纯化水系统中灭菌方法的应用及比较

曲雪飞

（默普生物科技（山东）有限公司,山东 烟台 264006）

常规条件下的水体中会含有不同量的Na 离子、Cl离子,但在一些化学研究领域内,是不允许实验室水体中含有离子的,因此需要在制备水体时,采用一些特殊的手段,进行水体的去离子处理,通过此种方式得到的水体便可以被称之为纯化水[1]。而制备纯化水过程中的一个必要步骤是对导入系统的水体进行灭菌处理,为了提高纯化水系统的制备效果,下述将对制备过程中的三种霉菌方法使用方式进行分析,并结合不同方法的灭菌效果,掌握效果最佳的灭菌方法推广使用[2]。

1 纯化水系统中灭菌方法

1.1 二氧化氯灭菌方法

在灭菌过程中,二氧化氯主要起到氧化作用,而不发生氯化作用,因此不会产生有机氯化物,更不会产生氯胺[3]。采用这种灭菌方法可针对纯化水系统当中存在的失活病毒、隐孢子虫等灭菌具有良好效果。同时,采用这种灭菌方法在实际应用中灭菌的特性不会受到灭菌环境pH 值的影响[4]。在灭菌过程中,未发挥灭菌作用的二氧化氯会以其原本的性能保留在溶液当中,以此能够实现对灭菌作用的延长,具有极强的氧化作用。

为实现基于二氧化氯的纯化水系统灭菌,设计如图1 所示的灭菌发生装置,将其集成在纯水化系统中,即可实现对水体的灭菌,见图1。

图1 纯化水系统中二氧化氯灭菌原理图示

为确保二氧化氯灭菌具有较高的效果,需要在制备二氧化氯灭菌消毒试剂时,控制不同原材料的比重,设计比重见表1。

表1 二氧化氯灭菌消毒试剂制备原材料比重设计标准

按照上述图1 所示的比重,将不同比重的原材料按照标准放置在反应釜中,在常温条件下对反应釜中材料进行搅拌处理,控制反应的时间在20.0min～25.0min,放置在指定容器中待用[5]。在此基础上,将制备的二氧化氯消毒试剂倒入纯化水系统的进水口,对水体进行冲洗,实现对水体的净化灭菌。

1.2 臭氧灭菌方法

臭氧又被称之为O3,从化学分子角度分析,臭氧属于氧离子的同素异形体,对臭氧描述见表2。

表2 臭氧性质描述

将臭氧应用到纯水化系统的灭菌中,臭氧可以有效地破坏或分解细胞外壁结构,并迅速在细胞内部扩散,对细胞液中的葡萄糖进行氧化[6]。也可以直接与病毒、细菌发生化学作用,对细胞结构、RNA、DNA 进行破坏,以此种方式,对蛋白质等大分子类型的聚合物进行破坏,抑制水体中细菌的代谢与繁殖,达到对水体的净化效果。

在使用臭氧进行水体消毒时,应考虑到臭氧的半衰期为30.0min～60.0min,且臭氧分子结构具有稳定性差、极易分解的特点,因此,无法将臭氧作为常规的产品材料进行保存,需要在灭菌前,在现场进行及时制备[7]。对臭氧消毒溶液制备装置与管线灭菌装置进行描述,见下图2。

图2 臭氧水溶液制备与灭菌装置结构示意图

按照上述方式,制备纯化水系统臭氧灭菌溶液,并将制备的溶液通过管线流入纯化水系统,对水体进行净化处理。在此过程中应注意,经过臭氧溶液消除后的水体,需要将水体中残留或投入使用过剩的臭氧水溶液进行去除处理,避免残留的臭氧水溶液对制备的纯化水质量造成影响。通常情况下,需要控制纯化水中残留的臭氧水溶液含量＜0.005mg/L。

基于理论层面,对臭氧残留物的去除处理可以使用活性炭、化学催化、热破坏、紫外线辐射等多种方法,但在医学制药领域中,要保证对制备水体中臭氧残留物的高效去除,最为广泛且有效的处理方法为紫外线辐射法。具体操作方法为：在纯化水管道系统中的第一个进水位置安装可辐射紫外线的紫光灯,在用水或开始生产水之间,需要打开紫光灯,在未进行纯化水的生产时,直接关闭紫光灯即可。根据大量的实践与研究成果,每消除1.0mg/L 的水体残留臭氧,需要保证紫光灯的照射量＞9.0×104μW·S/cm2。

1.3 巴氏消毒灭菌方法

巴氏消毒灭菌法是指在纯化水系统中的待净化水体进行加热处理,持续加热处理一段时间后,可以有效杀死水体中一些病毒与细菌,避免微生物在水体中出现持续发酵现象。也可以将此过程作为破坏水体中某种微生物结构的过程,其原理见下图3。

图3 巴氏消毒灭菌方法原理

在使用巴士消毒法进行纯化水系统的霉菌处理时,需要先在加热装置下,将水体加热到80.0 摄氏度,保持此温度一段时间后,消毒水体将在管路中进行预冷,最终从系统的出水口流出,此过程较为简单,却是一种可以通过加热有效处理细菌的过程。

2 三种灭菌方法比较

2.1 纯化水系统消毒剂残留比较

完成对三种灭菌方法使用的研究后,本章将从消毒处理过程中纯化水系统消毒剂残留角度,进行灭菌方法应用效果的分析。

在使用二氧化氯灭菌方法进行灭菌处理时,需要将贮存罐与管道中的二氧化氯消毒水放净,再重新制备新水约200.0 升,在纯化水系统中循环15.0min～25.0min,在系统的终端回水口位置进行取水,控制取水量为50.0ml,测试水体的电导率。在此基础上,按照相同的操作步骤进行灭菌管道的冲洗,直到取水的电导率检测结果满足1.0×105Ω·cm 条件后,记录此过程中的冲洗耗时。

