生物安全實驗室初級防護設備和廢棄物處理設備現狀及發展建議

李鵬輝，張宗興，徐新喜

（軍事科學院系統工程研究院衛勤保障技術研究所，天津300161）

0 引言

按照研究對象和防護等級的不同，生物安全實驗室可分為4個級別。其中，高等級（三級或四級）生物安全實驗室主要開展高致病性病原微生物（如炭疽桿菌、嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒、高致病性禽流感病毒、埃博拉病毒等）研究，一旦控制或操作不當會嚴重威脅實驗室人員生命及周圍環境安全。初級防護設備能對病原微生物和實驗動物等操作進行隔離，有效防止病原微生物的泄漏，是生物安全防護的第一道屏障。廢棄物處理設備能對實驗室感染性廢棄物，如實驗動物尸體、血液、生物污水等進行處理，防止潛藏其中的病毒和細菌擴散、傳播。由此可見，初級防護設備和廢棄物處理設備能有效防御病原微生物對人員和環境造成的危害，是生物安全實驗室的關鍵設備。本文著重對國內外生物安全實驗室初級防護設備和廢棄物處理設備的發展概況進行介紹，歸納、總結我國生物安全設備的現狀與不足，并針對性地提出發展建議，以期為我國生物安全設備的進一步研發提供參考與借鑒。

1 初級防護設備

初級防護設備主要包括生物安全柜、手套箱式隔離器、動物飼養隔離器、動物負壓解剖臺、獨立通風籠具和生物安全型換籠工作臺等，主要用于生物安全實驗室感染性材料的操作防護及感染動物的飼養、解剖、取樣等生物安全防護[1]。

1.1 生物安全柜

生物安全柜是一種負壓過濾排風裝置，能夠有效地將感染性材料產生的氣溶膠危險程度降到最低[2]。國外生物安全柜研制起步較早，全球第一臺Ⅲ級生物安全柜于1943年設計成型，并于次年應用于美國陸軍生物武器實驗室[3]。經過幾十年的發展，西方國家已形成完善的產業鏈條和技術標準。

在產品研發方面，美國Thermo Fisher公司、法國EuroBioConcept公司、新加坡ESCO公司等生產的生物安全柜處于全球領先水平[4]。我國生物安全柜相關研究起步較晚，初期主要依賴國外進口，經過多年的規范化發展，目前已研發出數十個性能與國際同類產品基本相當的Ⅱ級生物安全柜以及數個Ⅲ級生物安全柜[1]。

新加坡ESCO公司[5]和蘇州安泰公司[6]生產的Ⅱ級生物安全柜如圖1所示，其部分技術性能對比詳見表1。由表1可以看出，國產生物安全柜各項技術性能中，空氣潔凈度、振動幅度、照度和噪聲等技術性能較國外品牌稍有不足，整體水平與國外品牌基本保持一致。此外，ESCO的產品采用傾斜式人體工學設計，長時間操作不易疲勞，其柜體外表面涂有抗菌涂層，能有效防止柜體表面細菌、微生物的滋生。而安泰的產品則配備了獨有的值機和斷電記憶功能，當實驗過程中需要暫停時，無需關機，關閉前窗即自動進入低速節能運行狀態，以維持操作區的潔凈度。一旦打開前窗即刻進入正常運行狀態，有效提高了操作效率。如意外斷電，該生物安全柜可在恢復電源后自行回到斷電前運行狀態，充分保護了人員安全。

圖1 Ⅱ級生物安全柜

表1 Ⅱ級生物安全柜部分技術性能對比[5-6]

在技術標準與規范方面，西方國家起步較早，技術標準完善，主要包括：ANSI/NSF 49（i15r2）：2008Biosafety cabinetry：Design，construction，performance，and field certification（美國標準[7]）和EN 12469：2000Biotechnology—Performance criteria for microbiolo-gical safety cabinets（歐盟標準[8]）。國內相關標準經過長時間的積累和發展也形成了如YY 0569—2011《Ⅱ級生物安全柜》[2]等主流執行標準。

1.2 手套箱式隔離器

手套箱式隔離器是從事高危病原微生物操作的高等級隔離防護設備，根據其工作原理及結構特點，可歸屬到Ⅲ級生物安全柜的范疇。西方發達國家的相關研究起步于20世紀50年代，經過幾十年的發展，相關產品技術成熟、種類齊全，以美國Baker公司、美國Alternative Design公司（簡稱AD公司）、意大利Tecniplast公司等為代表的相關產品處于領先水平[4]。國內方面，國家生物防護裝備工程技術研究中心（National Bio-Protection Engineering Center，NPEC）研發了生物安全型手套箱式隔離器[9]和便攜式負壓柔性手套箱式隔離器[10]。

