Навигация по таблицам
- Таблица 1: Требования к качеству конденсата чистого пара по нормативам
- Таблица 2: Физические параметры чистого пара согласно EN 285
- Таблица 3: Сравнительная характеристика промышленного и чистого пара
- Таблица 4: Температурные режимы стерилизации чистым паром
- Таблица 5: Материалы для систем чистого пара
Таблица 1: Требования к качеству конденсата чистого пара по нормативам
| Показатель | Норма | Метод контроля | Нормативный документ |
|---|---|---|---|
| Микробиологическая чистота | Не более 10 КОЕ в 100 мл | Мембранная фильтрация, агар R2A | ФС.2.2.0019.18, USP, EP |
| Бактериальные эндотоксины | Не более 0,25 ЕЭ/мл | LAL-тест (лизат амебоцитов) | ФС.2.2.0019.18, USP, EP |
| Общий органический углерод (TOC) | Не более 0,5 мг/л (500 ppb) | Анализатор TOC | ФС.2.2.0019.18, USP, EP |
| Электропроводность (при 25°C) | Не более 1,3 мкСм/см | Кондуктометр | ФС.2.2.0019.18, USP, EP |
| Тяжелые металлы | Не более 0,1 ppm | Спектрофотометрия | ФС.2.2.0019.18 |
| Нитраты | Не более 0,2 ppm | Колориметрия | ФС.2.2.0019.18 |
| pH | 5,0 - 7,0 | pH-метр | ФС.2.2.0019.18, USP, EP |
Таблица 2: Физические параметры чистого пара согласно EN 285
| Параметр | Критерий приемлемости | Физическое значение | Прибор контроля |
|---|---|---|---|
| Сухость пара (металлические загрузки) | Не менее 0,95 | 95% насыщенного пара, 5% влаги максимум | Анализатор качества пара |
| Сухость пара (пористые загрузки) | Не менее 0,90 | 90% насыщенного пара, 10% влаги максимум | Анализатор качества пара |
| Неконденсируемые газы | Не более 3,5% об. | До 3,5% от объема пара | Газоанализатор, прибор SQ1 |
| Перегретость | Не более 5°C (при 121°C) | Температура выше точки кипения при данном давлении | Термопара, датчик температуры |
| Рабочее давление | 2-4 бар (изб.) | Соответствует температуре 121-134°C | Манометр |
| Температура стерилизации | 121°C - 134°C | Зависит от типа загрузки и режима | Калиброванные термометры |
Таблица 3: Сравнительная характеристика промышленного и чистого пара
| Характеристика | Промышленный пар (Plant Steam) | Чистый пар (Clean Steam) |
|---|---|---|
| Источник питательной воды | Умягченная, деминерализованная вода с химической обработкой | Вода очищенная или вода для инъекций (WFI) |
| Химические добавки | Ингибиторы коррозии, деаэраторы, кондиционеры | Отсутствуют полностью |
| Материалы трубопроводов | Углеродистая сталь, чугун, оружейный металл | Нержавеющая сталь AISI 316L, титан |
| Применение | Технологический нагрев, не контактирует с продуктом | Прямой контакт с продуктом, SIP, стерилизация |
| Требования к конденсату | Отсутствуют специальные требования | Соответствие стандартам WFI |
| Микробиологический контроль | Не требуется | Обязательный, регулярный |
| Контроль эндотоксинов | Не требуется | Обязательный, менее 0,25 ЕЭ/мл |
| Тип генерации | Котельная установка | Генератор чистого пара с двойной стенкой |
Таблица 4: Температурные режимы стерилизации чистым паром
| Температура | Давление (избыточное) | Время выдержки | Применение | Уровень стерилизации (SAL) |
|---|---|---|---|---|
| 121°C | 1,05 бар (15 psi) | 15-20 минут | Стандартная стерилизация оборудования, щадящий режим | 10-6 |
| 121°C | 1,05 бар (15 psi) | 30-45 минут | Изделия из резины, латекса, пористые материалы | 10-6 |
| 126°C | 1,4 бар (20 psi) | 10-15 минут | SIP оборудования, трубопроводов | 10-6 |
| 132°C (134°C) | 2,0-2,2 бар (29-32 psi) | 3-7 минут | Быстрая стерилизация металла, стекла | 10-6 |
| 134°C | 2,2 бар (32 psi) | 18-20 минут | Стерилизация прионов (особые требования) | 10-12 |
Таблица 5: Материалы для систем чистого пара
| Компонент системы | Рекомендуемый материал | Тип поверхности | Обоснование выбора |
|---|---|---|---|
| Испарительная колонна | AISI 316L | Электрополированная | Коррозионная стойкость, минимальная шероховатость |
| Трубопроводы распределения | AISI 316L | Электрополированная, санитарная | Предотвращение биообрастания, легкая очистка |
| Запорная арматура | AISI 316L | Полированная | Герметичность, химическая инертность |
| Сварные соединения | AISI 316L | Орбитальная сварка, пассивированная | Отсутствие застойных зон, гладкость швов |
| Уплотнения | PTFE, EPDM (для высоких температур) | Гладкая | Термостойкость, химическая инертность |
| Контрольно-измерительные приборы | AISI 316L (контактные части) | Полированная | Точность измерений, совместимость со средой |
| Конденсатоотводчики | AISI 316L | Санитарное исполнение | Эффективное удаление конденсата без загрязнений |
Содержание статьи
- Определение и назначение чистого пара
- Отличия чистого пара от промышленного пара
- Требования к качеству конденсата чистого пара
- Физические параметры чистого пара и стандарт EN 285
- Генераторы чистого пара: принцип работы и конструкция
- Контроль качества и методы тестирования
- Применение чистого пара для стерилизации оборудования и процессов SIP
Определение и назначение чистого пара
Чистый пар (Clean Steam) представляет собой специализированную форму водяного пара, предназначенную для применения в фармацевтической промышленности, биотехнологическом производстве и медицинских учреждениях. Ключевой особенностью чистого пара является возможность его прямого контакта с лекарственными препаратами, стерильными материалами и производственным оборудованием без риска их загрязнения.
