装配组合式模块化BSL-3 实验室研制

赵四清，夏建桥，綦 光，孙中杰，欧阳康，靳晓军，周康力，谢 巍，李海洋，蒋大鹏，高艳艳，孙 蓓

（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；3.北京易安生物科技有限公司，北京 100176）

0 引言

新型冠状病毒感染疫情的暴发给全球人民造成巨大生命损失的同时也重创了全球贸易，因此如何有效控制疫情，确保地区生产和生活有序进行，成为各国政府的重点工作。移动生物安全实验室作为一种可在疫区一线部署的防疫装备，为疫情防控提供了强有力的支撑[1-2]。

我国移动生物安全实验室经过近20 a 的发展，类别逐步细化，既有注重机动性的未知病原体快检平台，又有注重功能性的科研平台。由于我国对车辆运输尺寸的限制[3]，围护结构尺寸较为固定，导致传统的移动生物安全实验室（如方舱式、车厢式和集装箱式）的核心工作区面积较小，且人机工效仍有不足，无法处理批量样本。而对于核心区面积较大的活动板房式实验室，其围护结构气密性不足，只能达到BSL-2 级别要求，且重复利用率差、模块化程度低、装备速度慢，不太适宜高效防疫的任务需求。各类移动生物安全实验室的运输能力、核心区面积、生物安全等级等对比结果见表1。

表1 各类移动生物安全实验室比较

本文研制一种装配组合式模块化BSL-3 实验室，重点提升批量化运输和规模化部署能力，旨在为我国疫情防控和境外援助提供一种更加可靠、高效的移动生物安全实验室。

1 实验室的模块化集成

本项目借鉴我军模块化保障装备，如野战帐篷医院[4]和武警方舱医院[5]的设计理念研制。研制的装配组合式模块化BSL-3 实验室各模块内部组件按类别编码，采用标准箱组进行堆码贮存[6]。执行任务时，可按需选用模块数量，利用托盘进行转运（如图1 所示），托盘规格符合B747、B767 等民航飞机运输标准，以提升批量化运输和规模化部署能力，满足应急使用需求。

图1 装配组合式模块化BSL-3 实验室运输状态

2 装配组合式模块化BSL-3 实验室总体设计

2.1 整体结构

装配组合式模块化BSL-3 实验室主要由实验平台模块、保障设施模块和实验设备模块构成。其中实验平台模块包括调平底架、轻量化板、密封型材、装饰盖板、密闭门等；保障设施模块包括供电配电、通信监控、通风系统（包括送风模块合排风模块）、控制系统、水气保障等子模块；实验设备模块包括安全柜、培养箱、灭菌锅、试剂冰箱等。装配组合式模块化BSL-3实验室整体结构示意图如图2 所示。

图2 装配组合式模块化BSL-3 实验室结构示意图

实验平台模块以调平底架为“地基”，以轻量化板为围护结构（如图3 所示）。其中调平底架为框架结构，通过可调节式支腿支撑，装配时需先对场地进行硬化处理，确保不平度≤3%；轻量化板拼接处由密封型材组合连接，拼缝通过圆弧和平面盖板型材进行装饰过渡，以消除消毒死角；密闭门采用机械式气密门，采用互锁控制方式。

图3 实验平台模块拼装示意图

保障设施模块各部分均采用模块式集成设计和箱组化设计，其中通风系统按照功能分为送风模块和排风模块，采用标准铝型材框架结构设计，集成净化过滤、通风换气、温湿度调节、灭菌消毒和故障检测功能。供电配电和通信监控模块采用滚塑箱设计，强度高、易搬运，线缆为标准航插结构，可快速拔插、防尘防雨。

实验设备模块采用航空铝制箱统一收纳，减振防潮，且箱组尺寸采用分档设计，便于堆码运输。

2.2 工艺布局

依据GB 27421—2015《移动式实验室 生物安全要求》标准要求，装配组合式模块化BSL-3 实验室内部分为辅助区和防护区[7]，辅助区包括监控室和更衣室，防护区包括缓冲间和实验间。实验间配置安全柜、高压灭菌器、培养箱、冰箱，并配置折叠工作台用于放置实验仪器。装配组合式模块化BSL-3 实验室工艺布局如图4 所示。

图4 装配组合式模块化BSL-3 实验室工艺布局图

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。

2.3 气密性设计

实验平台模块的围护结构有横向和纵向两类装配缝隙。

横向装配缝隙主要是底板拼装、顶板拼装以及底板、顶板与侧板、隔板拼装产生的缝隙。缝隙处通过圆弧装饰盖板或平面装饰盖板与“O”型胶条进行密封，形成内外双层密封，提升气密性，如图5 所示。

图5 横向拼装缝密封结构

纵向装配缝主要是侧板和隔板拼装时产生的缝隙，该缝隙采用标准结构设计，内部设置加强型材，内外侧均设有“哑铃”密封胶条，并通过卡扣式盖板进行挤压，从而实现标准化组合密封，如图6 所示。

