高校生物工程公共平台安全的管理策略及实施建议

周万平， 许 杰， 孙 伟， 吕霁烊， 祝新德

（上海交通大学生命科学技术学院，仪器共享与技术服务平台，上海 200240）

0 引 言

随着高校综合改革和“双一流”建设启动，高校的公共实验平台的整体水平得到了提升，但同时也面临着日益严峻的实验室安全工作压力［1-3］。据统计，2000～2019 年，国内高校实验室安全事故达110 起［4］。尤其是生物工程公共平台，因其仪器设备的自身特性，不但有数量较多的各类大中型发酵罐、蒸汽发生器、蒸汽灭菌柜和高速离心机等设备，生物工程下游实验过程中还经常大量使用易燃、易挥发有机溶剂，以及病原微生物等多种危险源，安全问题则更为突出。如何更好地管理和防控生物工程公共平台的安全事故发生是相关平台管理者必须首先思考的问题。

微生物代谢国家重点实验室的生物工程公共平台（文中简称“交大生工平台”），历经10 多年建设和发展，逐步建成了比较成熟完善的生物工程平台，包括工程菌株构建和高通量的诱变选育（上游）、发酵体系逐级放大与过程控制（中游）和生物工程下游产物的提取与纯化（下游）整个链条，形成了从应用基础研究到产品开发的完整研发技术体系。现结合生物工程公共平台运行和管理，分别从硬件设施、软件管理、规章制度和安全教育等方面提出具体措施，加大经费投入升级平台的软硬件设施，进一步优化功能布局，深入探索低成本、低污染的节能降耗的自动化清洁生产工艺流程，减少有机溶剂使用，降低体力劳动强度，确保生物工程平台上、中、下游全过程的安全运行，更好地服务于教学和科研，助力平安校园建设。

1 生物工程公共平台安全现状

1.1 压力容器较多、存放集中

压力容器是生物工程平台最基本的常规设备，其兼具特种设备和实验室危险源的双重属性［5］。压力容器具有高温或高压特性，使用条件苛刻，工作介质种类多样，极易发生泄漏、爆炸、火灾等重大事故。而且一旦发生爆炸、泄漏事故，很容易导致连锁反应，严重危及师生的生命财产安全。因此，压力容器是生物工程公共平台首要的安全隐患因素，其安全管理也是高校实验室安全管理的重中之重［6-7］。交大生工平台，除27 台玻璃离位灭菌发酵罐外，有原位灭菌不锈钢发酵罐11 台，最大容积300 L。还有多台高压灭菌锅、2台蒸汽发生器（总功率54 kW）、空气压缩机、大型空气储罐（最大工作压力0.8 MPa，容积500 L）、4 台脉动真空灭菌器（单台容积1 200 L，功率90 kW）等，因为发酵过程的特殊要求，许多设备需要24 h 连续运行，尤其在夜晚无人监督情况下，更易发生事故。此外，气体钢瓶数目较多且存放集中。常规配备气体钢瓶高达30 个左右，且涉及具有氧化性、助燃或易燃易爆性的气体（包括压缩空气、O2、N2、H2、CO2、He、Ar、CH4和N2O 等），这些都是需要重点关注的安全隐患之一。

1.2 存在多种类危险源

精准辨识实验室的危险源，是科学合理的开展实验或平台安全风险评估的基础和前提。生物工程公共平台除了压力容器和多种工作气体外，还涉及其他多种类型的危险源，比如：易燃易爆试剂/气体、强氧化/腐蚀试剂、病原微生物、仪器设备类等，根据危险源的分类，以及结合生物工程平台功能和定位，需要关注的安全隐患危险源（见表1）。

表1 生物工程公共平台常见的危险源分类

1.3 易燃、易爆有机化学溶剂的大量使用

生物发酵耦合萃取工艺是生物工程下游分离纯化的常规技术手段。萃取技术因设备简单、工艺简捷等优点，广泛应用于从复杂体系中提纯目标化合物。生物工程平台常用的萃取溶媒有石油醚、乙酸乙酯、氯仿、丙酮、乙醇、甲醇、二氯甲烷等，这些有机溶剂多为闪点较低的易燃物质，即使在较低的操作温度下也极易被点燃，有机溶剂如果处理不当会引起火灾甚至爆炸。尤其一些特殊实验，涉及大体积有机溶剂的使用，或为了提高抽提效率而加温和加压，这都是增加了萃取实验的风险。