Чистый пар генерируется путем испарения воды очищенной или воды для инъекций в специальных генераторах, при этом качество получаемого конденсата должно полностью соответствовать требованиям, предъявляемым к воде для инъекций согласно фармакопейным стандартам. Температурный диапазон применения чистого пара составляет от 121 до 134 градусов Цельсия, что обеспечивает эффективное уничтожение микроорганизмов и их спор.
Основные области применения чистого пара
Стерилизация оборудования: Чистый пар используется для стерилизации ферментационных резервуаров, реакторов, трубопроводов и другого технологического оборудования, контактирующего с стерильными продуктами.
Процессы SIP: Стерилизация на месте (Sterilization-In-Place) позволяет проводить обработку крупногабаритного оборудования и замкнутых систем без их разборки.
Питание автоклавов: Чистый пар применяется в паровых стерилизаторах для обработки первичной упаковки, инструментов и материалов.
Увлажнение воздуха: В чистых помещениях классов A, B, C чистый пар используется для контролируемого увлажнения воздушной среды без риска микробиологического загрязнения.
Отличия чистого пара от промышленного пара
Принципиальное различие между чистым паром (Clean Steam) и промышленным паром (Plant Steam, котловым паром) заключается в качестве питательной воды, методах генерации и возможности применения. Промышленный пар предназначен исключительно для технологического нагрева через поверхность теплообменника и не должен контактировать с продукцией.
Питательная вода и химическая обработка
Для производства промышленного пара используется умягченная или деминерализованная вода с добавлением химических реагентов: ингибиторов коррозии, деаэраторов, регуляторов pH и других кондиционирующих добавок. Эти вещества необходимы для защиты котельного оборудования от накипи и коррозии, но делают пар непригодным для фармацевтических целей.
В отличие от этого, чистый пар генерируется исключительно из воды очищенной или воды для инъекций, прошедшей многоступенчатую очистку методами обратного осмоса, ионного обмена или дистилляции. Использование каких-либо химических добавок категорически запрещено, поскольку конденсат чистого пара должен соответствовать фармакопейным требованиям к воде для инъекций.
Материалы конструкции систем
Системы промышленного пара изготавливаются из углеродистой стали, чугуна или оружейного металла, что экономически оправдано для технологических целей. Однако при контакте с высокоочищенной водой или паром эти материалы подвержены коррозии, приводящей к загрязнению среды ионами железа и другими примесями.
Системы чистого пара производятся исключительно из нержавеющей стали марки AISI 316L (аналог 03Х17Н14М3), иногда применяется титан. Все контактные поверхности проходят электрополировку для снижения шероховатости до Ra менее 0,8 мкм, что предотвращает биообрастание и облегчает санитарную обработку. Сварные соединения выполняются методом орбитальной сварки в защитной среде аргона с последующей пассивацией.
Расчет коррозионной стойкости материалов
Скорость коррозии углеродистой стали в деминерализованной воде при температуре 100°C составляет приблизительно 0,2-0,5 мм/год, что за 5 лет эксплуатации приведет к потере толщины стенки от 1 до 2,5 мм и значительному загрязнению системы продуктами коррозии.
Нержавеющая сталь AISI 316L в тех же условиях имеет скорость коррозии менее 0,001 мм/год, что обеспечивает сохранение целостности системы и чистоты среды на протяжении десятилетий эксплуатации.
Принципы генерации
Промышленный пар вырабатывается в паровых котлах путем прямого нагрева котловой воды горелочными устройствами или электрическими нагревателями. При этом все примеси, содержащиеся в питательной воде, переходят в паровую фазу или концентрируются в котловой воде.
Чистый пар генерируется в специальных генераторах с двойной стенкой (кожухотрубных теплообменниках), где нагрев высокоочищенной воды осуществляется косвенно через теплопередающую поверхность промышленным паром. Такая схема полностью исключает контакт чистого пара с любыми загрязнениями из греющей среды. Образующийся пар проходит через сепараторы для удаления капельной влаги, обеспечивая требуемую степень сухости.
Требования к качеству конденсата чистого пара
Качество чистого пара в фармацевтической промышленности оценивается косвенно через анализ его конденсата, который должен полностью соответствовать требованиям, предъявляемым к воде для инъекций согласно Фармакопее Российской Федерации (ФС.2.2.0019.18), Фармакопее США (USP) и Европейской Фармакопее (EP).
Микробиологические показатели
Микробиологическая чистота конденсата чистого пара является критическим параметром, поскольку при стерилизации уничтожаются жизнеспособные микроорганизмы, но их метаболиты, включая эндотоксины, могут сохраняться. Согласно нормативным требованиям, общее число аэробных микроорганизмов в конденсате не должно превышать 10 колониеобразующих единиц (КОЕ) в 100 миллилитрах образца.
Определение проводится методом мембранной фильтрации с использованием фильтров с номинальным размером пор не более 0,45 микрометра. Пробу объемом не менее 200 миллилитров фильтруют в асептических условиях, после чего мембранный фильтр переносят на агар R2A и инкубируют при температуре от 30 до 35 градусов Цельсия в течение не менее пяти суток. Данный метод позволяет выявить как культивируемые, так и медленнорастущие микроорганизмы.
