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酒量大的乒乓球
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Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi. 2017 Oct; 34(5): 778–783.
Chinese. doi: 10.7507/1001-5515.201609005
PMCID: PMC9935465
PMID: 29761966

Language: Chinese | English

用于浮游菌研究的微环境实验箱系统的研制

Development of a microenvironment test chamber for airborne microbe research

宁波 詹 , 1, 2 锋 陈 , 1 耀华 杜 , 1 智 程 , 1 辰宇 李 , 1 金龙 吴 , 1 and 太虎 吴 1, *

宁波 詹

军事医学科学院 卫生装备研究所（天津 300161）, Institute of Medical Equipment, Academy of Military Medical Sciences, Tianjin 300161, P.R.China 解放军第三〇二医院 医学工程科（北京 100039）, Medical Engineering Department, 302 Military Hospital, Beijing 100039, P.R.China

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锋 陈

军事医学科学院 卫生装备研究所（天津 300161）, Institute of Medical Equipment, Academy of Military Medical Sciences, Tianjin 300161, P.R.China

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耀华 杜

军事医学科学院 卫生装备研究所（天津 300161）, Institute of Medical Equipment, Academy of Military Medical Sciences, Tianjin 300161, P.R.China

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辰宇 李

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金龙 吴

军事医学科学院 卫生装备研究所（天津 300161）, Institute of Medical Equipment, Academy of Military Medical Sciences, Tianjin 300161, P.R.China

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太虎 吴

军事医学科学院 卫生装备研究所（天津 300161）, Institute of Medical Equipment, Academy of Military Medical Sciences, Tianjin 300161, P.R.China 军事医学科学院 卫生装备研究所（天津 300161）, Institute of Medical Equipment, Academy of Military Medical Sciences, Tianjin 300161, P.R.China 解放军第三〇二医院 医学工程科（北京 100039）, Medical Engineering Department, 302 Military Hospital, Beijing 100039, P.R.China

吴太虎，Email： moc.361@01090601951

Keywords: 浮游菌, 微环境, 实验箱

Abstract

One of the most important environmental cleanliness indicators is airborne microbe. However, the particularity of clean operating environment and controlled experimental environment often leads to the limitation of the airborne microbe research. This paper designed and implemented a microenvironment test chamber for airborne microbe research in normal test conditions. Numerical simulation by Fluent showed that airborne microbes were evenly dispersed in the upper part of test chamber, and had a bottom-up concentration growth distribution. According to the simulation results, the verification experiment was carried out by selecting 5 sampling points in different space positions in the test chamber. Experimental results showed that average particle concentrations of all sampling points reached 10 7 counts/m 3 after 5 minutes’ distributing of Staphylococcus aureus , and all sampling points showed the accordant mapping of concentration distribution. The concentration of airborne microbe in the upper chamber was slightly higher than that in the middle chamber, and that was also slightly higher than that in the bottom chamber. It is consistent with the results of numerical simulation, and it proves that the system can be well used for airborne microbe research.

Keywords: airborne microbe, microenvironment, test chamber

引言

浮游菌（airborne microbe）是指悬浮在空气中的，可通过培养基在适宜的生长条件下繁殖到可见菌落数的活性微生物粒子 [ 1 ] 。流行病学研究表明，医院手术室、重症监护病房（intensive care unit，ICU）等各类洁净环境的浮游菌浓度与患者感染率呈正相关 [ 2 - 3 ] 。浮游菌的发生、存活、限制扩散、快速检测和分布评价等研究已成为国内外研究的热点 [ 4 ] 。

洁净环境下直接对浮游菌进行研究存在两方面的问题：一是容易对正常的作业活动造成干扰；二是存在携带污染。研究表明洁净环境下人员活动会造成浮游菌浓度显著升高 [ 5 ] 。因此，在对浮游菌进行研究时往往需要建立独立的受控实验环境。美国环保局（Environmental Protection Agency，EPA）在进行相关研究时建造了庞大的闭环风洞系统（20 m×14 m×1.5 m） [ 6 ] ，拜耳（Bayer HealthCare）则借助了美军 Dugway 试验场 150 m 3 的微生物密闭舱完成测试 [ 7 ] 。鉴于在常规实验室中达成这些实验条件比较困难，本研究研制了一个浮游菌微环境密闭实验箱系统，可用于对浮游菌的发生、存活自净、采样检测和分布特性进行研究 [ 8 - 9 ] 。实验箱内湿度可调，可模拟不同湿度条件下的浮游菌生存环境，同时箱内保持一定负压，避免浮游菌外泄污染工作环境。

1. 微环境实验箱系统的设计

1.1. 整体设计

浮游菌微环境实验箱系统包括空压机、冷干机、空气过滤器、发生器、二氧化氯消毒装置、三通阀、加热仓、稀释气流量控制器以及浮游菌实验箱等功能单元。其装置原理示意图如 图 1 所示。

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Schematic diagram of microenvironment test chamber for airborne microbe research

