Внутренняя задача

Постановка вопроса. Процессы, обеспечивающие до­стижение и поддержание асептических условий, отлича­ются как по своему внутреннему содержанию, так и по механизму, который в итоге исключает доступ контами­нантов во внутренние полости аппаратов и коммуника­ций.

Низкая чувствительность и ретроспективность су­ществующих методов контроля асептики, вероятностный характер процессов контаминации и очевидная необхо­димость получения чистых культур микроорганизмов указывают на целесообразность обеспечения требуемой эффективности процессов на всех этапах создания со­ответствующих технических систем, т. е. при обоснова­нии требований к ним, определении состава, теоретиче­ских расчетах, экспериментальной проверке отдельных элементов, узлов и аппаратов; при проектировании, мон­таже и комплексном опробовании этих систем.

Для обоснованного и эффективного создания таких систем необходимо знать качественные и количествен­ные характеристики всех без исключения потенциаль­ных источников посторонней микрофлоры, а также про­цессов, реализация которых в практике функционирова­ния лабораторных, экспериментальных и производствен­ных установок может послужить причиной проникнове­ния посторонней микрофлоры во внутренние полости оборудования и коммуникаций.

V. ,9* 259

контаминантов. При этом необходимо знать видовой со­став и концентрацию микроорганизмов, а также диапа­зон варьирования этих показателей по времени года, снижение концентрации по мере прохождения техниче­ских систем предварительной очистки материальных по­токов (например, станций химической очистки воды, фильтров предварительной очистки воздуха на входе его в воздушную компрессорную).

Разработчики технических систем и аппаратов в сво­их расчетах должны принимать максимально возмож­ные в данных условиях завода входные концентрации микроорганизмов, чтобы гарантировать в последующем действительно эффективное удаление посторонней мик­рофлоры из материальных потоков. При создании си­стем термической обработки этих потоков следует ори­ентироваться не только на максимальные концентрации контаминантов, но и на максимальную термическую устойчивость посторонней микрофлоры, подлежащей инактивации.

При решении задач по гарантированной обработке материальных потоков с целью достижения и поддержа­ния асептических условий необходимы методы количест­венной оценки эффективности работы каждого аппарата и каждой системы. В то же время анализ материалов, изложенных в предыдущих разделах, позволяет заклю­чить, что только для процессов термической стерилиза­ции определенных конструкций элементов, узлов и ап­паратов, а также некоторых жидкостей (растворы саха­ров) разработаны методы, приемлемые для количест­венной оценки эффективности конкретных режимов [47, 108].

Эти методы в силу своей ограниченности не могут быть использованы для количественной характеристики процессов герметизации (или дегерметизации) оборудо­вания и коммуникаций, а также стерилизации техноло­гического воздуха.

так и по постановке исследований, связанных с повыше­нием эффективности технических систем, и реализуемых в них режимов. Следовательно, без обоснования и вне­дрения в практику соответствующих расчетных методов невозможно грамотно и целенаправленно создавать тех­нические устройства, обеспечивающие гарантированное получение чистых культур микроорганизмов.

Из проведенного анализа следует, что в сложивших­ся условиях дальнейшее развитие и практическое реше­ние научно-прикладной проблемы гарантированного по­лучения чистых культур микроорганизмов (а значит, и чистых микробиологических препаратов) невозможно без разработки методов количественной (в том числе и сравнительной) оценки всех процессов, непосредственно связанных с инактивацией или задержкой посторонней микрофлоры. Очевидно в то же время, что разработка этих методов должна базироваться на, глубоком знании существа основных процессов получения микробиологи­ческих препаратов. Она должна учитывать и современ­ный уровень развития методов контроля стерильности оборудования, коммуникаций и различных материаль­ных потоков (пеногасители, воздух, питательные среды, растворы сахаров и др.).

Для проблемы гарантированного получения чистых культур микроорганизмов характерны некоторые особен­ности, вытекающие из сущности микробиологических производств и поведения популяций микроорганизмов. Одна из основных особенностей заключается в много­образии не только путей, по которым контаминанты мо­гут поступать в чистые культуры, стерильные аппараты и коммуникации, но и в разнообразии видового состава посторонней микрофлоры, качественных и количествен­ных характеристик популяций микроорганизмов в раз­личных материальных потоках, подлежащих обработке.

Как правило, независимо от источника и пути по­ступления контаминантов наблюдается один резуль­тат— развитие посторонней микрофлоры и загрязнение получаемых продуктов. Природа явления контаминации такова, что проскоки посторонней микрофлоры в аппа­раты и коммуникации по каждому из возможных путей являются независимыми событиями. Важно отметить, что в настоящее время сам факт проникновения посто­ронних микроорганизмов в процесс, а тем более момент 9-—1950 261

наступления этого события, не может быть зафиксиро­ван ни одним из существующих методов. Как отмеча­лось выше, еще не созданы экспериментальные и расчет­ные методы, которые позволяли бы предсказывать ожи­даемое время поступления контаминантов в аппараты по тому или иному материальному потоку для каждого конкретного производства.

В разделе 1 было показано, что контаминанты имеют неоспоримые преимущества перед подавляющим боль­шинством целевых микроорганизмов как по времени ге­нерации, так и способности конкурировать за питатель­ные вещества. Это замечание целиком относится и к микроорганизмам рода Bacillus, представляющим наи­большую опасность при осуществлении процессов терми­ческой стерилизации оборудования и жидкостей.

