本文提出了一種新型的VHP滅菌工藝，滿足在較低溫度狀態(tài)下，借助循環(huán)風(fēng)機(jī)完成過(guò)氧化氫汽化。高濃度過(guò)氧化氫易制爆，“低溫”則大大提升了滅菌工藝的安全性。借助大風(fēng)量的風(fēng)機(jī)，可使過(guò)氧化氫氣體的粒徑更小、穿透性更強(qiáng)。在生物安全領(lǐng)域，關(guān)于袋進(jìn)袋出系統(tǒng)的滅菌一直備受關(guān)注（以下簡(jiǎn)稱“BIBO”系統(tǒng)），新型VHP滅菌工藝可實(shí)現(xiàn)對(duì)“BIBO”系統(tǒng)的滅菌挑戰(zhàn)，并通過(guò)了CMA認(rèn)證。
1、引 言
近年來(lái)疫情頻發(fā)，傳染病日趨國(guó)際化，生物安全已然納入國(guó)家安全范疇。為應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)峻的疫情，中國(guó)計(jì)劃到2025年建立5到7所四級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室，目前國(guó)內(nèi)通過(guò)CNAS驗(yàn)收的四級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室（P4 實(shí)驗(yàn)室）有兩個(gè)，分別是2018年1月驗(yàn)收的中科院武漢病毒研究所和2018 年7 月驗(yàn)收的中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈爾濱獸醫(yī)研究所。一個(gè)P4 實(shí)驗(yàn)室一般會(huì)配套幾個(gè)P3 實(shí)驗(yàn)室以及多個(gè)P2 實(shí)驗(yàn)室，如此龐大的生物安全防護(hù)體系，在維護(hù)管理方面有著嚴(yán)格的要求。
生物安全實(shí)驗(yàn)室能達(dá)到生物安全的要求，主要通過(guò)防護(hù)屏障和管理措施兩種方式。在一個(gè)試驗(yàn)周期完成后，需要對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行滅菌，生物安全實(shí)驗(yàn)室防護(hù)區(qū)域內(nèi)的消毒滅菌是規(guī)避實(shí)驗(yàn)室感染風(fēng)險(xiǎn)的有效措施。高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室裝有特殊的空調(diào)系統(tǒng)，進(jìn)入的空氣溫度、濕度與潔凈度都需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)出空氣都要經(jīng)過(guò)過(guò)濾效率為99.99%的HEPA過(guò)濾器，并保證實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣的換氣次數(shù)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求[1-2]。實(shí)驗(yàn)室采用定向負(fù)壓系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的空氣只能通過(guò)排風(fēng)系統(tǒng)排出，而不會(huì)向外圍空間泄漏，高等級(jí)的生物安全實(shí)驗(yàn)室排氣系統(tǒng)要求經(jīng)過(guò)雙級(jí)高效過(guò)濾器，以保護(hù)實(shí)驗(yàn)室外的空氣不受污染。
