疾病预防控制中心空调设计-独立通风笼

1.独立通风笼具的发展概况

独立通风笼具(individually ventilated cage，以下简称IVC)是一种小型啮齿类实验动物(如大鼠、小鼠、豚鼠等)的特殊饲养设备，可有效防止交叉感染。该设备运行维护成本低，可用于饲养清洁、无特定病原体或感染的动物，替代传统的实验动物屏障系统为实验动物提供屏障级净化环境。

1958年，Lisbeth Kraft博士在实验中为防止病毒扩散，制作了一种特殊的隔离小鼠笼，这就是IVC的雏形。1980年以后，高效滤材的使用进一步提高了隔离笼的空气质量，IVC由此进入了商业化生产时代。20世纪90年代，IVC的隔离效果被众多感染性实验验证，也因此，产品得到了广泛认可，经过几十年的发展与推广普及，IVC在国内外的动物实验用房中已经被广泛采用，已经形成了相对成熟的产业链。目前，国内外生产IVC笼具的公司有Allentown、Techniplast、Ehre、AD、山东新华医疗器械股份有限公司、苏州市冯氏实验动物设备有限公司等。

2.独立通风笼具的结构及特点

IVC系统主要由饲养笼盒、笼架、送风排风系统以及相应的控制系统组成，见图3-3。

图3-3　某品牌IVC外观

IVC是一种以小体积笼盒为单位的实验动物饲养设备，每个笼盒形成一个独立的“小环境”，避免“大环境”污染实验动物或实验动物污染“大环境”。室内空气经送风系统初、中效过滤器和高效过滤器过滤后进入主风管，净化空气经送风支管均匀分配，并通过即插即用快捷连接插嘴送入各个笼盒小环境，从而为实验动物提供均匀的低流速洁净空气。动物排放的废气、毛发和粉尘经笼盒内的滤毛装置过滤后经笼架排风管道进入主机箱的排风系统，经排风高效过滤器过滤后排放到室外。相比于应用开放式笼具饲养动物的屏障环境，IVC笼盒体积小、换气次数多，每个笼具内的换气次数高达50次/h甚至更多，增加的换气率有效降低了笼内的NH3和CO2浓度水平，使用IVC后实验动物环境的各项指标更易达到。此外，笼架还具有自动供水系统，大大节省了人力。

3.独立通风笼具的分类

IVC目前已发展出适用不同使用条件的多种形式。

根据主体结构形式，IVC可分为整体式和分体式两种。整体式IVC的送排风主机和控制系统均安装在笼架上，与笼架构成一个整体。目前，市面上整体式IVC应用较多。整体式IVC有几点不利因素，一是投资较高，二是风机的维护较为烦琐，而且风机的室内噪声和散热也是亟待解决的问题。分体式IVC即送排风主机和笼架结构分离，通过通风管道与送排风主机相连。这种设备省掉了自身的送排风主机，不必再为笼架提供独立的应急电源，同时消除了风机产生的噪声、振动以及散热，且设备的初投资也会相应降低。不过，需要注意的是，笼架连接至送排风系统时容易发生压力与流量波动，需要采取相应的控制阀门控制气流稳定。

根据动物微生物学级别分类，IVC可分为饲养SPF(无特定病原体)级或GF(无菌)级动物的和饲养攻毒动物或携带一定生物危险度级别(1~4级)微生物的动物的。前者的主要作用是为动物提供无污染的微环境使动物免受外界污染，后者主要防止动物携带的危险微生物外逸并兼顾提供无污染微环境。

根据压力IVC可分为正压IVC隔离笼具和负压IVC隔离笼具。正压IVC隔离笼具是指笼盒内压力高于外部环境压力，多用于清洁动物饲养，负压IVC笼具则指笼盒内压力低于外部环境压力，多用于感染动物实验。

4.独立通风笼具的相关标准

IVC在国外已经形成了相对完备的标准体系可供参考，产品质量得到有效保障。国内尚没有IVC的国家级产品标准，但是江苏省已经出台了地方标准，起到了很好的示范引导作用，如表3-5所示。