1.4 人员流动性强

公共平台相较于一般科研实验室，人员流动性更大，一直存在“新老生交替”现象，客观上给平台的安全教育培训和安全管理上都增大难度。公共平台为了培养研究生的实际动手能力，采用“管理员培训+学生自主操作”模式，但使用仪器的人员安全认知和实践动手能力差异大，培训的效果也因人而异，因此，每一个人为意外事故发生都可能存在不确定性。生工平台面向学校生、农、医、药、环境和食品等相关专业教师、学生和工作人员开放，实行24 h 预约开放管理，2021 年累计有15 569 人次预约使用生工平台的仪器，仅发酵罐预约使用累计达410 批次，达3 万多机时。工程平台的多人次、高频率和连续使用，极易发生安全事故的风险。

2 生物工程公共平台安全隐患的主观因素

2.1 使用人员的安全意识淡薄

科研团队PI承担繁重的教学和科研任务，学生也需要面对科研论文的压力，主观意识上容易产生“重科研、轻安全”。微生物工程发酵实验因涉及上、中、下游整个流程，试验环节多、周期长、操作复杂和体力劳动强度大，以及发酵设备不像其他学科仪器，学生主观上容易轻视培训或者感到枯燥，容易忽视安全问题。在实验中，使用人员经验不足而对一些安全隐患前兆不够敏感，诸如对“跑”“冒”“滴”“漏”小事故的苗头视而不见，没有及时排查这些事故苗头，极有可能酿成大事故。

2.2 仪器操作不严格或不规范

同其他平台一样，实验操作过程中的失误也是生物工程平台事故发生的主要原因之一。近年来，由于操作不当导致发酵罐损坏和人员伤亡事故屡见报道，李志红［8］对100 起实验室安全事故统计分析发现，因为违反操作规程或者操作不当而造成人员伤亡的占将近80%，如：某高校技术人员在发酵罐121 ℃灭菌阶段，直接用凉水冲视镜，导致造成视镜炸裂、高温培养基喷出烫伤操作人员。2018 年陕西杨凌某生物科技公司1 名作业人员在密闭发酵罐内取发酵菌种昏迷，另外3 人进罐施救，导致4 人窒息死亡。对这些不当操作导致事故发生的原因分析，表面原因是有限空间作业未严格遵守“先通风、再检测、后作业”的标准程序，而深层次原因则是安全培训不力、安全管理制度不完善和管理人员把关不严等综合因素所致。

2.3 仪器设备日常维护不到位

仪器的日常维修和保养是确保仪器正常运行和安全使用的重要保障。尤其生物工程平台中涉及一些特种设备及其安全附件，须加强日常维护。但某些平台可能因经费不足、管理制度不严或仪器管理员职责疏忽等原因，对于特种设备的安全附件未按国家规定进行定期检验、或超期未检，导致重大人身事故的发生。彭华松等［9］对北京大学、上海交通大学、中山大学等多所高校生物类实验室的师生调查发现：高达26.3%的师生未对实验室的生物安全柜进行定期检测和维护，极易造成病原微生物释放到环境，造成人员健康危害和环境的生物安全风险。

3 生物工程公共平台安全运行管理策略

3.1 合理科学布局，强化基础保障设施建设

（1）科学规范合理的布局。整个工程平台体系的上、中、下游布局既要满足实际使用需求，又要实现功能区和危险源的合理分布，尤其防爆区域单独划分，可最大限度降低事故的发生几率。交大生工平台，具体布局如图1 所示，上、中、下游试验区和防爆区都要根据功能进行分区域布局，其中在气体安全管理和布局方面，平台还采用“专用气瓶室+实验室气瓶柜+气体发生器”组合供气模式，专用气瓶室远离有人区，设置在专门的防爆区域；对于部分用量相对较小的则在实验室配备专用气瓶柜，或者配备专门的气体发生器代替。这种组合式、集约化供气模式，有效减少了实验室气体钢瓶存量，减少危险源的同时也提升了环境的整洁美观程度。蒸汽、无菌压缩空气“集中供应，专人专管”。

