折叠组合式模块化BSL-3实验室的研制.pdf

窑医疗卫生装备窑 2024年3月第45卷第3期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 3 窑 March 窑 2024折叠组合式模块化BSL-3实验室的研制赵四清1，夏建桥2，孙中杰1，欧阳康2，靳晓军1，周康力1，谢巍2，李海洋2，蒋大鹏1，高艳艳1，孙蓓1（1.军事科学院军事医学研究院，北京100850；2.镇江康飞汽车制造股份有限公司，江苏镇江212132）摘要目的院为解决现有的移动生物安全3级（biological safety protection third-level，BSL-3）实验室无法实现空间功能拓展、规模化部署、低成本运输等问题，研制一种折叠组合式模块化BSL-3实验室。方法院该实验室由折叠组合式方舱模块、通风净化模块、供配电模块、监控通信模块、控制系统模块和仪器设备模块组成。其中折叠组合式方舱模块以可调平底架作为支撑，以折叠单元作为围护结构，方舱内部分为工作辅助区和防护区；通风净化模块由送风模块和排风模块组成，送风模块与新风空调集成设计，排风模块集成一主一备2套风机和袋进袋出过滤装置；控制系统模块采用分散控制和集中管理的控制方式，以数据服务器为中心，采用Profinet协议和MODBUS-TCP进行通信。结果院经测试，该实验室的内部微环境、气流方向、气密性、工况、消毒效果等指标均达到相关标准规定的BSL-3实验室的要求。结论院该实验室可实现批量化运输和规模化部署，为疫情防控和跨地域支援提供了一种更加安全、可靠的实验场所。关键词生物安全三级实验室；方舱；模块化保障装备；生物安全中国图书资料分类号R318曰R197.39文献标志码A文章编号1003-8868渊2024冤03-0041-06DOI院10.19745/j.1003-8868.2024047Development of biological safety protection third-level laboratorybased on folding-modular sheltersZHAO Si-qing1,XIA Jian-qiao2,SUN Zhong-jie1,OUYANG Kang2,JIN Xiao-jun1,ZHOU Kang-li1,XIE Wei2,LI Hai-yang2,JIANG Da-peng1,GAO Yan-yan1,SUN Bei1(1.Academy of Military Medical Sciences,Academy of Military Sciences,Peoples Liberation Army袁Beijing 100850,China;2.Zhenjiang Kangfei Automobile Manufacturing Co.,Ltd.,Zhenjiang 212132,Jiangsu Province,China)AbstractTo develop a biological safety protection third-level(BSL-3)laboratory based on folding-modularshelters to solve the problems of the existing laboratories in space and function expansion,large-scale deployment and low-cost transportation.The BSL-3 laboratory was composed of a folding combined shelter module,a ventilation andpurification module,a power supply and distribution module,a monitoring and communication module,a control systemmodule and an equipment module.The folding combined shelter module used a leveling base frame as the foundation and alightweight panel as the enclosure mechanism,and was divided into an auxiliary area and a protection protected area;theventilation and purification module was made up of an air supply unit and an air exhaust unit,the air supply unit wasintegrated