Section 3 Armoires de sécurité biologique de laboratoire médical

Une enceinte de sécurité biologique est conçue pour protéger l’opérateur, l’environnement du laboratoire et les matériaux expérimentaux contre l’exposition aux aérosols infectieux et aux éclaboussures susceptibles d’être générés lors de la manipulation de matériaux expérimentaux infectieux tels que les cultures primaires, les souches bactériennes et virales, et les échantillons de diagnostic.

Les enceintes de sécurité biologique se répartissent en trois grandes classes — classe I, classe II et classe III — pour répondre aux différents besoins de la recherche biologique et de la prévention des épidémies. Voir le tableau 7-4.

Tableau 7-4 Classification des enceintes de sécurité biologique

Classe Type Évacuation Air recirculé (%) Flux d’air dans l’enceinte Vitesse d’entrée (m/s) Cible de protection
Classe I Évacuation possible dans la pièce — Flux turbulent ≥ 0,40 Opérateur
Classe II Type A1 Évacuation possible dans la pièce 70 Flux unidirectionnel ≥ 0,38 Opérateur et échantillon
Type A2 Évacuation possible dans la pièce 70 Flux unidirectionnel ≥ 0,50
Type B1 Évacuation interdite dans la pièce 30 Flux unidirectionnel ≥ 0,50
Type B2 Évacuation interdite dans la pièce 0 Flux unidirectionnel ≥ 0,50
Classe III Évacuation interdite dans la pièce 0 Flux turbulent Pas d’orifice d’entrée ; lorsqu’un gant est retiré, la vitesse au niveau de l’orifice de gant est ≥ 0,70 Principalement l’opérateur, parfois aussi l’échantillon

Les enceintes de sécurité biologique de classe I et de classe II sont essentiellement des enceintes étanches dotées d’une ouverture de travail à l’avant et d’un orifice d’évacuation sur le dessus. Les aérosols contaminés générés dans la zone de travail sont confinés à l’intérieur de l’enceinte par le flux d’air aspiré par l’ouverture avant. De plus, les aérosols contaminés présents dans l’air évacué sont capturés par le filtre HEPA.

Deux points doivent être soulignés concernant l’isolement local assuré par les enceintes de classe I et II :

  1. Le moyen de défense consistant à aspirer l’air vers l’intérieur depuis l’ouverture par dépression n’est pas absolu et n’est pas fiable lors de la manipulation d’agents pathogènes très dangereux et de substances chimiques. Cela s’explique par le fait que dès que l’enceinte cesse de fonctionner, l’effet d’isolement du flux d’air disparaît ; de plus, pour les agents pathogènes fixés sur les mains et les instruments qui traversent l’ouverture, cet isolement par flux d’air est totalement inefficace. En outre, si l’intérieur de l’enceinte est contaminé, des micro-organismes peuvent s’y multiplier.

  2. Les composants gazeux de l’air peuvent traverser le filtre HEPA, c’est pourquoi une grande prudence s’impose lors de l’utilisation de telles substances gazeuses. Il faut environ 20 à 30 s pour qu’un gaz présent dans l’enceinte soit dilué à 1/10 de sa concentration initiale ; lorsqu’une enceinte de sécurité biologique est utilisée pour des expériences chimiques, des mesures adaptées doivent être prises en fonction de la nature et de la quantité des substances manipulées.

I. Enceinte de sécurité biologique de classe I

Une enceinte de sécurité biologique de classe I aspire l’air par son ouverture avant et évacue l’air traité par un filtre HEPA par la sortie d’évacuation, comme illustré sur la figure 7-24.

