基于功能需求的高级别生物安全实验室布局思路探讨

中国建筑科学研究院有限公司 梁磊 王燕芹 崔磊 周权 曹国庆
中生集团 黎莉
中生研究院 徐立猛 徐静 莫俊
中生武汉所 陈晓琪 王晓军
青岛丞拾实验室技术有限公司 张维

       【摘  要】工艺布局是生物安全实验室设计和建设的依据和基础，在符合风险控制的前提下，满足功能需求是实验室工艺布局设计的首要目标。本文通过实际案列，结合国内外现行标准，从功能需求角度对高级别生物安全实验室的工艺布局思路进行了探讨，分析高级别生物安全实验室功能用房的组成、面积规划、实验设备与房间功能的结合等问题，尤其针对新冠疫苗研发用(A)BSL-3实验室的不同使用需求，分析其布局要点和特点，希望能对同类项目的实施提供指导和借鉴。

       【关键词】生物安全实验室工艺布局功能

Abstract:Process layout is the basis and foundation of the design and construction of biosafety laboratory. On the premise of risk control, meeting the functional requirements is the primary goal of the process layout design of the laboratory. This paper discusses the process layout of the high-level biosafety laboratory from the perspective of functional requirements through the actual case, combining with the current standards at home and abroad, and analyzes the composition, area planning, combination of laboratory equipment and room functions of the high-level biosafety laboratory, especially for the different use requirements of the (A ) BSL-3 Laboratory for the research and development of COVID-19 vaccines, This paper analyzes the key points and characteristics of the layout, hoping to provide guidance and reference for the implementation of similar projects.

Keywords:biosafety level 3 laboratory, process layout, function

0 引言

       自2019年12月起爆发的新冠肺炎疫情是新中国成立以来在我国发生的传播速度最快、感染范围最广、防控难度最大的一次重大突发公共卫生事件^[1]。在应对突如其来的疫情过程中，高级别生物安全实验室发挥着至关重要的作用，充分体现了其作为国家生物安全体系的基础支撑平台和人口健康与动物卫生领域开展科研、生产和服务的重要保障条件^[2]。根据WHO^[3]及我国^[4]相关要求，开展新型冠状病毒实验活动中的病毒培养、动物感染实验等应在三级生物安全实验室中进行，中国国家主席习近平总书记也在相关重要讲话中指出为有可能出现的常态化防控工作做好周全准备。因此，充分把握新形势下安全发展的新要求，加快建设合理布局、功能完善、统筹管理、高效运行的国家高级别生物安全实验室网络体系，将是新形势下生物安全建设领域的工作重点。

       工艺平面布局是生物安全实验室设计和建设的依据和基础，科学合理的工艺布局首先应满足生物安全操作的风险控制要求，符合工艺使用需求和适用范围，在合规的前提下尽可能具有灵活性、前瞻性及经济性。本文通过实际案列，结合国内外现行标准、笔者检测及设计经验，探讨基于功能需求的高级别生物安全实验室的工艺布局设计思路。

1 建筑功能布局思路

       高级别生物安全实验室是指生物安全防护级别为三级和四级的生物安全实验室，实验室布局应明确区分辅助工作区和防护区，在建筑物中自成隔离区域或未独立建筑物，应有出入控制^[5,6]。三级生物安全实验室与其他实验室可共用建筑物，共用时应独立成区，设在一端或一侧；四级生物安全实验室应为独立建筑物，或与其他级别的生物安全实验室共用。现行国标没有对三级生物安全实验室独立建筑物最小间距给出数值，但要求本建筑物室外排风与相邻建筑间距不小于20米。四级生物安全实验室宜远离市区，主实验室所在建筑离相邻建筑或构筑物的距离不小于相邻建筑或构筑物高度的1.5倍^[6]。

       独立建筑物的实验室区域内多采用“盒中盒”布局方式，防护区总是由次级围墙或保护方式与外部分开，以确保最高风险区域被包围在“盒子”中间，将生物安全风险降至最低。高级别生物安全实验室建筑布局方式见图1^[7,10]。

a 共用建筑方式    b 独立建筑方式  c 独立生物安全实验室建筑内高风险区“盒中盒”方式
图1 高级别生物安全实验室建筑布局方式（黑色区域为实验室区域）

2 功能用房及面积规划

       在设计初期应根据实验规划方案和使用需求确定防护区内核心工作间的个数、面积和等级，由于投资及防护操作的复杂程度有较大差别，不同生物安全等级的主实验室不宜设在同一单元内，可相互毗邻，通过负压走廊或传递窗进行衔接。根据不同功能定位，笔者将高级别生物安全实验室整体区域划分为实验室区域，配套用房区域和交通核区域，其中实验室区域主要为防护区，承担实验室操作功能，其余区域均为实验室的支持区域，各功能区域组成详见表1。

