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嘉峪檢測網 2025-03-07 16:17
基于對過氧化氫滅菌技術的探討，本文對目前主流技術進行了對比分析，并將其應用于肺炎球菌多糖結合疫苗生產的潔凈室空間滅菌。通過將 VHP 滅菌過程與空調系統整合，實現了操作的便捷性與驗證的可行性，滿足了用戶對于高頻率、短滅菌周期的需求。本文為制藥行業潔凈空間滅菌提供了具體的應用案例。
過氧化氫（Hydrogen Peroxide），化學式為 H2O2，其水溶液通常被稱為雙氧水，是一種強氧化劑。常用的使用濃度為 30% 或 35%，它能夠有效殺滅細菌、病毒、真菌以及芽孢，因此被認為是一種廣譜殺菌劑。由于過氧化氫分解后產生的副產品完全無害，它在制藥潔凈室、食品、醫療和化工行業的滅菌應用中被廣泛采納。目前，過氧化氫被認為是世界上最理想的殺菌劑之一。
1.過氧化氫的滅菌機理
目前，過氧化氫滅菌技術主要分為 4 種：包括水溶液過氧化氫（AHP:Aqueous Hydrogen Peroxide）、 氣化過氧化氫（VHP: Vaporized Hydrogen Peroxide）、過氧化氫等離子體（HPP:Hydrogen Peroxide Plasma）以及過氧化氫汽霧（HPV ：Hydrogen Peroxide Vapor）。在這些方法中，氣化過氧化氫（VHP）以其常溫、高濃度和干燥的特性，成為一種快速且高效的滅菌方式。
過氧化氫的殺菌機理[1-8]涉及兩種自由基：超氧自由基 O2- 和羥基自由基 OH-。這些自由基能夠破壞蛋白質、多糖和 DNA。被氧化的堿基會被 DNA 修復機制識別并切割，導致DNA分子單鏈斷裂。隨著暴露時間和過氧化氫水溶液濃度的增加，斷裂的數量也會相應增加。對于蛋白質而言，過氧化氫具有顯著的降解作用。在液相中，蛋白質會發生交聯反應；而在氣相中，蛋白質會被分解為更小的肽，從而達到更佳的滅菌效果。
綜合來看，過氧化氫的滅菌機理主要分為兩大類：
● 過氧化氫能夠破壞微生物的外層保護結構，使保護層的滲透性發生變化，進而引起滲透壓的改變。這種破壞導致微生物細胞內外平衡系統受損，最終導致微生物的死亡；
● 過氧化氫通過破壞微生物的酶、蛋白質和 DNA，從而達到殺死微生物的目的。
2.氣態過氧化氫滅菌技術的最新發展及現狀
液態過氧化氫的殺菌效能已在一個多世紀前得到證實，但它使用后產生的大量殘留物需要額外處理。氣態過氧化氫的殺菌原理大約在 1980 年代初期被提出。經過大量實驗驗證[9]，相較于嗜熱脂肪芽孢桿菌孢子，氣化過氧化氫對枯草芽孢桿菌亞種孢子的殺滅效果更為顯著。
目前，氣態過氧化氫滅菌技術在歐美國家已成為生物凈化的關鍵技術之一。美國 STERIS（思泰瑞）所代表的干法 VHP 滅菌和英國BIOQUELL（貝爾科）公司所代表的濕法噴霧滅菌 HPV 是其中的兩大主流方法。國內外針對這兩種方法已經進行了廣泛的研究和比較[10]，結果匯總如表1 所示。
表1 HPV與VHP技術及效果對比表
BIOQUELL HPV 和 STERIS VHP的技術步驟對比見表2，兩者工藝步驟基本相同，主要差異在與對環境條件的要求以及過氧化氫的形態。
表2 BIOQUELL HPV和STERIS VHP的操作工藝對比
表3 展示了過氧化氫在液態與氣態兩種狀態下的滅菌效果對比。
表3 液相過氧化氫與氣相過氧化氫滅菌效果對比
研究顯示：在確保達到相同滅菌效果的條件下，氣態過氧化氫的滅菌時間比液態的要短；同時發現，當氣態過氧化氫的濃度在750～2000ppm時，其滅菌效果與30000ppm過氧化氫液體相當，因此，氣態過氧化氫的滅菌效果更高。
