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微生物洁净技术

浏览次数: 日期:2017年3月25日 17:13

    洁净室技术需要持续创新、不断发展,将工业洁净技术应用到医院、药品、化妆品和生物工程等领域,是暖通空调专业发展的新方向与新技术之一,即通常所说的生物洁净技术。它涉及的领域并不是很广,常常不为广大暖通空调工程师所熟悉。目前我国生物洁净技术的状况是,暖通空调工程师对微生物特性了解不多,常常用理工科思路和技术手段套用到生物污染因子控制,而微生物学家又不了解工程措施。两者由于缺乏充分交流,认识上存在误区,难以开发出一种正确、合适的综合技术,常常事倍功半,甚至弄巧成拙,反而加大微生物污染的隐患。针对当前这种状况,美国供热通风制冷空调工程师学会(ASHRAE)会员、同济大学的沈晋明教授撰写了这一专题文章。希望通过对现今生物污染因子控制与生物净化过程中经常遇到的问题的探讨,有助于读者对微生物污染及其控制更深刻了解,也有益于将我国生物洁净技术提高到一个更高的水平。

 

  直面微生物污染挑战

 

  生物净化的控制参数主要是控制对象与控制浓度,但由于医药生物领域的特殊性,生物洁净技术控制对象与控制浓度并不等同于工业洁净技术的同名参数,在很多方面具有自己的特点。

 

  微生物是控制重点

 

  生物洁净技术控制对象应为室内空气生物污染因子,主要包括细菌、真菌、病毒、藻类、原虫、螨虫及其排泄物、微小植物残体、生物体有机成分等。其中,微生物体积很小,但其新陈代谢的能力很强,生长繁殖速度惊人。它们很容易在很短的时间内产生大量变异的后代。其适应能力极强,即使在极端环境条件下也能生存繁殖。微生物是活的粒子,无处不在,无时不有,只要条件合适就会产生大量生物污染因子,对人类始终存在危害风险。生物洁净技术控制重点是微生物,这也是它与普通空调或工业洁净技术最大差异所在。

 

  并非消灭所有微生物

 

  不同的应用场合微生物浓度控制要求也不同,并非一个微生物也不能有,应容许有一定的控制浓度。国标《空气质量标准》GB/T1883-2002规定,一般室内场所只需控制微生物总数低于2500CFU/立方米(CFU为菌落单位)。采用良好的通风完全可以达到这个标准,空调器内的部件与空气过滤网也只需清水擦洗,不必采用化学消毒或抗菌措施。而医院的消毒卫生标准GB15982-1995规定医院一般诊疗场所也只需控制500CFU/立方米以下,常规消毒就可以达到。传染病房即使生物安全实验室控制的主要对象也是致病菌。国外相关标准没有对送风提出净化处理或室内洁净度的要求。国内标准因为考虑到大气尘埃浓度较高,对于排(回)风口设置高效过滤器的场所,才要求对新风进行净化处理,以延长高效过滤器的寿命,但并非是指洁净无菌送风更有利于对室内致病菌控制。

 

  空气品质改善与医疗或生物实验场所经空气途径感染的控制是两个概念,控制手段与设施完全不同,大气杂菌大多是真菌,几乎没有致病菌,不能要求所有家用普通空调器都具有杀菌功能,而大多数抑菌措施均可以采用;只有对于处理高致病性病菌的生物安全实验室、隔离病房以及高度无菌的病房、洁净手术室等场所才采用特定的空调系统。

 

  截断空气污染途径应适度

 

  大部分致病微生物都可以通过气溶胶方式造成呼吸道感染。切断传播途径是控制空气途径传播有效手段。生物洁净技术主要是控制有害的生物气溶胶,解决空气途径的污染。它用过滤技术有效解决了消毒方法中难以解决的空气除菌问题,用气流技术使患者发菌尽快就地排走,靠压差控制技术切断空气途径传播,保护了环境与易感人群。

 

