湿热灭菌验证中热穿透试验和F0值的研究

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湿热灭菌验证中热穿透试验和F0值的研究
来源：OurGMP


　　热量在物理学中有传导、对流和辐射三种基本传递形式，其综合产生了强大的热穿透效果，人们关心的是热穿透效果，故取名为热穿透试验。早些书籍上有称它为带产品负荷的热分布试验，目前仍然以热穿透试验的称谓居多。目的是为了用前述实验的极值点来考核其F0值，对已经灭菌的产品是否被赋予设计的灭菌保证值进行具体数据检测考核。


　　本实验的步骤和方法与装载和前述的热分布试验大体相同，差别在于温度探头的布置是插在产品中，不接触药品容器周边和底部。


　　摆放在下列位置，并一一对应作好编号：


　　(1)热分布试验确定的最冷点和次冷点;


　　(2)热分布试验确定的最热点和次热点;


　　(3)和灭菌柜温度控制设计探头并列(又称同步点);


　　(4)纪录腔室温度探头(不插入产品中)，其余和热分布位置相当，均匀布置。


　　每点的温度纪录后按照时间间隔(30秒或1分)详细纪录打印，并计算每点从升温到降温过程中100℃上的F0值、各点总的F0均值、最大与最小值关键数据。


　　探头使用前后都要在冰点槽和油浴槽中仔细的校正，剔除超差件。在保证重现性非常好的情况下，稳定试验数据不得低于3组。也就是本试验在某品种规格和对应某装载固定不变的工况下至少需稳定状态下作3次实验。


　　可接受的标准是：


　　(1)灭菌设计程序下各点热穿透试验获得的F0值基本一致;


　　(2)最冷点F0值和产品的F0 均值之间差值小于2.5;


　　(3)整体的F0值监察分析，其没有在设计的F0值允许波动的公差上下限外数据;


　　(4)具备良好的重现性，连续三次以上重现性。


　　以F0值作为监察分析的历史由来已久，从经典的资料查阅可以找到，湿热灭菌中微生物杀灭的对数规则始于1921年Bigeow和Rahn等科学家的研究。他们论文的主要成果是：灭菌时微生物死亡遵循对数规则，过程可以用阿仑乌斯(Arrhenius)的一级反应式来描述。根据质量作用定律，在恒定温度及保持其它条件不改变的情况下，单位时间内被杀灭的微生物数正比于初始的原有数目，可以表示为以下的线性式：


　　dN/dt = K (No-Nk ) …………(1)


　　整理后lg N t = lg No – (K/2.303) t


　　取其斜率的负倒数定义为D值，D= 2.303/K= t/ (lg No - lg N t )，取(lg No - lg N t )=1，D= t，则为微生物被杀灭90%的时间。也称谓微生物九成杀灭时间,单位为分，D为正值。在USP中，D值则表示灭菌的程度。D值区分不同的微生物，在不同的温度和介质情况下数值不同，具体的数据是可以查阅的，其值越大表明微生物越难杀灭。


　　随着灭菌温度升高，杀灭耗用的时间越短。试验在(100~138℃)范围lg D与温度有线性关系，取其斜率的付倒数定义为Z值：


　　Z = (T2 – T1 )/ lgD 1- lg D2---------------(2)


　　Z值代表微生物被杀灭减低一个lg D数量单位所需升高的温度数值,代表微生物对热敏感系数，其值越大对热越不敏感。单位为℃，Z 为正值。实验选取强耐热菌株(嗜热脂肪杆菌B.Stearothermophilus)为代表的Z值在多种介质中为9.4 ，考虑Z值选取10，从安全角度既留有安全余地且对数计算应用上十分简便。


　　D2 / D 1 = 10 (T1 – T2) / Z 带入测试时间间隔Δt和效果时间多项累计求和,将T2设为参比温度T0，在变温情况下的灭菌等效式求F值计算整理，F值的数学表达式是一个多项和结果，也有直接以积分形式写出的代表式。数学多项表达式对物理特性表达较为直观：


　　Δt 为测量被灭菌物温度的时间间隔(一般采用1分或0.5分)，分为单位;


　　T为每个Δt时间间隔测得的被灭菌物温度值，℃为单位;


　　T0­是参比温度值，℃为单位;


　　Z为微生物数降低一个对数lgD值所需要升高的温度数，℃为单位;


　　F ，分为单位。


　　它的物理含义是在变温条件下t分钟灭菌效果与温度T0­ (参比温度)时F分钟的灭菌效果相同等效。这是很有意义和具有非常适用价值的表达式，因为工业生产灭菌是不可能在一瞬间完成，长时间温度恒定不变的绝对理想状态也是不存在的，因而在实际的生产操作中将广泛涉及该式。


　　当Z值取10℃时，这个数学表达式就剩下实测温度T和间隔时间Δt两个变量，代表各个温度值下的灭菌效果转化为121 ℃标准温度下Z值10℃下的灭菌时间效果，并记为F0值


　　公式请点击 阅读原文


　　上式直接由温度T和时间Δt两个物理量决定，某些书籍又称物理F0 (标准灭菌时间)。物理F0目前仅限于湿热灭菌，在试验中需要注意不能与干热、辐射等灭菌标准数据相混淆。


　　它包括灭菌过程的升、保、降温过程三皆段热能对微生物总致死量效果，其是以时间为单位表示在灭菌温度121℃时等效的量值(以时间的量值来表示的代用值)。


　　F0代用值能代表无菌吗?以 F0≥8为题展开，牵扯到一个容易和无菌概念混淆问题，在1995年前世界上许多从事无菌和灭菌产品的人们把F0≥8视为(当成)产品灭菌标准，好像F0≥8就等同达到产品无菌要求，而忽视其具体工艺污染控制手段问题。这是不对的，这对无菌要求在概念上属认识性的错误。


　　F是指特定控制情况下被灭菌产品被污染的概率低于某值概念，赋予了产品一定的安全性而言，其是在制造过程(工艺)其他的染菌因素必须严格控制的特定情况下的。F0≥8在本设计程序下能杀灭到何种程度?是针对不同的产品和带有不同染菌数而设计的。不同染菌数样本可以在F0≥8状况下灭菌结束采取验算确认残存数或者辅之采样培养予以确认。在微生物失控情况下，根本不能称无菌。


　　由此可见：没有严格的工艺制造过程染菌控制，即使F0≥8 也不能达到无菌要求，反之一样。所以，USP23(1211)不再提出将F0≥8即符合无菌要求的条款写入。因而，此概念也不能简单套用到其他无菌概念，也不能讲F0 达到多少后就达到无菌要求，这本不是同一概念。


　　当然，在设计灭菌程序参数时应充分考虑增大被灭菌物的安全性，一般放大F0需作多次谨慎验证试验后才递出工艺修正报告。不能轻易放大F0，因为它是它是一把双刃剑，过度(过热)灭菌后果对药品来说很容易药效报废，并析出难以控制的杂质或(毒)副产物，毁坏药品质量，而造成一系列精心操作过程的前功尽弃，过度灭菌产品同样对病员无益。


　　现在回头检查热穿透多次实验的结果。如已经达到可接受的标准了，则表明在灭菌柜最冷点(次冷点)以及最高温点(次高温点)的达到设计要求，极限点的数据表明灭菌是在设计操作程序可控制范围。既可保证腔内药品被赋予设计的足够安全性，又不在影响药效的过度灭菌温度范围。同时，同步点检测合格意味设备本身仪表反映的参数也是真实可靠，设备设计、制造与安装调试是合格的。这样为设备验证合格奠定了很好的基础，也为产品灭菌质量保证锁上了“第一把锁”。