Phần 3 Tủ An Toàn Sinh Học Phòng Thí Nghiệm Y Tế

Tủ an toàn sinh học được thiết kế để bảo vệ người vận hành, môi trường phòng thí nghiệm và vật liệu thí nghiệm khỏi việc tiếp xúc với các sol khí lây nhiễm và chất bắn tung tóe có thể phát sinh khi xử lý các vật liệu thí nghiệm lây nhiễm như nuôi cấy sơ cấp, chủng vi khuẩn và virus, cũng như mẫu xét nghiệm chẩn đoán.

Tủ an toàn sinh học có thể được chia thành ba lớp chính — Lớp I, Lớp II và Lớp III — để đáp ứng các yêu cầu nghiên cứu sinh học và phòng chống dịch bệnh khác nhau. Xem Bảng 7-4.

Bảng 7-4 Phân loại Tủ An Toàn Sinh Học

Lớp Loại Khí thải Tỷ lệ không khí tuần hoàn (%) Luồng không khí trong tủ Tốc độ dòng vào (m/s) Đối tượng bảo vệ
Lớp I Có thể thải vào phòng — Luồng rối ≥ 0.40 Người vận hành
Lớp II Loại A1 Có thể thải vào phòng 70 Luồng một chiều ≥ 0.38 Người vận hành và mẫu
Loại A2 Có thể thải vào phòng 70 Luồng một chiều ≥ 0.50
Loại B1 Không được thải vào phòng 30 Luồng một chiều ≥ 0.50
Loại B2 Không được thải vào phòng 0 Luồng một chiều ≥ 0.50
Lớp III Không được thải vào phòng 0 Luồng rối Không có lỗ vào; khi tháo một chiếc găng tay, tốc độ tại cổng găng tay ≥ 0.70 Chủ yếu là người vận hành, đôi khi cũng bao gồm mẫu

Tủ an toàn sinh học Lớp I và Lớp II về cơ bản là các vỏ bọc kín có cửa mở làm việc phía trước và lỗ thông hơi ở phía trên. Các sol khí bị ô nhiễm phát sinh trong khu vực làm việc được giữ lại bên trong tủ nhờ luồng không khí hút vào qua cửa mở phía trước. Ngoài ra, các sol khí bị ô nhiễm trong khí thải được giữ lại bởi bộ lọc HEPA.

Cần lưu ý hai điểm về khả năng cách ly cục bộ của tủ Lớp I và II:

  1. Phương pháp phòng thủ hút không khí vào từ lỗ mở bằng áp suất âm không phải là tuyệt đối và không đáng tin cậy khi xử lý mầm bệnh và chất hóa học nguy hiểm cao. Điều này là do một khi tủ ngừng hoạt động, hiệu quả cách ly của luồng không khí sẽ không còn; và đối với mầm bệnh bám trên tay và dụng cụ đi qua lỗ mở, cách ly luồng không khí này hoàn toàn không hiệu quả. Hơn nữa, nếu bên trong tủ bị ô nhiễm, vi sinh vật có thể sinh sôi bên trong tủ.

  2. Các thành phần khí trong không khí có thể đi qua bộ lọc HEPA, do đó cần hết sức thận trọng khi sử dụng các chất dạng khí này. Cần khoảng 20–30 giây để khí trong tủ được pha loãng xuống còn 1/10 nồng độ ban đầu; khi sử dụng tủ an toàn sinh học cho các thí nghiệm hóa học, phải áp dụng các biện pháp phù hợp theo bản chất và số lượng chất được xử lý.

I. Tủ An Toàn Sinh Học Lớp I

Tủ an toàn sinh học Lớp I hút không khí qua cửa mở phía trước và thải không khí đã được xử lý bằng bộ lọc HEPA qua cổng thải, như minh họa trong Hình 7-24.

