蒸汽滅菌器選型研究

傅佩順 曾凱 丁洪勇

摘 要：蒸汽滅菌器選型對設備運行的穩定性、經濟性、合規性等具有重要影響。合理選型是綜合評估設備投資、運行成本、工藝流程、認證標準等多重因素，全面平衡后做出的最佳選擇。現通過對蒸汽滅菌器的滅菌負載進行分類，提煉了每類滅菌負載的核心需求，以此作為蒸汽滅菌器選型的關鍵點。然后根據滅菌負載裝載量、裝載方式、滅菌器腔室截面選擇、滅菌器尺寸與現場空間匹配等因素進行滅菌器容積選型，再根據滅菌負載特殊需求進行功能選型或選擇特定類別的蒸汽滅菌器，最終完成設備選型，可為制藥行業蒸汽滅菌器選型提供參考。

關鍵詞：蒸汽滅菌器;選型;分類;制藥行業

中圖分類號：TH77? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）12-0072-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.12.020

0? ? 引言

壓力蒸汽滅菌技術已有100多年的應用歷史，相比低溫、干熱、輻照、微波等滅菌方式，蒸汽滅菌在穿透性、滅菌效率、滅菌效果、可驗證性等方面具有明顯優勢。壓力蒸汽滅菌是目前世界范圍內公認最可靠的滅菌技術，也是制藥行業內無菌保障領域應用最廣泛的滅菌技術。因此，蒸汽滅菌器的合理選型對藥廠GMP認證、項目投資等具有重要意義。

1? ? 滅菌負載及蒸汽滅菌器類別

1.1? ? 第一類滅菌負載

第一類滅菌負載包含金屬工器具、玻璃器皿等組件，無菌服、免洗膠塞、濾芯等多孔負載及非密閉性液體。處理此類負載的滅菌器在本文中定義為A型蒸汽滅菌器，其選型關鍵點為通用性：一臺蒸汽滅菌器可對多種負載進行滅菌處理，對控溫精度、滅菌負載干燥度、整個滅菌流程時間等無特殊需求，僅需符合國標、行標中的基本要求。

1.2? ? 第二類滅菌負載

第二類滅菌負載為熱敏性液體。處理此類負載的滅菌器在本文中定義為B型蒸汽滅菌器，其選型關鍵點：熱敏性負載暴露于高溫環境中的時間盡量短。

1.3? ? 第三類滅菌負載

第三類滅菌負載為含有高致病性病原微生物的材料、器械、器皿、培養基以及廢棄物等物品，其可通過氣溶膠方式傳播致病因子，具有生物安全[1]風險。處理此類負載的滅菌器在本文中定義為C型蒸汽滅菌器，其選型關鍵點：保證操作人員和環境的生物安全。

2? ? A型蒸汽滅菌器選型

2.1? ? 容積選型

2.1.1? ? 最大裝量與最小裝量原則

滅菌腔室抽真空后不能100%抽出殘留空氣，因滅菌負載體積占比越小，腔室殘留空氣越多，且空氣易滲入多孔負載內部或在其周圍形成空氣屏障，使之阻礙熱傳遞，從而導致滅菌失敗。因此，裝載過少多孔類負載時易產生“小裝量效應”。滅菌負載裝載過滿、過密、過緊均可能影響蒸汽穿透效果，導致平衡時間過長、低溫等風險，最終影響驗證結果[2]。滅菌負載裝量應適中，最大/最小裝載參數如表1所示。

2.1.2? ? 滅菌負載裝載原則

（1）同類負載或不同負載裝載原則。

裝載方案設計應基于裝載物質量和空氣移除難度來評估裝載的組成，以確保自始至終都能夠滿足最低滅菌要求。不同類負載混滅時，為防止冷凝水集聚在產品上或產品里面，重的物品應放置在較低的架子上，容器類物品應該倒立放置。此外，多孔/堅硬物品的包裝材料必須具有滲透性，可以允許空氣的有效清除以及蒸汽和熱的進入。考慮滅菌效率，盡量將同類負載放至一起滅菌，若必須將不同類負載裝放在一起，則以最難達到滅菌目標的負載所需溫度和時間為準。

（2）高度方向裝載原則。

飽和蒸汽的溫度和壓力成一一對應關系，但在滅菌轉干燥后，腔室內已由飽和蒸汽變為蒸汽、空氣混合介質，溫度、壓力已失去線性對應關系。此時腔室內氣體自上而下按蒸汽、熱空氣、冷空氣分布，溫度出現明顯分層。

為了摸索干燥階段腔室高度方向溫度分布情況，進行以下實驗：在腔室高度方向等距離放置7個溫度傳感器（寬度與長度均處于同一平面），在第二次脈動干燥階段任取兩個時間點（干燥階段1、干燥階段2），記錄同一時刻高度方向7個傳感器溫度，繪制曲線圖，如圖1所示。

