Kapitel 8, Handbuch zur biologischen Sicherheit: Laborbelüftung für die biologische Sicherheit

Herkömmliche Abzugshauben für Laborchemikalien (oder Laborabzüge) dienen dazu, chemische Dämpfe aufzufangen, zu kontrollieren und sie vom Arbeiter wegzuziehen. Obwohl der einströmende Luftstrom den Benutzer schützt, bieten Chemikalienhauben keinen Schutz für das Produkt (den gewünschten Organismus, der manipuliert wird). Sofern kein HEPA-Filter (High Efficiency Particulate Air) hinzugefügt wird, bieten chemische Hauben keinen Schutz vor der Freisetzung lebensfähiger Organismen in die Umwelt. Der Luftstrom innerhalb einer Chemikalienhaube ist oft etwas turbulent, was möglicherweise dazu führen kann, dass der Benutzer den verwendeten Organismen ausgesetzt wird. Kurz gesagt, eine Chemikalienhaube ist keine biologische Sicherheitswerkbank und sollte nicht für die Handhabung und Manipulation von Krankheitserregern verwendet werden.

Bei horizontalen Laminar-Flow-Reinbänken strömt HEPA-gefilterte Luft horizontal durch den Arbeitsbereich direkt auf den Benutzer zu (siehe Diagramm am Ende dieses Kapitels). Diese Reinstbänke bieten Produktschutz und wurden ursprünglich entwickelt, um eine partikelfreie Umgebung für die Herstellung von Halbleiterkomponenten zu schaffen. Saubere Bänke bieten zwar Produktschutz vor mikrobieller Kontamination, sie bieten jedoch keinen persönlichen Schutz oder Schutz für die Umwelt. Tatsächlich bläst der horizontale Luftstrom biologische Wirkstoffe direkt in Richtung des Benutzers und in das Labor. Reinstbänke sind keine biologischen Sicherheitswerkbänke und sollten nicht mit Materialien (biologischer, chemischer oder radiologischer Natur) verwendet werden, die zum Schutz von Personal oder Umwelt eine Eindämmung erfordern. Saubere Labore sind für Gewebekulturarbeiten nur mit Zelllinien akzeptabel, die ein geringes Risiko (BSL-1-Erreger) für Labormitarbeiter darstellen (einschließlich immungeschwächter Personen, die das Labor häufig aufsuchen). Menschliche Zelllinien und nichtmenschliche Primatenzelllinien gelten im Allgemeinen als BSL-2-Erreger und sind für die Verwendung in einer Reinbank nicht geeignet.

Es gibt drei Klassen von biologischen Sicherheitswerkbänken (BSCs), Klasse I, II und III (siehe Schema unten). Alle BSCs bieten Personal- und Umweltschutz, wobei BSCs der Klassen II und III auch Produktschutz bieten. Der Personenschutz wird durch die nach innen gerichtete Luftströmung durch die Vorderseite des Schranks erreicht; Der Produktschutz wird durch einen nach unten gerichteten HEPA-gefilterten Luftstrom von der Oberseite des Schranks erreicht; und Umweltschutz wird durch HEPA-Filtration der Abluft erreicht. BSCs der Klasse II sind bei weitem die am häufigsten in biomedizinischen Forschungslabors verwendeten Schränke, und an der University of Nevada, Reno sind derzeit keine BSCs der Klassen I oder III im Einsatz.

Beschreibung des Diagramms: Biosicherheitsschränke gehören zu einer von drei Klassen: Klasse I, Klasse II oder Klasse III. Innerhalb der Klasse II werden die Schränke weiter nach Typ unterteilt. Schränke vom Typ A gibt es entweder als Typ A1 oder als Typ A2. Schränke vom Typ B gibt es entweder als Typ B1 oder als Typ B2. Schränke vom Typ C gibt es nur als Typ C1.

BSCs der Klasse I ähneln chemischen Abzugshauben insofern, als die einströmende Luft an der Vorderseite des Schranks eindringt, durch den Arbeitsbereich strömt, an der Rückseite des Schranks austritt und ins Freie abgeführt wird. Der Hauptunterschied besteht darin, dass chemische Abzugshauben normalerweise über keinen Filtermechanismus verfügen, um zu verhindern, dass Verunreinigungen nach außen gelangen (es sei denn, es wird ein Filter oder Wäscher hinzugefügt), wohingegen die gesamte von einer BSC der Klasse I abgesaugte Luft vor der Entlüftung einen HEPA-Filter passieren muss draußen erschöpft. Der Lufteinstrom in ein BSC der Klasse I sorgt für den Schutz des Personals und die HEPA-Filtration der Abluft sorgt für den Schutz der Umwelt. BSCs der Klasse I bieten jedoch keinen Produktschutz. BSCs der Klasse I eignen sich für Arbeiten mit BSL-1-, -2- oder -3-Agenten, wenn kein Produktschutz erforderlich ist. BSCs der Klasse I werden im Allgemeinen nur zur Unterbringung von Geräten verwendet, wenn die Freisetzung infektiöser Aerosole möglich ist.

