動態工況下SPF級實驗兔飼養微環境模擬分析

龔光彩陳盟君安珂慧劉激揚石 星

(湖南大學土木工程學院,長沙 410082)

實驗動物作為生物科學研究和發展的重要基礎和支撐條件,已經在醫學、生物學、毒理學等研究上有廣泛的應用。為了獲取科學、可靠的實驗數據,就需要避免外部環境對實驗動物的不利影響。恒溫動物能在一定的溫度范圍內很好地調節生理機能,但當環境溫度超過臨界值影響生殖性能與生長發育[1-3]。大多數實驗動物被安置20℃～24℃空調環境中,是符合人類舒適區的溫度。而Gaskill等[4]的研究表明小鼠更愿意待在26℃～34℃的熱中性環境中。Helppi 等[5]發現28℃的環境溫度對小鼠的生殖健康沒有不利影響,表明實際運行中可以使用比建議指標中更高的環境溫度,還能在夏季降低空調設備的能耗。相對濕度影響動物的呼吸系統、進食及排便等,而且不同生長時期的動物最佳濕度范圍也不同[6]。濕度太低促使大鼠患“環尾癥”[7]。濕度越高,實驗兔類的腳皮炎癥發病率越高[8]。換氣次數增加有利于排出室內污染物,也會導致室內氣流速度變大,由于實驗動物的體表面積與體重比值相對較大,其對風速大小更加敏感,容易導致局部病變如及不正常脫毛[9-10]。氨氣濃度會影響小鼠的繁殖率與生長速度,而且飼養密度和環境的溫度會影響氨氣的濃度,溫度升高不利于氨氣的溶解[11-12]。規范中對實驗動物設施中的各項指標主要是反映動物房的大環境,而大多數實驗動物(如實驗兔、小白鼠)長期生活在空間小、非自然的籠架或者箱子中。相對于實驗動物房大環境,實驗動物飼養微環境指貼近動物周圍、直接影響其飼養質量的環境,更反映出實驗動物的實際生活環境。

實驗動物房內有靜態和動態運行兩種狀態,而靜態包括空態(無籠架態)及非運行態(無實驗動物飼養態)兩種狀態。靜態工況下的實驗動物房潔凈度容易達到設計要求,而動態下由于動物活動會引起毛發等污染物飛揚[13]。畢波等[14]對某動物屏障設施的靜態及動態環境參數進行檢測時發現空氣潔凈度的動態數值普遍高于靜態值。國標中規定屏障環境下實驗兔房中動物籠具處的氣流速度不應大于0.2 m/s,而何婧等[15]發現標準中的換氣次數在傳統上送下回的氣流組織形式下實現小于0.2 m/s 的可能性不大。安珂慧等[16]通過CFD 模擬不同換氣次數下的實驗動物房也發現動物籠具前端出現大于規定氣流速度的位置,因此屏障環境中動態運行下的潔凈度要求不容易實現。現行的有關動物環境標準中只規定了靜態工況下的參數指標,因此,本文研究旨在通過模擬分析實驗兔飼養微環境動態環境參數,為完善我國面向動物福利的動態工況下的飼養微環境參數標準提供參考。

1 材料和方法

1.1 實驗動物

SPF 級成年日本大耳兔雄性共24 只,12 周齡,體重2.2～2.5 kg,其購于湖南太平生物科技有限公司[SCXK(湘)2015-0004],飼養在長沙湖南遠泰生物技術有限公司一間屏障實驗動物房[SYXK(湘)2018-0003],分為兩個籠架干性飼養,實驗經長沙湖南遠泰生物技術有限公司實驗動物中心倫理委員會審批(20190021-29),按照3R 原則進行飼養及實驗。

1.2 主要儀器

德國Testo 174H 型溫濕度自記儀,溫度測量范圍為-20℃～70℃,分辨率為0.1℃;濕度測量范圍為0～100%RH,分辨率為0.1%RH。

1.3 實驗方法

1.3.1 實驗對象

飼養間的氣流組織形式為非單向流,頂送四角回;送風參數為溫度24℃,相對濕度60%;籠架幾何模型參考不銹鋼干養式實驗兔籠(3 層×4=12)。實驗動物房布置情況請參考表1,圖1。

表1 實驗動物房詳細情況Table 1 Details of experimental animal rooms

圖1 實驗動物房間布置圖Figure 1 Layout of the experimental animal room

1.3.2 實驗兔表皮生物傳熱分析方法

為了簡化模型便于計算,本文生物傳熱研究主要對象為實驗兔與周圍籠架微環境之間的傳熱傳濕。實驗兔的毛發可以類比人體皮膚周圍的服裝熱阻,毛發可以增大皮膚熱阻減少與空氣的對流換熱,起到保溫作用。因此本文的實驗兔皮膚傳熱模型參考人體對流換熱系數,并考慮修正系數。國內對覆蓋毛發的皮膚傳熱模型研究較少,Bejan[17]對生物傳熱模型進行大量對流換熱研究:

