高等级生物安全实验室消毒灭菌关键技术与设备

摘要：高等级生物安全实验室主要研究和处理那些高度致病、传播途径不明或尚无有效治疗方法的微生物，但研究过程中必须确保实验人员和环境的安全，防止病原体泄漏。因此，做好高等级生物安全实验室的消毒灭菌工作至关重要。

而随着科技的进步和微生物学研究的深入，高等级生物安全实验室的消毒灭菌技术和设备也在不断发展和完善。本文就对现阶段高等级生物安全实验室消毒灭菌所使用的关键技术及相关设备进行研究分析，希望为消毒灭菌工作的开展提供助力。

关键词：高等级生物安全实验室；消毒灭菌；关键技术

    高等级生物安全实验室（如BSL-3、BSL-4）作为研究高致病性病原体的重要场所，对于疾病防控、疫苗开发、生物安全策略制定有着重要作用，既承担着科学探索的责任，也肩负着保护人类健康与生态平衡的重要使命。消毒灭菌是生物安全实验室管理中不可缺少的一个关键环节，有助于防止实验过程中发生交叉感染，保障实验人员安全。有效的消毒措施能够极大降低病毒、细菌等病原体的存活率，减少意外暴露的风险，从而为科学研究创造一个安全可控的环境。

一、高等级生物安全实验室消毒灭菌关键技术

（一）物理消毒法

1.高温灭菌

高温灭菌是实验室极为常用的消毒灭菌技术，可分为湿热灭菌与干热灭菌两种类型。压力蒸汽灭菌利用加压下的大量高温蒸汽进行杀菌，可摧毁微生物蛋白质结构，能够快速有效地使各类微生物灭活，包括细菌芽孢等顽固形态，是一种高效的生物去污手段。实际应用时，在0.1034MPa的压力条件下，容器内部可升温至121℃，并在此温度下持续30至60分钟，以确保所有类型的微生物被彻底清除[1]。为了确保灭菌成功，需注意两点：一是物料必须与蒸汽充分接触，二是避免空气残留，这两点对于达到无菌状态至关重要。压力蒸汽灭菌技术广泛应用于高等级生物安全实验室，可用于设备消毒，也能处理生物危险废弃物，展现出强大的灭菌效果，但需注意的是，该技术只能清除生物性污染，无法解决化学污染问题。

相比湿热法而言，干热灭菌需要更长时间或更高温度方能达到同等的灭菌效果，但也有自身独特的优势，在特定场景下发挥着重要作用，比如无需湿热条件或是材质不宜浸泡的情况下。干热灭菌技术主要应用于玻璃等非渗透性材质上，可使表面微生物灭活。常规的玻璃器皿干热灭菌一般在160℃至170℃之间，持续2至4小时[2]，这样就能确保大部分微生物被有效清除，但如果环境中存在浅层的有机或无机物质，由于这些物质会起到保温作用，干热的效果就会大打折扣。焚烧则是另一种高效的干热灭菌方式，尤其适合废弃物的终末灭菌与处理，不仅能销毁污染物，还适用于微生物培养过程中的接种针、接种环这类工具的瞬间灭菌，并具有操作简单快捷的优势，是局部灭菌的理想选择。

2.电离辐射灭菌

辐射灭菌技术利用辐射破坏病原体的生物学活性，达到消毒灭菌效果，其中电离辐射灭菌技术常用到γ射线、X射线等，拥有强大的能量，能够改变物质原子结构，尤其适用于小型实体、半实体或液态物体以及易受热或化学试剂损害的材料。例如，对于溶剂、塑料制科研器械或特殊生物样本，则适宜使用辐照灭菌方法，若采用其他灭菌方法会导致组织培养物等有机成分受损。电离辐照灭菌的效果好、效率高，但对于生物体具有较强的危害性，容易危害操作人员身体健康，因此通常并不作为实验室常规灭菌手段，通常只应用于部分特殊场景下。实施电离辐照时，需先将待处理物质安置于专门设计的屏蔽室内，随后将其暴露于特定时间内、预设剂量的γ射线下。这些高能射线源自钴-60等放射性元素，可穿过物质，借由电子的移动向分子传递强效能量，致使微生物生存机能遭受破坏[3]。判断γ射线灭菌成效的标准在于构建“致死曲线”，也就是“剂量响应曲线”，让病原体承受设定剂量的γ射线照射后，再观察培养情况评估存活率，以此验证微生物是否已被有效灭活。