3.氣態過氧化氫滅菌效果評估
3.1 滅菌目標
滅菌是指殺滅細菌及其細菌繁殖體、芽孢、病毒和真菌孢子等所有微生物形態的過程。在制藥行業，通常采用國際公認的無菌保證水平（Sterility Assurance Level，SAL）來評估滅菌工藝的效果。SAL 定義為產品經過滅菌處理后，微生物殘存的概率。SAL 值越低，產品中微生物存在的可能性就越小。因此，國際標準通常規定，采用濕熱滅菌柜的 SAL 值不得超過 10-6，即滅菌后微生物存活的概率不得超過 1%。
根據消毒規范技術要求，滅菌目標設定為生物指示劑（BIs）達到 106的殺菌率。常用的生物指示劑（BIs）包括黑色枯草芽孢桿菌和嗜熱脂肪芽孢桿菌。
3.2 氣化VHP設備布局
VHP 發生器的送風管道與被滅菌區域的潔凈空調系統送風管道相連。通過被滅菌區域的潔凈送風管道，將氣化的過氧化氫送入被滅菌的潔凈室，隨后通過被滅菌區域的回風管道返回空調機組，實現循環通風滅菌。這一過程確保氣化的過氧化氫能夠均勻地擴散至所有被滅菌區域。
3.3 測試試劑的準備
在進行實驗之前，確保所有必須的測試試劑和方案都已經準備就緒是非常重要的。測試試劑需要按照實驗要求的純度和濃度進行準備，以確保實驗結果的準確性和可靠性。
● 實驗菌株：選用枯草桿菌黑色變種和嗜熱脂肪芽孢桿菌；
● 染菌載體：包括不銹鋼片和聚四氟乙烯墊片等，染菌量控制在1～5×106cfu/載體；
● 培養基：采用胰蛋白胨大豆瓊脂培養基（TSA）和胰蛋白胨大豆肉湯培養基（TSB），確保使用前經過濕熱滅菌處理；
● 布點策略：確保每個房間均布點采樣，選擇遠離 VHP 發生器的區域，以及距離房間回風口較遠的位置，作為評估滅菌效果的關鍵點。
3.4 評價標準[11]
滅菌合格標準：實驗對照組的回收菌量應為 1～5×106 cfu/ 載體，陽性對照組應有菌生長；陰性對照組應無菌生長；實驗組應無菌生長。
4.氣化過氧化氫空間滅菌在疫苗生產中的應用
2023 年，筆者有幸參與國內某疫苗企業新建的肺炎球菌多糖結合疫苗車間項目，該項目的生產核心區域包括菌種制備間、Ps 發酵初純間、Ps 純化間、rPly 發酵初純間、rPly 純化間、緩沖液配制間、培養基配制間、CIP 站、凍干室以及制劑區等。在生產過程中，原料和中間體會頻繁進出生產區域，因此，迫切需要一種高效且可靠的滅菌方法，以對物料表面、設備表面及空間進行徹底滅菌，同時，為了提高效率，還需要在最短時間內完成物料的轉移。
針對本項目的工藝特點，項目面臨三個主要挑戰：
● 滅菌頻率高，需盡可能縮短滅菌操作周期；
● 盡量減少滅菌過程對潔凈室環境的影響；
● 確保人員安全，以及排氣對環境無害。基于這些考量，項目最終決定采用固定式氣化過氧化氫裝置與潔凈室空調系統相結合的滅菌方案。
4.1 氣化過氧化氫裝置的構成及工藝
4.1.1 氣化過氧化氫設備系統的構成
氣化過氧化氫設備由過氧化氫發生器、除濕裝置、控制裝置以及管道閥門系統組成。設備主體包括柜體、送風機、儲液罐、注射泵、預加熱器和蒸發器。控制系統由 Siemens PLC控制系統、觸摸屏和打印機構成，負責監測、控制和輸出設備運行數據。該系統可獨立運行，也可由潔凈空調系統控制運行，控制系統的啟動、停止和通風循環，以及收集數據和監控VHP 系統的狀態。管道閥門系統由不銹鋼自控閥門、硅膠管道、CPVC 和不銹鋼風管等構成。
4.1.2 VHP設備系統的工藝流程