图6 纵向拼装缝密封结构

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0.62 m3/min，达到GJB 6109—2007《军用方舱通用规范》所规定的1 级气密性方舱要求[8]，同时满足移动式BSL-3 实验室的围护结构气密性要求。

2.4 轻量化板设计

围护结构的单板均采用碳纤维蒙皮和铝蜂窝芯材复合的大板结构，单板质量≤70 kg，框架型材采用铝合金材质，质量≤40 kg，可手动搬运，保证装配组合式模块化BSL-3 实验室展开时间≤24 h（8 人操作），提高展开和收拢的便捷性和运输性能。

3 通风系统设计

3.1 送、排风原理

缓冲间和实验间采用全新风空调系统，送风经初、中、高3 级过滤器集中过滤。装配组合式模块化BSL-3 实验室总排风口设置在实验间安全柜后侧，排风经风口型和BIBO 型两级高效过滤器过滤后排放。缓冲间采用漏风阀的排风形式。

防护区设置有序压力梯度，其中实验间设置为-40 Pa，缓冲间设置为-15 Pa。实验间的送风管道和排风管道均设置生物型密闭阀，便于装配组合式模块化BSL-3 实验室开展气密性检测和空间消毒灭菌操作。装配组合式模块化BSL-3 实验室通风原理图如图7 所示。

图7 装配组合式模块化BSL-3 实验室通风原理图

3.2 送风和排风模块

送风和排风模块均采用标准铝合金框架结构，内部高度集成设计，便于运输。

送风模块与新风空调集成设计，空调主体按照部件模块分别与箱组框架减振连接，整体质量可减少50 kg，同时便于维护和检修。送风模块整体设计示意图如图8 所示。

图8 送风模块示意图

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，确保防护区压力梯度稳定。排风模块整体设计示意图如图9 所示。

图9 排风模块示意图

3.3 气流组织模拟分析

利用计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）软件进行模拟，分析防护区气流组织、微环境的速度场和温度场。以降温过程为仿真对象，设置边界条件。仿真模型选用零方程模型，较两方程k-ε模型收敛速度更快，提高了仿真模拟的效率[9]。壁板传热系数为2.5 W/（m2·℃），设备预估散热量为3 kW。

仿真结果如图10～12 所示。可以看出，气流整体从低污染区向高污染区流动，未形成涡流，符合三级生物安全实验室要求；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，23.5 ℃的等值域≥94.8%，符合标准要求。

图10 防护区气流组织仿真图

图11 防护区速度场（操作面）仿真图

图12 防护区温度场仿真图

4 控制系统设计

实验室控制系统采用集散控制策略，设计缓冲间模块、实验间模块、送风模块和排风模块控制单元，各个单元具备独立控制功能，相互之间可协调联控，有效控制故障率，提升可靠性。所有控制单元的数据信号通过网络进行通信，并由上位机的控制模块采集和统一管理，同时配置远程通信模块，实现远程通信功能。控制系统框图如图13 所示。

图13 控制系统框图

5 实验室检测

依据GB 27421 和GB 19489 的相关要求，对装配组合式模块化BSL-3实验室的综合性能和消毒效果进行检验。测试项目主要包括装配组合式模块化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35～40 ℃，相对湿度60%～75%，实验室正常运行，各核心设备正常开启。测试结果见表2。

表2 装配组合式模块化BSL-3 实验室检验结果

由表2 可知，装配组合式模块化BSL-3 实验室各项指标均符合生物安全三级实验标准，可开展三级病原体的检验和研究工作。其中，为保证空调系统的制冷或制热效率，确保室内温度控制在18～26 ℃，相对湿度控制在30%～70%，设计时将换气次数设置为24 次/h，目的主要是通过优化新风量来提升室内换热效率，同时确保室内噪声控制在68 dB（A）以下。

此外，装配组合式模块化BSL-3 实验室在正式交付使用前还需按技术指标要求对其适应性、可靠性做进一步的检测[10]。

6 结语

装配组合式模块化BSL-3 实验室提升了围护结构气密性，使其达到移动式BSL-3 实验室要求，且通过型材框架装配的结构方式，实现≮10 次的重复拆装寿命，提升了重复利用率、模块化程度和装备速度。与传统移动生物安全实验室相比，有了较为明显的提升。但从操作的实际情况来看，还需要从以下4 个方面进行改进：（1）目前现场装配的零部件数量＞400 个，需要通过模块重组减少零部件数量，降低现场装配难度和用户学习成本；（2）提升碳纤维复合板的保温性，从而降低送、排风模块能耗、尺寸和质量，进一步提升装备的运输性能；（3）安全柜、灭菌锅、冰箱、培养箱等基础设备质量大，现场搬运困难，需要定制开发专用便携式搬运装置；（4）为避免壁板拼接缝隙存在卫生与消毒死角，目前采用密封胶方式，增加了实验室拆卸难度，需进一步优化拼接缝隙处理方式。