3.非电离辐射灭菌

    紫外线消毒是常用的非电离辐射灭菌技术之一，利用UV-C波段（波长介于250至270纳米之间）对微生物DNA/RNA分子产生破坏作用，阻止其复制，进而达到杀菌效果。紫外线消毒可对空气、水源及表面覆盖的多数微生物产生强大灭杀效力，但其效果受光源强度、距离、照射时间等因素影响，同时尘埃、污垢或阴影的存在均能遮挡照射路径，削弱UV灯光的效能，因此需合理布置光源，确保所有待消毒物品充分接受足够剂量的辐射。在高等级生物安全实验室中，紫外线消毒技术常用于空气净化系统，或对实验室设备、台面进行表面消毒，可灭活空气中的悬浮微生物及器物表面附着的微生物和病原体，通常适用于日常清洁维护或突发状况下的紧急消毒。在处理普通废弃物时，也可采用UV光箱进行照射，预先杀灭可能存在的活性微生物，减少后续处理风险。在实际应用时需注意，UV光对固体障碍物穿透能力差，故只能作用于光线直射范围内物体表面，并且UV光对人体具有一定危害性，直接暴露于UV-C光下会对皮肤和眼睛造成伤害，使用时需严格遵守安全指南，避免直接照射。    

（二）化学消毒法

1.液体消毒剂

    采用化学药剂对非生物对象进行消毒灭菌是实验室常用的消毒手段，其效果受到多种因素影响，包括目标微生物的类型与量、环境中的有机物含量、待消毒物质属性以及化学品的接触时限、作业温度和溶液浓度等。例如，过氧化氢溶液在3%～6%浓度时，达到中、高水平消毒效果，当浓度达到6%～30%时，具有灭菌效果；甲醛溶液在1%～8%浓度时，具有中、低水平消毒效果，浓度达到6%～8%时，达到灭菌效果[4]。没有任何一款液体消毒剂能在所有情况下对全部活体病原体展现一致的效力。为了提升效率，需评估化学制剂在非生物界面上的不同活性表现，精准选用最适合当前需求的消毒方案及其配比。在生物安全实验室环境中，化学溶液主要用于对防水材质制成的固体物件进行表面清洁消毒，当采用恰当浓度时，也可用作液态废弃物在排放至污水系统前的初步处理措施。此外，液体消毒剂也用于化学淋浴系统中，身着正压装束的研究员在退出BSL-4等级区域前，须经历化学淋浴程序，借此对外部防护装备实现有效消毒。实验室消毒后的废液则通过排水设施流入特设的废水净化系统接受进一步处理。在实验室日常运作中，所选用的液体消毒剂需经过有效性验证，确保其能够对抗目标生物体，以保障消毒流程的安全可靠。

2.气体消毒剂

除了采用液体化学药剂进行消毒灭菌，高等级生物安全实验室也常采用气溶胶、蒸汽或气体形式的化学药剂，在特定温湿环境下的封闭系统中，蒸汽与气体消毒剂能够展现出强大的灭菌效果，常用于对实验室空间、仪器设备进行消毒灭菌，尤其适用于生物安全柜、动物饲养区及相关设施；不宜浸润消毒的大型固置设备；对传统消毒手段敏感的精密或光学器械；房间、建筑及其关联的空气循环系统等。在具体操作时，需要对消毒气体设置一定的压力、温度和湿度，使其均匀散布于目标区域，确保全方位覆盖，继而与空气中的微生物充分反应，达到破坏细胞结构、抑制生长繁殖的效果。气体消毒剂能够填充整个密闭空间，全面净化空间内所有区域，尤其是那些难于直触的隐蔽处，如设备背面或复杂部件间隙。当前，汽化过氧化氢已成为众多高等级生物安全实验室优选的消毒灭菌手段之一，因其高效性与安全性获得了广泛认可。

二、高等级生物安全实验室消毒灭菌常用设备    

（一）压力蒸汽灭菌器

压力蒸汽灭菌器属于湿热灭菌技术，是生物安全实验室必备的消毒灭菌设备之一，而高等级生物安全实验室对压力蒸汽灭菌器的功能具有更高的要求。高等级生物安全实验室的蒸汽灭菌器需内置安全保障架构，采用双门设计，并配备互锁机制，一扇门敞开时，另一扇门会自动锁定，确保任意时刻仅有一扇门处于开启状态，形成物理隔离屏障，确保物品从污染区经由灭菌器过渡到洁净区，阻止微生物跨区传播，而未经充分灭菌的废弃物严禁通过该双门系统直接移出实验室。双门设计可减少双门同时开放导致的空气交换，有助于维系各室之间稳定的气流差，并且两个门的互锁采用机械结构，无论遇到电力中断还是水源供应问题，其安全性依旧得到维持。在运行时，除非双门皆已确认关紧，否则灭菌循环不会启动。

