Навигация по таблицам
- Таблица 1: Стандартные режимы SIP стерилизации
- Таблица 2: Параметры биоиндикаторов для валидации
- Таблица 3: Значения F0 при различных температурах
- Таблица 4: Допустимые размеры dead legs
- Таблица 5: Сравнение SIP и автоклавирования
Таблица 1: Стандартные режимы SIP стерилизации
| Температура | Давление | Время выдержки | Область применения | Нормативная база |
|---|---|---|---|---|
| 121±1°C | 1.0 бар избыточное (200 кПа абс.) | 15-30 мин | Стандартная стерилизация трубопроводов и ферментеров | ОФС.1.1.0016.18, ISO 17665 |
| 132±2°C | 2.0 бар (200 кПа) | 3-20 мин | Интенсивная стерилизация для быстрой смены партий | EN 285, ASME BPE |
| 134°C | 2.1 бар (210 кПа) | 3-5 мин | Высокотемпературная кратковременная (HTST) стерилизация | FDA CFR 21 Part 211 |
| 120±2°C | 1.0 бар избыточное (100 кПа изб.) | 45-60 мин | Стерилизация крупногабаритных реакторов и сосудов | Методические указания МЗ СССР |
| 140-160°C | 3.0-4.0 бар | 2-4 часа (overkill) | Сверхстерилизация для критических зон | ASME BPE Приложение J |
Таблица 2: Параметры биоиндикаторов для валидации
| Микроорганизм | Начальная концентрация спор | D-value при 121°C | Z-value | Применение |
|---|---|---|---|---|
| Geobacillus stearothermophilus ATCC 7953 | > 5×10⁵ на носитель | > 1.5 мин | 6-10°C | Основной биоиндикатор для паровой стерилизации |
| Bacillus stearothermophilus NCTC 10007 | > 5×10⁵ на носитель | 1.5-2.0 мин | 10°C | Валидация циклов SIP по международным стандартам |
| Bacillus subtilis var. niger ATCC 9372 | > 1×10⁵ на носитель | 1-3 мин при 160°C | 10-20°C | Контроль сухожаровой стерилизации |
| G. stearothermophilus NCIMB 8157 | 10⁶ спор | 2.0 мин | 10°C | Подход overkill для высоконагруженных систем |
Таблица 3: Значения F0 при различных температурах
| Температура (°C) | Время экспозиции (мин) | Эквивалентное значение F0 (мин) | Логарифмическая редукция | SAL (уровень гарантии стерильности) |
|---|---|---|---|---|
| 115 | 30 | 4.8 | 2-3 log | 10⁻²-10⁻³ |
| 121.1 | 15 | 15 | 7-10 log | 10⁻⁶ (фармацевтический стандарт) |
| 121.1 | 30 | 30 | 15-20 log | 10⁻¹² |
| 124 | 15 | 30 | 15-20 log | 10⁻¹² |
| 134 | 3 | 19 | 9-12 log | 10⁻⁶-10⁻⁹ |
| 140 | 2 | 32 | 16-21 log | 10⁻¹²-10⁻¹⁵ |
Таблица 4: Допустимые размеры dead legs
| Соотношение L/D | Длина отвода L (мм) | Диаметр D (мм) | Риск загрязнения | Стандарт |
|---|---|---|---|---|
| < 1.5 | < 30 | 20 | Минимальный | Оптимальная конструкция |
| < 2 | < 50 | 25 | Низкий | ASME BPE (текущие требования) |
| < 3 | < 75 | 25 | Средний | ASME BPE (старые требования) |
| > 3 | > 75 | 25 | Высокий | Неприемлемо |
| Любое | > 88 | 4 (малый диаметр) | Критический | Невозможна стерилизация при 121°C |
Таблица 5: Сравнение SIP и автоклавирования
| Параметр | SIP (Sterilization In Place) | Автоклавирование |
|---|---|---|
| Способ стерилизации | Без разборки оборудования, пар циркулирует через систему | Требуется извлечение и помещение в камеру автоклава |
| Применение | Крупногабаритное стационарное оборудование: реакторы, трубопроводы, ферментеры | Мелкие инструменты, тара, перевязочные материалы |
| Температурный диапазон | 121-160°C (гибкие режимы) | 121-134°C (фиксированные режимы) |
| Время цикла | 3-60 мин (зависит от размера системы) | 15-45 мин (стандартные циклы) |
| Риск реконтаминации | Минимальный (закрытая система) | Выше (при извлечении и транспортировке) |
| Автоматизация | Полная автоматизация через PLC/SCADA | Частичная автоматизация |
| Валидация | Температурное картирование по всей системе, размещение датчиков в критических точках | Контроль загрузки, стандартные циклы с биоиндикаторами |
| Стоимость внедрения | Высокая (проектирование системы) | Умеренная (закупка оборудования) |