[Figure : Schémas d’une enceinte de sécurité biologique de classe I, quatre panneaux — (a) diagramme du flux d’air, l’air entrant par l’ouverture avant et étant évacué vers le haut après filtration HEPA au niveau du dessus ; (b) schéma de l’évacuation en vue de côté, avec des lignes de repérage indiquant le conduit d’évacuation et le filtre HEPA d’évacuation ; (c) vue de côté montrant les bras de l’opérateur pénétrant dans l’enceinte, repérée « 5 » ; (d) vue de face avec quatre orifices de travail circulaires, repérés « 1 », « 2 », « 3 », « 4 »]

Fig. 7-24 Enceinte de sécurité biologique de classe I

En règle générale, la vitesse moyenne au niveau de l’ouverture est de 0,38 m/s ou plus ; lors de la manipulation de substances dangereuses, une chicane adaptée peut réduire de moitié la surface de l’ouverture, ce qui porte la vitesse moyenne d’ouverture à 0,76 m/s ou plus. D’un point de vue purement biologique, l’air évacué peut être rejeté dans la pièce. L’enceinte de biosécurité de classe I alimente la zone de travail en air provenant de la pièce ; elle ne peut donc pas être utilisée pour des opérations nécessitant des conditions stériles et propres. Ce type d’enceinte est cependant le plus adapté aux travaux d’examen généraux tels que les tests biochimiques et sérologiques dans les hôpitaux et les environnements similaires. Elle peut également accueillir des équipements générant de grandes quantités d’aérosols (tels que les centrifugeuses et les nettoyeurs à ultrasons), à condition que sa construction soit adaptée en conséquence. Pour une centrifugeuse, par exemple, la chambre de centrifugation doit être isolée du moteur afin que le vent généré par la rotation de la centrifugeuse n’affecte pas les performances de l’enceinte.

La face avant d’une enceinte de biosécurité de classe I peut également comporter 2 à 4 ouvertures circulaires équipées de gants à manches longues, comme illustré sur la figure 7-24 (c) et (d).

Le schéma de circulation de l’air à l’intérieur d’une enceinte de biosécurité de classe I est présenté sur la figure 7-25.

[Figure : Schéma de la circulation de l’air dans une enceinte de biosécurité de classe I ; la légende distingue l’air de la pièce, l’air contaminé et l’air filtré par filtre HEPA ; étiquettes : 1 ouverture avant, 2 fenêtre de visualisation, 3 filtre HEPA d’évacuation, 4 conduit d’évacuation]

Fig. 7-25 Schéma de la circulation de l’air dans une enceinte de biosécurité de classe I

1 — ouverture avant ; 2 — fenêtre de visualisation ; 3 — filtre HEPA d’évacuation ; 4 — conduit d’évacuation

[Figure : Enceinte de biosécurité de classe II-A, vues (a) et (b) ; la légende utilise des zones pointillées pour les zones contaminées à pression négative et des zones hachurées pour les zones contaminées à pression positive]

Fig. 7-26 Enceinte de biosécurité de classe II-A

II. Enceinte de biosécurité de classe II-A

C’est le type d’enceinte de sécurité le plus utilisé en microbiologie. Comme l’enceinte de classe I, elle aspire l’air par l’ouverture avant et traite l’air évacué à l’aide d’un filtre HEPA afin d’empêcher la fuite d’aérosols. Dans la zone de travail, cependant, de l’air propre s’écoulant verticalement vers le bas est fourni à travers un filtre HEPA : ce flux est appelé flux unidirectionnel vertical dans la technologie de l’air des salles blanches, et est aussi communément désigné sous le nom de flux laminaire vertical.

En raison de l’effet d’aspiration de l’ouverture d’entrée, il est plus difficile d’obtenir un flux parallèle vertical dans la partie inférieure de l’ouverture que dans sa partie supérieure. Comme illustré sur la fig. 7-26 (a), une partie des lignes de courant au-dessus de la surface de travail se courbe vers l’ouverture avant, tandis que l’autre se courbe vers l’intérieur.

Cela donne naissance à deux concepts : la zone contaminée à pression négative et la zone contaminée à pression positive.

Sur la fig. 7-26 (a), la surface de travail et une certaine hauteur au-dessus de celle-ci sont soumises à la pression négative du côté aspiration du ventilateur, tandis qu’à une certaine distance sous la face de refoulement du filtre HEPA, l’air est encore soumis à la pression dynamique de refoulement. Par conséquent, les contaminants présents pendant le fonctionnement ne peuvent pas monter et ne peuvent être aspirés que vers le bas, la pression négative atteignant son maximum à l’entrée d’aspiration du ventilateur. La zone contaminée s’étendant d’une certaine distance sous la face de refoulement jusqu’à l’entrée d’aspiration du ventilateur est donc la zone contaminée à pression négative.

