趙四清，夏建橋，綦 光，孫中杰，歐陽康，靳曉軍，周康力，謝 巍，李海洋，蔣大鵬，高艷艷，孫 蓓

（1.軍事科學院軍事醫(yī)學研究院，北京 100850；2.鎮(zhèn)江康飛汽車制造股份有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212132；3.北京易安生物科技有限公司，北京 100176）

0 引言

新型冠狀病毒感染疫情的暴發(fā)給全球人民造成巨大生命損失的同時也重創(chuàng)了全球貿易，因此如何有效控制疫情，確保地區(qū)生產和生活有序進行，成為各國政府的重點工作。移動生物安全實驗室作為一種可在疫區(qū)一線部署的防疫裝備，為疫情防控提供了強有力的支撐[1-2]。

我國移動生物安全實驗室經過近20 a 的發(fā)展，類別逐步細化，既有注重機動性的未知病原體快檢平臺，又有注重功能性的科研平臺。由于我國對車輛運輸尺寸的限制[3]，圍護結構尺寸較為固定，導致傳統(tǒng)的移動生物安全實驗室（如方艙式、車廂式和集裝箱式）的核心工作區(qū)面積較小，且人機工效仍有不足，無法處理批量樣本。而對于核心區(qū)面積較大的活動板房式實驗室，其圍護結構氣密性不足，只能達到BSL-2 級別要求，且重復利用率差、模塊化程度低、裝備速度慢，不太適宜高效防疫的任務需求。各類移動生物安全實驗室的運輸能力、核心區(qū)面積、生物安全等級等對比結果見表1。

表1 各類移動生物安全實驗室比較

本文研制一種裝配組合式模塊化BSL-3 實驗室，重點提升批量化運輸和規(guī)?；渴鹉芰Γ荚跒槲覈咔榉揽睾途惩庠峁┮环N更加可靠、高效的移動生物安全實驗室。

1 實驗室的模塊化集成

本項目借鑒我軍模塊化保障裝備，如野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院[4]和武警方艙醫(yī)院[5]的設計理念研制。研制的裝配組合式模塊化BSL-3 實驗室各模塊內部組件按類別編碼，采用標準箱組進行堆碼貯存[6]。執(zhí)行任務時，可按需選用模塊數(shù)量，利用托盤進行轉運（如圖1 所示），托盤規(guī)格符合B747、B767 等民航飛機運輸標準，以提升批量化運輸和規(guī)?；渴鹉芰Γ瑵M足應急使用需求。

圖1 裝配組合式模塊化BSL-3 實驗室運輸狀態(tài)

2 裝配組合式模塊化BSL-3 實驗室總體設計

2.1 整體結構

裝配組合式模塊化BSL-3 實驗室主要由實驗平臺模塊、保障設施模塊和實驗設備模塊構成。其中實驗平臺模塊包括調平底架、輕量化板、密封型材、裝飾蓋板、密閉門等；保障設施模塊包括供電配電、通信監(jiān)控、通風系統(tǒng)（包括送風模塊合排風模塊）、控制系統(tǒng)、水氣保障等子模塊；實驗設備模塊包括安全柜、培養(yǎng)箱、滅菌鍋、試劑冰箱等。裝配組合式模塊化BSL-3實驗室整體結構示意圖如圖2 所示。

圖2 裝配組合式模塊化BSL-3 實驗室結構示意圖

實驗平臺模塊以調平底架為“地基”，以輕量化板為圍護結構（如圖3 所示）。其中調平底架為框架結構，通過可調節(jié)式支腿支撐，裝配時需先對場地進行硬化處理，確保不平度≤3%；輕量化板拼接處由密封型材組合連接，拼縫通過圓弧和平面蓋板型材進行裝飾過渡，以消除消毒死角；密閉門采用機械式氣密門，采用互鎖控制方式。

圖3 實驗平臺模塊拼裝示意圖

保障設施模塊各部分均采用模塊式集成設計和箱組化設計，其中通風系統(tǒng)按照功能分為送風模塊和排風模塊，采用標準鋁型材框架結構設計，集成凈化過濾、通風換氣、溫濕度調節(jié)、滅菌消毒和故障檢測功能。供電配電和通信監(jiān)控模塊采用滾塑箱設計，強度高、易搬運，線纜為標準航插結構，可快速拔插、防塵防雨。