| Нормативная база | ISO 17665, EN 285, ASME BPE, ОФС.1.1.0016.18 | ГОСТ Р 58163-2018, ISO 17665 |
Содержание статьи
- 1. Основы SIP стерилизации: принципы и механизм действия
- 2. Температурные режимы и параметры процесса стерилизации
- 3. Расчет F0 и валидация микробиологической летальности
- 4. Температурное картирование и системы мониторинга
- 5. Конденсатоотводчики и дренажные системы
- 6. Dead legs: критические зоны и методы минимизации
- 7. Ключевые отличия SIP от автоклавирования
- Часто задаваемые вопросы (FAQ)
1. Основы SIP стерилизации: принципы и механизм действия
Стерилизация на месте (SIP, Steam-In-Place или Sterilization In Place) представляет собой критически важный процесс в фармацевтическом и биотехнологическом производстве, обеспечивающий уничтожение микроорганизмов в стационарном оборудовании без его разборки. Метод основан на применении насыщенного чистого пара, получаемого из воды высокой очистки.
Принцип действия SIP базируется на тепловой инактивации микроорганизмов при температурах от 121 до 160°C. Насыщенный пар обладает высокой теплопроводностью и способностью проникать даже в труднодоступные участки системы. При конденсации пара выделяется скрытая теплота парообразования (около 2260 кДж/кг при 100°C), что обеспечивает быстрый прогрев поверхностей до стерилизующей температуры.
Фазы процесса SIP
Полный цикл SIP включает три основные стадии:
Стадия нагрева (Heat-Up) начинается с введения насыщенного пара в систему. На этом этапе происходит вытеснение воздуха и конденсата через специальные вентиляционные клапаны и конденсатоотводчики. Критическое значение имеет полное удаление воздуха, поскольку воздушные карманы действуют как теплоизоляторы и препятствуют достижению требуемой температуры. Стадия продолжается до момента, когда самая холодная точка системы (обычно расположенная в дренажной линии перед паровой ловушкой) достигает заданной температуры стерилизации.
Стадия выдержки (Hold или Exposure) представляет собой период поддержания стерилизующей температуры во всех точках системы. Продолжительность выдержки определяется на основе расчетов F0 и может составлять от 3 до 60 минут в зависимости от температуры, сложности системы и требуемого уровня гарантии стерильности. Во время этой фазы система находится под постоянным контролем температуры и давления.
Стадия охлаждения (Cool-Down) начинается после завершения заданного времени выдержки. Подача пара прекращается, и система охлаждается путем продувки стерильным воздухом или азотом. Скорость охлаждения должна контролироваться для предотвращения термического шока материалов и компонентов системы, особенно полимерных уплотнений и диафрагм клапанов.
2. Температурные режимы и параметры процесса стерилизации
Выбор температурного режима SIP определяется типом оборудования, термостабильностью материалов и требуемым уровнем стерильности. Международные и российские стандарты регламентируют несколько основных температурных режимов.
Стандартный режим 121°C
Температура 121±1°C при давлении 1.0 бар избыточного (200 кПа абсолютного давления) является базовым режимом для фармацевтического производства. Согласно ОФС.1.1.0016.18, этот режим обеспечивает надежную инактивацию вегетативных форм бактерий и спор при времени выдержки 15-30 минут. Режим применяется для стерилизации трубопроводов диаметром до 100 мм, небольших реакторов и вспомогательного оборудования.
Критическим фактором является качество пара. Чистый пар для SIP должен производиться из воды высокой очистки (Water for Injection, WFI) и иметь степень сухости не менее 97%. Наличие неконденсируемых газов снижает эффективность стерилизации, так как они создают изолирующий слой на поверхностях.
