周萬平, 許 杰, 孫 偉, 呂霽烊, 祝新德
(上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,儀器共享與技術(shù)服務(wù)平臺,上海 200240)
隨著高校綜合改革和“雙一流”建設(shè)啟動(dòng),高校的公共實(shí)驗(yàn)平臺的整體水平得到了提升,但同時(shí)也面臨著日益嚴(yán)峻的實(shí)驗(yàn)室安全工作壓力[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì),2000~2019 年,國內(nèi)高校實(shí)驗(yàn)室安全事故達(dá)110 起[4]。尤其是生物工程公共平臺,因其儀器設(shè)備的自身特性,不但有數(shù)量較多的各類大中型發(fā)酵罐、蒸汽發(fā)生器、蒸汽滅菌柜和高速離心機(jī)等設(shè)備,生物工程下游實(shí)驗(yàn)過程中還經(jīng)常大量使用易燃、易揮發(fā)有機(jī)溶劑,以及病原微生物等多種危險(xiǎn)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(fā)生是相關(guān)平臺管理者必須首先思考的問題。
微生物代謝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的生物工程公共平臺(文中簡稱“交大生工平臺”),歷經(jīng)10 多年建設(shè)和發(fā)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(gòu)建和高通量的誘變選育(上游)、發(fā)酵體系逐級放大與過程控制(中游)和生物工程下游產(chǎn)物的提取與純化(下游)整個(gè)鏈條,形成了從應(yīng)用基礎(chǔ)研究到產(chǎn)品開發(fā)的完整研發(fā)技術(shù)體系?,F(xiàn)結(jié)合生物工程公共平臺運(yùn)行和管理,分別從硬件設(shè)施、軟件管理、規(guī)章制度和安全教育等方面提出具體措施,加大經(jīng)費(fèi)投入升級平臺的軟硬件設(shè)施,進(jìn)一步優(yōu)化功能布局,深入探索低成本、低污染的節(jié)能降耗的自動(dòng)化清潔生產(chǎn)工藝流程,減少有機(jī)溶劑使用,降低體力勞動(dòng)強(qiáng)度,確保生物工程平臺上、中、下游全過程的安全運(yùn)行,更好地服務(wù)于教學(xué)和科研,助力平安校園建設(shè)。
壓力容器是生物工程平臺最基本的常規(guī)設(shè)備,其兼具特種設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)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(zhì)種類多樣,極易發(fā)生泄漏、爆炸、火災(zāi)等重大事故。而且一旦發(fā)生爆炸、泄漏事故,很容易導(dǎo)致連鎖反應(yīng),嚴(yán)重危及師生的生命財(cái)產(chǎn)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(shí)驗(yàn)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(fā)酵罐外,有原位滅菌不銹鋼發(fā)酵罐11 臺,最大容積300 L。還有多臺高壓滅菌鍋、2臺蒸汽發(fā)生器(總功率54 kW)、空氣壓縮機(jī)、大型空氣儲罐(最大工作壓力0.8 MPa,容積500 L)、4 臺脈動(dòng)真空滅菌器(單臺容積1 200 L,功率90 kW)等,因?yàn)榘l(fā)酵過程的特殊要求,許多設(shè)備需要24 h 連續(xù)運(yùn)行,尤其在夜晚無人監(jiān)督情況下,更易發(fā)生事故。此外,氣體鋼瓶數(shù)目較多且存放集中。常規(guī)配備氣體鋼瓶高達(dá)30 個(gè)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(diǎn)關(guān)注的安全隱患之一。
精準(zhǔn)辨識實(shí)驗(yàn)室的危險(xiǎn)源,是科學(xué)合理的開展實(shí)驗(yàn)或平臺安全風(fēng)險(xiǎn)評估的基礎(chǔ)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(xiǎn)源,比如:易燃易爆試劑/氣體、強(qiáng)氧化/腐蝕試劑、病原微生物、儀器設(shè)備類等,根據(jù)危險(xiǎn)源的分類,以及結(jié)合生物工程平臺功能和定位,需要關(guān)注的安全隱患危險(xiǎn)源(見表1)。
