CN101053851A - 改进的生物安全柜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一款改进的生物安全柜，该生物安全柜具有微电脑控制系统来监控进气气流、沉降气流和排出气流；操作间具有创造性的性能包线，在操作间的污染区都处于负压或被负压包围的情况下，可以始终保持操作间的空气的洁净，这样可以确保在进行微生物实验时不受到感染。生物安全柜的改进的净化消毒和其他安全措施也有提及。

Description

改进的生物安全柜

技术领域

本发明涉及实验室洁净设备，特别涉及一款改进的二级生物安全柜。

背景技术

生物安全柜是装备有高效微粒气流过滤器(下简称为HEPA过滤器)的实验室洁净设备。这些生物安全柜通常用于实验室微生物的分析和研究。生物安全柜可以保护实验室操作者避免受到微生物感染。大多数的生物安全柜也可以保护样品/产品避免被室内空气中所携带的微生物所污染，通常简称为产品的保护。例如，美国专利号6368206B1就描述了一款A2型二级生物安全柜的性能。

A2型二级生物安全柜是前部开口的密封设备。实验室操作者可以从前部开口处把手伸进工作区进行微生物实验。通过前窗开口处向内流动的气流即进气气流可以使操作者避免受到安全柜内微生物的感染。洁净向下流动的层流气流即沉降气流可以保护安全柜内的产品/样品的安全。工作区的气流不断得到净化和补充以避免微生物污染物扩散到其他区域，即通常所说的防止交叉感染的保护。安全柜内的进气气流、沉降气流和工作区不断净化的气流由风机所推动。安全柜内微生物的过滤是由HEPA过滤器来完成的。下面是对安全柜的详细地描述。

二级生物安全柜的工作区是由侧壁、后壁、底部的工作台和顶部的HEPA过滤器密封形成。前部有一个由滑动式窗户调节的开口处(下简称为前窗)。

当进行微生物实验时，前窗开口处应设定额定的开口高度。如果前窗的开口过大，进气气流流速过低，操作者的安全就会受到威胁。如果前窗的开口过小，进气气流流速过高可能导致湍流引起工作区内产品/样品的污染，另外操作者手臂的可接触范围和灵活性就会受到限制，从而阻碍工作的效率和安全。

当没有进行微生物实验时，可以向上移动前窗以便于清洁安全柜的工作区或将大型设备移进移出安全柜。为了保护操作者避免受到紫外线的辐射，当安全柜内的紫外灯被开启时，前窗必须安全关闭。

进气气流：室内的气流通过前窗的开口处进入工作台上的进气隔栅。根据安全柜的设计结构，进气气流最远只流动到前部进气隔栅，并不进入工作区以避免产品受到污染。

回流通道：进气气流通过工作台下的回流通道与从背部隔栅进入的沉降气流相遇。这股混合的负压气流(低于外部气压)穿过安全柜后部回流通道，在进入风扇口之前围绕着风扇罩流动。

风扇/风机罩：风扇罩内的风机在风机罩内产生正压(高于外部气压)，推动气流流动通过HEPA滤器来捕获微生物污染物。风扇罩是安全柜内最危险的区域，因为风扇罩内的气流已经受到污染并处于正压的环境中。但是，风扇罩被风扇吸力所产生的负压所包围着。因此如果风扇罩有些泄漏，污染物将会被负压吸回到风扇罩内，并不会流动到实验室内。

HEPA过滤排放气流：风扇罩内大约35％的气流通过捕获污染物颗粒的排气HEPA滤器排到实验室外部，因此防止其进入到实验室环境中。因为大部分的气流存留了下来，排放的气流由从前部开口处进入的气流补充，从而保护操作者的安全。

HEPA过滤沉降气流：风扇罩内剩余的65％的气流通过沉降HEPA滤器产生一股单向气流，这股气流在工作区内不断的循环以保护产品的安全。在靠近工作区界面处，沉降气流将会分流，被风扇产生的负压推向前部气流隔栅和背部气流隔栅，从而不断的清除工作区内的污染物。流向前部气流隔栅的沉降气流混入进气气流，产生一股阻止污染物从安全柜前部开口处流出的气流屏障，同时也阻止外部污染物流动到工作区内。为确保这种气流屏障的双重功能，要求进气气流和沉降气流保持适当的平衡。一个气流不平衡的安全柜会使得操作者和产品都失去保护。

HEPA滤器对于0.3微米直径的固体颗粒的截留率至少达到99.99％，所以适合用于截留安全柜内的病毒、细菌。一款更先进的滤器是ULPA滤器(Ultra Low Penetration Air，超低渗透空气)。ULPA滤器对于0.12微米直径的固体颗粒至少达到99.999％的截留率，因此可以提供比HEPA过滤器更高的保护性。

下面根据上述的说明，通过分析生物安全柜如何运转说明前期的生物安全柜的不足之处，证明安全柜尚有改进和提高的空间。

气流流动

1.进气隔栅(1)-搁手架

生物安全柜的前部进气隔栅产生进气气流和沉降气流混合形成的气流屏障，来保护操作者和产品的安全。大多数的前期生物安全柜采用平面的进气隔栅，气流容易被操作者的手臂所阻挡，因此降低了对操作者和产品保护的有效性。在更严重的情况下，隔栅气流堵塞会使得保护失效。

美国专利号：6368206B1提出的安全柜采用辐射式上下滑动隔栅，这种隔栅为操作者提供了舒适的放手臂的地方，并防止操作者将物品放置在隔栅上阻挡进气气流。当隔栅的大部分气流被操作者的手臂所阻挡时，安置在前部主隔栅区的一排二级气流槽将有助于保持进气气流的稳定。然而这种设计并不完全有效的，因为当使用者将手臂放到弧度的拱上，一部分的进气隔栅已经被阻挡，因此降低洁净的效率。所以需要设计一款更优化的进气隔栅来防止气流的堵塞，同时提高操作者工作时手臂的舒适性。

