Начало >> Статьи >> Архивы >> Медицинские стерилизаторы

Паровая стерилизация - Медицинские стерилизаторы

Оглавление
Медицинские стерилизаторы
Введение
Стерилизующие агенты
Объекты медицинской стерилизации
Паровая стерилизация
Воздушная стерилизация
Газовая стерилизация
Классификация медицинских стерилизаторов
Основные понятия, термины и определение медицинских стерилизаторов
Состояние и перспективы развития медицинских стерилизаторов
Состояние и перспективы развития воздушных стерилизаторов
Состояние и перспективу развития газовых стерилизаторов
Состояние и перспективы развития стерилизационной техники для оснащения ЦСО
Номенклатура и основные технические характеристики отечественных медицинских стерилизаторов
Краткая характеристика зарубежных стерилизаторов
Вертикальные круглые стерилизаторы
Горизонтальные круглые стерилизаторы
Стерилизатор ГК-100-3
Воздушные стерилизаторы СС-200М и СС-1
Газовый стерилизатор ГК-100
Паровые прямоугольные стерилизаторы
Воздушные прямоугольные стерилизаторы
Сушильно-стерилизационные шкафы
Газовый стерилизатор ГПД-250
Централизованная стерилизационная установка ЦСУ-1000
Средства упаковки и хранения стерилизуемых объектов
Стерилизационные камеры
Источники пара, горячего воздуха и газа
Питающие вакуумные насосы
Предохранительные клапаны
Приборы управления и контроля
Основы автоматизации стерилизационных процессов
Монтаж и пуск стерилизаторов в лечебно-профилактических учреждениях
Техника безопасности при эксплуатации стерилизаторов
Техническое обслуживание стерилизаторов
Основные неисправности в работе стерилизаторов и   методы их устранения

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ СТЕРИЛИЗАЦИИ МЕДИЦИНСКИХ ОБЪЕКТОВ
Основными методами стерилизации медицинских объектов, требующими аппаратурного оформления, как говорилось выше, являются паровой, воздушный и газовый. При этом паровой и воздушный относятся к термическим методам стерилизации.