表1 生物工程公共平臺常見的危險(xiǎn)源分類
生物發(fā)酵耦合萃取工藝是生物工程下游分離純化的常規(guī)技術(shù)手段。萃取技術(shù)因設(shè)備簡單、工藝簡捷等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于從復(fù)雜體系中提純目標(biāo)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(jī)溶劑多為閃點(diǎn)較低的易燃物質(zhì),即使在較低的操作溫度下也極易被點(diǎn)燃,有機(jī)溶劑如果處理不當(dāng)會引起火災(zāi)甚至爆炸。尤其一些特殊實(shí)驗(yàn),涉及大體積有機(jī)溶劑的使用,或?yàn)榱颂岣叱樘嵝识訙睾图訅?,這都是增加了萃取實(shí)驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)。
公共平臺相較于一般科研實(shí)驗(yàn)室,人員流動(dòng)性更大,一直存在“新老生交替”現(xiàn)象,客觀上給平臺的安全教育培訓(xùn)和安全管理上都增大難度。公共平臺為了培養(yǎng)研究生的實(shí)際動(dòng)手能力,采用“管理員培訓(xùn)+學(xué)生自主操作”模式,但使用儀器的人員安全認(rèn)知和實(shí)踐動(dòng)手能力差異大,培訓(xùn)的效果也因人而異,因此,每一個(gè)人為意外事故發(fā)生都可能存在不確定性。生工平臺面向?qū)W校生、農(nóng)、醫(yī)、藥、環(huán)境和食品等相關(guān)專業(yè)教師、學(xué)生和工作人員開放,實(shí)行24 h 預(yù)約開放管理,2021 年累計(jì)有15 569 人次預(yù)約使用生工平臺的儀器,僅發(fā)酵罐預(yù)約使用累計(jì)達(dá)410 批次,達(dá)3 萬多機(jī)時(shí)。工程平臺的多人次、高頻率和連續(xù)使用,極易發(fā)生安全事故的風(fēng)險(xiǎn)。
科研團(tuán)隊(duì)PI承擔(dān)繁重的教學(xué)和科研任務(wù),學(xué)生也需要面對科研論文的壓力,主觀意識上容易產(chǎn)生“重科研、輕安全”。微生物工程發(fā)酵實(shí)驗(yàn)因涉及上、中、下游整個(gè)流程,試驗(yàn)環(huán)節(jié)多、周期長、操作復(fù)雜和體力勞動(dòng)強(qiáng)度大,以及發(fā)酵設(shè)備不像其他學(xué)科儀器,學(xué)生主觀上容易輕視培訓(xùn)或者感到枯燥,容易忽視安全問題。在實(shí)驗(yàn)中,使用人員經(jīng)驗(yàn)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(shí)排查這些事故苗頭,極有可能釀成大事故。
同其他平臺一樣,實(shí)驗(yàn)操作過程中的失誤也是生物工程平臺事故發(fā)生的主要原因之一。近年來,由于操作不當(dāng)導(dǎo)致發(fā)酵罐損壞和人員傷亡事故屢見報(bào)道,李志紅[8]對100 起實(shí)驗(yàn)室安全事故統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),因?yàn)檫`反操作規(guī)程或者操作不當(dāng)而造成人員傷亡的占將近80%,如:某高校技術(shù)人員在發(fā)酵罐121 ℃滅菌階段,直接用涼水沖視鏡,導(dǎo)致造成視鏡炸裂、高溫培養(yǎng)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(yè)人員在密閉發(fā)酵罐內(nèi)取發(fā)酵菌種昏迷,另外3 人進(jìn)罐施救,導(dǎo)致4 人窒息死亡。對這些不當(dāng)操作導(dǎo)致事故發(fā)生的原因分析,表面原因是有限空間作業(yè)未嚴(yán)格遵守“先通風(fēng)、再檢測、后作業(yè)”的標(biāo)準(zhǔn)程序,而深層次原因則是安全培訓(xùn)不力、安全管理制度不完善和管理人員把關(guān)不嚴(yán)等綜合因素所致。
儀器的日常維修和保養(yǎng)是確保儀器正常運(yùn)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(shè)備及其安全附件,須加強(qiáng)日常維護(hù)。但某些平臺可能因經(jīng)費(fèi)不足、管理制度不嚴(yán)或儀器管理員職責(zé)疏忽等原因,對于特種設(shè)備的安全附件未按國家規(guī)定進(jìn)行定期檢驗(yàn)、或超期未檢,導(dǎo)致重大人身事故的發(fā)生。彭華松等[9]對北京大學(xué)、上海交通大學(xué)、中山大學(xué)等多所高校生物類實(shí)驗(yàn)室的師生調(diào)查發(fā)現(xiàn):高達(dá)26.3%的師生未對實(shí)驗(yàn)室的生物安全柜進(jìn)行定期檢測和維護(hù),極易造成病原微生物釋放到環(huán)境,造成人員健康危害和環(huán)境的生物安全風(fēng)險(xiǎn)。
