实验动物在生物医学的应用历史和现状

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本文通过对目前SPF实验动物环境工程建设投资高，能源消耗大等问题的分析，介绍了净化空调节能技术的应用，认为空气定向流技术是SPF实验动物环境工程净化空调节能技术发展的方向。

关键词：净化空调 空气定向流 节能

实验动物科学是生物医学乃至整个生命科学的基础和重要的支撑条件，人们越来越重视对实验动物的应用和研究。

随着GMP要求的近一步落实，国家相继制定了《实验动物管理条例》和《实验动物环境及设施》等法规。

在加入WTO的新形势下我国医药行业加快了与国际先进水平接轨的步伐，很多医药生产企业和研究部门都需要建造符合规范的实验动物设施。

新建的实验动物设施一般都要达到SPF级，且具有一定的规模。

由于实验动物设施的特殊性，对净化空调有很多特殊的要求，现就SPF实验动物环境工程净化空调节能技术的现状和发展进行探讨。

1 SPF实验动物环境对净化空调技术的要求

根据1994年颁布的《实验动物环境及设施》国家标准，实验动物环境主要分为开放系统、亚屏障系统、屏障系统和隔离系统。

开放系统适用于饲养普通级实验动物，亚屏障系统适用于饲养清洁级实验动物，屏障系统适用于饲养无特定病原体（SPF）级实验动物，隔离系统适用于饲养SPF级及无菌（GF）级实验动物。

当前，新建的实验动物房主要是SPF级，按照标准要求空气净化度至少要达到10000级，氨浓度≤14㎎/m?, 温度18～29℃，日温差≤3℃，相对湿度40～70%，气流速度≤0.18m/s, 房间空气压差梯度20～50Pa。

为了保证实验动物正常地生长，需要严格地按照规定调节温度和湿度，提供新鲜空气，排除有害气体、病原微生物和尘粒。

为了避免交叉感染，还要严格地设定和控制房间内各部位的空气压力。

因此，建立SPF实验动物环境必须有一个设计合理，运行可靠，节约能源, 监控方便的净化空调系统。

2 SPF实验动物环境净化空调技术的现状和问题

虽然SPF实验动物环境对空气的洁净度要求不高，但通风方式有特殊的要求。

首先，必须提供实验动物正常生活所需的新鲜洁净空气，排除动物排泄物等散发的污浊气体，还必须防止空气的交叉污染。

为了达到这个目的，目前国内的SPF实验动物环境大部分采用直排式全新风净化方式，即将恒温恒湿的净化空气送入SPF实验动物房稀释污染空气后不予回收直接排放。

常用的气流形式为顶送侧回，由房间顶部的高效送风口将洁净空气送入，房间内放置有实验动物笼架，洁净空气将室内的污染空气稀释后沿着房间四周下部的排风口排出。

这种净化送风方式原理简单，管理方便，得到了较多的应用。

但是，这种送风方式风量大，能耗高，使用上也不尽合理，因为并非所有的尘埃粒子都是致病微生物，依靠大量的洁净气流稀释室内的污染空气也不一定能使实验动物得到很好的生活环境。

目前，一般SPF实验动物房的饲养方式都是将动物放在饲养盒（笼）内饲养，饲养盒（笼）又放在多层的笼架上，室内可放置很多排笼架。

饲养盒（笼）是实验动物生活的微环境，又是产生尘粒和异味的核心，也是空气流动的死角。

整个房间是空气循环的大环境，气流呈乱流形式分布，由于饲养盒（笼）和笼架的阻力，洁净空气只有很少部分能进入饲养盒（笼），大部分恒温恒湿的洁净空气直接从排风口排出，造成很大的能源浪费。

即使从饲养盒（笼）内散发或被置换出来的污染空气也不能立即完全地排出室外，这些污染的空气会随着乱流气流弥漫于整个房间，不仅造成实验动物交叉污染的可能，也使饲养人员的工作环境恶化。

