板式高效过滤器在生物安全实验室三级防护中的作用解析

引言

生物安全实验室（Biosafety Level Laboratory，简称BSL）根据所处理病原体的危险程度分为四个等级，其中生物安全三级实验室（BSL-3）用于研究对人体具有高度致病性、可通过气溶胶传播但有治疗和预防手段的微生物。在BSL-3实验室中，空气系统的安全性是保障实验人员和环境安全的核心环节之一。

板式高效过滤器（Panel High-Efficiency Particulate Air Filter，简称Panel HEPA Filter）作为空气净化系统的关键组件，在生物安全三级实验室中扮演着至关重要的角色。本文将从其结构原理、技术参数、应用场景、国内外研究现状等多个维度深入解析其在BSL-3实验室三级防护体系中的作用与意义。

一、生物安全三级实验室的基本要求

1.1 实验室功能定位

根据《中华人民共和国国家标准 GB 19489-2008 实验室生物安全通用要求》及美国CDC（疾病控制与预防中心）发布的《Biosafety in Microbiological and Biomedical Laboratories (BMBL)》第五版标准，BSL-3实验室主要用于处理如下类型病原体：

可引起严重疾病的病原体；
易通过气溶胶传播；
在实验操作过程中存在较高感染风险；
存在有效的疫苗或治疗方法。

例如：结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）、西尼罗病毒（West Nile Virus）、SARS-CoV等。

1.2 空气净化系统的重要性

在BSL-3实验室中，空气系统需满足以下基本要求：

要求	描述
气流方向	实验室内保持负压，防止污染空气外泄
换气次数	≥12次/小时，确保空气更新速度
过滤效率	高效过滤器（HEPA）对≥0.3 μm颗粒的过滤效率≥99.97%
排风处理	排风必须经过HEPA过滤后排放，必要时进行灭菌处理

在此背景下，板式高效过滤器因其结构紧凑、安装方便、维护成本低等特点，广泛应用于BSL-3实验室的送风与排风系统中。

二、板式高效过滤器的结构与工作原理

2.1 结构组成

板式高效过滤器通常由以下几个部分构成：

组成部分	功能说明
外框材料	常用镀锌钢板、铝合金或塑料材质，耐腐蚀、轻便
滤材	玻璃纤维或合成纤维制成的HEPA滤纸，具有高捕集效率
分隔片	波纹状设计增加有效过滤面积，提高容尘量
密封材料	硅橡胶或聚氨酯泡沫条，确保密封性能良好

2.2 工作原理

板式高效过滤器主要通过以下机制去除空气中悬浮颗粒物：

拦截效应（Interception）：当颗粒接近滤材表面时被吸附；
惯性碰撞（Impaction）：大颗粒因惯性偏离气流路径而撞击滤材被捕获；
扩散效应（Diffusion）：小颗粒由于布朗运动与滤材接触被捕获；
静电效应（Electrostatic Attraction）：部分滤材带有静电，增强细小颗粒的捕集能力。

2.3 技术参数对比表

参数	板式HEPA	袋式HEPA	圆筒式HEPA
安装方式	垂直或水平安装	吊装或侧装	单元模块化安装
初阻力	150～250 Pa	100～180 Pa	120～200 Pa
过滤效率	≥99.97% @ 0.3 μm	同上	同上
容尘量	中等	较高	高
更换周期	6～12个月	12～18个月	18～24个月
成本	低	中	高
适用场景	小型通风系统、实验室送排风	中大型洁净室	高端洁净空间、手术室

三、板式高效过滤器在BSL-3实验室中的具体应用

3.1 送风系统中的应用

在BSL-3实验室中，送风系统必须提供经过高效过滤的洁净空气，以维持实验室内部的正压梯度，防止外部污染空气进入。板式高效过滤器常用于送风机组末端，确保进入实验室的空气达到ISO Class 7（Class 10,000）以上洁净度标准。

典型配置流程如下：

新风预处理（初效+中效过滤）
表冷/加热段
加湿段
风机加压段
最终HEPA过滤段（板式）

3.2 排风系统中的应用

BSL-3实验室的排风系统必须确保所有废气在排出前经过高效过滤，防止携带病原体的气溶胶逸散至环境中。板式高效过滤器可作为双级或多级过滤的一部分，常与紫外线灭菌、化学消毒等方式结合使用。

