Автоклав — это машина, используемая для выполнения промышленных и научных процессов, требующих повышенной температуры и давления по отношению к давлению и/или температуре окружающей среды. Автоклавы используются перед хирургическими процедурами для выполнения стерилизации , а также в химической промышленности для отверждения покрытий и вулканизации резины, а также для гидротермального синтеза . Промышленные автоклавы используются в промышленных целях, особенно при производстве композитов.
Многие автоклавы используются для стерилизации оборудования и расходных материалов путем воздействия на них сжатого насыщенного пара при температуре 121 °C (250 °F) в течение 30–60 минут под давлением 205 кПа или 2,02 атм [1] (примерно в два раза больше атмосферного давления) в зависимости от размера загрузки и содержимого. [2] Автоклав был изобретен Чарльзом Чемберлендом в 1879 году, [3] хотя его предшественник, известный как паровой реактор , был создан Дени Папеном в 1679 году. [4] Название происходит от греческого auto- , в конечном счете означающего «сам», и латинского clavis, означающего «ключ», таким образом, самоблокирующееся устройство. [5]
Стерилизационные автоклавы широко используются в микробиологии и микологии , медицине и производстве протезов , татуировках и пирсинге , а также в погребальной практике . Они различаются по размеру и функциям в зависимости от стерилизуемой среды и иногда называются ретортами в химической и пищевой промышленности.
Типичные грузы включают лабораторную посуду, другое оборудование и отходы, хирургические инструменты и медицинские отходы . [6] [7]
Заметным недавним и все более популярным применением автоклавов является предварительная обработка и стерилизация отходов, таких как патогенные больничные отходы. Машины этой категории в основном работают по тем же принципам, что и обычные автоклавы, в том смысле, что они способны нейтрализовать (но не устранить) потенциально инфекционные агенты, используя сжатый пар и перегретую воду. [8]
Автоклавы также широко используются для отверждения композитов, особенно для сплавления нескольких слоев без каких-либо пустот, которые могли бы снизить прочность материала, и при вулканизации резины. [9] Высокая температура и давление, которые генерируются автоклавами, помогают гарантировать, что наилучшие возможные физические свойства являются повторяемыми. Производители рангоутов для парусных лодок имеют автоклавы длиной более 50 футов (15 м) и шириной 10 футов (3 м), а некоторые автоклавы в аэрокосмической промышленности достаточно велики, чтобы вмещать целые фюзеляжи самолетов, изготовленные из слоистых композитов. [10]
Система термического обеззараживания сточных вод функционирует как специализированный автоклав, предназначенный для стерилизации жидких отходов и сточных вод.
Очень важно убедиться, что весь захваченный воздух удален из автоклава перед активацией, так как захваченный воздух является очень плохой средой для достижения стерильности. Пар при 134 °C (273 °F) может достичь желаемого уровня стерильности за три минуты, в то время как для достижения того же уровня стерильности в горячем воздухе требуется два часа при 160 °C (320 °F). [11] Методы удаления воздуха включают в себя:
Автоклавы с плитой, используемые в более бедных или немедицинских учреждениях, не всегда имеют автоматические программы удаления воздуха. Оператору необходимо вручную выполнять паровую пульсацию при определенных давлениях, как указано на манометре. [12]
Медицинский автоклав — это устройство, которое использует пар для стерилизации оборудования и других предметов. Это означает, что все бактерии , вирусы , грибки и споры инактивируются. [13] Однако прионы , такие как те, которые связаны с болезнью Крейтцфельдта-Якоба , и некоторые токсины, выделяемые некоторыми бактериями, такими как Cereulide , не могут быть уничтожены автоклавированием при типичной температуре 134 °C в течение трех минут или 121 °C в течение 15 минут, и вместо этого их следует погрузить в гидроксид натрия (1M NaOH) и нагреть в гравитационном автоклаве при 121 °C в течение 30 минут, очистить, промыть в воде и подвергнуть обычной стерилизации. [14] Хотя широкий спектр видов архей , включая Geogemma barossii , может выживать и даже размножаться при температурах, обнаруженных в автоклавах, скорость их роста настолько медленная при более низких температурах в менее экстремальных средах, занимаемых людьми, что маловероятно, что они смогут конкурировать с другими организмами. [15] Ни один из них не известен как заразный или представляющий иную опасность для здоровья человека; на самом деле, их биохимия настолько отличается от человеческой, а скорость их размножения настолько медленная, что микробиологам не стоит беспокоиться о них. [16]
Автоклавы используются во многих медицинских учреждениях, лабораториях и других местах, где необходимо обеспечить стерильность объекта. Во многих процедурах сегодня используются одноразовые предметы, а не стерилизуемые, многоразовые предметы. Впервые это произошло с иглами для подкожных инъекций , но сегодня многие хирургические инструменты (например, щипцы , иглодержатели и ручки скальпелей ) обычно являются одноразовыми, а не многоразовыми предметами (см. автоклав для отходов ).
