Сравнение испарительного и аэрозольного способов деконтаминации пероксидом водорода

В фармацевтических и медико-биологических учреждениях контроль и поддержание стерильности имеет первостепенное значение. По этой причине биодеконтаминация как помещений, так и оборудования стала частью стандартных операционных процедур для многих компаний и учреждений, признавших ценность регулярной испарительной биодеконтаминации пероксидом водорода. Деконтаминация предотвращает загрязнения и снятие загрязненной партии продукции с выпуска. Стерилизация парами пероксида водорода довольно быстрая, не трудозатратная и автоматизированная процедура.

Пероксид водорода (H₂O₂) является одним из наиболее широко используемых стерилизующих агентов для деконтаминации помещений с асептическими и изолированными средами. Во многом это связано с его безопасностью, эффективностью, совместимостью с материалами и отсутствием следов и отходов. Сегодня, спустя почти тридцать лет после выхода на рынок, биодеконтаминация парами H₂O₂ используется в различных сферах и хорошо изучена в медико-биологической отрасли.

По мере роста популярности деконтаминации парами пероксида водорода были представлены и альтернативные технологии, различающиеся по уровню затрат и качества. Наиболее привлекательной альтернативой являются системы аэрозольного распыления, также известные как распылители. В данной статье приводится сравнение пероксида водорода как паров и как аэрозоля путем исследования их получения, физических свойств, разницы в эффективности, а также результатов успешного применения.

Технологические основы

Первый в мире испарительный деконтаминатор был представлен компанией Steris Corporation в начале 1990-х годов. В процессе испарения происходит быстрое нагревание и выпаривание точно отмеренных количеств водного раствора пероксида водорода при контроле расхода воздуха, влажности и температуры. После испарения отдельные молекулы пероксида водорода попадают в атмосферу чистого помещения/лаборатории.

Аэрозольные системы работают путем пропускания водного раствора пероксида водорода через специальное сопло под давлением, достаточно высоким, чтобы создать небольшие переносимые по воздуху капли пероксида водорода и воды. Размер капель аэрозоля варьирует от нескольких мкм до более 100 мкм в диаметре. Для сравнения, аэрозольная капля размером 10 мкм примерно в 68 000 раз больше, чем молекула паров пероксида водорода, которая составляет приблизительно 0,00015 мкм. При сравнении относительных размеров представьте себе распыленную каплю размером 10 мкм в виде плавательного бассейна олимпийского размера, а испаренную молекулу пероксида в виде надувного мяча, плавающего на поверхности.

Эта значительная разница в размере капли по сравнению с испаренной молекулой H2O2 является основной причиной того, что два описанных метода имеют очень разные рабочие характеристики для деконтаминации поверхностей. Молекула пара гораздо меньшего размера может достигать всех открытых поверхностей, проникать в крошечные полости и легко проходить через HEPA-фильтры.

Давление паров

Распыленные капли представляют собой жидкость, состоящую из молекул воды и пероксида. Каждый тип молекулы имеет различное давление пара или тенденцию к переходу из жидкости в пар. Это отражается в их температуре кипения. Вода легко закипает при 100^оС, а пероксид кипит при 150^оС. Таким образом, вода будет испаряться из капли быстрее, чем пероксид, и насыщать атмосферу в непосредственной близости от капли. Следовательно, более быстроиспаряющаяся водная составляющая раствора насыщает атмосферу и снижает ее способность удерживать пероксидную составляющую. Поскольку пероксид труднее испарить, в распылителях обычно используются гораздо более низкие концентрации пероксида, часто менее 15%.

Системы с парами пероксида водорода преодолевают проблемы, связанные с давлением пара, благодаря использованию нагретого испарителя и дозированной подачи сухого воздуха для полного испарения и рассеивания концентрации пероксида, обычно в диапазоне 35-59%.

Конденсация

Точно так же, как вода будет кипеть и испаряться быстрее, чем пероксид водорода, при конденсации верно обратное. Если смесь паров станет слишком концентрированной или охладится до точки росы, пероксид будет конденсироваться первым. Это снижает его концентрацию в паровой фазе и создает крошечные капельки концентрированного пероксида на поверхностях. Они могут действовать как магниты, притягивающие другие переносимые по воздуху капли и пары. Это явление известно как коалесценция.

Чтобы избежать конденсации, следует предпринять два шага: полное испарение жидкого раствора пероксида и адекватное рассеивание паров в воздухе для предотвращения насыщения атмосферы.