表1 高级别生物安全实验室功能区域组成表

       注：现行国标GB50346和GB19489均暂未将活毒废水区规定为防护区，但对于产生较大活毒废水的大动物三级及以上生物安全实验室，事实上存在大量活毒废液在处理间内泄漏外溢的风险，因此笔者认为应设为防护区。

       由表1可见，高级别生物安全实验室是一个复杂的系统工程，涉及环节众多。根据笔者多个设计项目统计，高级别生物安全实验室的建设，除实验室区域外，配套用房及交通核区域必不可少，甚至占用更大的面积。实践中常用毛净比这一概念在规划初期估算整个实验室面积规模。净面积被定义为实验室有效面积，毛面积为所有面积，国外资料显示（动物）三级生物安全实验室毛净比在4:1^[8]左右，而对于四级生物安全实验室，这一比值达5:1 ^[7,9]。

       与国外文献相近，我国高级别生物安全实验室毛净比也基本在4:1～5:1左右。实验室配套用房约占总建筑面积的60%～70%，交通核约占建筑总面积的10%～20%。因此，在项目方案设计过程中，需要充分预留出配套用房的面积，进行合理的布局，从而避免造成后期深化过程中对方案的颠覆性调整。在项目方案阶段必须有效的确定实验室的建设规模，减少后期设计过程中的方案调整风险。

3 实验室区域布局思路

       3.1 基础研究及医学检验类实验室

       实验室区域由主实验室（核心工作间）及其相邻缓冲组成，图2为加拿大相关国家规范给出的一个典型的三级生物安全实验室单元布局示意图^[9]，该实验室设置了专用人员进出的更衣、淋浴通道，大型设备通道，高压灭菌的污物出通道。

图2 加拿大三级生物安全验室单元布局示意图

       多个核心工作间可共用人、物流通道，通过共用走廊连接，节省空间和造价，但各核心工作间须设置专用相临缓冲，否则在不同房间不能同时开展不同病原微生物的操作。某ABSL-3实验室多个核心工作间共用辅助用房布局方案图见图3。

图3 某ABSL-3实验室多个核心工作间共用辅助用房的布局方案图

       ABSL-3实验室中动物房与实验室可设置成套间形式，也可互相独立设置。独立设置时，动物房可与细胞级微生物实验室相邻，通过传递窗进行物品传递，如图3所示。图4为《加拿大生物安全手册》第二版（Canadian Biosafety Handbook,Second Edition）中给出的动物房与实验室按套间形式设置的三级生物安全实验室布局方案示意图^[10]。

图4 加拿大动物房与实验室按套间形式设置的三级生物安全实验室布局方案示意图

       为便于实验操作，根据场地充裕条件，可在动物三级生物安全实验室区域旁配套一个小型的SPF实验动物屏障环境正压区，对准备进入防护区的实验动物进行观察检疫，也可从事免疫等一些预实验活动。由于动物笼盒及粪便、垫料等污物气味较大，因此建议在条件允许的情况下，防护区物进与物出的高压灭菌器分别设置，且在防护区内分别设有高压前室为佳。

       3.2 疫苗生产工艺研发类实验室

       用于新冠疫苗研发的ABSL-3中b1类实验室，属于可以采取有效隔离措施的感染动物实验室，其主要实验对象为小鼠等可饲养于IVC或隔离器内的啮齿类动物，生物安全等级可定义为GB19489中4.4.2型动物实验室，布局上与同级别微生物实验室最大的区别就是其防护区出口应设置淋浴间。

       值得一提的是，随着国内新冠疫情的爆发，国内开始出现由企业建设的，为开展全病毒高致病性（如新冠）疫苗生产工艺放大研究的高级别生物安全实验室。与以往公益类从事病原微生物基础研究或医学检验检疫类实验室不同，该类实验室的一个主要功能是服务于疫苗生产。实验室内工艺设备众多，操作体量从几十升到上百升不等，具备疫苗生产小试甚至中试的潜在功能，带有非常明显的生产属性，在功能布局上须结合GMP生产车间的特点和逻辑：1）应有配套上游正压洁净工艺区；2）防护区洁物进与污物出均应高压灭菌，且分别设置；3）根据GMP生产使用习惯，人员进出通道宜分别设置，根据风险评估确定人员退出防护区是否需要强制淋浴；4）实验室空间应充分考虑各类小型工艺设备的操作及检修空间。

