Co je to autokláv a jak funguje?

Autokláv je složité zařízení, které umožňuje provádět řadu procesů za podmínek zahřívání a tlaku nad atmosférickým tlakem. Vytvoření takových podmínek umožňuje výrazně urychlit potřebné reakce a procesy a zvýšit výstupní objemy. Autokláv se také nazývá chemický reaktor, pokud se používá v chemickém průmyslu. Pokud není potřeba vysoký tlak, může se nazývat sterilizátor nebo sušicí skříň. Princip fungování autoklávu byl vyvinut Denisem Papinem již v 17. století.

Konstrukčně se autoklávy dělí podle tvaru a umístění hlavní nádoby na: vertikální, sloupcové, horizontální, otočné a výkyvné. Rozdíly jsou způsobeny technologickým způsobem plnění a mechanickým působením na zpracovávané materiály. Výměníky tepla mohou být vnitřní, vnější nebo vzdálené. Podle požadavků mohou být vybaveny přístroji pro měření a seřizování tlaku, teploty, hladiny pracovní kapaliny a rotace. V některých případech jsou vybaveny míchacími zařízeními.

Autoklávy jsou v principu činnosti podobné. Jedná se o uzavřené nádoby, ve kterých je možné měnit teplotu a tlak. V závislosti na požadavcích se objem hlavní komory může pohybovat od několika litrů do několika stovek metrů krychlových. Tlak je často určován požadavky procesu a je aplikován v rozsahu od 0 do 160 MPa. Provedení komor pro výrobu stavebních hmot nebo v hutnictví je externě velkoprůměrové potrubí (3-6 m) o délce cca 20 m. Nakládání materiálů pro zpracování lze provádět jednostranně (slepá ulička autoklávy) nebo na obou stranách (tunelový autokláv). Pokud je použit pohon, pak se nejčastěji používají bezucpávkové varianty se stíněním elektromotoru, což eliminuje potřebu těsnění, což zase zajišťuje lepší udržování tlaku.

Jako chladivo se nejčastěji používá vodní pára. Autoklávy jsou vybaveny systémy přívodu páry a odvodu spalin s kondenzací nebo filtrací na výstupu. Často se využívá možnost cyklování vody. Potravinářský průmysl používá autoklávy široké škály uspořádání a provedení, ve kterých se vodní pára dodává pod řízeným tlakem v závislosti na zpracovávaném produktu. Alternativně je tlak upraven tak, aby byl vyrovnán s tlakem uvnitř měkkého nebo polotuhého obalu.

Autoklávy se používají v chemickém průmyslu k vytváření tlakových a teplotních podmínek, za kterých se vyrábí potřebné produkty. V metalurgii se autoklávy používají k čištění roztoků kovů od nečistot a k obnově drahých kovů a kovů vzácných zemin po vyluhování z připravených roztoků. Autoklávy se používají k vulkanizaci nebo vytvrzování mnoha pryžových nebo plastových výrobků.

Pro potravinářský průmysl jsou autoklávy cenné jako sterilizátory a komory pro tepelné zpracování hotových výrobků. V lékařství se používají ke sterilizaci nástrojů a léků, stejně jako k provádění analýz a laboratorních výzkumů biologických vzorků. Ve stavebnictví se naopak často používá snížený tlak a vakuování, při kterém se z tuhnoucích roztoků odstraňuje přebytečný vzduch nebo vzniklé plyny, což dává hotovému výrobku větší pevnost. Největší počet autoklávů se používá v potravinářském průmyslu a medicíně. Na celém světě existuje asi 1,5 milionu autoklávů, které se používají ve všech průmyslových odvětvích.

PRINCIP PROVOZU SYSTÉMU

Hlavním úkolem autoklávu je poskytnout schopnost zpracovávat materiály s vodou a její parou při teplotách nad 100°C. Jak je známo, při atmosférickém tlaku se voda o teplotě 100 ° C začíná aktivně odpařovat a vařit, díky čemuž teplota nestoupá výše. Zvýšením tlaku může být bod varu zvýšen na vyšší teploty. Totéž platí pro ostatní kapaliny, liší se pouze počáteční body varu a cílové úrovně.