2.弓形(2)-进气隔栅

除了操作者的手臂有可能阻挡进气隔栅外，如果操作者顺手将物品放置在进气隔栅的顶部也有可能阻挡进气气流。前期的生物安全柜配置的或者是平面的进气隔栅或者是无搁手架弓形进气隔栅。平面的进气隔栅无法防止使用者顺手将物品放置在上面，同样无搁手架弓形进气隔栅将无法阻止操作者顺手放置到上面的物品的滑落。所需要的是托盘式进气隔栅既可以防止使用者阻挡前部气流，也可以防止顺手放置到上面的物品的滑落。

3.倾斜的过滤器

安全柜前部倾斜的设计理念在于降低操作者受到安装在实验室顶部的灯的反射的影响，以防止用针做高精确度试验时发生危险的事故。视线受到阻挡有可能致使操作者用针头自我注射，已经有多位实验室科学家被感染的针头所杀死。然而，如上所述倾斜的前窗也可以导致窗后的沉降气流减弱.在这个至关重要的区域中，减弱的沉降气流可以使污染物直接扩散到操作者的呼吸区，这是相当危险的情况。早期的一些前部倾斜的生物安全柜装备的是倾斜的沉降过滤器或者安装的是与倾斜的分流器相连接的水平安置的沉降过滤器。没有分流器的沉降滤器不太可能产生均匀的沉降气流，容易引起交叉感染。同倾斜的分流器相连接的水平安置的沉降滤器将会把沉降气流引导至前部，但后部的沉降气流将会减弱，可能引起交叉感染。在安装沉降过滤器和分流器时需要确保整个工作区沉降气流的均匀，包括前部区域和后部区域。

净化消毒

1.抗菌涂层

为了更换HEPA过滤器或者替换风机，技术服务人员打开被污染区之前需要对生物安全柜进行福尔马林净化消毒。即使是操作正确，福尔马林净化消毒只是可以减少安全柜内有害微生物的数量，大致范围是100,000到1,000,000，但不能完全杀死所有的微生物。事实上，通常只有10,000到100,000的微生物被杀死。小数量的偶然溢出将会释放成百上千万的微生物，经过几年之后，数以十亿的或数以兆亿的微生物也许会聚集在生物安全柜的污染区内。由于福尔马林净化消毒效果的有限性，当技术服务人员接触污染区时仍然有可能受到感染。因此，需要通过抑制微生物在污染区的生长将微生物的数量降至最少。

2.自动净化消毒

技术服务人员打开安全柜内被污染区之前要求利用福尔马林进行熏蒸、净化消毒，例如更换HEPA滤器/替换风机。在福尔马林熏蒸处理过程中，当福尔马林溶液的25％，50％，75％，100％被蒸发时，操作者需要分阶段的将风机打开30秒至一分钟的时间。这是需要手动定时打开安全柜风机的技术服务人员最厌烦的事情。福尔马林蒸汽是致癌物质，吸入高浓缩的福尔马林可以导致昏厥甚至死亡，所以在达到有效接触6小时之后(10小时的效果更好)，福尔马林需要用氨水进行中和。在用福尔马林进行熏蒸净化消毒期间，实验室需要空置出来以防止福尔马林从安全柜密封处泄漏致使人意外暴露于福尔马林蒸汽中。考虑到在长时间的接触时间里实验室必须被空置，技术服务人员通常是在下午五点左右开始进行熏蒸。福尔马林的接触时间是6-10个小时，因此技术服务人员需要在晚上11:00-凌晨3:00左右返回到实验室打开氨熏蒸器并且在氨水的25％，50％，75％，100％被蒸发时，将安全柜的风机开启大约30秒到一分钟。因此需要装配有福尔马林熏蒸器的一体化生物安全柜，当福尔马林溶液和氨水的25％，50％，75％，100％被蒸发时，安全柜的风机可以按时自动启动。

3.紫外灯的位置

具有杀菌力的紫外灯通常是在安全柜内使用，有助于杀死实验结束时安全柜工作区内的微生物。紫外灯对于操作者或实验室内靠近安全柜工作的人是有害的，因为它可以导致皮肤癌和眼部发炎。当紫外灯被激活时，使用者不应该在安全柜内继续工作，而且必须完全关闭上下滑动的前窗以防止紫外线的辐射伤害到实验室里的人。上下滑动的前窗通常可以吸收紫外线，并将紫外线的强度降低至零，和玻璃外所测的紫外线强度一样。

前期的生物安全柜通常没有上下滑动前窗的互锁系统。上下滑动前窗的互锁系统是当前窗被全面向下拉动后才激活紫外灯，在前窗向上滑动时自动关闭紫外灯，这样可以防止使用者受到高强度紫外线的辐射。

典型的前期生物安全柜的紫外灯是安置在后壁，侧壁或是工作界面上可移动的支架上。这并不是一种安全的设计构造，因为实验室内的人仍旧会不留神的注视到紫外灯的强光，从而引起眼部发炎，即使是滑动式前窗将紫外灯辐射波的强度降至零，从窗外看到的紫外灯的强光也是不能忍受的。

玻璃

双层贴膜防爆玻璃-从背部清洁

滑动式前窗的背部区域必须用消毒剂定期清洁以防止污染物的生成。由于设计上的局限，使用者要完全地清除滑动式前窗的背部区域是相当困难的，特别是玻璃中部到顶部的区域。

如果前窗被拉下来，从前部开口处将手伸进安全柜内清洁轧制前窗的背部，手并不能触及到那个区域。另外，玻璃的一部分通常向上延伸出工作区，使得这个区域也非常难于清洁。因此，需要一种可以清洁上下拉动的前窗背部的装置。

