Раздел 3. Шкафы биологической безопасности медицинских лабораторий

Шкаф биологической безопасности предназначен для защиты оператора, лабораторной среды и экспериментальных материалов от воздействия инфекционных аэрозолей и брызг, которые могут образовываться при работе с инфекционными экспериментальными материалами, такими как первичные культуры, штаммы бактерий и вирусов, а также диагностические образцы.

Шкафы биологической безопасности делятся на три основных класса — I, II и III — для удовлетворения различных требований биологических исследований и противоэпидемической защиты. См. таблицу 7-4.

Таблица 7-4 Классификация шкафов биологической безопасности

Класс Тип Выброс воздуха Доля рециркулируемого воздуха (%) Воздушный поток в шкафу Скорость входящего потока (м/с) Объект защиты
I класс Может выбрасываться в помещение — Турбулентный поток ≥ 0,40 Оператор
II класс Тип A1 Может выбрасываться в помещение 70 Однонаправленный поток ≥ 0,38 Оператор и образец
Тип A2 Может выбрасываться в помещение 70 Однонаправленный поток ≥ 0,50
Тип B1 Не должен выбрасываться в помещение 30 Однонаправленный поток ≥ 0,50
Тип B2 Не должен выбрасываться в помещение 0 Однонаправленный поток ≥ 0,50
III класс Не должен выбрасываться в помещение 0 Турбулентный поток Отсутствует входное отверстие; при снятии одной перчатки скорость потока в отверстии для перчатки ≥ 0,70 В первую очередь оператор, иногда также образец

Шкафы биологической безопасности I и II классов по сути являются герметичными камерами с рабочим передним отверстием и выпускным отверстием в верхней части. Загрязненные аэрозоли, образующиеся в рабочей зоне, удерживаются внутри шкафа за счет воздушного потока, всасываемого через переднее отверстие. Кроме того, загрязненные аэрозоли в выпускном воздухе улавливаются фильтром HEPA.

При использовании локальной изоляции, обеспечиваемой шкафами I и II классов, следует учитывать два момента:

  1. Защитный механизм всасывания воздуха внутрь через отверстие за счет отрицательного давления не является абсолютным и ненадежен при работе с особо опасными патогенами и химическими веществами. Это связано с тем, что при остановке работы шкафа изолирующее действие воздушного потока прекращается; а для патогенов, находящихся на руках и инструментах, проходящих через отверстие, такая воздушная изоляция совершенно неэффективна. Кроме того, при загрязнении внутренней поверхности шкафа микроорганизмы могут размножаться внутри него.

  2. Газообразные компоненты воздуха могут проходить через фильтр HEPA, поэтому при использовании таких газообразных веществ необходимо соблюдать особую осторожность. Для разбавления газа внутри шкафа до концентрации, составляющей 1/10 от исходной, требуется около 20–30 с; при использовании шкафа биологической безопасности для химических экспериментов необходимо принимать соответствующие меры в зависимости от природы и количества используемых веществ.

I. Шкаф биологической безопасности I класса

Шкаф биологической безопасности I класса всасывает воздух через переднее отверстие и выпускает воздух, прошедший очистку фильтром HEPA, через выпускное отверстие, как показано на рис. 7-24.

[Рисунок: Схемы шкафа биологической безопасности I класса, четыре панели — (а) схема воздушного потока: воздух поступает через переднее отверстие и выпускается вверх после фильтрации HEPA в верхней части; (б) схема выпускной системы, вид сбоку, с выносками, обозначающими выпускной воздуховод и выпускной фильтр HEPA; (в) вид сбоку: руки оператора введены внутрь шкафа, соответствующий участок отмечен цифрой «5»; (г) вид спереди с четырьмя круглыми рабочими отверстиями, отмеченными цифрами «1», «2», «3», «4»]

Рис. 7-24 Шкаф биологической безопасности I класса

Как правило, средняя скорость потока на входном отверстии составляет 0,38 м/с и выше; при работе с опасными веществами можно использовать соответствующую перегородку, которая уменьшает площадь отверстия вдвое, повышая среднюю скорость потока на отверстии до 0,76 м/с и выше. Если рассматривать исключительно с биологической точки зрения, выпускной воздух может выбрасываться в помещение. Бокс биологической безопасности класса I подает в рабочую зону воздух из помещения, поэтому его нельзя использовать для работ, требующих стерильных, чистых условий. Однако этот тип боксов наиболее подходит для общих исследовательских работ, таких как биохимические и серологические исследования в больницах и аналогичных учреждениях. В нем также можно размещать оборудование, генерирующее большое количество аэрозолей (например, центрифуги и ультразвуковые очистители), при условии соответствующей адаптации конструкции. Например, для центрифуги камера центрифугирования должна быть изолирована от двигателя, чтобы поток воздуха, создаваемый вращающейся центрифугой, не влиял на работу бокса.