[Hình: Sơ đồ tủ an toàn sinh học Lớp I, bốn bảng — (a) sơ đồ luồng không khí với không khí đi vào ở cửa mở phía trước và thải lên trên sau khi lọc HEPA ở phía trên; (b) sơ đồ nhìn bên của hệ thống thải, với các đường dẫn đánh dấu ống dẫn khí thải và bộ lọc HEPA khí thải; (c) nhìn bên cho thấy cánh tay người vận hành đưa vào trong tủ, được đánh dấu “5”; (d) nhìn phía trước với bốn cổng làm việc tròn, được đánh dấu “1”, “2”, “3”, “4”]

Hình 7-24 Tủ An Toàn Sinh Học Lớp I

Nhìn chung, tốc độ trung bình tại lỗ mở là 0.38 m/s trở lên; khi xử lý các chất nguy hiểm, vách ngăn phù hợp có thể giảm một nửa diện tích lỗ mở, nâng tốc độ trung bình tại lỗ mở lên 0.76 m/s trở lên. Nếu xét thuần túy từ góc độ sinh học, khí thải có thể được thải vào phòng. Tủ an toàn sinh học loại I cung cấp không khí từ phòng cho khu vực làm việc, do đó không thể sử dụng cho các thao tác đòi hỏi điều kiện vô trùng, sạch sẽ. Tuy nhiên, loại tủ này phù hợp nhất cho các công việc kiểm tra thông thường như xét nghiệm sinh hóa và huyết thanh học tại bệnh viện và các cơ sở tương tự. Nó cũng có thể chứa các thiết bị tạo ra lượng lớn sol khí (như máy ly tâm và máy làm sạch siêu âm), với điều kiện cấu trúc được điều chỉnh phù hợp. Ví dụ, đối với máy ly tâm, buồng ly tâm phải được cách ly với động cơ để gió tạo ra bởi máy ly tâm quay không ảnh hưởng đến hiệu suất của tủ.

Mặt trước của tủ an toàn sinh học loại I cũng có thể có 2–4 lỗ tròn được lắp găng tay tay dài, như thể hiện trong Hình 7-24 (c) và (d).

Sơ đồ luồng không khí bên trong tủ an toàn sinh học loại I được thể hiện trong Hình 7-25.

[Hình: Sơ đồ luồng không khí trong tủ an toàn sinh học loại I; chú giải phân biệt không khí phòng, không khí ô nhiễm và không khí được lọc HEPA; nhãn: 1 lỗ mở phía trước, 2 cửa sổ quan sát, 3 bộ lọc HEPA thải khí, 4 ống dẫn thải khí]

Hình 7-25 Sơ đồ luồng không khí trong tủ an toàn sinh học loại I

1—lỗ mở phía trước; 2—cửa sổ quan sát; 3—bộ lọc HEPA thải khí; 4—ống dẫn thải khí

[Hình: Tủ an toàn sinh học loại II-A, góc nhìn (a) và (b); chú giải sử dụng vùng chấm cho các vùng ô nhiễm áp suất âm và vùng gạch chéo cho các vùng ô nhiễm áp suất dương]

Hình 7-26 Tủ an toàn sinh học loại II-A

II. Tủ an toàn sinh học loại II-A

Đây là loại tủ an toàn được sử dụng nhiều nhất trong vi sinh vật học. Giống như tủ loại I, nó hút không khí vào qua lỗ mở phía trước và xử lý khí thải bằng bộ lọc HEPA để ngăn sol khí thoát ra ngoài. Tuy nhiên, tại khu vực làm việc, không khí sạch chảy thẳng đứng xuống dưới được cung cấp qua bộ lọc HEPA—được gọi là dòng chảy đơn hướng thẳng đứng trong công nghệ không khí phòng sạch, còn thường gọi là dòng chảy lớp thẳng đứng.

Do hiệu ứng hút của lỗ vào dòng chảy, việc đạt được dòng chảy song song thẳng đứng ở phần dưới của lỗ mở khó khăn hơn so với phần trên. Như thể hiện trong Hình 7-26 (a), một phần các đường dòng trên bề mặt làm việc cong về phía lỗ mở phía trước và một phần cong vào trong.

Điều này làm phát sinh hai khái niệm—vùng ô nhiễm áp suất âm và vùng ô nhiễm áp suất dương.

