	B1—30，B2—0
排风方式		A1室内，A2室外	室外
操作对象	病原体	危险度 1级~3级	危险度 1级~3级
	重组遗传基因	BSL1~BSL3	BSL1~BSL3
	化学至癌物	A1不可，A2可以（低浓度时）	可以（低浓度时）
	放射性物质	A1不可，A2可以（低浓度时）	可以（低浓度时）
	挥发性溶剂	A1不可，A2可以（低浓度时）	可以

4 Ⅲ级生物安全柜

    用于操作危险等级为4级的对象，可提供高水平的个体防护。三级生物安全柜提供一级、二级安全柜无法提供的绝对安全保障。所有柜体为金属焊接构造，并且采用完全密闭设计。实验操作完全通过前窗的手套进行（又称手套箱）。操作中柜内部将一直保持127Pa负压状态。即使在物理防污染系统出现故障的情况下，它也能提供安全保障。其送风经一级HEPA过滤器提供产品保护，排风经两级HEPA过滤。实验所需的物品同过安置在安全柜侧面的隔离通道送进柜内，空气通过外接的排气管道直接排到外界环境。可在涉及一，二，三，四级生物安全水平的微生物因子实验中使用。尤其适用于产生致命因子的生物试验。

A—用于连接等臂长手套的舱孔
B—窗口
C—两个排风HEPA过滤器
D—送风HEPA过滤器
E—双开门高压灭菌器或传递箱

    当实验步骤较多时，可采用多台生物安全柜按要求组合，即成了系列型生物安全柜（GBL）。系列型生物安全柜出现于20世纪60年代前期，它由多个Ⅲ级生物安全柜按实验所须的操作步骤组合而成，在它的末端安装有两面门的高压灭菌器，实验器材不能直接从安全柜中取出，必须经过高压灭菌器消毒后才能取出，在设计和选用系列型生物安全柜装置时，应根据实验室的实际情况选用不同是组合类型，如直线型、L型、U型、E型以及其他形式的生物安全柜。但应防止组合到系列型生物安全柜中的各种设备、管路、配线等引起的交叉及泻漏现象发生。

系列型Ⅲ级生物安全柜示意图

5 生物安全柜的技术要求

5.1 外观要求
    柜体表面无明显划伤、锈斑、压痕、表面光洁，外形平整规则；说明功能的文字和图形符号标志应正确、清晰、端正、牢固；焊接应牢固，焊接表面应光滑。

5.2 材料
    所有柜体和装饰材料应能耐正常的磨损,能经受气体、液体、清洁剂、消毒剂及去污污操作等的腐蚀。材料结构稳定，有足够的强度，具有防火耐潮能力。所有的工作室内表面和集液槽应使用不低于300系列不锈钢的材料制作。前窗玻璃应使用光学透视清晰、清洁、和消毒时不对其产生负面影响的防爆裂钢化玻璃、强化玻璃制作，其厚度应不小于5mm。过滤器应能满足正常使用条件下的温度、湿度、耐腐蚀性和机械强度的要求，滤材不能为纸质材料。滤材中可能释放的物资应不对人员、环境和设备产生不利影响。Ⅲ级安全柜的手套应采用耐酸碱及符合实验要求的橡胶材料制成。

5.3 前窗操作口
    前窗操作口的高度标称值应在160mm～250mm范围内。前窗开启与关闭应轻便,在行程范围内的任何位置不产生卡死现象,不应有明显的左右或前后晃动现象,滑动应顺畅。滑动前窗的构造应保证在悬挂系统出故障时不能脱落而给操作者带来危险,应具有报警系统和联锁系统以保证工作只能在规定的前窗操作口高度范围之内进行。滑动前窗及与其贴合的板之间、窗玻璃与框架之间及框架四周的连接处、压紧装置等，均应充分考虑系统的密封。Ⅲ级安全柜应采用固定窗，窗与框架四周连接处应充分密封, 窗玻璃与操作手套应保证密封不泄漏。

5.4 照度
    安全柜平均照度应不小于650lx，每个照度实测值应不小于430lx。

5.5 安全柜内部供/排气风机联锁警报
    当安全柜既有内部下降气流风机又有排气风机时,应有联锁功能。一旦排风机停止工作，下降气流供气风机关闭，声光器；一旦下降气流供气风机停止工作，排气风机继续运转，声光报警器报警。

5.6 安全柜气流波动报警
    Ⅱ级安全柜必须实时显示工作区的下降气流流速和流入气流流速。当下降气流流速和流入气流流速波动超过其标称值的20%时，用声光报警器来提示下降气流和流入气流流速的波动。

    由于生物安全柜涉及的技术指标很多，在这里就不在叙述，更多内容请见 国家食品药品监督管理局2005年7月18日发布的 《YY 0569—2005 生物安全柜》。

6 生物安全柜柜内操作主要注意事项

6.1 缓慢移动原则
    为了避免影响正常的气流状态，柜内操作时手应该尽量平缓移动。

6.2 物品平行摆放原则
    为了避免物品和物品之间的交叉污染现象产生，在柜内摆放的物品应该尽量呈横向一字摆开，避免回风过程中造成交叉污染。同时避免堵塞背部回风隔栅影响正常风路。耐高压灭菌的生物危害性废弃物袋以及吸管盛放盘不应放在安全柜的外面，否则在使用这些物品时双臂就必须频繁进出安全柜，这样会干扰安全柜空气屏障的完整性，从而影响对人员和物品的防护。

6.3 避免震动原则

柜内尽量避免震动仪器（例如离心机、旋涡振荡器等）的使用，因为震动会使得积留在HEPA上的颗粒物质抖落，导致操作室内部洁净度降低，同时如果在前操作面平衡失败还会引起安全柜对操作者的污染。

6.4 不同样品柜内移动原则

柜内两种及以上物品需要移动时，一定遵循低污染性物品向高污染性物品移动原则，避免污染性高的物品在移动过程中产生对柜体内部的大面积污染。

6.5 明火使用原则

柜内尽量不要使用明火！因为在明火使用过程中产生的细小颗粒杂质将被带入HEPA，这些高温杂质会损伤你是HEPA。无法避免一定需要使用的时候，宜使用低火苗的本生灯。

7 参考文献

[1]  YY 0569—2005 生物安全柜；
[2]  俞咏霆、李太华、董得祥，生物安全实验室建设， 化学工业出版社，2006年4月；

生物安全柜照片

以下照片由苏净安泰提供

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