一般饲养盒（笼）的容积仅占房屋空间的10％，由于饲养盒（笼）和笼架的阻力，能直接参与饲养盒（笼）内空气交换的洁净空气将低于10％。

要保证饲养盒（笼）内一定的温度、湿度，洁净度和空气的新鲜度就必须成倍的加大空调机组，增加送风量，加大制冷和制热功率，这就增加了建设投资和运行成本。

而这些能量大部分被排空浪费掉，这是直排式全新风净化方式最主要的问题。

3 净化空调节能技术在SPF实验动物环境中的应用

随着SPF实验动物环境的推广和实施，能耗大，投资和运行成本高昂的问题越来越突出，国内外的学者在这方面做了很多的研究和探索，本人也在工作中积累一些经验，介绍如下：

3.1 减少冷热负荷

3.1.1 降低室内高度 一般生物洁净室高度在2.4～2.6m之间，SPF实验动物环境工作人员少，工作时间短，为了减少洁净空气单位流量，可将房间高度降低到2m。

3.1.2 加强围护绝热 选择较好的隔热材料，加厚保温层。

3.1.3 调控气流速度 采用变频调速自动控制技术，将气流速度控制在标准下限运行，最小空气流速可选取0.1m/s。

3.1.4 调控温度范围 将SPF实验动物房的温度冬天设定到标准下限，夏天设定到标准上限。

3.1.5 小单元独立空调系统 将SPF实验动物房分成若干区域，相应地设立若干小单元独立空调系统，使用时根据动物饲养种类和数量的增减，有选择地启用房间和相应的空调系统，避免空调系统放空运行。

3.2 能源的二次利用

3.2.1 净化空气循环使用 将部分排出的净化空调风回收利用，回收前必须进行前期处理，去除二次循环空气中的尘粒和有害气体。

二次循环空气回收利用率最高可达50％。

但是，为了避免交叉感染，再循环空气仅限于同一（动物种群）单元使用。

3.2.2 能源回收 在排风管段安装能量回收装置。

上述利用二次能源的措施在理论上和技术上都是可行的，特别是在温差较大的地区。

但是，为了处理回风需要增加相应装置，又增加了空气系统阻力和运行费用，所以一般情况下节能效果不是十分显著。

3.3 利用天然能源 在有条件的地方，利用太阳能、地热等天然资源进行空气调节或辅助加热。

3.4 空气定向流技术

随着SPF实验动物环境的兴建，能耗和运行成本高的矛盾越来越突出，一种空气定向流动的技术越来越受到重视。

如上所述，一般SPF实验动物房仅有低于10％的洁净空气参与了动物饲养盒（笼）内空气的交换，那么，要达到节能的目的，就必须尽量减少非交换净化气流，并让可交换气流沿定向流动，最后进入排风管。

根据这种原理，目前已有多种空气定向流SPF实验动物环境技术得到了应用。

3.4.1 盒内交换笼架 该技术采用导风通道笼架，双风道机组，设置前端和终端空气过滤器等装置组成单体换气系统，净化气流在动物饲养盒内定向流动，全部参与了盒内的空气交换，空气流量非常小。

该装置简化了控制设备，使用方便灵活，对基础建筑要求不高，特别适合小规模实验动物的饲养。

目前，国内已有系列成套装置供选用。

3.4.2 定向流SPF实验动物房 该技术由房间顶部高效送风口将洁净空气到送入室内，动物笼架分隔成数个相对封闭笼格，笼格内可放入动物饲养盒（笼），每个笼格有通风孔与洁净室和排风口连通，洁净空气从房间顶部高效送风口进入室内后，只能从通风孔进入笼格再进入排风管形成定向流动气流。

根据一个SPF实验动物房定向流技术与传统直排式气流技术在饲养区风量和冷（热）负荷参数的比较，前者比后者可节约62％的能源，投资和运行费用大幅度降低。

由于每个笼格相对封闭，调节通风孔可控制风量大小，既可很好地净化动物生存活动环境，还能灵活地控制每个饲养盒（笼）内的氨浓度。

由于空气定向流动，笼格内的污染空气不会进入室内，工作人员操作空间无尘无味，优化了工作环境。

3.4.3 洁净空间与传递技术在SPF实验动物环境中的应用

从传统的屏障系统中解放出来，减少固定的厂房和大规模的投资，节约能源是人们一直在探索的目标。

法国拉卡连（la ca lhene）公司在普通控温的建筑中用隔离技术和传递装置建立起大小可调节的SPF实验动物环境装置，净化空气在隔离器中定向流动，全部参与动物生活空间气流的交换，并与操作空间和人流物流完全分开。