with a fresh-air air conditioner and the exhaust unit was equipped with a main fan,a standby fan and a bag in/bagout filter;the control system module adopted a supervision mode of decentralized control and centralized management,whichexecuted communication with the data server as the center and Profinet protocol and MODBUS-TCP.The BSL-3laboratory proved to meet the requirements of relevant standards in internal microenvironment,airflow direction,airtightness,working condition and disinfection effect.The BSL-3 laboratory is compatible with large-scale transport anddeployment and facilitates reliable and safe experiments for epidemic prevention and control and cross-regional support.悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造袁2024袁45渊3冤院41-46Key wordsbiological safety protection third-level laboratory;shelter;modular supporting equipment;biosafety0引言进入21世纪以来，各类新发、突发传染病疫情层出不穷，对我国乃至全球经济社会发展和人民健康水平产生严重影响，未来生物威胁形势加剧。因栽澡藻泽蚤泽论著赵四清，夏建桥，孙中杰，等.折叠组合式模块化BSL-3实验室的研制J.医疗卫生装备，2024，45（3）：41-46.41 窑医疗卫生装备窑 2024年3月第45卷第3期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 3 窑 March 窑 20241.调平底架；2.折叠单元；3.中框；4.中隔板；5.端板。图1折叠组合式方舱模块展开示意图此，要加强生物安全风险防控和治理体系建设，提高生物安全治理能力，筑牢生物安全屏障。移动生物安全3级（biological safety protectionthird-level，BSL-3）实验室作为我军重要的生物安全防护装备，已在地区自然灾害、突发生物安全事件以及境外援助等重大保障任务中发挥了巨大作用1-2。但其属于一体化集成装备，需整套定制，造价高昂，无法批量储备。另外，实验室采用方舱形式，需要通过大型运输机（如运20、伊尔76）运送，运输周期和成本均不可控，严重制约了移动BSL-3实验室的应用范围。为解决移动BSL-3实验室造价高和运输难的问题，本研究采用“X+Y”的模式，实现“三化”设计，整体组成可批量运输、规模部署的折叠组合式模块化BSL-3实验室，即实验平台折叠组合化，只需根据空间、功能需要配备相应折叠模块和附件，就地组合展开作为实验室平台；保障设施装备化，按照军用保障装备的设计理念，提高整装设备的互换性；实验仪器箱组化，各仪器设备采用统型箱组打包，并设置实验功能仪器菜单，按任务配置选用相应的仪器。1实验室的模块化集成借鉴帐篷医院3和武警方舱医院4的设计理念，整个实验室按照功能分为折叠组合式方舱模块、通风净化模块、供配电模块、监控通信模块、控制系统模块和仪器设备模块。各模块的功能见表1。2折叠组合式方舱模块2.1整体结构设计折叠组合式方舱模块以可调平底架作为支撑，以折叠单元作为围护结构。两两折叠单元之间通过中框或中隔板进行连接，所有折叠单元、中框、中隔板、端隔板规格统一，确保互换性，如图1所示。折叠单元两侧板采用合页设计，可实现内折叠，便于堆码收拢。2.2实验室布局依据GB 274212015移动式实验室生物安全要求5标准，方舱内部分为辅助工作区和防护区。辅助工作区包括监控室和更衣室，防护区包括缓冲间和实验间。实验人员由监控室依次通过更衣室和缓冲间进入实验间，实验样本、耗材随实验人员带入，实验废弃物经高压灭菌后带出实验室。实验间配置生物安全柜、高压灭菌器、培养箱、冰箱，另配置折叠工作台用于放置实验仪器，如图2所示。2.3气密性设计依据GB 274212015标准要求，BSL-3实验室的围护结构应无可见泄漏点。