高校生物工程公共平臺安全的管理策略及實施建議

周萬平， 許 杰， 孫 偉， 呂霽烊， 祝新德

（上海交通大學生命科學技術學院，儀器共享與技術服務平臺，上海 200240）

0 引 言

隨著高校綜合改革和“雙一流”建設啟動，高校的公共實驗平臺的整體水平得到了提升，但同時也面臨著日益嚴峻的實驗室安全工作壓力［1-3］。據統計，2000～2019 年，國內高校實驗室安全事故達110 起［4］。尤其是生物工程公共平臺，因其儀器設備的自身特性，不但有數量較多的各類大中型發酵罐、蒸汽發生器、蒸汽滅菌柜和高速離心機等設備，生物工程下游實驗過程中還經常大量使用易燃、易揮發有機溶劑，以及病原微生物等多種危險源，安全問題則更為突出。如何更好地管理和防控生物工程公共平臺的安全事故發生是相關平臺管理者必須首先思考的問題。

微生物代謝國家重點實驗室的生物工程公共平臺（文中簡稱“交大生工平臺”），歷經10 多年建設和發展，逐步建成了比較成熟完善的生物工程平臺，包括工程菌株構建和高通量的誘變選育（上游）、發酵體系逐級放大與過程控制（中游）和生物工程下游產物的提取與純化（下游）整個鏈條，形成了從應用基礎研究到產品開發的完整研發技術體系。現結合生物工程公共平臺運行和管理，分別從硬件設施、軟件管理、規章制度和安全教育等方面提出具體措施，加大經費投入升級平臺的軟硬件設施，進一步優化功能布局，深入探索低成本、低污染的節能降耗的自動化清潔生產工藝流程，減少有機溶劑使用，降低體力勞動強度，確保生物工程平臺上、中、下游全過程的安全運行，更好地服務于教學和科研，助力平安校園建設。

1 生物工程公共平臺安全現狀

1.1 壓力容器較多、存放集中

壓力容器是生物工程平臺最基本的常規設備，其兼具特種設備和實驗室危險源的雙重屬性［5］。壓力容器具有高溫或高壓特性，使用條件苛刻，工作介質種類多樣，極易發生泄漏、爆炸、火災等重大事故。而且一旦發生爆炸、泄漏事故，很容易導致連鎖反應，嚴重危及師生的生命財產安全。因此，壓力容器是生物工程公共平臺首要的安全隱患因素，其安全管理也是高校實驗室安全管理的重中之重［6-7］。交大生工平臺，除27 臺玻璃離位滅菌發酵罐外，有原位滅菌不銹鋼發酵罐11 臺，最大容積300 L。還有多臺高壓滅菌鍋、2臺蒸汽發生器（總功率54 kW）、空氣壓縮機、大型空氣儲罐（最大工作壓力0.8 MPa，容積500 L）、4 臺脈動真空滅菌器（單臺容積1 200 L，功率90 kW）等，因為發酵過程的特殊要求，許多設備需要24 h 連續運行，尤其在夜晚無人監督情況下，更易發生事故。此外，氣體鋼瓶數目較多且存放集中。常規配備氣體鋼瓶高達30 個左右，且涉及具有氧化性、助燃或易燃易爆性的氣體（包括壓縮空氣、O2、N2、H2、CO2、He、Ar、CH4和N2O 等），這些都是需要重點關注的安全隱患之一。

1.2 存在多種類危險源

精準辨識實驗室的危險源，是科學合理的開展實驗或平臺安全風險評估的基礎和前提。生物工程公共平臺除了壓力容器和多種工作氣體外，還涉及其他多種類型的危險源，比如：易燃易爆試劑/氣體、強氧化/腐蝕試劑、病原微生物、儀器設備類等，根據危險源的分類，以及結合生物工程平臺功能和定位，需要關注的安全隱患危險源（見表1）。

表1 生物工程公共平臺常見的危險源分類

1.3 易燃、易爆有機化學溶劑的大量使用

生物發酵耦合萃取工藝是生物工程下游分離純化的常規技術手段。萃取技術因設備簡單、工藝簡捷等優點，廣泛應用于從復雜體系中提純目標化合物。生物工程平臺常用的萃取溶媒有石油醚、乙酸乙酯、氯仿、丙酮、乙醇、甲醇、二氯甲烷等，這些有機溶劑多為閃點較低的易燃物質，即使在較低的操作溫度下也極易被點燃，有機溶劑如果處理不當會引起火災甚至爆炸。尤其一些特殊實驗，涉及大體積有機溶劑的使用，或為了提高抽提效率而加溫和加壓，這都是增加了萃取實驗的風險。