  对于绝大多数病菌来说,并不是一个病菌侵入机体就会引起相应的症状,而是致病菌在入侵途径上的数量累积到一定程度时,或者说必须达到足够的侵入数量,才会引起危害或感染、发病。如果切断空气途径传播要求不能渗漏一个病菌,这如同三级生物安全实验室,势必压差控制很大、要求很严,造价与运行费用难以承受。一般情况来说没有这个必要,因为微生物控制是个量级上的概念,也就是说,控制空气途径传播也要有个""

 

消除一次污染是关键

 

  虽然人们已经认识到了化学消毒灭菌的局限性,并开始借助工业洁净技术这一物理手段来控制微生物污染,并取得一定效果,但是其思路依然是将已经发生的病菌除掉。工业洁净室从来不会顾及沉积在系统或室内的没有生命的微粒(或称为一次污染),也没有考虑由此会发生微生物二次污染。事实上,微生物在不利环境中会长期的潜伏,一旦条件合适就会大量繁殖。

 

  生物洁净室常常湿负荷比较高,系统去湿量大,只要整个系统中存在一次污染就可导致长期持续的潜在风险。如果我们控制措施不力,就有可能使这种潜在风险显现出来,从而出现微生物的污染。

 

  目前生物净化所用的空调机大多采用普通空调机组增加空气过滤器等措施来控制生物污染。大量事实表明,单纯的净化除菌无法有效地控制生物污染,因为在普通空调系统中确实存在微生物定植、繁殖与传播这一关系链,空调箱和管道内表面、冷却去湿盘管、冷凝水盘与排水水封、加湿器及其存水容器、空气过滤器表面等地方均有可能促成致病菌的不断定植和繁殖。另外,引发生物污染的因子是不存在最小的控制粒径的,单靠过滤器难以防范。

 

  如果微生物在系统中(尤其在过滤器表面)繁殖产生的生物污染因子直接进入送风气流,不一定会形成生物粒子,这些微生物及其代谢物大多粒径很小,可被空调送风源源不断送到每间房间,形成了空调系统的二次污染。尽管近年来国内外相关标准都提高了末端空气过滤器的效率,但仍然不能保证除掉全部的微生物及其代谢物。由此可见,控制微生物污染的关键措施不是高效过滤器,而是不让微生物滋生,更不应等它发生后才考虑去除掉它。

 

  减少微生物污染负荷是根本

 

  暖通空调是一项耗能的环境控制手段,虽然确实具有对室内环境控制的有利作用,但同时还会产生许多负面影响。降低微生物污染负荷、减少暖通空调系统的容量,不仅能减少投资与降低运行费用,而且更是创造良好的室内环境的一条重要思路。

 

  勿对通风设备要求过高

 

  对于室内微生物环境控制,更应该重视降低生物污染负荷,消除或减少其传播可能性,这对有效降低或减轻空调控制空气途径传播的要求与范围至关重要。更合理平面布局与人流、物流设计可以最大程度降低生物负荷和相应风险,也可有效降低造价与运行费用。如果不强调减少微生物污染负荷,而要求通风空调机组全部承担杀灭致病菌和控制空气途径传播,是很不切合实际的,这需要更大风量、更高压差控制。这种情况下,通风空调机组有可能变成一个空气消毒器,源源不断将消毒后的空气送到整幢大楼的每个房间,不但其造价与运行费用难以承受,对环境控制也并非一件好事。所以,千万不要去要求用家用空调器应对各种传染性疾病的暴发以及生化袭击等突发公共卫生事件。

 

  节能与环保是永恒主题

 

  相对于普通空调来说,生物净化空调的耗能更多,因此降低生物污染负荷对于生物净化是一件事半功倍的有效措施。由于暖通空调工程师对控制对象不熟悉、要做好它并不易。因此一定要了解控制对象,强调根据控制的对象微生物的要求提出适用的暖通空调技术,切不要盲目提高要求,扩大功能与控制范围,否则相应付出的代价不堪负担。一个典型的案例就是,SARS疫情期间其病原体一开始被作为不明病毒处理,其控制参数与设施要求很高,后来明确SARS病毒主要是通过飞沫传播,相应控制要求马上就降下来。再后来又可以在充分除菌的基础上容许自循环,隔离病房的造价与运行费用就大幅度下降。