Стерилизация водяным насыщенным паром является доминирующим методом медицинской стерилизации. Однако теплофизические процессы, происходящие в микроорганизме, практически не изучены. Отсутствие расшифровки механизма взаимосвязи медицинского объекта, микроорганизма и стерилизующего агента определило эмпирический подход к режиму паровой стерилизации и конструированию стерилизационной аппаратуры.
Микроорганизмы, подвергающиеся стерилизации, как правило, находятся на внутренних и наружных поверхностях медицинского объекта. В случае капиллярно-пористого объекта, например из текстиля (перевязочный материал, халаты, простыни, вата и т. д.), микроорганизмы могут находиться внутри капилляра или в порах объекта. Места внутри капилляра являются наиболее труднодоступными для стерилизующего агента. Проникновение агента внутрь капилляра или пор, близлежащих к поверхности объекта, происходит значительно быстрее, чем проникновение в капилляр или поры, лежащие в центре объекта. Следовательно, при умерщвлении микроорганизмов в центральных капиллярах и порах объекта с гарантией достигается стерильность всего объекта. Таким образом, за критериальную исходную точку- расчета процесса стерилизации можно принять уничтожение микроорганизмов в центральном капилляре или поре, т. е. в центре объекта. Использование этого критерия при расчетах процесса стерилизации позволяет охватить не только капиллярно-пористые, но и непористые объекты, такие, как, например, медицинский инструмент. В этом случае стерилизацию можно считать частной задачей стерилизации капиллярно-пористых объектов.
Микроорганизм является сложной биологической системой. Он состоит из ворсинок (ресничек), капсулы, микрокапсулы, клеточной стенки, цитоплазматической мембраны, ядра.
Барьером, защищающим микроорганизм от воздействия стерилизующего агента, являются ворсинки (реснички), а также капсула. Ворсинки и капсула являются капиллярно-пористым телом, через которое между микроорганизмом и окружающей средой происходит постоянный массообмен. Вокруг микроорганизма за счет сорбционных связей образуется воздушная рубашка, которая предохраняет его от вредных воздействий окружающей среды. Таким образом, воздушная рубашка служит дополнительным барьером защиты микроорганизма и притом с весьма высокой степенью активности.
Основным агентом при термической стерилизации является насыщенный водяной пар или воздух. И тот и другой из названных стерилизующих агентов имеет свои особенности воздействия на микроорганизм. Специфика воздействия заключается в их теплофизических параметрах и устойчивости фазового состояния, а также защитных свойствах самого микроорганизма (воздушной рубашки).
Значительное влияние на скорость умерщвления микроорганизма оказывает также устойчивость фазового состояния агента, определяющая количество тепла, передаваемого микроорганизму агентом в микроединицу времени. Использование в качестве агента насыщенного водяного пара позволяет практически мгновенно получить желаемое количество тепла за счет перехода пара в жидкость (539 ккал/кг). Механизм прогрева микроорганизма паром происходит следующим образом. Пар, конденсируясь на холодной поверхности микроорганизма, превращается в воду, поглощающую воздушную рубашку микроорганизма. При этом за счет значительного количества выделяемого тепла происходит тепловой удар, направленный от наружной поверхности микроорганизма к его центру, как к наиболее холодной точке. В этом случае водяная рубашка, являясь теплопроводным мостом, транспортирует горячие микрочастицы внутрь микроорганизма. Наличие осмотического давления в микроорганизме также улучшает условия тепломассообмена, ибо различие в концентрации солей в водяной рубашке и микроорганизме приводит к тому, что происходит выравнивание концентрации солей внутри и снаружи микроорганизма. Учитывая то, что соли, транспортируемые изнутри микроорганизма, имеют более низкую температуру, а водяные частицы, их замещающие, более высокую, и постоянный тепловой напор извне, осуществляемый паром, обладает большим тепловым потенциалом, можно сказать, что скорость прогрева микроорганизма до необходимой температуры стерилизации стремится к нулю.
Характер распределения температурного поля внутри микроорганизма при подводе к нему тепла определяется тепломассообменом процесса стерилизации. При достижении определенной температуры происходят необратимые изменения в структуре материи микроорганизма, начинается процесс коагуляции белка.
Механизм образования коагулированного слоя белка заключается в следующем. При подводе тепла к наружной поверхности белкового тепла в начальной стадии происходит прогрев тонкого поверхностного слоя и последующее образование коагулята. При этом имеет место переход теплового агента из газовой в жидкую фазу внутри белковой системы. Фазовый переход сопровождается поглощением тепла, необходимого для разрушения старых и образования новых связей в теле, что фиксируется постоянством температуры. После образования коагулированного слоя тепло передается следующему слою, в котором происходит аналогичный процесс. Количество тепла уменьшается от слоя к слою, так как слой коагулята имеет более жесткую структуру, нежели жидкая фаза белка, и транспорт частиц горячей воды замедляется. Скорость массообмена соответственно снижается, а скорость теплопередачи через стенку увеличивается. Учитывая изложенное выше, можно сказать, что при коагуляции белка переход в твердую фазу требует большего количества тепла, а прогрев жидкой фазы до границы фазового перехода — меньшего, что подтверждает тепловой характер процесса коагуляции.

По мере нарастания толщины слоя коагулята массообмен между агентом и микроорганизмом уменьшается, что определяет затухающий характер скорости распространения волны коагуляции. Нижний предел затухания волны определяется полной коагуляцией белка микроорганизма.
Тепломассообмен в объекте стерилизации и микроорганизме при воздействии водяного насыщенного пара и механизм взаимосвязи системы пар — медицинский объект — микроорганизм, находящийся в капилляре объекта, можно представить следующим образом. Прогрев капилляра происходит после прогрева всей поверхности объекта. Поглощение пара объектом, соответствующее его сорбционной емкости, которая зависит от поверхности объекта, определяет оптимум прогрева объекта во всей его массе. После прогрева объекта начинается прогрев воздуха в его капиллярах и поглощение конденсатом. После этого тепло вступает в контакт с микроорганизмом, имеющим на своей поверхности слой сорбированного поверхностью микроорганизма воздуха (воздушная рубашка), защищающего его от вредных воздействий окружающей среды. При контакте с микроорганизмом пар конденсируется, отдавая микроорганизму тепло, ликвидирует воздушную рубашку, образует взамен ее водяную рубашку, которая служит тепломассообменным мостом, по которому тепло (за счет теплопередачи или диффузии) поступает внутрь микроорганизма. А так как микроорганизм состоит из ряда перегородок, содержащих белок, между которыми находится жидкая среда, то происходит волновая коагуляция белка. Последняя движется по направлению к центру клетки, нарушая пути ее жизнедеятельности, при этом нарушается реализация содержащейся в дезоксинуклеиновой кислоте наследственной информации, необходимой для синтеза белка и т. д.
На базе теоретических предпосылок и экспериментальных исследований процесс паровой стерилизации капиллярно-пористых медицинских объектов во взаимосвязи с коагуляцией белка микроорганизма можно представить системой дифференциальных уравнений, описывающих теплофизический и биологический характер процесса:

