Cappe di sicurezza biologica

Le cappe di sicurezza biologica (BSCs) sono progettate per proteggere l’operatore, l’ambiente di laboratorio e il materiale di lavoro dall’esposizione ad aerosol e schizzi infetti che possono essere generati durante la manipolazione di materiale contente agenti infettivi quali colture primaria, ceppi e campioni diagnostici. Le particelle di aerosol si formano in qualsiasi attività che conferisce energia a un materiale liquido o semiliquido come lo scuotimento, il versamento, l’agitazione o il gocciolamento su una superficie o in un altro liquido. Altre attività di laboratorio, come seminare piastre di agar, inoculare una fiasca per colture cellulari con una pipetta, usare pipette multicanale per frazionare sospensioni liquide di agenti infetti su piastre di microcolture, omogeneizzare, sospendere materiali infetti e centrifugare liquidi infetti o lavorare con animali, possono generare aerosol infetti.
Le particelle di aerosol con diametro inferiore a 5 μm e piccole goccioline (droplets) con diametro fra 5-100 μm non sono visibili a occhio nudo. Generalmente gli addetti dei laboratori non sono consapevoli della generazione di tali particelle che possono essere inalate o indurre contaminazioni crociate dei materiali sul piano di lavoro. Le cappe di sicurezza biologica, quando usate correttamente, hanno dimostrato una alta efficienza nella riduzione delle infezioni acquisite in laboratorio e delle contaminazioni crociate di colture dovute all’esposizione di aerosol. Le cappe di protezione biologica salvaguardano anche l’ambiente.
Nel corso degli anni la progettazione delle cappe di sicurezza biologica ha subito numerose modifiche.
Il maggior cambiamento si deve all’aggiunta dei filtri ad alta efficienza di filtrazione (HEPA) per la filtrazione dell’aria estratta. Il filtro HEPA trattiene il 99,97% delle particelle di diametro 0,3 μm e il 99,99% di particelle di grandezza superiore o inferiore. Questo fa si che il filtro HEPA trattenga efficacemente tutti gli agenti infettivi conosciuti ed assicura che dalla cappa fuoriesca solo aria libera da micro organismi. La seconda modifica è stata l’introduzione del filtro HEPA direttamente sul piano di lavoro permettendo la protezione da contaminazioni dei materiali collocati su di esso. Questa caratteristica si riferisce spesso alla protezione del prodotto. Questi concetti base di progettazione hanno portato ad una evoluzione della cappe di sicurezza biologica in tre classi.
Nota. Le cappe a flusso verticale e orizzontale con espulsione dell’aria dall’apertura frontale (stazioni di pulizia dell’aria) non sono cappe di sicurezza biologica e non devono essere utilizzate come tali.

Cappe di sicurezza biologica di Classe I

In una cappa di sicurezza biologica di Classe I un flusso d’aria entra attraverso l’apertura frontale ad una velocità minima di 0,38 m/s, passa sopra il piano di lavoro e fuoriesce dalla cappa attraverso un estrattore. Il flusso direzionale dell’aria convoglia nell’estrattore le particelle di aerosol, che possono essersi generate nell’area di lavoro, allontanandole così dagli operatori del laboratorio. L’apertura frontale permette alle braccia dell’operatore di raggiungere il piano di lavoro all’interno della cappa mentre egli segue le operazioni attraverso il vetro. Il vetro può anche essere completamente alzato per permettere la pulizia dell’area di lavoro o per altri scopi.

Cappe di sicurezza biologica

L’aria viene espulsa dalla cappa attraverso un filtro HEPA: (a) all’interno del laboratorio e poi all’esterno attraverso gli estrattori dell’edificio; (b) all’esterno attraverso gli estrattori dell’edificio; o (c) direttamente all’esterno. Il filtro HEPA può essere posizionato nel plenum della cappa o sugli estrattori dell’edificio. Alcune cappe di sicurezza biologica di Classe I sono dotate di un aspiratore integrato, mentre altre confidano sul sistema di aspirazione dell’edificio.
Le cappe di protezione biologica di Classe I sono state le prime BSC riconosciute e grazie alla loro facile progettazione sono ancora ampiamente utilizzate in tutto il mondo. Hanno il vantaggio di proteggere gli operatori e l’ambiente e possono essere anche utilizzate per lavori con radionuclidi e prodotti chimici volatili tossici. Poiché l’aria che penetra sul piano di lavoro attraverso l’apertura frontale non è sterile non si ritiene che questo tipo di cappa sia consistentemente affidabile per la protezione del prodotto.

