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生物安全实验室排风高效过滤器原位检漏关键技术研究

作　者: 张宗兴
导　师: 祁建城；吕京
学　校: 中国人民解放军军事医学科学院
专　业: 卫生防护防疫技术与装备
关键词: 高等级生物安全实验室高效过滤器高效空气过滤单元原位检漏全效率检测法扫描检测法
分类号: R115
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

高等级生物安全实验室的操作对象为高致性病原微生物,其许多常规的实验操作都会产生危害性气溶胶。如果实验室带菌、带毒的室内污染空气排放到大气中,将会感染人群及动物,引起流行病爆发,严重威胁人类生命健康,甚至引发重大公共卫生事件。因此,高等级生物安全实验室污染空气排放处置是确保实验室生物安全的关键。目前,空气高效过滤仍然是生物安全实验室空气污染防护的主要手段。高效空气过滤器存在泄漏和表面病原微生物存活、繁殖的风险,WHO《实验室生物安全手册》(第3版)要求BSL-3实验室所有的高效过滤器必须安装成可以进行气体消毒和检测方式,我国标准GB19489-2008也规定BSL-3实验室应可以在原位对排风高效过滤器进行消毒灭菌和检漏。我国高等级生物安全实验室的建设起步较晚,现采用的实验室排风处置技术仍十分落后,不能满足对高效过滤器进行原位检漏和原位消毒的要求。为解决通过改造使我国已建及一些在建的高等级生物安全实验室符合GB19489-2008的技术难题,有必要依据现有标准和其它相关技术要求,对高效空气过滤单元过滤器原位检漏技术进行研究,并研发适合我国国情的高等级生物安全实验室排风处置设备。针对高等级生物安全实验室排风高效过滤器安装的实际情况,研究了国际上通用的高效过滤器扫描检漏、全效率检漏法,并结合相关标准对高效过滤器效率测试台提出的性能要求,以及我国已建及在建高等级生物安全实验室的实际情况,提出生物安全实验室排风高效过滤器原位检漏技术研究方案。本文首先研究了如何将全效率检漏应用到排风过滤装置的技术方法,并通过理论分析、实验对比和CFD模拟,设计了排风过滤装置的下游混匀装置,可以保证下游采样具有代表性,建议依据标准ASHERE52.2-1999“一般通风用空气净化器件计径效率实验方法”对下游采样点气溶胶混合性能进行评价。在过滤器下游9个发尘点注入人工发生的DOP气溶胶,在下游采样口进行测试,结果表明对粒径为0.3~0.5μm的粒子,所有发尘点所对应的下游采样口所采集的气溶胶浓度测试结果产生的相对偏差均低于3%,满足标准不大于10%的要求。对于具有上游发尘和采样功能的高效空气过滤单元,根据标准要求,需要保证紧靠过滤器上游的气溶胶浓度具有空间一致性。为了满足要求,通常在上游加装混匀板,但在某些情况下,仍然难以达到混匀要求,此时可以通过采用将常规发尘口改为环形发尘口。通过实验测试,表明环形发尘口可有效加速气溶胶混匀,取得了很好的混匀效果。利用美国TSI3160分级式滤料测试台测试了具有不同孔径漏点的高效滤纸,所测滤纸MPPS效率大于99.97%,其MPPS粒径为0.1μm。测试结果表明,当漏点直径低于0.4mm时,对滤纸的整体效率影响很小,当直径大于0.4mm时,滤纸的效率明显下降。因此建议当测试扫描探头漏点识别及定位漏点性能时,所制作漏点直径选为0.4mm为宜。此处漏点直径时指对漏点进行扎漏的圆针直径。针对常规采样探头应用在排风过滤装置的自动扫描系统上所存在的问题,提出了研制线扫描采样探头的方案。首先根据采样探头采样口气流速度一致性对线扫描采样探头两种设计方案进行测试,采样气流流量为28.3L/min,根据测试结果对两种方案进行了初步的选择,所选择的线扫描采样探头采样口各点风速值均在平均值±20%范围内,满足相关标准要求。为了测试线扫描探头识别漏点的能力,与常规扫描探头进行了过滤器漏点识别对比测试,测试时分别在过滤器进、出风面的滤纸上人为制作了两个直径为0.4mm的漏点,两种探头在距过滤器25mm位置对漏点周围进行固定采样。测试结果显示,线扫描探头测试固定漏点所得透过率约为常规扫描探头的0.7倍,线扫描探头漏点识别范围为7mm左右,透过率分布呈抛物线状,矩形采样探头漏点识别范围为11mm左右,透过率分布呈梯形状,且线扫描探头对不同位置漏点所测差异性比较小,证明可用于过滤器扫描。根据线扫描采样探头识别漏点的特点,将扫描探头的运动方式设置为间断式运行,每运行5mm,暂停0.5s。之所以采取间断式运行,是为了给数据的采集和处理提供时间,当粒子计数器与计算机传送数据时,计数器不能同时采集数据,此运行方式可有效防止漏认。考虑到采样管的长度所造成的数据采集延时,在扫描过程中对采样的时间进行设定修正。对有漏点的过滤器进行线扫描检漏时,可准确定位漏点所在区域。根据排风过滤装置的性能要求,研发了线扫描自动检漏系统,整个扫描系统除了包括上述的采样探头之外,还包括运动控制系统、采样管路切换系统以及数据采集处理系统。该系统具有扫描周期短、机械结构简单、配套仪器少、自动化程度高和更加人性化的优点,且自动扫描系统的所有电器元件全部安装在装置的外侧,可完全适用于排风过滤装置的过滤器原位检漏。高等级生物安全实验室应根据自身结构情况,选择合适的排风过滤装置,并根据其高效过滤器的安装情况,选择适用的检漏方法。系列生物安全实验室排风高效空气过滤装置的成功研制为我国高等级生物安全实验室的建设提供了重要的技术和装备支撑,且产品性能达到了国外同类产品水平,可在国内高等级生物安全实验室的建设中得到推广应用。