V autoklávu, když voda dosáhne 90°C, se aktivně odpařuje a pára vyplní veškerý volný prostor v komoře. Speciální systém odvodu plynu odvádí vzduch z komory a zůstává pouze pára. Postupem času se tlak uvnitř komory zvyšuje a teplota varu vody se odpovídajícím způsobem zvyšuje. Díky tomu se voda nikdy nevře a materiál ponořený v komoře je ošetřen párou při vysokých teplotách, přes 100 °C. Přebytečné teplo získané párou pod tlakem se nazývá latentní teplo. Již dlouho se uvádí, že se zvýšením latentního tepla pára mnohem lépe proniká do struktury materiálů a působí úplněji. V případě sterilizace pára pod tlakem a vysokou teplotou snadno proniká do buněk mikroorganismů a ničí je, i když se jedná o odolnější spory.

Pro zlepšení parní úpravy houbovitých a porézních výrobků se často používá vakuování v několika stupních, které odstraňuje zbývající kyslík, který může chránit mikroorganismy před vlivem páry. Snížený tlak se používá i ve stavebnictví. Kapaliny z roztoků určených pro kalení pod nízkým tlakem se rychleji odpařují, což urychluje tvrdnutí a eliminuje poréznost v hotovém materiálu.

Nejdietnější je jídlo vařené v páře a pod tlakem. Ve vytvořených podmínkách pod vlivem tlaku páry produkty aktivněji uvolňují šťávu a vaří se v nich bez nadměrného ředění vodou. Užitečné prvky a sloučeniny se neničí ani neprocházejí negativními změnami. Vaření zmrazených nebo dříve vakuově uzavřených produktů probíhá mnohem hladčeji, bez poškození struktury tkáně.

Přehřátá pára desetinásobně urychlí proces vaření, aniž by byla ohrožena kvalita a je dokonce lepší než tradiční metody. Vaření v páře nevyžaduje přidávání velkého množství olejů nebo soli, takže hotový výrobek je mnohem zdravější a neztrácí svou přirozenou chuť.

Během procesu vaření je vzduch z komory zcela nahrazen vodní párou. Tím se zabrání destrukci prospěšných látek a sloučenin, které lidské tělo snadněji vstřebává. Absence procesu vaření a přítomnost vody v kapalném stavu chrání vitamíny a látky před vyplavením. V hotovém pokrmu zůstanou neporušené.

Při tepelné úpravě párou vytéká z výrobku téměř všechen tuk, aniž by se navázal na tkáně výrobku. Díky tomu můžete připravený pokrm buď zcela zbavit přebytečných tuků, nebo kontrolovat jejich zařazení.

Houbová plíseň se snadno a spolehlivě zničí tepelnou úpravou. Vlivem páry a tlaku dochází k tomuto procesu řádově rychleji a kvalitněji. Pára, která proniká všude, je mnohem účinnější při dezinfekci, aniž by bylo nutné výrazně zdlouhavé vystavení produktům.

Sterilizace párou je důležitý proces, který se provádí v každé laboratoři. V tomto článku se podíváme na historii parní sterilizace, fungování sterilizátoru a nové trendy v designu sterilizátorů.

Úvod do parní sterilizace

Terminologie

Podmínky parní sterilizátor и autokláv jsou synonyma a lze je používat zaměnitelně. V laboratorních podmínkách se však často používá autokláv sterilizátor častější v nemocnicích nebo farmaceutických zařízeních.

Autoklávy využívají teplo páry k usmrcení všech mikroorganismů, které mohou být přítomny na kontaminovaném materiálu náklad. Náklad, také známý jako zboží, je považován za sterilní poté, co byl zcela odstraněn sterilizační cyklus. Jakmile je náplň sterilní, může být použita bez rizika zavlečení cizích mikroorganismů do citlivých prostředí, jako jsou laboratoře, nemocniční operační sály, závody na zpracování potravin a tak dále. Různé druhy zboží musí být sterilizovány po různou dobu a při různých teplotách. Některé autoklávy obsahují další funkce, jako jsou vakuové funkce, speciální cykly a vestavěné elektrické kotle.