微电脑控制系统

前期的生物安全柜通常采用简单的开关来启动风机和照明设备，没有任何气流传感器及警报器，或简单的微电脑控制系统来监控和显示安全柜的气流流速及向使用者发出危险警报。这种生物安全柜的缺点是没有可以正确监控气流流速及控制其它至关重要的操作参数的先进的一体化的微电脑控制系统，因此无法让使用者确信安全柜是否在安全线内运转。

1.联网

许多的生物安全柜被安装在生物安全3级水平的实验室。假定整个实验室将会被污染，因此操作者必须在进入实验室之前穿上正确的防护服，并且在离开实验室之前必须进行熏蒸净化消毒例如通过化学物质指示器的检测。这一程序是单调乏味的，如果操作者只想对实验柜进行简单的操作，例如关闭备用端口。因此人们所需要的是可以连接到大厦计算机系统的生物安全柜，这样可以对安全柜进行遥控操作，例如开启/关闭风机、照明设备、备用端口，及在远离受污染的实验室的地方监控安全柜的气流状况。

2.多个的沉降传感器

安装在一些生物安全柜中的传感器用于监控沉降气流风速。这种传感器只测量低于沉降HEPA/ULPA过滤器一点的气流风速。这一点的指示值与多点测量的平均沉降指示值是相关的。平均沉降气流指示值通常为24点或更高，并且这一点的指示值有可能体现24点的平均指示值。这种相关性在安全柜使用多年以后会变得更加不准确，并且在沉降过滤器上会含有不均匀的微粒负载物。尽管平均沉降指示值很低，由于在靠近传感器的过滤区域被灰尘堵塞的情况不是很严重的话，所以在那个区域的指示值仍旧很高，因此需要多个沉降传感器。

3.气流传感器和过滤器压力补偿传感器

安全柜的进气气流保护操作者的安全，而沉降气流保护产品的安全。当安全柜的进气气流和沉降气流在一个称为安全柜性能包线的特定区域里时，安全柜可以为操作者和产品提供安全性保护，这种性能包线是由生产商制造的。安全柜的进气气流的风速和沉降气流的风速可以在短期或长期内改变，从而影响安全柜的保护性能。

a.短期：大厦电源电压的变化。当白天大厦所有的机械设备都运转时，电源电压降低，夜间则增高。发动机的速度取决于速度控制器提供的输出电压。当大厦电源电压降低时，常规速度控制器产生的电压输出减少，因此安全柜的进气气流和沉降气流减少。所以，需要一种速度自动控制系统来保持发动机供给电压持续不变不管大厦内电源电压增加或降低。

b.长期：过滤器负载量。经过一段时间，由于HEPA/ULPA过滤器所吸附的灰尘/微粒等负载物的不断增加，生物安全柜的HEPA/ULPA过滤器的气压将逐渐下降。如果发动机电压没有增加，进气气流和沉降气流将减少，并且将危及产品和操作者的安全。

自动的速度控制器单独工作不能补偿过滤器的负载量所引起的压力下降，并且压力传感器系统可以监测由于大厦电压暂时/间断性的波动所造成的过滤器负载功能不能良好工作的情况下过滤器压力下降的变化。因此在大厦电源电压变化和过滤器量过多时。需要一体化的补偿系统来自动增加发动机电压，

4.紫外线强度传感器

紫外灯必须在工作台上产生的紫外线强度为40微瓦/cm²，以便于对安全柜进行充分的消毒。经过一段时期，紫外灯将会被耗损，其强度也将降低。紫外线强度的测量并不是生物安全柜年度检测的必检项。由于考虑到成本因素，大多数专业的检测者没有可以证实紫外线强度的紫外强度测量计。由于前期的生物安全柜没有安装内置的紫外强度传感器，检测者通常也没有紫外强度测量计，因此没有办法确定紫外灯所发出的强度是否充足。由此可见，在生物安全柜内需要装配有内置的紫外灯强度测量计。

发明内容

本发明的目的在于提供一款改进的生物安全柜，以克服现有生物安全柜的上述不足之处。本发明的生物安全柜包括：位于低保护工作室顶部的全金属外框的上罩；在上罩内密封有排气和沉降ULPA过滤器和风机，提供和排出工作室内的气流；上罩有一个前部面板；工作室三侧密封，只有一个可以进入工作室内的工作区进行微生物实验的前部开口处；滑动式玻璃窗拥有两侧金属侧框，前窗可以上下移动，至少可以部分关闭；一个微电脑控制和警报系统。具体而言，本发明的生物安全柜具有以下改进之处：

微电脑控制系统的改进之处

1.联网

此项发明的生物安全柜装配有RS 232或RS 485端口以便于连接到一台可以控制安全柜基本功能的中央计算机上，例如开启/关闭风机，照明设备，紫外灯及备用电源插座。为了确保安全柜使用者的安全，这种遥控性能可以被安全柜上手动控制面板轻松的调节或忽略。

2.多个沉降气流传感器

此项发明的生物安全柜装配有多个沉降气流传感器来探测和利用多处的沉降气流风速向使用者提供更加准确地沉降气流风速值，如同微处理控制板上显示的一样。

3.集成电压和过滤器压力补偿传感器

生物安全柜配有集成的风机电压补偿系统，可以根据大厦电源电压的变化和过滤器负载量自动增加发动机电压。

4.紫外线强度测量计

此款生物安全柜装备有内置的紫外灯强度测量计，因此使用者可以知道紫外线的强度是否充足。

气流流动的改进之处

1.升高的搁手架

根据人体工程学设计的升高的搁手架为操作者在工作时提供了舒适地放置手臂的地方，并防止进气隔栅被手臂阻挡。

2.凸形的进气隔栅

凸形的进气隔栅可以防止使用者将物品放到进气隔栅的顶部。升高的搁手架安装在凸形的进气隔栅的前部.搁手架将防止放在凸形的进气隔栅上的物品的滑落。

3.带有水平匀流网的倾斜的过滤器

向前倾斜的沉降气流过滤器将气流推向安全柜的前部，在这里最需要前部气流屏障来保护操作者和产品的安全，水平的匀流网将气流平均扩散，在整个工作区形成均匀的沉降气流，包括由于这种前倾斜式的沉降气流过滤器，防止后部区域的气流太弱。

