เทคโนโลยีตู้ชีวนิรภัย.. มาดูกัน ตู้ปลอดเชื้อ คืออะไร ?


2018-11-07 16:40

จำนวนครั้งที่เปิดอ่าน : 9,275

ตู้ปลอดเชื้อ หรือ Biological Safety Cabinet มักเรียกสั้นๆ ว่า Biosafety Cabinet มีตัวย่อและใช้เรียกง่ายๆ ว่าตู้ BSC นั่นเอง ตู้ปลอดเชื้อ มีประวัติการใช้งานมายาวนาน รู้ไหมว่า ในอดีตเขาทำงานกับเชื้ออย่างไร

  • การคิดค้นเริ่มแรกของการนำตู้ปลอดเชื้อมาใช้ทำงานกับเชื้อนั้น เริ่มจากการกั้นห้องที่มีอยู่เป็นห้องเล็กๆ เพื่อใช้ป้องกันไม่ให้เชื้อแพร่กระจายไปยังสิ่งแวดล้อม แต่ก็ไม่สามารถป้องกันตัวผู้ทำงานจากการติดเชื้อได้
  • ต่อมาจึงมีการพัฒนาออกแบบตู้เพื่อเพิ่มการป้องกันตัวผู้ทำงาน ที่มีลักษณะเป็นกล่องทำด้วยไม้และทำ เป็นเหล็ก Stainless ในเวลาต่อมา มีช่องเปิด 2 ช่องที่ยึดติดปลอกแขนซึ่งทำด้วยผ้ากันนํ้าให้สามารถสอดมือเข้าไปทำงานในกล่องได้ อากาศภายในกล่องนิ่งไม่มีการไหลเวียน แต่ก็ยังมีปัญหาที่เกิดจากรอยรั่วตรงรอยตะเข็บของปลอกแขน ทำให้ผู้ใช้งานติดเชื้อถึงแก่ชีวิตได้
  • หลังจากนั้นได้พัฒนาให้เป็นตู้ที่มีอากาศภายในไหลเวียน แต่ก็ยังไม่สามารถควบคุมการไหลเวียนได้ดีพอ
  • จนกระทั่งมีการพัฒนาแผ่นกรอง HEPA filer ที่ทำด้วยกระดาษในยุคนั้นซึ่งถือเป็นเทคโนโลยีหรือวิธีที่สำคัญที่ทำให้การใช้งานในตู้ปลอดเชื้อ มีความปลอดภัยต่อผู้ใช้งาน
  • จนถึงปัจจุบันนี้ความสำเร็จจากการนำเทคโนโลยีการไหลของม่านอากาศ (Laminar airflow) พัดลม (Blower) และเทคโนโลยีการดักจับอนุภาคเชื้อด้วย HEPA filter มาทำงานร่วมกัน เราจึงมีตู้ปลอดเชื้อที่สามารถป้องกันการแพร่กระจายเชื้อไปยังตัวผู้ใช้งาน สิ่งแวดล้อม และยังสามารถป้องกันการปนเปื้อนในงานที่ทำอีกด้วย

นอกจากเทคโนโลยีตู้ปลอดเชื้อที่กล่าวมาแล้ว ที่ช่วยให้มีการป้องกันการติดเชื้อระหว่างทำงาน แต่อีกปัจจัยที่สำคัญไม่น้อยกว่ากัน คือ ตัวผู้ปฏิบัติงานเองจะต้องรู้วิธีใช้งานตู้ชีวนิรภัยอย่างถูกต้องด้วย และต้องมีความรู้ ทักษะที่ถูกต้องในการทำงานทางจุลชีววิทยา (Good Microbiological Technique) เช่นรู้จักวิธีการใช้ไปเปต ใช้งานตู้ปลอดเชื้อได้อย่างถูกต้อง ฯลฯ รวมทั้งต้องมีความเข้าใจในมาตรฐานการปฏิบัติงานทางจุลชีววิทยา (Standard Microbiological Practice) เช่นต้องล้างมือหลังจากทำงานกับเชื้ออันตราย รู้วิธีการจัดการของมีคม ฯลฯ จึงจะป้องกันการแพร่กระจายเชื้อได้อย่างสมบูรณ์