где Т, t — температурный потенциал объекта стерилизации и микроорганизма, соответственно;
Θ, Ψ— потенциал массопереноса в объекте стерилизации и микроорганизма, соответственно;
Р, F—потенциал давлений в объекте стерилизации и микроорганизма, соответственно; aq — коэффициент температуропроводности объекта стерилизации;
ам — коэффициент потенциалопроводности объекта стерилизации;
ар, af — коэффициент диффузии в объекте стерилизации и микроорганизме соответственно;
ξ— коэффициент сопротивления теплопередаче в микроорганизме;
Е — критерий фазового перехода жидкости; г — удельная теплота фазового превращения;
См, — удельная изотермическая массоемкость объекта стерилизации и микроорганизма, соответственно;
Cq, Cq — удельная теплоемкость объекта стерилизации и микроорганизма, соответственно; б0 — термоградиентный коэффициент; бр — бароградиентный коэффициент;
К — потенциал коагуляции белка в микроорганизме.

Для определения критерия Кирпичова (Кi) требуется знание удельного теплового потока, подводимого к поверхности стерилизуемого объекта. Его величина может быть определена по следующему уравнению:
(9)
где Qh.m. — тепло, затраченное на нагрев влажного объекта, ккал.

поскольку
(10).
Получим
(Н)
где См — средняя в интервале температур (Тк—Ти) теплоемкость объекта, рассчитанная по средней по времени влажности, ккал/кг-град;
Тк — конечная температура, °С.
Решение уравнения (3) относительно длительности процесса стерилизации может быть получено из следующей зависимости:
(12)
или
(13)
где  n1, m1, p1, β1— показатели степени уравнения;
С' — постоянная величина. Рассматривая уравнение (12) относительно этапов процесса стерилизации, можно сделать вывод, что все
критерии уравнения, кроме критерия St, определяют нестационарную часть процесса стерилизации (удаление воздуха, прогрев объекта), а критерий St определяет стационарную часть процесса стерилизации. Поэтому при определении времени удаления воздуха и прогрева объекта показатель степени β1, определяющий критерий стерилизации (S), равен 0, а показатели степени остальных критериев приведены в табл. 4. При определении времени умерщвления микроорганизмов показатели степени всех критериев (k, п1, т1, ρ1, β1), кроме показателя степени βι и критерия St, равны 0. Показатель степени критерия St в этом случае равен 1.
Таблица 4
Показатели степени критериального уравнения и постоянная величина при удалении воздуха из аппарата и прогреве объектов

Учитывая, что в критериальном уравнении представлены все технологические, конструктивные и биологические параметры стерилизационного аппарата, его можно использовать при расчете новых моделей паровых стерилизаторов. Для определения оптимального времени стерилизации (стерилизационной выдержки) важную роль имеют этапы удаления воздуха и прогрева стерилизационного объекта, а для определения оптимального срока сохранности простерилизованных объектов — этап десорбции водяных паров из объекта (сушка).
Зная, что наиболее сложными объектами стерилизации являются капиллярно-пористые материалы, процесс прогрева или сушки которых определяется не только тепло-, но и массообменом, процесс их обработки может быть описан следующим образом.

Прогрев объекта стерилизации (вместе с удалением воздуха)

Конечным результатом этапа прогрева объекта стерилизации должен быть прогрев объекта до температуры стерилизации (Тст). Удаление воздуха на этом этапе играет значительную роль.
В настоящее время удаление воздуха из стерилизационной камеры и объекта стерилизации может производиться следующими методами (рис. 4): 1 — непрерывная откачка до разрежения — 0,06-:-0,07 МПа (рис. 4, а); 2 — откачка при давлении от —0,06-:-0,07 до +0,05 МПа (рис. 4, б); 3 — пульсирующая откачка при давлении от —0,05 до +0,02 MПa (рис. 4, в); 4 — пульсирующая откачка при давлении от 0 до — 0,06-:—0,07 до 0 МПа (рис. 4,г); 5 — гравитационный метод (рис. 4,д).
Рассмотрим этап прогрева капиллярно-пористого объекта стерилизации с применением существующих методов. Считаем, что прогрев при всех методах удаления воздуха должен иметь одинаковый конечный результат, т. е. Тст=const и источник тепла является функцией одной из координат и времени, а подводимый к поверхности тепловой поток является функцией времени.
Прогресс с использованием удаления воздуха непрерывной откачкой с последующим пуском пара определяется глубиной вакуума в камере и объекте. После пуска в камеру пара вначале происходит его интенсивная конденсация, которая продолжается до тех пор, пока в камере не исчезнет вакуум и влага, сконденсировавшаяся в капиллярах и порах объекта стерилизации, не прогреется до температуры входящего пара.