Historie autoklávu

Dr. Charles Chamberland vynalezl autokláv v roce 1879, ale koncept použití páry v omezeném prostoru k prevenci onemocnění v té či oné formě existuje již od roku 1679.

Principy a metody sterilizace se za posledních 150 let téměř nezměnily. Ve skutečnosti většina hlavních pokroků v technologii autoklávování od roku 1879 souvisela spíše s monitorováním sterilizačního procesu, bezpečností autoklávu a návrhem sterilizačního cyklu než se změnami sterilizačního procesu.

Proč pára?

K zabití buňky teplem musí být její teplota zvýšena do bodu, kdy se proteiny v buněčné stěně rozpadají a koagulují. Pára je velmi účinné médium pro přenos tepla, což z ní dělá vynikající způsob, jak zabíjet choroboplodné zárodky. Na druhou stranu je vzduch velmi neefektivní způsob přenosu tepla/energie díky konceptu známému jako teplo z vypařování.

Přivedení jednoho litru vody k bodu varu (100 C) vyžaduje 80 kcal (kcal) tepelné energie. Přeměna tohoto litru vody na páru bude vyžadovat 540 kcal, což znamená, že pára o teplotě 100 °C obsahuje sedmkrát více energie než voda o teplotě 100 °C.

Tato energie činí páru mnohem účinnější při zabíjení mikroorganismů. Když pára narazí na chladnější předmět, zkondenzuje na vodu. Veškerou energii, která byla spotřebována na vaření vody, pak předá přímo do vody. Tento proces ohřívá buňky mnohem účinněji než vzduch při podobných teplotách. Proto k dosažení sterility používáme páru.

Co je sterilita?

Většina lidí chápe, že sterilní produkty neobsahují mikroorganismy, a proto jsou bezpečné pro použití v lékařských, potravinářských, výzkumných nebo jiných prostředích, kde by přítomnost mikrobů mohla představovat významné bezpečnostní riziko nebo způsobit újmu.

Přesný počet mikroorganismů, které zůstávají naživu v průběhu času při pevné teplotě, je vyjádřen jako logaritmická křivka pravděpodobnosti, funkce, která se blíží, ale nikdy nedosáhne nuly (viz obrázek 1).

Když se funkce blíží nule, obvykle se zvolí hladina spolehlivosti nazývaná úroveň zajištění sterility (SAL), aby se určila pravděpodobnost, že přežije poslední přítomný mikroorganismus. Na rozdíl od všeobecného přesvědčení není sterilizace binární, kde je něco buď sterilní, nebo nesterilní. Sterilizace je statistická událost charakterizovaná touto úrovní spolehlivosti (SAL). Obecný standard pro SAL je 10-6 nebo jedna ku milionu šance na přežití jediného životaschopného mikroorganismu. Délka sterilizace závisí na nastavené teplotě a požadované úrovni SAL; Při vyšších teplotách se rychleji dosáhne sterility.

Když se funkce blíží nule, obvykle se zvolí hladina spolehlivosti nazývaná úroveň zajištění sterility (SAL), aby se určila pravděpodobnost, že přežije poslední přítomný mikroorganismus. Na rozdíl od všeobecného přesvědčení není sterilizace binární, kde je něco buď sterilní, nebo nesterilní. Sterilizace je statistická událost charakterizovaná touto úrovní spolehlivosti (SAL). Obecný standard pro SAL je 10-6 nebo jedna ku milionu šance na přežití jediného životaschopného mikroorganismu. Délka sterilizace závisí na nastavené teplotě a požadované úrovni SAL; Při vyšších teplotách se rychleji dosáhne sterility.

Jak funguje autokláv?