สรุป ตู้ BSC ประกอบด้วยเทคโนโลยีสำคัญ 3 ส่วนคือ

HEPA filter (แผ่นกรอง) ที่มีประสิทธิภาพสูงในการดักจับอนุภาคเชื้อโรค
Blower/fan/motor (พัดลม) เพื่อควบคุมการไหลเวียนของอากาศภายในตู้และอากาศที่ไหลผ่าน HEPA filter
Laminar flow เป็นม่านอากาศภายในตู้ที่เคลื่อนที่เป็นแบบทิศทางเดียว

รูปที่ 1 โครงสร้างภายในตู้ปลอดเชื้อ (BSC) แสดงส่วนสำคัญ 3 ส่วน
(ที่มา: WHO laboratory biosafety manual 2004)

มาดูกันซิว่า เทคโนโลยี ทั้ง 3 ส่วนนี้สำคัญ อย่างไร

1. HEPA filter

🌳HEPA filter คืออะไร
HEPA filter ย่อมาจาก High Efficiency Particulate Air filter นั่นเอง HEPA filter คือแผ่นกรอง ทำด้วย Boron silicate fiber หรือ Glass fiber ที่เคลือบด้วยสารกันน้ำที่ประกอบด้วยเส้น Fiber ที่สานไปมาเกิดช่องว่าง (Air space) ระหว่างกันของเส้น Fiber มีขนาด 0.3 ไมครอนหรือมากกว่า จากภาพขยาย Filter (รปูที่ 2) จะเห็นว่าเส้นผ่าศูนย์กลางของช่องว่าง (Open space) หรือ รูผ่านกรอง (Pore size) มีหลายขนาดต่างๆ กัน แต่สามารถดักจับอนุภาคเชื้อได้ แผ่นกรองจะถูกพับกลับไปมา (Pleating) เพื่อเพิ่มพื้นที่และคั่นด้วยแผ่น Aluminium (รูปที่ 3) ป้องกัน ไม่ให้แผ่นกรองล้มหรือพับจากแรงกระแสลมภายในตู้ BSC และยังเป็นทางให้กระแสลมไหลผ่านได้ ตัวแผ่นกรองจะถูก บรรจุไว้ในกรอบ (Frame) และติดกาวให้สนิทแน่น สิ่งที่ควรระวัง คือ ถ้าการเก็บแผ่นกรองไม่ถูกต้องหรือทำตกหล่น อาจทำให้แผ่นกรองเสียหายตรงบริเวณติดกาว ทำให้ฉีกขาดได้ หรือทำให้แผ่นกรองขยับเลื่อนเกิดช่อง (Leak) ได้ จึงเป็นเหตุผลสำคัญที่จะต้องตรวจสอบสภาพความสมบูรณ์ของ HEPA filter เมื่อมีการติดตั้งตู้ BSC ที่จุดใช้งาน

รูปที่ 2 HEPA filter กำาลังขยาย 500 เท่า แสดงรู/ช่องเปิดที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางแตกต่างกัน

รูปที่ 3 แสดง HEPA filter พับไปมา

🌳HEPA filter มีประโยชน์อย่างไรนะ !
HEPA filter เป็นแผ่นกรองอากาศ (Air filter) ที่มีประสิทธิภาพสูงในการดักจับอนุภาคเล็กๆ เช่นเชื้อโรค ในอากาศ ทำให้สามารถควบคุมเชื้อโรคไว้ไม่ให้กระจายหรือปนเปื้อนไปยังส่วนอื่น HEPA filter จึงเป็นหัวใจสำคัญที่ ทำให้ลดการปนเปื้อนของเชื้อ (Contamination) ในงานที่ทำไม่ว่าจะเป็นงานเพาะเลี้ยงเซลล์ หรือ งานเพิ่มจำนวนไวรัส ลดการติดเชื้อของผู้ปฏิบัติงาน และลดการกระจายเชื้อออกสู่ภายนอกสิ่งแวดล้อม ดังนั้น HEPA filter จึงถูกนำมาใช้ในตู้ BSC อย่างกว้างขวาง และวงการอื่น เช่น ในโรงงานอุตสาหกรรม นิวเคลียร์ อิเล็กทรอนิกส์ และเภสัชกรรม