3.3 生物安全柜中的配套使用

在BSL-3实验室中，II级或III级生物安全柜是核心设备。其排风出口处常配备板式高效过滤器，确保操作过程中产生的污染物不会回流至实验室环境中。

四、国内外研究现状与产品发展动态

4.1 国内研究进展

近年来，国内科研机构与企业加大了对高效过滤器的研发投入。例如：

清华大学建筑学院在《暖通空调》期刊发表论文指出，板式高效过滤器在实验室通风系统中具有良好的压力适应性和稳定性。
中国建筑科学研究院编制的《洁净厂房设计规范》GB 50073-2013中明确规定了HEPA过滤器在不同级别洁净室的应用标准。

此外，国产厂商如苏州安泰空气技术有限公司、北京亚都科技有限公司等已能生产符合EN 1822标准的板式高效过滤器，并广泛应用于各级别生物安全实验室。

4.2 国外研究概况

国际上对高效过滤器的研究更为成熟，相关标准体系也较为完善。例如：

美国ASHRAE（美国采暖制冷与空调工程师学会）在其手册中详细规定了HEPA过滤器的测试方法和应用指南。
欧洲标准化委员会CEN发布的EN 1822标准，明确了HEPA和ULPA（超高效过滤器）的分级标准：

分级	效率要求（≥0.3 μm）
E10	≥85%
E11	≥95%
E12	≥99.5%
H13	≥99.95%
H14	≥99.995%

板式高效过滤器多属于H13或H14级别，适用于BSL-3及以上实验室。

4.3 典型产品对比分析

品牌	型号	过滤效率	初阻力（Pa）	尺寸（mm）	应用领域
Camfil（瑞典）	Hi-Flo MPPS	H14	220	610×610×90	医药、生物安全
Freudenberg（德国）	Viledon U15	H14	200	600×600×90	实验室、医院
苏州安泰	AT-HF-610	H13	180	610×610×90	BSL-3实验室
北京亚都	YD-HEPA-600	H13	190	600×600×90	医疗、科研

五、安装与维护要点

5.1 安装注意事项

必须保证过滤器与风口之间的密封性；
安装前后应进行完整性检测（如光度计法或粒子计数法）；
避免滤材受损，运输和搬运过程需小心谨慎。

5.2 日常维护建议

定期记录压差变化，判断是否需要更换；
每年至少进行一次泄漏测试；
更换时应佩戴个人防护装备（PPE），并在负压环境下操作；
废弃过滤器应按照医疗废物处理规程进行处置。

六、未来发展趋势

随着全球对公共卫生安全重视程度的提升，以及新型传染病防控需求的增加，板式高效过滤器在生物安全实验室中的应用将进一步扩展。未来发展方向包括：

智能化监测：集成传感器实时监控压差、效率等指标；
新材料研发：开发抗菌涂层、自清洁滤材等新型材料；
模块化设计：便于快速更换与系统集成；
绿色制造：降低能耗、减少碳足迹；
法规标准统一化：推动国内外标准互认，提升产品质量一致性。

参考文献

国家标准化管理委员会. GB 19489-2008 实验室生物安全通用要求[S]. 北京: 中国标准出版社, 2008.
Centers for Disease Control and Prevention (CDC). Biosafety in Microbiological and Biomedical Laboratories (BMBL), 5th Edition [Z]. Atlanta: U.S. Department of Health and Human Services, 2009.
European Committee for Standardization. EN 1822:2009 – High efficiency air filters (HEPA and ULPA) [S]. Brussels, Belgium, 2009.
清华大学建筑学院. 高效空气过滤器在实验室通风系统中的应用研究[J]. 暖通空调, 2020, 50(3): 45-50.
中国建筑科学研究院. GB 50073-2013 洁净厂房设计规范[S]. 北京: 中国计划出版社, 2013.
Camfil. Hi-Flo MPPS Technical Data Sheet [Z]. Stockholm, Sweden, 2021.
Freudenberg Filtration Technologies. Viledon U15 Product Manual [Z]. Weinheim, Germany, 2020.
苏州安泰空气技术有限公司. AT-HF系列高效过滤器说明书[Z]. 苏州, 2022.
北京亚都科技股份有限公司. YD-HEPA系列产品技术白皮书[Z]. 北京, 2021.