純化水系統中滅菌方法的應用及比較

曲雪飛

（默普生物科技（山東）有限公司,山東 煙臺 264006）

常規條件下的水體中會含有不同量的Na 離子、Cl離子,但在一些化學研究領域內,是不允許實驗室水體中含有離子的,因此需要在制備水體時,采用一些特殊的手段,進行水體的去離子處理,通過此種方式得到的水體便可以被稱之為純化水[1]。而制備純化水過程中的一個必要步驟是對導入系統的水體進行滅菌處理,為了提高純化水系統的制備效果,下述將對制備過程中的三種霉菌方法使用方式進行分析,并結合不同方法的滅菌效果,掌握效果最佳的滅菌方法推廣使用[2]。

1 純化水系統中滅菌方法

1.1 二氧化氯滅菌方法

在滅菌過程中,二氧化氯主要起到氧化作用,而不發生氯化作用,因此不會產生有機氯化物,更不會產生氯胺[3]。采用這種滅菌方法可針對純化水系統當中存在的失活病毒、隱孢子蟲等滅菌具有良好效果。同時,采用這種滅菌方法在實際應用中滅菌的特性不會受到滅菌環境pH 值的影響[4]。在滅菌過程中,未發揮滅菌作用的二氧化氯會以其原本的性能保留在溶液當中,以此能夠實現對滅菌作用的延長,具有極強的氧化作用。

為實現基于二氧化氯的純化水系統滅菌,設計如圖1 所示的滅菌發生裝置,將其集成在純水化系統中,即可實現對水體的滅菌,見圖1。

圖1 純化水系統中二氧化氯滅菌原理圖示

為確保二氧化氯滅菌具有較高的效果,需要在制備二氧化氯滅菌消毒試劑時,控制不同原材料的比重,設計比重見表1。

表1 二氧化氯滅菌消毒試劑制備原材料比重設計標準

按照上述圖1 所示的比重,將不同比重的原材料按照標準放置在反應釜中,在常溫條件下對反應釜中材料進行攪拌處理,控制反應的時間在20.0min～25.0min,放置在指定容器中待用[5]。在此基礎上,將制備的二氧化氯消毒試劑倒入純化水系統的進水口,對水體進行沖洗,實現對水體的凈化滅菌。

1.2 臭氧滅菌方法

臭氧又被稱之為O3,從化學分子角度分析,臭氧屬于氧離子的同素異形體,對臭氧描述見表2。

表2 臭氧性質描述

將臭氧應用到純水化系統的滅菌中,臭氧可以有效地破壞或分解細胞外壁結構,并迅速在細胞內部擴散,對細胞液中的葡萄糖進行氧化[6]。也可以直接與病毒、細菌發生化學作用,對細胞結構、RNA、DNA 進行破壞,以此種方式,對蛋白質等大分子類型的聚合物進行破壞,抑制水體中細菌的代謝與繁殖,達到對水體的凈化效果。

在使用臭氧進行水體消毒時,應考慮到臭氧的半衰期為30.0min～60.0min,且臭氧分子結構具有穩定性差、極易分解的特點,因此,無法將臭氧作為常規的產品材料進行保存,需要在滅菌前,在現場進行及時制備[7]。對臭氧消毒溶液制備裝置與管線滅菌裝置進行描述,見下圖2。

圖2 臭氧水溶液制備與滅菌裝置結構示意圖

按照上述方式,制備純化水系統臭氧滅菌溶液,并將制備的溶液通過管線流入純化水系統,對水體進行凈化處理。在此過程中應注意,經過臭氧溶液消除后的水體,需要將水體中殘留或投入使用過剩的臭氧水溶液進行去除處理,避免殘留的臭氧水溶液對制備的純化水質量造成影響。通常情況下,需要控制純化水中殘留的臭氧水溶液含量＜0.005mg/L。

