浅谈VHP汽化过氧化氢灭菌第三代干法闪蒸技术

发布时间： 2021-03-11 00:19 来源：艾力特生物科技（上海）有限公司

引言

新版GMP对无菌药品的生产提高了要求，而灭菌一直以来都是无菌产品的关键环节。目前我国大部分生产企业对洁净区域空间进行消毒灭菌，主要采用甲醛熏蒸以及臭氧消毒的方式；对物体表面进行消毒灭菌，则主要采用消毒液擦拭或者浸泡的方式。

发达国家已禁止在食品和药品生产车间使用甲醛熏蒸进行空间消毒，因为其毒性很大，长期接触会引发呼吸功能障碍和肝中毒性病变，选择既安全有效又卫生环保的消毒剂和消毒设备是卫生消毒领域发展的方向。

目前汽化过氧化氢灭菌法已成为各国药典、药品生产质量管理规范(GMP)、消毒灭菌技术规范所推荐的方法，灭菌工艺已经非常成熟，重复性好，有专门的化学指示剂和生物指示剂验证过氧化氢汽体分布均匀情况和无菌保证水平。

▌汽化过氧化氢灭菌原理

过氧化氢因具有氧化还原作用而具有杀菌效果，汽化过氧化氢（VHP）灭菌技术，是利用过氧化氢在常温下气体状态比液体状态更具杀孢子能力的优点，通过复杂的化学反应解离具有强氧化性的羟基，用于攻击细胞的成分，包括破坏细胞膜、脂类、蛋白质和DNA，达到完全灭菌的要求的一种技术。

▲ 图1 VHP灭菌技术原理

▌干法VS湿法

VHP灭菌技术目前主要分为两大阵营，分别为干法VHP（Vaporized Hydrogen Peroxide）灭菌技术和湿法HPV（Hydrogen Peroxide Vapour）灭菌技术。

表1.干法VHP和湿法HPV的对比

	干法VHP	湿法HPV
定义	通过气化过氧化氢产生氧游离基，作用于物体表面与环境中的微生物，作用于微生物内外部组织，起到灭菌作用。	微冷凝是湿法的一种，通过一种亚微米级的微冷凝膜覆盖在物体表面，在凝结过程中使微生物失去活性。
原理	真正的干法闪蒸技术，过氧化氢完全气化，整个灭菌过程空气中和物体表面均看不见任何液滴，在空间做布朗运动，分布均匀。控制在气化过氧化氢冷凝点以下，灭菌浓度低于饱和浓度，并在整个灭菌工艺上控制不冷凝。	微冷凝技术，相对湿度在95%-120%之间才能达到最好灭菌效果，灭菌时可见小液滴凝结附着与物体表面，易结露和产生腐蚀风险，灭菌浓度是饱和状态的浓度。
工艺	灭菌前需要除湿以控制湿度在50%以下，灭菌过程监控湿度，全程湿度维持在100%以下，不结露。	无需除湿，不控制湿度，高湿灭菌，会因为天气等原因而变化。
单台灭菌体积	最大可达600m³	最大350m³
材料兼容性	安全，不易腐蚀。	易腐蚀，对于彩板、设备等材质要求较高，高浓度的H2O2冷凝液在接触表面会使橡胶材料变坏，腐蚀和损坏电子产品。

▌第三代干法闪蒸工艺

VHP灭菌技术主要利用高温闪蒸，将过氧化氢溶液滴加至加热到一定温度的光滑金属物体表面使其瞬间汽化，再喷射到环境中进行消毒灭菌。灭菌后产物为水分和氧气，环保无残留。随着时间发展和技术进步，干法闪蒸工艺也在不断发展完善，经历了不同的阶段，现在对市场上的工艺做以总结：

第一代干法闪蒸工艺：

突出代表是一些小型灭菌器，受限于软件程序，设备体积构造等原因，在灭菌的全过程，只能始终以唯一的注入速率向空间喷射过氧化氢，弊端：速率过大，引起腐蚀；速率过小，灭菌效果难以保证。