图1 生物工程公共平台总体布局

（2）健全专用设备和基础设施建设。生物工程平台因实际需要，有时涉及病原微生物研究，这就需要专门的设备和设施来确保实验过程的安全，生物实验室建设也要符合《实验室生物安全通用要求》（GB19489-2008）。如微生物代谢国家重点实验室建设有生物安全二级实验室（P2），且取得上海市病原微生物实验室备案凭证（BSL-2），涉及病原微生物操作项目有：金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯菌等25 类菌。通过严格的培训和监管，相关人员在做好个人防护的前提下，才可以从事危害程度为第三类的病原细菌菌种、样本的研究、教学、检测和诊断等活动。

（3）生物工程下游清洁生产工艺的设施要做整体性规划。生物工程中试不同于其他生产，生物制品生产过程使用的微生物菌株、发酵过程排放的尾气、目标产物提取工艺路线，以及产品本身都可能存在潜在的生态危害。生工平台的大型发酵罐（见图2），1 h排放尾气累计最高达30 m3，必须建设配套尾气过滤设施，防止有活性的工程菌株释放到环境。此外，使用有机溶剂萃取、浓缩、蒸馏、沉淀和结晶，要做到密闭生产（见图3），其生产车间要达到防爆级别，保证通风换气设施合规和严控火源；管式、碟式离心机等固液分离设备属于开放式操作，要有隔离屏障防止高速离心可能产生的气溶胶。生工平台实验型喷雾干燥设备虽然小，干燥量低，仍然需要淋洗去除异味，严控粉尘排放。

图2 生物工程平台300 L发酵罐及配套30 L种子罐

图3 生物工程平台中试规 模萃取浓缩系统

3.2 建设信息化智能监控系统

大数据、云计算、虚拟化等技术不断涌现的互联网时代，基于“互联网+”的信息化管理系统，在高校仪器管理中发挥了重要支撑作用［10］。生物工程平台的管理系统基本实现了掌上预约、远程监控、短信报警、环境监测和多媒体发布等功能（见图4），从而助力平台的高效管理，提高了实验室的安防水平。

图4 生物工程平台信息化智能管理网络

（1）严格管理实验室准入。实验室制定和实行严格的安全准入，通过颁发“电子培训证书”，将仪器培训、安全培训的考核与预约系统关联，只有安全培训考核合格，才有相应的预约权限。门禁刷卡RFID 系统与仪器预约系统绑定，只有经过预约授权的校园一卡通才能进相应的实验室。

（2）重点部位视频监控。发酵实验中最常见的一个棘手的问题是泡沫多而引发逃液，容易造成生物安全风险，以及剧毒品等的管控，对这些重要的风险点全天候高清无死角摄像监控，可以全程溯源仪器运行情况和学生使用情况。

（3）实时的环境监测和报警设备。实验室安装温湿度、CO2、O2、He、H2、CO、PM2.5、PM10 和TVOC 等多种智能化监控终端，监控大屏上随时显示相关数据并与报警系统关联。特别是针对易燃、有毒气体的泄漏，一旦发生意外事故，能第一时间处理。

3.3 建立健全安全管理规范制度，注重日常维护

（1）建立健全安全管理制度。生物工程是生物学和工程学的融合，安全管理上既要有用电、用水、防火防盗、仪器设备的操作规程、压力容器、危化品管控的一般需求，更要有针对生物类专业实验室特点的管理制度，如做好病原微生物的备案管理，定期开展生物安全风险评估，健全实验室生物安全日常培训制度，规范生物废弃物的处理等［11］。针对发酵工程平台的主要安全因素，其安全管理要突出“安全第一，预防为主”的原则，首先要加强管理制度的建设，落实“学校—院（系）—实验室”三级管理体系，安全责任具体到个人。

（2）注重日常安全管理。学校设立了专项资金对压力容器的安全附件、灭菌设施、生物安全柜、通风设施、消防设施等进行定期检验和维护，确保运行安全正常。常态化的安全巡检是保障实验室安全的重要手段。平台通过管理员每周自查、学院每月定期检查以及期末大检查、学校例行抽查等，对危化品管理台账、生物废弃物、有机化学试剂的处置等全面排查，及时研判风险，排查隐患，切断事故发生的因果链条。