Передняя часть бокса биологической безопасности класса I также может иметь 2–4 круглых отверстия, оснащенных перчатками с длинными рукавами, как показано на рис. 7-24 (c) и (d).

Схема движения воздуха внутри бокса биологической безопасности класса I показана на рис. 7-25.

[Рисунок: Схема движения воздуха в боксе биологической безопасности класса I; в легенде различаются воздух помещения, загрязненный воздух и воздух, очищенный фильтром HEPA; обозначения: 1 переднее отверстие, 2 смотровое окно, 3 вытяжной фильтр HEPA, 4 вытяжной воздуховод]

Рис. 7-25 Схема движения воздуха в боксе биологической безопасности класса I

1 — переднее отверстие; 2 — смотровое окно; 3 — вытяжной фильтр HEPA; 4 — вытяжной воздуховод

[Рисунок: Бокс биологической безопасности класса II-A, виды (a) и (b); в легенде загрязненные зоны отрицательного давления обозначены точками, а загрязненные зоны положительного давления — штриховкой]

Рис. 7-26 Бокс биологической безопасности класса II-A

II. Бокс биологической безопасности класса II-A

Это тип защитных боксов, наиболее часто используемый в микробиологии. Как и бокс класса I, он засасывает воздух через переднее отверстие и очищает вытяжной воздух с помощью фильтра HEPA, чтобы предотвратить выход аэрозолей. Однако в рабочую зону через фильтр HEPA подается чистый воздух, движущийся вертикально вниз — в технологии воздуха чистых помещений это называется вертикальным однонаправленным потоком, также широко известным как вертикальный ламинарный поток.

Из-за эффекта всасывания входного отверстия достичь вертикального параллельного потока в нижней части отверстия сложнее, чем в верхней. Как показано на рис. 7-26 (a), часть линий тока над рабочей поверхностью изгибается к переднему отверстию, а часть — внутрь.

Это обусловливает существование двух понятий — загрязненной зоны отрицательного давления и загрязненной зоны положительного давления.

На рис. 7-26 (a) рабочая поверхность и пространство на определенной высоте над ней находятся под действием отрицательного давления со стороны всасывания вентилятора, в то время как на определенном расстоянии ниже выходной поверхности фильтра HEPA воздух все еще находится под динамическим давлением нагнетания; поэтому загрязнения во время работы не могут подниматься и могут только всасываться вниз, при этом максимальное отрицательное давление достигается на входе всасывания вентилятора. Таким образом, загрязненная зона от определенного расстояния ниже выходной поверхности до входа всасывания вентилятора является загрязненной зоной отрицательного давления.

Загрязнения из загрязненной зоны отрицательного давления не могут просочиться наружу.

Загрязнения, всосанные вентилятором, выводятся из выходного отверстия вентилятора, где положительное давление максимально, и транспортируются по воздуховоду к входной поверхности фильтра HEPA, где положительное давление достаточно для преодоления сопротивления фильтра и вывода воздуха с определенной скоростью. Этот участок одновременно заполнен загрязнениями и находится под положительным давлением, поэтому он называется загрязненной зоной положительного давления.

Загрязнения из загрязненной зоны положительного давления могут просочиться наружу.

На рис. 7-26 (b) вентилятор всасывает чистый воздух, прошедший через фильтр HEPA; только у входной поверхности фильтра — то есть на рабочей поверхности и в определенном пространстве над ней — зона одновременно загрязнена и находится под отрицательным давлением, относясь к загрязненной зоне отрицательного давления. Поэтому в такой конструкции отсутствует загрязненная зона положительного давления, и она более безопасна, чем конструкция на рис. 7-26 (a).

Загрязненных зон положительного давления следует избегать при конструировании боксов биологической безопасности. Для обеспечения однонаправленного потока в некоторых конструкциях воздух забирается по всему периметру отверстия рабочей зоны; однако поскольку нижняя часть рабочей зоны во время работы занята и свободного пространства в ней практически нет, по эксплуатационным характеристикам такая конструкция почти не отличается от предыдущей.