净化消毒效率的提高

1.抗菌涂层

抗菌涂层是以银离子粉末的形式涂抹于安全柜的外部和内部，抑制有害微生物的生长，有利于保护在福尔马林熏蒸消毒之后更换风机过滤器的技术服务人员的安全。

2.紫外灯的位置

紫外灯被安装在工作室的上边缘处，被荧光灯面板所防护，阻止使用者直接注视紫外灯的强光。

3.自动净化消毒

生物安全柜有电线端口可以连接到福尔马林和氨水熏蒸器模块，以便于安全柜的风机根据设计的时间和周期自动开启，在熏蒸周期里福尔马林和氨水熏蒸循环。

4.玻璃的清洁度

生物安全柜的设计理念是上下拉动的前窗的排液槽的前部可以轻而易举的移开，所以上下拉动的前窗的玻璃可以被拉起来以便使用者清洁玻璃的背部。

附图说明

为了更好的了解此项发明的特色及使用者的预期目标，下面参照附图和具体实施方式进一步阐述本发明的生物安全柜及其工作原理。

图1是本发明的生物安全柜的正面和一侧的三维效果图。

图2是本发明的生物安全柜的顶视图。

图3是本发明的生物安全柜的正视图。

图4是本发明的生物安全柜的气流流动模式图。

图5是从安全柜内部观看升高的搁手架和弓形进气隔栅的效果图。

图6是前部进气隔栅的效果图。

图7是装备有一体化前部隔栅的单片工作台分别从前、后、左、右以45°角凹进工作区里的示意图。

图8是从前部开口处观看的背部回流隔栅的效果图。

图9是侧壁移开后安全柜的内部结构图。

图10是展示了倾斜的沉降气流过滤器和直线型分流器的气流流动情况的，图9的二维放大效果图。

图11是安全柜的前盖被移走后，安全柜内风机罩区域的示意图。

图12是使安全柜和福尔马林及氨水熏蒸器相通的连接端口的位置示意图。

图13是显示如何移开上下拉动的前窗的排液槽盖以便于使用者拉起前窗，清洁其背部区域的示意图。

图14是显示安全柜侧后部及使安全柜连接到网络上的RS 232/RS 485端口的位置的示意图。

图15展示了安全柜的性能包线，灰色区域是进气气流和沉降气流混合的区域。正如微生物检测所证实的一样，这个区域保护操作者和产品的安全。

图16是移去前面板之后，安装在安全柜内壁后部的多个沉降传感器的效果图。

图17是安全柜内部侧面效果图。

图18是展示了电源插座、压力传感器、紫外线传感器和微电脑控制面板的位置的，图17的二维放大效果图。

具体实施方式

图1、2、3提供了此项发明的生物安全柜的外部效果图。

图4描述了生物安全柜的工作原理。现讨论的生物安全柜是前部开口，其他三侧密封。操作者可以通过前部开口处将手伸进工作区在工作界面区/工作台1进行微生物试验。工作界面区/工作台1是由内部左壁2，内部后壁3和内部右壁4密封形成。前部有一个由上下滑动式前窗5调节的开口处。在进行微生物实验时，前部前窗的开口处应设定在一个指定的高度。为了便于清洁安全柜的工作区或将大型的设备移进移出安全柜，当没有做微生物实验时前窗可以被向上移动。为了避免操作者受到紫外线的辐射，当生物安全柜内的紫外灯6被激活时，前部开口处必须完全封闭。

在安全柜内，从前部开口处向内流动的气流可以保护操作者不受到微生物的感染，这股气流简称为进气气流7。一股下沉的洁净的层状气流-简称为沉降气流8保护安全柜内的产品/样品的安全。防止交叉感染通常是指工作区内的气流持续不断的得到更新和净化以防止微生物污染物从一个区域扩散到其他的区域。安全柜内的进气气流、沉降气流和工作区不断得到净化的气流是由电动风机/风扇来推动的。

以下描述的是生物安全柜内的气流流动情况：

进气气流：室内的气流从前部前窗的开口处流进工作平台上的前部进气隔栅10里。根据安全柜的设计理念，为了避免产品受到污染，进气气流并不进入工作区而只流动到前部的气流隔栅。

气流回流通道：进气气流通过工作台底下的气流回流通道与从背部隔栅11进入的沉降气流相遇。这股混合的气流在进入风扇入口9之前处于负压环境中(低于环境气压)，流过后部气流柱12，循环于风扇罩内。

风扇/风机罩：风扇罩内的风扇在风机罩内13产生正压(高于环境气压)，通过HEPA/ULPA过滤器推动气流捕获微生物污染物。风扇罩是安全柜内最危险的区域，因为风扇罩内的气流已经受到污染并处于正压环境中。然而，风扇罩被风扇吸力所产生的负压所包围着。因此，如果风扇罩有一些泄漏，污染物会被负压吸回到风扇罩内，并不会扩散动到实验室里

HEPA过滤排放气流：风扇罩内大约35％的气流通过捕获污染物颗粒的排气HEPA滤器14排到实验室外部，从而防止其进入到实验室环境中。因为大部分的气流存留了下来，排放的气流被从前部开口处进入7的气流补充，从而保护操作者的安全。

HEPA过滤沉降气流：风扇罩内剩余的65％的气流通过沉降HEPA滤器15产生一股单向气流，这股无克里的气流不断的充满的工作区以保护产品的安全。在靠近工作区界面处，沉降气流将会分流，被风扇产生的负压推向前部气流隔栅和背部气流隔栅，因此不断的清除工作区内的污染物。流向前部气流隔栅的沉降气流将与进气气流相遇，产生一股阻止污染物从安全柜前部开口处流出的气流屏障，并且同时也阻止外部污染物流动到工作区内。为确保这种气流幕罩的双重功能，要求进气气流和沉降气流保持适当的平衡。一个气流不平衡的安全柜会使得操作者和产品都失去保护。

