PCR实验室设计-成果

PCR实验室，又称基因扩增实验室，是专门用来检验艾滋病、乙型肝炎、禽疫病等病毒感染性疾病的专用特殊实验室，广泛应用于医院及各疾病预防控制中心的疫病检验。本书第5章已经对PCR实验室的工艺要求进行了详细介绍。典型的PCR实验室主要由四个功能分区构成，即试剂储存和准备区、标本制备区、扩增区、产物分析区，如图9-8所示。试剂储存和准备区面积为19m2，压力要求15Pa;标本制备区面积为16m2，压力要求为-15Pa;扩增区面积为19m2，压力要求为-25Pa;产物分析区面积为19m2，压力要求为-35Pa。试剂储存和准备区采用正压缓冲室，缓冲室压力要求为5Pa;其他区域采用负压缓冲室，缓冲室压力要求为-5Pa。

图9-8　PCR实验室平面

典型的组合型PCR实验室的实验室功能分区之间联系紧密，通常采用一套空调通风系统串联起不同的功能分区，其成功设计的核心在于对交叉感染的控制，功能布局及压差梯度控制则是实现感染控制的关键。有关功能布局的问题在前面章节已经进行了相关讨论，本章将重点针对其压力控制的实现进行送、排风量的具体计算，其他类似实验室也可做参考。

1.人流物流设置

人流物流设置上相对独立，避免交叉感染，整个实验区设置一条专用走廊，各功能分区通过传递窗单向沟通，做到人、物分流。

人流:人员通过缓冲室分别进入各自实验区，互不影响。

物流:准备区→样本制备区→扩增区→产物分析区。单向物品传递系统既保证了标本试剂不受污染，又保证了标本试剂不污染环境。

2.空调负荷

PCR实验室的热湿负荷主要包括围护结构的冷热负荷、人员的热湿负荷、新风的热湿负荷以及室内照明设备的冷热负荷。一般PCR实验室并没有严格的洁净度控制要求，但因控制其压力梯度对围护结构的严密性要求较高，通常采用洁净实验室的室内装饰要求对PCR实验室进行处理，因此其围护结构负荷的计算与洁净实验室基本一致。此外，由于不同功能分区交叉感染控制的要求，PCR实验室一般采用全新风直流空调系统，因此其空调负荷主要为新风负荷。此外，实验室不同功能分区的设备配置各异，尤其是标本制备区一般需要设置2~8℃冰箱、-20℃或-80℃冰箱、高速离心机、水浴箱、生物安全柜等，设备散热量较大且有局部排风设施，因此该分区空调负荷指标最大，在设计时应给予足够重视。

3.风量计算

PCR实验室送风量的大小应满足人员最小新风量要求以及空调负荷需求，同时送风风量不宜小于12次/h。各房间送风量计算如下。

产物分析(负压):Q=16×2.6×12=499.2≈500(m3/h)

产物扩增(负压):Q=16×2.6×12=499.2≈500(m3/h)

样本制备(负压):Q=16×2.6×12=499.2≈500(m3/h)

试剂准备(正压):Q=19×2.6×12=592.8≈600(m3/h)

维持室内外压差的风量，可用通过门缝隙渗透的空气量计算:

Q=3721.5fΔp0.5

门尺寸为0.9m×2.1m;门缝宽度按照0.003m计;门缝隙面积为2×(0.9+2.1)×0.003=0.018(m2)。计算各分区维持压力梯度的渗透风量如下(数据进行圆整):

产物分析(负压):Q=3721.5×0.018×300.5=366.9≈400(m3/h)

产物扩增(负压):Q=3721.5×0.018×200.5=299.6≈300(m3/h)

样本制备(负压):Q=3721.5×0.018×100.5=211.8≈250(m3/h)

试剂准备(正压):Q=3721.5×0.018×100.5=211.8≈250(m3/h)