VHP 設備系統與潔凈空調系統的送風管道相連，將濃度為 35% 的過氧化氫液體通過 VHP 發生器閃蒸轉化為VHP 氣體。該氣體通過分配管道輸送到待滅菌區域的空調送風管道中，通過潔凈室房間頂部的 HEPA 過濾器均勻分布在各被滅菌區域，保持恒定濃度并維持一定時間，配合空調系統的循環運行，對潔凈區的空間、設備、物料表面進行有效滅菌。
4.1.3 氣化VHP裝置的運行過程
第一步，除濕：降低空間的相對濕度，以滿足氣化過氧化氫滅菌所需的濕度條件。對于潔凈區，將濕度控制在 60% 以下，符合潔凈區日常管理的潔凈等級濕度要求。在此階段，VHP 發生器連接到潔凈空調系統風管上的閥門保持關閉狀態，確保潔凈系統正常運行。
第二步，調節：調整過氧化氫的注射速率，快速提升 VHP 的濃度。
首先關閉潔凈空調系統的新風閥和排風閥，停止潔凈空調系統的冷凍水和加熱介質供應，將空調系統送風管至各房間的空氣調節閥調至全開狀態，同時將 VHP 發生器送風管道至空調系統連接之間的閥門也調至全開。啟動 VHP 發生器，將氣化的過氧化氫送入空調系統，并通過房間的 HEPA高效過濾器送風口將 VHP 傳輸至被滅菌的潔凈區域。此階段應保持整個空調系統的相對濕度約為 55%。
第三步，滅菌：在維持一定 VHP濃度的情況下，對整個空調系統的風管、房間、設備進行滅菌處理。經過一段時間的運行后，即可實現滅菌效果。
第四步，通風：滅菌完成后，關閉 VHP 設備及送風管道上的閥門。開啟空調系統的新風，進行全面排風，快速降低被滅菌區域的 VHP 濃度，使殘余的過氧化氫通過排放管道上的催化降解裝置后排至室外。當潔凈區空間的過氧化氫濃度降至低于 1ppm 時，通風過程結束，潔凈空調系統恢復到正常運行模式。
4.1.4 滅菌參數的設置
滅菌參數的設置是確保滅菌過程有效性的關鍵步驟，需要根據 VHP 設備的特性及被滅菌物品的特性來精確設定。
● VHP 滅菌濃度設定為 650 mg/m3；
● 房間溫度維持在 24~26 ℃ ；
● 房間濕度≤ 55% ；
● 房間換氣次數＞ 15 次 /h。
4.2 氣化過氧化氫滅菌的潔凈室維護結構設計[12]
潔凈室圍護結構的密封性對 VHP的滅菌效果具有顯著影響。若空間的濕度控制（包括溫度和濕度的控制）不當，可能會導致液態過氧化氫冷凝液的形成，進而對圍護結構產生腐蝕作用。
4.2.1 彩鋼板
該肺炎球菌多糖結合疫苗項目的潔凈室圍護結構采用了 50 mm 厚的夾芯金屬系列彩鋼板。
● 墻板彩鋼板：采用手工雙玻鎂巖棉夾芯，外層為 0.5 mm 厚的灰白色 PVDF 彩涂鋼板（雙面），內層粘接5 mm 厚的玻鎂板，兩層玻鎂板之間填充巖棉，巖棉的容重為 120 kg/m³ 以上。所有承插面和密封面需涂滿粘合劑，以確保基板與芯材之間的粘結牢固，無空鼓、脫層和斷裂線現象。彩鋼板的四周使用 0.8 mm 厚的鍍鋅鋼邊框，并采用厚墻體彈片結構進行固定；
● 吊頂用彩鋼板：在潔凈室一側彩涂 PVDF，在技術夾層一側彩涂 PE 聚酯。彩鋼板成品覆膜上應明確標識涂層信息。吊頂用彩鋼板的其他加工要求與墻板彩鋼板相同。
所有彩鋼板的安裝縫隙應保持均勻（2～3 mm），清潔后用密封膠雙面密封。用于潔凈室內所有表面嵌縫的彈性密封材料為 798 食品級中性硅酮密封膠。
4.2.2 地面
采用抗腐蝕性能強，耐磨性好以及達到 A 級防火標準的聚氨酯彩砂材料，厚度為4～5 mm。
4.2.3 面板門
選用密胺樹脂面板門，其表面光滑細膩。門板厚度為 50 mm，采用鋁蜂窩作為門板夾芯材料。門上配備雙層透明玻璃觀察窗，玻璃內充填惰性氣體，采用 5 mm 厚的鋼化玻璃，確保玻璃表面與彩鋼板表面平齊。邊框處使用密封膠進行密封處理；門的四周采用連續的中空硅膠密封條，無卷邊、脫槽、缺口或斷裂問題，且該密封條能承受 VHP 的侵蝕。