圖2為美國Baker公司[11]和NPEC[12]研發的手套箱式隔離器，其部分技術性能對比詳見表2。由表2可以看出，美國Baker公司和NPEC研發的手套箱式隔離器各技術性能基本保持一致。此外，NPEC研發的產品將快速傳遞接口（rapid transfer ports，RTP）雙門傳遞技術與密閉門綜合應用于隔離器，在生物安全方面具有較大技術優勢。而美國Baker公司產品更符合人體工學設計，手套孔為橢圓形，可滿足不同高度的使用需求。同時，該產品還包含了3種不同型號，最多可滿足3人6只手套同時進行實驗操作。

在技術標準方面，國外技術標準主要包括DIN 25412-2：2000Laboratory equipment—Gloves boxes—Part2：Leakagetest[13]和NF X44-107：2004Cleanrooms and associated controlled environments—Part 7：Separative devices（clean air hoods，gloveboxes，isolators and minienvironments）[14]。國內手套箱式隔離器的測試與評價主要依據CNAS-CL53：2014《實驗室生物安全認可準則對關鍵防護設備評價的應用說明》[15]和RB/T 199—2015《實驗室設備生物安全性能評價技術規范》[16]，同時參考YY 0569—2011[2]。

1.3 動物飼養隔離器

動物飼養隔離器是生物安全實驗室用于將實驗動物與外界環境隔離的防護設備，在滿足實驗動物飼養所需的特定環境的同時改善操作人員工作的舒適度、靈活性，防止感染物質擴散，使污染區域最小化[17]。根據飼養動物的大小，動物飼養隔離器可分為小動物隔離器（主要用于小鼠、兔子、雪貂等小型動物的飼養）和中動物隔離器（主要用于非人靈長類動物、豬等中型動物的飼養）。根據氣密性，動物飼養隔離器可分為非氣密式隔離器與氣密式隔離器。動物飼養隔離器的設計應充分考慮動物的生活習性（如飼育非人靈長類動物時需要提供足夠的空間和適當的動物福利[18]）以及工作人員和操作程序的安全性。國外動物飼養隔離器技術成熟、種類多、型號齊全，美國AD公司、德國Ehret公司等生產的禽負壓隔離器、非人靈長類動物隔離器等產品得到廣泛應用[19]。國內方面，潘欣等[20]成功研發了智能化中動物飼養隔離系統；NPEC研發了生物安全型禽負壓隔離器[21]，可用于生物安全實驗室高致病性感染禽類隔離飼養和實驗的開展。

圖3為美國AD公司[22]和NPEC研發的禽負壓隔離器[23]，其部分性能對比詳見表3。由表3可以看出，NPEC研發的禽負壓隔離器各項技術性能與國外同類產品性能基本保持一致。此外，NPEC研發的禽負壓隔離器采用了RTP傳遞桶，能夠更加快速、安全地進行物品傳遞和消毒處理，自動化程度和安全性較同類進口產品更高。

在技術標準方面，國外技術標準主要包括ISO 10648-2：1994Containment enclosures—Part2：Class fication according to leak tightness and associated checkingmethods[24]等。我國用于評價飼養隔離器的技術規范主要為對飼養環境的要求，如標準GB 14925—2010《實驗動物環境及設施》[25]與GB 50447—2008《實驗動物設施建筑技術規范》[26]等。中國合格評定國家認可委員會于2014年頒布實施了CNAS-CL53：2014[15]，并以該說明為基礎編制了認證認可行業標準RB/T 199—2015[16]，對動物隔離設備提出了具體要求。但動物飼養隔離器種類繁多，現有標準仍需進一步完善以形成統一的隔離器現場評價標準[27]。

圖2 手套箱式隔離器

表2 手套箱式隔離器部分技術性能對比[11-12]

圖3 禽負壓隔離器

表3 禽負壓隔離器部分技術性能對比[22-23]

1.4 動物負壓解剖臺

動物負壓解剖臺是生物安全實驗室用于動物解剖、病理取材的負壓防護設備，要求能夠在隔離設備內部產生負壓，防止解剖過程中細菌、病毒或其他生物活性物質外逸，同時對解剖過程中產生的血液等液體、動物組織等固體進行有效清理、收集，以方便后期處理。小動物解剖可以在相應級別的生物安全柜中進行或在隔離設備內原位剖檢，但大動物體型大、不易控制，因此研發設計合理的大動物解剖臺尤為重要[28]。法國EuroBioConcept公司生產了手套箱式解剖臺及半身式解剖臺，美國Thermo Fisher公司設計并研制了負壓病理取材臺，美國Baker公司、LABCONCO公司生產了系列生物安全柜型解剖臺[4]。圖4為法國EuroBioConcept公司生產的半身式解剖臺[29]。該解剖臺對操作人員進行半身式柔性保護，靈活性更高，配備了過氧乙酸消毒系統和RTP轉移系統，適用于嚙齒類和禽類等動物的解剖取材。動物負壓解剖臺隔離保護工作原理與生物安全柜類似，其國外相關檢測標準主要參考生物安全柜相關標準。