復(fù)雜的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及較高的病菌污染風(fēng)險(xiǎn)，向高效過(guò)濾器的滅菌發(fā)起了更高級(jí)的挑戰(zhàn)。最典型的是箱式“BIBO”系統(tǒng)HEPA過(guò)濾器單元，一般安裝于實(shí)驗(yàn)室頂部的設(shè)備層或?qū)嶒?yàn)室旁的設(shè)備間，用于高級(jí)別的生物安全實(shí)驗(yàn)室（四級(jí)或有特殊要求的三級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室）。采用氣體滅菌劑在箱體內(nèi)循環(huán)往復(fù)穿透HEPA過(guò)濾器，動(dòng)力源為氣體發(fā)生器，氣流經(jīng)過(guò)過(guò)濾器后有明顯壓降，雙級(jí)高效過(guò)濾器對(duì)過(guò)氧化氫氣體攔截明顯。因此穿透高效要求發(fā)生器的風(fēng)量大且發(fā)生的氣體粒徑小，對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行原位消毒滅菌，操作安全、簡(jiǎn)便。截至目前，過(guò)氧化氫干霧技術(shù)、微冷凝技術(shù)以及傳統(tǒng)的加熱閃蒸技術(shù)，均無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)“BIBO”系統(tǒng)的滅菌。
圖1 加熱閃蒸式工藝原理圖
2、VHP滅菌工藝
2.1VHP滅菌工藝的概述
最早在1980s 年，美國(guó)STERIS公司發(fā)現(xiàn)過(guò)氧化氫汽化后，會(huì)比液態(tài)過(guò)氧化氫有更強(qiáng)的殺芽孢能力。隨后1990 年汽化過(guò)氧化氫正式通過(guò)美國(guó)EPA 核準(zhǔn)，作為滅菌劑，并很快在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域運(yùn)用。
汽化過(guò)氧化氫（以下簡(jiǎn)稱“VHP”）屬于一種廣譜抗菌劑，可殺滅包括病毒、細(xì)菌、細(xì)菌孢子、真菌，甚至線蟲(chóng)卵、外毒素和朊病毒等[3-4]。在滅菌結(jié)束后會(huì)，過(guò)氧化氫氣體降解為水和氧氣，不會(huì)生成對(duì)人體、環(huán)境有害的物質(zhì)，滅菌時(shí)間短，純氣態(tài)工藝，材料兼容性好[5]。VHP®即Vaporized Hydrogen Peroxide，在業(yè)內(nèi)已被廣泛接受和認(rèn)可，隨著VHP滅菌工藝的發(fā)展，相類似的滅菌工藝技術(shù)如雨后春筍般發(fā)展起來(lái)，但在滅菌效果和滅菌過(guò)程控制方面卻大相徑庭。
2.2傳統(tǒng)VHP滅菌工藝
傳統(tǒng)的VHP 滅菌工藝一般采用加熱閃蒸法，過(guò)氧化氫液體在蠕動(dòng)泵作用下，被滴在加熱溫度長(zhǎng)期保持在120~130℃的不銹鋼板上，過(guò)氧化氫液體瞬間快速蒸發(fā)為氣態(tài)過(guò)氧化氫，氣體隨著空氣流送入滅菌空間[6-7]。質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于8%的過(guò)氧化氫均屬于易制爆危化品，在高溫下，如果過(guò)程控制不好，將會(huì)造成嚴(yán)重安全事故。此外，該工藝對(duì)過(guò)氧化氫的純度也有著較高要求，如果過(guò)氧化氫雜質(zhì)殘留在加熱板上，日積月累，加熱板上會(huì)附著一層厚厚的雜質(zhì)層，如果不及時(shí)清理，將會(huì)影響加熱板的導(dǎo)熱，不但影響汽化效果，還存在一定的隱患。
2.3新型VHP滅菌工藝
新型VHP 滅菌工藝采用低溫噴射法，可消除加熱閃蒸法帶來(lái)的安全隱患，同時(shí)還增添了過(guò)程控制方面的新元素。噴嘴位置分上下兩部分，下端進(jìn)氣，上端進(jìn)液。在噴射管下端，通過(guò)風(fēng)量較大的循環(huán)風(fēng)機(jī)引入空氣流935 m3/h，在噴射管上端，通過(guò)蠕動(dòng)泵導(dǎo)入過(guò)氧化氫，瞬間空氣將過(guò)氧化氫液體打散噴出，噴嘴形狀呈蘑菇形，蘑菇形的頂蓋將噴出的過(guò)氧化氫氣體阻截，并擴(kuò)散到腔室中，腔室的加熱帶將剛噴出的過(guò)氧化氫氣體恢復(fù)至室溫，從而穩(wěn)定擴(kuò)散至滅菌空間。該工藝采用低溫滅菌，安全性能大幅提升。滅菌劑選用常規(guī)的過(guò)氧化氫，管壁或腔體上無(wú)任何殘留，便于設(shè)備的維護(hù)和管理，滅菌工藝也更加穩(wěn)定[8-10]。
