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【Esco科学小贴士】生物安全柜风速控制技术说明

ESCO生命科学
2015.7.10

生物安全柜能起到保护样品和保护人员的作用,这要求安全柜要有非常稳定的气流模式。生物安全柜的标准对其风速有严格的要求,如中国YY0569-2011生物安全柜标准要求二级生物安全柜工作区下降风速要在0.25~0.5 m/s之间;流入风速要不低于0.5 m/s,且各点实际风速值与其区域的平均风速应相差不超过±20%或±0.08m/s。安全柜能否提供稳定均匀的安全风速,是衡量安全柜优劣的重要标准。本文主要探讨二级生物安全柜风速控制的几个要素。

一、风速的检测技术

生物安全柜要进行风速的控制,前提条件是能够对风速进行检测。中国YY0569-2011生物安全柜标准的要求二级生物安全柜必须检测下降风速和流入风速及实时显示。目前市场上安全柜常用的风速检测的技术有两种:压力间隔测量法和风速直接测量法。

1. 压力间隔测量法是通过压力传感器来测量安全柜污染腔内的压差值来换算成风速值。这种测量方法十几年前的差压表显示技术(如左上图)的延续,只不过把压力表显示换成风速值显示。采用这种检测方法的好处是压力传感器成本低,寿命较长。但主要的缺点有几个:                    

(1)压力换算风速的换算方法缺少理论或标准支持。这种换算方面目前并无相关文献记载,主要是由厂家自行设定,因此转换的风速值是否准确还有待验证。

(2)受温度影响。现带有温度补偿技术的压力传感器极少,价格非常昂贵,因此安全柜所采用的都是普通的缺少温度补偿功能的压力传感器,这种传感器的应变材料的电阻率,压阻系统等因素都随温度的变化而发生变化,引起检测结果产生差异。

(3)维修更换难。压力传感器是放置在污染腔里面,如果其发生故障需要维修更换,就必须要打开污染腔。而打开污染腔必须要先熏蒸消毒,会对过滤网产生巨大损伤,总体成本较高。

2. 风速直接测量法是直接采用风速传感器直接检测下降风速和流入风速。目前部份鞥无安全柜采用热式的风速传感器,其测量准确度和灵敏度较高,特别是带有温度补偿功能的高精度传感器(如右上图)。生物安全柜使用这种传感器进行风速检测是目前最理想选择,不但测量准确,且易于更换维修,但其缺点的价格较高。

二、风机控制

风机是生物安全柜的心脏,是生物安全柜进行风速控制最关键一环。只有保证风机的稳定输出,才能保证生物安全柜的风速稳定均匀。但实验室的在线电压会有波动情况,这就要求风机必须具备有在线电压波动补偿功能。我们对生物安全柜常见的交流风机和直流ECM风机进行测量比对(见下图),很明显可以看成出交流风机对电压波动的补偿是有限度的,补偿后的输出电压还是有波动情况,这会导致风机输出的风量有波动,从而引进生物安全柜风速的不稳定均匀。而直流的ECM风机却在同样的电压波动下能保持恒定风机电压,这可以保证生物安全柜风速的恒定。

我们通过实际检测带有DC ECM风机的生物安全柜在205~255V电压下安全柜的实际风速情况,见下表。从中我们可以看到在不同电压下生物安全柜的风速是恒定的。

三、污染腔的材质

生物安全柜的风机跟过滤网间需要进行密封形成一个污染集风腔。其材料目前主要有尼龙布材质(下左图)和钢板材质(下右图)两种。尼龙布材质因其成本低多用于低端的安全柜,其缺点是会导致生物安全柜的风速不稳定均匀。当风机运行的时候,尼龙布外形会发生不规则变化从而导致其阻力不稳定,造成生物安全柜无法提供恒定的风速。同时尼龙布容易老化及破损,容易造成泄露污染。钢板材质密闭形成的污染集风腔多见于高端产品,因为钢板不容易变形、阻力较小且稳定,所以生物安全柜的风速可以控制得稳定及均匀。

四、过滤网

生物安全柜使用的高效和超高效过滤器是采用超细玻璃纤维纸作滤料,新型聚氨酯密封胶密封,并以镀锌板、不锈钢板、铝合金型材为外框制成。以其结构形式可分为:有隔板高效过滤器和无隔板高效过滤器两种。如下图所示。

两者的区别主要是过滤网中有胶板纸、铝箔板等材料折叠作分隔板,用于支撑过滤纸。有隔板的高效过滤器因有隔板存在的原因,其阻力会更大,其过滤后风速的均匀性相对较差,可能会存在死点。但因其价格低,还是广泛应用于低端的安全柜上面。相对而言,无隔板的高效过滤器可以杜绝死点,能提供更均匀的风速。

生物安全柜的风速还受很多方面影响,如导流板、侧壁引流。生物安全柜前窗倾斜度等等,本文在此不一一细述。

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