Trong Hình 7-26 (a), bề mặt làm việc và một độ cao nhất định phía trên nó nằm ở áp suất âm của phía hút của quạt, trong khi trong một khoảng cách nhất định phía dưới mặt xả của bộ lọc HEPA, không khí vẫn chịu áp suất động xả; do đó, các chất ô nhiễm trong quá trình vận hành không thể bay lên và chỉ có thể bị hút xuống dưới, với áp suất âm đạt giá trị lớn nhất tại cửa hút của quạt. Do đó, vùng ô nhiễm từ một khoảng cách nhất định phía dưới mặt xả đến cửa hút quạt là vùng ô nhiễm áp suất âm.

Chất ô nhiễm trong vùng ô nhiễm áp suất âm không thể rò rỉ ra ngoài.

Các chất ô nhiễm được hút vào bởi quạt được thải ra từ cửa ra quạt, nơi áp suất dương lớn nhất, và được dẫn dọc theo ống đến mặt vào của bộ lọc HEPA, nơi có áp suất dương đủ để vượt qua sức cản của bộ lọc và thải không khí với vận tốc nhất định. Phần này vừa chứa đầy chất ô nhiễm vừa ở áp suất dương, được gọi là vùng ô nhiễm áp suất dương.

Chất ô nhiễm trong vùng ô nhiễm áp suất dương có thể rò rỉ ra ngoài.

Trong Hình 7-26 (b), thứ mà quạt hút vào là không khí sạch đã đi qua bộ lọc HEPA; chỉ tại mặt vào của bộ lọc—tức là bề mặt làm việc và một không gian nhất định phía trên nó—là vùng vừa bị ô nhiễm vừa ở áp suất âm, thuộc vùng ô nhiễm áp suất âm. Do đó, cấu trúc này không có vùng ô nhiễm áp suất dương và an toàn hơn cấu trúc trong Hình 7-26 (a).

Các vùng ô nhiễm áp suất dương nên được tránh trong cấu trúc tủ an toàn sinh học. Để đảm bảo luồng không khí một chiều, một số thiết kế hút không khí qua toàn bộ cửa mở của khu vực làm việc; tuy nhiên, do phần dưới của khu vực làm việc bị chiếm dụng trong quá trình vận hành với ít không gian trống, sự khác biệt về hiệu suất so với thiết kế trước là không đáng kể.

Khoảng một nửa luồng một chiều và toàn bộ không khí hút vào tại cửa mở phía trước được đưa vào qua cửa hút có khe ở đầu dưới của cửa mở phía trước. Do đó, tỷ lệ phù hợp giữa luồng song song đứng và luồng đi vào tại cửa mở quyết định hiệu suất của tủ an toàn. Nếu lực hút quá mạnh, không khí phòng thí nghiệm xâm nhập sâu vào khu vực làm việc, gây ô nhiễm, như minh họa tại Hình 7-27 (c); ngược lại, nếu luồng một chiều đứng quá mạnh, các sol khí ô nhiễm thoát ra ngoài phòng, như minh họa tại Hình 7-27 (a); chỉ khi tránh được cả hai tình huống thì tủ mới đạt yêu cầu, như minh họa tại Hình 7-27 (b).

[Hình: Hình 7-27 Sự cân bằng luồng không khí tại cửa mở của tủ an toàn sinh học loại II-A, các trường hợp (a), (b) và (c)]

Chiều cao cửa mở không quá 20 cm, cho phép vật liệu và dụng cụ thông thường đi vào và đi ra, nhưng cần thận trọng với các vật dụng lớn; có thể sử dụng cửa sổ kính trượt đứng. Tuy nhiên, để giữ độ biến thiên của vận tốc luồng đi vào tại cửa mở trong khoảng ±10%, diện tích cửa mở phải được quy định nghiêm ngặt cho các điều kiện khác nhau; do đó, đối với các tủ được trang bị

cửa sổ trượt, phải vận hành ở chiều cao cửa sổ trượt đã quy định.

Do loại tủ an toàn này sử dụng khoảng 70% không khí tuần hoàn, nó không phù hợp để xử lý các chất hóa học nguy hiểm cao; khi không xử lý hóa chất nguy hiểm trong tủ, tủ có thể thải khí trực tiếp vào phòng thí nghiệm — đây là bố trí tuần hoàn trong nhà có lợi thế về tải điều hòa không khí và bố trí đường ống.