全文目录

摘要  10-12
ABSTRACT  12-15
第1章绪论  15-22
  1.1 概述  15-16
    1.1.1 生物安全实验室和生物安全  15-16
  1.2 课题背景  16-18
  1.3 排风处置设备国内外研究情况  18-20
    1.3.1 国外研究情况  18-20
    1.3.2 国内研究情况  20
  1.4 课题研究内容与方法  20
  1.5 课题研究意义  20-22
第2章高效过滤器及其检测方法  22-30
  2.1 高效过滤器  22-24
    2.1.1 过滤器的分类  22
    2.1.2 滤料的分类  22-23
    2.1.3 过滤器性能参数  23-24
  2.2 过滤器的过滤机理  24-26
    2.2.1 纤维过滤机理  24-25
    2.2.2 物理气溶胶单纤维效率  25-26
  2.3 高效过滤器检测标准及检漏方法  26-28
    2.3.1 高效过滤器检测标准  26
    2.3.2 高效过滤器过滤性能实验方法介绍  26-28
  2.4 小结  28-30
第3章全效率检漏  30-46
  3.1 过滤器全效率检测  30-33
  3.2 排风装置过滤器的全效率检测  33-35
  3.3 CFD模拟与实验测试  35-45
    3.3.1 CFD模拟  35-38
    3.3.2 实验测试过程  38
    3.3.3 模拟结果与实验测试结果  38-45
  3.4 小结  45-46
第4章扫描检漏  46-78
  4.1 过滤器扫描检漏  46-49
    4.1.1 上游采样  47
    4.1.2 下游采样  47-48
    4.1.3 计算效率  48-49
  4.2 高效空气过滤单元的扫描检漏  49-52
    4.2.1 上游气溶胶混匀  50-52
  4.3 扫描探头的研制  52-63
    4.3.1 线扫描头的选型  53-58
    4.3.2 与常规探头对比试验  58-63
  4.4 线扫描探头运行参数  63-66
    4.4.1 扫描探头运行速度  64-65
    4.4.2 采样滞后  65-66
  4.5 线扫描检漏参数  66-68
    4.5.1 渗漏指认  66-67
    4.5.2 最小尘粒数  67
    4.5.3 上游气溶胶浓度  67-68
  4.6 误差分析  68-73
    4.6.1 非等速采样的误差  68-70
    4.6.2 粒子计数器重叠误差  70
    4.6.3 沉积损失  70-73
  4.7 扫描系统的研制  73-77
    4.7.1 运动控制系统  73-75
    4.7.2 采样管路切换系统  75
    4.7.3 数据采集处理系统  75-77
  4.8 小结  77-78
第5章原位检漏高效排风装置在生物安全实验室中的应用  78-85
  5.1 高效空气过滤单元的应用  78-79
    5.1.1 高效空气过滤单元结构  78
    5.1.2 原位检漏和消毒操作  78-79
    5.1.3 安装条件  79
  5.2 高效过滤排风口  79-82
    5.2.1 高效过滤排风口结构  79-80
    5.2.2 原位检漏和消毒操作  80-81
    5.2.3 安装条件  81-82
  5.3 高效过滤侧排风口  82-83
    5.3.1 高效过滤侧排风口结构  82
    5.3.2 原位检漏和消毒操作  82
    5.3.3 安装条件  82-83
  5.4 立式排风过滤装置  83-84
    5.4.1 立式排风过滤装置结构  83-84
    5.4.2 原位检漏和消毒操作  84
    5.4.3 安装条件  84
  5.5 小结  84-85
第6章结论  85-86
参考文献  86-90
文献综述  90-99
在学期间取得的成果及发表的代表性论著（全文）  99-108
  代表性成果  99-100
  代表性论著全文  100-108
作者简历  108-109
致谢  109

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