Процент насыщения

Впрыскивание слишком большого или слишком малого количества пероксида может привести к снижению эффективности рабочих циклов. При заданной температуре воздух может содержать только определенное количество воды и паров пероксида водорода. Состояние насыщения называется точкой росы. Максимальная концентрация пероксида водорода, которая может поддерживаться в виде пара при данной температуре и уровне влажности, называется 100% насыщением; пропорции могут быть различными.

Контроль насыщения является наиболее важным компонентом любого процесса биодеконтаминации любого помещения. Перенасыщение атмосферы в помещении приводит к конденсации на поверхность и накоплению концентрированного жидкого пероксида водорода, что может повредить чувствительные материалы. Кроме того, скопление жидкого пероксида водорода на поверхности может представлять угрозу безопасности, сдерживать процесс обеззараживания и увеличивать время аэрации.

Эффективное использование как паров, так и аэрозолей пероксида водорода требует распределения пара/аэрозоля по всему помещению или камере.

Системы, работающие как с парами, так и с аэрозолями пероксида водорода, могут быть оптимизированы для достижения сопоставимых уровней уничтожения микроорганизмов, вирусов и грибков.

Коалесценция и гравитация

Коалесценция – это процесс, при котором две аэрозольные капли соприкасаются и становятся одной. Капли большего размера имеют меньшую площадь поверхности и испаряются медленнее. Таким образом, более крупные капли с большей вероятностью слипаются с другими каплями и становятся менее «плавучими» в неподвижном воздухе, что приводит к их падению. Это относится только к процессу распыления.

Небольшой размер молекулы паров пероксида водорода позволяет ей действовать как газ, при этом сила тяжести не препятствует ее «плавучести» и распределению. Наоборот, тысячекратно более высокая плотность аэрозольных капель требует, чтобы их быстро разнес поток воздуха, иначе они будут скапливаться на подложке вблизи точки распыления, образуя влажное пятно.

Разница в эффективности

Тем не менее, испарительная система значительно более эффективна, чем аэрозольная, поскольку она позволяет достичь более высокого и равномерного уровня концентрации H₂O₂ в окружающей среде без превышения точки росы. Достигая более высоких концентраций быстрее, системы испарения могут обеспечивать и повышенную эффективность деконтаминации (шести- или даже двенадцатикратное снижение логарифма бионагрузки) по сравнению с аэрозольными системами за то же время.

Теоретически, аэрозольные системы могут обеспечить уровень эффективность деконтаминации, сопоставимый с испарительными системами, за счет использования более длительного цикла и введения большего количества H₂O₂. Однако на практике в аэрозольных системах трудно достичь высоких, равномерно диспергированных концентраций H₂O₂до того, как произойдет конденсация. Таким образом, в большинстве применений аэрозольные системы до конденсации могут обеспечить сокращение бионагрузки только на три или четыре log. Образуются влажные поверхности и лужи жидкости (приводя к прекращению фазы воздействия).

Тем не менее, использование аэрозоля может быть эффективным для применений, требующих смачивания поверхностей. При такой обработке для достижения требуемого уровня дезинфекции обычно требуется наличие ровного слоя продукта в течение определенного времени контакта. Результаты влажного процесса могут иметь более низкий уровень логарифмического сокращения бионагрузки или неравномерное распределение по сравнению с испарительным процессом.

Распределение

Эффективное использование как паров, так и аэрозолей пероксида водорода требует распределения паров/аэрозоля по всему помещению или камере. Добавление воздушного потока в точке впрыска может способствовать достаточному рассеиванию. В больших помещениях для улучшения рассеивания можно использовать системы вентиляции и кондиционирования (если они являются циркуляционными и хорошо герметизированные).

Потенциал распределения аэрозолей ограничен большим размером капель и действием силы тяжести по сравнению с меньшей по размеру и более легкой молекулой паров H₂O₂, что позволяет испаряемому пероксиду водорода распространяться намного дальше, чем аэрозольным каплям. Кроме того, молекулы пара меньшего размера могут легко проходить через HEPA-фильтры, тогда как распыленные капли, скорее всего, будут сливаться на поверхности фильтрующего материала. Это различие означает, что система испарения может обеззараживать гораздо большую площадь, чем аэрозольная система, использующая такое же количество раствора H₂O₂.

Мощность

Мощность одного генератора паров пероксида водорода по деконтаминации при заданном уровне логарифмического сокращения значительно выше, чем у одного аэрозольного генератора из-за его эффективности и ранее описанных ограничений по насыщению и распределению.