國內方面，用于中動物的負壓解剖臺正處于研制階段[30]，尚未實現國產化，相關技術標準也尚未形成?，F有的負壓病理取材臺多為開放或半開放設備，無法有效防止病毒氣溶膠的外逸，且不具備原位檢漏功能，無法滿足高等級實驗室對生物安全型負壓解剖設備的需求。

圖4 法國EuroBioConcept公司半身式解剖臺[29]

1.5 獨立通風籠具（individual ventilated cages，IVC）及生物安全型換籠工作臺

IVC是一種以飼養盒為單位的獨立通風的屏障設備，主要用于小型嚙齒類實驗動物的飼養。高效過濾后的潔凈空氣進入籠具，使內部環境保持一定的壓力（正壓或負壓）和潔凈度，可用于無特定病原體（specific pathogen free，SPF）級動物或感染動物的飼養。國外的相關研究起步于20世紀70年代末[31]，經過30多年的發展已形成完善的設計規范和生產標準[32-33]。我國于20世紀90年代末引入IVC并應用于SPF級實驗動物的飼養，隨著IVC需求量的增加，國內一些廠家開始大規模生產IVC[34]。

圖5為意大利Tecniplast公司[35]和深圳泓騰公司[36]生產的IVC，其部分性能對比詳見表4。由表4可以看出，國產品牌在換氣次數、噪聲、空氣潔凈度等技術性能上與國外同類產品基本保持一致。但國外產品籠盒數更多，能夠同時滿足更多嚙齒類動物的飼養，且籠盒采用雙面開口設計，使用過程更加方便。

圖5 部分IVC

表4 IVC部分技術性能對比[35-36]

在技術標準方面，我國仍缺少IVC產品標準及用于IVC現場檢測驗收的標準。現有標準多為飼養環境指標或地方產品指標[37-38]，對隔離籠具氣密性、高效過濾器檢漏等關鍵問題并未涉及[39]。

生物安全型換籠工作臺是IVC更換籠盒的專用設備，在換籠過程中為人員、環境和動物提供安全保證和舒適操作。意大利Tecniplast公司、美國Allentown公司根據生物安全柜的工作原理研發了生物安全型換籠工作臺，技術和產品成熟[40-41]。在技術標準方面，根據換籠工作臺工作原理及結構特點可將其歸屬到生物安全柜的范疇，國外檢測標準多參考生物安全柜的技術標準。國內方面，生物安全型換籠工作臺正處于研制階段[30]，尚未實現國產化?，F有的換籠工作臺工作區域多為正壓，能保證籠內動物不受外界病菌感染，僅支持SPF級動物籠具的更換，無法滿足高等級生物安全實驗室對生物安全型換籠工作臺的需求，因此相關技術標準也尚未形成。

2 廢棄物處理設備

生物安全實驗室產生的感染性廢棄物，如實驗動物尸體、血液、生物污水等存在極大危險性，高致病性細菌、病毒極有可能潛藏其中。相關研究表明，多數三級、四級生物安全實驗室中進行操作的病毒和細菌在實驗室廢液和固體垃圾中可以存活數小時以至數年[42]，處理不當會引起擴散、傳播，對人類身體健康和社會經濟造成嚴重威脅。

2.1 實驗動物殘體處理設備

實驗動物殘體處理方面，國外常用的處理手段包括焚燒、堿水解、逆聚合和煉制[43]。其中，堿水解處理是將動物殘體的消毒滅菌和消化分解結合在同一處理過程，動物組織經過堿水解處理后變為固體殘渣、廢液及少量的有味氣體[44]。該技術能夠殺滅包括朊病毒在內的所有微生物[45]，處理過程更加綠色環保，有效降低了病原微生物的泄漏風險，因而被各生物實驗室廣泛采用。國外相關設備研究起步較早，積累經驗較多，以美國PRI和WR2公司為代表的相關產品處于領先水平[1]。國內方面，有NPEC研制的小型染疫動物組織堿水解處理設備[46]。

圖6為美國PRI公司[47]和NPEC[48]研發的實驗動物殘體處理設備，其部分性能對比詳見表5。由表5可以看出，國產設備消毒效果基本能滿足生物安全實驗室的要求，但處理能力與國外同類產品相比差距較大，而且布局方式和排出物形式也有待進一步改善。國外同類產品在使用過程中可以利用攪拌和高溫分解動物組織，堿水和堿性試劑的消耗量更少，能有效降低成本，且排出物能以無害的固體殘渣形式直接掩埋處理，使用過程更加快捷、方便。