Obecný proces

Ať už se jedná o malou pracovní desku nebo jednotku o velikosti místnosti, všechny autoklávy fungují na podobném principu jako běžný kuchyňský tlakový hrnec, to znamená, že dvířka se zavřou, aby se vytvořila utěsněná komora a veškerý vzduch v této komoře je nahrazen párou. Pára se poté stlačí, aby se dosáhlo požadované sterilizace během požadované doby. Po dokončení cyklu se pára uvolní a jídlo lze vyjmout.

Podrobnější vysvětlení různých fází sterilizačního cyklu naleznete v seznamu a na obrázku (obrázek 2) níže:

1. Fáze čištění: pára prochází sterilizátorem a začíná vytlačovat vzduch; teplota a tlak se mírně zvýší, dokud se nepřeruší průtok.

2. Fáze držení (sterilizace): Během této fáze je řídicí systém autoklávu naprogramován tak, aby uzavřel vypouštěcí ventil, což způsobí zvýšení vnitřní teploty a tlaku na požadovanou hodnotu. Program pak udržuje požadovanou teplotu (hold), dokud není dosaženo požadovaného času.

3. Fáze uvolnění: tlak se uvolní z komory přes vypouštěcí ventil a uvnitř se obnoví okolní tlak (ačkoli obsah zůstává relativně horký).

Základní součásti autoklávu

Typický laboratorní autokláv se skládá z následujících součástí (obrázek 3):

1. Nádoba

Nádoba je hlavním tělem autoklávu a skládá se z vnitřní komory a vnějšího pláště. Laboratorní a nemocniční autoklávy jsou navrženy s „plášťovými“ komorami (viz obrázek 4), kde je plášť naplněn párou, což zkracuje dobu potřebnou k dokončení sterilizačního cyklu a snižuje tvorbu kondenzátu uvnitř komory. Kontejner navržený a vyrobený s plným pláštěm je lepší než částečně opláštěný nebo potažený plášť z následujících důvodů: plný plášť zlepšuje rovnoměrnost teploty v komoře, snižuje pravděpodobnost navlhnutí balíků a pomáhá minimalizovat množství vlhké páry, která není vhodný ke sterilizaci.

Laboratorní a nemocniční autoklávové nádrže se mohou lišit velikostí, od 100 l do 3000 316 l, a jsou obvykle vyrobeny z nerezové oceli 316L. Vnitřní komory jsou vyrobeny z nerezové oceli 316L nebo poniklované a vnější pláště jsou vyrobeny z nerezové oceli 304L, XNUMX L nebo uhlíkové oceli.

2. Řídicí systém

Všechny moderní autoklávy se dodávají s ovládacím rozhraním ne nepodobným tomu, jaké byste našli v mikrovlnné troubě nebo troubě. Autoklávové řídicí systémy však bývají o něco složitější než řídicí systémy domácích spotřebičů. Sterilizační cyklus probíhá podle předem naprogramovaného softwarového vzorce, který otevírá a zavírá ventily a další součásti ve specifickém pořadí. Proto všechny autoklávy vyžadují nějakou formu řídicího systému, ať už je to jednoduché jako mikroprocesorový „tlačítko“ systém nebo tak složité jako programovatelný logický ovladač s barevnou dotykovou obrazovkou.

3. Termostatický sifon

Všechny autoklávy jsou vybaveny nějakou formou termostatického lapače nebo lapače par, zařízení určeného k odstranění vzduchu a vody (kondenzace) z komory. Ačkoli lze v parním systému/parním autoklávu použít různé odlučovače, všechny plní stejnou základní funkci: odstraňují kondenzát a zároveň zabraňují průchodu suché páry. Nejčastěji jsou odvaděče kondenzátu ventily citlivé na teplotu, které se uzavřou, když teplota stoupne nad určitou nastavenou hodnotu. Termostatické sifony jsou důležitou součástí každého dobře navrženého autoklávu.

4. Bezpečnostní ventil

Všechny autoklávy pracují pod zvýšeným tlakem (14-45 psi), a proto musí být vyrobeny s neuvěřitelně odolnou konstrukcí a vybaveny řadou bezpečnostních prvků a zařízení, aby bylo zajištěno, že nepředstavují nebezpečí pro uživatele. Jedním z takových bezpečnostních zařízení je pojistný ventil, který je posledním bezpečným zařízením pro tlakovou nádobu, pokud selžou všechny elektronické ovládací prvky. Je bezpodmínečně nutné, aby byl pojistný ventil zkontrolován, testován a ověřen, zda je ve správném funkčním stavu.

