热力学灭菌的动力学原理

    一、热力学灭菌的动力学原理

    热灭菌方式下，微生物的死亡是呈几何级数变化的，在半对数图纸上作图，可以得到一条相对比较准确的直线。

    (一) D值(对数下降值)

    D值是指在特定灭菌条件下，使微生物数量下降一个对数单位或减少90％所需的时间。它是分析灭菌工艺效果的重要生物学参数，并且其数值可通过残存曲线法或阴性分数法加以确定。

    1．残存曲线法测定D值

    该法至少要测试两个样品。分别在预定温度下(如121℃)暴热不同时间。试验所用仪器应能保持恒温并迅速升温，如生物指示剂耐热性测定仪或毛细管-油浴测定法。测定每个热处理样品及未经热处理的对照样品中微生物含量。可采用平皿计数法或经薄膜过滤并置于适当的培养基表面培养。培养终了时，计数每个样品中的残存微生物，将实验数据的平均值折合成 Log10值，并相对于暴热时间u(以分为单位)作图，即可得到残存曲线，如图12—1所示。

    在残存曲线上，以一个对数单位的间隔点分别作与 x 轴和 y 轴相平行的直线，就可估测出D值；或是用下式计算：

    D_121℃  = u / (Log₁₀N_o — Log₁₀N_S)                 (12—2)

    假设，在测D值时，暴热5分钟，Log₁₀N_o 为5，Log₁₀N_S 为2，则

    D_121℃ = 1．7分钟

    从图12—1中可看出，D 值为残存曲线斜率的负倒数(-1／k)。可通过对残存曲线的直线段进行简单的最小二次方线性回归分析而得出斜率，如：

    其中，y 指加热时间为u 时的残存菌落数的平均值，n指所得实验数据的组数。

    2．阴性分数法测定 D 值

    这是一种最可能数测定法，只要一次加热就可估测出 D 值。将一组样品(至少10个样本)置于预定温度下，加热至给定时间后，取出并分别作无菌检查。该方法检测灵敏度高于平板计数法。阴性分数法是基于这样一种假设，即微生物的残存数量从N₀ 变化到灭菌终点时始终与暴热时间呈一直线关系。在温度 T下，可使用下式计算 D 值：

    D_T  = u / [Log₁₀N_o — Log₁₀  (2.303Log₁₀ n/q)          (12—4)

    其中，n指样品总数；q指暴热处理后的无菌样品数。

    此外，还可用另一种阴性分数法来估算D值。实验时每组至少需要10个样品，将其置于预定温度下，放置不同的时间(通常时间间隔是等距的)，待处理完后，将样品取出，放入无菌液体培养基中，于适宜温度下培养。培养终了时，记录每组样品中没有微生物生长的样品数，并按表12一1进行排列。

    选择全部生长组(0／10)中暴热时间最长者到全部不生长组(10／10)中暴热时间最短者之间的的数据计算D值。从表中可知，本次试验中的两个时间分别是5分钟和15分钟。芽胞完全杀灭(残存芽胞数小于1)时间(T)可用下式计算：

    T = T_K — d／2 — ( d／10 × ∑f )                  (12—5)

    其中，T_K 指阴性分数范围的下限(全部不生长微生物所需最短时间)；d指暴热时间问隔。

    由表12一1数据计算，得到：

    T = 15 — 2／2 — (2／10 × 26) = 8．8分钟

    然后，按下式计算D值：

    D = T ／ ( Log₁₀N_o + 0．2507 )              (12—6)

    假设N_o = 10⁵，则

    D = 8．8 ／ (5 + 0．2507) = 1．7分钟

    (二) 温度系数—Z 值

    Z 值的定义：使 D 值变化一个对数单位或90％时，所需要的量度变化值，它是制药业灭菌工艺设计及过程监控中的一个常用参数。在湿热灭菌条件下，实验测得细菌芽胞的 Z 值在8~12℃之间，但计算灭菌率时，Z 通常取10℃；而在干热灭菌条件下，Z 通常取20℃。

    分别测定同一种微生物在不同温度下(其他实验条件相同)的 D 值，以 Log₁₀ 与对应温度作图，就可以得到一条直线。此直线斜率的负倒数即为温度系数一Z值，它反映了微生物的致死性随温度变化的特性。Z值也可用下式计算：

    Z = (T₂ — T₁) ／ Log₁₀  (D₂／D₁)                (12—7)

    其中，D₁ 指温度为T₁ 时的 D 值；D₂ 指温度为T₂ 时的 D 值。

    (三)灭菌率如果已知(实验条件下)某微生物的 Z 值，那么就可根据灭菌过程中所测得的温度数据，按下式计算灭菌率：

    L = 10 ( ^T_i  — ^T_R ) ／ Z                    (12—8)

    其中，T_i 指各个灭菌时段的温度；T_R 指标准参照温度。

    假设T_R  = 121℃，Z = 10℃，那么灭菌率随温度的变化可用表12—2表示。

 

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