基于理論層面,對臭氧殘留物的去除處理可以使用活性炭、化學催化、熱破壞、紫外線輻射等多種方法,但在醫學制藥領域中,要保證對制備水體中臭氧殘留物的高效去除,最為廣泛且有效的處理方法為紫外線輻射法。具體操作方法為：在純化水管道系統中的第一個進水位置安裝可輻射紫外線的紫光燈,在用水或開始生產水之間,需要打開紫光燈,在未進行純化水的生產時,直接關閉紫光燈即可。根據大量的實踐與研究成果,每消除1.0mg/L 的水體殘留臭氧,需要保證紫光燈的照射量＞9.0×104μW·S/cm2。

1.3 巴氏消毒滅菌方法

巴氏消毒滅菌法是指在純化水系統中的待凈化水體進行加熱處理,持續加熱處理一段時間后,可以有效殺死水體中一些病毒與細菌,避免微生物在水體中出現持續發酵現象。也可以將此過程作為破壞水體中某種微生物結構的過程,其原理見下圖3。

圖3 巴氏消毒滅菌方法原理

在使用巴士消毒法進行純化水系統的霉菌處理時,需要先在加熱裝置下,將水體加熱到80.0 攝氏度,保持此溫度一段時間后,消毒水體將在管路中進行預冷,最終從系統的出水口流出,此過程較為簡單,卻是一種可以通過加熱有效處理細菌的過程。

2 三種滅菌方法比較

2.1 純化水系統消毒劑殘留比較

完成對三種滅菌方法使用的研究后,本章將從消毒處理過程中純化水系統消毒劑殘留角度,進行滅菌方法應用效果的分析。

在使用二氧化氯滅菌方法進行滅菌處理時,需要將貯存罐與管道中的二氧化氯消毒水放凈,再重新制備新水約200.0 升,在純化水系統中循環15.0min～25.0min,在系統的終端回水口位置進行取水,控制取水量為50.0ml,測試水體的電導率。在此基礎上,按照相同的操作步驟進行滅菌管道的沖洗,直到取水的電導率檢測結果滿足1.0×105Ω·cm 條件后,記錄此過程中的沖洗耗時。

在使用臭氧進行純化水系統的滅菌處理時,按照上述論述內容完成滅菌處理。在滅菌過程中,純化水系統當中限流的臭氧消毒劑能夠完全分解在水中,因此針對其殘留問題的比較,選擇將完全分解的時間作為評價指標。完全分解的時間越短,說明純化水系統當中殘留的消毒劑越少；反之同理。在實驗過程中,同樣要求完成對200.0 升純化水的制備。在制備過程中,將循環水泵打開,并在管線當中持續循環20 分鐘,在隨機三個位置上獲取水樣。在停止對臭氧的供應后,將管路內部安裝的紫外燈打開,并完成對水中臭氧的分解。最終在總回水口利用碘量滴定的方法完成對臭氧殘留的檢測,待無法檢測到臭氧時,記錄這一時刻時間,并利用這一時刻時間與添加臭氧時刻時間相減,得到臭氧完全分解時間,并將這一數值作為消毒劑殘留物分解的時間。

最后針對巴氏消毒滅菌方法,將純化水加熱到80°C 以上,并將升溫時間控制在50min～60min 范圍以內,循環保溫時間為50min,完成在高溫條件下滅菌。整個消毒滅菌過程不需要消毒劑,故消毒滅菌后無殘留,只需將水冷卻排空,再重新制水使用即可。

通過上述實驗操作,完成對三種滅菌方法滅菌過程中消毒劑殘留的比較,通過分析對比二氧化氯沖洗耗時、臭氧分解耗時和巴氏消毒清楚殘留時間,三個時間指標數值越大,則說明殘留越不容易清除,三種滅菌方法的消毒劑殘留問題嚴重程度從輕到重的順序依次為：巴氏消毒＜臭氧＜二氧化氯。

