Расчет эффективности режимов термической стери­лизации питательных сред и других жидкостей.

С уче­том допущения, что количество загрязненных операций равно количеству прошедших через термический барьер микроорганизмов, и в соответствии с полученным в раз­деле 3 выражением для критерия стерилизации запи­шем:

Исходное количество жизнеспособных спор посторон­них микроорганизмов, содержащихся в данном объеме жидкости и подлежащих стерилизации за одну опера­цию, определяем из соотношения

где %о — концентрация жизнеспособных спор посторонних микроор­ганизмов в жидкости до стерилизации (т=0); V_p— объем жидко­сти, стерилизуемой за одну операцию.

При стерилизации щ, порций жидкости

Очевидно, что для изотермических условий стерилиза­ции

Таким образом, значение показателя асептической эффективности в процессах термической стерилизации жидкостей зависит от исходного содержания контами­нантов, их термической устойчивости, объема стерили­зуемой жидкости и продолжительности воздействия теп­лового поля. Если учесть полученные в разделе 3 соот­ношения для расчета критерия стерилизации, то основ­ное уравнение для расчета показателя асептической эф­фективности при осуществлении процессов термической стерилизации жидкостей можно записать в виде:

I

Как показывает практический опыт, во многих слу-

267

чаях удобней пользоваться другой формой уравнения (219):

Таким образом, с помощью уравнений (219), (221) и (222) можно рассчитывать значения критерия стерили­зации в зависимости от загрязненности стерилизуемой жидкости, ее объема, термостойкости спор микроорга­низмов-загрязнителей и требуемой эффективности про­цесса стерилизации.

Пример 1. Известно, что эффективная стерилизация пита­тельной среды в ферментаторе вместимостью 1,5 м³ (коэффициент заполнения 0,7) достигается при режиме: продолжительность на­гревания от 100 до 125° С 20| мин; выдержка при 125° С 10 мин; продолжительность охлаждения от 125 до 100° С 25 мин. Концен­трация жизнеспособных спор микроорганизмов-загрязнителей в пи­тательной среде 1-Ю⁶ клеток в 1 мл. Требуется обеспечить такую же эффективность стерилизации среды в ферментаторе вместимо­стью 15 м³ (коэффициент заполнения 0,7), для которого продол­жительность отдельных стадий составляет: нагревание от 100 до 130° С — 20 мин, охлаждение от 130 до 100° С — 30 мин. Концен­трация жизнеспособных спор микроорганизмов-загрязнителей в пи­тательной среде 1-Ю⁵ клеток в 1 мл.

Решение. 1) На основе данных, приведенных в табл. 10 к 11, определяем значение критерия стерилизации для режима в фер­ментаторе вместимостью 1,5 м³.

268

Таким образом, на стадиях нагревания и охлаждения обеспе­чивается величина критерия стерилизации, равная 120,7. Выдержки среды не требуется, но при указанных режимах в аппарате вме­стимостью 15 м³ не может быть обеспечен интегральный тепловой, эффект, характерный для аппарата вместимостью 1,5 м³.

П р и м е р 2. На практике необходимо обеспечить стандарт­ность условий стерилизации питательной среды в аппаратах вме­стимостью 0,5 и 10 м³. Обсемененность питательной среды постоянна и составляет 10⁷ клеток в 1 мл. Тепловые режимы аппаратов сле­дующие. Аппарат вместимостью 0,5 м³: продолжительность нагре­вания от 100 до 120° С 10 мин; продолжительность охлаждения от 120 до 100° С 15 мин. Для аппарата вместимостью 10 м³ время этих операций соответственно 20 и 30 мин. Для обоих аппаратов необходимо определить продолжительность выдержки при 120° С с целью обеспечения постоянного значения критерия стерилизации 80.

Решение. 1) Определяем значение критерия стерилизации, достигаемое в аппарате вместимостью 0,5 м³.

Суммарное значение V на стадиях нагревания и охлаждения 9,5. Необходимо обеспечить на стадии выдержки У7в =80—9,5 = 70,5.

2) Определяем продолжительность выдержки питательной среды:

3) Для аппарата вместимостью 10 м³:

Суммарное значение V на стадиях нагревания и охлаждения оавно 18,85. Необходимо обеспечить на стадии выдержки = 61,15.

4) Время выдержки питательной среды в аппарате вместимостью 10 м³:

Пример 3. Предварительно в эксперименте показано, что питательная среда, стерилизуемая в аппарате вместимостью 0,1^і м³ (коэффициент заполнения 0,7), хорошо сохраняет свои «ростовые» свойства при эффективной инактивации посторонней микрофлоры, исходная концентрация которой в среде 10⁵ клеток в 1 мл, Ре- 26»

жим стерилизации: нагревание от Г00 до 130° С 5 мин, выдержка при 130° С 3 мин, охлаждение от 130 до 100° С 10 мин.

Решение. 1) Определяем суммарное значение критерия сте­рилизации при стерилизации питательной среды в аппарате вмести­мостью 0,1 м³.