3.4 引入虚拟仿真技术，助力操作培训

发酵实验是生物工程专业实验的重要组成部分。现代发酵生产过程不可避免地接触有毒性、刺激性、腐蚀性和易燃易爆的试剂，易造成人身伤害，学生难有机会真正实践。不锈钢原位灭菌发酵罐有复杂的双层结构（罐体外有一层夹套）和管路结构，如蒸汽、冷却水、压缩空气、加热循环水管路以及多种阀门。由于在线蒸汽灭菌（SIP）程序复杂，具有一定的危险性，在实践教学中学生经常会紧张、恐惧而误操作导致烫伤等事故［12］。采用现代虚拟仿真实践教学（virtual reality，VR），在模拟仿真环境下进行逼真的实践教学和操作技能训练，可以解决现代发酵过程的不可视、不可摸、不可入、高危险、高投入和高污染等教学难题。交大生工平台引入虚拟仿真技术，将灭菌程序的单元操作进行逼真的模拟培训，让学生在虚拟场景中操作阀门，体验夹套排水、夹套进蒸汽、罐体进蒸汽、121 ℃保温灭菌、降温进冷水、进无菌压缩空气保压等整个灭菌过程的温度、压力变化，提前熟悉整个高温灭菌过程，从而为实操打下基础。通过先虚拟仿真操作再实操，95%以上的学生能够熟练掌握整个高压灭菌流程，降低了误操作的次数、提升了学生自主完成实验的信心。

3.5 科学优化下游提取工艺，降低不安全因素

针对生物工程下游大体积使用有机溶媒的现实需求，平台除了实验环境、通风换气等硬件设施严格达标外，综合运用膜分离浓缩、冷冻干燥、喷雾干燥、板框压滤等手段，从源头上改进或者科学优化工艺流程，以实现不用或者大幅减量使用有机溶剂。按照工艺确需有机溶剂萃取，则采用正交试验、响应面设计等优化方法，就溶剂的种类、浓度、体积，以及抽提时间、次数等进行科学的优化，既要能保证抽提效率，同时兼顾溶剂的毒性、沸点、使用量等参数，尽可能用无毒或者低毒的试剂以减少对环境的污染，从源头规避风险，保障师生的身心健康。

3.6 强化师生安全教育

生产安全事故三要素包括人的不安全行为、物的不安全状态、环境因素，而人的因素是决定性因素。据统计，70% ～80%的实验室安全事故由人为因素造成［13］。因此，师生的安全教育在整个安全管理体系中尤为关键。通过新生开学第一课、“安全生产月”系列活动、安全知识竞赛、评比“优秀规范实验室”、图片展览、实验室的安全手册、墙报等途径，开展日常安全知识宣传教育，营造良好的安全文化氛围，提升师生重视安全的积极性和参与度。定期组织师生参加压力容器上岗证培训考核。2021 年生命学院举办2 次消防和危化品泄漏应急演练，2 次管控化学品规范线上线下交流研讨会、1 次生物安全专题研讨会，累计参加人数超过1 000 人。通过“日常宣传+专题培训+体验式的应急演练”，实现全员系统性的安全教育，增强防范意识，提升自救互救能力，促进师生的安全观念从“要我安全”到“我要安全”的转变［14］。

4 结 语

习近平总书记在党的二十大报告中提到，我国的生物医药在过去5 年取得了重大成果。高校生物工程平台应面向国家生物医药产业的重大战略需求，打通实验室小规模、中试生产工艺路线，以实现与企业的无缝对接，加速生物医药产业化进程。保障师生的安全始终是高校所有科学研究和教学顺利开展的前提。生物工程实验涉及生物安全、高温高压、易燃易爆有机溶剂萃取操作等一系列安全问题，必须要引起高度关注，其安全管理一定要紧扣学科特点，树立“以人为本，预防为主”的管理理念［15］，牢牢守住安全底线。未来还要持续加大经费投入以升级平台的软硬件设施，进一步优化功能布局，深入探索低成本、低污染的节能降耗的自动化清洁生产工艺流程，减少有机溶剂使用，降低体力劳动强度，确保生物工程平台上、中、下游全过程安全运行，更好地服务于教学和科研。