Hình 7-28 là sơ đồ kết nối mái che (thimble) giữa tủ an toàn sinh học loại II-A và đường ống thải khí. Tủ an toàn sinh học loại II-A được chia nhỏ thành loại A1 và loại A2, như minh họa tại Hình 7-29 và Hình 7-30.

[Hình: Hình 7-28 Sơ đồ kết nối mái che (thimble) giữa tủ an toàn sinh học loại II-A và đường ống thải khí]

1—van điều chỉnh lưu lượng không khí; 2—đầu nối linh hoạt; kết nối với hệ thống thải khí; 3—vỏ bộ lọc HEPA thải khí của tủ an toàn sinh học; 4—mái che thải khí (thimble); 5—tủ an toàn sinh học

Lưu ý: Có khoảng hở 25 mm giữa mái che thải khí 4 và vỏ bộ lọc HEPA thải khí 3; khoảng hở này cho phép hút không khí từ phòng.

Tủ an toàn sinh học loại II loại A1 chỉ sử dụng một quạt thổi, luân chuyển không khí bên trong tủ giữa bộ lọc gió hồi và bộ lọc thải khí. Không khí giữa quạt và hai bộ lọc bị ô nhiễm và ở áp suất dương. Xem Hình 7-29.

Hình 7-30 là sơ đồ luồng không khí trong tủ an toàn sinh học để bàn loại II loại A2. Tủ loại II loại A2 tuần hoàn 70% lượng không khí; 30% còn lại được thải ra ngoài trời sau khi lọc qua bộ lọc thải khí. Các sol khí ô nhiễm sinh ra từ các thao tác trong không gian làm việc để bàn trộn với không khí hút từ phòng và đi vào đường ống gió hồi. Khác với tủ an toàn sinh học loại II loại A1, đường ống gió hồi của tủ loại II loại A2 (số 6 trong Hình 7-30) luôn ở áp suất âm, giúp nó an toàn hơn loại A1.

[Hình: Hình 7-29 Sơ đồ luồng không khí trong tủ an toàn sinh học loại II loại A1; 1—cửa mở phía trước; 2—cửa sổ quan sát phía trước; 3—bộ lọc HEPA thải khí; 4—bộ lọc HEPA cấp khí; 5—đường ống gió phía sau; 6—quạt thổi]

[Hình: Hình 7-30 Sơ đồ luồng không khí trong tủ an toàn sinh học để bàn loại II loại A2 (a) mặt bên; (b) mặt trước; 1—cửa mở phía trước; 2—cửa sổ quan sát làm việc; 3—bộ lọc HEPA thải khí; 4—bộ lọc HEPA cấp khí; 5—đường ống áp suất dương; 6—đường ống áp suất âm; chú giải: không khí phòng / không khí ô nhiễm / không khí đã lọc HEPA; bề mặt làm việc]

III. Tủ an toàn sinh học loại II-B

Tủ an toàn sinh học loại II-B đạt mức độ an toàn cao hơn tủ loại II-A vì các lý do sau:

  1. Vận tốc trung bình tại cửa mở phía trước đạt 0,5 m/s trở lên;

  2. Không có vùng ô nhiễm áp suất dương;

  3. Tỷ lệ không khí tuần hoàn giảm xuống 30%, thậm chí bằng không.

Cửa sổ kính tại cửa mở phía trước của tủ an toàn sinh học Class II-B là loại trượt đứng, nhưng trong quá trình vận hành, giống như Class II-A, nó phải được giữ ở chiều cao cửa sổ trượt quy định. Vì vận tốc mở trung bình cao, chiều cao mở chủ yếu là 20 cm; khi cửa sổ không ở chiều cao quy định, thiết bị báo động sẽ phát tín hiệu.

Vì tủ an toàn sinh học Class II-B có thể xử lý các mầm bệnh và chất hóa học nguy hiểm hơn, khí thải phải được thải ra ngoài trời, với kết nối ống dẫn khí thải kín dưới áp suất âm.

Khi lắp đặt nhiều tủ an toàn, mỗi tủ nên sử dụng ống dẫn độc lập thay vì ống dẫn chung.

Tủ an toàn sinh học Class II-B được chia thêm thành Loại B1 và Loại B2, như thể hiện trong Hình 7-31–7-34.

