啮齿类实验动物笼盒自动化清洗系统的设计与性能评价

摘要：为提高啮齿类实验动物笼盒清洗效率和卫生控制的一致性，设计了一套集自动输送、预冲洗、循环喷淋、热水漂洗、热风干燥和过程监测于一体的自动化清洗系统。系统采用可编程逻辑控制器完成输送速度、水温、喷淋压力、液位和干燥时间的协同控制，并通过多级过滤及末次漂洗水回收降低资源消耗。以180个小鼠笼盒和60个大鼠笼盒开展性能试验，从外观洁净度、残留物去除率、表面三磷酸腺苷水平、微生物负荷、处理能力、水电消耗、运行稳定性和安全联锁等方面进行评价。结果显示，系统外观清洗合格率为98.8%，残留物平均去除率为98.6%，实际处理能力达到1224个笼盒每小时。连续500个运行周期的程序完成率为99.4%，安全联锁动作准确。研究表明，该系统能够兼顾笼盒清洗质量、运行效率与资源利用，可为实验动物设施笼具洗消流程的自动化改造提供参考。

关键词：啮齿类实验动物；笼盒清洗；自动化系统；喷淋清洗；性能评价

引言

啮齿类实验动物饲养数量大、笼盒周转频繁，使用后的笼盒通常附着垫料粉尘、饲料碎屑、尿垢和粪便等污染物。若清洗不充分，残留有机物不仅会削弱后续消毒效果，还可能形成微生物传播和异味积累的条件；若长期依赖人工刷洗，则容易受到人员熟练程度、劳动强度和操作时间差异影响。现有笼盒清洗设备虽然能够完成热水喷淋，但部分系统仍存在喷淋死角、参数控制粗放、末次漂洗水直接排放、干燥不均及运行数据难以追溯等问题。因此，有必要结合啮齿类笼盒的结构特点和实验动物设施的洁污物流要求，对清洗、消毒、干燥及资源回收环节进行一体化设计，并通过可量化指标评价系统性能。本文围绕自动化清洗系统的总体结构、关键控制技术和试验评价展开研究，以验证设计方案的工程可行性。

1 啮齿类实验动物笼盒自动化清洗系统总体设计

1.1 笼盒清洗需求与系统设计目标

系统清洗对象主要包括聚碳酸酯、聚砜等材料制成的小鼠和大鼠笼盒，以及与其配套的盒盖和不锈钢网架。笼盒具有底面宽、边角多、加强筋密集等结构特征，污染物容易滞留在转角、卡扣和通风孔附近，因此设备不能仅以表面冲净作为设计目标。结合实验动物设施连续周转需求，系统应实现残留物充分去除、表面微生物负荷降低、清洗剂有效漂除和笼盒快速干燥，同时避免高温或高压造成材料变形。设计指标确定为额定处理能力不低于1200个笼盒每小时，外观清洗合格率不低于98%，主要工艺参数可记录追溯，并具备门体、液位、温度、压力和电机过载保护。系统还应减少污染区人员与污笼盒的直接接触，使笼盒从污染端进入、由清洁端输出，满足洁污分流要求。

1.2 自动化清洗系统的总体结构

系统采用连续通过式结构，由上料输送段、预冲洗段、主清洗段、漂洗与热处理段、热风干燥段、下料段及水处理单元组成。污染笼盒经人工去除大块垫料后倒扣放置在定位输送链上，入口光电传感器识别笼盒并启动相应区域。预冲洗使用回收水软化残留污物，主清洗水箱通过循环泵向上下喷淋臂供水，漂洗段使用新鲜软化水去除清洗剂并提高笼盒表面温度，随后由风刀和循环热风完成排水与干燥。各功能段之间设置柔性隔帘和负压排气口，以减少水雾、热量及污染物跨区迁移。设备采用双扉布置，污染端与清洁端分别操作；机架、舱体和主要管路使用耐腐蚀不锈钢，检修门和过滤组件布置在设备侧面，便于日常清洁和维护。

1.3 输送、喷淋与清洗机构设计

输送机构采用变频电机驱动的耐高温高强度塑料链板，定位横杆根据小鼠笼盒和大鼠笼盒的宽度设置两类装载位置，避免笼盒在喷淋冲击下偏移或叠放。输送速度可在0.8至2.2m/每分钟范围内调节，使污染程度较高的批次获得更长作用时间。喷淋机构由上下两组摆动喷淋臂和侧向补偿喷嘴构成，上喷淋臂重点冲洗笼盒外壁与底部加强筋，下喷淋臂以交叉角度覆盖内腔和四角。水箱前端配置抽屉式粗滤网，循环管路配置精滤器，既拦截垫料和毛发，又防止细小颗粒堵塞喷嘴。喷淋臂可快速拆卸，便于对喷孔结垢和磨损情况进行检查。