圖2 常溫噴射式工藝原理圖
新型VHP 滅菌工藝可通過(guò)無(wú)線通訊功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。Real VNC 是一個(gè)遠(yuǎn)端控制軟件，Router 是滅菌設(shè)備的無(wú)線路由器，在滅菌區(qū)域外借助手機(jī)、平板、電腦等通訊工具，即可對(duì)滅菌設(shè)備進(jìn)行控制并實(shí)時(shí)監(jiān)控滅菌數(shù)據(jù)。Victory是過(guò)氧化氫發(fā)生器，為過(guò)氧化氫氣體發(fā)生的源頭，設(shè)備本身具有溫度、濕度、過(guò)氧化氫濃度探頭。TS1000 是可選配的遠(yuǎn)端探頭，用于監(jiān)測(cè)過(guò)氧化氫氣體最難達(dá)到位置的溫度、濕度、過(guò)氧化氫濃度，適用于較復(fù)雜的房間。AR1200 是可選配的過(guò)氧化氫降解器，設(shè)備由鉑系金屬組成，催化降解過(guò)氧化氫，降解速率高達(dá)2039 m3/h，一般也可以借助潔凈室空調(diào)系統(tǒng)來(lái)降解過(guò)氧化氫。新型VHP 滅菌工藝在過(guò)程控制和滅菌效果方面的優(yōu)勢(shì)是獨(dú)一無(wú)二的，由B&R（貝加萊）控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)過(guò)氧化氫注射率，通過(guò)設(shè)定飽和度的上限和下限，當(dāng)飽和度達(dá)到上限，則停止注射過(guò)氧化氫，當(dāng)飽和度低于下限時(shí)，則設(shè)備重新開(kāi)始注射過(guò)氧化氫。
圖3 常溫噴射式設(shè)備連接示意圖
3、材質(zhì)兼容性測(cè)試
凡是VHP 在滅菌過(guò)程中可接觸的設(shè)備及材料表面，均應(yīng)考慮其對(duì)VHP 強(qiáng)氧化性的耐受性，中國(guó)軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院選用新型的VHP 滅菌工藝，對(duì)生物安全實(shí)驗(yàn)室用到的各種材質(zhì)進(jìn)行了材質(zhì)兼容性測(cè)試。圖四為過(guò)氧化氫濃度變化趨勢(shì)圖，VHP濃度設(shè)置在1.5-2mg/L(＞900 ppm)，持續(xù)滅菌超過(guò)5 小時(shí)。通過(guò)滅菌前后對(duì)比分析，得出新型VHP滅菌工藝對(duì)進(jìn)行測(cè)試的部件有良好的材質(zhì)兼容性。
圖4 過(guò)氧化氫濃度趨勢(shì)圖
4、“BIBO”系統(tǒng)解決方案
4.1實(shí)驗(yàn)儀器及耗材
4.2測(cè)試步驟
（1）使用PAO發(fā)煙設(shè)備對(duì)高效過(guò)濾器檢漏，確認(rèn)高效過(guò)濾器完整、密封性好。
（2）按下圖方式連接過(guò)氧化氫發(fā)生器與BIBO系統(tǒng)，并在BIBO過(guò)濾系統(tǒng)內(nèi)部布置指示劑。采樣點(diǎn)編號(hào)說(shuō)明：01 和02 送風(fēng)箱體上沿兩角、03 和04 初效后擋板上沿兩角、05初效后擋板中間位置、06 和07 一級(jí)高效后箱體上沿兩角、08 和09 一級(jí)高效后擋板上沿兩角、10一級(jí)高效后擋板中間位置、11 和12 二級(jí)高效后箱體上沿兩角、13 和14 排風(fēng)箱體下沿兩角、15 二級(jí)高效后擋板外側(cè)。
圖5 指示劑布點(diǎn)圖
圖6 BIBO 系統(tǒng)與設(shè)備連接示意圖
（3）設(shè)定過(guò)氧化氫發(fā)生器注射率級(jí)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，連續(xù)三次使用同一設(shè)定參數(shù)對(duì)同一組BIBO 系統(tǒng)滅菌，滅菌完成后取出生物指示劑放入含有中和劑的培養(yǎng)基中在56℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)7d，同時(shí)設(shè)一組陽(yáng)性對(duì)照組和一組陰性對(duì)照組，分別觀察三次滅菌后的生物指示劑培養(yǎng)結(jié)果，得出滅菌結(jié)論。