實驗動物皮膚表面被大量毛發垂直覆蓋,假設毛發密度為常數,即:

其中毛發的分布密度n 是與皮膚表面上毛發的空隙度相關聯的,即:

對于毛發部分,相應的能量方程即為傳統的肋片導熱方程[16]:

其中,Ks 為毛發熱導率,h 為周向傳熱系數,二者均認為常數。

在氣流空間內有:

其中,ρCp和Ka分別為氣流熱容和熱導率,U 為氣流速度。而沿長度方向的導熱因較弱可忽略;nPs表示總接觸面積。在較靠近皮膚表面的地方,主要是皮膚與空氣對流傳熱,因而的可忽略;而在遠離皮膚表面的部位,氣流可看做受毛發影響加熱,因而導熱項可忽略,即此時,在y 方向氣流是等溫的。簡化后可計算出生理參數(如毛發直徑、密度等)對毛發換熱情況的規律。

1.3.3 污染源計算方法

動物的尿液會向周圍環境進行濕擴散和氨擴散。目前對實驗動物房的污染物研究中大多數是將籠架看成一個整體,并沒有將具體的污染源細化。本文為了進一步研究微環境特性,將托盤作為實驗兔房的唯一污染源。由于實驗室中的籠架為干養式,因此托盤中的液體認為全部是來自于實驗兔的尿液,托盤作為自由液面向外散濕和散發氨氣。

1)濕邊界條件

根據前期初步對室內的溫度場測量情況,因此在后續CFD 模擬中將托盤內液體溫度定為28℃。液面散濕量公式采用以下公式[18]:

2)污染物邊界條件

目前關于實驗兔氨氣排放量的研究較少,本文根據排放因子法[19]計算實驗兔排放的糞尿計算氨氣量,一只實驗兔飼養狀態下的散氨量約為0.007 mg/s。

1.3.4 CFD 模型建立

模型前期的網格建立及劃分前處理器ICEM 軟件,根據實際測量的幾何數據以及送風參數建立幾何模型。根據上述方法計算,CFD 模型中計算采用的邊界條件為:

1)實際兔房四周壁面為絕熱壁面,且不產生滑移;

2)托盤作為污染源,散氨量根據計算m=0.007 mg/s;

3)籠具、托盤作為熱耦合面處理;

4)假定送、回風口處的氣流均勻分布,且速度值的大小不變。

5)換氣次數為每小時15 次,送風溫度取24℃,送風相對濕度為60%。

6)實驗兔邊界按照等溫體表處理,向周圍空氣散熱、散濕,溫度取39℃[20],散濕量的取值按照溫度為39℃時相對濕度為60%計算[21]。

2 結果

2.1 氣流組織分析

從圖2 和圖3 對比可知,加入實驗兔后實驗動物設施大環境中沒有明顯變化,籠具內部的氣流組織更加混亂。由圖3b 可知,在籠具內部的微環境中,主要產生小漩渦的地方有貼近實驗兔頸部周圍,實驗兔上背部以及實驗兔尾部與籠具、籠架與托盤之間的空間。由圖3c 可知,位于籠架第二、三層的實驗兔在左右身側形成了一對氣流漩渦,結合圖3a 可知這一對漩渦位置在籠具的后上方,而且漩渦面積占據了籠具側面的3/4,這一對漩渦的存在將會嚴重阻礙實驗兔與外界的對流傳熱,可能導致動物飼養區出現局部高溫、高濕、污染物聚集的情況。

圖3 動態工況下的氣流組織分布Figure 3 Air distribution under dynamic conditions

2.2 溫度場分析

整體來看,實驗室內的大體溫度流場與籠架周圍溫度場分布保持一致,但模擬發現籠架外圍存在大漩渦阻礙了熱質交換,因此導致貼近籠架的周圍溫度達到26℃～27℃,明顯高于周邊溫度。屏障環境中實驗動物生產間溫度指標為20℃～26℃,而在靠近實驗兔的區域空氣溫度達到28℃。從圖4c 可知,位于籠架中、高層的實驗兔在身體上方的部分空間溫度達到 28℃ ～30℃。圖4d 為 x=1.25 m 截面的溫度梯度分布,圖中底層實驗兔的頭部及背部,第二、三層兔子的頭部、頸部下側及尾部和溫度梯度達到600。表明兔子周圍這些部位的有較大的熱流量。而關節部位長時間處于局部大溫度梯度、大熱流的情況,將會導致關節病變,詳見圖4。