Бактериальные эндотоксины
Бактериальные эндотоксины представляют собой липополисахариды клеточной стенки грамотрицательных бактерий, которые не разрушаются при обычных температурах стерилизации и могут вызывать пирогенные реакции при попадании в организм человека. Предельно допустимое содержание эндотоксинов в конденсате чистого пара установлено на уровне не более 0,25 единиц эндотоксина на миллилитр (ЕЭ/мл).
Определение эндотоксинов проводится методом LAL (Limulus Amebocyte Lysate test) - тестом с использованием лизата амебоцитов мечехвоста. Метод основан на способности эндотоксинов вызывать коагуляцию лизата, при этом используются гель-тромб метод, турбидиметрический или хромогенный варианты. Чувствительность современных LAL-тестов достигает 0,005 ЕЭ/мл, что обеспечивает надежный контроль качества.
Пример расчета допустимого уровня эндотоксинов
Для парентерального лекарственного препарата с максимальной суточной дозой 10 мл и пределом эндотоксинов 5 ЕЭ/кг массы тела человека (70 кг):
Максимально допустимое количество эндотоксинов = 5 ЕЭ/кг × 70 кг = 350 ЕЭ
Допустимая концентрация в препарате = 350 ЕЭ / 10 мл = 35 ЕЭ/мл
Для обеспечения запаса безопасности к воде для инъекций и конденсату чистого пара предъявляется более жесткое требование: не более 0,25 ЕЭ/мл, что обеспечивает 140-кратный запас по сравнению с расчетным пределом для готового препарата.
Химические показатели
Общий органический углерод (TOC) характеризует суммарное содержание органических соединений в воде. Для конденсата чистого пара установлен норматив не более 0,5 миллиграмма на литр (500 частей на миллиард, ppb). Определение проводится на специализированных TOC-анализаторах, работающих по принципу каталитического окисления органических веществ до углекислого газа с последующей детекцией методом недисперсионной инфракрасной спектроскопии или кондуктометрии.
Электропроводность является косвенным показателем содержания ионных примесей в воде. При температуре 25 градусов Цельсия удельная электропроводность конденсата чистого пара не должна превышать 1,3 микросименса на сантиметр (мкСм/см). Измерение проводится кондуктометром с температурной компенсацией после предварительного охлаждения пробы и уравновешивания с углекислым газом атмосферы.
Важно отметить, что свежеполученная вода для инъекций может иметь электропроводность менее 1,0 мкСм/см, однако при контакте с воздухом происходит поглощение углекислого газа с образованием угольной кислоты, что повышает проводимость. Фармакопейные методики учитывают это явление, устанавливая алгоритм поэтапного измерения с определением стабилизации показаний.
Контроль тяжелых металлов и нитратов
Содержание тяжелых металлов в конденсате чистого пара не должно превышать 0,1 ppm (частей на миллион) в пересчете на свинец. Испытание проводится спектрофотометрическим методом после предварительного упаривания пробы для концентрирования возможных примесей. Наиболее критичными являются ионы свинца, меди, железа и цинка, которые могут попадать в систему в результате коррозии неподходящих материалов или недостаточной очистки питательной воды.
Нитраты в концентрации выше 0,2 ppm (0,00002%) недопустимы, поскольку указывают на микробиологическое загрязнение или недостаточную очистку исходной воды. Определение проводится колориметрическим методом с использованием дифениламина в серной кислоте.
Физические параметры чистого пара и стандарт EN 285
Стандарт EN 285 "Стерилизация. Паровые стерилизаторы. Большие стерилизаторы" устанавливает комплексные требования к физическим параметрам пара, используемого для стерилизации. Данные требования критически важны для обеспечения эффективности процесса стерилизации, поскольку отклонения физических параметров могут привести к недостижению требуемого уровня обеспечения стерильности.
Сухость пара
Сухость пара характеризует соотношение между паром и содержащейся в нем капельной влагой. Согласно EN 285:2015, сухость должна составлять не менее 0,95 (95%) для металлических загрузок и не менее 0,90 (90%) для пористых материалов. Физический смысл этого параметра заключается в том, что в паре с сухостью 0,95 на каждые 95 граммов водяного пара приходится не более 5 граммов капельной влаги.
Избыточная влажность пара приводит к намоканию стерилизуемых изделий, образованию застойных зон с недостаточной температурой и снижению эффективности стерилизации. Кроме того, влажные изделия после стерилизации создают риск вторичной контаминации при контакте с нестерильными поверхностями.
Практический пример влияния сухости пара
При стерилизации текстильных материалов в автоклаве при температуре 134°C паром с сухостью 0,85 (ниже нормативного значения) избыточная влага пропитывает ткань, создавая барьер для проникновения пара вглубь материала. В результате внутренние слои могут не достичь требуемой температуры, что приведет к выживанию микроорганизмов. Использование пара с сухостью 0,92 (соответствует норме для пористых загрузок) обеспечивает достаточное увлажнение для эффективной теплопередачи без избыточного намокания.
Перегретость пара
Перегретость представляет собой превышение температуры пара над температурой насыщенного пара при том же давлении. Для эффективной стерилизации пар должен быть насыщенным или близким к насыщенному состоянию. Согласно EN 285, допустимая перегретость при температуре стерилизации 121°C не должна превышать 5 градусов Цельсия.
Перегретый пар ведет себя подобно горячему воздуху, обладая значительно меньшей теплопередающей способностью по сравнению с насыщенным паром. При конденсации насыщенного пара на холодной поверхности выделяется скрытая теплота парообразования (около 2257 кДж/кг при 100°C), что обеспечивает быстрый и эффективный нагрев. Перегретый пар не конденсируется при контакте с поверхностью стерилизуемого объекта до тех пор, пока его температура не снизится до точки насыщения, что замедляет процесс теплопередачи.