實驗設備模塊采用航空鋁制箱統(tǒng)一收納，減振防潮，且箱組尺寸采用分檔設計，便于堆碼運輸。

2.2 工藝布局

依據(jù)GB 27421—2015《移動式實驗室 生物安全要求》標準要求，裝配組合式模塊化BSL-3 實驗室內部分為輔助區(qū)和防護區(qū)[7]，輔助區(qū)包括監(jiān)控室和更衣室，防護區(qū)包括緩沖間和實驗間。實驗間配置安全柜、高壓滅菌器、培養(yǎng)箱、冰箱，并配置折疊工作臺用于放置實驗儀器。裝配組合式模塊化BSL-3 實驗室工藝布局如圖4 所示。

圖4 裝配組合式模塊化BSL-3 實驗室工藝布局圖

實驗人員由監(jiān)控室依次通過更衣室和緩沖間進入實驗間；實驗樣本、耗材隨實驗人員帶入；實驗廢棄物經高壓滅菌后帶出實驗室。

2.3 氣密性設計

實驗平臺模塊的圍護結構有橫向和縱向兩類裝配縫隙。

橫向裝配縫隙主要是底板拼裝、頂板拼裝以及底板、頂板與側板、隔板拼裝產生的縫隙。縫隙處通過圓弧裝飾蓋板或平面裝飾蓋板與“O”型膠條進行密封，形成內外雙層密封，提升氣密性，如圖5 所示。

圖5 橫向拼裝縫密封結構

縱向裝配縫主要是側板和隔板拼裝時產生的縫隙，該縫隙采用標準結構設計，內部設置加強型材，內外側均設有“啞鈴”密封膠條，并通過卡扣式蓋板進行擠壓，從而實現(xiàn)標準化組合密封，如圖6 所示。

圖6 縱向拼裝縫密封結構

穿線孔、密閉門、設備固定點、墻壁開孔等均采用成熟的密封工藝。經檢測，圍護結構在-300 Pa 壓力條件下，最大空氣泄漏量為0.62 m3/min，達到GJB 6109—2007《軍用方艙通用規(guī)范》所規(guī)定的1 級氣密性方艙要求[8]，同時滿足移動式BSL-3 實驗室的圍護結構氣密性要求。

2.4 輕量化板設計

圍護結構的單板均采用碳纖維蒙皮和鋁蜂窩芯材復合的大板結構，單板質量≤70 kg，框架型材采用鋁合金材質，質量≤40 kg，可手動搬運，保證裝配組合式模塊化BSL-3 實驗室展開時間≤24 h（8 人操作），提高展開和收攏的便捷性和運輸性能。

3 通風系統(tǒng)設計

3.1 送、排風原理

緩沖間和實驗間采用全新風空調系統(tǒng)，送風經初、中、高3 級過濾器集中過濾。裝配組合式模塊化BSL-3 實驗室總排風口設置在實驗間安全柜后側，排風經風口型和BIBO 型兩級高效過濾器過濾后排放。緩沖間采用漏風閥的排風形式。

防護區(qū)設置有序壓力梯度，其中實驗間設置為-40 Pa，緩沖間設置為-15 Pa。實驗間的送風管道和排風管道均設置生物型密閉閥，便于裝配組合式模塊化BSL-3 實驗室開展氣密性檢測和空間消毒滅菌操作。裝配組合式模塊化BSL-3 實驗室通風原理圖如圖7 所示。