La contamination présente dans la zone contaminée à pression négative ne peut pas fuir vers l’extérieur.

Les contaminants aspirés par le ventilateur sont évacués par la sortie du ventilateur, où la pression positive est la plus élevée, puis transportés le long du conduit jusqu’à la face d’admission du filtre HEPA ; la pression positive y est suffisante pour vaincre la résistance du filtre et évacuer l’air à une certaine vitesse. Cette section est à la fois remplie de contaminants et soumise à une pression positive : on l’appelle zone contaminée à pression positive.

La contamination présente dans la zone contaminée à pression positive peut fuir vers l’extérieur.

Sur la fig. 7-26 (b), ce que le ventilateur aspire est de l’air propre qui a traversé le filtre HEPA ; seule au niveau de la face d’admission du filtre — c’est-à-dire la surface de travail et un certain espace au-dessus de celle-ci — se trouve une zone à la fois contaminée et à pression négative, qui appartient à la zone contaminée à pression négative. Par conséquent, cette construction ne comporte pas de zone contaminée à pression positive et est plus sûre que la construction présentée sur la fig. 7-26 (a).

Les zones contaminées à pression positive doivent être évitées dans la construction des enceintes de biosécurité. Pour garantir un flux unidirectionnel, certaines conceptions aspirent l’air sur toute l’ouverture de la zone de travail ; cependant, comme la partie inférieure de la zone de travail est occupée pendant le fonctionnement et ne laisse que peu d’espace libre, la différence de performance avec la conception précédente est faible.

Environ la moitié du flux unidirectionnel et la totalité de l’air aspiré au niveau de l’ouverture frontale sont admis par la prise d’air à fentes située à l’extrémité inférieure de l’ouverture frontale. Par conséquent, le rapport adéquat entre le flux parallèle vertical et le flux entrant au niveau de l’ouverture détermine les performances de l’enceinte de sécurité. Si l’aspiration est trop forte, l’air de la pièce pénètre profondément dans la zone de travail et provoque une contamination, comme le montre la fig. 7-27 (c) ; à l’inverse, si le flux unidirectionnel vertical est trop fort, des aérosols contaminés s’échappent dans la pièce, comme le montre la fig. 7-27 (a) ; l’enceinte n’est adaptée que lorsque ces deux situations sont évitées, comme le montre la fig. 7-27 (b).

[Figure : Fig. 7-27 Équilibre du flux d’air au niveau de l’ouverture d’une enceinte de sécurité biologique de classe II-A, cas (a), (b) et (c)]

La hauteur de l’ouverture ne dépasse pas 20 cm, ce qui permet aux matériaux et instruments ordinaires d’entrer et de sortir, mais il faut faire attention aux objets volumineux ; une fenêtre en verre coulissante verticale peut être utilisée. Cependant, pour maintenir la variation de la vitesse du flux entrant au niveau de l’ouverture dans une plage de ±10 %, la surface de l’ouverture doit être strictement définie pour différentes conditions ; par conséquent, pour les enceintes équipées d’une fenêtre coulissante, le fonctionnement doit s’effectuer à la hauteur de guillotine spécifiée.

Comme cette classe d’enceintes de sécurité utilise environ 70 % d’air recirculé, elle n’est pas adaptée à la manipulation de substances chimiques très dangereuses ; lorsque des produits chimiques dangereux ne sont pas manipulés dans l’enceinte, celle-ci peut évacuer l’air directement dans le laboratoire — une configuration de recirculation intérieure qui présente des avantages en termes de charge de climatisation et d’agencement des gaines.

La fig. 7-28 est un schéma du raccordement à capot (dit « dé à coudre ») entre une enceinte de sécurité biologique de classe II-A et la gaine d’évacuation. Les enceintes de sécurité biologique de classe II-A sont subdivisées en type A1 et type A2, comme le montrent les fig. 7-29 et 7-30.