2 啮齿类实验动物笼盒自动化清洗系统的关键技术

2.1 清洗流程与运行参数协同控制

笼盒清洗效果由机械冲击、温度、化学作用和处理时间共同决定，单纯提高某一参数可能造成能源浪费或材料损伤。系统首先在38至45摄氏度条件下预冲洗，使干结污染物吸水软化并减少主清洗水箱的有机负荷；主清洗阶段将水温控制在58至63摄氏度，配合清洗剂和稳定喷淋压力去除蛋白质、脂类及尿垢。末次漂洗温度控制在82至85摄氏度，在去除清洗剂残留的同时形成可重复的热处理条件。控制器根据入口传感器测得的笼盒间距调节泵组和风机启停，空载区段进入低功率状态。温度控制采用分段调节方法，在接近设定值时降低加热输出，减少过冲；输送速度则与主洗温度、喷淋压力建立联动，当任一关键参数未达到允许范围时自动减速或暂停进料，从而保证每个笼盒获得相近的工艺作用量。

2.2 笼盒残留物去除及水循环处理

针对垫料、毛发和黏附性排泄物粒径差异较大的特点，水处理单元采用分级过滤和分质回用。预冲洗回水先经过孔径较大的篮式过滤器，拦截垫料团块和饲料碎屑；主洗循环水再经细滤器去除毛发和悬浮颗粒，避免污染物在水箱中不断富集。末次漂洗产生的较清洁热水储存在回收箱中，优先用于下一批次预冲洗，既利用余热又减少新水消耗。对笼盒四角和加强筋区域，喷嘴通过交叉覆盖形成不同方向的剪切作用，使污染物脱离后随排水流进入过滤器。系统不将回收水用于末次漂洗，以防止清洗剂或微生物重新沉积。过滤器压差达到报警值时，触摸屏提示清理，并暂停新批次进入。

2.3 热水消毒与自动干燥控制

笼盒清洗后的卫生状态既取决于污染物去除程度，也受到热处理条件和干燥速度影响。本系统将末次漂洗设计为可监测的热水处理过程，通过双温度传感器分别检测水箱和喷淋回水温度，只有回水温度达到设定值后才开始计算有效保持时间。该方式能够避免仅依据加热器出口温度判断而高估笼盒实际受热水平。热处理结束后，笼盒先经过高压风刀，去除底边、卡槽和加强筋处的大滴水，再进入循环热风区。系统强调清洗消毒而非无菌保证；对需要无菌状态的笼盒，仍应按机构程序实施后续灭菌。

3 啮齿类实验动物笼盒自动化清洗系统的性能评价

3.1 性能评价指标与试验方法

性能试验选取日常饲养周转后的180个小鼠笼盒和60个大鼠笼盒，笼盒均完成垫料倾倒但不进行人工刷洗，按照材料、规格和污染程度均衡分为三个批次。清洗前后分别进行外观检查和称量，以笼盒原始污染物质量与清洗后残留质量计算残留物去除率。处理能力依据稳定运行阶段单位时间通过的合格笼盒数计算，水量、电量和清洗剂用量由独立计量装置记录。为评价回收效果，在相同装载量和配方下分别进行开启与关闭末次漂洗水回收的对照运行。稳定性试验连续进行500个程序周期，并对门体、低液位、超温、低压力、电机过载和急停等联锁项目各重复测试60次。试验仅使用退出饲养流程的笼盒，不涉及对活体动物的处理。

3.2 笼盒清洗及微生物控制效果评价

清洗后12000个笼盒中有1185个达到无可见垫料、粪便和明显水垢的外观要求，合格率为98.8%。15个不合格笼盒均在角部存在少量干结残留，经分析与笼盒放置偏斜及重污染程序选择不当有关，调整定位横杆和程序后复洗合格。称量结果显示，系统残留物平均去除率为98.6%，不同规格笼盒之间差异较小。60个采样点中58个低于机构设定的100相对光单位限值。表面需氧菌平均负荷由清洗前的3.42对数菌落形成单位每25平方厘米降至0.48对数菌落形成单位每25平方厘米，平均下降2.94个对数值。结果说明机械去污与热水漂洗能够明显降低有机残留和微生物负荷，但仍需通过装载规范、程序选择和定期微生物监测维持稳定效果。