HEPA滤器对于0.3微米直径的固体颗粒的截留率至少达到99.99％，所以适合用于截留安全柜内的病毒、细菌。一款更先进的滤器是ULPA滤器(Ultra Low Penetration Air，超低渗透空气)。ULPA滤器对于0.12微米直径的固体颗粒至少达到99.999％的截留率，因此提供比HEPA过滤更高的保护性能。

气流流动的改进之处

1.升高的搁手架

此项发明的目标是在安全柜的前部开口处下方设计一个进气隔栅和搁手架以确保气流隔栅在日常使用中不会被阻挡(因此影响安全柜前部的气流，可能致使操作者失去安全保护性。)，从而使得操作者可以最大限度的接触工作区，同时保持安全保护性的最大化。前期的生物安全柜在前部工作区主要采用平面的进气隔栅，在日常使用中，进气气流易于被水平放在气流隔栅上部的手臂所阻挡。请参见图5和图6。此项发明主张从安全柜的前部下方延伸出一个搁手架16来支撑气流隔栅17A&17B上方的操作者的手臂，因此确保操作者的手臂不会阻挡气流隔栅，使安全柜失去保护。进一步来讲，升高的搁手架通过前部前窗的下边缘和工作区之间的最大垂直距离使得操作者最大限度的接触工作区。然而，由于搁手架被升高了，前部前窗的下边缘和工作区之间的垂直距离所设定的接触距离大于工作区前孔的实际开口(垂直距离是指工作界面上方的搁手架和前部滑动式前窗的下边缘的距离)。由于工作区的前部开口被最小化，操作者的安全性将会提高。因为小的前部开口使得污染物质不易从工作区的内部扩散到外部环境中，同时使得操作者可以舒适地最大限度的接触工作区。

2.凸形的进气隔栅和凹入的工作界面区

请参见图5、图6、图7和图8。凸形的进气隔栅17A&17B可以防止使用者将物品放到进气隔栅的顶部。安装在凸形的进气隔栅前部的升高的搁手架可以阻止物品从凸形的进气隔栅上滑落。倾斜的凹形的工作区进一步降低了进气隔栅被阻挡的可能性。由于工作区的凹入是相对于工作台20的后边缘而言的，使用者同样不可以将物品放得太靠近背部气流隔栅以防止阻挡后部的气流。

3.安装有水平保护网的倾斜的过滤器

请参见图9和图10，前部区域最需要增加沉降气流来形成前部气流幕罩，从而防止内部的污染物扩散出来或防止外部污染物侵入。倾斜的沉降气流过滤器22或侧壁23放大的二维效果图(图10)将气流引入前部开口处24，从而减少前侧死角不流通的气流。沉降保护网25是安装在过滤器底部的一块直径为3mm孔洞和孔距为5mm的铝板。沉降保护网将气流分散于它的界面，然后垂直下沉，形成层状均匀的垂直气流，从而防止工作区28前部26和后部27死角有不流通的气流。倾斜的过滤器和水平保护网的结合使用减少了死角不流通的气流，确保沉降气流的最大偏移度低于20％。早期的安全柜宣称沉降气流的均匀度是20％，甚至更低，并将沉降气流区分为倾斜工作台的前部、中部和后部。

净化消毒的改进之处

1.抗菌涂层

此项发明的生物安全柜采用抗菌粉末涂层(商业上称之为Biocote)最大限度的降低微生物的污染，涂层表面抑制微生物的生长。Biocote表面抗菌涂层的有效成分是银离子。银离子对于抵抗大部分的微生物极其有效，并且对于非目标性微生物具有低毒性。银离子可以结合到微生物的细胞里，影响其生长代谢功能，从而抑制潜伏的有害细菌、霉菌和真菌的生长。

经过测试，此项发明的生物安全柜的抗菌涂层可以有效抑制以下细菌：

.金黄色葡萄球菌(包括MRSA)

.大肠杆菌

.单核细胞增生性李斯特菌

.粪链球菌

.沙门氏菌

.黑曲霉菌

抗微生物粉末涂层可以被用于安全柜的电镀铁板和铝板的表面。Biocote表面抗菌涂层的有效性可以延续产品的整个生命周期，不会被洗刷掉或净化掉。用于安全柜外部的抗菌涂层可以有助于保护使用者避免受到在日常工作中释放的或意外溢到安全柜表面的微生物的侵害。

请参见图11。用于安全柜内部的抗菌涂层有助于保护技术服务人员在提供技术支持时的安全，例如更换排放过滤器29、沉降过滤器30、风机31或者接近污染区32。在接近所有受到污染的内部区域之前，安全柜必须进行福尔马林的熏蒸净化消毒，但福尔马林净化消毒只可以降低安全柜内有害微生物的数量，大致范围是100,000到1,000,000，并不能完全杀死所有的微生物。事实上，通常只有10,000到100,000的微生物被杀死。小数量微生物的意外溢出将释放出成百上千万的微生物，几年之后，数以十亿的或数以百亿的微生物也许会聚集到生物安全柜的污染区内。由于福尔马林净化消毒效果的有限性，当技术服务人员接进污染区时仍然有可能受到感染，因此抗菌涂层可以提供进一步的保护，避免受到没有被福尔马林蒸汽杀死的微生物所污染。

为了防止工作区生锈及提高污染物经常外溢区域的清洁度，安全柜的排气盖，内壁和特别是工作界面通常是由不锈钢制成而不是电镀钢。不锈钢不是粉末涂层，因为那样将失去使用不锈钢的效果。与粉末涂层的表面相比，不锈钢平滑的表面更加易于清洁。为了避免使用者在进行实验时感染微生物，此项发明的安全柜采用的不锈钢是可以抑制微生物生长的抗菌不锈钢。