4.3 VHP滅菌的潔凈室空調系統設計
在現代潔凈室的設計中，VHP 滅菌技術已經成為一個重要的組成部分。潔凈室圍護結構及空調系統必須考慮到 VHP 滅菌技術的特殊要求，以確保其完整性及滅菌效果。
4.3.1 VHP設備系統與潔凈室空調系統結合
將 VHP 設備系統與潔凈室空調系統相結合，可以實現更為高效和精確的滅菌效果。這種結合方式的流程示意圖如圖1 所示，它詳細展示了如何將 VHP 滅菌技術融入到潔凈室的空調系統中，以確保整個環境的無菌狀態。
圖1 VHP設備系統與空調系統的流程示意圖
4.3.2 VHP氣體注入風管的方式
VHP 送風管道垂直插入潔凈室空調送風管，出口與氣流方向一致，參見圖2。
圖2 VHP送風管道與潔凈空調布置示意圖
4.3.3 空調系統的材料選型
在設計和構建空調系統的過程中，空調系統的材料選型不僅僅是一個簡單的選擇過程，而是一個需要綜合考慮多種因素的復雜決策。它涉及到對各種不同材料的性能、成本、耐久性以及環境影響等多方面因素的綜合考量。正確的選型可以確保系統的高效運行，延長使用壽命，同時減少對環境的不良影響。
● 空調系統的送風、回風、排風管道均采用 304 不銹鋼材質，通過折邊壓制工藝制成，確保了風管的強度和耐久性。不銹鋼板的厚度控制在0.5 mm；
● 潔凈室頂部的高效過濾器靜壓箱同樣采用 304 不銹鋼板制作，而HEPA 過濾器則配置了鋁合金邊框。靜壓箱與過濾器箱體的所有連接處均采用滿焊技術進行焊接，以確保密封性和結構的完整性。過濾介質選用的是玻璃纖維。HEPA 濾料與邊框的密封采用聚氨酯材料，而液槽密封則使用了果凍膠（硅膠）；
● 對于暴露于 VHP 氣流中的所有AHU 空調機箱構件，均采用能夠耐受VHP的特殊材料進行制造。
4.4 VHP設備系統的日常運行及維護
為了保障 VHP 設備系統的高效運作，需要對設備進行定期的檢查和必要的保養。
● 設備管理部門應根據制造商的指導和實際使用經驗，制定日常運行的 SOP，定期維護的 SOP 以及保養計劃，并針對那些特別容易發生故障的部件，做好備件庫存；
● 所有的儀表應納入計量管理計劃，以確保其計量的準確性；
● 制定操作和維護人員的崗位培訓計劃。
5.結 論
在探討過氧化氫滅菌技術的基礎上，本文對目前主流技術進行了對比分析，并將其應用于肺炎球菌多糖結合疫苗生產的潔凈室空間滅菌。將VHP 滅菌的整個過程與空調系統相結合，展現了其操作性和可驗證性，能夠滿足用戶對高頻率、短滅菌周期的需求。這為制藥行業潔凈空間滅菌提供了具體的應用案例。
參考文獻
[1] B . M c E v o y 1 a n d N . J . R o w a nTe r m i n a l s t e r i l i z a t i o n o fmedical devices using vaporizedhydrogen peroxide: a review ofcurrent methods and emergingopportunities [J]. Journal ofApplied Microbiology, 2019,127(10): 1403-1420.
[2] P h i l i p M . S c h n e i d e r N e wt e c h n o l o g i e s a n d t r e n d s i nsterilization and disinfection [J].American Journal of InfectionControl, 2013, 41: S81-S86.