🌳ขนาดของอนุภาคเชื้อโรคเป็นอย่างไร เมื่อเปรียบเทียบกับขนาดรู Pore size ของแผ่นกรอง HEPA
เราทราบกันแล้วว่า ขนาดของเชื้อไวรัสหรือแบคทีเรีย ใช้หน่วยวัดในระดับไมครอน (Micron) ซึ่งมขีนาดเล็กมาก จนนึกภาพไม่ออกว่าเล็กแค่ไหน แต่ถ้าลองมาเปรียบเทียบขนาดกับสิ่งที่เราคุ้นเคยเช่น เส้นผม โดยทั่วไปเส้นผม จะมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 50-150 ไมครอน ฝุ่นและเส้นใยของผ้า มีขนาด 0.01-100 ไมครอน ส่วนเชื้อไวรัส หรือ แบคทีเรียมีขนาดแค่ 0.001-10 ไมครอนหรือ 0.0001-0.01 มิลลิเมตร เท่านั้นเอง ในขณะที่รูของแผ่นกรอง HEPA มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง ตั้งแต่ 0.3 ไมครอนหรือมากกว่า ซึ่งใหญ่กว่าขนาดอนุภาคเชื้อส่วนใหญ่

🌳HEPA filter ดักจับอนุภาคตัวจิ๋วได้อย่างไรกัน!
สงสัยไหมว่า เชื้อตัวเล็กจิ๋วของเรา จะหลุดลอดออกมาจาก HEPA filter ที่มีขนาด Pore size 0.3 ไมครอน ซี่งใหญ่กว่าขนาดของเชื้อ ได้หรือไม่ ลองคิดดู.. เรามักเข้าใจสับสนไปว่าแผ่นกรอง HEPA filter ทำงานเหมือนตะแกรง (Sieves) ร่อนทรายที่ดักจับก้อนเม็ดทรายใหญ่ไว้ แล้วปล่อยให้เม็ดทรายขนาดเล็กไหลผ่านออกมาได้ ซึ่งไม่ได้เป็น เช่นนั้น แผ่นกรอง HEPA จะถูกออกแบบมาทำหน้าที่ดักจับอนุภาคที่เล็กกว่ารูแผ่นกรอง (Pore size) อย่างเจ้าเชื้อไวรัสหรือแบคทีเรียตัวจิ๋ว ไม่ให้หลุดออกมาได้

มาดูหลักการของการกรองกันดีกว่า ว่าดักจับอนุภาคเล็กๆ นี้ได้อย่างไรกัน

แผ่นกรอง HEPA จะสามารถดักจับอนุภาคที่ลอยอยู่ในกระแสลมได้ ก็เพราะอนุภาคเหล่านั้นวิ่งไปสัมผัสหรือ ชนกับเส้นใยและถูกดักจับเอาไว้ นั่นเอง ที่น่าสนใจ ก็คือมีหลากหลายกลไก ที่ทำให้อนุภาคเคลื่อนที่ไปสัมผัสกับ เส้นใยได้ ซึ่งกลไกการดักจับนี้มี 4 วิธี ดังนี้

⭐️Sieve effect เป็นกลไกการยับยั้งอนุภาคที่ใหญกว่า Pore size ของ Filter (0.3 ไมครอนหรือมากกว่า) ไม่ให้ผ่านออกไปได้ วิธีนั้นเข้าใจง่าย ชัดเจน คล้ายกับตะแกรงร่อนทราย ดังนั้นอนุภาคที่มีขนาดใหญ่ ส่วนหนึ่งจะ ถูกดักจับไว้ด้วยวิธี Sieve effect