1.4 人員流動性強

公共平臺相較于一般科研實驗室，人員流動性更大，一直存在“新老生交替”現象，客觀上給平臺的安全教育培訓和安全管理上都增大難度。公共平臺為了培養研究生的實際動手能力，采用“管理員培訓+學生自主操作”模式，但使用儀器的人員安全認知和實踐動手能力差異大，培訓的效果也因人而異，因此，每一個人為意外事故發生都可能存在不確定性。生工平臺面向學校生、農、醫、藥、環境和食品等相關專業教師、學生和工作人員開放，實行24 h 預約開放管理，2021 年累計有15 569 人次預約使用生工平臺的儀器，僅發酵罐預約使用累計達410 批次，達3 萬多機時。工程平臺的多人次、高頻率和連續使用，極易發生安全事故的風險。

2 生物工程公共平臺安全隱患的主觀因素

2.1 使用人員的安全意識淡薄

科研團隊PI承擔繁重的教學和科研任務，學生也需要面對科研論文的壓力，主觀意識上容易產生“重科研、輕安全”。微生物工程發酵實驗因涉及上、中、下游整個流程，試驗環節多、周期長、操作復雜和體力勞動強度大，以及發酵設備不像其他學科儀器，學生主觀上容易輕視培訓或者感到枯燥，容易忽視安全問題。在實驗中，使用人員經驗不足而對一些安全隱患前兆不夠敏感，諸如對“跑”“冒”“滴”“漏”小事故的苗頭視而不見，沒有及時排查這些事故苗頭，極有可能釀成大事故。

2.2 儀器操作不嚴格或不規范

同其他平臺一樣，實驗操作過程中的失誤也是生物工程平臺事故發生的主要原因之一。近年來，由于操作不當導致發酵罐損壞和人員傷亡事故屢見報道，李志紅［8］對100 起實驗室安全事故統計分析發現，因為違反操作規程或者操作不當而造成人員傷亡的占將近80%，如：某高校技術人員在發酵罐121 ℃滅菌階段，直接用涼水沖視鏡，導致造成視鏡炸裂、高溫培養基噴出燙傷操作人員。2018 年陜西楊凌某生物科技公司1 名作業人員在密閉發酵罐內取發酵菌種昏迷，另外3 人進罐施救，導致4 人窒息死亡。對這些不當操作導致事故發生的原因分析，表面原因是有限空間作業未嚴格遵守“先通風、再檢測、后作業”的標準程序，而深層次原因則是安全培訓不力、安全管理制度不完善和管理人員把關不嚴等綜合因素所致。

2.3 儀器設備日常維護不到位

儀器的日常維修和保養是確保儀器正常運行和安全使用的重要保障。尤其生物工程平臺中涉及一些特種設備及其安全附件，須加強日常維護。但某些平臺可能因經費不足、管理制度不嚴或儀器管理員職責疏忽等原因，對于特種設備的安全附件未按國家規定進行定期檢驗、或超期未檢，導致重大人身事故的發生。彭華松等［9］對北京大學、上海交通大學、中山大學等多所高校生物類實驗室的師生調查發現：高達26.3%的師生未對實驗室的生物安全柜進行定期檢測和維護，極易造成病原微生物釋放到環境，造成人員健康危害和環境的生物安全風險。

3 生物工程公共平臺安全運行管理策略

3.1 合理科學布局，強化基礎保障設施建設

（1）科學規范合理的布局。整個工程平臺體系的上、中、下游布局既要滿足實際使用需求，又要實現功能區和危險源的合理分布，尤其防爆區域單獨劃分，可最大限度降低事故的發生幾率。交大生工平臺，具體布局如圖1 所示，上、中、下游試驗區和防爆區都要根據功能進行分區域布局，其中在氣體安全管理和布局方面，平臺還采用“專用氣瓶室+實驗室氣瓶柜+氣體發生器”組合供氣模式，專用氣瓶室遠離有人區，設置在專門的防爆區域；對于部分用量相對較小的則在實驗室配備專用氣瓶柜，或者配備專門的氣體發生器代替。這種組合式、集約化供氣模式，有效減少了實驗室氣體鋼瓶存量，減少危險源的同時也提升了環境的整潔美觀程度。蒸汽、無菌壓縮空氣“集中供應，專人專管”。