第二代干法闪蒸工艺：

突出代表是部分国产设备，相对于第一代工艺，在过氧化氢注入速率的问题上得到改善，不同的阶段以不同的速率喷射过氧化氢，如：快速注入阶段以较高速率喷射过氧化氢，迅速将环境中过氧化氢气体浓度拉升；慢速注入阶段以较低速率喷射过氧化氢，维持环境中过氧化氢气体浓度进行灭菌，完美解决了第一代工艺的弊端。但第二代工艺一般都是将闪蒸后的过氧化氢以灭菌设备为原点不断向空间进行喷射，其弊端也是显而易见的：空间气体分布不均匀，在灭菌设备近处，过氧化氢气体浓度极高，远端则浓度偏低；汽化不完全，工艺不稳定，有腐蚀的风险。

▲ 图2.实现变速注入后灭菌周期中环境VHP浓度及相对湿度变化

第三代干法闪蒸工艺：

在保留第二代工艺的优点基础之上，改变以灭菌设备为原点进行喷射为将灭菌空间的空气进行加热后，将闪蒸腔室内的过氧化氢气体带走，即改变第二代工艺的开环原点式喷射为闭环循环式喷射，这样可保证汽化完全，不易凝结，同时浓度分布更加均匀，材料兼容性更好，将腐蚀风险降低到最低。德国PEA的VHP干法闪蒸即是采用最新的第三代工艺，过程控制更加稳定，灭菌循环更安全，更高效。

▲ 图3.PEA VHP灭菌技术为完整的闭环循环

▌PEA VHP灭菌技术

德国PEA的VHP灭菌技术采用最新的第三代干法闪蒸工艺，在闪蒸的全过程，温度可以设置在150℃以上，由西门子PLC精确控制闪蒸速率及闪蒸腔室的温度。随着过氧化氢溶液的注入，整个灭菌周期的闪蒸温度维持动态变化，始终位于过氧化氢溶液的沸点以上，不仅可以实现过氧化氢溶液的快速、稳定汽化，更提高了对环境微生物的杀灭效率。

▲ 图4 PLC精确控制闪蒸温度保证汽化速率稳定

▲ 图5 PEA灭菌程序设置及对环境相对湿度和H2O2气体浓度的控制

如下图所示，为某细胞治疗企业GMP车间待灭菌区域布局图，该区域面积125㎡，体积约为325m³，根据车间体积大小及布局情况，设置灭菌程序进行灭菌。

▲ 图6 某细胞治疗企业GMP车间待灭菌B级区

闭环循环式的气体喷射方式使气体分布的均匀性得到了很大提高，缩小了设备远端和近端的气体浓度差值，灭菌工艺更加稳定，材料的兼容性也得到了改善。该车间的整个灭菌周期，环境中H2O2气体（肉眼不可见）浓度最高达到256ppm，该浓度既可以保证灭菌效果，使无菌保证水平低于10-6，同时对于彩钢板以及车间设备都是安全的，不会引起任何腐蚀，PEA的VHP灭菌技术更加安全。

▲ 图7 整个灭菌周期环境中H2O2气体浓度变化曲线

德国PEA自创立以来就一直专注于过氧化氢灭菌技术的优化，密切关注客户需求与技术创新，为实验室、制药工业、科研院所、医院、动物房、军队、公共场所等领域的用户提供全方位的灭菌技术和灭菌设备。以下为某抗体生产单位的PEA MLT17 zeta（专门用于制药行业空间灭菌）的PQ验证数据及生物指示剂（BI）和化学指示剂（CI）布点情况及最终的实验结果。

▲ 图8 某抗体生产单位连续PQ验证环境中VHP浓度及相对湿度控制

▲ 图9 GMP车间PQ验证现场BI及CI的布点情况

▲ 图10 灭菌结束所有的CI变色明显，BI培养结果呈阴性

VHP灭菌技术用于空间的消毒灭菌，绿色、环保、安全可靠，是目前用于可密闭空间( 如GMP车间、医院病房、实验动物中心、小型仓库等) 和各种人造设备( 如隔离器、冷冻干燥机、孵化箱、传递窗、生物安全柜、压力蒸汽灭菌器、过滤器和各类风管及管道等) 的一种可靠的消毒灭菌方法，具有广阔的发展前景，是取代甲醛和臭氧等传统空间消毒灭菌的理想方法，也是今后空间消毒灭菌的发展趋势。

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