Рис. 4. Методы удаления воздуха совместно с этапом прогрева объекта.

Затем объект стерилизации и камера начнут прогреваться и одновременно с ними будет прогреваться (или испаряться) конденсат. Но если для испарения влаги, находящейся под воздействием капиллярных сил, требуется большая энергия, а значит, и более высокая температура, чем при испарении влаги с открытой поверхности, то при температуре стерилизации в капиллярах и порах должно оставаться значительное количество влаги, влияющей на скорость процесса умерщвления микроорганизмов, так как количество тепла, выделяемое водой, значительно ниже количества тепла, выделяемого паром при его фазовом переходе. Таким образом, одним из недостатков метода вакуумирования камеры является повышенная влажность объекта перед стерилизационной выдержкой. Кроме того, в этом случае затрачивается значительное количество тепла, расходуемого не только на прогрев объекта, но и на испарение конденсата стерилизующего пара. Использование пульсирующих методов удаления воздуха позволяет ускорить прогрев объекта за счет импульсного теплового потока, обеспечивающего более полное удаление воздуха и более глубокое проникновение пара в глубь объекта, а также удаление воздуха из капилляров и пор объекта за счет смещения концентрационного равновесия системы пар — воздух в капиллярах и порах объекта и в камере.

Прогрев объекта с использованием гравитационного метода удаления воздуха заключается в вытеснении воздуха паром, имеющим более высокую плотность.
Рис. 5. Прогрев объекта стерилизации с использованием гравитационно-пульсирующего метода.

1—3—зоны откачки паровоздушной смеси.
Метод эффективен, так как тепло затрачивается только на нагрев объекта. Но при учете, что вытеснить воздух из капилляров и пор объектов при этом методе довольно сложно, планируют расход пара в большем количестве.
Анализируя рассмотренные методы удаления воздуха с последующим прогревом объектов, можно сделать вывод, что удаление воздуха осуществляется лучше всего  пульсирующим методом, а прогрев — гравитационным методом. Следовательно, на практике целесообразно использовать гравитационно-пульсирующий метод, заключающийся в непрерывном вытеснении воздуха паром с одновременным прогревом объекта и периодическом отсосе смеси вакуум-насосом, обеспечивающим высокую скорость проникновения пара в глубь объекта. Схема предложенного метода изображена на рис. 5.

Десорбция водяных паров из объектов стерилизации (сушка)

В настоящее время в паровых стерилизаторах для удаления водяных паров из пористых объектов и из самой рабочей камеры используют метод десорбции, основанный на испарении влаги за счет создания разрежения (рис. 6). Этот метод недостаточно эффективен, так как при температуре 90°С влага полностью не испаряется. Увеличить глубину вакуума практически невозможно.
Для улучшения качества сушки и сокращения энергетических затрат целесообразно использовать пульсирующий метод сушки, при котором не так велико влияние герметичности системы (рис. 7), или сушку производить перегретым паром (рис. 8).
Рис. 6. Десорбция водяных паров из объекта (сушка) методом вакуумирования.

1— кривая давления; 2—кривая температуры.
Пульсирующая сушка может осуществляться двумя способами: 1) откачкой пара из камеры с последующим пуском воздуха для вытеснения влаги из капилляров и пор (рис. 7, а);
2) откачкой пара из камеры и последующей выдержкой для обеспечения выхода пара и влаги из объектов (рис. 7, б).
Первый способ обеспечивает сохранение герметичности аппарата, так как разрежение в камере находится в заданных пределах ее герметичности (К<2,4)*, и смещение концентрационного равновесия между камерой, капиллярами и порами объекта. Однако в этом случае поступающий воздух может охлаждать (до конденсации) пар в капиллярах и поэтому влажность объекта остается высокой.
Второй способ обеспечивает те же преимущества, что и первый, однако конденсации пара из-за отсутствия контакта с холодным воздухом не происходит.

* Эмпирический коэффициент герметичности системы.


При сушке перегретым паром достигается прогрев влаги в капиллярах и порах объекта и самого объекта. Пар в этом случае подается под избыточным давлением, которое не требует повышенной герметизации. Однако в практических условиях перегретый пар применяется очень редко.



 
« Медицинские аспекты йоддефицитных заболеваний детей и подростков   Медуллярная карцинома щитовидной железы у детей »