 

物理隔离有效减少负荷

 

  "物理隔离优先"也是生物净化中减少生物负荷额最有效设施之一,它是指用实体将污染源隔离。

 

  无菌病房保护对象是免疫低下的患者,对他人与环境是无害的,"污染"患者的是他人发菌与环境中空气浮游菌,采用的是Isolation(意即分开、脱离、隔绝)的措施。而像生物安全实验室、烈性呼吸道传染病隔离病房等场所的处理对象对他人与环境有害,强调采用Containment(意即限定、围堵、密闭)的措施,将有害微生物隔离在尽可能小的范围内。生物安全实验室规范要求将有害微生物一级隔离在生物安全工作台,还要求将主实验室作为二级隔离,也可理解为首先将有害微生物围堵在生物安全工作台,然后将主实验室作为第二道围堵。

GB50346-2004《生物安全实验室建筑技术规范》要求将高效过滤器设置在围护结构的排(回)风口上,其本意是要将污染范围限定在最小范围内,以防止进入系统(包括管路与机组)扩大了污染的范围。由于高效过滤器承担了阻止致病菌向外渗漏的重则,只要有一丝的渗漏,致病菌就有可能逸出,后果不堪设想。为了防止在长期运行过程中因高效过滤器表面密封条弹性降低或老化还要求定期测试,因此对排(回)风口内高效过滤器的检查泄漏要求特别高,需要留有较大的空间,以便人员进入检查泄漏。另外由于高效过滤器表面聚集了高致病性微生物,为防范更换时对维修人员的伤害,除了要求维修人员身穿防护服外,还要求将高效过滤器设置具有可"袋进袋出"结构的特殊排风装置,以防止维修人员直接接触高效过滤器。国外这种"袋进袋出"排风装置的结构特殊,很重、很大,无法直接安装在排风口,有些规范不得不容许将排风装置设置在管路中间。还要强调的是,在更换高效过滤器时先要将管路进行消毒。

 

  目前,国内已经开发出"动态气流密封负压排风装置",通过了鉴定并成功地用作三级生物安全实验室的排风口,理论、实验以及使用都证明,这种专利排风口在任何时候均不可能出现渗漏。如果在围护结构上采用这种排风口,将有害气溶胶围堵在主实验室内,管路与机组就不存在微生物污染,没有必要进行复杂消毒,只要强调在排风过滤器消毒与安全更换就行了。

 

  长期持续环保

 

  现代无菌室凸显优势

 

  生物洁净技术的出现使无菌室的建造突破了以往无法实现长期、持续、环保的有效控制的局面,从而使现代的无菌室显出了无以伦比的优势。

 

  原有无菌室多有不足

 

  过去的无菌室一直是采用密闭、消毒、低温、单室控制的手段,虽然室内的微生物浓度也许一时能够达标,但是由于不可能有效消毒室内空气、消除室内人员发菌、阻止室外空气的渗透,是无法维持无菌室长期、持续、有效的控制,尤其是高度无菌控制场所。为此不得不准备两间无菌房间,一间使用,另一间消毒待用,如使用房间微生物浓度偏高,马上转移到另一间待用房间,再去消毒原使用的房间,然后再转入待用。长期的化学消毒对人的皮肤、神经系统、胃肠道及呼吸道有一定的不良影响,甚至损伤患者的免疫系统;容易抑制正常菌群,破坏菌种平衡,并产生耐药菌株,还会造成环境的化学药物残留,因此不是一种可持续发展的技术。

 

  现代无菌室强调全程控制

 

  生物洁净技术提供了完全不同的四种措施,实现了现代无菌室:强调除菌控制保证送入洁净无菌的空气;强调气流控制稀释或排除人员发菌;压差控制消除了室外污染空气的渗漏;区域控制提供了一个综合保障的措施。