Cappe di sicurezza biologica di Classe II

Poiché è aumentato l’uso di colture cellulari e tissutali per la moltiplicazione di virus e per altri scopi, non è stato più considerato soddisfacente il passaggio di aria non sterile nell’area di lavoro. Le BSC di Classe II furono progettate non solo per proteggere il personale ma anche per proteggere i materiali sul piano di lavoro dalla contaminazione dell’aria in entrata. Le cappe di sicurezza biologiche di Classe II, di cui esistono quattro tipi (A1, A2, B1 e B2), si differenziano da quelle di Classe I poiché permettono che l’area di lavoro sia attraversata solo da aria filtrata con un filtro HEPA e quindi resa sterile. La BSC di Classe II può essere usata per lavorare con agenti infettivi appartenenti al Gruppo di rischio 2 e 3 e a quelli appartenenti al gruppo di rischio 4 solo se usata in ambiente in cui gli operatori usino tute complete a tenuta e pressurizzate.

Cappe di sicurezza biologica di Classe II tipo A1

Un ventilatore posto all’interno aspira (entrata dell’aria) all’interno della cappa e dentro la griglia della presa d’aria un flusso d’aria dall’apertura frontale. La velocità del flusso d’aria in entrata deve essere almeno di 0,38 m/s sulla superficie dell’apertura frontale. L’aria catturata passa poi attraverso un filtro HEPA prima di essere immessa dall’alto verso il basso nell’area di lavoro.
Siccome il flusso d’aria in discesa si diffonde a circa 6-18 cm dal piano di lavoro, metà del flusso d’aria in discesa passa attraverso la griglia frontale di recupero dell’aria e l’altra metà passa attraverso la griglia posteriore di estrazione. Ogni particella di aerosol che si forma sul piano di lavoro viene immediatamente catturata da questo flusso d’aria discendente e passa attraverso le griglie di captazione anteriore e posteriore, garantendo in tal modo il più alto livello di protezione del prodotto. L’aria viene poi espulsa attraverso il plenum posteriore nello spazio tra i filtri di entrata e di uscita collocati sopra la cappa. Date le dimensioni di questi filtri, circa il 70% dell’aria viene riciclata attraverso il filtro di entrata nell’area di lavoro: il restante 30% passa attraverso il filtro in uscita nel laboratorio o all’esterno.
L’aria espulsa dalla cappa di sicurezza biologica di Classe II A1 può essere riciclata nell’ambiente o essere espulsa all’esterno dell’edificio attraverso un manicotto collegato ad uno condotto dedicato o attraverso il sistema di estrazione dell’edificio. Il riciclo dell’aria all’interno della stanza ha il vantaggio di abbassare i costi energetici poiché l’aria riscaldata e/o raffreddata non viene espulsa nell’ambiente circostante. Il collegamento ad un sistema di dotti di estrazione permette anche che alcune cappe di sicurezza biologica siano utilizzate per lavorare con minime quantità di radionuclidi o sostanze chimiche tossiche volatili.

Classe II tipo A2 collegata all’esterno, cappe di sicurezza biologica B1 e B2

Le cappe di sicurezza di Classe II A2 collegate all’esterno, quelle di Classe II B1 e di Classe II B2 si differenziano rispetto alle cappe di tipo II A1.
Le BSCs differiscono l’una dall’altra per diversi aspetti: la velocità d’ingresso dell’aria dall’apertura frontale; la percentuale di aria riciclata sul piano di lavoro ed espulsa dalla cappa; il sistema di espulsione che determina se l’aria sia scaricata dalla cappa all’interno o all’esterno attraverso uno specifico sistema di estrazione o tramite quello dell’edificio; il gradiente di pressione (se le cappe hanno condotti biologicamente contaminati e il plenum a pressione negativa o se gli stessi sono circondati da condotti e plenum a pressione negativa).