表3-5　江苏省实验动物笼具相关规范(www.xing528.com)

5.独立通风笼具的技术指标

IVC系统本质上与大环境相同，均是为实验动物营造适宜的繁育环境，其环境指标的要求与3.1.2节所述的基本一致。但由于其特殊的笼盒结构，它也具有自身系统的独特性。下面笔者将依次针对IVC笼具系统的换气次数、洁净度、气流速度、静压差以及笼盒气密性几个主要性能参数进行简要介绍。

气流流速、换气次数、洁净度这三项指标关联紧密。这三个参数主要保障笼盒内的空气洁净度、温度、湿度、有害气体浓度等条件适宜。IVC系统笼具内空气流速一般为0.1~0.2m/s，在动物水平上甚至低于0.1m/s，低空气流速可保持实验动物体温恒定;换气次数可进行10%~100%的调节;高效过滤器选用H14级的HEPA(高效过滤器)进或排气过滤器(对于>0.3μm的颗粒有效率达99.997%)，对实验动物、操作人员、环境均能起到保护作用。

笼盒是隔离笼具的围护结构，是IVC笼具重要的防护屏障。笼盒的气密性是盒内气溶胶不外逸的强力保障，是生物安全风险的关键控制点之一。《实验室生物安全认可准则对关键防护设施评价的应用说明》(CNAS-CL 53:2014)要求:“工作区气密性检测采用压力衰减法……检测结果应符合EJ/T1096中的2类要求，笼具内压力低于周边环境压力250Pa下的小时漏泄率不大于净容积的0.25%。”

笼具和外环境之间的静压差也是一道重要的保护屏障，可有效防止有害生物气溶胶外逸危害到实验人员。一般地，笼具需保持一定的负压差。然而，长期在负压差环境下生存是否会对实验动物产生影响，仍需要实验动物科学家进行深入的研究。

此外，笼盒可选优质的聚砜(Polysulfone，PSU)材质，最高耐受134℃高温，且耐腐蚀，抗变形;或者聚醚酰亚胺(Polyetherimide，PEI)材质(化学分析:浸入25%醋酸乙酯(Ethyl acetate)的乙醇90溶液中1分钟)，可耐受更高温度，耐腐蚀，抗变形，使用寿命长。

表3-6所示是不同标准对各主要性能参数的要求。

表3-6　不同标准对笼盒各主要性能参数的要求

6.排气通风式笼具

排气通风式笼具(exhaust ventilation closed-system cage，以下简称EVC)是一种新型的笼具设备，它继承了IVC通风笼具的特点，而且相比于IVC笼具，EVC笼具优化了笼盒结构及其内部的气流组织，笼盒不像IVC那样分两层，即气流在底层从一端流向另一端，又从顶层折返，而是只有单层气流通道，笼盒的气流从一端流向另一端，出、入口滤器分置两端面，每端面仅设一个滤器，使滤器通道截面大，这就有效地利用了笼内通道截面的通流能力，缩短了通道的通流长度，避免了紊流，同样的通气量可使通过滤器的气流速度较低，增大了滤器对微粒子的捕获作用。而且，气流的低端入口和高端出口，具有利用实验动物体温加热笼内空气而导致的拔风作用。

由于笼盒不需要双层，有效地利用了笼盒内的容积，所以EVC笼具饲养的动物密度高，并且旋转笼架的独特结构大大节约了笼架间空间，节约占地建筑面积。

此外，EVC系统的笼架与通风管道的连接十分简洁方便，截面大而压降低，当突然发生断电事故时，由于笼内通气的低阻力，在24小时内实验动物仍能维持安全通气。IVC系统各笼盒一般分别用进、排气管相连，各层笼盒间压力相差大，笼盒间通气量可能会不均匀，EVC系统由于大通道，各笼盒间的换气量相差相对小，通气量会更为均匀。