從圖1可以發現，滅菌器干燥階段上下溫度偏差明顯（20 ℃左右），此規律可以有效指導滅菌負載裝載設計：從干燥角度考慮，對小批量的多孔負載裝載應優先利用頂部空間;而針對小批量液體，從冷卻角度考慮，應優先利用底部空間，縮短液體冷卻時間。

2.1.3? ? 滅菌器截面選型

蒸汽滅菌器干燥階段的熱量主要來源于腔室外部夾套的熱輻射，越靠近腔室中心溫度越低。為了摸索干燥階段腔室寬度方向溫度分布情況，進行以下實驗：在腔室寬度方向等距離放置7個溫度傳感器（長度與高度均處于同一平面），在第二次脈動干燥階段任取兩個時間點（干燥階段1、干燥階段2），記錄同一時刻腔室內寬度方向7個溫度傳感器溫度，如圖2所示。

從圖2可以發現，滅菌器干燥階段腔室溫度在寬度方向由腔室側部至中心依次遞減，存在一定溫差，此規律可以有效指導滅菌器截面尺寸選型：針對同等處理量且廠房長度空間足夠，干燥度要求較高的多孔類負載（如免洗膠塞），可選擇更小寬度截面的滅菌器規格。

2.1.4? ? 滅菌器尺寸與廠房空間匹配性

（1）負載轉運方式及廠房長度確定。

滅菌物品裝載方式設計完成后，可初步選擇滅菌器容積，根據滅菌負載轉運方式，確定房間長度尺寸是否與所選設備匹配。

轉運方式一：滅菌車搬運車裝載。

圖3為滅菌車搬運車裝載示意圖，進料端房間長度>L1+L2+L3;出料端房間長度>L2+L3;L3建議不低于500 mm。

轉運方式二：格柵裝載。

圖4為格柵裝載示意圖。此裝載方式大多適用于400 L以下小容積、長度偏短的蒸汽滅菌器，進料端房間長度>2L1;出料端房間長度>L1。

轉運方式三：地坑安裝，落地式滅菌車轉運。

圖5為地坑安裝示意圖。此裝載方式大多適用于滅菌負載尺寸較大，不便于轉運或滅菌負載自帶移動裝置的工況。房間長度尺寸參照轉運方式一。

（2）滅菌器維修空間設計及廠房寬度確定。

圖6為維修空間示意圖，具有多種設計方案：單側隔離;雙側隔離，從進料端開維修門維修或從技術夾層維修等，具體根據廠房情況進行設計選擇。維修空間布局確認后可以確定房間寬度，無論哪種方式，建議的維修區空間通常不小于500 mm，以保證滅菌器最大部件可以方便地移出更換、維護等。

2.2? ? 功能選型

蒸汽滅菌器通常會提供以下多種功能選項，可結合實際需求進行選擇。

（1）汽水分離功能：降低純蒸汽含水量，適用于純蒸汽干度小于0.9的工況。

（2）熱風干燥功能：提升滅菌負載干燥度與干燥效率，適用于對干燥度要求較高的免洗膠塞等多孔負載。

（3）控溫排放功能：控制設備排水溫度，適用于廠房排放管道不耐高溫或對排放有溫度控制要求的工況。

（4）綠色節水功能：節水設計具有多種方案，可根據供水水質的硬度、能源供給中能否提供冷凍水或純化水等工況選擇具體節水方案。

（5）ATF滅菌功能：精準控制升降溫、升降壓速率，適用于對ATF系統中空纖維柱的滅菌。

以上為滅菌器常用功能示例，僅做選型參考。在實際選型過程中應綜合考慮、靈活選擇，比如一臺蒸汽滅菌器需對免洗膠塞滅菌，干燥度要求在萬分之三以下，但滅菌器頻率較低。此工況可選擇最標準配置滅菌器，通過合理安排滅菌時間實現，比如選擇膠塞滅菌后過夜干燥（夾套通蒸汽烘干），此方式降低了對蒸汽的干度及設備功能要求，這也是比較經濟的選型方案。

3? ? B型蒸汽滅菌器選型

3.1? ? 熱敏性液體滅菌過程中存在的主要問題

（1）只關注暴露階段時間，忽視了對加熱和冷卻階段滅菌效果的估算，導致滅菌負載有效成分破壞。

（2）采用腔室底部固定探頭做控溫探頭，不合規且容易造成滅菌不充分（非無菌）。

因此，B型滅菌器選型的關鍵點是在滅菌程度與營養成分破壞之間找到平衡點，合理控制加熱溫度和受熱時間。而功能選項中，一個RTD裝載探頭和F0暴露控制是必備配置。

3.2? ? 不同方式對縮短熱敏性液體冷卻時間的影響

方式一：夾層水冷。

圖7為夾層水冷示意圖。高溫液體冷卻時，內室熱量穿過夾套、保溫層后傳導到空氣中，滅菌完成后需要冷卻時，因夾套內殘留高溫蒸汽，熱量傳導效率低，冷卻時間長。此時在夾套通入冷卻水，可快速降低內室夾套板材溫度，大幅提高冷卻效率，縮短液體冷卻時間。為測試冷卻效果，在滅菌器內室放置30只250 mL開口試劑瓶，內部注水至上限刻度。運行121 ℃、900 s滅菌工藝，對比不同冷卻方式液體冷卻至80 ℃的時間，如表2所示。