Schränke der Klasse II sind für den Personen-, Produkt- und Umweltschutz konzipiert. Alle BSCs der Klasse II sind für Arbeiten mit BSL-1-, -2- und -3-Organismen konzipiert. BSCs der Klasse II werden basierend auf Konstruktion, Luftstrom und Abluftsystemen in Schränke vom Typ A und B unterteilt (siehe Diagramme am Ende dieses Kapitels).

Schränke vom Typ A1 haben einen Luftstrom von 75 Fuß pro Minute (fpm) und zirkulieren etwa 70 % der Abluft durch den HEPA-Zufuhrfilter zurück in den Arbeitsbereich. Einige Schränke des Typs A1 verfügen über potenziell kontaminierte Luftkammern, die unter Überdruck stehen. Jeder Bruch des Überdruck-Plenums oder der Leitungen würde zum Verlust der Eindämmung und zur möglichen Freisetzung von Material führen. Die gesamte Abluft wird HEPA-gefiltert, bevor sie entweder in den Raum oder durch Leitungen nach außen über einen Baldachinanschluss abgegeben wird, der dazu dient, die Auswirkungen von Schwankungen im Raumluftstrom auf die Schrankleistung zu minimieren. Die Luftumwälzung innerhalb des Schranks und die Ableitung der Abluft direkt in den Raum schließen den Einsatz von Schränken des Typs A1 für flüchtige Chemikalien oder flüchtige Radionuklide aus. Im BSC Typ A2 können kleinste Mengen flüchtiger giftiger Chemikalien oder Radionuklide verwendet werden, wenn diese über einen Baldachinanschluss nach außen abgeleitet werden.

Schränke vom Typ A2 ähneln Schränken vom Typ A1, weisen jedoch zwei bemerkenswerte Unterschiede auf. BSCs vom Typ A2 halten eine durchschnittliche Anströmgeschwindigkeit von 100 Fuß pro Minute aufrecht und alle Abluftkanäle und Sammelräume stehen unter Unterdruck. Die Luft aus dem BSC wird durch einen HEPA-Filter entweder in den Raum oder durch Leitungen über einen Baldachinanschluss nach außen abgegeben. Nur wenn der BSC nach außen geführt wird, erfüllt er die Anforderungen des früheren BSC der Klasse II, Typ B3. Geringste Mengen flüchtiger giftiger Chemikalien oder Radionuklide können im BSC Typ A2 nur dann verwendet werden, wenn die Abgase über eine Überdachungsverbindung nach außen abgeführt werden.

Schränke vom Typ B1 halten eine durchschnittliche Einströmgeschwindigkeit von 100 Fuß pro Minute aufrecht und sind so konzipiert, dass kleine Mengen an Karzinogenen und flüchtigen Radionukliden, die für mikrobiologische Arbeiten erforderlich sind, sicher gehandhabt werden können. Um die Ansammlung dieser Chemikalien im Schrank zu verhindern, wird die nach unten strömende Luft „aufgeteilt“, wobei ein Teil zur Vorderseite des Schranks und ein Teil zur Rückseite des Schranks geleitet wird, wo sie direkt durch einen HEPA-Filter nach außen abgegeben wird über feste Leitungen ohne Rezirkulation innerhalb des Schranks. Flüchtige Chemikalien sollten im direkten Abluftbereich (hinten) des Schranks gehandhabt werden, um eine Rezirkulation zu verhindern. Ungefähr 30 % der Abluft werden als HEPA-gefilterte Abluft zurückgeführt. Schränke vom Typ B1 eignen sich für BSL-1-, -2- oder -3-Wirkstoffe, die mit flüchtigen toxischen Chemikalien und flüchtigen Radionukliden behandelt werden und in mikrobiologischen Studien verwendet werden, wenn die Arbeit im direkten Abluftteil (hinten) des BSC durchgeführt wird.

Schränke vom Typ B2 halten eine durchschnittliche Einströmgeschwindigkeit von 100 Fuß pro Minute aufrecht. Diese Schränke werden als „Total Exhaust-Schränke“ bezeichnet, da die gesamte einströmende und abströmende Luft nur einmal durch den Schrank strömt (ohne Rückführung) und dann direkt durch einen HEPA-Filter und über harte Kanäle nach außen abgesaugt wird. Da im Schrank keine Luftzirkulation stattfindet, muss die nach unten strömende Luft aus dem Raum (an der Oberseite des Schranks) angesaugt und dann HEPA-gefiltert werden, bevor sie in den Schrank gelangt. Schränke vom Typ B2 eignen sich für BSL-1-, -2- oder -3-Wirkstoffe, die mit flüchtigen toxischen Chemikalien und flüchtigen Radionukliden behandelt werden und in mikrobiologischen Studien verwendet werden. Da im Schrank keine Luftzirkulation stattfindet, sind Schränke vom Typ B2 teuer im Betrieb und sollten nur dann eingesetzt werden, wenn die Verwendung flüchtiger giftiger Chemikalien und flüchtiger Radionuklide erforderlich ist. Schränke vom Typ B2 bieten keinen zusätzlichen Schutz vor biologischer Sicherheit im Vergleich zu anderen BSCs der Klasse II.