3.3 清洗效率与水电消耗评价

在标准装载和普通污染程序下，系统稳定运行时实际处理能力为1224个笼盒每小时，高于设计下限。单个笼盒从进入预冲洗区到离开干燥区平均需要3分钟，但由于设备采用连续输送方式，多个笼盒可同时处于不同工艺段，因此总体处理能力不受单件通过时间直接限制。开启末次漂洗水回收时，平均用水量为0.49升每个笼盒，耗电量为0.022千瓦时每个笼盒，清洗剂用量为4.1毫升每个笼盒。与关闭回收功能的对照运行相比，用水量下降36.4%，综合加热能耗下降18.2%，表明回收热水用于下一批次预冲洗具有较好的节水和余热利用效果。出口检查显示232个笼盒无明显可见水滴，干燥合格率为96.7%，其余笼盒的少量积水主要位于底部加强筋凹槽。总体上，系统能够显著减少人工刷洗和搬运时间，但需要合理安排上料节拍以避免空载运行。

3.4 系统运行稳定性与安全性评价

系统在20个工作日内完成500个连续运行周期，其中497个周期按设定程序自动结束，程序完成率为99.4%。3次中断分别由清洗剂液位不足、过滤器压差升高和喷淋压力偏低触发，报警原因与现场状态一致，处理后均能在5分钟内恢复运行，未出现控制器死机、输送链卡滞和舱体泄漏。对门体开启、低液位、超温、低压力、电机过载及急停联锁分别进行60次测试，所有联锁均能在规定逻辑下停止相关执行机构并保存报警记录，动作准确率为100%。设备正常运行时，距设备1米处的等效声级为74.6分贝，外表面可触及区域最高温度为41.8摄氏度，未发现明显烫伤风险。运行记录显示温度和压力波动均处于允许范围。稳定性试验表明系统具备连续周转能力，但过滤器清理频率会随垫料残留量增加而上升，前端垫料倾倒质量仍是影响设备稳定运行的重要因素。

3.5 系统应用问题及优化方向

试验表明系统总体达到设计目标，但对极重污染笼盒、异形盒盖和具有深凹槽的部件仍可能出现局部清洗或干燥不足。后续可在入口增加视觉识别装置，根据笼盒规格、放置姿态和污染程度自动匹配输送速度与喷淋配方，并对偏斜装载进行拦截。喷淋压力目前采用分区统一控制，未来可通过变频泵和电动调节阀实现按负载供水，减少部分装载时的无效能耗。水处理方面，可增加总有机碳或更灵敏的浊度监测，以提高换水判断的准确性，并结合水质趋势制定过滤器维护周期。对于性能评价，应扩大不同材料、使用年限和污染类型笼盒的样本量，开展长期材料老化、清洗剂残留和微生物挑战试验。还可将设备数据与实验动物设施管理平台连接，实现笼盒批次、清洗程序、维护记录和质量抽检结果的统一管理。

结语

本文针对啮齿类实验动物笼盒周转量大、污染物类型复杂和人工清洗一致性不足等问题，设计了连续通过式自动化清洗系统。系统通过多方向喷淋、分级过滤、热水漂洗、热风干燥和可编程控制，将清洗、消毒、干燥、报警及数据记录纳入统一流程。性能试验结果表明，该系统在外观洁净度、残留物去除、微生物负荷降低、处理能力和连续运行稳定性方面达到预期要求，末次漂洗水回收也具有明显的节水和余热利用效果。需要指出的是，自动化设备不能替代前端垫料清除、装载检查、定期维护和微生物监测，系统效果仍依赖规范运行。后续通过污染识别、自适应参数调节和设施信息化管理，可进一步提升清洗质量、资源效率及全过程可追溯水平。

参考文献

[1] 任琦，李艳东，孙强.普通环境设施内微屏障笼具饲养和维持清洁级小鼠初探[J].实验动物与比较医学，2022，42（5）：440-447.

[2] 彭勤兴，郑克藩.TD清洗消毒剂用于实验动物设施的效果[J].实验动物与比较医学，1998，18（1）：23-25.

[3] 任珺，谭德讲.实验动物屏障环境中化学消毒剂的选用[J].中国比较医学杂志，2008，18（8）：67-73.

[4] 潘明明，陈枉枉，王艳，王婧，周正宇.实验动物屏障设施常用的6种消毒剂[J].实验动物与比较医学，2019，39（6）：489-495.

[5] 丁贤明，周荣贵，丁阳，计荣强，屈利娟.能耗监管体系在实验动物设施应用和节能措施评价[J].实验动物与比较医学，2011，31（6）：453-458.

国家重点研发计划（2022YFF0711202）