方式二：內室通風冷卻。

圖8為內室通風冷卻示意圖。該系統由強制對流風扇和導流風板組成，在風機的強力驅動和導流風板的導引下，滅菌室內的高溫混合氣體沿風機葉輪形成從中間向上、沿兩側向下的渦旋氣流，此氣流通過熱敏性負載，實現液體冷卻。在空氣循環過程中配置了熱交換器，熱交換器通過冷卻水作為冷卻介質，快速降低腔室內空氣及滅菌負載溫度，實現快速降溫。為測試冷卻效果，在滅菌器內室放置30只250 mL開口試劑瓶，內部注水至上限刻度。運行121 ℃、900 s滅菌工藝，對比不同冷卻方式的液體冷卻時間，如圖9所示。

夾套水冷與內室通風冷卻均可大幅縮短液體冷卻時間。相比而言，內室通風冷卻時間更短、效率更高，但通風冷卻方式側面盤管及頂部風機占用較大空間，容積利用率低。因此，具體選型時可根據液體容量大小、裝載量以及冷卻速度要求來選擇冷卻方式。

4? ? C型蒸汽滅菌器選型

4.1? ? 常規蒸汽滅菌系統應用于生物安全領域面臨的挑戰

挑戰一：污染性空氣排出風險。為實現有效滅菌，蒸汽在注入腔室前通常采用重力置換或脈動真空方式排空氣，但在處理有傳染性物品時，常規蒸汽滅菌系統直排方式將對環境造成污染。

挑戰二：污染性冷凝水排放風險。濕熱滅菌的原理是蒸汽遇更低溫度的滅菌物品時會凝結成水釋放潛熱[3]，達到滅菌目的。在滅菌溫度、時間未達到條件之前，滅菌過程中的冷凝水已被污染，常規滅菌系統排水設計存在較大挑戰。

挑戰三：高溫、振動破壞滅菌器與廠房密封性風險。滅菌器不銹鋼面板與彩鋼板隔斷后通常采用打膠密封，設備長時間振動、面板高溫狀態會破壞兩個級別區的生物隔斷，造成交叉污染。

4.2? ? C型蒸汽滅菌器關鍵控制點

關鍵控制點一：廢氣處理系統。廢氣均經0.22 μm生物濾膜過濾后排放（氣體過濾精度可達到0.01 μm），過濾過程中產生的冷凝水流回內室，不排出室外。保證排出的空氣中病原微生物達到“零排放”，不向環境中泄漏任何生物因子。

關鍵控制點二：廢水處理系統。程序運行過程中形成的冷凝水直接收集于滅菌室底部，并被進入滅菌室和外部夾套中的蒸汽加熱滅菌。冷凝水或獨立容器收集后滅菌。

關鍵控制點三：生物密封系統[4]。圖10為生物安全型滅菌器安裝示意圖。在滅菌器主體的周邊焊接密封的隔離板4，在建筑的隔離墻1開口處周邊預埋不銹鋼金屬框2，然后在金屬框2與滅菌器的隔離板4之間用硅膠板3連接，且硅膠板3用不銹鋼壓板緊密壓合，達到密封要求。滅菌器、彩鋼板（或實體墻）間通過柔性隔離板連接，隔離板能夠隨著溫度的變化和設備振動自動調節，保證密封的穩定、可靠、安全。

5? ? 結語

蒸汽滅菌器選型應當從滅菌負載的核心需求入手，選擇與核心需求相匹配的蒸汽滅菌器類型或功能。然后結合蒸汽滅菌器在脈動、升溫、滅菌、干燥等不同階段，腔室不同位置的溫度變化規律，滅菌負載裝載原則設計合理的裝載方案，據此確定具體規格，最后評估所選規格與廠房空間的匹配性，確定最終選型。

[參考文獻]

[1] 蒸汽滅菌器 生物安全性能要求：YY 1277—2016[S].

[2] 馬義嶺，郭永學.制藥設備與工藝驗證[M].北京：化學工業出版社，2019.

[3] J.莫登豪爾.濕熱滅菌工藝的驗證[M].北京：化學工業出版社，2016.

[4] 黃翠，梁慧剛，湯華山，等.生物安全型蒸汽滅菌器與醫用蒸汽滅菌器的比較和思考[J].暖通空調，2021，

51（7）：1-5.

收稿日期：2022-03-28

作者簡介：傅佩順（1985—），男，山東濰坊人，工程師，研究方向：蒸汽滅菌技術。