Расчет теплопередачи для насыщенного и перегретого пара
Насыщенный пар при 121°C:
Скрытая теплота парообразования r = 2201 кДж/кг
При конденсации 1 кг пара выделяется: Q = m × r = 1 кг × 2201 кДж/кг = 2201 кДж
Перегретый пар при 130°C (перегретость 9°C при давлении 2 бар):
Удельная теплоемкость пара cp = 2,0 кДж/(кг·°C)
Сначала пар охлаждается до 121°C: Q₁ = m × cp × ΔT = 1 кг × 2,0 кДж/(кг·°C) × 9°C = 18 кДж
Затем конденсируется: Q₂ = 2201 кДж
Суммарное тепло: Q = 18 + 2201 = 2219 кДж
Разница незначительна, однако скорость теплопередачи при использовании перегретого пара существенно ниже из-за отсутствия интенсивной конденсации на начальном этапе контакта с холодной поверхностью.
Неконденсируемые газы
Неконденсируемые газы (преимущественно воздух, азот, углекислый газ) представляют серьезную проблему для процессов паровой стерилизации. Согласно EN 285, содержание неконденсируемых газов не должно превышать 3,5% от объема пара. Данное ограничение обусловлено физическими законами газовых смесей и теплопередачи.
Присутствие неконденсируемых газов в паре приводит к нескольким негативным эффектам. Во-первых, газы образуют теплоизолирующий слой на поверхности стерилизуемых объектов, препятствуя конденсации пара и передаче тепла. Во-вторых, в соответствии с законом Дальтона, парциальное давление пара в смеси с газами ниже общего давления, что приводит к снижению температуры конденсации.
Влияние неконденсируемых газов на температуру стерилизации
Рассмотрим систему с общим давлением 2,0 бар (абсолютное давление 3,0 бар) при наличии 3,5% неконденсируемых газов:
Парциальное давление пара: Pпара = Pобщее × (1 - 0,035) = 3,0 бар × 0,965 = 2,895 бар
Парциальное давление газов: Pгазы = 3,0 бар × 0,035 = 0,105 бар
Температура насыщенного пара при 2,895 бар составляет приблизительно 132,5°C вместо ожидаемых 134°C при 3,0 бар. Таким образом, даже при предельно допустимом содержании неконденсируемых газов снижение температуры составляет около 1,5°C, что находится в допустимых пределах. При превышении норматива эффект становится критическим.
Критерий 3,5% установлен не произвольно, а основан на обширных исследованиях, проведенных при разработке стандарта EN 285. Британский специалист Кейт Шаттлуорт (Keith Shuttleworth), один из основных разработчиков стандарта HTM 2010, легшего в основу EN 285, показал, что именно при этом уровне обеспечивается надежное достижение температуры стерилизации во всех точках загрузки при соблюдении других требований к процессу.
Методы контроля физических параметров
Для контроля сухости, перегретости и содержания неконденсируемых газов применяются специализированные приборы. Наиболее распространенным является анализатор качества пара SQ1 британского производства, который обеспечивает одновременное измерение всех трех параметров в соответствии с требованиями EN 285. Прибор работает по принципу калориметрии, анализируя теплосодержание пара и его конденсата.
Контроль физических параметров проводится в критических точках системы распределения чистого пара: в точке, наиболее близкой к генератору, и в наиболее удаленной точке на каждой ветке распределения. Такой подход позволяет выявить проблемы, связанные с конденсацией пара в трубопроводах или подсосом воздуха через неплотности системы.
Генераторы чистого пара: принцип работы и конструкция
Генератор чистого пара представляет собой специализированное теплообменное устройство, предназначенное для производства стерильного пара из высокоочищенной воды путем косвенного нагрева промышленным паром. Ключевым принципом конструкции является полное разделение греющего пара и чистой воды/пара с использованием двойной трубной решетки или кожухотрубной конструкции.
Конструктивные типы генераторов
Одноколонные генераторы представляют собой вертикальные цилиндрические аппараты из нержавеющей стали AISI 316L, внутри которых размещен пучок теплообменных трубок. Промышленный пар подается в межтрубное пространство под давлением от 3 до 8 бар, а питательная вода поступает в трубное пространство. При контакте с нагретой поверхностью трубок вода закипает, образуя чистый пар.
Процесс парообразования может протекать по двум схемам: с падающей пленкой, когда питательная вода подается в верхнюю часть колонны и стекает по внутренней поверхности трубок в виде тонкой пленки, испаряясь при этом, или с восходящей пленкой, когда вода подается снизу и поднимается вверх под действием образующегося пара. Схема с падающей пленкой обеспечивает более эффективную теплопередачу и меньшее образование отложений на поверхности нагрева.
Многоколонные генераторы состоят из нескольких последовательно соединенных испарительных колонн, что позволяет реализовать принцип многократного испарения. Чистый пар, генерируемый в первой колонне, используется для нагрева питательной воды во второй колонне, и так далее. Данная схема значительно повышает энергоэффективность установки, снижая расход греющего промышленного пара на 40-60% по сравнению с одноколонной конструкцией.
Система сепарации пара
Критически важным элементом генератора чистого пара является система сепарации, обеспечивающая удаление капельной влаги из парового потока. Даже небольшие капли конденсата, увлекаемые паром, могут содержать повышенные концентрации примесей, оставшихся после выпаривания. Загрязняющие вещества остаются в концентрированной питательной воде внутри генератора и периодически удаляются путем продувки.
