独立通风笼盒内换气次数与压差差异性分析

张建平, 傅江南

(暨南大学实验动物管理中心, 广州 510632)

为了获得有关生物学、医学等方面的新知识或解决具体问题进行科学研究而使用的实验动物需在特定环境设施内进行饲养和实验，其中大、小鼠需饲养在屏障设施内。因独立通风笼盒(IVC)具有可避免交叉感染、可在同一房间内饲养不同的转基因动物、节能等优势，已广泛应用于实验动物屏障设施内[2]。目前国内外对IVC设备的研究主要集中在笼盒内气流速度，氨浓度，换气次数，笼盒的密封性，实验动物的生长繁殖情况等方面，但IVC在使用过程中, 设定参数后, 同一笼架内各个笼盒换气次数及内外压差是否满足要求，彼此之间是否有差异，差异大小等方面的研究较少。实验小鼠从出生到死亡一直生活在笼盒内，笼盒内的微环境就是小鼠赖以生存的环境，而IVC笼盒内微环境的质量如温度、湿度、CO2浓度[3]和氨浓度[4]等参数与换气次数和压差密切相关。根据实验结果与有关因素的关系[5]: R=(A+B+C)D±E，R为实验动物的总反应; A为实验动物种的共同反应; B为实验动物品种、品系的特有反应; C为实验动物的个体反应(个体差异); D为环境影响; E为实验误差。可知，A、B、C是与遗传有关的因素，D与R成正相关而起主要作用。动物实验过程中，IVC笼盒内微环境的控制和动物饲养环境的一致性，对实验结果的准确性和可靠性具有重要影响[6]。

IVC主要应用于小型啮齿类实验动物[7]，施正良等[8]推荐屏障系统内安放IVC双保险模式饲养啮齿类动物，根据工作时间段进行控制，降低建造费和维持费，达到节能的目的。此种运行模式，在非工作时间，笼盒内的温度、湿度、换气次数及内外压差等完全依赖于IVC，因此笼盒内实测结果与设定值一致性至关重要。

本文通过实测方法对IVC在运行过程中，不同位置笼盒内的换气次数和内外压差进行测试和分析，该研究有助于对IVC通风系统有进一步的了解，通过研究寻找如何将同一架IVC笼盒之间的换气次数和内外压差波动控制在较低范围的方法，减小实验动物微环境对实验结果的影响，提高动物福利，并有助于设备的使用和管理。

1 材料与方法

1.1 仪器与设备

国产90笼位二代小鼠IVC：不锈钢笼架，笼架与主机相对独立，单面，一拖二，笼盒的送排风方式为上送上排式。IVC为2017年新购置，根据设备使用要求，初效过滤器更换周期为三个月，高效过滤器更换周期为6个月～12个月，因进风口和排风口的空气洁净度不同，因此可根据需求更换高效过滤器，管道半年清洗一次。

经过校准(校准日期: 2017年7月11日)的testo425风速仪和testo512压差计, 均有广州禄图电子科技有限公司提供。

1.2 环境条件与控制

IVC放置在实验动物屏障设施内[SYXK(粤)2017-0174], 设备正常运行, 但无饲养实验动物, 笼盒内的换气次数及压差通过IVC控制面板进行控制, 其中设备的测试笼盒放置在靠近主机的最下端。

1.3 实验方法

1.3.1 实验分组 参考已发表文献[9]，设定待测的IVC控制面板参数:其中换气次数设定为40次/h或50次/h; 目前IVC笼盒内外压差的设定，国内并没有明确统一规定，江苏省地方标准[10](DB32/T972-2006)中要求IVC静压差必须大于10 Pa，故设定笼盒内外压差为+10 Pa, +20 Pa。从控制单一变量方面考虑，将实验分为3组，(1)对照组: 设备IVC-4,参数设置: 换气次数50次/h，笼盒内外压差+20 Pa;(2)实验组1: 同一品牌的IVC设备, IVC-1、IVC-2、IVC-3，参数设置: 换气次数50次/h，笼盒内外压差+20 Pa; (3)实验组2: 同一套设备IVC-4，设置不同参数: 换气次数50次/h、40次/h，笼盒内外压差+20 Pa、+10 Pa。以上三组实验，均待IVC设备运行稳定后，对设备各个笼盒内的参数进行检测，分组详见表1。

根据以上分组的检测结果对比分析设备在不同参数设置下，各笼盒内换气次数及笼盒内外压差之间的差异，及实测值与设定值之间的差异。

表1 检测对象IVC设备编码及分组

1.3.2 换气次数和压差测定 换气次数测定: 在测试笼盒底部对准送风口处开孔，把风速仪的探头通过开孔伸入笼盒，并密封孔口与探头之间的缝隙，探头正对送风口, 测送风口处风速, 设置测定步长为1 min, 连续测定3次，求平均风速。通过更换测试笼盒的位置，测试IVC架上笼盒送风口的风速，再根据送风口尺寸和笼盒容积，计算换气次数。压差测定: 把连接压差计高压端的软管通过测孔伸入笼盒内，低压端放置笼盒外，待数值稳定后，记录数据，连续测定3次，求平均值。压差测定和换气次数测定同步。