2.紫外灯的位置

图10展示了紫外灯33的位置。它位于工作柜的上边缘处，由荧光灯面板防护。紫外灯被安装在远离操作者视线的地方以防止其强光伤害到使用者的眼睛。紫外灯需要正确的定位以确保紫外线可以辐射整个工作区，包括后壁，工作台和滑动式前窗的背部。前期的一些生物安全柜单体紫外灯装备，安装在工作台顶部的支架上。当操作者进行实验时，将紫外灯拉进工作台，紫外线不能辐射到侧壁的中部和顶部，后壁和整个前窗。尽管此项发明的生物安全柜紫外灯的位置离工作台更远了一点，但在工作界面上所测的紫外灯的强度仍然是工作界面上要求的最低紫外强度的三倍，因此确保工作台自动净化消毒的有效性。

为了进一步避免使用者受到紫外灯的辐射，此项发明的生物安全柜使用传感器和滑动式玻璃前窗上的开关来控制紫外线的强度。传感器和滑动式玻璃前窗上的开关与微电脑控制系统和警报系统相连接，在紫外灯激活之前，滑动式前窗必须完全关闭。当滑动式前窗稍微升起时，紫外灯将会被自动关闭。进一步来说，此款生物安全柜采用的是磁力开关，开关上没有可移动的部件，从而不像前期安全柜使用的开关一样易于磨损。

3.自动净化消毒

在技术服务人员可以打开安全柜的污染区之前，需要用福尔马林蒸汽进行净化消毒，例如更换HEPA/ULPA过滤器或更换风扇。在福尔马林熏蒸周期里，生物安全柜的风机需要被打开一小段时间来循环福尔马林。如果福尔马林没有被均匀分散于污染区，净化消毒的效果将不能达到从100,000到1,000,000的微生物杀死率，那么在污染区被打开之后技术服务人员的安全还会受到威胁。

图12展示了带有电线接口35的生物安全柜连接到可选择的福尔马林和氨水熏蒸器模块，因此在福尔马林熏蒸过程中，熏蒸器可以向微电脑控制系统发送定时打开风机的信号，即当安全柜内分别有25％，50％，75％，100％的福尔马林蒸汽循环时，定时打开风机约30秒～1分钟的时间。风机运转的时间取决于安全柜的体积，也就说对于体积大的安全柜，风机将需要更长的运转时间。如果风机运转的时间过短，福尔马林将不会被均匀分布。如果风机运转的时间过长，福尔马林净化消毒的有效性将会降低。

这种自动的特性将使得技术服务人员不必追踪手动定时打开安全柜风机的时间，同样也可以确保福尔马林的均匀分散保护技术服务人员的安全，也可以预防技术人员万一忘记打开风机或者打开时间不够长或过长。

福尔马林蒸汽含有致癌物质，具有致命性的危害，所以在有效接触6小时之后(10小时效果更好)，福尔马林需要被完全清除。如果放置安全柜的实验室没有用于排出福尔马林蒸汽的外接管道系统，福尔马林必须用氨水进行中和处理。

在福尔马林达到有效接触6-12个小时之后，此项发明的生物安全柜的福尔马林-氨水熏蒸器可以设定启动氨水中和程序。和福尔马林溶液一样，氨水必须在安全柜内彻底环流以便完全中和福尔马林。如果技术服务人员在下午五点开始福尔马林的熏蒸净化消毒，则不需要在半夜返回实验室来打开风机。熏蒸器将会自动向安全柜的微电脑控制系统发送定时打开风机的信号，即当安全柜内分别有25％，50％，75％，100％的福尔马林蒸汽循环时，风机自动开启约30秒～1分钟的时间。当技术服务人员早上到达实验室时，开始进行实验操作，福尔马林的净化消毒和氨水的中和已经完成。

玻璃可清洁度的提高

参照图13，生物安全柜的设计方式使得玻璃的背部也可以轻松的清洁。首先，打开前部面板36。尽管前部面板很重，由于被两个充气弹簧所支撑，所以使用者只需要很小的力量就可以打开前部面板。当充气弹簧继续支撑着打开的前部面板时，卸掉固定左、右39，38滑动式前窗的排液槽盖的两个螺母37，接着滑动式前窗的玻璃可以被拉起来，使用者可以清洁玻璃的背部40。前期的生物安全柜的玻璃的背部不容易清洁或是玻璃固定在框架上的复杂结构，因此玻璃和外框必须一起被拉起来。

微电脑控制系统的改进之处

1.联网

根据图14，生物安全柜装配有RS 232或RS 485接口41以便于连接到控制安全柜基本功能的电脑上，例如开启/关闭风扇、照明设备、紫外灯及电源插座。为了确保安全柜使用者的安全，安全柜上的手动控制面板可以轻松的调节指令。进一步来讲，这种RS 232或RS 485界面也可以用于将此项发明的生物安全柜连接到私人电脑上用于分析数据、软件更新及参数设定。

2.多个沉降传感器

当安全柜的进气气流和沉降气流位于一个特定的区域-安全柜的性能包线15时，安全柜可以保护操作者和产品的安全。在性能包线的边界点处，安全柜几乎不能给予操作者或产品的保护得情况如下：

·进气气流流速高，沉降气流流速低：对操作者的安全防护性增强因为安全柜内的微生物必须克服强大的进气气流才可能冲出操作间。然而却可能危及产品的安全，因为外部的微粒具有更高的内侵速度，因此穿过前部气流幕罩的机率更高，并降落到工作台上。

·进气气流流速低，沉降气流流速高：对操作者的安全防护降低因为沉降气流流速高可以致使操作间内受污染的气流从前部开口处扩散出去。然而产品的安全防护却增强了因为高流速的沉降气流将进气气流排出安全柜外。另外，避免交叉感染的保护性增强，高流速的沉降气流使得操作间内的气流不断得到净化。