 

  现代无菌室与过去的无菌室的最大的区别在于对控制的认识与要求。比较以上两种思路,可见生物洁净技术改变了过去注重最终的无菌程度,或者通俗讲将微生物浓度达标看成是无菌室合格的惟一标准的看法,而将对最终结果的控制转变为对送风、室内污染、室外渗透等各个影响因子的控制,以及对全过程的控制,建立起一套动态保障体系,这样才能实现一种长期、持续、有效的控制。由于生物洁净技术靠过滤除菌、气流、压差等物理手段不会对人与环境任何危害,是一项环保技术。

三大措施确保长期控制

 

  要使环境长期、持续、有效的受控,还体现在对整个系统的控制,即除了对室内控制外还要求对区域控制、对空调系统的控制。只有消除系统所有存在的微生物污染的隐患或任何可能出现的风险,才能保证从根本上彻底消除微生物污染。

 

  系统发生微生物污染通常存在以下三个部分组成的关系链:存在微生物的积累;引发微生物的繁殖;使微生物从积存地散播给易感人群的传播途径。所以,要实施受控环境长期、持续、有效的控制,应该采用如下相应对策:阻止微生物进入机组或系统这是生物净化的一个重要原则,也是全过程控制的一个起点。而空气过滤器恰恰是阻止微生物进入系统的最有效措施。进入系统通常是两个口,新风口和回风口。人们更重视进入新风的品质,关注新风口的粗效过滤器,而事实上新风中几乎没有致病菌。因此,更应重视回风口过滤器的作用。国标《综合医院建筑设计规范》规定,在医院空调系统回风口应设置低阻中效空气过滤器,意在阻止致病菌进入系统。

消除微生物繁殖条件这并非指靠消毒杀死微生物,而是不让系统积尘、积水,不使用容易滋菌发霉的材料等来消除微生物生存的条件,并且对区域与系统采用综合措施。

 

  切断传播途径相关措施包括,在系统中设置空气过滤器;各功能区域独立分区,采用独立的系统;要注意各空调分区能互相封闭,避免停机时发生空气途径交*感染;有洁净度要求的房间、严重污染的房间、成为一个单独系统等。

 

  设计理念强调以人为本

 

  生物净化的对象或主体有其特殊性,往往会涉及到人。人有可能成为保护对象(如白血病患者),也可能成为污染源(如传染病患者)、或者两者均需保护(如有些生物实验)。因此,受控空间要特别强调控制措施的人性化设计。

 

  人性化设计有助于康复

 

  如果单就污染控制效果来说,无论哪种措施或气流组织均比不上密闭罩或大排风罩的控制效果,因为它能尽可能将污染源笼罩起来,但是这种措施如何用于患者呢?

 

  SARS疫情期间,有些工程技术人员采用体积很小的密闭式患者输送车,在病床上方设置排风罩,病床四周布置排风口,在患者头部后面设置吸风口对患者吹强风等。这些措施从控制效果讲也许是成功的,但从人性化设计角度看是失败的,不仅使患者极不舒适,而且深感歧视和敌对,从而影响患者的治疗与康复情绪。这些受控空间小、流速大、噪声高设施特别引起患者反感。同样,对于免疫力低下的患者不能只考虑关在所谓单向流的无菌空间,不顾及其居住感受,因为患者会感到受关闭、受制约。人的免疫系统或生理功能深受心理因素的影响,患者因此可能会难以康复。

 

  如果我们将隔离病房看作为一个放大的密闭罩,除了隔离效果外更应重视居住性。综观各国隔离病房标准都提出了居住条件与面积要求,突出了对患者基本生活的保障。

 

  注重人性化设计应是生物净化基本原则之一。生物净化千万不能单纯追求排污效率,造成患者反感,要充分考虑到患者的舒适要求以及医疗要求(如处置室和重症监护病房),体现对人的多重关怀。

积极强调社会责任

 