[Figure : Fig. 7-28 Schéma du raccordement à capot (dit « dé à coudre ») entre une enceinte de sécurité biologique de classe II-A et la gaine d’évacuation]

1 — registre de débit d’air ; 2 — raccord flexible ; relié au système d’évacuation ; 3 — boîtier du filtre HEPA d’évacuation de l’enceinte de sécurité biologique ; 4 — capot d’évacuation (dé à coudre) ; 5 — enceinte de sécurité biologique

Remarque : Il existe un espace de 25 mm entre le capot d’évacuation 4 et le boîtier 3 du filtre HEPA d’évacuation ; cet espace permet d’aspirer de l’air depuis la pièce.

L’enceinte de sécurité biologique de classe II type A1 n’utilise qu’un seul ventilateur, qui fait circuler l’air à l’intérieur de l’enceinte entre le filtre de reprise d’air et le filtre d’évacuation. L’air situé entre le ventilateur et les deux filtres est contaminé et en pression positive. Voir la fig. 7-29.

La fig. 7-30 est un schéma du flux d’air dans une enceinte de sécurité biologique de classe II type A2 de paillasse. Une enceinte de classe II type A2 recircule 70 % de l’air ; les 30 % restants sont évacués à l’extérieur après filtration par le filtre d’évacuation. Les aérosols contaminés générés par les opérations dans l’espace de travail de la paillasse se mélangent à l’air aspiré depuis la pièce et pénètrent dans la gaine de reprise d’air. Contrairement à l’enceinte de sécurité biologique de classe II type A1, la gaine de reprise d’air de l’enceinte de classe II type A2 (repère 6 sur la fig. 7-30) est toujours en pression négative, ce qui la rend plus sûre que le type A1.

[Figure : Fig. 7-29 Schéma du flux d’air dans une enceinte de sécurité biologique de classe II type A1 ; 1 — ouverture frontale ; 2 — fenêtre de visualisation frontale ; 3 — filtre HEPA d’évacuation ; 4 — filtre HEPA de soufflage ; 5 — gaine d’air arrière ; 6 — ventilateur]

[Figure : Fig. 7-30 Schéma du flux d’air dans une enceinte de sécurité biologique de classe II type A2 de paillasse (a) vue de côté ; (b) vue de face ; 1 — ouverture frontale ; 2 — fenêtre de visualisation du travail ; 3 — filtre HEPA d’évacuation ; 4 — filtre HEPA de soufflage ; 5 — gaine en pression positive ; 6 — gaine en pression négative ; légende : air de la pièce / air contaminé / air filtré par HEPA ; surface de travail]

III. Enceinte de sécurité biologique de classe II-B

Les enceintes de sécurité biologique de classe II-B atteignent un niveau de sécurité plus élevé que les enceintes de classe II-A pour les raisons suivantes :

  1. La vitesse moyenne au niveau de l’ouverture avant atteint 0,5 m/s ou plus ;

  2. Il n’existe aucune zone contaminée à pression positive ;

  3. La proportion d’air recirculé est ramenée à 30 %, voire à zéro.

La fenêtre vitrée de l’ouverture avant d’une enceinte de sécurité biologique de classe II-B est de type coulissant vertical, mais pendant le fonctionnement, elle doit, comme pour la classe II-A, être maintenue à la hauteur de guillotine spécifiée. Comme la vitesse moyenne d’ouverture est élevée, la hauteur d’ouverture est le plus souvent de 20 cm ; lorsque la fenêtre ne se trouve pas à la hauteur spécifiée, un dispositif d’alarme émet un signal.

Comme des agents pathogènes et des substances chimiques plus dangereux peuvent être manipulés dans une enceinte de sécurité biologique de classe II-B, l’air extrait doit être rejeté à l’extérieur, avec un raccordement de conduit d’extraction scellé sous pression négative.

Lorsque plusieurs enceintes de sécurité sont installées, chacune doit utiliser un conduit indépendant plutôt qu’un conduit commun.