圖1 生物工程公共平臺總體布局

（2）健全專用設備和基礎設施建設。生物工程平臺因實際需要，有時涉及病原微生物研究，這就需要專門的設備和設施來確保實驗過程的安全，生物實驗室建設也要符合《實驗室生物安全通用要求》（GB19489-2008）。如微生物代謝國家重點實驗室建設有生物安全二級實驗室（P2），且取得上海市病原微生物實驗室備案憑證（BSL-2），涉及病原微生物操作項目有：金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、肺炎克雷伯菌等25 類菌。通過嚴格的培訓和監管，相關人員在做好個人防護的前提下，才可以從事危害程度為第三類的病原細菌菌種、樣本的研究、教學、檢測和診斷等活動。

（3）生物工程下游清潔生產工藝的設施要做整體性規劃。生物工程中試不同于其他生產，生物制品生產過程使用的微生物菌株、發酵過程排放的尾氣、目標產物提取工藝路線，以及產品本身都可能存在潛在的生態危害。生工平臺的大型發酵罐（見圖2），1 h排放尾氣累計最高達30 m3，必須建設配套尾氣過濾設施，防止有活性的工程菌株釋放到環境。此外，使用有機溶劑萃取、濃縮、蒸餾、沉淀和結晶，要做到密閉生產（見圖3），其生產車間要達到防爆級別，保證通風換氣設施合規和嚴控火源；管式、碟式離心機等固液分離設備屬于開放式操作，要有隔離屏障防止高速離心可能產生的氣溶膠。生工平臺實驗型噴霧干燥設備雖然小，干燥量低，仍然需要淋洗去除異味，嚴控粉塵排放。

圖2 生物工程平臺300 L發酵罐及配套30 L種子罐

圖3 生物工程平臺中試規 模萃取濃縮系統

3.2 建設信息化智能監控系統

大數據、云計算、虛擬化等技術不斷涌現的互聯網時代，基于“互聯網+”的信息化管理系統，在高校儀器管理中發揮了重要支撐作用［10］。生物工程平臺的管理系統基本實現了掌上預約、遠程監控、短信報警、環境監測和多媒體發布等功能（見圖4），從而助力平臺的高效管理，提高了實驗室的安防水平。

圖4 生物工程平臺信息化智能管理網絡

（1）嚴格管理實驗室準入。實驗室制定和實行嚴格的安全準入，通過頒發“電子培訓證書”，將儀器培訓、安全培訓的考核與預約系統關聯，只有安全培訓考核合格，才有相應的預約權限。門禁刷卡RFID 系統與儀器預約系統綁定，只有經過預約授權的校園一卡通才能進相應的實驗室。

（2）重點部位視頻監控。發酵實驗中最常見的一個棘手的問題是泡沫多而引發逃液，容易造成生物安全風險，以及劇毒品等的管控，對這些重要的風險點全天候高清無死角攝像監控，可以全程溯源儀器運行情況和學生使用情況。

（3）實時的環境監測和報警設備。實驗室安裝溫濕度、CO2、O2、He、H2、CO、PM2.5、PM10 和TVOC 等多種智能化監控終端，監控大屏上隨時顯示相關數據并與報警系統關聯。特別是針對易燃、有毒氣體的泄漏，一旦發生意外事故，能第一時間處理。

3.3 建立健全安全管理規范制度，注重日常維護

（1）建立健全安全管理制度。生物工程是生物學和工程學的融合，安全管理上既要有用電、用水、防火防盜、儀器設備的操作規程、壓力容器、?；饭芸氐囊话阈枨螅嗅槍ι镱悓I實驗室特點的管理制度，如做好病原微生物的備案管理，定期開展生物安全風險評估，健全實驗室生物安全日常培訓制度，規范生物廢棄物的處理等［11］。針對發酵工程平臺的主要安全因素，其安全管理要突出“安全第一，預防為主”的原則，首先要加強管理制度的建設，落實“學?！海ㄏ担獙嶒炇摇比壒芾眢w系，安全責任具體到個人。

（2）注重日常安全管理。學校設立了專項資金對壓力容器的安全附件、滅菌設施、生物安全柜、通風設施、消防設施等進行定期檢驗和維護，確保運行安全正常。常態化的安全巡檢是保障實驗室安全的重要手段。平臺通過管理員每周自查、學院每月定期檢查以及期末大檢查、學校例行抽查等，對?；饭芾砼_賬、生物廢棄物、有機化學試劑的處置等全面排查，及時研判風險，排查隱患，切斷事故發生的因果鏈條。