在使用臭氧进行纯化水系统的灭菌处理时,按照上述论述内容完成灭菌处理。在灭菌过程中,纯化水系统当中限流的臭氧消毒剂能够完全分解在水中,因此针对其残留问题的比较,选择将完全分解的时间作为评价指标。完全分解的时间越短,说明纯化水系统当中残留的消毒剂越少；反之同理。在实验过程中,同样要求完成对200.0 升纯化水的制备。在制备过程中,将循环水泵打开,并在管线当中持续循环20 分钟,在随机三个位置上获取水样。在停止对臭氧的供应后,将管路内部安装的紫外灯打开,并完成对水中臭氧的分解。最终在总回水口利用碘量滴定的方法完成对臭氧残留的检测,待无法检测到臭氧时,记录这一时刻时间,并利用这一时刻时间与添加臭氧时刻时间相减,得到臭氧完全分解时间,并将这一数值作为消毒剂残留物分解的时间。

最后针对巴氏消毒灭菌方法,将纯化水加热到80°C 以上,并将升温时间控制在50min～60min 范围以内,循环保温时间为50min,完成在高温条件下灭菌。整个消毒灭菌过程不需要消毒剂,故消毒灭菌后无残留,只需将水冷却排空,再重新制水使用即可。

通过上述实验操作,完成对三种灭菌方法灭菌过程中消毒剂残留的比较,通过分析对比二氧化氯冲洗耗时、臭氧分解耗时和巴氏消毒清楚残留时间,三个时间指标数值越大,则说明残留越不容易清除,三种灭菌方法的消毒剂残留问题严重程度从轻到重的顺序依次为：巴氏消毒＜臭氧＜二氧化氯。

2.2 灭菌效果比较

在上述实验内容基础上,针对三种灭菌方法的效果进行比较。选择将三种方法在完成灭菌后,某一细菌的杀灭率作为评价指标,杀灭率越高,则说明灭菌效果越好,反之杀灭率越低,则说明灭菌效果越差。杀灭率的计算公式为：

公式（1）中,N 表示为灭菌后纯化水系统中菌体数量,在实验过程中本文选择的灭菌对象为金黄色葡萄球球菌,因此N 的取值由金黄色葡萄球菌体个数决定；N0表示在灭菌前纯化水中的菌体数量；k 表示为反应速度常数；t 表示为灭菌时间。根据上述公式,计算得出三种灭菌方法的杀灭率,并将结果记录如表3 所示。

表3 三种灭菌方法杀灭率记录表

从表4 中记录的实验数据可以看出,在相同时刻下,巴氏消毒灭菌法的杀灭率始终高于前两种灭菌方法,由此可以证明三种灭菌方法中巴氏消毒灭菌法的杀灭率最高,灭菌效果最理想。同时,在实验过程中发现,臭氧灭菌法对细菌的灭菌起效时间更短,但由于无法确保臭氧消毒剂的浓度始终保持不变,因此其灭菌效果随着时间的延长没有得到明显的提升。

2.3 细菌挑战性比较

在完成对三种灭菌方法的纯化水系统消毒剂残留比较和灭菌效果比较后,针对其细菌挑战性进行比较。仍然在上述实验基础上,开展对这一性能的探究。选择本文上述提到的杀灭率作为评价指标,改变实验变量,针对三种消毒剂不同浓度条件下杀灭率进行记录。仍然选择金黄色葡萄球菌作为实验用菌,在实验过程中快速量取循环制备20min,取总回水口的溶液放置在试管当中。向5×105/ml～5×106/ml 的菌悬液当中加入含菌量为0.5ml 的待灭菌溶液,在达到灭菌规定时间后,记录不同杀灭率情况下三种灭菌方法灭菌溶液浓度,并将得出的结果绘制成如图4 所示。

图4 三种灭菌方法细菌挑战性对比图

从图4 中三条曲线可以看出,在达到相同的杀灭率时巴氏消毒灭菌方法的平均质量浓度最高,而臭氧灭菌和二氧化氯灭菌平均质量浓度变化相似。综合分析得出,三种灭菌方法的细菌挑战性二氧化氯优于臭氧优于巴氏消毒。通过本文上述研究,针对三种不同的灭菌方法对其各项性能指标进行比较。从实验结果可以看出,三种灭菌方法各自具有不同方面的优势。但在实验过程中,没有考虑到各个灭菌方法在成本方面的问题,因此在后续的研究当中还将从经济角度对其达到理想灭菌效果时的成本进行对比。同时,在纯化水系统运行过程中,还应当结合实际净化需要以及经济条件,对灭菌方法进行合理选择。

3 结论

纯化水是指当环境温度＞25 摄氏度时,其电阻率＞1.0×105Ω·cm 的水体,也可以将此类水体定义为脱盐水体或去离子水体。纯化水系统是指基于离子处理法、蒸馏法、反渗透法等综合处理法,进行供药用水制备的系统,制备的水体呈现无色无味状态,对水体检测后发现其中不含有以任何形式存在的添加试剂。为了实现对纯化水的高效率制备,本文从二氧化氯灭菌方法、臭氧灭菌方法、巴氏消毒灭菌方法三个方面,对其在纯化水系统中的应用方式与应用效果展开了研究。三种不同的灭菌方法在实际应用中的效果是不同的,但是在实际应用中,均可以起到较好的灭菌杀毒效果。因此,可以在制备纯化水的过程中,结合医药生产方的实际需求,选择不同的灭菌处理方法,以此实现对纯化水的制备,保证对医药生产用水制备的高效率与高水平。