Стерилизация: Как работает лабораторный автоклав?
Стерилизация паром – важный процесс, который выполняется в каждой лаборатории. В этой статье мы рассмотрим историю паровой стерилизации, принцип работы стерилизатора и новые тенденции в дизайне стерилизатора.
Содержание
- Введение в стерилизацию паром
- Как работает автоклав?
- Важнейшие компоненты автоклава
- Циклы стерилизации
- Новые тенденции в области автоклавирования
- Ваш основной ресурс по всем вопросам, связанным с автоклавированием
Введение в стерилизацию паром
Терминология
Термины паровой стерилизатор и автоклав являются синонимами и могут использоваться как взаимозаменяемые. Тем не менее, автоклав часто используется в лабораторных условиях, в то время как стерилизатор чаще встречается в больницах или фармацевтических учреждениях.
В автоклавах используется тепло пара для уничтожения любых микроорганизмов, которые могут присутствовать на загрязненном грузе. Груз, также известный как товары, считается стерильным после того, как он прошел полный цикл стерилизации. После того, как загрузка стерильна, ее можно использовать, не опасаясь попадания чужеродных микроорганизмов в чувствительную среду, такую как лаборатория, операционная больницы, пищевое производство и так далее. Различные виды товаров должны стерилизоваться в течение разного времени и при разных температурах. Некоторые автоклавы включают дополнительные функции, такие как вакуумные функции, специальные циклы и встроенные электрические бойлеры.
История автоклава
Доктор Чарльз Чемберленд изобрел автоклав в 1879 году, но концепция использования пара в замкнутом пространстве для предотвращения заболеваний в той или иной форме существует с 1679 года.
Принципы и методы стерилизации оставались в основном неизменными на протяжении последних 150 лет. Фактически, большинство основных достижений в технологии автоклавирования с 1879 года были связаны с мониторингом процесса стерилизации, безопасностью автоклава и созданием цикла стерилизации, а не с изменением процесса стерилизации.
Почему паровой?
Чтобы убить клетку с помощью тепла, ее температура должна быть повышена до такой степени, при которой белки в клеточной стенке разрушаются и коагулируют. Пар является очень эффективной средой для теплопередачи, что делает его отличным способом уничтожения микробов. С другой стороны, воздух является очень неэффективным способом передачи тепла/ энергии из-за концепции, известной как теплота испарения.
Для доведения одного литра воды до точки кипения (100С) требуется 80 килокалорий (ккал) тепловой энергии. Для превращения этого литра воды в пар потребуется 540 ккал, что означает, что пар при 100 ° C содержит в семь раз больше энергии, чем вода при 100 ° C.
Эта энергия делает пар намного более эффективным при уничтожении микроорганизмов. Когда пар сталкивается с более холодным объектом, он конденсируется в воду. Затем он передает всю энергию, которая использовалась для кипячения воды, непосредственно в воду. Этот процесс нагревает клетки гораздо эффективнее, чем воздух при аналогичных температурах. Вот почему мы используем пар для достижения стерильности.
Что такое стерильность?
Большинство людей понимают, что стерильные товары не содержат микроорганизмов и, следовательно, безопасны для использования в медицинских, пищевых, исследовательских или других учреждениях, где присутствие микробов может представлять значительную угрозу безопасности или нанести ущерб.
Точное количество микроорганизмов, оставшихся в живых с течением времени при фиксированной температуре, выражается в виде вероятностной логарифмической кривой — функции, которая приближается, но никогда не достигает нуля (см. Рисунок 1).
Рисунок 1
Когда функция приближается к нулю, обычно выбирается уровень достоверности, называемый уровнем гарантии стерильности (SAL), для определения вероятности того, что выживет последний присутствующий микроорганизм. Вопреки распространенному мнению, стерилизация не является бинарной, когда что-то является либо стерильным, либо нестерильным. Стерилизация – это статистическое событие, характеризующееся этим коэффициентом достоверности (SAL). Общий стандарт для SAL составляет 10-6, или один шанс на миллион выживания одного жизнеспособного микроорганизма. Продолжительность стерилизации зависит от установленной температуры и желаемого уровня SAL; при более высоких температурах стерильность достигается быстрее.