В современных генераторах применяются комбинированные методы сепарации: центробежный и гравитационный. Центробежный сепаратор представляет собой систему направляющих лопаток, закручивающих паровой поток. Под действием центробежной силы капли влаги отбрасываются к стенкам сепаратора и стекают вниз в виде пленки. Гравитационная сепарация происходит в расширенной верхней части колонны, где снижение скорости парового потока позволяет более крупным каплям осесть под действием силы тяжести.
Эффективность сепарации капельной влаги
Рассмотрим центробежный сепаратор диаметром 400 мм, работающий с паром при скорости 10 м/с:
Угловая скорость вращения потока: ω = V / r = 10 м/с / 0,2 м = 50 рад/с
Центробежное ускорение: ac = ω² × r = 50² × 0,2 = 500 м/с²
Для капли воды диаметром 10 мкм с плотностью 1000 кг/м³ в паровом потоке с плотностью 1,7 кг/м³ центробежная сила значительно превышает силу аэродинамического сопротивления, что обеспечивает эффективную сепарацию капель размером более 5 мкм. Капли меньшего размера удаляются в гравитационной секции.
Система подготовки питательной воды
Качество питательной воды имеет определяющее значение для получения чистого пара требуемых параметров. Питательная вода должна соответствовать как минимум требованиям к воде очищенной согласно ФС.2.2.0020.15, однако для получения конденсата чистого пара класса WFI рекомендуется использовать в качестве питательной непосредственно воду для инъекций.
Особое внимание уделяется дегазации питательной воды для удаления растворенных газов, прежде всего кислорода и углекислого газа. Дегазация может проводиться термическим методом путем нагрева воды до температуры близкой к кипению в деаэраторе, либо с использованием мембранного контактора, где вода пропускается через гидрофобную мембрану с противотоком инертного газа или вакуумом.
Эффективная дегазация критически важна для соответствия требованиям EN 285 по содержанию неконденсируемых газов в паре. Вода, насыщенная воздухом при атмосферном давлении и температуре 25°C, содержит около 20 миллилитров растворенного воздуха на литр. При нагреве и испарении этот воздух выделяется в паровое пространство, потенциально превышая допустимый предел 3,5%.
Система автоматического управления
Современные генераторы чистого пара оснащаются программируемыми логическими контроллерами (ПЛК), обеспечивающими автоматическое поддержание заданных параметров. Система управления регулирует подачу греющего пара через автоматический клапан для поддержания требуемого давления чистого пара в диапазоне от 2 до 4 бар. Уровень воды в испарительной колонне контролируется кондуктивными датчиками с автоматической подпиткой питательной водой.
Критическим элементом системы является автоматическая продувка для удаления концентрированной воды с растворенными примесями. Периодичность продувки зависит от качества питательной воды и производительности генератора, типично составляет от 3 до 10% от расхода питательной воды. Контроль проводимости продувочной воды позволяет оптимизировать частоту продувки, минимизируя потери воды при обеспечении требуемого качества пара.
Контроль качества и методы тестирования
Системы генерации и распределения чистого пара подлежат комплексной квалификации в соответствии с требованиями GMP, включающей проектную квалификацию (DQ), квалификацию монтажа (IQ), квалификацию функционирования (OQ) и эксплуатационную квалификацию (PQ). Регулярный мониторинг качества чистого пара осуществляется в рамках программы текущего контроля.
Точки отбора проб и периодичность контроля
Для контроля качества чистого пара в системе распределения устанавливаются специальные точки отбора проб, оборудованные охладителями конденсата. Размещение точек отбора проводится по принципу наихудшего случая: обязательно контролируется точка, наиболее близкая к генератору, и наиболее удаленная точка на каждой ветке распределения. В критических точках, таких как подводы к стерилизаторам или точки использования для SIP, также устанавливаются дополнительные точки контроля.
Периодичность контроля устанавливается на основе анализа рисков и исторических данных. На этапе эксплуатационной квалификации отбор проб может проводиться ежедневно в течение минимум двух недель для накопления статистических данных. После успешного завершения PQ система переводится в режим рутинного мониторинга с частотой, определяемой производителем на основе трендов, но не реже одного раза в неделю для микробиологических показателей и ежедневно для физико-химических параметров в критических точках.
Методика отбора проб конденсата
Отбор проб конденсата чистого пара требует строгого соблюдения асептических условий для предотвращения внесения контаминации извне. Охладитель проб обеспечивает снижение температуры конденсата до 20-25°C для возможности безопасного отбора. Перед отбором пробы система продувается в течение минимум 5 минут для удаления застойной жидкости из охладителя и подводящих линий.
Для микробиологического анализа используются стерильные емкости объемом не менее 500 миллилитров, предварительно автоклавированные. Отбор проводится непосредственно в емкость без промежуточного контакта с нестерильными поверхностями. Время между отбором пробы и началом анализа не должно превышать 4 часов при хранении пробы при температуре от 2 до 8°C. Для анализа на эндотоксины допускается замораживание проб при температуре минус 20°C с последующим анализом в течение 30 дней.
Стандартная процедура отбора проб конденсата для полного анализа
Подготовка: Подготовить стерильные емкости (1 литр для микробиологии, 500 мл для химического анализа, 100 мл для эндотоксинов). Надеть стерильные перчатки. Обработать точку отбора 70% спиртом.
Продувка системы: Открыть кран отбора пробы и слить не менее 2 литров конденсата для удаления застойной жидкости. Контролировать температуру конденсата - должна быть не выше 25°C.