Примерно половина объема однонаправленного потока и весь воздух, забираемый через переднее отверстие, поступают через щелевой воздухозаборник, расположенный в нижней части переднего отверстия. Таким образом, эффективность шкафа биологической безопасности определяется правильным соотношением вертикального параллельного потока и притока воздуха через отверстие. При слишком сильном всасывании комнатный воздух проникает глубоко в рабочую зону, вызывая ее загрязнение, как показано на рис. 7-27 (в); и наоборот, при слишком сильном вертикальном однонаправленном потоке загрязненные аэрозоли попадают в помещение, как показано на рис. 7-27 (а); шкаф соответствует требованиям только при исключении обоих сценариев, как показано на рис. 7-27 (б).

[Рисунок: Рис. 7-27 Баланс воздушных потоков через отверстие шкафа биологической безопасности класса II-A, случаи (а), (б) и (в)]

Высота отверстия составляет не более 20 см, что позволяет вносить и выносить обычные материалы и приборы, однако при работе с крупногабаритными предметами необходимо соблюдать осторожность; для этого может использоваться вертикально скользящее стеклянное окно. Однако для поддержания отклонения скорости притока воздуха через отверстие в пределах ±10 % площадь отверстия должна быть строго регламентирована для различных режимов работы; поэтому шкафы, оснащенные скользящим окном, должны эксплуатироваться при регламентированной высоте его створки.

Поскольку шкафы этого класса используют около 70 % рециркулирующего воздуха, они не подходят для работы с высокоопасными химическими веществами; если в шкафу не проводятся работы с опасными химикатами, его выброс может осуществляться непосредственно в помещение лаборатории — такая схема с внутренней рециркуляцией воздуха выгодна с точки зрения нагрузки на систему кондиционирования и компоновки воздуховодов.

На рис. 7-28 представлена схема колпакового (насадочного) соединения шкафа биологической безопасности класса II-A с вытяжным воздуховодом. Шкафы биологической безопасности класса II-A подразделяются на типы A1 и A2, как показано на рис. 7-29 и рис. 7-30.

[Рисунок: Рис. 7-28 Схема колпакового (насадочного) соединения шкафа биологической безопасности класса II-A с вытяжным воздуховодом]

1 — дроссельная заслонка расхода воздуха; 2 — гибкий соединитель, подключенный к вытяжной системе; 3 — корпус вытяжного фильтра HEPA шкафа биологической безопасности; 4 — вытяжной колпак (насадка); 5 — шкаф биологической безопасности

Примечание: Между вытяжным колпаком 4 и корпусом вытяжного фильтра HEPA 3 имеется зазор размером 25 мм; через этот зазор осуществляется забор воздуха из помещения.

В шкафу биологической безопасности класса II тип A1 используется только один нагнетатель, который обеспечивает циркуляцию воздуха внутри шкафа между фильтром рециркуляционного воздуха и вытяжным фильтром. Воздух в пространстве между вентилятором и двумя фильтрами загрязнен и находится под избыточным давлением. См. рис. 7-29.

На рис. 7-30 представлена схема воздушных потоков в настольном шкафу биологической безопасности класса II тип A2. Шкаф класса II тип A2 рециркулирует 70 % воздуха; остальные 30 % после фильтрации через вытяжной фильтр выбрасываются наружу. Загрязненные аэрозоли, образующиеся при работе в рабочем пространстве настольного шкафа, смешиваются с воздухом, забираемым из помещения, и поступают в воздуховод рециркуляционного воздуха. В отличие от шкафа биологической безопасности класса II тип A1, воздуховод рециркуляционного воздуха шкафа класса II тип A2 (поз. 6 на рис. 7-30) постоянно находится под отрицательным давлением, что делает его более безопасным по сравнению с типом A1.

[Рисунок: Рис. 7-29 Схема воздушных потоков в шкафу биологической безопасности класса II тип A1; 1 — переднее отверстие; 2 — переднее смотровое окно; 3 — вытяжной фильтр HEPA; 4 — приточный фильтр HEPA; 5 — задний воздуховод; 6 — нагнетатель]

[Рисунок: Рис. 7-30 Схема воздушных потоков в настольном шкафу биологической безопасности класса II тип A2: (а) вид сбоку; (б) вид спереди; 1 — переднее отверстие; 2 — смотровое окно рабочей зоны; 3 — вытяжной фильтр HEPA; 4 — приточный фильтр HEPA; 5 — воздуховод под избыточным давлением; 6 — воздуховод под отрицательным давлением; условные обозначения: комнатный воздух / загрязненный воздух / воздух, очищенный фильтром HEPA; рабочая поверхность]

III. Шкаф биологической безопасности класса II-B

Шкафы биологической безопасности класса II-B обеспечивают более высокий уровень безопасности по сравнению со шкафами класса II-A по следующим причинам:

  1. Средняя скорость воздушного потока на переднем отверстии составляет 0,5 м/с или выше;

  2. Отсутствует зона загрязнения с положительным давлением;

  3. Доля рециркуляционного воздуха снижена до 30%, а в отдельных случаях — до нуля.