Когда функция приближается к нулю, обычно выбирается уровень достоверности, называемый уровнем гарантии стерильности (SAL), для определения вероятности того, что выживет последний присутствующий микроорганизм. Вопреки распространенному мнению, стерилизация не является бинарной, когда что-то является либо стерильным, либо нестерильным. Стерилизация – это статистическое событие, характеризующееся этим коэффициентом достоверности (SAL) . Общий стандарт для SAL составляет 10-6, или один шанс на миллион выживания одного жизнеспособного микроорганизма. Продолжительность стерилизации зависит от установленной температуры и желаемого уровня SAL; при более высоких температурах стерильность достигается быстрее.
Как работает автоклав?
Общий процесс
Независимо от того, является ли это небольшим настольным или объемным устройством размером с комнату, все автоклавы работают по принципам, аналогичным принципам обычной кухонной скороварки, то есть дверца закрывается, образуя герметичную камеру, и весь воздух в этой камере заменяется паром. Затем пар подвергается сжатию, чтобы довести его до желаемой стерилизации в течение желаемой продолжительности. По завершении цикла пар выпускается, и продукты можно извлекать.
Для более подробного объяснения различных фаз цикла стерилизации, пожалуйста, обратитесь к списку и изображению (рисунок 2), приведенному ниже:
1. Фаза продувки: пар проходит через стерилизатор и начинает вытеснять воздух; температура и давление слегка повышаются до продувки непрерывным потоком.
2. Фаза выдержки (стерилизации): Во время этой фазы система управления автоклавом запрограммирована на закрытие выпускного клапана, что приводит к повышению внутренней температуры и давления до желаемого заданного значения. Затем программа поддерживает желаемую температуру (выдерживает) до достижения желаемого времени.
3. Фаза выпуска: давление сбрасывается из камеры через выпускной клапан, и внутри восстанавливается давление окружающей среды (хотя содержимое остается относительно горячим).
Рисунок 2
Важнейшие компоненты автоклава
Типичный лабораторный автоклав состоит из следующих компонентов (рисунок 3):
Рисунок 3
1. Сосуд
Сосуд является основным корпусом автоклава и состоит из внутренней камеры и внешней оболочки. Лабораторные и больничные автоклавы сконструированы с камерами с “рубашками” (см. Рисунок 4), где рубашка заполнена паром, что сокращает время, необходимое для завершения цикла стерилизации, и уменьшает образование конденсата внутри камеры. Емкость, спроектированная и изготовленная с полной рубашкой, превосходит емкость с частичной рубашкой или рубашкой с покрытием по следующим причинам: полная рубашка улучшает равномерность температуры внутри камеры, снижает вероятность намокания упаковок и помогает свести к минимуму количество влажного пара, который не подходит для стерилизации.
Емкости для лабораторных и больничных автоклавов могут различаться по размеру, от 100 л до 3000 л, и обычно изготавливаются из нержавеющей стали 316L. Внутренние камеры изготовлены из нержавеющей стали 316L или покрыты никелем, а внешние оболочки изготовлены из нержавеющей стали 316L, 304 L или углеродистой стали.
Рисунок 4
2. Система управления
Все современные автоклавы оснащены интерфейсом контроллера, мало чем отличающимся от того, что вы найдете в микроволновой печи или духовке. Тем не менее, системы управления автоклавом, как правило, немного сложнее, чем системы управления бытовой техникой. Цикл стерилизации выполняется по заранее запрограммированной программной формуле, которая открывает и закрывает клапаны и другие компоненты в определенной последовательности. Поэтому для всех автоклавов требуется система управления той или иной формы, будь то простая, как “кнопочная” система с микропроцессором, или сложная, как программируемый логический контроллер с цветным сенсорным экраном.