BSCs der Klasse III verfügen über ein Glove-Box-Design (gasdichte Eindämmung), das ein Höchstmaß an Personenschutz sowie Produkt- und Umweltschutz bietet. Sowohl Zu- als auch Abluft sind HEPA-gefiltert. Diese Schränke sollten unter einem Unterdruck von mindestens 0,5" wg gehalten werden. Die Abluft wird durch doppelte HEPA-Filter (oder HEPA- und Luftverbrennung) ins Freie abgeleitet. Der Durchgang von Materialien in und aus BSCs der Klasse III erfordert den Durchgang durch einen Tauchtank oder Doppeltüriger Durchgangskasten, der dekontaminiert werden kann (z. B. ein Autoklav). Schränke der Klasse III bieten das höchste Maß an Eindämmung und können für Arbeiten mit allen infektiösen Erregern verwendet werden; am besten eignen sie sich jedoch für Arbeiten mit BSL-4-Erregern .

Kommerzielle BSCs werden vom Schrankhersteller gemäß den Kriterien der National Sanitation Foundation (NSF) getestet. Schränke, die die NSF-Kriterien für Leistungsmerkmale wie biologische Eindämmung, Belüftung, Schrankleckage und HEPA-Filterleckage erfüllen, sind NSF-zertifiziert. Außerdem ist eine Feldzertifizierung von BSCs erforderlich, um sicherzustellen, dass der Schrank immer noch die Leistung erbringt, die er hatte, als er im Werk die NSF-Zertifizierung erhielt. Eine Feldzertifizierung wird von der CDC und den NIH unter den folgenden Umständen verlangt: 1) bei der Installation eines neuen BSC, 2) danach jährlich, 3) nach der Durchführung von Reparaturen oder Wartungsarbeiten und 4) nach dem Standortwechsel des BSC.

Der NSF-Standard 49 bietet Kriterien für den Bau von BSCs, Tests durch Hersteller (einschließlich Tests zur biologischen Eindämmung) und Feldzertifizierung. NSF hat außerdem ein Zertifizierungsprogramm für Feldzertifizierer eingerichtet, um ein Mindestmaß an Kompetenz und Professionalität sicherzustellen. Es wird empfohlen, NSF-Feldzertifizierer für die Feldzertifizierung von BSCs zu verwenden. Zu den Feldzertifizierungstests gehören:

Die Universität hat eine einzige BSC-Zertifizierungsvereinbarung mit einem zugelassenen BSC-Zertifizierer, um die wettbewerbsfähigsten Preise für die Zertifizierung von BSCs auf dem Universitätscampus sicherzustellen. Durch diese Vereinbarung wird eine jährliche Zertifizierung eines BSC durchgeführt und vom Forschungs- und Innovationsbüro und der EH&S-Abteilung bezahlt. Die Zahlung für Reparatur und Wartung von BSCs über die jährliche Zertifizierung hinaus liegt in der Verantwortung des einzelnen Labors oder der einzelnen Abteilung. Dieses Programm wird von Cheston Carpenter in EH&S koordiniert und Fragen oder Probleme bezüglich der Zertifizierung von BSCs sollten an ihn unter [email protected] oder (775)-784-4342 gerichtet werden.

Die Installation und Verwendung eines BSC ist ein Hinweis darauf, dass sichere Arbeitspraktiken erforderlich sind, um Kontaminationen und Infektionen zu verhindern. Moderne BSCs sind aufwändig konstruiert und bieten eine hervorragende Eindämmung von Mikroorganismen. Sie sind jedoch kein Ersatz für gute Arbeitspraktiken und können lediglich als Ergänzung zu einem sicheren Arbeitnehmer dienen. Im Folgenden finden Sie allgemeine Empfehlungen für die Verwendung von BSC.

Ein typisches Layout für die Arbeit von sauber nach schmutzig (von links nach rechts) in einem BSC

Beschreibung des Diagramms: Raumluft strömt in die Oberseite der Reinraumbank und in den HEPA-Zufuhrfilter. HEPA-gefilterte Luft strömt in den Arbeitsbereich der Reinraumbank und aus der Schieberöffnung an der Vorderseite des Geräts heraus. Einige Reinstbänke mit vertikalem Luftstrom verfügen über Umluft durch vordere und/oder hintere Gitter.