·进气气流流速低，沉降气流流速低：操作者和产品的安全防护降低，而且在低气流值下，操作者和产品都将失去保护。

·进气气流流速高，沉降气流流速高：在这种情况下，安全柜此时需要的电压最大，往往带来高能耗和高噪音，如果进气气流和沉降气流的流速不均是否会导致操作者或产品的安全防护失去的情况，尚不确定。

因此，必须正确的调控安全柜的进气气流和沉降气流以确保安全柜在这个特殊的前窗里运转，并且当安全柜位于操作窗口之外时，使用者应处于警惕状态。技术服务人员可以解决此类问题。

此项发明的生物安全柜安装有进气气流流速传感器和沉降气流流速传感器。前期的生物安全柜没有安装任何传感器，只有排放传感器，即使是最优质的安全柜也只是装有一个排放传感器和一个沉降气流流速传感器。如果只有沉降气流流速传感器在使用，传感器只能测量沉降HEPA/ULPA过滤器一点以下的气流流速。考虑到沉降过滤器通常拥有两倍的排放过滤器界面区域，同样也可能拥有两倍不均匀的过滤器装载物。

图16展示了安装有多个沉降传感器42的生物安全柜如何监控和利用多层的沉降气流流速。因此安全柜的使用者无需仅仅依靠前期生物安全柜所采用的沉降气流传感器一点的指示值。生物安全柜的沉降气流的指示值与平均沉降气流指示值相关，按照NSF49：2002标准测量，沉降气流流速必须按照格点系统以6英寸(15cm)的标准从前窗，侧壁和后壁进行测量，并且两个点指示值的距离不应超过6英寸。NSF格点系统指出市场上普通的4英尺宽的安全柜需具有24点的指示值或者更宽的安全柜要求更高的指示值。

与前期生物安全柜的单点沉降气流指示值相比，此项发明的生物安全柜的多个沉降传感器的24点可以更加准确的显示平均的沉降气流指示值，特别是当安全柜已经使用多年以后，沉降过滤器上就会有不均匀的颗粒装载物；与其它过滤区相比，靠近传感器的过滤区并不会被严重堵塞，所以传感器的安装位置的沉降气流流速依旧很高，而整个过滤区的沉降气流的平均流速很低。

采用多个沉降气流传感器可以防止拥有充足沉降气流的错误的安全感，尽管沉降气流不足以保护产品的安全性。通过更加准确的沉降气流指示值，当沉降气流不充足时使用者可以在更加准确的时间里接收到微电脑控制系统的警报，因此使用者可以尽早联系技术服务人员更换风机的设置或更换沉降过滤器。

3.集成电源电压和过滤器压力下降补偿系统

进气气流为安全柜操作者提供安全性保护而沉降气流保护产品的安全。安全柜进气气流和沉降气流的流速可以在短期和长期做出调整，从而影响安全柜所提供的保护性能。此项发明的生物安全柜结合集成电压补偿速度控制器来防止短时间气流的变动，过滤器压力补偿来防止长时间里气流的变动。

气流短期的变动是由于大厦电源电压不断波动引起的。当白天所有的机械设备都开启时电源电压是低压，晚上则是高压。如果采用常规(非补偿)的速度控制器，将导致风机的速度随大厦电源电压的波动而波动。关于此项发明的生物安全柜如何解决此类问题，请参见图17和图18。此生物安全柜的微电脑控制系统43装配有集成的风机电压补偿系统44，可以在大厦电源电压波动时自动保持恒定的风机电压，这就降低了进气气流和沉降气流的流速过低的危险性，在大厦电源电压下降时提供安全性保护。

电压补偿系统也可以降低安装专业检测者的工作难度，检测者没有必要将安全柜的额定电压，设定在最低和大厦平均电压之间的最优点。对于没有装配有电压补偿速度控制器的安全柜，如果检测者将速度控制设定在大厦的平均电源电压，那末当HEPA/ULPA过滤器稍微有负载物且大厦电源电压降低时，气流将可能减弱，警报也有能被启动，这就促使安全柜的使用者停止工作并与检测者联系。如果检测者根据大厦最低电压调节速度控制器，那末当大厦电压过高时，风机将以高速运转，发出干扰使用者的高分贝噪音，并且缩短HEPA/ULPA过滤器的使用寿命。然而，此项发明的生物安全柜安装有电压补偿速度控制器，因此即使大厦电压波动风机的供给电压保持恒定。因此，使用者不会受到低电压下频繁的气流警报或高电压下高分贝噪音的影响。

长期(平缓的)气流的变化是由过滤器负载量所引起的。经过一段使用时间，由于过滤器所吸附的灰尘/颗粒负载物的不断地增加，生物安全柜的HEPA/ULPA过滤器将会逐渐出现高压下降的情况。由于这一点，检测者通常需要每年对安全柜进行检测，测量进气气流和沉降气流，并相应的调节速度控制器。有时候，过滤器的负载过重以致于在检测者进行年检之前气流就已经不充足了。

解决长期气流变化的问题，请参见图17和图18。在风机罩内47，此项发明的生物安全柜装配有监测过滤器46上升气压的压力传感器。这股气压由风机45产生，将气流推出沉降过滤器48和排放HEPA/ULPA过滤器49。过滤器将会抵制气流的流动，并且压力下降。压力传感器也用于测量与外界气压一样的过滤器的下沉气压。通过比较过滤器的上升气压和下沉气压，系统可以利用过滤器测量气压下降，并且当安全柜被安装在低气压的外界高空时系统将补偿不同的外界气压。当过滤器的颗粒负载物不断增加，过滤器将会出现高压下降，这将致使在风机罩内部气压和外界气压产生更高的压力差。