Отбор: Не касаясь горловины емкости, наполнить контейнеры в следующей последовательности: сначала для эндотоксинов, затем для химического анализа, последней - для микробиологии. Плотно закрыть крышки.
Маркировка: Немедленно промаркировать пробы с указанием точки отбора, даты, времени и фамилии оператора. Зарегистрировать в журнале отбора проб.
Транспортировка: Поместить пробы в холодильник при 2-8°C и доставить в лабораторию в течение 2 часов.
Контроль физических параметров на месте
Физические параметры чистого пара (сухость, перегретость, неконденсируемые газы) контролируются непосредственно в точках использования с применением портативных анализаторов качества пара. Наиболее распространен прибор SQ1 производства компании Bowie Dick UK, специально разработанный для соответствия требованиям EN 285.
Прибор подключается к специальным контрольным участкам системы распределения через быстроразъемное соединение. Анализ занимает около 10 минут и включает несколько этапов: прогрев датчиков, сбор конденсата, измерение температуры пара и конденсата, расчет параметров. Результаты отображаются на дисплее прибора и сохраняются в памяти для формирования протоколов.
Периодичность контроля физических параметров устанавливается в зависимости от критичности применения. Для пара, используемого в автоклавах, контроль проводится не реже одного раза в месяц. Для SIP критичного оборудования контроль может выполняться перед каждым циклом стерилизации в рамках верификации процесса.
Установка предупреждающих и критических пределов
Система контроля качества чистого пара основывается на установлении двухуровневой системы пределов: предупреждающих (Alert Limit) и критических (Action Limit). Предупреждающий предел устанавливается на уровне, при котором отклонение параметра еще находится в допустимом диапазоне, но требует повышенного внимания и расследования. Критический предел соответствует нормативному требованию, превышение которого недопустимо и требует немедленных корректирующих действий.
Примеры установки пределов для ключевых параметров
Микробиологическая чистота:
Предупреждающий предел: 5 КОЕ в 100 мл
Критический предел: 10 КОЕ в 100 мл (нормативное требование)
Эндотоксины:
Предупреждающий предел: 0,15 ЕЭ/мл
Критический предел: 0,25 ЕЭ/мл (нормативное требование)
TOC:
Предупреждающий предел: 0,3 мг/л
Критический предел: 0,5 мг/л (нормативное требование)
Сухость пара (металлические загрузки):
Предупреждающий предел: 0,96
Критический предел: 0,95 (требование EN 285)
При превышении предупреждающего предела проводится расследование с целью выявления причин отклонения и принятия профилактических мер. Превышение критического предела требует немедленного прекращения использования чистого пара до устранения проблемы и проведения повторной квалификации системы.
Применение чистого пара для стерилизации оборудования и процессов SIP
Стерилизация на месте (SIP - Sterilization-In-Place) представляет собой метод обработки технологического оборудования, трубопроводов и емкостей без их разборки с использованием чистого пара в качестве стерилизующего агента. SIP является критически важным процессом в производстве стерильных лекарственных средств, обеспечивая уничтожение микроорганизмов на всех поверхностях, контактирующих с продуктом.
Принципы процесса SIP
Эффективность паровой стерилизации основывается на способности насыщенного водяного пара передавать значительное количество тепловой энергии при конденсации на холодной поверхности. При температуре 121°C скрытая теплота парообразования составляет 2201 кДж/кг, что обеспечивает быстрый нагрев стерилизуемых объектов до температуры стерилизации.
Процесс SIP типично включает несколько стадий: предварительный нагрев оборудования для удаления конденсата, удаление воздуха путем многократного чередования вакуума и подачи пара, собственно стерилизацию при поддержании требуемой температуры в течение заданного времени, и завершающее охлаждение с подачей стерильного воздуха или азота для предотвращения создания вакуума.
Расчет времени достижения температуры стерилизации
Рассмотрим стерилизацию реактора объемом 1000 литров из нержавеющей стали с толщиной стенки 6 мм:
Масса стенок реактора (приблизительно): m = ρ × V = 7900 кг/м³ × 0,05 м³ ≈ 395 кг
Теплоемкость нержавеющей стали: c = 500 Дж/(кг·К)
Нагрев от 20°C до 121°C: ΔT = 101 K
Необходимая теплота: Q = m × c × ΔT = 395 кг × 500 Дж/(кг·К) × 101 K ≈ 20 МДж
При подаче пара производительностью 100 кг/ч (расход для данного типа оборудования):
Теплота конденсации: Qпар = 100 кг/ч × 2201 кДж/кг = 220100 кДж/ч = 61,1 кВт
Время нагрева (теоретическое): t = Q / Qпар = 20 МДж / 61,1 кВт ≈ 327 секунд ≈ 5,5 минут
С учетом теплопотерь и неравномерности нагрева практическое время прогрева составит 10-15 минут.
Удаление воздуха из системы
Критическим этапом процесса SIP является полное удаление воздуха из стерилизуемого объема. Как было показано в разделе о физических параметрах пара, присутствие воздуха снижает парциальное давление пара, приводя к понижению температуры конденсации, и образует теплоизолирующий слой, препятствующий контакту пара с поверхностью.
Для удаления воздуха применяются различные методы в зависимости от конструкции оборудования. Наиболее эффективным является метод пульсирующего вакуума, когда система многократно (3-5 циклов) подвергается вакуумированию до давления 200-300 мбар с последующей подачей чистого пара. Каждый цикл удаляет значительную часть остаточного воздуха, обеспечивая высокую степень деаэрации.
Для систем, не предусматривающих применение вакуума, используется метод вытеснения воздуха паром. Чистый пар подается в верхнюю часть системы, а воздух удаляется через нижние дренажные клапаны. Процесс продолжается до достижения температуры выходящего из дренажа пара не менее 98% от температуры подаваемого пара, что свидетельствует о практически полном удалении воздуха.