3. Термостатическая ловушка
Все автоклавы оснащены той или иной формой термостатической ловушки или пароуловителя, устройства, предназначенного для отвода воздуха и воды (конденсата) из камеры. Хотя в системе подачи пара / паровом автоклаве могут использоваться различные ловушки, все они выполняют одну и ту же основную функцию: удаление конденсата при одновременном предотвращении прохождения сухого пара. Чаще всего конденсатоотводчики представляют собой чувствительные к температуре клапаны, которые закрываются при нагревании выше определенного заданного значения. Термостатические ловушки являются важным компонентом любого хорошо спроектированного автоклава.
4. Предохранительный клапан
Все автоклавы работают под повышенным давлением (14-45 фунт-сила на квадратный дюйм) и поэтому должны быть изготовлены с невероятно прочной конструкцией и оснащены рядом защитных функций и устройств, чтобы гарантировать, что они не представляют опасности для пользователей. Одним из таких предохранительных устройств является предохранительный клапан, который является последним безотказным устройством для сосуда высокого давления, если все электронные элементы управления выйдут из строя. Крайне важно, чтобы предохранительный клапан должен быть проверен, протестирован и проверен на надлежащее рабочее состояние.
5. Механизм охлаждения сточных вод
Многие автоклавы оснащены системой охлаждения сточных вод (воздуха, пара и конденсата) перед их попаданием в дренажный трубопровод. Чтобы избежать повреждения дренажных трубопроводов установки, пар должен быть охлажден перед его выпуском в канализацию. Самый простой способ охлаждения этого пара – смешать его с дополнительной холодной водопроводной водой, но требуемое количество воды может привести к тому, что автоклав станет основным источником потребления воды в здании. Некоторые автоклавы оснащены системами, предназначенными для снижения или даже устранения потребления воды.
6. Вакуумная система (если применимо)
Вакуумная система (если применимо): Для обеспечения надлежащей стерилизации жизненно важно, чтобы весь воздух внутри камеры автоклава был заменен паром. Некоторые обычно стерилизуемые товары, особенно пористые материалы, такие как подстилка для животных или ткань, или контейнеры с небольшими отверстиями, такие как колбы или товары в пакетах, имеют тенденцию удерживать воздушные карманы. Если во время цикла присутствует воздушный карман, любые микроорганизмы в этом кармане выживут, и товары не будут стерильными.
По этой причине многие стерилизаторы включают вакуумную систему. Это не только позволяет пользователю принудительно удалять воздух, используя вакуум в камере перед циклом (известный как предварительный вакуум), но также позволяет им использовать вакуум после цикла (известный как пост-вакуум) для удаления любого пара, который остается в камере, и для сушки товары внутри автоклава.
7. Парогенератор (если применимо)
Центральный “домашний” котел является наиболее распространенным источником пара для автоклава. Однако, если домашний пар недоступен или недостаточен для автоклава, необходимо прибегнуть к использованию электрического парогенератора, также известного как бойлер. Эти котлы обычно располагаются под камерой автоклава и используют электрические нагревательные элементы для нагрева воды и выработки пара.
Циклы стерилизации
В целом существует четыре стандартных цикла стерилизации: гравитационная, предварительная вакуумная, жидкостная и мгновенная. Приведенная ниже таблица объясняет эти циклы более подробно.
Некоторые автоклавы также имеют возможность выполнять специальные циклы, предназначенные для предотвращения повреждения деликатных товаров, которые нуждаются в стерилизации, но могут быть повреждены или уничтожены быстрыми изменениями температуры и давления при обычном цикле. Эти специальные циклы включают в себя гораздо более длительные циклы при более низких температурах, циклы смешивания пара и воздуха со специальным контролем давления, чтобы избежать разрушения герметичных пробирок, и циклы, в которых используются специальные приборы для обеспечения достижения полной температуры стерилизации.
Новые тенденции в области автоклавирования
Автоклавы могут считаться устаревшими устройствами по стандартам современной науки, но это не означает, что автоклавам не хватает инноваций, особенно когда речь идет о контроле, подключении к облаку и воздействии на окружающую среду.