浮游菌微环境实验箱系统原理示意图

各功能模块通过封闭的气流管路进行物理连接，系统发生装置以空压机作为气流动力输出，首先经过冷干机去除气源当中的液态水成分，然后经由空气过滤器滤除气流中包含的微小固态杂质，空压机、冷干机以及空气过滤器共同组成发生装置的气源外网，为发生过程提供洁净稳定的气流。

在此之后气流分为两部分。一部分气流以恒定流速经过发生器，对发生器中装盛的悬浊菌液进行分散发生，并在分散发生后通过干燥仓去除其表面包覆的大量水分；另一部分气流则作为稀释气对发生后的浮游菌样本进行稀释，稀释流量通过稀释气流量控制器进行控制，进而实现对进入实验箱中浮游菌浓度的动态控制。两路气流在加热仓的后级管路中汇聚混合，最终以样本气流中裹挟固相气溶胶的形式进入浮游菌实验箱。

1.2. 实验箱设计

实验箱作为浮游菌样本制备的终端，是基于生物安全柜原理的有效改造，主要功用是实现对浮游菌的动态储存和防护隔离，见 图 2 。控制过程中通过压力传感器检测实验箱内的压力，使箱内保持负压状态，以免浮游菌向外泄漏。实验箱设计使用模式共有 4 种：样本注入模式、样本混匀模式、样本采集模式和箱体自净模式。

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Schematic design of test chamber

实验箱设计原理图

样本注入模式下发生装置处于产生浮游菌样本状态，实验箱处于接收样本状态。在该模式下，样本入口和呼吸口开启，样本通过入口进入箱体内部，并通过呼吸口在箱体内维持一定的负压，呼吸口外接空气过滤器防止浮游菌溢出。此时，混匀风扇处于工作状态，防止浮游菌沉降积聚在箱体底部。

发生过程结束后，样本混匀模式通过一定时间的气流搅拌使浮游菌在箱体内部分布均匀。在该模式下，样本入口和呼吸口同时关闭，依靠混匀风扇作为气流动力源。箱内通过湿度传感器实时检测并控制加湿器调节湿度，20%～95%RH 范围内可调。

样本采集模式通常用来对浮游菌相关的采集或是监测装置进行参数标定和性能评价。由于此类装置的进样原理不同，样本采集模式存在两种使用方法：一种是在发生浮游菌样本前将待测试设备置于箱体内部多孔过滤板上，当进入采集模式后通过外部遥控或手套窗进行操作；另一种使用方法是将待测设备连备用接口并打开呼吸口，在箱体外完成采集操作。

箱体自净模式指当测试结束后，箱体通过内部气体自循环的方式完成净化。在该模式下，样本入口和呼吸口关闭，混匀风扇、紫外线消毒灯和高效过滤机组开启。此时内部气流按 图 2 中内循环方向所示以高效过滤机组和混匀风扇作为动力源，以过滤净化和紫外线消毒完成仓体内部环境的自净。

1.3. 洗消和自净过程设计

1.3.1 生物洗消旁路　实验中浮游菌种类繁多，特性各异，为避免在多次测试过程中的交叉干扰，同时防止气流管路被生物污染，系统中设计了生物洗消旁路实现封闭气路的洗消。生物洗消旁路包括洗消气体发生器和三通阀。当测试结束后，将三通阀选通到洗消旁路，洗消气体发生器发生的洗消气体流经样本气流管路，达到洗消管路的目的。在本系统中，洗消气体发生器选用的是便携式二氧化氯消毒装置，其反应生成方式如式（1）所示。二氧化氯具有极强的杀菌能力（杀菌能力是氯气的 5 倍、次氯酸钠的 50 倍），能够对浮游菌发生过程中所流经的气流管路进行充分的洗消 [ 10 - 11 ] 。而且生成二氧化氯的反应生成物均对人体无害，洗消之后只需将三通阀切换到主气路，将洁净空气通入管路中即可排出残余在管路中的洗消气体。

自净时长是影响相关实验效率的重要因素，假设理想的自净时间小于 1 min，那么根据式（6）可计算得到风机过滤机组流量应大于 0.23 m 3 /s。根据以上实验结论，设计选择流量为 900 m 3 /h（0.25 m 3 /s）高效过滤机组，利用式（5）绘出自净效率 S （ t ） / S 关于自净时间 t 的变化曲线，见 图 3 。

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Purification efficiency curve

自净效率曲线

由 图 3 可以看出，10 s 的自净时间就可以保证 90% 以上的净化率，而当自净时间延长到 100 s 时，粒子的残留率甚至会小于百亿分之一，即便是在最严苛的浮游菌背景下该效率值也可以满足自净需要。另外，由于风机过滤机组安装在箱体顶部，而回风孔在底部位置，因此在自净过程中箱内浮游菌浓度是沿垂直向上方向渐增的，也就是说微分方程（3）中的浓度表达式 S / V 比实际值略小，因此在实践过程中实际的自净效率会略高于上述计算得到的理论值。