 

Cappe di sicurezza biologica di Classe III

Questo tipo di cappa garantisce il più alto livello di protezione personale ed è utilizzato per gli agenti patogeni appartenenti al Gruppo 4. Tutte le entrate sono a tenuta di gas. L’aria in entrata passa attraverso un filtro HEPA e in uscita passa attraverso due filtri HEPA. Il flusso dell’aria è garantito da uno specifico sistema di aspirazione esterno alla cappa, che mantiene una pressione negativa (circa 124.5 Pa) all’interno della cappa. L’accesso al piano di lavoro è garantito da guanti a manicotto di gomma pesante posizionati frontalmente.
Le BSCs di Classe III devono avere un box di passaggio a doppia porta interbloccate che può essere sterilizzato e dotato di filtro HEPA. La cappa di Classe III può essere collegata ad una autoclave passante e usata per decontaminare tutto il materiale che entra o esce dalla cappa. Diversi glove-box possono essere uniti insieme per ampliare il piano di lavoro. Le BSCs di Classe III sono idonee per lavorare in laboratori con livelli di Biosicurezza 3 e 4.

Condotti d’aria delle cappe di sicurezza biologica

Un “manicotto” o “una cappa” sono progettati per essere utilizzati con le BSC di Classe II A1 e II A2 che immettono l’aria direttamente all’esterno. Il manicotto è posizionato sopra la cappa biologica e convoglia l’aria nello scarico dell’edificio. Una piccola apertura, generalmente di 2,5 cm è collocata tra il manicotto e lo scarico della cappa. Questa piccola apertura rende anche possibile il fatto che l’aria interna sia aspirata nel sistema di estrazione dell’edificio. La capacità di espulsione del sistema di captazione dell’edificio deve essere sufficiente per catturare sia l’aria in entrata che in uscita dalla cappa. Il dispositivo deve essere rimovibile o progettato in modo tale da consentire le operazioni di controllo della cappa. Generalmente, l’efficacia del dispositivo collegato alla BSC non risente delle correnti d’aria interne all’edificio.
Le BSCs di Classe II B1 e II B2 sono direttamente collegate, cioè senza alcuna apertura, o al sistema di estrazione dell’edificio o, preferibilmente, con un canale dedicato. Le caratteristiche del sistema di presa dell’aria dell’edificio devono essere strettamente compatibili con i requisiti di fabbricazione della cappa sia per quanto riguarda il volume che la pressione statica. Le BSCs direttamente collegate all’esterno risentono maggiormente dell’usura del tempo rispetto alle BSCs che riciclano l’aria nell’ambiente o sono collegate ad un manicotto.

Come scegliere una cappa di sicurezza biologica

Una BSC dovrebbe essere innanzitutto scelta tenendo conto del tipo di protezione necessaria: protezione del prodotto, protezione degli operatori da microrganismi appartenenti ai gruppi di rischio 1-4, protezione personale dall’esposizione a radionuclidi e sostanze chimiche volatili, o la combinazione di queste.
Le sostanze chimiche tossiche o volatili non devono essere utilizzate con una cappa che ricicla l’aria nell’ambiente, cioè le BSCs di Classe I che non sono collegate al sistema di estrazione dell’edificio o con quelle di Classe II A1 o Classe II A2. Le BSCs di Classe II B1 sono ammesse per l’utilizzo di quantità minime di radionuclidi o sostanze chimiche volatili. Per lavorare con quantità significative di radionuclidi o sostanze chimiche volatili bisogna utilizzare una BSC di Classe II B2, detta anche ad estrazione totale.

 

L’uso delle cappe di sicurezza biologica nei laboratori

Installazione

La velocità del flusso d’aria che entra dall’apertura frontale in una BSC è di circa 0,45 m/s. A questa velocità l’integrità del flusso d’aria unidirezionale è fragile e può facilmente essere interrotto da spostamenti d’aria generati dal passaggio di persone vicino alla cappa, dall’apertura delle finestre, dai condizionatori, dall’apertura e chiusura di porte. La localizzazione ideale per le BSCs dovrebbe essere lontana da zone di passaggio e da potenziali correnti d’aria. Dove possibile, bisognerebbe lasciare 30 cm di spazio libero dietro e da ogni lato della cappa per permettere le operazioni di manutenzione. Sopra la cappa può essere richiesto uno spazio libero di 30-35 cm per permettere accurate misurazioni della velocità dell’aria all’estrattore e per il cambio dei filtri.