Beschreibung des Diagramms: Raumluft strömt durch die vordere Öffnung unter dem Frontschieber in die Vorderseite der Biosicherheitswerkbank. Die Luft strömt dann durch das Abluftplenum zur Rückseite des Schranks, während ein Teil der Luft im Arbeitsbereich des Geräts zirkuliert. Die Luft strömt schließlich durch einen HEPA-Abluftfilter an der Oberseite des Schranks, der dann die HEPA-gefilterte Luft in den Raum abgibt.

Kann über einen Vordachanschluss in den Raum oder ins Freie abgeführt werden. Beschreibung des Diagramms: Die Raumluft strömt in die vordere Öffnung des Biosicherheitsschranks unter dem Schieber. Die Luft strömt dann durch Gitter unten vorne und unten hinten an der Arbeitsfläche, wo sie durch das gemeinsame Sammelrohr nach oben zum Abluftgebläse strömt. Die Luft wird dann aufgeteilt, wobei ein Teil durch einen Zuluft-HEPA-Filter in den Arbeitsbereich des Schranks strömt und ein anderer Teil durch den Abluft-HEPA-Filter strömt, bevor er in den Raum abgegeben wird. Seit 2010 gibt es bis auf die Anströmgeschwindigkeit nur minimale Unterschiede zwischen Klasse II, Typ A1 und Klasse II, Typ A2.

Fest nach außen geleitet. Beschreibung des Diagramms: Raumluft strömt durch die vordere Öffnung unter dem Frontrahmen in die Vorderseite des Biosicherheitsschranks der Klasse II, Typ B1. Ein Teil der Luft strömt durch ein spezielles Unterdruck-Abluftplenum an der Rückseite des Geräts, wo sie dann durch einen HEPA-Abluftfilter strömt. HEPA-gefilterte Luft wird dann über eine direkte Verbindung zum Abluftsystem des Gebäudes aus dem Schrank abgesaugt. Andere Luft im Arbeitsbereich der Biosicherheitswerkbank strömt durch einen HEPA-Zufuhrfilter, wo sie durch das Gebläse unter Überdruck gesetzt wird. Für die Zuluft ist eine zusätzliche HEPA-Filterung vorgesehen, sodass die Luft, die in den Arbeitsbereich des BSC strömt, HEPA-gefiltert wird.

Feste Leitungen nach außen. Beschreibung des Diagramms: Raumluft strömt durch die vordere Öffnung unter dem Frontschieber in die Vorderseite des Biosicherheitsschranks der Klasse II, Typ B2. Raumluft gelangt auch durch eine Öffnung an der Oberseite des Geräts in das Gerät, wo sie durch einen HEPA-Zufuhrfilter strömt, bevor sie in den Arbeitsbereich der Biosicherheitswerkbank gelangt. Die Luft im BSC strömt dann durch ein Unterdruck-Abluftplenum aus dem Gerät, wo sie durch einen Abluft-HEPA-Filter strömt, bevor sie durch eine direkte Verbindung zum Abluftsystem des Gebäudes strömt.

Nicht an das Abgassystem des Gebäudes angeschlossen. Beschreibung des Diagramms: Die Raumluft strömt durch die vordere Öffnung unter dem Frontschieber in die Vorderseite des Biosicherheitsschranks der Klasse II, Typ C1. Die Luft im Arbeitsbereich des BSC wird dann aufgeteilt, wobei ein Teil zurück zu einem Zuluftgebläse und einem Zuluftfilter strömt und ein anderer Teil der Luft durch ein Abluftgebläse und einen Abluft-HEPA-Filter strömt. HEPA-gefilterte Luft wird direkt in den Raum abgegeben.

Angeschlossen an das Abgassystem des Gebäudes. Beschreibung des Diagramms: Die Raumluft strömt durch die vordere Öffnung unter dem Frontschieber in die Vorderseite des Biosicherheitsschranks der Klasse II, Typ C1. Die Luft im Arbeitsbereich des BSC wird dann aufgeteilt, wobei ein Teil zurück zu einem Zuluftgebläse und einem Zuluftfilter strömt und ein anderer Teil der Luft durch ein Abluftgebläse und einen Abluft-HEPA-Filter strömt. HEPA-gefilterte Luft wird direkt in den Raum abgegeben. Eine Öffnung/Lücke im Vordach oben an der Vorderseite des BSC ermöglicht es der Raumluft, in die Abluftkanäle des Gebäudes zu gelangen, ohne dass sie durch das BSC strömen muss. Optionale flexible Leitungen verbinden den Abluftkanal mit dem Abgassystem der Anlage.

Alle Diagramme übernommen aus BMBL, 6. Auflage 2020, Centers for Disease Control.

Kapitel 9: Menschliches Gewebe und Zellkultur