Валидация процесса SIP
Валидация процесса стерилизации на месте проводится с целью документального подтверждения, что процесс постоянно обеспечивает достижение заданного уровня обеспечения стерильности (SAL - Sterility Assurance Level) в соответствии с требованиями стандартов ISO 11138 и ISO 11134. Для стерильных лекарственных средств требуемый SAL составляет 10⁻⁶, что означает вероятность выживания одного микроорганизма менее одного на миллион.
Валидация включает три последовательных успешных прогона с использованием биологических индикаторов - носителей со стандартизированной популяцией высокорезистентных спор Geobacillus stearothermophilus (ранее Bacillus stearothermophilus). Споры данного микроорганизма обладают D-значением (временем десятичной редукции) около 1,5-2,0 минут при 121°C и являются стандартом для паровой стерилизации.
Расчет времени стерилизации для достижения SAL 10⁻⁶
Для биологического индикатора с начальной популяцией N₀ = 10⁶ спор и D-значением 1,5 минуты при 121°C:
Требуемое снижение: log(N₀/N) = log(10⁶/10⁻⁶) = 12 логарифмических циклов
Необходимое время стерилизации: t = D × log(N₀/N) = 1,5 мин × 12 = 18 минут
С учетом запаса безопасности на этапе валидации применяется время 20-30 минут при 121°C, что обеспечивает дополнительный запас стерильности (overkill approach). Для рутинных циклов после успешной валидации может применяться время 15-20 минут.
Картирование температуры
Неотъемлемой частью валидации SIP является картирование температуры - процесс документирования температурных профилей во всех критических точках стерилизуемого объема. Термопары или термисторы устанавливаются в точках наихудшего случая: наиболее удаленных от входа пара, в застойных зонах, в местах с малым сечением трубопроводов, в нижних точках вертикальных участков.
Критерием приемлемости является достижение во всех контрольных точках температуры не ниже заданной температуры стерилизации (например, 121°C) в течение всего времени стерилизационной выдержки. Допускается кратковременное (не более 1 минуты) снижение температуры на 2-3 градуса при условии компенсации этого отклонения увеличением общего времени выдержки в соответствии с кинетикой инактивации.
Применение в различных типах оборудования
Ферментационные резервуары и биореакторы: SIP биореакторов является регулярной операцией перед каждой новой ферментацией. Критическим является обеспечение стерильности мешалок, перегородок, пробоотборных устройств и всех портов для подключения датчиков. Типичный цикл включает 60-минутную стерилизацию при 121°C с последующим охлаждением до рабочей температуры.
Системы трубопроводов: Трубопроводные системы для передачи стерильных жидкостей подвергаются периодической SIP, частота которой определяется на основе микробиологического мониторинга. Особое внимание уделяется удалению конденсата из нижних точек системы для предотвращения образования застойных зон с недостаточной температурой.
Фильтр-прессы и системы фильтрации: Стерилизация фильтров и корпусов требует тщательного контроля дифференциального давления для предотвращения повреждения мембран. Температура стерилизации ограничивается максимально допустимой для материала фильтра, типично 130-135°C для PTFE и 120-125°C для полиэфирсульфона.
Часто задаваемые вопросы
Основные отличия чистого пара от промышленного заключаются в следующем: чистый пар генерируется из высокоочищенной воды (очищенной воды или воды для инъекций) без каких-либо химических добавок, тогда как промышленный пар производится из обработанной воды с ингибиторами коррозии и другими реагентами. Конденсат чистого пара должен соответствовать всем требованиям к воде для инъекций, включая содержание эндотоксинов менее 0,25 ЕЭ/мл и микробиологическую чистоту не более 10 КОЕ в 100 мл.
Системы чистого пара изготавливаются исключительно из нержавеющей стали AISI 316L с электрополированной поверхностью, в то время как промышленный пар использует углеродистую сталь. Чистый пар предназначен для прямого контакта с лекарственными препаратами и стерильным оборудованием, промышленный пар применяется только для косвенного нагрева через теплообменники.
Стандарт EN 285 устанавливает требования к трем критическим физическим параметрам чистого пара: сухость пара должна составлять не менее 0,95 для металлических загрузок и не менее 0,90 для пористых материалов, что означает максимально допустимое содержание капельной влаги 5% и 10% соответственно.
Содержание неконденсируемых газов не должно превышать 3,5% от объема пара. Перегретость при температуре стерилизации 121°C не должна превышать 5 градусов Цельсия. Эти параметры контролируются специальными приборами, такими как анализатор качества пара SQ1, в критических точках системы распределения.
SIP (Sterilization-In-Place) - это метод стерилизации оборудования, трубопроводов и емкостей без их разборки с использованием чистого пара. Процесс включает подачу насыщенного чистого пара при температуре 121-134°C, который конденсируется на внутренних поверхностях оборудования, передавая тепловую энергию и уничтожая микроорганизмы.
SIP применяется для стерилизации ферментационных резервуаров, биореакторов, систем трубопроводов для стерильных жидкостей, фильтр-прессов и другого крупногабаритного оборудования в производстве стерильных лекарственных средств. Преимуществом SIP является возможность проведения стерилизации без демонтажа оборудования, что экономит время и снижает риск загрязнения при повторной сборке.
Содержание бактериальных эндотоксинов в конденсате чистого пара не должно превышать 0,25 единиц эндотоксина на миллилитр (ЕЭ/мл) согласно требованиям Фармакопеи РФ, USP и EP. Эндотоксины представляют собой липополисахариды клеточной стенки грамотрицательных бактерий, которые не разрушаются при температурах стерилизации и могут вызывать пирогенные реакции при попадании в кровоток.