Operatori

Se le BSCs non sono usate correttamente, la loro efficacia di protezione diminuisce notevolmente.
Gli addetti devono porre molta attenzione nel mantenere l’integrità del flusso d’aria in entrata quando muovono le loro braccia dentro e fuori la cappa. Il movimento dentro-fuori delle braccia deve essere lento e perpendicolare rispetto all’apertura frontale. La manipolazione dei materiali all’interno delle BSC deve essere ritardata almeno 1 minuto dopo aver posizionato mani e braccia all’interno dell’area di lavoro per permettere il riequilibrio del flusso e il suo defluire su mani e braccia. Anche il numero dei movimenti dentro-fuori la cappa deve essere ridotto al minimo posizionando tutto il materiale necessario all’interno della cappa prima di iniziare il lavoro.

Posizionamento del materiale

La griglia dell’aria in ingresso delle BSCs di Classe II non deve essere ostruita da carta, attrezzature o altri materiali. Tutti i materiali introdotti all’interno della cappa devono essere decontaminati con alcol al 70%. Utilizzare carta assorbente inumidita con disinfettante per raccogliere schizzi e spruzzi. Tutti i materiali devono essere collocati quanto più possibile in modo razionale nella cappa verso il bordo posteriore del piano di lavoro senza ostruire la griglia posteriore. Le attrezzature che generano aerosol (es. miscelatori, centrifughe, ecc.) devono essere posizionati verso il fondo della cappa. I materiali ingombranti quali i contenitori per i rifiuti, le pipette usate, le fiasche devono essere posizionate su un lato all’interno della cappa. Un’accurata pulizia deve essere effettuata per decontaminare il piano di lavoro. Le sacche e le pipette sterilizzate in autoclave non devono essere posizionate all’esterno della cappa. Il continuo movimento dentro-fuori necessario per utilizzare questi contenitori altera l’integrità del flusso d’aria all’interno della cappa e può compromettere sia la protezione personale sia quella del prodotto.

Uso e manutenzione

La maggior parte delle BSCs sono progettate per lavorare 24 h al giorno e le indagini hanno dimostrato che il funzionamento continuo aiuta a controllare i livelli di polvere e di particolato nel laboratorio. Le BSCs di Classe II A1 e II A2, che espellono l’aria nella stanza o che sono collegate tramite un manicotto ad un condotto dedicato, possono essere spente se non utilizzate.
Altri tipi quali le II B1 e II B2, che sono direttamente collegate devono essere attraversate tutto il tempo da un flusso d’aria per bilanciare l’aria in entrata. Le cappe devono essere accese almeno 5 min prima di iniziare il lavoro e spente 5 min. dopo aver completato le operazioni per permettere lo “spurgo” cioè dare il tempo di allontanare l’aria contaminata dall’ambiente della cappa.
Tutte le riparazioni effettuate alle BSCs devono essere eseguite da tecnici qualificati. Qualsiasi malfunzionamento deve essere segnalato e riparato prima di riutilizzare la BSC.

Lampade a ultravioletti

Lampade a ultravioletti non sono richieste nelle BSCs. Se utilizzate, devono essere pulite settimanalmente per rimuovere polvere e sporco che possono compromettere la sua capacità germicida.
L’intensità della luce ultravioletta deve essere controllata quando viene fatta la manutenzione ordinaria per assicurare che la emissione di luce sia adeguata. Le lampade ad ultravioletti devono essere spente quando la stanza è occupata, per proteggere occhi e pelle da esposizione accidentali.

Fiamme libere

L’uso di fiamme libere all’interno della cappa dove si è creato un ambiente libero da microbi deve essere evitato. Esse interrompono il flusso d’aria e possono essere pericolose quando sono utilizzate anche sostanze volatili o infiammabili. Per sterilizzare anse da semina è consigliabile e preferibile utilizzare micro bruciatori o sterilizzatori elettrici.