Поскольку используется влажное тепло, термолабильные продукты (например, некоторые виды пластика ) нельзя стерилизовать таким образом, иначе они расплавятся. Бумагу и другие продукты, которые могут быть повреждены паром, также необходимо стерилизовать другим способом. Во всех автоклавах предметы всегда должны быть разделены, чтобы пар мог равномерно проникать в загрузку.
Автоклавирование часто используется для стерилизации медицинских отходов перед утилизацией в стандартном потоке твердых бытовых отходов . Это применение стало более распространенным в качестве альтернативы сжиганию из-за экологических и медицинских проблем, связанных с побочными продуктами сгорания, выделяемыми мусоросжигательными печами, особенно небольшими установками, которые обычно эксплуатировались в отдельных больницах. Сжигание или аналогичный процесс термического окисления по-прежнему обычно является обязательным для патологических отходов и других очень токсичных или инфекционных медицинских отходов. Для жидких отходов эквивалентным оборудованием является система дезактивации сточных вод .
В стоматологии автоклавы обеспечивают стерилизацию стоматологических инструментов.
В большинстве индустриальных стран медицинские автоклавы являются регулируемыми медицинскими устройствами . Поэтому многие медицинские автоклавы ограничены выполнением циклов, одобренных регулятором. Поскольку они оптимизированы для непрерывного использования в больнице, они предпочитают прямоугольные конструкции, требуют сложных режимов обслуживания и дороги в эксплуатации. (Правильно откалиброванный медицинский автоклав использует тысячи галлонов воды каждый день, независимо от задачи, с соответствующим высоким потреблением электроэнергии.)
Автоклавы используются в образовании, научных исследованиях, биомедицинских исследованиях, фармацевтических исследованиях и промышленности для стерилизации лабораторных инструментов и стеклянной посуды, обработки отходов перед утилизацией, подготовки питательных сред и жидких сред, а также искусственного старения материалов для испытаний.
Хотя автоклавы, произведенные для использования в медицине, могут использоваться в исследовательских целях, лаборатории могут выбирать автоклавы «исследовательского класса». Они специально разработаны для немедицинских целей. Исследовательские автоклавы часто используют конструкцию «без рубашки», где пар генерируется непосредственно в камере давления с помощью нагревательных спиралей (вместо того, чтобы полагаться на «паровую рубашку» и независимый парогенератор, как в случае с высокопроизводительными медицинскими автоклавами). Исследовательские автоклавы не должны соответствовать строгим требованиям, связанным со стерилизацией инструментов, которые будут использоваться непосредственно на людях. Вместо этого они могут отдавать приоритет эффективности, гибкости программирования, простоте использования и устойчивости.