Таким образом, требуемый эффект стерилизации питательной среды в аппарате вместимостью 1,5 м³ при заданных условиях мо­жет быть достигнут при продолжительности выдержки около 69 мин.

Задачи типа приведенных примеров постоянно воз­никают не только на каждом микробиологическом про­изводстве, но и во всех лабораториях, занимающихся разработкой регламентов получения самых различных микробиологических препаратов. Важно лишь подчерк­нуть, что количественная оценка эффективности стери- ■270

лизации должна начинаться в лаборатории, а затем продолжаться в проектных институтах и на производст­ве. Выше для расчетов использовались соотношения, ба­зирующиеся на экспоненциальной зависимости между температурой и продолжительностью ее воздействия.

Вероятностный подход к исследованию процессов термической инактивации микробных популяций (см. раздел 3) позволяет несколько уточнить формулы для расчета показателя асептической эффективности с уче­том S-образного вида кривых отмирания. Для перемен­ной температуры стерилизации справедливо соотноше­ние

Очевидно, что при вероятностном подходе показатель асептической эффективности приобретает более строгий смысл, чем при трактовке его с позиций детерминисти­ческих методов.

Пример. В ферментаторе вместимостью 15 м³ стерили­зуются 10 м³ питательной среды, содержащей жизнеспособные споры Вас. stearothermophilus, штамм 1518 в концентрации 1-Ю⁷ клеток в Г мл. Режим стерилизации: нагревание от 100 до 120° С 20 мин; выдержка при 120° С 20 мин; охлаждение от 120 до 100° С 30 мин. Требуется определить значение показателя асептической эффектив­ности при одно-, двух-, трех-, четырехударном и т. д. порядке от­мирания популяции.

Решение: 1) Определяем суммарное значение критерия сте­рилизации, пользуясь данными табл. 10 и И.

271

Этот пример свидетельствует о чрезвычайной важно­сти экспериментального определения порядка отмирания (одно- или многоударный) тех встречающихся в завод­ской практике популяций микроорганизмов, от эффек­тивности термической обработки которых зависит успех реализации соответствующих технологических операций (стерилизация питательных сред, пеногасителей, жид­ких добавок и др.). Следует еще раз указать на недо­пустимость довольно распространенной на практике экстраполяции данных по режимам стерилизации, по­лучаемых в лабораториях при изучении процессов от­мирания популяций микроорганизмов в разбавленных, гомогенных суспензиях, на заключительный этап терми­ческой стерилизации, определяющий, по существу, эф­фективность режима стерилизации в целом.

вающие гарантированную инактивацию посторонней микрофлоры, но отработанные на малых объемах жид­костей (в ограниченном числе экспериментов и, следова­тельно, не характеризующие свойств биологической си­стемы в целом), переносят на значительные объемы микробных популяций, характерных для микробиологи­ческих производств. Особенности этих производств не­избежно приводят к двух-, трехкратному и более увели­чению продолжительности выдержки при температуре стерилизации по сравнению с той продолжительностью, которая была получена и оценивалась как вполне до­статочная в лабораторных условиях.

В тех случаях, когда увеличение продолжительности стерилизации при данной температуре и соблюдение требуемого значения показателя асептической эффек­тивности приводят к ухудшению ростовых свойств пи­тательной среды или снижению полноценности других жидкостей, вводимых в ферментаторы, необходимо уве­личивать температуру при одновременном сокращении времени выдержки в соответствии с рекомендациями, изложенными в разделе 3. В более общем случае сле­дует констатировать, что в лабораторных условиях не­достаточно объективно фиксируются значения инте­грального теплового эффекта, действительно обеспечи­вающего гарантированную инактивацию посторонней микрофлоры в жидкостях, характерных для микробио­логической технологии. Одной из причин такого положе­ния является недостаточное внимание со стороны иссле­дователей и практиков к расчетным методам количест­венной характеристики эффективности режимов стери­лизации. Вторая причина заключается в отсутствии не­обходимого объема информации о кинетических харак­теристиках процессов инактивации микроорганизмов и процессов разрушения компонентов стерилизуемых жид­костей под влиянием температурно-временного фактора.

Необходимо отметить, что вероятностный подход к изучению кинетики отмирания микроорганизмов в теп­ловом поле, к обоснованию и количественной оценке требуемой эффективности режимов термической стери­лизации предъявляет более строгие требования к мето­дике проведения соответствующих исследований. При этом на первый план выдвигается не только определе­ние констант термической устойчивости микроорганиз- 273

мов, но и изучение формального порядка отмирания- популяции в представительных выборках, объективно отражающих гетерогенность исследуемых микробных популяций по признаку терморезистентности. Последняя зависит не только от свойств данной культуры микроор­ганизмов, но и от особенностей технологии обработки тех или иных жидкостей. Например, для питательной среды важно наличие или отсутствие твердых включе­ний, защитных пленок, скоплений микроорганизмов и др. Для растворов сахаров исключительную роль играют pH среды и концентрация сахара.