รูปที่ 4 Sieve effect

⭐️Inertial impaction เป็นอีกกลไกหนึ่งที่เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคที่ใหญ่กว่า 0.3 ไมครอน ไม่ได้เคลื่อนตามไป กับกระแสลม แต่เคลื่อนด้วยความเฉื่อยของตัวอนุภาคเอง จึงหลุดออกจากกระแสลม วิ่งมาชนและถูกดักจับไว้ที่เส้นใย ของ Filter

รูปที่ 5 Inertial impaction

⭐️Interception เป็นกลไกหนึ่งที่ทำาให้อนุภาคที่ใหญ่กว่า 0.1 ไมครอนถูกดักจับไว้ อนุภาคที่มีขนาดเบา เหล่านี้จะเคลื่อนไปตามกระแสลม และถูกดักจับไว้ที่เส้นใยของ Filter เมื่อเคลื่อนไปอยู่ใกล้กับกระแสลม

รูปที่ 6 Interception

⭐️Brownian diffusion วิธีนี้เกิดกับอนุภาคที่เล็กกว่า 0.1 ไมครอน ที่เคลื่อนในกระแสลมและวิ่งชนกับ โมเลกุลแก๊สในทิศทางลมทำาให้เกิดการเคลื่อนตัวแบบ Zigzag และถูกดักจับไว้ที่ Fiber ในที่สุด

รูปที่ 7 Diffusion

สรุปว่า

อนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่าหรือเล็กกว่า Pore size ของ HEPA filter จะถูกดักจับไว้ได้ทั้งหมด ด้วยประสิทธิภาพพอๆ กัน สุดท้าย อย่าลืมว่า HEPA filter ดักจับอนุภาคได้ แต่จะไม่สามารถดักจับแก๊สและ ไอสารเคมี

⭐️ประสิทธิภาพของ HEPA filter บอกอะไร?

ประสิทธิภาพของ HEPA filter จะบอกความสามารถของแผ่นกรองในการดักจับอนุภาคในปริมาณเท่าไร และที่ขนาดอนุภาคเท่าไร ดังนั้น ประสิทธิภาพของ Filter จึงถูกกำาหนดค่าเป็นปริมาณหรือเปอร์เซ็นต์ของอนุภาคที่ ถูกดักจับไว้บน HEPA filter และกำากับด้วยขนาดของอนุภาคที่ใช้ทดสอบ ตามประสิทธิภาพของ Filter ด้วย ซึ่งเขียน ได้ดังนี้

"ประสิทธิภาพ HEPA 99.97% ที่ขนาดอนุภาค 0.3 ไมครอน"

ตัวเลขทั้งสอง มีความหมายว่าสามารถดักจับอนุภาคบนแผ่นกรองได้เท่าไร และบอกถึงขนาดของอนุภาคที่ ดักจับไว้ได้ พูดอีกนัยหนึ่งก็คือ แผ่นกรองมีประสิทธิภาพในการดักจับอนุภาคขนาด 0.3 ไมครอน ได้ถึง 99.97% และมีอนุภาคเพียง 0.03% ที่เล็ดลอดไปได้ แต่อนุภาคที่ขนาดใหญ่กว่าหรือเล็กกว่า 0.3 ไมครอน (กลุ่มเชื้อแบคทีเรีย และไวรัส) จะถูกดักจับไว้ได้หมด ตามกราฟที่แสดงประสิทธิภาพการดักจับอนุภาค และขนาดของอนุภาค อนุภาคขนาด 0.3 ไมครอน ถูกดักจับได้ 99.97% ในขณะที่ขนาดมากกว่าและน้อยกว่า 0.3 ไมครอน จะถูกดักจับ ได้มากกว่า หรือ 100%