Как упоминалось ранее, средства управления автоклавами значительно продвинулись в эпоху компьютеров, перейдя от ручного управления и простых таймеров к компьютерной автоматизации, которая сводит к минимуму или полностью устраняет необходимость ввода данных пользователем. Компьютеризированное управление также привело к прогрессу в управлении данными, ведении записей и удаленном мониторинге с помощью мобильных устройств. Автоклавы с автоматическими принтерами, которые записывают данные с целью проверки успешной стерилизации, теперь заменены новыми автоклавами, которые подключаются к облаку для хранения записей циклов в Интернете.
Еще одна тенденция в дизайне автоклавов – экологичность. Автоклавы являются основным источником потребления воды и энергии как в лабораториях, так и в больницах. Признавая это, многие производители нашли инновационные способы снижения воздействия автоклавов на окружающую среду. Экологически чистые автоклавы, которые сокращают или даже полностью перерабатывают воду, потребляемую стерилизатором, — в некоторых случаях от 1500 галлонов в день до менее одного галлона в день — имеют решающее значение для создания экологически чистой лаборатории. Системы управления, которые автоматически включают автоклав, когда он не используется, также могут значительно снизить потребление энергии — в некоторых случаях с 80 киловатт-часов в день до 20 киловатт-часов в день.
Вопросы и ответы
A:
Вопрос: Как работает автоклав? Для стерилизации продуктов в автоклавах используется сильное нагревание в виде пара под давлением. Подобно скороварке, автоклав использует запирающуюся дверцу для создания герметичной камеры. Затем воздух в этой камере заменяется паром, который находится под давлением до тех пор, пока товары в камере не будут достаточно стерилизованы.
A:
Вопрос: Как автоклавирование убивает бактерии? В автоклавах используется тепло пара для повышения температуры до такой степени, что белки в клеточных стенках микроба разрушаются и начинают коагулировать, тем самым убивая бактерию и обеспечивая стерилизацию.
A:
Вопрос: Почему для стерилизации лучше использовать автоклавирование, чем кипячение?Пар является очень эффективной средой для передачи тепла. В результате вы можете достичь более высоких температур, используя пар, чем кипящую воду, что делает его более эффективным методом уничтожения бактерий и других микроорганизмов.
A:
Вопрос: сколько времени требуется автоклаву для стерилизации товаров?Сколько времени требуется для стерилизации загрузки, полностью зависит от содержимого загрузки, установленной температуры автоклава и желаемого уровня гарантии стерильности. Вообще говоря, чем выше температура, тем быстрее загрузка достигнет стерильности.
A:
Вопрос: какой температуры (температур) может достичь автоклав? Автоклавы обычно рассчитаны на температуру от 250 °F до 275°F (от 121 °C до 135°C).
A:
Вопрос: Каковы этапы стерилизации? Общий процесс использования автоклава для стерилизации товаров разбивается на три основные фазы:
Фаза продувки, во время которой пар вытесняет воздух внутри камеры автоклава, а температура и давление постоянно повышаются
Фаза выдержки (стерилизации), во время которой управляющая программа автоклава закрывает выпускной клапан, в результате чего температура и давление внутри автоклава повышаются до желаемого заданного значения и остаются там в течение желаемого времени
Фаза выпуска, во время которой давление сбрасывается из камеры через выпускной клапан,и внутри восстанавливается давление окружающей среды
A:
Вопрос: как долго предметы остаются стерильными после автоклавирования? Это полностью зависит от того, как продукты упаковываются после стерилизации. Вообще говоря, предметы следует повторно стерилизовать после каждого использования, но доказано, что предметы, упакованные в льняные пакеты с двойной оберткой или внутренний слой из бумаги и внешний слой из пластика, остаются стерильными до 96 недель.
A:
Вопрос: Каковы различные типы автоклавов? Два наиболее распространенных типа паровых стерилизаторов – это автоклавы с гравитационным вытеснением и высокоскоростные предвакуумные автоклавы. Оба типа автоклавов бывают различных форм и размеров, от настольных до объемных блоков комнатного размера, с широким спектром вариантов настройки, таких как вертикальные раздвижные двери, двухдверные проходные камеры и штабелируемые двойные камеры.