圖7 裝配組合式模塊化BSL-3 實驗室通風原理圖

3.2 送風和排風模塊

送風和排風模塊均采用標準鋁合金框架結構，內部高度集成設計，便于運輸。

送風模塊與新風空調集成設計，空調主體按照部件模塊分別與箱組框架減振連接，整體質量可減少50 kg，同時便于維護和檢修。送風模塊整體設計示意圖如圖8 所示。

圖8 送風模塊示意圖

排風模塊集成一主一備2 套風機和BIBO 過濾裝置，配置獨立控制單元，確保防護區(qū)壓力梯度穩(wěn)定。排風模塊整體設計示意圖如圖9 所示。

圖9 排風模塊示意圖

3.3 氣流組織模擬分析

利用計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）軟件進行模擬，分析防護區(qū)氣流組織、微環(huán)境的速度場和溫度場。以降溫過程為仿真對象，設置邊界條件。仿真模型選用零方程模型，較兩方程k-ε模型收斂速度更快，提高了仿真模擬的效率[9]。壁板傳熱系數(shù)為2.5 W/（m2·℃），設備預估散熱量為3 kW。

仿真結果如圖10～12 所示?？梢钥闯觯瑲饬髡w從低污染區(qū)向高污染區(qū)流動，未形成渦流，符合三級生物安全實驗室要求；人員操作面風速約為0.2 m/s，速度場穩(wěn)定，符合實驗操作需求；室內溫度控制均勻，23.5 ℃的等值域≥94.8%，符合標準要求。

圖10 防護區(qū)氣流組織仿真圖

圖11 防護區(qū)速度場（操作面）仿真圖

圖12 防護區(qū)溫度場仿真圖

4 控制系統(tǒng)設計

實驗室控制系統(tǒng)采用集散控制策略，設計緩沖間模塊、實驗間模塊、送風模塊和排風模塊控制單元，各個單元具備獨立控制功能，相互之間可協(xié)調聯(lián)控，有效控制故障率，提升可靠性。所有控制單元的數(shù)據(jù)信號通過網絡進行通信，并由上位機的控制模塊采集和統(tǒng)一管理，同時配置遠程通信模塊，實現(xiàn)遠程通信功能?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖13 所示。

圖13 控制系統(tǒng)框圖

5 實驗室檢測

依據(jù)GB 27421 和GB 19489 的相關要求，對裝配組合式模塊化BSL-3實驗室的綜合性能和消毒效果進行檢驗。測試項目主要包括裝配組合式模塊化BSL-3 實驗室的物理綜合性能和消毒效果。測試條件為外部溫度35～40 ℃，相對濕度60%～75%，實驗室正常運行，各核心設備正常開啟。測試結果見表2。

表2 裝配組合式模塊化BSL-3 實驗室檢驗結果

由表2 可知，裝配組合式模塊化BSL-3 實驗室各項指標均符合生物安全三級實驗標準，可開展三級病原體的檢驗和研究工作。其中，為保證空調系統(tǒng)的制冷或制熱效率，確保室內溫度控制在18～26 ℃，相對濕度控制在30%～70%，設計時將換氣次數(shù)設置為24 次/h，目的主要是通過優(yōu)化新風量來提升室內換熱效率，同時確保室內噪聲控制在68 dB（A）以下。

此外，裝配組合式模塊化BSL-3 實驗室在正式交付使用前還需按技術指標要求對其適應性、可靠性做進一步的檢測[10]。

6 結語

裝配組合式模塊化BSL-3 實驗室提升了圍護結構氣密性，使其達到移動式BSL-3 實驗室要求，且通過型材框架裝配的結構方式，實現(xiàn)≮10 次的重復拆裝壽命，提升了重復利用率、模塊化程度和裝備速度。與傳統(tǒng)移動生物安全實驗室相比，有了較為明顯的提升。但從操作的實際情況來看，還需要從以下4 個方面進行改進：（1）目前現(xiàn)場裝配的零部件數(shù)量＞400 個，需要通過模塊重組減少零部件數(shù)量，降低現(xiàn)場裝配難度和用戶學習成本；（2）提升碳纖維復合板的保溫性，從而降低送、排風模塊能耗、尺寸和質量，進一步提升裝備的運輸性能；（3）安全柜、滅菌鍋、冰箱、培養(yǎng)箱等基礎設備質量大，現(xiàn)場搬運困難，需要定制開發(fā)專用便攜式搬運裝置；（4）為避免壁板拼接縫隙存在衛(wèi)生與消毒死角，目前采用密封膠方式，增加了實驗室拆卸難度，需進一步優(yōu)化拼接縫隙處理方式。