Les enceintes de sécurité biologique de classe II-B sont en outre divisées en types B1 et B2, comme illustré sur les figures 7-31 à 7-34.

[Figure : Fig. 7-31 Enceinte de sécurité biologique de classe II type B1 (a) vue de côté ; (b) vue de face ; 1—ouverture avant ; 2—fenêtre de visualisation du travail ; 3—filtre HEPA d’extraction ; 4—filtre HEPA de soufflage ; 5—conduit d’extraction à pression positive ; 6—ventilateur ; 7—filtre HEPA de soufflage supplémentaire ; légende : air ambiant / air contaminé / air filtré par HEPA]

Sur l’air refoulé par le ventilateur inférieur, une partie est extraite à travers le filtre HEPA d’extraction et l’autre partie est renvoyée dans l’enceinte à travers le filtre de soufflage. Des orifices d’aspiration sont prévus à l’arrière, aux parties médiane et inférieure de l’espace de travail ; sous l’action du ventilateur d’extraction du système, une partie de l’air est également évacuée à ces endroits pour éviter les zones mortes.

La figure 7-32 présente une autre construction de la classe II type B1, avec un filtre HEPA de moins.

[Figure : Fig. 7-32 Enceinte de sécurité de classe II-B à air recirculé (a) coupe latérale ; (b) vue de face et de côté ; étiquettes : conduit d’extraction, filtre HEPA d’extraction, fenêtre coulissante vitrée, filtre HEPA de soufflage]

La figure 7-33 correspond clairement à une conception à extraction totale : par l’aspiration du ventilateur d’extraction (non intégré), l’air contaminé de l’espace de travail et l’air ambiant sont aspirés dans le conduit d’extraction à pression négative 5. Le ventilateur de soufflage intégré aspire l’air ambiant et le refoule vers l’espace de travail après filtration HEPA.

▨ air ambiant　■ air contaminé　□ air filtré par HEPA

[Figure : Fig. 7-33 Enceinte de sécurité biologique de classe II type B2 (a) vue de côté ; (b) vue de face ; 1—ouverture avant ; 2—fenêtre de visualisation du travail ; 3—filtre HEPA d’extraction ; 4—filtre HEPA de soufflage ; 5—conduit d’extraction à pression négative ; 6—ventilateur ; 7—grille filtrante]

[Figure : Fig. 7-34 Enceinte de sécurité biologique de classe II-B à extraction totale (schéma de la zone contaminée à pression négative)]

La figure 7-34 est un schéma des zones contaminées d’une enceinte de classe II type B2 à extraction totale et équipée d’un ventilateur.

Les similitudes et différences entre les enceintes de sécurité de classe II-A et de classe II-B sont comparées dans le tableau 7-5.

Tableau 7-5 Comparaison des enceintes de sécurité biologique de classe II-A et de classe II-B

Élément Classe II-A Classe II-B
Zone contaminée à pression positive A1 oui, A2 non Aucune
Structure de protection avant Fenêtre à ouverture fixe ou coulissante verticale (identique à la colonne de gauche)
Hauteur de l’ouverture avant (mm) 200 (identique à la colonne de gauche)
Vitesse de l’air soufflé dans la zone de travail (m/s) ≥ 0,23 (identique à la colonne de gauche)
Air recirculé (%) 70 30–0
Extraction d’air A1 à l’intérieur / A2 à l’extérieur À l’extérieur

Tableau (suite)

Élément Classe II-A Classe II-B
Agents applicables Agents pathogènes généraux Niveaux 1–3 Niveaux 1–3
Matériel génétique recombinant Niveaux P1–P3 Niveaux P1–P3
Cancérogènes chimiques A1 non autorisé / A2 autorisé (à faible concentration) Autorisé (à faible concentration)
Substances radioactives A1 non autorisé / A2 autorisé (à faible concentration) Autorisé (à faible concentration)
Solvants volatils A1 non autorisé / A2 autorisé (à faible concentration) Autorisé

Remarque : La construction de la fenêtre coulissante doit permettre de fixer sa position ou être équipée d’un dispositif qui déclenche une alarme lorsqu’elle ne se trouve pas dans la position spécifiée.