单独的电压补偿速度控制器将不能补偿过滤器的负载，并且由于大厦电压波动气压补偿系统不能良好工作。因此两个系统需要与此项发明的生物安全柜的微电脑控制系统结合成一体化。

一些前期的生物安全柜采用气流感应补偿系统，根据气流传感器所监测到的气流流速自动调节速度控制器。在使用初期，似乎是个有效的系统，因为当传感器监测的气流不充足时，无论是由于大厦电压低或过滤器的负载物，风机的速度将自动提高。然而，前面曾经提起过，气流速度传感器只能测量单点指示值。如果过滤器的颗粒负载不均匀，单点指示值将不是整个过滤区的气流流速的准确显示。因此如果采用气流感应补偿系统，信息值将是不准确的。

气流感应补偿系统的另一个问题是气流传感器易于受到外界气流的影响，例如室内的空调、开门、人的走动等。多数安全柜采用的气流传感器是热风力计传感器。热风力计传感器依靠热电缆的冷却效应监测气流流速。如果更多的气流(高气流风速)通过热电线，电线将会迅速降温，产生更高的直流电压即为电脑控制系统所显示的更高的气流风速。然而，如果气流通过“传感器前窗时已经冰凉(如同在冬天一样)，冷却效应更高，微电脑控制器会显示比实际风速更高的风速，产生安全错觉。如果采用此种补偿系统，风机的额外电压将不够充足。如果室内酷热，系统会过渡补偿，使风机的转速加快。由于此项安全柜的电压补偿系统和压力补偿系统并不受到不均匀的过滤器负载物，外部气流干扰，或室内温度变化的影响，因此与气流感应补偿系统相比是更可靠的补偿系统。

4.紫外线强度测量计

紫外灯必须能够发出强度为40微瓦/cm²的紫外线在工作台上以便于足够对工作区进行消毒。经过一段时间，紫外灯将会有所损耗，强度降低。紫外线强度的测量并不是安全柜年度检测的必检项目。由于购买紫外强度测量计的额外成本，大多数的检测者不购买紫外线强度测量计来证实紫外灯的强度，因此通常情况下，紫外灯的强度全部消耗掉时没有任何人的证实。

参考图18，此项发明的生物安全柜的微电脑控制系统是与一个内置的紫外灯强度测量计50相连接的，所以使用者可以知道紫外灯的强度是否充足，并且当强度不充足时可以更换紫外灯。

此项发明的具体特性已经得到了详细的描述。很明显，专业人士可能对此项发明的一些或全部非具体特性做出的修改、重新配置、替换、变化及调整。那么，此项发明并不仅限于其特色和上文中的说明和附图中所描述的。因此，正如附加声明所限定的，在不背离发明的领域和主旨的情况下将包括此类的改进、变化及调整。

Claims (12)

1.一种生物安全柜，包括：一个全金属框架，由保护操作间及其顶部的上罩构成，上罩装配有排放及沉降ULPA过滤器和一个密封的风机，风机的作用是向操作间提供进气气流和沉降气流及排放气流；操作间的侧面和背面是全封闭的，只在前面有一个可以进入进行微生物试验的工作区的开口处，一个装于金属框架上滑动式玻璃前窗可局部或完全封闭该开口；该生物安全柜还包括一个微电脑控制和警报系统，以及多个监测沉降气流流速和向微电脑控制系统提供监测结果的沉降传感器，由微电脑控制系统决定监测结果的平均值。

2.如权利要求1所述的生物安全柜，该生物安全柜还包括：

一个连接微控制电脑的RS 232或RS 485接口，使微控制电脑能对该生物安全柜进行遥控，遥控功能包括开启/关闭风机、照明灯、紫外灯和备用电源插座；而生物安全柜上的手动控制面板可以调节或忽略的上述遥控功能。

3.如权利要求1所述的生物安全柜，该生物安全柜还包括：

多个压力传感器，用于监控上升和下沉气流过滤器的气压以便于测量和调节气压。

4.如权利要求3所述的生物安全柜，该生物安全柜还包括：

集成的风机电压补偿系统，连接到沉降传感器和压力传感器来自动保持恒定的电源电压和常速的进气气流和沉降气流。

5.如权利要求1所述的生物安全柜，该生物安全柜还包括：紫外灯强度测量计。

6.如权利要求1所述的生物安全柜，该生物安全柜还包括：

凸形的进气隔栅；根据人体工程学原理设计的升高的搁手架，以支撑操作者的手臂，并且防止操作者的手臂阻挡进气隔栅。

7.如权利要求6所述的生物安全柜，该生物安全柜还包括：

向前倾斜的沉降过滤器，用于将沉降气流引导至安全柜的前部，在那里与进气气流相遇，形成前部气流屏障来保护操作者和产品的安全。

8.如权利要求7所述的生物安全柜，该生物安全柜还包括：

一个分散气流的直线型的分流器，将沉降气流均匀分散到工作区，包括防止后部区域的沉降气流过弱。

9.如权利要求1所述的生物安全柜，在该生物安全柜的外部和内部具有银离子的粉末抗菌涂层，所述抗菌涂层涂于生物安全柜的不锈钢材料上，以抑制有害微生物的生长，该生物安全柜所采用的不锈钢是抗菌不锈钢，同样可以抑制微生物的生长。

10.如权利要求1所述的生物安全柜，该生物安全柜还包括：

安置在工作区顶部前沿的紫外灯，该紫外灯由荧光灯面板所遮蔽以防止使用者直接注视紫外灯。

11.如权利要求1所述的生物安全柜，该生物安全柜还包括：

一个福尔马林和氨水的熏蒸器模块和一个电线连接接口，风机在设定的时间和周期里由微电脑控制器自动开启，使福尔马林和氨蒸汽进行环流。

12.如权利要求1所述的生物安全柜，该生物安全柜还包括：

可以移开的滑动式玻璃前窗的排液槽，因此滑动式玻璃前窗的可以被拉起来，以便于清洁玻璃的背部。

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