Интенсивный режим 132-134°C
Повышенный температурный режим 132±2°C при давлении 2.0 бар позволяет существенно сократить время цикла до 3-20 минут. Этот режим особенно востребован в условиях многосерийного производства, где минимизация времени простоя критична для экономической эффективности. Применение высоких температур требует тщательного подбора материалов уплотнений и диафрагм клапанов, способных выдерживать повторные термоциклы без деградации.
Режим 134°C в течение 3 минут примерно эквивалентен режиму 121°C в течение 15-20 минут по достигаемому уровню стерильности (F0 около 15-19 минут). Расчет основан на Z-значении 10°C для Geobacillus stearothermophilus.
Высокотемпературные режимы (HTST)
Режимы высокотемпературной кратковременной обработки (High Temperature Short Time) при 140-160°C применяются для достижения сверхвысокого уровня стерильности или в случае использования подхода overkill. Стандарт ASME BPE в приложении J предусматривает минимальную температуру 130°C с выдержкой один час или 140°C с выдержкой 2-4 часа для симуляции наихудших условий.
Однако применение HTST-режимов сопряжено с рисками. Быстрое охлаждение после высокотемпературной обработки может вызывать образование пузырей в PTFE-мембранах диафрагменных клапанов из-за проникновения паровой фазы в полимерную матрицу и последующей конденсации при охлаждении. Для минимизации этого эффекта рекомендуется контролируемое медленное охлаждение с использованием сухого сжатого воздуха.
Параметры контроля процесса
Непрерывный мониторинг критических параметров включает измерение температуры в наиболее холодных точках системы (обычно перед конденсатоотводчиками), контроль давления пара, расхода пара и состояния конденсатных линий. Современные системы используют программируемые логические контроллеры (PLC) для автоматического управления циклом и регистрации данных в соответствии с требованиями 21 CFR Part 11 к электронным записям.
3. Расчет F0 и валидация микробиологической летальности
Концепция F0 (F-zero) является фундаментальной для количественной оценки эффективности термической стерилизации. F0 представляет собой эквивалентное время в минутах при стандартной температуре 121.1°C, необходимое для достижения заданного уровня микробной инактивации.
Математическая основа расчета F0
Расчет F0 базируется на концепции летальности (lethality), описывающей скорость инактивации микроорганизмов при различных температурах. Основная формула для расчета интегрального значения F0:
где:
- Δt — временной интервал измерения (обычно 1 секунда или 6 секунд)
- T — фактическая температура в каждый момент времени, °C
- z — температурный коэффициент, характеризующий изменение D-value при изменении температуры на 10°C (стандартное значение z = 10°C для спор G. stearothermophilus)
- 121.1 — эталонная температура стерилизации, °C
D-value (десятичная редукция) определяет время, необходимое для снижения популяции микроорганизмов в 10 раз (на один логарифмический цикл) при заданной температуре. Для Geobacillus stearothermophilus D121°C обычно составляет 1.5-2.0 минуты.
Подходы к валидации стерилизации
Подход Overkill основан на достижении избыточной летальности без учета фактической биологической нагрузки. Используется биоиндикатор с начальной концентрацией 10⁶ спор и D121°C = 2.0 минуты. Для достижения уровня гарантии стерильности (SAL) 10⁻⁶ требуется:
Fbio = 2.0 × (log 10⁶ - log 10⁻⁶) = 2.0 × 12 = 24 минуты
Таким образом, минимальное требуемое значение F0 составляет 24 минуты.
Биологический подход учитывает реальную биологическую нагрузку продукта или оборудования. Если максимальная биологическая нагрузка составляет 170 КОЕ (colony forming units), то для достижения SAL 10⁻⁶:
Fbio = 0.5 × 8.23 = 4.1 минуты (при D121°C = 0.5 мин для биологической нагрузки)
Этот подход позволяет оптимизировать цикл, но требует валидированных данных о биологической нагрузке.
Практические аспекты применения F0
Минимальное рекомендуемое значение F0 для фармацевтических водных препаратов согласно международным стандартам составляет 8 минут, учитывая фазы нагрева, выдержки и охлаждения. Для систем SIP типичные целевые значения F0 находятся в диапазоне 12-30 минут для обеспечения адекватного запаса безопасности.