為了研究微環境參數對實驗兔的影響,選取了實驗兔嘴部、頸部下方部位的6 個檢測點,圖中監測點布置在x=1.25 m 截面中兔子周圍,坐標情況見表2。

由圖5 可知,第三層的實驗兔頭部前端對應的溫度梯度最高,且氣流速度達到0.03 m/s。與頂層和底層相比,位于中間層的實驗兔頭部前端氣流速度相比較小,因此中間層實驗兔頭部溫度梯度最小。最高層實驗兔頸部下部速度達到0.03 m/s,對應溫度梯度最大,中間層次之,底層最小。溫度梯度與氣流速度分布保持一致。

2.3 相對濕度分析

從圖6a 可知,圍繞籠具周圍出現相對濕度的等值線,濕度峰值靠近籠架后上方,在中心處最小,比周圍低了1.0%～2.0%,這一現象和氣流組織及溫度分布保持一致。對室內大環境進行分析,實驗動物房大環境相對濕度保持60%,室內散濕源對大環境影響不大。對籠具微環境進行分析,實驗兔和托盤散發的水蒸氣在氣流的作用下聚集在在籠具后方上側壁面周圍,導致此處相對濕度偏高,最高達到了66%,濕度增加集中在實驗兔和托盤液面附近,圖6b 顯示在籠具內部相對濕度濕度卻比大環境低了1.0%～2.0%,這是因為實驗兔和托盤散濕引起相對濕度增大的程度低于實驗兔對流傳熱引起的相對濕度變小的程度。參考圖6 d,頂層外側和第二三層籠具后壁面出現高濕情況,相對濕度在63%以上,室內環境下,如果同一位置長期處于高濕環境下,有很大風險出現壁面結露、長霉菌,籠具及托盤生銹等情況,詳見圖6。

表2 實驗兔周圍監測點布置情況Table 2 Arrangement of monitoring points around rabbits

圖4 動態工況下的溫度場分布Figure 4 Temperature field distribution under dynamic conditions

2.4 氨氣濃度分析

結合圖7a 和圖7b,籠架內部與外部大環境相比,整體氨氣濃度高了0.1 mg/m3,高氨氣濃度區域圍繞在中間層的實驗兔尾部,氨氣濃度達到0.6 ～0.8 mg/m3,結合之前的氣流分布圖分析,氣流從第二層實驗兔下面進入籠具內部,在實驗兔尾部和籠具壁面之間的空間內產生氣流漩渦,因此實驗兔尾部氨氣濃度較高。從圖7c 送風口截面分布圖可知,送風氣流主流區域因氣流速度主導氨氣濃度很低,不大于0.1 mg/m3,而在其他區域氨氣濃度達到了0.3～0.4 mg/m3。除此之外,結合同一截面速度分布圖可知,由于漩渦的存在,籠架中間層第二、三個籠具之間的區域氨氣濃度比底層高,達到0.5～0.7 mg/m3。

圖5 x=1.25 m 截面中實驗兔嘴部及頸部監測點風速值Figure 5 Wind speed values of rabbit mouth and neck monitoring points in x=1.25 m section

圖6 動態工況下的相對濕度分布Figure 6 Relative humidity distribution under dynamic conditions

3 討論

對實驗動物飼養環境的調控本質上就是對實驗動物的生活區域各項指標的調控,使環境參數維持在實驗動物的舒適區內[22],而實際上與實驗動物質量密切相關的就是實驗動物飼養微環境因素?，F行的標準對動態運行中的微環境指標沒有明確規定,環境調控策略有待深入研究[23]。因此本文選擇根據實測工況通過CFD 方法將SPF 級實驗兔房大環境與生活微環境結合分析,首次在模型中考慮重力因素并細化了熱源和污染源模型,采用了類比人體來計算實驗兔的散熱量以及排放因子法計算排氨量的方法,并驗證了實驗兔等溫體表生物傳熱模型的適用性。

與靜態工況下的實驗動物房相比,加入實驗兔之后的外部大環境變化不明顯,而籠架內部微環境流場變得復雜,實驗兔兩側的空間以及籠具內部兩頂角位置有較大的漩渦產生。局部漩渦的存在會嚴重影響熱量與污染物的擴散,導致籠架環境溫度比大環境平均溫度高。由于氣流漩渦的產生以及籠架內部框架布置情況,導致籠架內部的熱質聚集,部分位置環境溫度達到28℃～30℃大于指標值,因此在進行數值分析時,忽略籠架微環境和動物的生物傳熱會嚴重影響計算結果的可靠性。為了保證動物福利,獲取高質量的實驗數據,建議將動態運行下的飼養微環境成為評價實驗動物福利與實驗動物設施的研究重點。

圖7 動態工況下的氨氣濃度分布Figure 7 Ammonia concentration distribution under dynamic conditions