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一、概述

Thermo Scientific 1300系列生物安全柜是赛默飞世尔科技旗下的高端实验室防护设备，专为微生物学、生物制药、临床检验及细胞培养等高风险操作环境设计。该系列安全柜在空气动力学设计、过滤系统与安全性能上表现卓越，其核心运行原理之一便是气流平衡（Airflow Balance）。

气流平衡是生物安全柜实现“三重防护”（人员防护、样品防护、环境防护）的关键技术。通过对进气、下降气流及排风比例的精准控制，安全柜能够在内部维持稳定的负压区与洁净气流层，从而有效阻断气溶胶外泄并确保操作区内样品不受外界污染。

本文将从气流平衡的原理、构成、调节机制、检测方法及维护要点等方面，对Thermo Scientific 1300系列生物安全柜的气流系统进行系统解析。

二、气流平衡的基本原理

生物安全柜的气流控制基于层流与负压原理，其核心目标是在操作区与外部环境之间形成一个可控的空气屏障。

1. 三气流构成

Thermo Scientific 1300系列的气流系统由以下三部分组成：

• 下降气流（Downflow Airflow）：经HEPA过滤后的洁净空气以恒定速度从柜顶垂直向下流动，形成层流气幕，覆盖整个工作区，防止外部空气进入操作空间。

• 前吸入口气流（Inflow Airflow）：从操作口下缘吸入一定比例的空气，形成负压屏障，防止柜内气溶胶逸出。

• 排风气流（Exhaust Airflow）：柜内的受污染空气经过HEPA过滤后排出，确保环境不受污染。

三者之间必须保持严格的流量比例与压力差，才能实现有效的防护。

2. 气流平衡的本质

所谓“气流平衡”，是指进风、循环风与排风之间在体积流量、方向及速度上的动态协调。其目的是维持柜内稳定的负压环境，使空气始终由外向内流动，而不会外泄污染物。

如果进风过大，会破坏层流，导致操作区乱流；若进风不足，则柜内负压减弱，存在气溶胶外逸风险。因此，气流平衡的稳定性直接决定生物安全柜的防护性能。

三、Thermo Scientific 1300系列的气流系统设计

Thermo Scientific在1300系列中应用了多项空气动力学优化技术，使气流平衡更为精确、稳定和节能。

1. 双风机智能控制系统

该系列安全柜配备上下双风机结构：

• 顶部风机负责提供下降层流气流；

• 底部或后部风机维持前吸气流与排风流量。

通过内置压力传感器与微处理控制单元，系统能实时监测气流速率并自动调整风机转速，实现智能平衡控制。

2. 高效HEPA过滤系统

下降气流与排风均通过H14级HEPA过滤器（效率≥99.995%）。过滤器阻力变化会影响气流分布，因此Thermo在设计中采用低阻高容尘滤材，并结合自动补偿机制以维持气流平衡。

3. 负压包围结构

整个操作腔外层设计为负压包围系统，即便局部密封失效，空气仍会被吸入而非外泄，从结构上保障安全。

4. 动态流场优化

1300系列安全柜的内部气流经过计算流体动力学（CFD）优化设计。风道截面与出风口形状经过精确调整，使得下降层流均匀覆盖操作台面，避免涡流或盲区。

四、气流平衡调节机制

1. 自动气流补偿功能

设备配备压力感应系统，当过滤器阻力因使用时间增加而上升时，控制系统会自动提升风机转速，以维持恒定的流速与负压值。此自动补偿功能确保长期运行的稳定性。

2. 手动调节模式

在设备初次安装、年度验证或维修后，可通过工程师界面手动调整气流比例：

• 调整下降气流速度以保证洁净度；

• 调整吸入口风速以确保安全防护；

• 保持排风与循环风比例在设计值（典型为30%排风、70%内循环）。

3. 前窗高度联动控制

前窗开启高度直接影响吸入口流速。设备设有限位传感器，当窗口高于推荐值时，系统自动报警并增加风机转速，以维持平衡。

五、气流平衡的检测与验证

定期检测是确保生物安全柜持续符合标准的必要措施。

1. 检测项目

气流平衡验证通常包括以下项目：

• 下降气流速度测试：测定层流速度是否在0.33–0.53 m/s之间；

• 吸入口流速测试：测定吸入口平均风速≥0.5 m/s；

• 气流模式可视化：使用烟雾发生器观察气流流线，无回流、外逸现象；

• 压力差测定：确认操作区与环境间存在恒定负压（通常为≥10 Pa）。

2. 测试仪器

常用设备包括热式风速仪、微压差计、烟雾发生器与光度计。所有仪器需经计量校准。

3. 测试频率

• 新设备安装后

• 每年定期性能验证

• 更换HEPA过滤器或风机后

• 设备移动或维修后

六、气流失衡的常见原因与诊断

气流失衡是导致安全柜防护性能下降的主要原因。常见情况包括：

1. 过滤器堵塞或破损：尘埃积累增加阻力，风速下降或不均。

2. 风机老化或转速异常：供风量变化，无法维持恒定流速。

3. 前窗高度设置错误：开口过大导致吸入口速度不足。

4. 实验室通风环境干扰：门窗开启、空调送风影响柜体气流。

5. 安装位置不当：安全柜靠近通风口或人行通道，气流扰动明显。

诊断方法

• 通过烟雾可视化判断流线异常位置；

• 对比上下风机转速与风速仪数据；

• 检查报警系统是否正常触发。

七、维护与校准

1. 定期清洁与检查

• 每周清理前进风格栅及工作台面，防止灰尘堆积；

• 每半年检测风机轴承润滑状态；

• 每年校准传感器与风速监控模块。

2. 过滤器维护

当风机转速已达上限仍无法维持设定风速时，应更换HEPA过滤器。更换后须重新调节气流平衡并记录。

3. 软件更新与数据记录

1300系列具有智能控制系统，可实时记录风速、压差与报警数据。建议实验室定期导出数据进行趋势分析，以预防性能衰减。

八、气流平衡验证的标准参考

Thermo Scientific 1300系列生物安全柜的气流平衡测试依据以下国际标准执行：

• NSF/ANSI 49：美国国家标准，对BSC气流与性能提出详细要求；

• EN 12469：欧盟标准，规定了微生物安全柜的安全性能与验证方法；

• YY 0569-2011：中国医药行业标准，对生物安全柜性能进行统一评估。

这些标准均要求：

• 下降气流速度稳定且均匀；

• 吸入口速度不低于最低安全值；

• 工作区与外界保持负压差；

• 气流模式在烟雾可视化测试中无外泄迹象。

九、气流平衡的优化策略

为了在日常运行中保持最佳的气流状态，实验室可采取以下措施：

1. 合理布局：避免安全柜正对门口、通风口或高频走动区域。

2. 控制环境风速：实验室内气流速度不宜超过0.3 m/s。

3. 操作规范化：操作者动作应轻缓，避免手臂遮挡气流。

4. 减少障碍物：工作区内物品摆放不应影响垂直层流。

5. 防止堵塞：定期检查前吸入口格栅是否有纸巾、试管架遮挡。

6. 持续监测：启用风速报警系统，当气流异常时及时提示。

十、气流平衡与节能性能的结合

Thermo Scientific 1300系列在保持高防护标准的同时，还注重能源效率。
其风机采用直流无刷电机（ECM），可根据实时气流负载自动调节功率，比传统交流风机节能高达70%。

在自动气流平衡系统作用下，设备既能维持恒定安全气流，又能在低负载状态下自动降速运行，从而降低能耗并减少噪声。