Стеклянное окно на переднем отверстии шкафа биологической безопасности класса II-B имеет вертикально скользящую конструкцию, но во время эксплуатации оно, как и у шкафов класса II-A, должно находиться на регламентированной высоте створки. Поскольку средняя скорость потока на отверстии достаточно высокая, его высота в большинстве случаев составляет 20 см; при отклонении положения окна от заданного срабатывает сигнальное устройство.

Поскольку в шкафах биологической безопасности класса II-B допускается работа с более опасными патогенами и химическими веществами, отработанный воздух должен выводиться наружу через герметично подключенный вытяжной воздуховод, работающий под отрицательным давлением.

При монтаже нескольких защитных шкафов каждый из них должен быть подключен к отдельному воздуховоду, а не к общей магистрали.

Шкафы биологической безопасности класса II-B дополнительно подразделяются на типы B1 и B2, что проиллюстрировано на рис. 7-31–7-34.

[Рисунок: Рис. 7-31 Шкаф биологической безопасности класса II тип B1 (а) вид сбоку; (б) вид спереди; 1 — переднее отверстие; 2 — рабочее смотровое окно; 3 — вытяжной HEPA-фильтр; 4 — приточный HEPA-фильтр; 5 — вытяжной воздуховод с положительным давлением; 6 — вентилятор; 7 — дополнительный приточный HEPA-фильтр; условные обозначения: воздух помещения / загрязненный воздух / воздух, очищенный HEPA-фильтром]

Из воздушного потока, создаваемого нижним вентилятором, часть воздуха выводится наружу через вытяжной HEPA-фильтр, а остальная часть возвращается в полость шкафа через приточный фильтр. Всасывающие отверстия расположены в средней и нижней части задней стенки рабочей зоны; под действием системного вытяжного вентилятора через них также отводится часть воздуха, что исключает образование застойных зон.

На рис. 7-32 представлена другая конструкция шкафа класса II тип B1, в которой используется на один HEPA-фильтр меньше.

[Рисунок: Рис. 7-32 Защитный шкаф класса II-B с рециркуляцией воздуха (а) продольный разрез сбоку; (б) виды спереди и сбоку; обозначения: вытяжной воздуховод, вытяжной HEPA-фильтр, стеклянное скользящее окно, приточный HEPA-фильтр]

На рис. 7-33 явно показана конструкция с полным выводом воздуха: за счет всасывания вытяжным вентилятором (не встроенным в шкаф) загрязненный воздух из рабочей зоны и воздух помещения поступают в вытяжной воздуховод с отрицательным давлением 5. Встроенный приточный вентилятор забирает воздух из помещения и после очистки HEPA-фильтром подает его в рабочую зону.

▨ воздух помещения　■ загрязненный воздух　□ воздух, очищенный HEPA-фильтром

[Рисунок: Рис. 7-33 Шкаф биологической безопасности класса II тип B2 (а) вид сбоку; (б) вид спереди; 1 — переднее отверстие; 2 — рабочее смотровое окно; 3 — вытяжной HEPA-фильтр; 4 — приточный HEPA-фильтр; 5 — вытяжной воздуховод с отрицательным давлением; 6 — вентилятор; 7 — фильтрующая сетка]

[Рисунок: Рис. 7-34 Шкаф биологической безопасности класса II-B с полным выводом воздуха (схема зоны загрязнения под отрицательным давлением)]

Рис. 7-34 представляет собой схему зон загрязнения шкафа класса II тип B2 с полной вытяжкой и встроенным вентилятором.

Сходства и различия между защитными шкафами классов II-A и II-B приведены в таблице 7-5.