2 结果

2.1 在设定相同换气次数和压差条件下不同IVC设备各笼盒内换气次数均匀性

如图1所示。IVC-1笼盒内最小和最大换气次数分别为15次/h和75次/h, 笼盒之间换气次数的差异达60次/h; IVC-2、IVC-3 和IVC-4的相应数据分别为30次/h、80次/h、50次/h; 15次/h、70次/h、55次/h和30次/h、60次/h、30次/h。换气次数基本满足实验动物的生存要求, 但波动幅度较大, 4套设备换气次数的实测值与设定值相差约±30次/h。

2.2 在设定相同换气次数和压差条件下不同IVC设备各笼盒内外压差均匀性

所有检测设备笼盒内外压差均大于8 Pa(图2),除设备IVC-1外，另三套设备笼盒内外压差均小于25 Pa，每套设备笼盒内外压差差异幅度在10 Pa之内，分布较均匀。设备IVC-1中间位置和离主机最远位置，个别笼盒内外压差值较高，与此套IVC设备排风口处的接头有关。4套设备笼盒内外压差的实测值与设定值相差约10 Pa。

2.3 相同IVC设备在设定不同换气次数和压差条件下各笼盒内换气次数均匀性

从图3可见，同一设备(IVC-4)设置参数为50次/h、+20 Pa时，笼盒之间换气次数差值为30次/h; 设置参数为50次/h、+10 Pa时，笼盒之间换气次数差值为40次/h; 设置参数为40次/h、+10 Pa时，笼盒之间换气次数差值为35次/h; 设置参数为40次/h、+20 Pa时，笼盒之间换气次数差值为52次/h。表明当换气次数设置值较大，压差设置值较小，或换气次数设置值较小，压差设置值较大时，笼盒之间的换气次数差异增大。

图1 不同设备各个笼盒内换气次数分布图Figure 1 The distribution of air change in cage boxes of different equipment

图2 不同设备各个笼盒内外压差分布图Figure 2 The distribution of pressure in cage boxes of different equipment

2.4 相同IVC设备在设定不同换气次数和压差条件下各笼盒内外压差均匀性

同一设备(IVC-4)四条压差曲线波动幅度均在设置参数附近(图4)。当参数设置为+10 Pa时，个别笼盒内外压差在4～5 Pa，因此为满足使用要求，保证笼盒内正压均大于5 Pa，要求IVC设备参数设置时，压差值设置需大于+10 Pa。

3 讨论

IVC设备通风系统设计的目的，是通过风管合理组织空气流动，使得风量按需求分配。其中空气在风管内流动时的压力损失有两种形式: 摩擦压力损失和局部压力损失，即空气流过风管时与管道壁摩擦造成的损失和经过弯头时造成损失，这些损失与管道壁粗糙度、管道长度、风速、弯头个数等有关[11]。IVC设备有其自身的特点，当笼盒位置不同, 距离风机出口距离就不同, 导致压力损失不同,笼盒内换气次数存在差异。通过对实测值的分析表明，设定换气次数与实测笼盒内换气次数存在差异(±30次/h)，并且同一笼架上笼盒与笼盒之间的换气次数实测值差异较大，在30次/h～60次/h; 不同位置笼盒之间内外压差的差异较小，实测值均在设定值的±10 Pa范围内波动。

图3 相同设备各个笼盒内换气次数分布图Figure 3 The distribution of air change in cage boxes of same equipment

图4 相同设备各个笼盒压差分布图Figure 4 The distribution of pressure in cage boxes of same equipment

随着IVC设备广泛应用于大、小鼠的饲养，IVC笼盒内的微环境问题已引起广大学者的关注。Marchesi 等[12]研究表明，设置IVC设备换气次数为30次/h时，IVC笼盒内的温度比设施内的温度高，这与笼盒密闭及实验动物散发的热量不能及时被新风带走有关。 Krohn等[13]研究结果显示IVC笼盒内换气次数设置尽量小于80次/h。本实验主要研究IVC设备不同位置笼盒之间换气次数和压差的差异，设备在运行过程中，笼盒内外压差差异较小，均在设置值±5 Pa范围内波动，结果与国内其他文献报道相似[14]，为保证所有笼盒内外压差≥+5 Pa，避免实验动物受到外界环境的干扰，设备压差设置值需≥+10 Pa。

大、小鼠饲养于密闭的IVC笼盒内，盒内温度、湿度、气流速度及氨浓度均与换气次数有密切关系，为提高实验结果的精确性、可靠性等，减少环境因素对实验结果的影响，需进一步研究如何将同一架IVC笼盒之间的换气次数和内外压差波动控制在合理范围，笼盒内实际的换气次数与内外压差尽量与设定值保持一致。

从实验动物福利方面考虑，也应该进一步研究IVC在不同换气次数和压差参数设置下，笼盒内的气流分布，温度、湿度及氨浓度的分布情况，保证动物生长的舒适性。

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