样本制备室设有全排型生安柜，优化控制流程，除保持室内压力梯度的排风口外，增加全室排风(排风量为1800m3/h)与生安柜进行连锁控制，生安柜开启时，全室排风口控制风阀连锁其关闭，生安柜未启用时，全室排风口按1800m3/h运行。采用这样的控制方式，新风送风量始终设置为1550m3/h，可在满足实验工艺要求的前提下，减少一台生安柜专用新风机组的初投资，且容易保证室内不出现逆压差。

根据保持压差的漏风量与送风量计算各房间排风量如下。

产物分析(负压):Q=900m3/h;

产物扩增(负压):Q=800m3/h;

样本制备(负压):Q=1550m3/h;

试剂准备(正压):Q=450m3/h。

各功能区送风量与排风量如下。

产物分析(负压):Q送=500m3/h，Q排=900m3/h;

产物扩增(负压):Q送=500m3/h，Q排=800m3/h;

样本制备(负压):Q送=1550m3/h，Q排=1800m3/h;(www.xing528.com)

试剂准备(正压):Q送=600m3/h，Q排=450m3/h。

为保持压差，对应缓冲间的送风量如下。

产物分析缓冲:Q送=350m3/h，Q排=100m3/h;

产物扩增缓冲:Q送250m3/h，Q排=100m3/h;

样本制备缓冲:Q送=200m3/h，Q排=100m3/h;

试剂准备缓冲:Q送=100m3/h，Q排=200m3/h。

公共走廊的送风量为800m3/h，公共走廊至各缓冲室的渗透风量之和为300m3/h，排风量为500m3/h。

因此，空调通风系统的总排风量为4950m3/h，总送风量为4850m3/h。

需要注意的是，以上是根据缝隙渗透送风计算的理论值，在实际工程应用中，考虑到围护结构施工的误差，需留有一定的富裕量，建议同时设置送风及排风系统，以便于后期调试。

4.系统平面布置

空调系统至少应设置“初效+中效”两级空气过滤，中效空气过滤器宜设置在空气处理机组的正压段。由于是全新风空调系统，表冷器前宜设置一道保护用的中效空气过滤器。有些PCR实验室按十万级净化实验室进行设计，此时应设置“初效+中效+高效”三级过滤。

空调系统采用上送下回的气流组织方式，送风口均匀布置且远离局部排风设施(如生安柜等)。送风系统的平面布置如图9-9所示。

图9-9　PCR实验室送风系统平面

下排风口一般距地不低于0.1m，排风口风速不宜过大，一般控制在1m/s左右。排风系统平面布置如图9-10所示。

图9-10　PCR实验室排风系统平面

5.系统控制原理

系统控制原理如图9-11所示。

图9-11　PCR实验室控制原理

(1)监测

房间内设置温度、湿度、压力传感器。监测空调机组送、排风的空气温度、湿度计压力参数;监测所有空调通风系统送、排风设备的运行状态;空气过滤器均设有超压报警装置(粗效空气过滤器压差大于100Pa时报警，中效空气过滤器压差大于160Pa时报警)。

(2)温、湿度控制

空调机组采用两管制，机组内设立独立盘管，冷源为7~12℃的冷水，室内湿度采用串级控制模式，即以排风相对湿度传感器实测值重置表冷器下游空气的露点温度设定值，控制调节表冷器的电动两通调节阀，实现对露点温度的控制。根据排风温度的实测值调节空调机组内的电再热，对室内温度进行控制。

(3)压力控制

送风管道设置定风量阀，保证各功能分区送风量恒定不变。排风管设置变风量阀，根据各房间及上级区域的压差调节排风量，保证房间的压力梯度。送风机及排风机设置变频器，根据总送风管、排风管的压力传感器控制空调送风机、排风机的频率，满足风量调节要求。

(4)连锁控制

全新风直流空调系统的送风机与排风机连锁，排风机先启后停，生安柜的排风最先开启，最后停机。

(5)电加热

电加热要求无风断电、超温断电保护装置，电加热器的金属风管要有接地设施。