Таблица 7-5 Сравнение шкафов биологической безопасности классов II-A и II-B

Показатель Класс II-A Класс II-B
Зона загрязнения с положительным давлением У A1 присутствует, у A2 отсутствует Отсутствует
Конструкция переднего защитного ограждения Окно с фиксированным отверстием или вертикально скользящее окно (то же, что слева)
Высота переднего отверстия (мм) 200 (то же, что слева)
Скорость приточного воздуха в рабочей зоне (м/с) ≥ 0,23 (то же, что слева)
Доля рециркуляционного воздуха (%) 70 30–0
Отвод отработанного воздуха A1 — в помещение / A2 — наружу Наружу

Продолжение таблицы

Показатель Класс II-A Класс II-B
Рабочие агенты Общие патогены Уровни 1–3 Уровни 1–3
Рекомбинантный генетический материал Уровни P1–P3 Уровни P1–P3
Химические канцерогены A1 — не допускается / A2 — допускается (при низких концентрациях) Допускается (при низких концентрациях)
Радиоактивные вещества A1 — не допускается / A2 — допускается (при низких концентрациях) Допускается (при низких концентрациях)
Летучие растворители A1 — не допускается / A2 — допускается (при низких концентрациях) Допускается

Примечание: Конструкция скользящего окна должна обеспечивать фиксацию его положения либо быть оснащена устройством сигнализации, срабатывающим при отклонении положения окна от регламентированного.

IV. Шкаф биологической безопасности класса III

Этот класс боксов биологической безопасности подходит для работ с наивысшей степенью опасности в экспериментах с вирусами, бактериями, паразитами, рекомбинантным генетическим материалом и т. д. Через длинные резиновые перчатки, закрепленные на полностью герметичном боксе с отрицательным давлением, оператор выполняет все экспериментальные работы в герметичной рабочей зоне бокса: разведение и вскрытие инфицированных животных, обработку тканевых материалов, культивирование патогенов, микроскопические наблюдения и центрифугирование.

Некоторые национальные стандарты требуют, чтобы эффективность фильтров HEPA бокса безопасности класса III составляла не менее 99,997 % для частиц размером 0,3 мкм — это на один класс выше, чем у обычных фильтров HEPA, и соответствует фильтру класса C по национальному стандарту.

В боксе биологической безопасности класса III (рис. 7-35) приточный воздух поступает в бокс сверху вниз через фильтр HEPA, а отработанный воздух перед выбросом проходит очистку двумя последовательно установленными фильтрами HEPA. Отрицательное давление внутри бокса обычно поддерживается на уровне около 125 Па. Все операции необходимо выполнять через герметичные перчатки-краги, а все материалы, вносимые в бокс и выносимые из него, должны проходить через двухдверный автоклав или погружную дезинфекционную ванну, заполненную дезинфицирующим средством.

[Рисунок: Рис. 7-35 Принцип работы бокса биологической безопасности класса III (а) вид сбоку; (б) вид спереди; условные обозначения: воздух помещения / загрязненный воздух / воздух, очищенный фильтром HEPA; 1 — перчатки и порты для перчаток; 2 — рабочее смотровое окно; 3 — вытяжной фильтр HEPA; 4 — приточный фильтр HEPA; 5 — фильтр HEPA двухдверного автоклава или передаточной камеры; 5 — вытяжной воздуховод с положительным давлением; 6 — вентилятор; 7 — дополнительный приточный фильтр HEPA (в оригинальном рисунке два обозначения «5», очевидно, ошибка печати/нумерации)]

Боксы биологической безопасности класса III дополнительно подразделяются на два следующих типа:

  1. Автономный тип: используется, когда требуется только один бокс биологической безопасности, как показано на рис. 7-36.

[Рисунок: Рис. 7-36 Конструкция автономного бокса безопасности класса III (а) приточный фильтр в нижней части; (б) приточный и вытяжной фильтры на противоположных сторонах; обозначения: вытяжной фильтр HEPA (2-я ступень), вытяжной фильтр HEPA (1-я ступень), приточный фильтр HEPA, автоклав, химическая погружная ванна (передаточная камера), вытяжной вентилятор, выброс воздуха на улицу]

  1. Линейный (последовательный) тип: используется, когда необходимо соединить несколько боксов биологической безопасности, как показано на рис. 7-37.

Линейный бокс биологической безопасности сокращенно обозначается GBL; на его конце расположен автоклав с дверцами с обеих сторон. Экспериментальные материалы нельзя вынимать из бокса напрямую: перед извлечением их необходимо стерилизовать в автоклаве.

При такой конструкции, поскольку патогены полностью герметизированы внутри перчаточного бокса, лаборатория остается незагрязненной, а специальная защитная одежда, перчатки, маски и подобные средства защиты не требуются. См. рис. 7-37.

[Рисунок: Рис. 7-37 Линейные боксы безопасности класса III (несколько соединенных блоков; обозначения: соединительная секция, вытяжной вентилятор, выброс воздуха на улицу, автоклав)]