5. Mechanismus chlazení odpadní vodou

Mnoho autoklávů je vybaveno systémem pro chlazení odpadní vody (vzduchu, páry a kondenzátu) před tím, než vstoupí do drenážního potrubí. Aby nedošlo k poškození odtokového potrubí instalace, musí být pára před vypuštěním do odtoku ochlazena. Nejjednodušším způsobem, jak tuto páru zchladit, je smíchat ji s další studenou vodou z vodovodu, ale požadované množství vody může vést k tomu, že se autokláv stane hlavním zdrojem spotřeby vody v budově. Některé autoklávy jsou vybaveny systémy určenými ke snížení nebo dokonce eliminaci spotřeby vody.

6. Vakuový systém (pokud je k dispozici)

Vakuový systém (pokud je k dispozici): Pro zajištění správné sterilizace je nezbytné, aby byl veškerý vzduch uvnitř komory autoklávu nahrazen párou. Některé běžně sterilizované produkty, zejména porézní materiály, jako je podestýlka nebo textilie pro zvířata, nebo nádoby s malými otvory, jako jsou baňky nebo produkty v pytlích, mají tendenci zadržovat vzduchové kapsy. Pokud je během cyklu přítomna vzduchová kapsa, všechny mikroorganismy v této kapse přežijí a produkty nebudou sterilní.

Z tohoto důvodu mnoho sterilizátorů obsahuje vakuový systém. To nejen umožňuje uživateli vytlačit vzduch pomocí vakua v komoře před cyklem (známé jako předvakuum), ale také mu umožňuje použít vakuum po cyklu (známé jako postvakuum) k odstranění veškerých výparů, které zůstává v komoře a pro sušení zboží uvnitř autoklávu.

7. Generátor páry (pokud je k dispozici)

Centrální „domácí“ kotel je nejběžnějším zdrojem páry pro autokláv. Pokud však domácí pára není k dispozici nebo je pro autokláv nedostatečná, je nutné uchýlit se k použití elektrického vyvíječe páry, známého také jako bojler. Tyto kotle jsou obvykle umístěny pod komorou autoklávu a používají elektrická topná tělesa k ohřevu vody a výrobě páry.

Sterilizační cykly

Obecně existují čtyři standardní sterilizační cykly: gravitační, předvakuové, kapalné a bleskové. Níže uvedená tabulka vysvětluje tyto cykly podrobněji.

Některé autoklávy mají také schopnost provádět speciální cykly navržené tak, aby se zabránilo poškození jemného zboží, které je třeba sterilizovat, ale mohlo by být poškozeno nebo zničeno rychlými změnami teploty a tlaku během normálního cyklu. Tyto speciální cykly zahrnují mnohem delší cykly při nižších teplotách, cykly míšení páry a vzduchu se speciálním ovládáním tlaku, aby se zabránilo prasknutí utěsněných zkumavek, a cykly, které využívají speciální nástroje k zajištění dosažení plné sterilizační teploty.

Nové trendy v autoklávování

Autoklávy mohou být podle standardů moderní vědy považovány za zastaralá zařízení, ale to neznamená, že autoklávy postrádají inovace, zejména pokud jde o ovládání, cloudové připojení a dopad na životní prostředí.

Jak již bylo zmíněno dříve, ovládání autoklávu ve věku počítačů výrazně pokročilo a přešlo od ručního ovládání a jednoduchých časovačů k počítačové automatizaci, která minimalizuje nebo eliminuje potřebu vstupu uživatele. Počítačová správa také vedla k pokroku ve správě dat, vedení záznamů a vzdáleném monitorování pomocí mobilních zařízení. Autoklávy s automatickými tiskárnami, které zaznamenávají data pro ověření úspěšné sterilizace, byly nyní nahrazeny novými autoklávy, které se připojují ke cloudu a ukládají záznamy o cyklech online.