Соответственно, для помещения заданного размера необходимое количество аэрозольных систем будет в несколько раз больше, чем количество необходимых мобильных испарительных систем. Одна большая интегрированная испарительная установка может дезинфицировать все здание с секциями площадью в десятки тысяч кубических футов. Для выполнения той же задачи потребуется несколько портативных систем с испаряемым пероксидом водорода, и еще больше портативных или стационарных аэрозольных систем.

Организация и контроль

Использование одного мощного генератора паров пероксида водорода в качестве вспомогательного оборудования с трубами, соединяющими его с помещениями по всему объекту, позволяет пользователям в значительной степени контролировать и консолидировать процесс биодеконтаминации с точки зрения автоматизации, интеграции, валидации, технического обслуживания и сбора данных.

Тем не менее, если важны универсальность и экономичность небольших мобильных устройств, этим требованиям могут удовлетворять как аэрозольные системы, так и небольшие устройства для получения паров H₂O₂. Обе системы позволяют объединить несколько генераторов в сеть, что позволяет одновременно деконтаминировать группу помещений.

Большинство систем с получением паров пероксида водорода удобно управляются с помощью промышленных ПЛК для измерения и/или регулировки температуры, влажности, расхода воздуха и скорости впрыска H₂O₂. В зависимости от типа системы, в процессе используются нагреватели, осушители, расходомеры, датчики давления и дистанционные датчики для контроля условий окружающей среды. Некоторые системы могут динамически регулировать скорость впрыска для поддержания целевого уровня насыщения в течение цикла.

Экономическая сторона

Несмотря на ограниченную эффективность и мощность, аэрозольные системы предлагают решение для деконтаминации по значительно более низкой цене по сравнению с методами получения паров. Аэрозольная система относительно проста по конструкции, имеет меньше функций и требует меньше обслуживания.

Аэрозольные системы просты в эксплуатации, работают по принципу «старт-стоп» и имеет всего несколько настроек.

Испарительные системы различаются между собой, некоторые из них работают автоматически, а другие требуют определенной подготовки оператора. Такие системы обычно включают панель управления с сенсорным экраном.

Химия биодеконтаминации

Концентрация жидкого пероксида водорода, используемого для аэрозольной биодеконтаминации, обычно колеблется в пределах 8-12%. В химические составы аэрозолей иногда включают добавки, обеспечивающие дополнительные эксплуатационные характеристики.

В одном из вариантов к составу пероксида водорода добавляют поверхностно-активные вещества и связывающие агенты для обеспечения равномерного смачивания и высыхания. Для повышения летальности микроорганизмов при биодеконтаминации также используют смеси надуксусной кислоты и пероксида водорода.

Перед использованием смесей надуксусной кислоты и пероксида водорода следует рассмотреть вопрос о совместимости материалов, поскольку они могут являться коррозионными по отношению к обычной стали, алюминию, меди и латуни. Некоторые химические вещества, используемые для аэрозольной обработки, зарегистрированы Управлением по охране окружающей среды США (EPA) только как дезинфицирующие средства, менее эффективные для снижения бионагрузки бактериальными спорами, чем стерилизующие средства.

В системах, работающих на парах пероксида водорода, обычно используется раствор с концентрацией высокоочищенного пероксида водорода 35%, который не оставляет следов на поверхностях и способствует продлению срока службы оборудования. Рекомендуется выбирать зарегистрированные стерилизующие средства с доказанной эффективностью против бактериальных спор, вирусов, плесневых и других типов грибов.

Заключение

Имеются подходящие применения как для испарительный, так и для аэрозольных процессов биодеконтаминации. Испарительный процесс характеризуется множеством преимуществ: выраженная эффективность, совместимость с материалами, проникновение через HEPA-фильтры и возможности обработки больших площадей. Аэрозольные системы, напротив, очень экономичны, не требуют большого объема обслуживания и просты в эксплуатации. Тем не менее, если требуется биодеконтаминация или стерилизация помещения на высоком уровне с необходимостью уничтожения спор, вирусов и плесени на уровне шести log или выше, рекомендуется использовать испарительный процесс.

Аэрозоли могут подойти для обработки небольших помещений, где допустимо снижение бионагрузки на три или четыре log. Также применение аэрозолей является оптимальным для обработки рабочего пространства, которое невозможно хорошо изолировать или для применений, где достаточно лишь ограниченного диапазона распространения вещества системой.

Для выбора оптимального метода и приборов для деконтаминации пероксидом водорода ваших перчаточных боксов, фармацевтических изоляторов, технологического оборудования Вы всегда можете обратиться к специалистам компании Вилитек. Также мы осуществляем ввод в эксплуатацию, квалификацию, техническое обслуживание оборудования для деконтаминации пероксидом водорода.