IV. Enceinte de sécurité biologique de classe III

Cette classe d’enceintes de biosécurité est adaptée aux opérations présentant le niveau de risque le plus élevé dans le cadre d’expériences impliquant des virus, des bactéries, des parasites, du matériel génétique recombinant, etc. Par l’intermédiaire de longs gants en caoutchouc fixés sur une enceinte à pression négative entièrement hermétique, l’opérateur réalise l’ensemble des travaux expérimentaux dans la zone de travail hermétique de l’enceinte — élevage et dissection d’animaux infectés, manipulation de matériaux tissulaires, culture de pathogènes, observation microscopique et centrifugation.

Certaines normes nationales imposent que les filtres HEPA des enceintes de sécurité de classe III présentent une efficacité d’au moins 99,997 % sur les particules de 0,3 μm, soit d’une catégorie supérieure à celle des filtres HEPA ordinaires, équivalente à celle d’un filtre de classe C au titre de la norme nationale.

Dans une enceinte de biosécurité de classe III (fig. 7-35), l’air d’alimentation pénètre dans l’enceinte de haut en bas à travers un filtre HEPA, tandis que l’air d’extraction est traité par deux ensembles de filtres HEPA montés en série avant son rejet. La pression négative à l’intérieur de l’enceinte est généralement maintenue à environ 125 Pa. Toutes les opérations doivent être réalisées par l’intermédiaire de gants à manche longue, et tout matériel entrant ou sortant doit passer par un autoclave à double porte ou un bac de trempage rempli de désinfectant.

[Figure : Fig. 7-35 Principe de l’enceinte de biosécurité de classe III (a) vue de côté ; (b) vue de face ; légende : air de la pièce / air contaminé / air filtré par filtre HEPA ; 1 — gants et orifices pour gants ; 2 — fenêtre d’observation de la zone de travail ; 3 — filtre HEPA d’extraction ; 4 — filtre HEPA d’alimentation ; 5 — filtre HEPA de l’autoclave à double porte ou du sas de transfert ; 5 — conduit d’extraction à pression positive ; 6 — ventilateur ; 7 — filtre HEPA d’alimentation supplémentaire (la figure d’origine comporte deux étiquettes numérotées « 5 », ce qui constitue manifestement une erreur d’impression ou de numérotation)]

Les enceintes de biosécurité de classe III se divisent en outre en les deux types suivants :

  1. Type autonome : il est utilisé lorsqu’une seule enceinte de biosécurité est nécessaire, comme illustré sur la fig. 7-36.

[Figure : Fig. 7-36 Structure d’une enceinte de sécurité de classe III autonome (a) filtre d’alimentation en partie basse ; (b) filtres d’alimentation et d’extraction sur des côtés opposés ; étiquettes : filtre HEPA d’extraction (2e étage), filtre HEPA d’extraction (1er étage), filtre HEPA d’admission, autoclave, bac de trempage chimique (sas de transfert), ventilateur d’extraction, rejet d’air vers l’extérieur]

  1. Type en ligne (en série) : il est utilisé lorsque plusieurs enceintes de biosécurité doivent être raccordées, comme illustré sur la fig. 7-37.

L’enceinte de biosécurité de type en ligne est abrégée GBL ; un autoclave équipé de portes des deux côtés est placé à son extrémité. Le matériel expérimental ne peut pas être sorti directement de l’enceinte : il doit être stérilisé dans l’autoclave avant tout retrait.

Grâce à cette configuration, comme les pathogènes sont entièrement confinés dans le dispositif de type boîte à gants, le laboratoire reste non contaminé, et il n’est pas nécessaire de disposer de vêtements de protection spéciaux, de gants, de masques ou d’équipements similaires. Voir fig. 7-37.

[Figure : Fig. 7-37 Enceintes de sécurité de classe III de type en ligne (plusieurs unités raccordées ; étiquettes : section de raccordement, ventilateur d’extraction, rejet d’air vers l’extérieur, autoclave)]