Sversamenti

Una copia della procedura da seguire in caso di sversamenti accidentali deve essere esposta in laboratorio, letta e appresa da tutti gli utilizzatori del laboratorio. Quando avviene uno sversamento di materiale potenzialmente pericoloso all’interno della cappa, occorre immediatamente pulire, mentre la cappa continua ad operare. Deve essere utilizzato un efficace disinfettante in modo tale da minimizzare la generazione di aerosol. Tutti i materiali che vengono a contatto con gli sversamenti devono essere disinfettati o autoclavati.

Certificazioni

Il funzionamento e l’integrità di ogni cappa di sicurezza biologica devono essere certificati secondo gli standard nazionali o internazionali al momento dell’installazione e successivamente, regolarmente sottoposti a manutenzione da parte di tecnici qualificati, secondo le istruzioni della casa produttrice. La valutazione dell’efficienza di decontaminazione della cappa deve includere test per l’integrità della cappa, perdite dei filtri HEPA, profilo della velocità del flusso d’aria discendente, velocità di entrata, livello di pressione/ventilazione negativa, schema delle correnti d’aria, allarmi e interblocchi. Possono anche essere effettuati test opzionali per perdite di corrente, intensità della luce, intensità della lampada a ultravioletti, livello del rumore e delle vibrazioni. Per condurre questi test sono richieste formazione, abilità e attrezzature specifiche ed è fortemente raccomandato che siano effettuati da personale qualificato.

Pulizia e disinfezione

Tutti gli oggetti, incluse le attrezzature che sono all’interno di una BSC, devono essere decontaminati e rimossi dalla cappa a fine lavoro, poiché i residui delle colture possono generare situazioni di crescita di microbi.
Le superfici interne delle cappe devono essere decontaminate prima e dopo l’utilizzo. Il piano di lavoro e le pareti interne devono essere pulite con un disinfettante che sia in grado di uccidere tutti i microrganismi che potrebbero trovarsi all’interno della cappa. Alla fine della giornata di lavoro la decontaminazione finale delle superfici deve includere la pulizia approfondita del piano di lavoro e tutti i lati interni ed esterni del vetro. Una soluzione di ipoclorito o di alcol al 70% deve essere utilizzata per una inattivazione dei microrganismi. Occorre effettuare una seconda lavata con acqua sterile quando si usano disinfettanti corrosivi come l’ipoclorito.
Si raccomanda di lasciare accesa la cappa. In caso contrario, deve essere lasciata in funzione per 5 minuti per pulire l’aria all’interno prima di essere spenta.

Decontaminazione

Le BSCs devono essere decontaminate prima dei cambi e rimozioni dei filtri. Il metodo di decontaminazione più comune è la fumigazione con gas di formaldeide.
La decontaminazione deve essere effettuata da personale qualificato.

Dispositivi di Protezione Individuale

Quando si usa una cappa occorre indossare indumenti di protezione. Un camice da laboratorio a maniche lunghe è ammesso per Livelli 1 e 2 di Biosicurezza. Un camice rinforzato sul davanti e chiuso dietro garantisce una protezione migliore e deve essere usato per Livelli 3 e 4 di Biosicurezza (eccetto per i laboratori che richiedono tute e scafandri). I guanti devono essere indossati sopra i polsini del camice e non sotto. Sovramaniche elasticizzate possono essere indossate per proteggere il polsi dei ricercatori.
Maschere e occhiali sono necessari per alcune procedure.

Allarmi

Le BSCs possono essere dotate di uno o due tipi di allarme. L’allarme per l’apertura del vetro si trova solo nelle cappe munite di vetro scorrevole. L’allarme indica che l’operatore ha mosso il vetro in una posizione scorretta. L’azione correttiva per questo tipo di allarme è riposizionare il vetro nella corretta posizione. L’allarme per il flusso d’aria indica una perturbazione dello stesso all’interno della cappa. Questo rappresenta un immediato danno per l’operatore e per il prodotto.
Quando suona l’allarme del flusso d’aria il lavoro deve essere interrotto immediatamente e notificato al responsabile del laboratorio.

Ulteriori informazioni

Scegliere il tipo adeguato di cappa di sicurezza biologica, installarla, usarla correttamente, fare la manutenzione annuale sono processi complessi. È fortemente raccomandato di procedere sotto la supervisione di un professionista ben informato e con buona esperienza di Biosicurezza.