折叠组合式方舱模块的气密性设计重点包括折叠单元合页缝和拼接缝。1232425表1折叠组合式模块化BSL-3实验室模块功能模块名称组成功能折叠组合式方舱模块作为实验室平台，满足BSL-3实验室要求通风净化模块送风模块为实验室提供洁净新风，调节室内温湿度排风模块调节室内负压梯度管道附件连接管道、降噪导流罩供配电模块发电机组为整个实验室提供电力保障UPS在电力故障的情况下，可为实验室持续供电15 min照明、布线组件为实验提供照明保障和线缆快速部署监控通信模块摄像机组及附件实现实验室视频监控功能语音对讲及附件实现实验室语音通话功能控制系统模块服务器对实验室运行状态数据进行处理，并搭载操作界面数据终端实现对防护区的温湿度、压力的实测值进行采集门禁组件实现对门体的连锁控制仪器设备模块实现对实验室仪器的收纳，具备减振、隔热等功能1.控制模块；2.监控通信模块；3.折叠桌；4.生物安全柜；5.高压灭菌器；6.实验间；7.缓冲间；8.更衣室；9.监控室；10.供配电模块。图2折叠组合式模块化BSL-3实验室布局12345678910注：UPS为不间断电源。作者简介院赵四清（1968），男，正高级实验师，主要从事生物安全防护方面的研究工作。栽澡藻泽蚤泽论著赵四清，夏建桥，孙中杰，等.折叠组合式模块化BSL-3实验室的研制J.医疗卫生装备，2024，45（3）：41-46.42 窑医疗卫生装备窑 2024年3月第45卷第3期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 3 窑 March 窑 2024合页缝密封结构如图3所示。折叠单元展开后，转轴缝隙通过“D”型胶条进行密封，另一侧缝隙通过密封盖板和“O”型胶条进行第2层密封，以提高合页缝密闭性。拼接缝密封结构如图4所示。2个折叠单元之间的拼接缝主要通过“凹”“凸”型材与“D”型胶条密封。外侧缝隙通过密封盖板和“O”型胶条进行第2层密封，内侧缝隙通过“O”型胶条挤压进行第3层密封，以提高拼接缝密闭性。穿线孔、密闭门、设备固定点、墙壁开孔等均采用成熟的密封工艺。经检测，围护结构在-300 Pa压力条件下，最大空气泄漏量为0.58 m3/min，达到GJB61092007军用方舱通用规范6所规定的1级气密性方舱要求，同时能满足移动式BSL-3实验室的围护结构气密性要求。2.4轻量化设计为保证整个实验室8人操作展开时间臆1 d，折叠组合式方舱模块所有壁板均采用碳纤维蒙皮和铝蜂窝复合的大板外装铝合金型材框梁的结构。与传统复合板相比较（见表2），折叠组合式方舱模块质量减轻约0.3 t，折叠单元、中隔板以及端隔板分别减轻3845 kg，可确保2名成年人完成方舱模块各单元的搬运工作，提高实验室展开和收拢的便捷性及运输性能，可满足人工搬运要求。2.5折叠单元的组合应用为了便于各折叠单元之间“无差别”式对接，所有单元的对接口与被对接口采用统一的标准连接形式。折叠单元、中框、中隔板、端隔板的对接、密封和固定形式全部采用相同的结构。根据执行任务需求，可通过调整中框和中隔板位置，实现内部各分区大小调整，以满足功能需要；也可通过增加折叠单元的数量、调整中框和中隔板分区，按任务需求调整实验空间及增加实验室其他功能区。3通风净化模块3.1送排风原理辅助工作区采用移动式内循环空调，防护区采用全新风直流式通风空调系统，送风经初、中、高3级过滤器集中过滤后分别输送至缓冲间和实验间。总排风设置在实验间生物安全柜后侧，经风口型和袋进袋出（bag in/bag out，BIBO）2级高效过滤器过滤后排放。缓冲间和实验间之间设可调节漏风阀，确保防护区形成有序的压力梯度，即实验间压力为-45 Pa，缓冲间压力为-20 Pa。另外，实验间送风和排风管道均设置生物型密闭阀，便于系统在线气密性检测和空间消毒灭菌，如图5所示。3.2送风和排风模块送风和排风2个模块均采用箱组式设计，集成风机、过滤装置（可原位检漏和消毒）、管道阀门、控图3合页缝密封结构图4拼接缝密封结构表2复合大板参数指标对比复合大板结构组成导热系数/（Wm-2K-1）芯材密度/（kgm-2）蒙皮密度/（kgm-2）质量/（kgm-2）阻燃性能传统板铝板聚氨酯0.025503.249.48阻燃铝蜂窝板铝板铝蜂窝0.050353.248.64阻燃碳纤维板碳纤维铝蜂窝0.042351.955.9阻燃（c）下合页缝隙（b）中合页缝隙（c）端隔板拼缝（a）中框拼缝（b）中隔板拼缝（a）上合页缝隙121.“D”型胶条；2.“O”型胶条。1.“D”型胶条；2.“O”型胶条。12图5通风原理图排风模块排风BIBO风口H14漏风阀实验间（-45 Pa）缓冲间（-20 Pa）更衣室监控室风机新风G4 F8空调降噪H14风阀生物型密闭阀送风模块栽澡藻泽蚤泽论著赵四清，夏建桥，孙中杰，等.折叠组合式模块化BSL-3实验室的研制J.