蒸汽灭菌器嵌入两室隔墙之中，其外壳与实验室墙体接缝处必须严密封闭。为满足高等级生物安全需求，此类专用灭菌器装配有生物密封组件，一般采用钢质或不锈钢板材，四周经连续焊接加固，壁体内所有管路接口，无论是电缆还是管道，均需采用防渗设计，确保整体结构无泄隙，严防空气泄露，有效隔绝危险区（封闭实验室方）与安全区（非封闭实验室方）。蒸汽灭菌器采取“被动式”密封原理，通过门框闭合时对密封垫施加压力实现紧密贴合，而非借助空气或蒸汽压力辅助。门密封圈一般采用固态硅橡胶材质，标准厚度不低于6.35mm[5]。在排放蒸汽灭菌器产生的废气与废水至外界前，必须实施封闭、过滤或净化措施，比如在灭菌器内部，即其工作舱室中安装超高效HEPA过滤器，或在灭菌器舱室外另置超高效HEPA过滤器，作为二级防护层，进一步拦截可能逃逸的微生物。

（二）气体消毒系统

    气体消毒技术在高等级生物安全实验室消毒灭菌工作中具有独特的优势，根据相关法律法规要求，BSL-3和BSL-4级别实验室在遭遇意外泄漏事件或例行检修之后，务必采取可信有效的全室消毒措施。当前，用于生物安全实验室空气净化的主要气体消毒剂包括甲醛、气体二氧化氯（GCD）以及汽化过氧化氢（VHP）。相较于甲醛与GCD，VHP以其更低的毒性、非致癌性及环保特质，逐渐成为高级别实验室首选的消毒媒介，特别适用于空间及大规模设备的消毒灭菌。目前，市场中过氧化氢蒸汽生成器供应商主要是英国BIOQUELL与美国STERIS两家公司。以STERIS公司的VHP 1000-ARD系统为例，该装置运用35%浓度的过氧化氢溶液开展消毒作业，整个去污进程分为干燥、调节、去污、通风四个步骤，先利用内置的吸湿系统降低房间湿度，然后将过氧化氢溶液蒸发后的气体释放入房内，快速达到所需浓度，并持续补充汽化过氧化氢，确保有效抑制微生物生存。消毒灭菌完成后，停止注入汽化过氧化氢，启动换气机制，排除残余气体。近年来，国内企业也积极研发适用于生物安全实验室的便携式VHP消毒装置，并在特定领域得到一定应用。

（三）污水处理系统

    污水处理系统是高等级生物安全实验室必备的基础设施，用于处理实验室各类废水及生物防护区域内产生的污水，对污水进行严格灭活处理，以消除潜在的病原体威胁。污水处理系统主要采用化学消毒灭菌技术或高温消毒灭菌技术，大部分高等级生物安全实验室采用后者，利用热量与压力作用，将污水中的有害微生物彻底灭活。例如，BSL-4实验室某一专用区域设有不锈钢清洗池及浮水槽，专供常规实验室作业中生成的净化溶液回收。这些容器与污水处理系统相连，其下方安置三个容积达5.685吨的液体处理罐，罐体装备蒸汽加热外套，能迅速提升内室至适宜的灭菌温度，执行预设的消毒程序。待循环完毕，处理后的液体经过降温，再送入pH调节系统作最终处置。污水热处理装置主要包括两种类型：序批式污水热处理系统与连续流式污水热处理系统，其主要区别在于前者先收集存储废水，而后进行集中处理；后者则是即时收集即时处理，流水线般不间断地处理污水，避免了中间环节的等待与累积。两种设备各有特点，前者适合于处理批次性的大容量废水，有利于管理与调度；后者则适用于持续产生小流量废水的情况，强调即时性和效率。两者均能有效地保障实验室废水中的病原体得到有效控制，符合生物安全管理规定，但应用场合略有不同，应根据实际需求灵活选用。

三、结语

   强化消毒灭菌的安全有效性对于保证高等级生物安全实验室运作安全极为重要。我国在高等级生物安全实验室，尤其是BSL-4实验室建设方面的起步相对较晚，许多技术、设备发展还不够成熟，迫切需要在这一领域深化研究，攻克关键技术难题，激发自主创新动力，以提升我们在消毒灭菌技术上的熟练度与创新能力，加速技术进步与产品优化，打破长期依赖外国技术与设备的局面。

文章来源：《产品可靠性报告》   https://www.zzqklm.com/w/kj/32519.html