(1)科學(xué)規(guī)范合理的布局。整個(gè)工程平臺體系的上、中、下游布局既要滿足實(shí)際使用需求,又要實(shí)現(xiàn)功能區(qū)和危險(xiǎn)源的合理分布,尤其防爆區(qū)域單獨(dú)劃分,可最大限度降低事故的發(fā)生幾率。交大生工平臺,具體布局如圖1 所示,上、中、下游試驗(yàn)區(qū)和防爆區(qū)都要根據(jù)功能進(jìn)行分區(qū)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(shí)驗(yàn)室氣瓶柜+氣體發(fā)生器”組合供氣模式,專用氣瓶室遠(yuǎn)離有人區(qū),設(shè)置在專門的防爆區(qū)域;對于部分用量相對較小的則在實(shí)驗(yàn)室配備專用氣瓶柜,或者配備專門的氣體發(fā)生器代替。這種組合式、集約化供氣模式,有效減少了實(shí)驗(yàn)室氣體鋼瓶存量,減少危險(xiǎn)源的同時(shí)也提升了環(huán)境的整潔美觀程度。蒸汽、無菌壓縮空氣“集中供應(yīng),專人專管”。
圖1 生物工程公共平臺總體布局
(2)健全專用設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。生物工程平臺因?qū)嶋H需要,有時(shí)涉及病原微生物研究,這就需要專門的設(shè)備和設(shè)施來確保實(shí)驗(yàn)過程的安全,生物實(shí)驗(yàn)室建設(shè)也要符合《實(shí)驗(yàn)室生物安全通用要求》(GB19489-2008)。如微生物代謝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)有生物安全二級實(shí)驗(yàn)室(P2),且取得上海市病原微生物實(shí)驗(yàn)室備案憑證(BSL-2),涉及病原微生物操作項(xiàng)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(yán)格的培訓(xùn)和監(jiān)管,相關(guān)人員在做好個(gè)人防護(hù)的前提下,才可以從事危害程度為第三類的病原細(xì)菌菌種、樣本的研究、教學(xué)、檢測和診斷等活動(dòng)。
(3)生物工程下游清潔生產(chǎn)工藝的設(shè)施要做整體性規(guī)劃。生物工程中試不同于其他生產(chǎn),生物制品生產(chǎn)過程使用的微生物菌株、發(fā)酵過程排放的尾氣、目標(biāo)產(chǎn)物提取工藝路線,以及產(chǎn)品本身都可能存在潛在的生態(tài)危害。生工平臺的大型發(fā)酵罐(見圖2),1 h排放尾氣累計(jì)最高達(dá)30 m3,必須建設(shè)配套尾氣過濾設(shè)施,防止有活性的工程菌株釋放到環(huán)境。此外,使用有機(jī)溶劑萃取、濃縮、蒸餾、沉淀和結(jié)晶,要做到密閉生產(chǎn)(見圖3),其生產(chǎn)車間要達(dá)到防爆級別,保證通風(fēng)換氣設(shè)施合規(guī)和嚴(yán)控火源;管式、碟式離心機(jī)等固液分離設(shè)備屬于開放式操作,要有隔離屏障防止高速離心可能產(chǎn)生的氣溶膠。生工平臺實(shí)驗(yàn)型噴霧干燥設(shè)備雖然小,干燥量低,仍然需要淋洗去除異味,嚴(yán)控粉塵排放。
圖2 生物工程平臺300 L發(fā)酵罐及配套30 L種子罐
圖3 生物工程平臺中試規(guī) 模萃取濃縮系統(tǒng)
大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、虛擬化等技術(shù)不斷涌現(xiàn)的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的信息化管理系統(tǒng),在高校儀器管理中發(fā)揮了重要支撐作用[10]。生物工程平臺的管理系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了掌上預(yù)約、遠(yuǎn)程監(jiān)控、短信報(bào)警、環(huán)境監(jiān)測和多媒體發(fā)布等功能(見圖4),從而助力平臺的高效管理,提高了實(shí)驗(yàn)室的安防水平。
圖4 生物工程平臺信息化智能管理網(wǎng)絡(luò)