[Hình: Hình 7-31 Tủ an toàn sinh học Class II Loại B1 (a) mặt bên; (b) mặt trước; 1—cửa mở phía trước; 2—cửa sổ quan sát làm việc; 3—bộ lọc HEPA khí thải; 4—bộ lọc HEPA khí cấp; 5—ống dẫn khí thải áp suất dương; 6—quạt gió; 7—bộ lọc HEPA khí cấp bổ sung; chú giải: không khí phòng / không khí ô nhiễm / không khí lọc qua HEPA]

Trong số không khí được thổi ra bởi quạt phía dưới, một phần được thải ra qua bộ lọc HEPA khí thải và một phần được đưa trở lại tủ qua bộ lọc khí cấp. Các cửa hút được bố trí ở phía sau giữa và phía dưới không gian làm việc; dưới tác động của quạt hút khí thải của hệ thống, một phần không khí cũng được thải ra ở đó để tránh các vùng chết.

Hình 7-32 thể hiện một cấu trúc khác của Class II Loại B1, có ít hơn một bộ lọc HEPA.

[Hình: Hình 7-32 Tủ an toàn Class II-B có không khí tuần hoàn (a) mặt cắt bên; (b) mặt trước và mặt bên; nhãn: ống dẫn khí thải, bộ lọc HEPA khí thải, cửa sổ trượt kính, bộ lọc HEPA khí cấp]

Hình 7-33 rõ ràng là thiết kế thải toàn bộ: nhờ lực hút của quạt hút khí thải (không lắp sẵn), không khí ô nhiễm từ không gian làm việc và không khí phòng được hút vào ống dẫn khí thải áp suất âm 5. Quạt cấp khí lắp sẵn hút không khí phòng và đưa vào không gian làm việc sau khi lọc qua HEPA.

▨ không khí phòng　■ không khí ô nhiễm　□ không khí lọc qua HEPA

[Hình: Hình 7-33 Tủ an toàn sinh học Class II Loại B2 (a) mặt bên; (b) mặt trước; 1—cửa mở phía trước; 2—cửa sổ quan sát làm việc; 3—bộ lọc HEPA khí thải; 4—bộ lọc HEPA khí cấp; 5—ống dẫn khí thải áp suất âm; 6—quạt gió; 7—lưới lọc]

[Hình: Hình 7-34 Tủ an toàn sinh học Class II-B thải toàn bộ (sơ đồ vùng ô nhiễm áp suất âm)]

Hình 7-34 là sơ đồ các vùng ô nhiễm của tủ Class II Loại B2 thải toàn bộ, có trang bị quạt.

Điểm giống và khác nhau giữa tủ an toàn Class II-A và Class II-B được so sánh trong Bảng 7-5.

Bảng 7-5 So sánh tủ an toàn sinh học Class II-A và Class II-B

Hạng mục Class II-A Class II-B
Vùng ô nhiễm áp suất dương A1 có, A2 không Không có
Cấu trúc che chắn phía trước Cửa mở cố định hoặc cửa sổ trượt đứng (giống cột bên trái)
Chiều cao cửa mở phía trước (mm) 200 (giống cột bên trái)
Vận tốc khí cấp trong vùng làm việc (m/s) ≥ 0,23 (giống cột bên trái)
Không khí tuần hoàn (%) 70 30–0
Khí thải A1 trong nhà / A2 ngoài trời Ngoài trời

Bảng tiếp theo

Hạng mục Class II-A Class II-B
Tác nhân áp dụng Mầm bệnh thông thường Cấp 1–3 Cấp 1–3
Vật liệu di truyền tái tổ hợp Cấp P1–P3 Cấp P1–P3
Chất gây ung thư hóa học A1 không cho phép / A2 cho phép (ở nồng độ thấp) Cho phép (ở nồng độ thấp)
Chất phóng xạ A1 không cho phép / A2 cho phép (ở nồng độ thấp) Cho phép (ở nồng độ thấp)
Dung môi bay hơi A1 không cho phép / A2 cho phép (ở nồng độ thấp) Cho phép

Ghi chú: Cấu trúc của cửa sổ trượt phải có khả năng cố định vị trí hoặc được trang bị thiết bị báo động khi không ở vị trí quy định.