Dalším trendem v designu autoklávu je šetrnost k životnímu prostředí. Autoklávy jsou hlavním zdrojem spotřeby vody a energie jak v laboratořích, tak v nemocnicích. Mnozí výrobci si to uvědomují a našli inovativní způsoby, jak snížit dopad autoklávů na životní prostředí. Ekologické autoklávy, které snižují nebo dokonce úplně recyklují vodu spotřebovanou sterilizátorem – v některých případech z 1500 80 galonů za den na méně než 20 galon za den – jsou zásadní pro vytvoření laboratoře šetrné k životnímu prostředí. Řídicí systémy, které automaticky zapnou autokláv, když se nepoužívá, mohou také výrazně snížit spotřebu energie – v některých případech z XNUMX kilowatthodin za den na XNUMX kilowatthodin za den.

Otázky a odpovědi

A:
Otázka: Jak funguje autokláv? Autoklávy využívají ke sterilizaci potravin intenzivní teplo ve formě tlakové páry. Podobně jako tlakový hrnec používá autokláv k vytvoření vzduchotěsné komory západkové dveře. Vzduch v této komoře je pak nahrazen párou, která je stlačena, dokud není zboží v komoře dostatečně sterilizováno.

A:
Otázka: Jak autoklávování zabíjí bakterie? Autoklávy využívají teplo páry ke zvýšení teploty do té míry, že se proteiny v buněčných stěnách mikrobů rozloží a začnou koagulovat, čímž zahubí bakterie a zajistí sterilizaci.

A:
Otázka: Proč je sterilizace v autoklávu lepší než vaření?Pára je velmi účinné médium pro přenos tepla. Díky tomu můžete pomocí páry dosáhnout vyšších teplot než vařící vodou, což z ní dělá efektivnější metodu hubení bakterií a dalších mikroorganismů.

A:
Otázka: Jak dlouho trvá sterilizace zboží v autoklávu?Jak dlouho trvá sterilizace náplně závisí zcela na obsahu náplně, nastavené teplotě autoklávu a požadované úrovni zajištění sterility. Obecně lze říci, že čím vyšší teplota, tím rychleji dosáhne náplně sterility.

A:
Otázka: Jaké teploty může autokláv dosáhnout? Autoklávy jsou obvykle dimenzovány pro teploty mezi 250 °F a 275 °F (121 °C a 135 °C).

A:
Otázka: Jaké jsou fáze sterilizace? Obecný proces použití autoklávu ke sterilizaci zboží je rozdělen do tří hlavních fází:
Fáze čištění, během které pára vytlačuje vzduch uvnitř komory autoklávu a teplota a tlak se neustále zvyšují
Zádržná (sterilizační) fáze, během níž řídicí program autoklávu uzavře výstupní ventil, což způsobí, že teplota a tlak uvnitř autoklávu stoupnou na požadovanou nastavenou hodnotu a zůstanou tam po požadovanou dobu
Uvolňovací fáze, během které se uvolní tlak z komory přes vypouštěcí ventil a uvnitř se obnoví okolní tlak

A:
Otázka: Jak dlouho zůstanou položky sterilní po autoklávování? To zcela závisí na tom, jak jsou produkty po sterilizaci zabaleny. Obecně řečeno, předměty by měly být znovu sterilizovány po každém použití, ale bylo prokázáno, že předměty zabalené do dvojitě zabalených plátěných sáčků nebo vnitřní vrstva papíru a vnější vrstva plastu zůstávají sterilní po dobu až 96 týdnů.

A:
Otázka: Jaké jsou různé typy autoklávů? Dva nejběžnější typy parních sterilizátorů jsou gravitační autoklávy a vysokorychlostní předvakuové autoklávy. Oba typy autoklávů se dodávají v různých tvarech a velikostech, od stolních až po objemové jednotky o velikosti místnosti, se širokou škálou možností přizpůsobení, jako jsou vertikální posuvné dveře, průchozí komory s dvojitými dveřmi a stohovatelné dvojité komory.