(1)嚴(yán)格管理實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)入。實(shí)驗(yàn)室制定和實(shí)行嚴(yán)格的安全準(zhǔn)入,通過頒發(fā)“電子培訓(xùn)證書”,將儀器培訓(xùn)、安全培訓(xùn)的考核與預(yù)約系統(tǒng)關(guān)聯(lián),只有安全培訓(xùn)考核合格,才有相應(yīng)的預(yù)約權(quán)限。門禁刷卡RFID 系統(tǒng)與儀器預(yù)約系統(tǒng)綁定,只有經(jīng)過預(yù)約授權(quán)的校園一卡通才能進(jìn)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室。
(2)重點(diǎn)部位視頻監(jiān)控。發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中最常見的一個(gè)棘手的問題是泡沫多而引發(fā)逃液,容易造成生物安全風(fēng)險(xiǎn),以及劇毒品等的管控,對這些重要的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)全天候高清無死角攝像監(jiān)控,可以全程溯源儀器運(yùn)行情況和學(xué)生使用情況。
(3)實(shí)時(shí)的環(huán)境監(jiān)測和報(bào)警設(shè)備。實(shí)驗(yàn)室安裝溫濕度、CO2、O2、He、H2、CO、PM2.5、PM10 和TVOC 等多種智能化監(jiān)控終端,監(jiān)控大屏上隨時(shí)顯示相關(guān)數(shù)據(jù)并與報(bào)警系統(tǒng)關(guān)聯(lián)。特別是針對易燃、有毒氣體的泄漏,一旦發(fā)生意外事故,能第一時(shí)間處理。
(1)建立健全安全管理制度。生物工程是生物學(xué)和工程學(xué)的融合,安全管理上既要有用電、用水、防火防盜、儀器設(shè)備的操作規(guī)程、壓力容器、危化品管控的一般需求,更要有針對生物類專業(yè)實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)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(fēng)險(xiǎn)評估,健全實(shí)驗(yàn)室生物安全日常培訓(xùn)制度,規(guī)范生物廢棄物的處理等[11]。針對發(fā)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(yù)防為主”的原則,首先要加強(qiáng)管理制度的建設(shè),落實(shí)“學(xué)?!海ㄏ担獙?shí)驗(yàn)室”三級管理體系,安全責(zé)任具體到個(gè)人。
(2)注重日常安全管理。學(xué)校設(shè)立了專項(xiàng)資金對壓力容器的安全附件、滅菌設(shè)施、生物安全柜、通風(fēng)設(shè)施、消防設(shè)施等進(jìn)行定期檢驗(yàn)和維護(hù),確保運(yùn)行安全正常。常態(tài)化的安全巡檢是保障實(shí)驗(yàn)室安全的重要手段。平臺通過管理員每周自查、學(xué)院每月定期檢查以及期末大檢查、學(xué)校例行抽查等,對?;饭芾砼_賬、生物廢棄物、有機(jī)化學(xué)試劑的處置等全面排查,及時(shí)研判風(fēng)險(xiǎn),排查隱患,切斷事故發(fā)生的因果鏈條。
發(fā)酵實(shí)驗(yàn)是生物工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)的重要組成部分?,F(xiàn)代發(fā)酵生產(chǎn)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(xué)生難有機(jī)會真正實(shí)踐。不銹鋼原位滅菌發(fā)酵罐有復(fù)雜的雙層結(jié)構(gòu)(罐體外有一層夾套)和管路結(jié)構(gòu),如蒸汽、冷卻水、壓縮空氣、加熱循環(huán)水管路以及多種閥門。由于在線蒸汽滅菌(SIP)程序復(fù)雜,具有一定的危險(xiǎn)性,在實(shí)踐教學(xué)中學(xué)生經(jīng)常會緊張、恐懼而誤操作導(dǎo)致燙傷等事故[12]。采用現(xiàn)代虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)(virtual reality,VR),在模擬仿真環(huán)境下進(jìn)行逼真的實(shí)踐教學(xué)和操作技能訓(xùn)練,可以解決現(xiàn)代發(fā)酵過程的不可視、不可摸、不可入、高危險(xiǎn)、高投入和高污染等教學(xué)難題。