F0 = 20 × 10^((123-121.1)/10) = 20 × 10^0.19 = 20 × 1.55 ≈ 31 минута
Это обеспечивает адекватный запас относительно минимального требования.
Биоиндикаторы для валидации
Биологические индикаторы на основе спор Geobacillus stearothermophilus применяются для прямого подтверждения эффективности стерилизации. Они размещаются в наиболее холодных точках системы (dead legs, конечные участки трубопроводов, области перед конденсатоотводчиками) во время валидационных циклов. После SIP-цикла биоиндикаторы культивируются, и отсутствие роста микроорганизмов подтверждает достижение требуемой летальности.
4. Температурное картирование и системы мониторинга
Температурное картирование (thermal mapping) является ключевым элементом валидации SIP-систем, обеспечивающим документальное подтверждение равномерного достижения стерилизующих температур во всех участках оборудования.
Методология температурного картирования
Процесс картирования включает размещение откалиброванных температурных датчиков (термопар типа K или J, термосопротивлений RTD Pt100) в критических точках системы. Согласно рекомендациям стандартов ISO 17665 и EN 285, датчики должны располагаться на расстоянии 300-450 мм выше конденсатоотводчиков, в местах разветвлений трубопроводов, dead legs, верхних и нижних точках крупных сосудов.
Количество точек измерения определяется размером и сложностью системы. Для простых трубопроводных систем достаточно 3-5 точек на каждые 10 метров длины. Для ферментеров объемом более 1000 литров рекомендуется не менее 12-15 точек измерения, распределенных по объему сосуда и присоединенных трубопроводах.
Идентификация холодных точек
Холодные точки (cold spots) представляют собой области, где температура достигается последней или остается ниже заданного значения. Типичные местоположения холодных точек включают:
- Дренажные линии перед паровыми ловушками - область наибольшего скопления конденсата
- Dead legs с соотношением L/D более 2 - зоны с затрудненной циркуляцией пара
- Нижние части вертикальных сосудов - области накопления конденсата
- Удаленные участки разветвленных трубопроводных систем
- Зоны установки приборов без продувки паром
После идентификации холодных точек именно эти локации используются для рутинного мониторинга SIP-циклов и размещения биоиндикаторов при периодической ревалидации.
Системы регистрации данных
Современные системы валидации (Kaye Validator, Ellab E-Val, Vaisala viewLinc) обеспечивают беспроводной сбор данных с частотой до 1 Гц (одно измерение в секунду), что позволяет фиксировать даже кратковременные температурные отклонения. Данные автоматически интегрируются для расчета F0 в каждой точке измерения.
Периодичность картирования и ревалидации
Полное температурное картирование выполняется при квалификации эксплуатационных характеристик (OQ) новой системы. Ревалидация требуется после модификаций системы, изменений в конфигурации оборудования или по крайней мере ежегодно для поддержания валидационного статуса. Рутинный мониторинг каждого производственного SIP-цикла осуществляется с использованием фиксированных датчиков в предварительно идентифицированных холодных точках.
5. Конденсатоотводчики и дренажные системы
Эффективное удаление конденсата является критическим фактором успешной SIP-стерилизации. Накопление конденсата создает водяные пробки, препятствующие проникновению пара и формированию холодных зон с недостаточной температурой стерилизации.
Типы конденсатоотводчиков для SIP
Стандарт ASME BPE рекомендует использование термостатических конденсатоотводчиков с балансным сильфоном (balanced bellows thermostatic steam traps) для фармацевтических применений. Эти устройства работают на принципе температурной разности между насыщенным паром и конденсатом.
Ключевые характеристики санитарных паровых ловушек:
- Минимальное переохлаждение (subcooling) открытия - оптимально 1-2°C ниже температуры насыщенного пара
- Материал исполнения - нержавеющая сталь 316L с внутренней полировкой Ra < 0.8 мкм
- Санитарные соединения - Tri-Clamp или DIN для обеспечения дренируемости
- Угловая установка для полного опорожнения после цикла
- Шаровой затвор предпочтительнее конического для большей пропускной способности
Расчет производительности конденсатоотводчиков
Нагрузка на конденсатоотводчик варьируется на различных стадиях SIP-цикла. На фазе нагрева крупного ферментера образуется пиковый поток конденсата, в то время как на стадии выдержки нагрузка снижается до минимума.