目前，一台双升降式隔离器可放98只小老鼠盒，最大的隔离器可以用来养马，操作时主要使用门式直接传递装置，工作人员进出自由，操作方便。

该系统简便灵活，人流物流绝对隔离，操作安全可靠，适应范围广，是一种方便节能保险的好方法。

实践证明，上述净化空调节能技术对提高SP F实验动物环境的空气质量和节能水平是行之有效的。

特别是空气定向流技术，从理论和技术上解决了非交换净化气流浪费能源和交叉污染的问题，具有节约投资和降低运行成本的优点，是SPF实验动物环境工程净化空调节能技术发展的方向。

世界高科技发展日新月异，在现代科学带动下崛起的实验动物科学，不仅是本世纪发展生命科学的重要的支撑条件，而且是一门综合性的独立的新兴学科。

在国际上它已经成为现代生命科学研究的奠基学科。

人类基因组计划，基因结构与功能组学的研究等重要研究都离不开高质量实验动物的广泛应用。

当前国际上已经把实验动物科学条件作为衡量一个国家科学技术现代化水平的标志。

实验动物被广泛地应用于：医学、药学、制药、生物制品、农药、食品、添加剂、化工产品、化妆品、航天、放射、军工、交通、环保等方面；在进出口商品检验检疫中实验动物是不可缺少的材料。

（一） 实验动物是生命科学研究的支撑条件之一。

在生命科学领域里，进行实验研究有四个支撑条件，即AEIR要素。

A：Animal：实验动物；

E：Equipment：仪器设备；

I：Information：情报信息；

R：Reagent：化学试剂；

随着科学技术的发展，现在获得高、精、尖的仪器设备、必要的情报信息和高纯度的化学试剂已不是困难的事了，但要人们普遍了解和使用国际上公认的标准化实验动物，并不是件容易的事，即使有钱也不一定能办到。

（二） 实验动物在生命科学研究中被广泛应用，很多重要的科研成果来源于实验动物。

据统计，在生命科学领域里，动物实验的课题占60%，是生命科学研究的重要支撑条件，历史上很多重大的科研成果都是通过动物实验获得的。

通过动物实验证明，人类许多传染性疾病的传染源是各种微生物，如鼠疫、布氏杆菌病、白喉、破伤风、天花等。

这些科研成果，确定了各种致病微生物与人类疾病的关系，使预防疾病、预防免疫和治疗各种传染病成为可能。

通过动物实验发现的抗生素、各种化学药物和生物制品用于人体预防和治疗，挽救了无数人的生命。

如果离开动物实验人类至今不可能从地球上消灭天花。

通过动物实验，证明了营养素、各种维生素、微量元素、氨基酸等食物成分在维持人体生理功能和新陈代谢等方面的作用。

脚气病、糙皮病、坏血病、克山病等都是营养缺乏的后果。

通过动物实验，解决了临床医学中许多重要技术课题，如低温麻醉、体外循环、脑外科、心外科、器官移植等。

通过动物实验，扩大了军工、宇航的研究领域。

进入太空的第一个“宇航员”并不是人类，而是实验动物。

通过动物实验，使得遗传工程学的研究，从低等无脊椎动物扩展到高等动物。

它借助于实验手段将一个生物体遗传物质定向转移到另一个生物体中去，使之获得人类希望的遗传性状，成为“新物种”。

这样利用两种基因结合的方法，从根本上打破了两性杂交育种方法。

由此可见，实验动物与动物实验在促进生命科学发展中起着极其重要作用。

（三） 实验动物是人类的替身，起着“活的天秤”和“活的化学试剂”的作用。

无论是生命科学、制药工业、化学工业，还是畜牧业、农业、轻工业和国防军事科学、交通能源、宇航，公害监测、环境保护，无一能离开动物实验的。

在人类的健康和福利研究中，实验动物总是起着人类替身的作用。

实验的最终结果要类推到人类；因此实验动物起着“活的天秤”和“活的化学试剂”的作用。