交大生工平臺引入虛擬仿真技術(shù),將滅菌程序的單元操作進(jìn)行逼真的模擬培訓(xùn),讓學(xué)生在虛擬場景中操作閥門,體驗(yàn)夾套排水、夾套進(jìn)蒸汽、罐體進(jìn)蒸汽、121 ℃保溫滅菌、降溫進(jìn)冷水、進(jìn)無菌壓縮空氣保壓等整個(gè)滅菌過程的溫度、壓力變化,提前熟悉整個(gè)高溫滅菌過程,從而為實(shí)操打下基礎(chǔ)。通過先虛擬仿真操作再實(shí)操,95%以上的學(xué)生能夠熟練掌握整個(gè)高壓滅菌流程,降低了誤操作的次數(shù)、提升了學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)的信心。
針對生物工程下游大體積使用有機(jī)溶媒的現(xiàn)實(shí)需求,平臺除了實(shí)驗(yàn)環(huán)境、通風(fēng)換氣等硬件設(shè)施嚴(yán)格達(dá)標(biāo)外,綜合運(yùn)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(jìn)或者科學(xué)優(yōu)化工藝流程,以實(shí)現(xiàn)不用或者大幅減量使用有機(jī)溶劑。按照工藝確需有機(jī)溶劑萃取,則采用正交試驗(yàn)、響應(yīng)面設(shè)計(jì)等優(yōu)化方法,就溶劑的種類、濃度、體積,以及抽提時(shí)間、次數(shù)等進(jìn)行科學(xué)的優(yōu)化,既要能保證抽提效率,同時(shí)兼顧溶劑的毒性、沸點(diǎn)、使用量等參數(shù),盡可能用無毒或者低毒的試劑以減少對環(huán)境的污染,從源頭規(guī)避風(fēng)險(xiǎn),保障師生的身心健康。
生產(chǎn)安全事故三要素包括人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、環(huán)境因素,而人的因素是決定性因素。據(jù)統(tǒng)計(jì),70% ~80%的實(shí)驗(yàn)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(gè)安全管理體系中尤為關(guān)鍵。通過新生開學(xué)第一課、“安全生產(chǎn)月”系列活動(dòng)、安全知識競賽、評比“優(yōu)秀規(guī)范實(shí)驗(yàn)室”、圖片展覽、實(shí)驗(yàn)室的安全手冊、墻報(bào)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(xùn)考核。2021 年生命學(xué)院舉辦2 次消防和危化品泄漏應(yīng)急演練,2 次管控化學(xué)品規(guī)范線上線下交流研討會、1 次生物安全專題研討會,累計(jì)參加人數(shù)超過1 000 人。通過“日常宣傳+專題培訓(xùn)+體驗(yàn)式的應(yīng)急演練”,實(shí)現(xiàn)全員系統(tǒng)性的安全教育,增強(qiáng)防范意識,提升自救互救能力,促進(jìn)師生的安全觀念從“要我安全”到“我要安全”的轉(zhuǎn)變[14]。
習(xí)近平總書記在黨的二十大報(bào)告中提到,我國的生物醫(yī)藥在過去5 年取得了重大成果。高校生物工程平臺應(yīng)面向國家生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的重大戰(zhàn)略需求,打通實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模、中試生產(chǎn)工藝路線,以實(shí)現(xiàn)與企業(yè)的無縫對接,加速生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。保障師生的安全始終是高校所有科學(xué)研究和教學(xué)順利開展的前提。生物工程實(shí)驗(yàn)涉及生物安全、高溫高壓、易燃易爆有機(jī)溶劑萃取操作等一系列安全問題,必須要引起高度關(guān)注,其安全管理一定要緊扣學(xué)科特點(diǎn),樹立“以人為本,預(yù)防為主”的管理理念[15],牢牢守住安全底線。未來還要持續(xù)加大經(jīng)費(fèi)投入以升級平臺的軟硬件設(shè)施,進(jìn)一步優(yōu)化功能布局,深入探索低成本、低污染的節(jié)能降耗的自動(dòng)化清潔生產(chǎn)工藝流程,減少有機(jī)溶劑使用,降低體力勞動(dòng)強(qiáng)度,確保生物工程平臺上、中、下游全過程安全運(yùn)行,更好地服務(wù)于教學(xué)和科研。