       图5为该类用于疫苗生产工艺放大研究的高级别生物安全实验室布局流程概念示意，一定程度的结合了GMP成产元素与生物安全思维：人流进、出单向分开设置；物流高压进、出单向分别设置；房间气流由低风险区流向高风险区，形成单向流；房间采用动、静态净化级别，满足GMP对工艺生产的要求；总体布局上由正压区和非洁净控制区（CNC）将防护区环绕包围，形成低风险向高风险梯进的“盒中盒”理念。

图5 疫苗生产工艺放大研究的高级别生物安全实验室布局流程概念示意图

4 设备与功能结合的布局思路

       在实验室工艺布局设计中，还应结合各类实验室仪器设备的操作特点和要求，充分考虑其对房间布局的影响。实验室区域应考虑大型设备的出入口，设备出入口应可采取灭菌消毒措施。实验设备应有充足的摆放空间和操作空间，便于维修和开展相关完整性测试或消毒效果验证工作。生物安全实验室关键防护设备如生物安全柜、手套箱、隔离器、IVC等，其布置除满足规范要求的距边、距顶尺寸外，还应保证人员操作及物料运转空间，不应将设备设置于人员或物料的交通流线上，最大程度的避免对实验操作的干扰。

       在用于疫苗研发及评价的非人灵长类动物（如恒河猴）实验室中，考虑到实验用猴的尺寸及活动性，多采用开放性饲养方式，即使是负压猴笼，也因其开门时不可避免的暴露而被定性为开放性饲养方式。对于不能采取有效隔离措施的活体动物的饲养、感染实验及解剖等操作，其实验室生物安全等级应定义为GB19489中4.4.3型。适用于4.4.3的动物饲养间及其缓冲间的气密性应达到在关闭受测房间所有通路并维持房间内的温度在设计范围上限的条件下，若使空气压力维持250Pa时，房间内每小时泄漏的空气量应不超过受测房间净容积的10%^[5,10]。饲养间应充分考虑猴笼布局空间，保证人员使用安全、便捷。一些特殊设备仪器，如CT机、气溶胶暴露系统等，需要在设计初期充分考虑其空间和特殊布置要求。

       对于四级生物安全实验室，实验室内须考虑全是正压防护服的生命支持系统，在人流环节应将与核心工作间相邻缓冲间设置为化学淋浴间，设计室应考虑化学淋浴装置的尺寸与房间的结合，以满足功能使用要求。其更衣流程方案示意图见图6。

图6 四级生物安全实验室更衣流程方案示意图

5 总结

       工艺布局是生物安全实验室设计和建设的依据和基础，在符合风险控制的前提下，满足功能需求是实验室工艺布局设计的首要目标。基于功能需求的高级别生物安全实验室布局，应考虑建筑布局方式，规划合理的毛净比，针对不同功能需求进行房间布局设计，以满足实验室的使用要求。

参考文献：

[1] 习近平，为打赢疫情防控阻击战提供强大科技支撑，求是，2020年第6期
[2] 高级别生物安全实验室体系建设规划（2016-2025 年）［EB/OL］．http://www.most.gov.cn/fggw/zfwj/zfwj2016/201701/W020170111563956252675.pdf，2016-11-30、/2016-12-20
[3] Laboratory biosafety guidance related to thenovel coronavirus (2019-nCoV)
[4] 新型冠状病毒实验室实生物安全指南（第二版）
[5] GB19489，实验室生物安全通用要求
[6] 中国建筑科学研究院，江苏双楼建设集团有限公司．生物安全实验室建筑技术规范：GB 50346—2011［S］．北京：中国建筑工业出版社，2011：2
[7] Working in Biosafety Level 3 and 4Laboratories，
[8] 兽医生物安全设施-设计与建造手册 P118
[9] CONTAINMENT STANDARDS For Facilities Handling Plant Pests，P75
[10] Canadian Biosafety Handbook(Second Edition)，29，Public Health Agency of Canada，2015

       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2020年10月刊 总第37期（第22届全国暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。