Ферментер 40000 л при нагреве от 20°C до 121°C:
- Пиковая нагрузка при нагреве: около 1134 кг/ч конденсата
- Нагрузка при выдержке: около 12 кг/ч
Для ферментера 600 л:
- Пиковая нагрузка: около 45 кг/ч
- Нагрузка при выдержке: около 1 кг/ч
Критическим фактором является способность конденсатоотводчика удалять не только жидкую фазу, но и воздух в начале цикла. Для ферментера объемом 15000 литров в первые 5 минут необходимо удалить 15000 литров воздуха, что при перепаде давления 25 psi требует коэффициента пропускной способности Cv около 4.9.
Вертикальный дренажный отвод
Между входом конденсатоотводчика и точкой измерения температуры должен предусматриваться вертикальный участок длиной 300-450 мм (12-18 дюймов). Этот отвод (downсomer или drip leg) выполняет две функции: обеспечивает охлаждение конденсата перед паровой ловушкой и предотвращает подтопление температурного датчика конденсатом, что исказило бы показания температуры.
Современные разработки позволяют сократить требуемую длину вертикального отвода до 150 мм при использовании высокочувствительных сильфонов с минимальным переохлаждением открытия.
Байпасные системы для крупных сосудов
Для ферментеров объемом более 600 литров применяются системы с первичным байпасом диаметром 1 дюйм и более. На стадии нагрева весь поток воздуха и конденсата направляется через байпас непосредственно в дренаж. После достижения температуры около 95°C трехходовой клапан переключает поток через конденсатоотводчик меньшего размера, оптимизированный для низкой нагрузки на стадии выдержки. Это решение обеспечивает быстрое удаление воздуха без необходимости установки сверхразмерных паровых ловушек.
6. Dead legs: критические зоны и методы минимизации
Dead legs (мертвые зоны, непроточные участки) представляют собой ответвления трубопроводной системы, в которых отсутствует активная циркуляция процессной среды или стерилизующего агента. Эти зоны являются критическими с точки зрения микробиологического загрязнения и эффективности стерилизации.
Проблематика dead legs
В dead legs создаются благоприятные условия для формирования биопленок и колонизации микроорганизмов из-за застоя жидкости. При SIP-стерилизации проникновение пара в мертвые зоны затруднено из-за наличия воздушных карманов и ограниченной конвекции. Воздух обладает теплопроводностью примерно в 25 раз ниже, чем насыщенный пар, что создает эффективный термоизоляционный барьер.
Исследования, опубликованные в PDA Journal, показали, что небольшие dead legs диаметром 4 мм и длиной 88 мм не могут быть надежно стерилизованы при 121°C из-за преобладания диффузионного механизма вытеснения воздуха над конвективным. Для более крупных диаметров критическим фактором становится ориентация: вертикальные dead legs стерилизуются значительно эффективнее горизонтальных благодаря плавучести пара.
Нормативные требования
Эволюция стандарта ASME BPE отражает ужесточение требований к проектированию систем:
- До 2009 года: максимальное соотношение L/D < 3
- С 2009 года: рекомендуемое соотношение L/D < 2
- Современные передовые практики: стремление к L/D < 1.5 или полному устранению dead legs
где L - длина непроточного участка от внутреннего диаметра основного трубопровода до закрытого конца, D - внутренний диаметр dead leg.
Факторы, влияющие на критичность dead legs
Оценка рисков, связанных с dead legs, должна учитывать несколько факторов:
- Турбулентность в основной магистрали - высокие числа Рейнольдса (Re > 3000) улучшают обмен паром с мертвой зоной
- Дренируемость - наклонные dead legs с возможностью полного опорожнения менее критичны
- Периодичность CIP/SIP - частая стерилизация снижает вероятность формирования зрелых биопленок
- Длительность процесса - более продолжительные производственные циклы увеличивают риск колонизации
- Температурный режим SIP - повышенные температуры (134-140°C) могут компенсировать неоптимальную геометрию
Решения для минимизации dead legs
Проектирование современных фармацевтических систем включает следующие подходы:
Диафрагменные клапаны без мертвых зон обеспечивают L/D близкое к нулю благодаря специальной конструкции седла и диафрагмы. Стоимость таких клапанов в 4-5 раз выше стандартных, но они становятся стандартом для критических применений в стерильном производстве.