医疗卫生装备，2024，45（3）：41-46.43 窑医疗卫生装备窑 2024年3月第45卷第3期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 3 窑 March 窑 2024图7排风模块示意图1.控制单元；2.生物型密闭阀；3.BIBO过滤装置；4.排风机；5.备排风机。制单元、传感器等。外框架由标准铝型材搭建而成；外壁增加保温和降噪措施，对应位置设进出风口、散热口以及维修门，提升防鼠、防虫能力；底部设置减振移动轮，实现就位和固定使用；所有电气、压力管道均采用密封式标准快插接头。送风模块与新风空调集成设计，空调主体由冷凝风机、压缩机、蒸发器及电控系统构成，与箱组框架通过减振器连接，整体质量可减少50 kg，同时便于维护和检修，如图6所示。排风模块集成一主一备2套风机和BIBO过滤装置，配置独立控制单元，以确保防护区压力梯度稳定，如图7所示。3.3气流组织模拟分析为了更好地对实验室内的气流组织进行分析，本研究利用Airpak软件进行计算流体动力学（com-putational fluid dynamics，CFD）模拟，分析防护区气流组织及微环境的速度场和温度场。仿真模型选用零方程模型，较k-着两方程模型更容易收敛并节约计算资源7。构建的气流组织仿真模型如图8所示。设定输入边界条件，按照通风原理进行送、排风口位置、尺寸及送风参数设定，设备散热量为2 000 W（含人员和设备），围护结构等效传热系数为2.5W/（m2益）。模拟降温过程，室外温度为46益，室内送风温度为18 益。仿真结果如图911所示。气流整体从低污染区向高污染区流动，未形成涡流，符合BSL-3实验室要求。人员操作面风速约为0.2 m/s，速度场稳定，符合实验操作需求。室内温度控制均匀，18 益等值域逸93.7%，符合实验室相关标准要求。4控制系统模块控制系统模块采用分散控制和集中管理的控制方式，以数据服务器为中心，采用Profinet协议和MODB-US-TCP进行通信，上端与显示器终端通信，下端与缓冲间和实验间数据终端及送、排风模块数图6送风模块示意图1.送风机；2.变风量阀；3.生物型密闭阀；4.送风过滤器；5.新风空调；6.控制单元。图8气流组织模拟仿真模型12345612345图10防护区速度场渊操作面冤仿真结果图9防护区气流组织仿真结果图11防护区温度场仿真结果温度（益）30.0026.2522.5018.7515.0011.257.503.750温度（益）速度（m/s）25.023.121.219.317.515.613.711.810.00.400.350.300.250.200.150.100.050栽澡藻泽蚤泽论著赵四清，夏建桥，孙中杰，等.折叠组合式模块化BSL-3实验室的研制J.医疗卫生装备，2024，45（3）：41-46.44 窑医疗卫生装备窑 2024年3月第45卷第3期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 3 窑 March 窑 2024据交互，可实现实验室防护区数据采集、门禁控制和故障报警功能。同时配套开发人机界面实现运行状态实时监控和数据记录。控制系统模块组成框图如图12所示。控制系统模块机架采用滚塑箱组设计，便于运输和搬运，具备抗震和防冲击性。各数据终端采用集成式模块化设计，由盒形铝合金封装，易于维修、更换。控制系统模块实物图如图13所示。5运输性能分析本实验室参考GJB 182B2013军用物资直方体运输包装尺寸系列8和民航飞机运输尺寸进行设计。根据各功能模块的结构、形状、运输要求等，采用托盘和箱组堆码运输（如图14所示），可满足公路、铁路、水路通用运输要求，同时可采用航空集装箱包装，满足B767-300ER民航货机飞机运输要求。整个实验室运输成本大幅度降低，可满足第一时间将生防装备运输至任务区的需求。6性能测试按照GB 5059120109、GB 50346201110、GB/T38502202011、RB/T 199201512等相关标准测试折叠组合式模块化BSL-3实验室的物理综合性能和消毒效果。测试条件为外部温度3540 益，相对湿度为60%75%，实验室正常运行，各核心设备正常开启。经测试，各项参数指标均满足相关标准所规定的BSL-3实验室的要求，结果见表3。7结语折叠组合式模块化BSL-3实验室较传统的车载式BSL-3实验室可实现高效批量化运输和规模化部署，同时较板房拼接式实验室模块组合的“搭积木”方式更易于现场施工，为我国疫情防控和跨地域支援提供了一种更加可靠、高效的实验场所。但本实验室仍存在以下不足：（1）各模块虽已经完成标准箱组化设计，但箱组类别较多，后期运输时不利于最小化堆码。（2）实验室目前可实现纵向拓展应用，但考虑到分区科学性，人员、物品通道安全性，仍需加快横向拓展设计工作。（3）实验仪器设备作为高精密设备，运输时可通过减振铝制箱包装，但未考虑温湿度影响。