5、“BIBO”系統(tǒng)滅菌結(jié)果
5.1滅菌數(shù)據(jù)
BIBO 雙級(jí)高效過(guò)濾器全長(zhǎng)5000mm、高750mm、寬620mm，體積約為2.3m3，有擋板的高效過(guò)濾器濾芯尺寸610mm * 610mm * 292mm，兩個(gè)高效過(guò)濾器濾芯間距1500mm，較小的滅菌體積，結(jié)合復(fù)雜的滅菌結(jié)構(gòu)，氣體的循環(huán)往復(fù)使得腔室內(nèi)溫度有所提升，平均升高12.6℃。密閉箱體內(nèi)加入大概300mL 的35%過(guò)氧化氫，使得濕度有所提高，第一次增加10.6%，第二次增加1.5%。溫度升高會(huì)使?jié)穸冉档?，所以第三次由于起始溫度較低、濕度較高，在過(guò)氧化氫注入的過(guò)程中理論上濕度是應(yīng)該增加的，但由于溫度也在升高，升溫造成濕度更大程度的降低，所以造成第三次滅菌后濕度反而減少5%。
5.2指示劑結(jié)果
5.3CMA認(rèn)證
經(jīng)過(guò)三次VHP 滅菌，每次滅菌結(jié)果均合格，新型VHP滅菌工藝順利完成了高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室“BIBO”系統(tǒng)的滅菌挑戰(zhàn)，并通過(guò)具備相關(guān)資質(zhì)的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)（北京環(huán)安生物技術(shù)服務(wù)有限公司）檢測(cè)，獲得CMA 認(rèn)證。
圖7 CMA 認(rèn)證資質(zhì)
6、結(jié)論與展望
新型VHP 滅菌工藝是對(duì)傳統(tǒng)加熱閃蒸技術(shù)的升級(jí)，在較低溫度狀態(tài)下完成滅菌，確保滅菌全過(guò)程的安全性。該工藝對(duì)過(guò)氧化氫純度要求較低，適用性強(qiáng)，滅菌過(guò)程中腔體內(nèi)不會(huì)有試劑殘留，便于設(shè)備的維護(hù)和管理。過(guò)氧化氫氣體在循環(huán)風(fēng)機(jī)作用下以較小的粒徑，較大的風(fēng)速擴(kuò)散至滅菌空間，穿透性強(qiáng)，可以穿透HEPA 過(guò)濾器，因此可為生物安全柜、局部RABS 系統(tǒng)、隔離器等含有HEPA 高效的設(shè)備、系統(tǒng)進(jìn)行滅菌。本文首次報(bào)道了新型VHP 滅菌工藝對(duì)高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室“BIBO”系統(tǒng)的滅菌挑戰(zhàn)，三次平行試驗(yàn)殺滅對(duì)數(shù)值均不小于6，順利通過(guò)了第三方驗(yàn)收，并獲得CMA 認(rèn)證。
生物安全實(shí)驗(yàn)室是一座堅(jiān)不可摧的“堡壘”，高效過(guò)濾器則是“堡壘”與外界相通的“窗戶”，當(dāng)然也是病原微生物的集中地帶，如何把好生物安全領(lǐng)域最后的“關(guān)口”，將攔截住的病菌進(jìn)行有效殺滅，防止病菌蔓延傳播，一直是生物安全行業(yè)的焦點(diǎn)。新型VHP 滅菌工藝在生物安全、制藥等領(lǐng)域所帶來(lái)的技術(shù)革新，實(shí)現(xiàn)了對(duì)病原微生物的有效控制，為生物安全實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展保駕護(hù)航。
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本文作者魏延傳，吉林醫(yī)藥設(shè)計(jì)院有限公司，來(lái)源于化學(xué)工程與裝備，僅供交流學(xué)習(xí)。
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