[3] Z h a o j i n g Yu , H a i y a n g C a i ,Shanshan Xiao, Weimin Zeng,Runlan Yu, Hong Cheng, PeiqiCheng. Behavior and linkagemechanism of extracellularp o l y m e r s , c e l l m e m b r a n eperoxides and intracellularp e r o x i d a s e s d u r i n g h i g hconcentration vaporized hydrogenperoxide sterilization [J]. Journalof Cleaner Production, 2023, 414:137657
[4] POTTAGE T, RICHARDSONC, PARKS S, et al. Evaluationof Hydrogen Peroxide GaseousD i s i n f e c t i o n S y s t e m s t oDecontaminate Viruses [J].Journal of Hospital Infection,2010, 74(1): 55-61.
[5] F U T, G E N T P, K U M A R V.Efficacy, Efficiency and SafetyAspects of Hydrogen PeroxideVapor and Aerosolized HydrogenPeroxide Room DisinfectionSystems[J]. Journal of HospitalInfection, 2012, 80(3): 199-205.
[6] F I N N E G A N M , L I N L E Y E ,DENYER S, et al. Mode of Actionof Hydrogen Peroxide and OtherOxidizing Agents: Differencesbetween Liquid and Gas Forms[J]. Journal of AntimicrobialChemotherapy, 2010, 65(10):8-15.
[7] 胡國慶. 我國過氧化氫低溫等離子滅菌技術應用現狀與管理 [J].中國消毒學雜志，2011（3）：353-355.
[8] 楚莉沙. 氣化過氧化氫滅菌研究現狀與展望 [J].包裝工程，2016，37（21）：145-151.
[9] WA N G J . I n a c t i v a t i o n o fMicroorganisms on PolyethyleneExposed to Hydrogen PeroxideVa p o r s i n A i r a t Va r i o u sTemperatures [J]. ChemicalAbstracts, 1987, 10(12): 30-32.
[10] 郁朝陽. 氣化過氧化氫滅菌技術及其在動物設施消毒中的應用[J]. 醫藥工程設計，2012，33（2）：49-53.
[11] 陳琦. 氣化過氧化氫的滅菌技術及其驗證分析 [J]. 機電信息，2016，5（467）：41-48.
[12] 張少梅. VHP空間滅菌的工程實施技術探討 [J]. 化工與醫藥工程，2017，38（3）：24-27.
本文作者成中山，杭州萬泰生物技術有限公司，僅供交流學習。
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