（4）为确保美观性，实验室内外均通过装饰罩进行修饰，目前采用的紧固件方式工作量较大，后期需采用卡扣方式，提升折叠组合式方舱模块的组装效率。参考文献1田曙光，王雪松，陈勇，等援中国援塞移动实验室安全风险评估与生物安全应对措施J援中国消毒杂志，2015，32（4）：365-368援2张宗兴，衣颖，吴金辉，等援帐篷式移动生物安全实验室设计及在新型冠状病毒检测中的应用J援医疗卫生装备，2020，41（2）：1-5援（a）箱组式机架（b）数据终端图13控制系统模块实物图图14托盘运输示意图图12控制系统模块组成框图注：PLC为可编程逻辑控制器。数据终端（缓冲间）门禁控制模块交换机送风模块终端排风模块终端数据采集模块PLC交换机数据采集模块PLC交换机数据终端（实验间）参数显示模块报警模块数据采集模块门禁控制模块交换机人机界面显示器终端配电模块数据服务器交换机箱组式机架栽澡藻泽蚤泽论著赵四清，夏建桥，孙中杰，等.折叠组合式模块化BSL-3实验室的研制J.医疗卫生装备，2024，45（3）：41-46.45 窑医疗卫生装备窑 2024年3月第45卷第3期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 3 窑 March 窑 20243伍瑞昌，孙景工，王兴永，等援野战帐篷医院系统设计与应用J援医疗卫生装备，2018，39（5）：1-6，16援4武周炜，向宇，赵艳梅援武警方舱医院核生化医疗救援装备模块化配置研究J援医疗卫生装备，2015，36（8）：32-34援5移动式实验室生物安全要求：GB 274212015S援6军用方舱通用规范：GJB 61092007S援7狄育慧，王善聪援利用Airpak模拟室内气流组织的误差分析J援西安建筑科技大学学报（自然科学版），2013，45（1）：73-78.8军用物资直方体运输包装尺寸系列：GJB 182B2013S援9洁净室施工及验收规范：GB 505912010S援10生物安全实验室建筑技术规范：GB 503462011S援11消毒剂实验室杀菌效果检验方法：GB/T 385022020S援12实验室设备生物安全性能评价技术规范：RB/T 1992015S援（收稿：2023-05-10修回：2023-08-27）医疗卫生装备“论著-专题研究”栏目征稿为使生物医学工程及卫勤保障装备领域权威专家的重要研究成果尽快与广大读者见面，推动我国医学工程学科发展，我刊“论著-专题研究”栏目特面向全国征稿。该栏目主要邀请相关领域权威专家担任栏目主编，组织学者就某一主题进行专题分析和论述，选题包括但不限于：（1）军队卫生装备类，如航空医学装备、海军医学装备、战伤急救与紧急医学救援装备、三防卫生装备等；（2）生物医学工程类，如生物医学成像与图像处理、脑机交互与神经工程、生物医学传感器、生物材料、人工器官等；（3）医疗器械类，如人工智能医疗器械、医用机器人、5G+医疗健康装备、诊断检验新装备、监护与生命支持装备、有源植入器械、院前家庭健康管理装备、院后康复装备、中医诊疗装备等；（4）系统平台类，如数字医疗与智能化平台建设；（5）法规标准解读类，如最新国际、国内医疗器械法规及标准解读欢迎向本栏目投稿，国家重点基金项目、重大科研专项及省市级重大科研项目的研究成果均可优先发表。来稿请确保版权的独立性，严禁抄袭，文责自负。（本刊编辑部）注院UPS为不间断电源遥表3折叠组合式模块化BSL-3实验室性能测试结果测试项目标准要求检测结果换气次数亿12次/h20次/h照度亿300 lx440 lx静压差核心工作间亿45 Pa；相邻间亿15 Pa核心工作间-60 Pa；缓冲间-30 Pa噪声役68 dB（A）66.2 dB（A）温湿度温度1826 益；相对湿度30%70%温度22.3 益；相对湿度58.8%洁净度0.5 滋m粒子数臆352 000个；0.3 滋m粒子数臆2 930个0.5 滋m粒子数臆128 375个；0.3 滋m粒子数臆1 531个气流方向及严密性低风险区流向高风险区；缝隙无泄漏低风险区流向高风险区；缝隙无泄漏过滤器效率逸99.99%99.996%工况转换压差正常；UPS维持15 min压差正常；UPS维持15 minBIBO过滤装置扫描检漏约3个；泄漏役0.1%/min；承压逸60 min扫描检漏未达到3个；泄漏0.001%/min；承压逸60 min实验间消毒嗜热脂肪杆菌芽孢全杀灭11处采样点芽孢培养为阴性工况方法正常运行风速仪换算正常运行照度计检测正常运行压差计检测通风、安全柜开启声级计检测正常运行温湿度计检测正常运行粒子计数器检测正常运行烟雾法检测正常运行气溶胶检测人为制造故障目视法检查气溶胶检测压力衰减法检测目视法检查GB/T 385022020第5.1、5.4项栽澡藻泽蚤泽论著赵四清，夏建桥，孙中杰，等.折叠组合式模块化BSL-3实验室的研制J.医疗卫生装备，2024，45（3）：41-46.46