  生物洁净技术还将社会责任问题提高到一个非常高的位置,强调从建筑设施、科学研究与产品开发开始就考虑人与环境利益,不仅考虑到经济利益,更要强调到社会效益。

 

  社会责任大到空调通风系统控制与建筑设施,小致产品与措施。"抗菌"也是对生物净化工作者的社会责任的考验,它泛指防菌、抑菌与除菌的一切手段。其实室内通风或消除系统中凝水也是"抗菌"的物理方法,在空调系统中保持清洁干燥也许是最安全、最有效的手段。可以根据实际情况与要求采用抗菌产品,如没有特定的对象微生物,不宜添加抗菌措施或使用抗菌产品。

 

  积极支持与密切关注抗菌产品发展,同时慎重对待抗菌技术,采用性能良好的抗菌产品,也是工程技术人员的一种社会责任。使用抗菌产品应该符合以下要求:必须是无挥发性,对人体无害的,在目前我国没有相应标准的前提下,应采用通过相当于美国食品药品管理局(FDA)或美国环保局(EPA)认证的抗菌产品;具有广谱性,既能杀灭革兰氏阳性细菌也能杀灭革兰氏阴性细菌;必须是长期有效的,抗菌过滤器上抗菌药物的有效抗菌时间至少应大于过滤器的使用寿命;抗菌措施必须能彻底地杀灭细菌及其芽孢,不仅仅起到抑菌的效果;抗菌剂不会因发生潮解现象,不因湿度等外界环境的变化而出现抗菌性能不稳定的现象;联合作用避免细菌抗药性、赖药性的出现;化学性质稳定,对机组无腐蚀性作用,不会和机组壁板等发生化学反应;盘管表面的抗菌涂料的涂层要薄,导热系数要高,不能过大的影响盘管的换热效率,抗菌剂一经喷涂便能牢固地附着在部件的表面,不会因外力作用而振动脱落。

 

  在"减法"基础上做"加法"

 

  ---实施防抗结合的微生物污染控制

 

  所谓"减法"就是不采用易污染的空气处理装置,直接消除空调系统的污染隐患,而"加法"则是增加"净化"措施去消除空调系统所产生的污染。如今,生物洁净技术已从传统空调的提高热湿交换效率的设计思路转换到有效净化除菌上来,人们已经认识到传统空调系统存在着产生污染的隐患,那么我们控制污染的思路是做"减法"还是做"加法"

近年来,一系列静态和动态控制措施被采用,生物净化专用的空调机组被开发出来。如,不使用淋水式空气处理装置和水加湿器等,重视空调系统易清洁和干燥。有效防潮防湿思路应是湿度控制优先的观念,即优先考虑将系统中的水分尽快排除,避免水分的产生、飞扬、积存或局部形成高湿度。这些控制要求与措施已被GB503332002《医院洁净手术部建筑技术规范》和GB/T195692004《洁净手术室用空气调节机组》所采用。但是生物危害是多因子、多途径、随时随地发生的,而每一项净化技术都有其适用范围或特定场所,不可能覆盖所有领域。如,新风过滤器难免会受潮,回风中微生物也有可能进入空调机等等,要控制微生物污染既要有针对性措施又要强调采用综合技术。

 

  因此,还要求生物净化专用空调机在结构上便于消毒、清洗且停机后便于保持干燥、无积水。要求更高的场所已经在"减法"的基础上做"加法"。如采用抗菌过滤器、对盘管与凝水盘喷涂抗菌剂来消除表面微生物滋生问题。但是"加法"应选择合理、恰当的措施,因为每一项措施总有其局限性与负面影响,多重抗菌措施组合在一起未必一定更安全。目前有许多厂家一味做"加法"反而画蛇添足,还会增加造价与运行费用。

 

  由此可见,采用综合措施来实施全新的微生物污染控制概念,应在"减法"的基础上做些"加法"。将防菌与抗菌措施结合起来,将除菌的物理性能与杀菌的化学性能有机地结合在一起,将宏观的空气净化技术与微观的材料合成技术结合起来,为生物净化提供了一种切实可行的保障体系。

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