IV. Tủ an toàn sinh học Class III

Loại tủ an toàn sinh học này phù hợp cho các thao tác có mức độ nguy hiểm cao nhất trong các thí nghiệm liên quan đến virus, vi khuẩn, ký sinh trùng, vật liệu di truyền tái tổ hợp và các loại tương tự. Thông qua các găng tay cao su dài lắp trên tủ áp suất âm kín hoàn toàn, người vận hành thực hiện mọi công việc thí nghiệm trong khu vực làm việc kín của tủ — nhân giống và mổ xẻ động vật nhiễm bệnh, xử lý vật liệu mô, nuôi cấy tác nhân gây bệnh, quan sát bằng kính hiển vi và ly tâm.

Một số tiêu chuẩn quốc gia yêu cầu bộ lọc HEPA của tủ an toàn loại III phải có hiệu suất lọc từ 99,997% trở lên đối với các hạt 0,3 μm — cao hơn một cấp so với bộ lọc HEPA thông thường, tương đương với bộ lọc loại C trong tiêu chuẩn quốc gia.

Trong tủ an toàn sinh học loại III (Hình 7-35), không khí cấp đi vào tủ từ trên xuống dưới qua bộ lọc HEPA, trong khi không khí thải được xử lý bằng hai bộ lọc HEPA mắc nối tiếp trước khi thải ra ngoài. Áp suất âm bên trong tủ thường được duy trì ở khoảng 125 Pa. Mọi thao tác phải được thực hiện qua găng tay ống, và mọi vật liệu đi vào hoặc đi ra phải đi qua nồi hấp khử trùng hai cửa hoặc bể ngâm chứa chất khử trùng.

[Hình: Hình 7-35 Nguyên lý hoạt động của tủ an toàn sinh học loại III (a) mặt bên; (b) mặt trước; chú thích: không khí phòng / không khí ô nhiễm / không khí đã lọc HEPA; 1 — găng tay và cổng lắp găng tay; 2 — cửa sổ quan sát làm việc; 3 — bộ lọc HEPA thải; 4 — bộ lọc HEPA cấp; 5 — nồi hấp khử trùng hai cửa hoặc bộ lọc HEPA của hộp chuyển vật liệu; 5 — ống dẫn khí thải áp suất dương; 6 — quạt gió; 7 — bộ lọc HEPA cấp bổ sung (hình gốc có hai nhãn “5”, rõ ràng là lỗi in ấn/đánh số)]

Tủ an toàn sinh học loại III được chia thành hai loại sau:

  1. Loại độc lập: được sử dụng khi chỉ cần một tủ an toàn sinh học, như minh họa trong Hình 7-36.

[Hình: Hình 7-36 Cấu tạo của tủ an toàn loại III độc lập (a) bộ lọc cấp ở phía dưới; (b) bộ lọc cấp và bộ lọc thải ở hai phía đối diện; nhãn: bộ lọc HEPA thải (cấp 2), bộ lọc HEPA thải (cấp 1), bộ lọc HEPA hút vào, nồi hấp khử trùng, bể ngâm hóa chất (hộp chuyển vật liệu), quạt thải, khí thải ra ngoài trời]

  1. Loại dây chuyền (nối tiếp): được sử dụng khi cần kết nối nhiều tủ an toàn sinh học, như minh họa trong Hình 7-37.

Tủ an toàn sinh học loại dây chuyền có tên viết tắt là GBL; ở đầu cuối của dây chuyền là nồi hấp khử trùng có cửa ở cả hai phía. Vật liệu thí nghiệm không thể được lấy ra khỏi tủ trực tiếp; chúng phải được khử trùng trong nồi hấp trước khi lấy ra.

Với cách bố trí này, do các tác nhân gây bệnh được kín hoàn toàn trong thiết bị hộp găng tay, phòng thí nghiệm không bị ô nhiễm, và không cần trang bị quần áo bảo hộ đặc biệt, găng tay, khẩu trang và các thiết bị tương tự. Xem Hình 7-37.

[Hình: Hình 7-37 Tủ an toàn loại III dạng dây chuyền (nhiều đơn vị được kết nối; nhãn: đoạn kết nối, quạt thải, khí thải ra ngoài trời, nồi hấp khử trùng)]