Определение эндотоксинов проводится методом LAL-теста с использованием лизата амебоцитов мечехвоста. Контроль эндотоксинов является обязательным даже при отсутствии жизнеспособных микроорганизмов, поскольку некультивируемые бактерии и их метаболиты могут содержать эндотоксины. Для обеспечения запаса безопасности предупреждающий предел обычно устанавливается на уровне 0,15 ЕЭ/мл.
Чистый пар применяется в температурном диапазоне от 121 до 134 градусов Цельсия. Выбор температурного режима зависит от типа стерилизуемых материалов и требуемого времени обработки. Стандартный режим 121°C при давлении 1,05 бар (изб.) с выдержкой 15-20 минут применяется для большинства типов оборудования и обеспечивает достижение уровня обеспечения стерильности SAL 10⁻⁶.
Для термочувствительных материалов, таких как резина и латекс, используется режим 121°C с увеличенным временем выдержки до 30-45 минут. Для быстрой стерилизации металлического оборудования и стекла применяется режим 132-134°C с временем выдержки 3-7 минут. Режим 134°C в течение 18-20 минут используется для особых случаев, таких как инактивация прионов, обеспечивая SAL 10⁻¹².
Все компоненты систем чистого пара, контактирующие с паром или его конденсатом, изготавливаются из нержавеющей стали марки AISI 316L (аналог 03Х17Н14М3), реже применяется титан. Выбор этих материалов обусловлен их высокой коррозионной стойкостью к высокоочищенной воде, которая является агрессивной средой для обычных конструкционных сталей из-за низкого содержания ионов.
Все внутренние поверхности трубопроводов, емкостей и арматуры подвергаются электрополировке для достижения шероховатости Ra менее 0,8 мкм, что предотвращает биообрастание и облегчает санитарную обработку. Сварные соединения выполняются методом орбитальной сварки в защитной среде аргона с последующей пассивацией для создания защитного оксидного слоя. Уплотнения изготавливаются из PTFE или EPDM, обладающих химической инертностью и термостойкостью до 150-200°C.
Периодичность контроля качества чистого пара определяется на основе анализа рисков и результатов валидации системы. На этапе эксплуатационной квалификации микробиологический контроль конденсата проводится ежедневно в течение минимум двух недель для накопления статистических данных. После успешного завершения квалификации система переводится в режим рутинного мониторинга.
В режиме рутинного мониторинга микробиологический анализ и определение эндотоксинов проводятся не реже одного раза в неделю. Физико-химические параметры (TOC, электропроводность, pH) контролируются ежедневно в критических точках использования. Физические параметры пара (сухость, перегретость, неконденсируемые газы) проверяются ежемесячно, а для пара, подаваемого в автоклавы, - еженедельно. При превышении предупреждающих пределов частота контроля увеличивается до возвращения системы в контролируемое состояние.
Некультивируемые микроорганизмы - это бактерии, которые находятся в жизнеспособном, но не способном к росту на питательных средах состоянии. Они могут переходить в это состояние под воздействием стрессовых факторов, таких как недостаток питательных веществ, изменение температуры или действие дезинфектантов. Стандартные методы микробиологического контроля путем посева на питательные среды не выявляют эти формы, поскольку они не образуют видимых колоний.
Важность учета некультивируемых микроорганизмов для чистого пара заключается в том, что они могут содержать эндотоксины в своих клеточных стенках. Даже если микробиологический анализ показывает отсутствие культивируемых бактерий, конденсат может содержать эндотоксины от некультивируемых или погибших клеток. Именно поэтому контроль бактериальных эндотоксинов методом LAL-теста является обязательным независимо от результатов культурального анализа, обеспечивая комплексную оценку безопасности чистого пара.
Наиболее распространенные проблемы в системах чистого пара включают: превышение содержания эндотоксинов из-за микробиологического обрастания в застойных зонах системы или недостаточной частоты санитизации; низкая сухость пара, вызванная неэффективной работой сепараторов или избыточной нагрузкой на генератор; высокое содержание неконденсируемых газов вследствие недостаточной дегазации питательной воды или подсоса воздуха через неплотности системы.
Также встречаются проблемы с повышенной электропроводностью конденсата из-за загрязнения питательной воды или коррозии неподходящих материалов; образование биопленки в системе распределения при недостаточной температуре поддержания (должна быть выше 80°C) или наличии застойных зон. Предотвращение этих проблем достигается правильным проектированием системы с исключением застойных зон, регулярной санитизацией, контролем качества питательной воды и соблюдением режимов эксплуатации.
Категорически нет, промышленный пар не может быть использован для стерилизации оборудования, которое контактирует с лекарственными препаратами, особенно предназначенными для парентерального введения. Промышленный пар содержит химические добавки: ингибиторы коррозии, регуляторы pH, деаэраторы и другие реагенты, которые используются для защиты котельного оборудования от накипи и коррозии. Эти вещества токсичны и недопустимы в фармацевтическом производстве.
Кроме того, промышленный пар может содержать продукты коррозии трубопроводов (оксиды железа, частицы накипи), масла от компрессорного оборудования и другие загрязнения. Конденсат промышленного пара не соответствует требованиям к воде для инъекций по содержанию эндотоксинов, микробиологической чистоте, электропроводности и органическим примесям. Согласно требованиям GMP и ГОСТ Р 52249-2004, для стерилизации оборудования и процессов, где возможен контакт пара с продуктом, должен использоваться только чистый пар, отвечающий всем фармакопейным требованиям.