2.2 滅菌效果比較

在上述實驗內容基礎上,針對三種滅菌方法的效果進行比較。選擇將三種方法在完成滅菌后,某一細菌的殺滅率作為評價指標,殺滅率越高,則說明滅菌效果越好,反之殺滅率越低,則說明滅菌效果越差。殺滅率的計算公式為：

公式（1）中,N 表示為滅菌后純化水系統中菌體數量,在實驗過程中本文選擇的滅菌對象為金黃色葡萄球球菌,因此N 的取值由金黃色葡萄球菌體個數決定；N0表示在滅菌前純化水中的菌體數量；k 表示為反應速度常數；t 表示為滅菌時間。根據上述公式,計算得出三種滅菌方法的殺滅率,并將結果記錄如表3 所示。

表3 三種滅菌方法殺滅率記錄表

從表4 中記錄的實驗數據可以看出,在相同時刻下,巴氏消毒滅菌法的殺滅率始終高于前兩種滅菌方法,由此可以證明三種滅菌方法中巴氏消毒滅菌法的殺滅率最高,滅菌效果最理想。同時,在實驗過程中發現,臭氧滅菌法對細菌的滅菌起效時間更短,但由于無法確保臭氧消毒劑的濃度始終保持不變,因此其滅菌效果隨著時間的延長沒有得到明顯的提升。

2.3 細菌挑戰性比較

在完成對三種滅菌方法的純化水系統消毒劑殘留比較和滅菌效果比較后,針對其細菌挑戰性進行比較。仍然在上述實驗基礎上,開展對這一性能的探究。選擇本文上述提到的殺滅率作為評價指標,改變實驗變量,針對三種消毒劑不同濃度條件下殺滅率進行記錄。仍然選擇金黃色葡萄球菌作為實驗用菌,在實驗過程中快速量取循環制備20min,取總回水口的溶液放置在試管當中。向5×105/ml～5×106/ml 的菌懸液當中加入含菌量為0.5ml 的待滅菌溶液,在達到滅菌規定時間后,記錄不同殺滅率情況下三種滅菌方法滅菌溶液濃度,并將得出的結果繪制成如圖4 所示。

圖4 三種滅菌方法細菌挑戰性對比圖

從圖4 中三條曲線可以看出,在達到相同的殺滅率時巴氏消毒滅菌方法的平均質量濃度最高,而臭氧滅菌和二氧化氯滅菌平均質量濃度變化相似。綜合分析得出,三種滅菌方法的細菌挑戰性二氧化氯優于臭氧優于巴氏消毒。通過本文上述研究,針對三種不同的滅菌方法對其各項性能指標進行比較。從實驗結果可以看出,三種滅菌方法各自具有不同方面的優勢。但在實驗過程中,沒有考慮到各個滅菌方法在成本方面的問題,因此在后續的研究當中還將從經濟角度對其達到理想滅菌效果時的成本進行對比。同時,在純化水系統運行過程中,還應當結合實際凈化需要以及經濟條件,對滅菌方法進行合理選擇。

3 結論

純化水是指當環境溫度＞25 攝氏度時,其電阻率＞1.0×105Ω·cm 的水體,也可以將此類水體定義為脫鹽水體或去離子水體。純化水系統是指基于離子處理法、蒸餾法、反滲透法等綜合處理法,進行供藥用水制備的系統,制備的水體呈現無色無味狀態,對水體檢測后發現其中不含有以任何形式存在的添加試劑。為了實現對純化水的高效率制備,本文從二氧化氯滅菌方法、臭氧滅菌方法、巴氏消毒滅菌方法三個方面,對其在純化水系統中的應用方式與應用效果展開了研究。三種不同的滅菌方法在實際應用中的效果是不同的,但是在實際應用中,均可以起到較好的滅菌殺毒效果。因此,可以在制備純化水的過程中,結合醫藥生產方的實際需求,選擇不同的滅菌處理方法,以此實現對純化水的制備,保證對醫藥生產用水制備的高效率與高水平。