รูปที่ 8 ขนาดของอนุภาคและความสามารถของแผ่น HEPA ในการดักจับอนุภาค

⭐️Specification ของ HEPA filter และการทดสอบ

  • ตามมาตรฐาน ตู้ BSC ของอเมริกา (NSF 49) ตู้ BSC class II ให้ใช้ HEPA filter type C ที่มีประสิทธิภาพ 99.99% ที่ขนาดอนุภาค 0.3 ไมครอน
  • ตามมาตรฐานตู้ BSC ของยุโรป (EN 12469) ใช้ Filter type H14 ที่มีประสิทธิภาพ 99.995% ที่ขนาดอนุภาค 0.3 ไมครอน การทดสอบประสิทธิภาพของ HEPA filter ว่าเป็นไปตามมาตรฐานหรือไม่ ทำาการทดสอบโดยใช้สาร PAO ที่รู้ขนาดของอนุภาคสารแล้ว คือ 0.3 ไมครอน พ่นเข้าไปที่แผ่น Filter แล้ววัดปริมาณสารที่หลุดออกมาจาก filter ถ้ามีปริมาณมากกว่าที่กำหนดก็แสดงว่า เกิดการรั่วที่แผ่น Filter แล้ว ต้องเปลี่ยนแผ่นกรองใหม่ก่อนใช้งานตู้

⭐️ที่เหนือว่า HEPA filter มีไหม !
ยังมี ULPA filter ซึ่งมีประสิทธิภาพสามารถดักจับอนุภาคได้สูงกว่าถึง 99.999-99.9999% ที่ขนาดอนุภาค 0.1-0.2 ไมครอน จะสังเกตว่าขนาดอนุภาคที่ระบุไว้มีขนาดเล็กกว่าของ HEPA การใช้ ULPA filter มักนิยมใช้ในอุตสาหกรรมด้าน Semi-conductor การที่ ULPA สามารถดักจับอนุภาค ที่เล็กกว่า ทำให้ดูเหมือนว่าจะดีกว่า HEPA filter จึงได้มีการนำมาใช้กับตู้ BSC บ้าง แต่ในบางมาตรฐานของตู้ BSC ไม่แนะนำให้ใช้ ด้วยเหตุผลที่ธรรมชาติของเชื้อมักจะไม่อยู่ในสภาพของเชื้อเดี่ยวๆ แต่จะเกาะกลุ่มกัน หรืออาจเกาะกับ อนุภาคอื่นในอากาศ ทำให้มีขนาดใหญ่ซึ่งจะถูกดักจับได้ง่ายอยู่แล้วด้วย HEPA filter จึงไม่น่าจะมีประโยชน์อะไรที่ จะใช้แผ่นกรองชนิด ULPA ซึ่งมีขนาดสูงกว่า อีกอย่างที่สำคัญมากคือ การทดสอบประสิทธิภาพของ ULPA filter (ทดสอบการรั่วของแผ่นกรอง) จะทดสอบด้วยวิธี และใช้เครื่องมือที่แตกต่างกันกับ HEPA filter นั่นคือ ต้องใช้สาร Polystyrene latex ซึ่งปัจจุบันนี้ พบว่าหน่วยงานที่จะให้บริการทดสอบ ULPA filter มีน้อยมาก บางหน่วยงานไม่มี ความรู้ในการทดสอบ ULPA จึงทดสอบด้วยวิธีซึ่งใช้กับ HEPA ซึ่งไม่ถูกต้อง ดังนั้น ผู้ใช้งานจึงต้องมีความรู้ ความเข้าใจบ้าง มิฉะนั้น อาจจะได้ผลการทดสอบ Filter ที่ไม่ถูกต้อง เมื่อได้ทราบแล้วว่าอะไรทำให้ HEPA filter ช่วยดักจับเชื้อ มาดูว่าทำไมพัดลมจึงมีส่วนสำคัญต่อตู้ BSC


2. พัดลม (Biological safety cabinet blower)

