气密性生物安全实验室压差控制技术与策略研究

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作者：

张宗兴

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摘要：

近年来,烈性传染病的一再爆发,新型病原体的不断出现,致使包括我国在内的世界各国开始加紧建设高等级生物安全实验室.高等级生物安全实验室是从事高致病性病原微生物检测和科学研究的重要技术平台,同时也是保护实验室工作人员不被感染,外界环境不受污染的防护屏障.气密性生物安全实验室(包括ABSL-3,ABSL-4及BSL-4)是生物安全级别最高的防护实验室,所操作的病原微生物通常能引起人或动物的严重疾病,并且有极强的传染性,对感染一般没有有效的预防和治疗措施.研究显示,生物安全实验室许多常规实验操作都会产生危害性生物气溶胶,若随空气扩散至周围环境,将引发重大公共卫生事件. 通常防止实验室内病原微生物向外界扩散的基本原理是隔离,具体隔离方式为机械密封隔离和空气负压隔离.机械密封隔离是指用密封可靠的围护结构将传染性生物因子的操作环境与外环境相隔离,为实验室的静态防护;负压隔离是指通过控制相对污染区空气压力与相对清洁区空气压力的相对负压值,实现空气定向流动,从而可有效防止被病原微生物污染的空气向污染概率低的区域及外环境扩散,为实验室的动态防护. BSL-4实验室对实验室围护结构气密性和压差控制都有严格的要求,但由于国内缺乏相关的研究平台,致使关于气密性生物安全实验室的机械密封隔离及负压隔离的研究较少.国内生物安全四级实验室正处在设计和建设阶段,迫切需要此方面的技术予以支持,因此有必要开展气密性生物安全实验室隔离技术的系统研究.本课题以国家生物防护装备工程技术研究中心气密性符合BSL-4实验室要求的微环境实验室为实验对象,并以空气负压控制为研究重点,开展了气密性生物安全实验室防护隔离技术的理论分析和实验研究. 首先,开展了气密性实验室围护结构空气渗透特性的研究.根据实验测试和数据拟合建立了气密性实验室所特有的空气渗透特性方程,其流动指数b的取值其值接近1,与一般洁净室有较大区别,说明此类气密性房间缝隙内的气流流动更接近层流.根据确立的空气渗透特性方程所建立的压差衰减模型计算结果与实验室实测压差衰减结果具有很好的一致性,证明了所建立的压差衰减模型可以准确地评估实验室在不同压差情况下的空气泄漏率,为气密性实验室的压差控制提供了理论基础. 通过对兰州兽医研究所大动物饲养室围护结构进行密封工艺改造,经实验测试,该实验室气密性可达到BSL-4实验室的标准要求.由此说明,通过加强围护结构密封工艺,选用合适的气密防护设备,我国高等级生物安全实验室围护结构的气密性指标能够达到GB19489-2008规定的要求. BSL-4实验室的围护结构漏风量极低,致使送,排风量的微量变化即可引起气密性实验室压差剧烈波动,这一特性直接决定了压差控制方式及控制装置的选择.通过建立实验室压差控制数学模型,分析了房间围护结构气密性以及管路工况对压差控制的影响;同时,经过研究可以确定,气密性实验室的压差控制并不是通过控制送风量与排风量的差值来实现的,而是通过改变风量调节阀的阻抗实现的. 通过对定风量控制方式进行理论分析和实验研究,结果表明,无论使用何种风量调节阀进行定风量控制,均难以适用于气密性生物安全实验室的压差控制.因此,气密性实验室的压差控制必须采用变风量闭环控制方式,而闭环控制算法在较大程度上决定了控制效果. 通过对气密性生物安全实验室压差控制原理进行分析,使用MATLAB模拟软件中的Simulink工具建立了变风量压差闭环控制的数学模型.通过仿真实验,分别研究了常规PID的三个参数Kp,Ki,Kd对压差的控制作用,并分析了压差传感器延时及风量调节阀运行速度对压差控制的影响,为进行优化闭环控制提供了数据基础. 由于常规PID只能通过一组参数对压差进行调节,难以保证同时具有良好稳定性及快速响应性,为此开展了智能模糊PID控制算法的研究.建立了以压差的偏差e与偏差变化率ec为输入量,以PID三个控制参数为输出量的模糊PID控制模型,其可通过实时监控压差运行参数,根据压差运行情况依据所建立的模糊规则在线整定PID的控制参数.仿真结果表明,模糊PID控制使压差控制系统在具有良好稳定性的同时,进一步提高了响应性及抗扰动性能,相比常规PID控制,其更适合于气密性实验室的压差控制. 为验证常规PID控制与模糊PID控制的实际控制效果,开展了气密性实验室压差闭环控制的实验研究.通过建立微环境实验室的压差闭环控制系统,以常规PID控制为基础,实现了基于PLC的模糊PID压差控制.实验结果表明,模糊PID控制具有更好的稳定性和鲁棒性,其控制品质明显高于传统的常规PID控制性能指标. 实验室在正常运行时会出现各种扰动,为了更好地应对扰动,开展了抗扰动控制研究.在智能控制基础上,通过对扰动进行识别分类,建立了压差扰动诊断系统,并采用混合控制策略主动应对扰动.经实验证明,该控制策略可有效控制较大扰动所产生的不利影响,保证压差平稳过渡,在很大程度上提高实验室压差的稳定性. 开展了人为附加漏风控制的技术策略研究.经实验研究,在不降低气密性实验室静态防护性能前提下,该控制策略不但可有效降低气密性实验室对风量波动的敏感性,同时可有效降低开关门对气密性实验室压差的干扰,并可保证开门的定向流.在气密性生物安全实验室的压差控制方面具有重要的实际应用价值,值得进一步探索和完善. 同时,研究了双调节阀粗精控制技术,即采用一大一小两支变风量调节阀进行组合控制,经过实验研究表明,该控制技术确实可以降低气密性实验室正常运行时压差的波动,适用于风量需求高的实验室.但是,在实际应用时,该控制技术需要解决双阀门如何配合调节的问题. 综上所述,本课题对气密性生物安全实验室的压差控制进行了系统理论分析与实验研究,其研究成果将为我国气密性生物安全实验室的生物安全建设提供技术参考,填补国内在气密性实验室压差控制研究方面的空白.

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关键词：

生物安全实验室 围护结构 气密性 压差控制 模糊PID

学位级别：

博士

学位年度：

2013

DOI：

10.7666/d.D357981

被引量：

3