2. 数值模拟与实验研究

2.1. 实验箱模型数值模拟

轴流风扇具有流量大、压头低等特点，被广泛应用于多种需要进行气体通风、搅拌的场合，能够满足实验箱内浮游菌混匀分布的功能要求。本研究中在气箱底部安装 4 个轴流方向垂直向上的混匀风扇，使用 ANSYS 公司的计算流体力学软件 Fluent 对浮游菌分布状况进行数值模拟 [ 12 ] 。根据实验箱的工程设计参数在 ICEM 中建立结构模型，采用四面体网格进行网格划分，设置计算域和检查网格质量。将实验箱网格模型导入至 Fluent，基于压力基模型对网格文件进行有限元分析。设置箱内流体介质为固定物性的常温空气 [1.29 kg/m 3 ，1.789 4×10 –5 kg/(m·s)]，根据实验箱底部 4 个轴流风机工作压力编辑为 intake-fan 边界条件（跳跃压力 1 000 Pa），过滤板定义为 Y 轴方向孔隙率 0.8 的多孔介质，箱壁设置为粗糙高度 0.03、粗糙常数 0.5 的壁面，设置迭代残差为 10 –5 对实验模型进行迭代运算。仿真结果如 图 4 、 图 5 所示。

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Trajectory of air in the test chamber

箱内气流轨迹

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Airflow velocity vector in the chamber

箱内气流速度矢量

对箱内流动轨迹（见 图 4 ）加以分析，气流从箱内底部逐步上升，随着高度增加其速度逐步减小，最终为 0.20～0.70 m/s。对箱内流动速度矢量（见 图 5 ）进行分析，箱底部浮游菌会随着风扇作用旋转上升，在 X 轴和 Z 轴方向速度为 3.00～5.00 m/s， Y 轴方向速度为 8.00～9.00 m/s；在实验箱中部， X 轴和 Z 轴方向速度下降至 1.30～2.00 m/s， Y 轴方向呈现出在 X-Z 平面上两边高中间低的趋势，两侧速度为 3.00～4.00 m/s，中间大部分速度在 0.60～1.33 m/s；在实验箱顶部 X 轴、 Y 轴、 Z 轴方向矢量均在 0.60～1.33 m/s。由此可知箱内中上部气流速度较为一致，浮游菌能够呈现出较好的悬浮状态。同时由于底部风扇的新风效应，箱内浮游菌浓度分布会略有差异，具体表现为上部>中部>底部。因此，选择实验箱内 A（上）、B（下）、C（前）、D（后）和 E（中）共 5 个测量点（见 图 2 ），对浮游菌分布进行实验验证。

2.2. 箱内浮游菌分布实验验证

2.2.1 实验材料与设备　浮游菌微环境实验箱系统，金黄色葡萄球菌（浓度数量级为 10 7 cfu/mL）悬浊液（ Staphylococcus aureus ，天津武警后勤学院），日本 Kanomax-3910 光散射式粒子计数器，可调节支架。

2.2.2 方法　① 实验箱内选择 A、B、C、D、E 等 5 个点位；② 完成系统自净 2 min；③ 启动粒子计数器对各点位进行独立计数，每次 1 min，测量 3 次取平均；④ 发菌工作 5 min；⑤ 重复步骤 ③；⑥ 完成统计分析。

2.2.3 实验结果　各采样点在系统自净后和发菌后平均粒子计数见 表 1 。自净 2 min 后，各采样点平均粒子计数均在 10 以内，说明自净后实验箱内粒子数极少，是较为理想的浮游菌实验微环境。发菌 5 min 后，各采样点平均粒子浓度均达到了 10 7 个/m 3 数量级，箱内浓度分布表现为上部略大于中部（A>E），中部略大于下部（E>B），且中部基本持平（C、D、E），基本上空间各点位粒子分布仍比较一致，细微分布差异或许由底部 4 个轴流混匀风扇导致。实验结果与数值模拟结果较为一致，表明实验箱系统能够提供较为一致的浮游菌分布。

表 1

Average particle counts of each sampling point after puri-fication and distribution (count/m 3 )

各采样点自净后和发菌后平均粒子计数（个/m 3 ）

采样点位 自净后 发菌后
A 5.7 2.60×10 7
B 0 2.41×10 7
C 3.0 2.55×10 7
D 3.7 2.48×10 7
E 5.3 2.52×10 7

3. 结论

浮游菌是衡量环境洁净度的一项重要指标，作业环境与实验环境的特殊性往往导致浮游菌的研究比较受限。在常规实验条件下进行浮游菌研究时，往往需要一个微型、密闭的环境，一方面用于模拟有洁净度要求的浮游菌存在环境，另一方面用于避免浮游菌外泄，确保工作环境生物安全。本研究设计并实现了一种用于浮游菌研究的微环境实验箱系统，除具备生物防护功能外，数值模拟及实验验证均证明了该系统能够提供浮游菌粒子分布较为一致的实验环境。目前所研制的样机已用于 50 余次实验研究，包括常见浮游菌的发生、不同温度下存活率、传统采样培养和生物粒子荧光计数等，与国内外其他同类研究得到了较为一致的实验结果 [ 7 , 13 ] ，证明了该系统能够较好地用于浮游菌研究。

References

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