ประกอบด้วยส่วนที่เป็นพัดลม (Blower) และมอเตอร์ (Motor) ทำาหน้าที่ควบคุมการไหลของอากาศภายใน ตู้และช่วยควบคุมอากาศให้ไหลผ่านไปที่แผ่นกรองในตู้ BSC class II ที่นิยมใช้มาก แต่ละ Type จะติดตั้งพัดลมใน ตำาแหน่งที่แตกต่างกัน ตู้ class II ในอเมริกา Type A1, B1 ติดตั้งพัดลมอยู่ที่ส่วนล่างของตู้ และ Type A2, B2 ติดพัดลมที่ตอนบนของตู้ หรือตู้ชนิดเดียวกัน อาจออกแบบติดตั้งพัดลมไม่เหมือนกันได้

รูปที่ 9 แสดง ตำาแหน่งของ Blower ของตู้ BSC ชนิด A1 A2 B1 และB2


3. Laminar flow

🌳Laminar flow สำคัญอย่างไร !
Laminar flow เป็นการเคลื่อนที่ของอากาศด้วยความเร็วคงที่ ในทิศทางที่ขนานกันเป็นระนาบเดียวกัน หรือ เรียกว่า ม่านอากาศ การทำให้เกิด Laminar flow หรือ ม่านอากาศ ในตู้ BSC จึงเป็นอีกเทคโนโลยีหนึ่งที่ช่วยให้ สามารถดักจับและดึงเอาเชื้อที่ปนเปื้อนอยู่ในอากาศที่ไหลเวียน (Air stream) แยกออกมาได้ ซึ่งมีความสำคัญในการให้การป้องกันการติดเชื้อให้กับผู้ใช้งานตู้ (Operator) ป้องกันการปนเปื้อนเชื้อไปสู่สิ่งแวดล้อม (Environment) และ ป้องกันการปนเปื้อนเชื้อให้กับงานที่ทำ (Product)

รูปที่ 10 Laminar flow

ถ้า Laminar flow ถูกรบกวนเช่น ขณะทำางานกับตู้ BSC เอามือเข้า-ออกจากตู้เร็วๆ หรือเอาสิ่งของเข้า-ออก บ่อยๆ จะทำให้โอกาสที่เชื้อจะหลุดลอดออกไปนอกตู้ได้ หรือทำให้เชื้อทั่วไปจากภายในห้องเข้ามาในตู้ทำให้ปนเปื้อนกับ งานที่ทำได้ ผู้ที่ปฏิบัติงานในตู้จึงควรมีวิธีการปฏิบัติงานที่ถูกต้อง โดยเคลื่อนมือภายในตู้ช้าๆ ระวังไม่ให้ม่านอากาศ ถูกทำลาย และควรเตรียมสิ่งของใช้ให้พร้อมก่อนลงมือปฏิบัติงาน ลองจินตนาการดูว่าถ้าม่านอากาศสามารถเห็นได้ตามตัวอย่างรูปที่ 10 เมื่อการเคลื่อนมือเข้าออกบ่อยๆ เร็วๆ ก็จะไปทำลายม่านอากาศ มีผลทำให้เชื้อที่อาจมีในตู้กระจายออกนอกตู้เข้าหาผู้ใช้งานได้ ขณะเดียวกัน เชื้อจากข้างนอก ก็มีโอกาสเล็ดลอดเข้าภายในตู้ได้

เมื่อรู้เทคโนโลยีที่เป็นองค์ประกอบสำคัญทั้ง 3 ส่วนของตู้ BSC แล้ว ไปดูคำศัพท์ที่ใช้ในงานติดเชื้อกันเถอะ!


บริษัท ไบโอ พลัส เมดิคอล จำกัด ให้บริการ ด้านการสอบเทียบ, ซ่อม, เปลี่ยนอะไหล่ ผลิต และ จำหน่าย เครื่องมือ วิทยาศาสตร์ ได้แก่ ตู้ Fume Hood แบบมีท่อ และ แบบไร้ท่อ ตู้ปลอดเชื้อ ชนิดต่างๆ Biological Safety Cabinet , Laminar Air Flow , TB. Safety Cabinet (ตู้เก็บเสมหะ) และ อื่นๆ ด้วยเครื่องมือ และ อุปกรณ์ ที่ทันสมัย โทร. 02-152-8277 หรือ 089-920-1509