Укороченные инструментальные тройники (short instrumentation tees) позволяют достичь L/D < 2 при установке датчиков температуры и давления. Специализированные тройники для Tri-Clamp соединений обеспечивают минимальное выступание штуцера внутрь основного трубопровода.
Термокарманы вместо тройников для температурных датчиков устраняют dead leg полностью, так как термокарман размещается заподлицо с внутренней поверхностью трубы.
Встроенная приборная арматура (online instrumentation) с прямоточным дизайном исключает необходимость бокового отвода. Датчики давления с изолированной диафрагмой и проточные кондуктометры устанавливаются непосредственно в поток.
Клапанные блоки (valve manifolds) интегрируют несколько клапанов в единую конструкцию с оптимизированными внутренними каналами, исключая множественные dead legs, неизбежные при последовательной установке отдельных клапанов.
7. Ключевые отличия SIP от автоклавирования
Несмотря на общий принцип использования насыщенного пара для стерилизации, SIP и автоклавирование представляют собой фундаментально различные процессы с разными областями применения, ограничениями и требованиями к валидации.
Концептуальные различия
Автоклавирование предполагает размещение стерилизуемых объектов в герметичную камеру с последующей обработкой паром под давлением. Этот метод оптимален для дискретных изделий: хирургических инструментов, лабораторной посуды, перевязочных материалов, небольших компонентов оборудования. Процесс требует извлечения предметов из производственной среды, что сопряжено с риском реконтаминации при последующей транспортировке и установке.
SIP-стерилизация осуществляется in situ - пар циркулирует через стационарное оборудование без его разборки или перемещения. Метод является единственно возможным для крупногабаритных систем: ферментеров объемом десятки кубометров, протяженных трубопроводных сетей, реакторов с рубашками и перемешивающими устройствами. Закрытый характер процесса минимизирует риск контаминации после стерилизации.
Технологические особенности
Автоклавы работают с фиксированными, заранее валидированными циклами. Параметры (температура, давление, время) определяются типом загрузки и изменяются редко. Контроль стерилизации осуществляется через мониторинг камеры и, при необходимости, размещение биоиндикаторов в тестовой загрузке.
SIP-системы требуют индивидуальной разработки для каждой конфигурации оборудования. Критическим является проектирование паровых коллекторов, размещение точек ввода пара и дренажа, обеспечение адекватной циркуляции во всех участках системы. Валидация SIP значительно более трудоемка, требуя температурного картирования всей системы с идентификацией холодных точек и подтверждения достижения критических параметров во всех локациях.
Автоматизация и интеграция
Современные SIP-системы полностью интегрированы в автоматизированные производственные комплексы. Последовательность CIP-SIP выполняется без участия оператора под управлением PLC или DCS (распределенных систем управления). Система автоматически контролирует переход между фазами на основании показаний множественных датчиков, рассчитывает F0 в реальном времени и генерирует полную документацию цикла в формате, соответствующем требованиям регуляторных органов.
Автоклавы обычно функционируют как автономное оборудование с собственным контроллером. Интеграция в общую систему управления производством ограничена передачей информации о статусе цикла и критических тревогах.
Экономические аспекты
Капитальные затраты на внедрение SIP-систем значительно выше, так как требуют специализированного проектирования, санитарной арматуры премиум-класса, систем генерации чистого пара, валидации и квалификации. Однако эксплуатационные преимущества существенны: минимизация времени простоя между партиями, отсутствие ручного труда по разборке-сборке оборудования, снижение рисков загрязнения продукта и перекрестной контаминации.
Нормативное регулирование
Оба метода регулируются общими стандартами для стерилизации влажным теплом (ISO 17665, EN 285), но SIP подпадает под дополнительные требования стандарта ASME BPE, определяющего конструктивные особенности биопроцессного оборудования. Российские нормативы (ОФС.1.1.0016.18, ГОСТ Р 58163-2018) применимы к обоим методам, но детализация требований к SIP менее разработана по сравнению с международными стандартами.