在技術標準方面，國外技術標準相對成熟，主要包括：BS PD ISO/TS 20658：2017Medical laboratories—Requirementsfor collection，transport，receipt，and han-dlingof samples[49]和DIN 58951-2：2018Sterilization—steamsterilizersfor laboratory use—Part2：Apparatusrequirements，requirementson servicesand installation[50]等。國內現有實驗動物殘體處理設備主要參照GB 16548—2006《病害動物和病害動物產品生物安全處理規程》[51]進行設計，罐體同時參照GB 150—2011《壓力容器》[52]標準進行設計，但尚未形成設備專有技術標準。

圖6 實驗動物殘體處理設備

表5 實驗動物殘體處理設備部分性能對比[47-48]

2.2 生物污水處理設備

生物污水處理方面，以美國STERIS公司及法國ACTINI等公司為代表研制的系列化生物污水連續流處理系統和美國PRI公司生產的生物廢水（復雜廢水）批處理系統成為了生物污水處理領域的革命性成果，已逐步推廣應用[19]。國內方面，山東新華醫用環保設備有限公司成功研制了序批式生物污水處理設備[53]和連續式生物污水處理設備[54]，目前正在示范應用和評估綜合效能。

圖7為法國ACTINI公司[55]和山東新華醫用環保設備有限公司[54]生產的生物污水處理設備，其部分性能對比詳見表6。由表6可以看出，國產品牌在技術方式和滅菌效率等性能上與國外同類產品一致，但日最大處理能力較國外同類產品仍有較大差距。在技術標準方面，國內外現行消毒滅菌相關標準多面向醫療機構、傳染病疫情處置現場等場所，尚未形成專有技術標準，需進一步完善[56]。

圖7 生物污水處理設備

表6 生物污水處理設備部分性能對比[54-55]

3 問題與建議

3.1 問題

整體而言，我國生物安全實驗室防護設備部分產品已基本實現國產化，能滿足生物安全三級實驗室的使用要求，但由于起步時間晚、發展時間短，我國生物安全實驗室初級防護設備和廢棄物處理設備的整體水平較西方發達國家仍有較大差距。主要存在以下問題：

（1）經過多年的規范化發展，生物安全柜和IVC等形成了一些國產品牌，具有了一定的競爭能力，整體技術水平也與同類進口產品基本保持一致。但由于質量、品牌、聲譽等尚不及同類進口產品[57]，高等級生物安全實驗室現有產品仍以國外產品為主。

（2）手套箱式隔離器、動物飼養隔離器、實驗動物殘體處理設備和生物污水處理設備等的成功研制打破了西方國家的技術封鎖，但設備品種少、配套性差，尚未形成體系，且實驗室應用較少，綜合性能仍待進一步驗證，且較西方發達國家產品有較大差距，現有實驗室應用設備仍依賴進口產品[58]。

（3）動物負壓解剖臺、生物安全型換籠工作臺等在國內尚未實現國產化，現有實驗室部分應用設備嚴重依賴進口產品，易受西方發達國家“卡脖子”。

3.2 建議

生物安全設備極度依賴進口，壓縮了我國本土相關產品的發展空間，而進口產品采購價格高、周期長，設備的安裝和后期維修嚴重依賴外方，安全隱患突出。再加上西方發達國家對我國部分生物安全設備的封鎖和限制，已經嚴重影響了我國生物安全實驗室的運行安全。因此，提出以下建議：

（1）扶持國產品牌，樹立國產品牌的民族自信心。加大政府機關對國產防護設備和廢棄物處理設備技術研制的支持力度，激勵企業不斷提升國內產品質量，充分發揮價格、地域和服務優勢，同時引導相關實驗室建設單位采購和使用國產產品。

（2）補足國內空白，形成設備系列化。持續加大科研投入，支持科研機構和企業的創新研發，借鑒國際先進技術和標準，抓緊補足國內現有相關設備（如動物負壓解剖臺、生物安全型換籠工作臺等）的空白，形成初級防護設備和廢棄物處理設備的系列化和產業化，為我國高等級生物安全實驗室的建設和安全運行提供有力支撐。

（3）以智能化、無人化為導向，實現彎道超車。創新發展智能化、無人化防護設備和廢棄物處理設備，如智能化動物飼養隔離器、無人化IVC處理系統、自動化消毒解剖臺等，將智能化、無人化技術與生物安全設備相結合，大力提升我國生物安全設備安全性和可靠性，助力國產生物安全設備彎道超車。

4 結語

“十五”計劃以來，我國自主研發了部分初級防護設備和廢棄物處理設備，具有一定的自主保障能力，這標志著我國具備了一定的生物安全保障能力。但國產化初級防護設備和廢棄物處理設備較同類進口產品仍有較大差距，且存在品種少、配套性較差、技術標準不完善等問題，因此需要繼續加大科研投入，提高核心部件、關鍵技術的自主創新能力，盡快實現國產生物安全設備的跨越升級。