3.4 引入虛擬仿真技術，助力操作培訓

發酵實驗是生物工程專業實驗的重要組成部分?，F代發酵生產過程不可避免地接觸有毒性、刺激性、腐蝕性和易燃易爆的試劑，易造成人身傷害，學生難有機會真正實踐。不銹鋼原位滅菌發酵罐有復雜的雙層結構（罐體外有一層夾套）和管路結構，如蒸汽、冷卻水、壓縮空氣、加熱循環水管路以及多種閥門。由于在線蒸汽滅菌（SIP）程序復雜，具有一定的危險性，在實踐教學中學生經常會緊張、恐懼而誤操作導致燙傷等事故［12］。采用現代虛擬仿真實踐教學（virtual reality，VR），在模擬仿真環境下進行逼真的實踐教學和操作技能訓練，可以解決現代發酵過程的不可視、不可摸、不可入、高危險、高投入和高污染等教學難題。交大生工平臺引入虛擬仿真技術，將滅菌程序的單元操作進行逼真的模擬培訓，讓學生在虛擬場景中操作閥門，體驗夾套排水、夾套進蒸汽、罐體進蒸汽、121 ℃保溫滅菌、降溫進冷水、進無菌壓縮空氣保壓等整個滅菌過程的溫度、壓力變化，提前熟悉整個高溫滅菌過程，從而為實操打下基礎。通過先虛擬仿真操作再實操，95%以上的學生能夠熟練掌握整個高壓滅菌流程，降低了誤操作的次數、提升了學生自主完成實驗的信心。

3.5 科學優化下游提取工藝，降低不安全因素

針對生物工程下游大體積使用有機溶媒的現實需求，平臺除了實驗環境、通風換氣等硬件設施嚴格達標外，綜合運用膜分離濃縮、冷凍干燥、噴霧干燥、板框壓濾等手段，從源頭上改進或者科學優化工藝流程，以實現不用或者大幅減量使用有機溶劑。按照工藝確需有機溶劑萃取，則采用正交試驗、響應面設計等優化方法，就溶劑的種類、濃度、體積，以及抽提時間、次數等進行科學的優化，既要能保證抽提效率，同時兼顧溶劑的毒性、沸點、使用量等參數，盡可能用無毒或者低毒的試劑以減少對環境的污染，從源頭規避風險，保障師生的身心健康。

3.6 強化師生安全教育

生產安全事故三要素包括人的不安全行為、物的不安全狀態、環境因素，而人的因素是決定性因素。據統計，70% ～80%的實驗室安全事故由人為因素造成［13］。因此，師生的安全教育在整個安全管理體系中尤為關鍵。通過新生開學第一課、“安全生產月”系列活動、安全知識競賽、評比“優秀規范實驗室”、圖片展覽、實驗室的安全手冊、墻報等途徑，開展日常安全知識宣傳教育，營造良好的安全文化氛圍，提升師生重視安全的積極性和參與度。定期組織師生參加壓力容器上崗證培訓考核。2021 年生命學院舉辦2 次消防和?；沸孤毖菥殻? 次管控化學品規范線上線下交流研討會、1 次生物安全專題研討會，累計參加人數超過1 000 人。通過“日常宣傳+專題培訓+體驗式的應急演練”，實現全員系統性的安全教育，增強防范意識，提升自救互救能力，促進師生的安全觀念從“要我安全”到“我要安全”的轉變［14］。

4 結 語

習近平總書記在黨的二十大報告中提到，我國的生物醫藥在過去5 年取得了重大成果。高校生物工程平臺應面向國家生物醫藥產業的重大戰略需求，打通實驗室小規模、中試生產工藝路線，以實現與企業的無縫對接，加速生物醫藥產業化進程。保障師生的安全始終是高校所有科學研究和教學順利開展的前提。生物工程實驗涉及生物安全、高溫高壓、易燃易爆有機溶劑萃取操作等一系列安全問題，必須要引起高度關注，其安全管理一定要緊扣學科特點，樹立“以人為本，預防為主”的管理理念［15］，牢牢守住安全底線。未來還要持續加大經費投入以升級平臺的軟硬件設施，進一步優化功能布局，深入探索低成本、低污染的節能降耗的自動化清潔生產工藝流程，減少有機溶劑使用，降低體力勞動強度，確保生物工程平臺上、中、下游全過程安全運行，更好地服務于教學和科研。