В 2016 году Управление по устойчивому развитию Калифорнийского университета в Риверсайде (UCR) провело исследование эффективности автоклавов в своих исследовательских лабораториях по геномике и энтомологии, отслеживая потребление электроэнергии и воды несколькими подразделениями. Они обнаружили, что даже при работе в пределах предполагаемых параметров медицинские автоклавы, используемые в их исследовательских лабораториях, потребляли 700 галлонов воды и 90 кВт·ч электроэнергии в день (всего 1134 МВт·ч электроэнергии и 8,8 млн галлонов воды), поскольку они потребляли энергию и воду непрерывно, даже когда не использовались. Исследовательские автоклавы UCR выполняли те же задачи с равной эффективностью, но потребляли на 83% меньше энергии и на 97% меньше воды. [17]
Университет Алабамы в Бирмингеме (UAB) завершил аналогичное исследование в 2023 году, чтобы оценить разницу в производительности между автоклавами с рубашкой и без рубашки схожего размера, выполняющими идентичные задачи в исследовательской обстановке. Они отслеживали параллельные автоклавы в учреждении, выполняя циклы, указывающие на наиболее распространенные задачи загрузки и стерилизации, используемые их исследователями по всему кампусу. UAB обнаружил, что автоклавы с рубашкой потребляли значительно больше воды (44–50 галлонов на цикл) и домашнего пара (25–41 фунт на цикл), чем автоклавы без рубашки, которые потребляли менее 2 галлонов воды и не использовали домашний пар на цикл, независимо от типа цикла или задачи. Более высокое потребление воды автоклавами с рубашкой привело к расчетной стоимости воды в размере 764 долларов США на автоклав с рубашкой в год по сравнению с 23 долларами США для автоклавов без рубашки. Автор подсчитал, что при наличии более 100 паровых автоклавов с рубашкой в кампусе использование автоклавов с рубашкой для исследовательских задач привело к дополнительным 74 000 долларов США в годовых дополнительных расходах для UAB. Кроме того, автоклавы с рубашкой имели более высокую начальную цену покупки, чем их аналоги без рубашки (на 37% больше). Автор также отметил отдельные сообщения об экономии на электроэнергии и расходах на техническое обслуживание, связанные с автоклавами без рубашки. [18]
Исследовательские автоклавы имеют широкий спектр конструкций и размеров и часто изготавливаются в соответствии с их использованием и типом загрузки. Обычные варианты включают цилиндрическую или квадратную камеру давления, системы воздушного или водяного охлаждения, а также вертикально или горизонтально открывающиеся двери камеры (которые могут иметь электрический или ручной привод). Исследовательские автоклавы могут быть сконфигурированы для «сквозной» работы. Это позволяет поддерживать абсолютную изоляцию между «чистыми» и потенциально загрязненными рабочими зонами. Сквозные исследовательские автоклавы особенно важны в учреждениях BSL-3 или BSL-4 .
Для эффективной стерилизации предметов важно использовать оптимальные параметры при запуске цикла автоклавирования. Исследование 2017 года, проведенное подразделением биоизоляции больницы Джона Хопкинса, проверило способность сквозных автоклавов дезактивировать партии имитированных биомедицинских отходов при работе с заводскими настройками по умолчанию. Исследование показало, что 18 из 18 (100%) имитационных загрузок пациентов (6 СИЗ, 6 постельного белья и 6 жидких загрузок) прошли тесты стерилизации с оптимизированными параметрами по сравнению с только 3 из 19 (16%) имитационных загрузок, которые прошли с использованием заводских настроек по умолчанию. [19]
Существуют физические, химические и биологические индикаторы, которые можно использовать для обеспечения того, чтобы автоклав достигал правильной температуры в течение правильного периода времени. Если необработанный или неправильно обработанный предмет можно спутать с обработанным, то существует риск, что они будут перепутаны, что в некоторых областях, таких как хирургия, имеет решающее значение.
Химические индикаторы на медицинской упаковке и автоклавной ленте меняют цвет после того, как будут выполнены правильные условия, указывая на то, что объект внутри упаковки или под лентой был надлежащим образом обработан. Автоклавная лента является лишь маркером того, что пар и тепло активировали краситель. Маркер на ленте не указывает на полную стерильность. Более сложное устройство для проверки, названное устройством Боуи-Дика в честь его изобретателей, также используется для проверки полного цикла. Оно содержит полный лист химического индикатора, помещенный в центр стопки бумаги. Он разработан специально для того, чтобы доказать, что процесс достиг полной температуры и времени, необходимых для нормального минимального цикла 134 °C в течение 3,5–4 минут. [20]
Для доказательства стерильности используются биологические индикаторы. Биологические индикаторы содержат споры термостойкой бактерии Geobacillus stearothermophilus . Если автоклав не достигнет нужной температуры, споры прорастут при инкубации, и их метаболизм изменит цвет чувствительного к pH химиката. Некоторые физические индикаторы состоят из сплава, предназначенного для плавления только после воздействия заданной температуры в течение соответствующего времени выдержки. Если сплав расплавится, изменение будет видно. [21]
Некоторые автоклавы с компьютерным управлением используют значение F 0 (F-ноль) для управления циклом стерилизации . Значения F 0 устанавливаются для количества минут стерилизации, эквивалентных 121 °C (250 °F) при 103 кПа (14,9 фунтов на кв. дюйм) выше атмосферного давления в течение 15 минут. Поскольку точный контроль температуры затруднен, температура контролируется, и время стерилизации регулируется соответствующим образом. [22]
{{citation}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )Погрузить в гидроксид натрия (NaOH)20 и нагреть в гравитационном автоклаве при 121 °C в течение 30 минут; очистить; промыть в воде и подвергнуть обычной стерилизации.