Как показывают результаты анализа состояния со­временных методов контроля за чистотой получаемых культур и стерильностью оборудования, жидкостей или воздуха, одна из главных их особенностей состоит в дли­тельности получения ответа, который, как правило, по­лучают уже после завершения контролируемой опера­ции. Так, в разделе 11 отмечено, что при имитации про­цесса культивирования на питательной среде ответ о ее чистоте получают не ранее чем через 2 сут после отбора пробы [136]. Исключительно низкой является чувстви­тельность практически всех применяемых для контроля методов, что не позволяет обнаруживать единичные микроорганизмы, хотя последние при определенных ус­ловиях представляют большую опасность для многих процессов современных микробиологических про­изводств.

В разделе 10 уже говорилось о сомнительности за­ключений о чистоте продуктов даже в тех случаях, когда в исследуемых пробах не была обнаружена посторонняя микрофлора.

асептики (проба может быть загрязнена при осуществ­лении этих операций). Таким образом, современные ме­тоды контроля не в полной мере отвечают требованиям микробиологических производств, не обеспечивают полу­чения достаточно объективной и своевременной инфор­мации о соблюдении или нарушении требований асеп­тики.

Постоянно возрастающие требования к стандартности и качеству препаратов микробиологических произ­водств диктуют необходимость создания таких аппара­тов и систем, которые бы обеспечивали гарантирован­ную защиту продуктов от посторонней микрофлоры. Очевидно, что для прогнозирования и целенаправленно­го управления процессом получения чистых культур не­обходима количественная характеристика этой гаран­тии.

Исключительная сложность, многообразие и разно­характерность процессов, осуществляемых при до­стижении и поддержании асептических условий в фер­ментаторах и других аппаратах, а также в коммуника­циях, невозможность прогнозирования момента конта­минации, взаимная независимость путей поступления посторонней микрофлоры приводят к заключению о том, что явление контаминации носит вероятностный харак­тер. Такой подход к решению проблемы получения чис­тых культур микроорганизмов позволяет утверждать, если вероятность контаминации при проведении какого- либо из указанных процессов составляет 0,005, то это означает, что в 995 случаях из 1000 следует ожидать чистых операций. Для практики микробиологических производств вероятностный подход к решению задачи получения чистых культур дает возможность количе­ственно охарактеризовать как отдельные процессы, так и их совокупность.

В зависимости от уровня решаемой задачи вероят­ность достижения необходимых условий может рассмат­риваться применительно к элементарной операции (сте­рилизация одной пробирки в автоклаве), совокупности элементарных операций (автоклавирование большого числа пробирок одновременно), к процессам, реализуе- 9* 203

мым в аппаратах периодического действия (стерилиза­ция питательной среды в ферментаторе) или непрерывно­го действия (установка стерилизации жидкости, отдель­ный фильтр для стерилизации воздуха) и др. Наконец, в наиболее сложном случае должна рассматриваться определенная техническая система (например, система транспортировки и получения стерильного воздуха) с позиций обеспечения требуемой вероятности достижения асептических условий в проходящем через систему мате­риальном потоке.

Если проанализировать все процессы и операции на современном микробиологическом предприятии, служа­щие для получения чистых культур, нетрудно заметить, что одновременно в различных лабораториях и цехах осуществляются все перечисленные выше процессы и операции как на элементарном, так и на системном уровне. При этом наиболее сложными являются дости­жение и поддержание гарантированных асептических условий в технических системах, характерных для про­мышленного производства, и в первую очередь в фер­ментаторах. Применительно к комплексу протекаю­щих в ферментаторе процессов, а также учитывая их независимость, вероятность получения чистых культур микроорганизмов можно рассматривать как произве­дение:

где Р,,— вероятность получения чистых культур микроорганизмов; Pi—Р_е ■— вероятность получения чистых операций: Pi — при герме­тизации оборудования и коммуникаций, Р₂ — при стерилизации обо­рудования и коммуникаций, Р₃ — при стерилизации воздуха, Р_А — при стерилизации питательной среды, Ре — при стерилизации пено­гасителя, P_s — при стерилизации жидких добавок (например, ра­створов предшественников, водных растворов сахаров и др.).

В более общем виде

1

_{где п} — число процессов (операций), при которых возможно за­грязнение ферментаторов посторонней микрофлорой; Pi — вероят­ность загрязнения г-операций посторонней микрофлорой не только при осуществлении процессов герметизации и стерилизации, но и при отборе проб, введении посевного материала и др.

Исходя из особенностей проблемы получения чистых культур и учитывая независимость обсуждаемых выше 264

процессов и невозможность прогнозирования момента проникновения контаминантов по каждому из реально существующих путей, при создании соответствующих технических систем, аппаратов и узлов необходимо осу­ществлять на практике принцип равной эффективности обработки всех материальных потоков — потенциальных носителей посторонней микрофлоры. В соответствии с этим принципом вероятность получения чистых культур микроорганизмов нужно рассматривать как произведе­ние равных вероятностей, или:

где

Таким образом, если при достижении и поддержании асептических условий в ферментаторах необходимы три процесса, а вероятность получения чистых операций в каждом из них равна 0,95, то вероятность получения чистых культур микроорганизмов составит 0,95³=0,86; при четырех процессах Р_м = 0,95⁴ = 0,81, при пяти Р_м~ =0,П. Итак, чем больше процессов и операций непо­средственно связано с обеспечением чистоты получаемых культур микроорганизмов, тем выше должна быть эф­фективность обработки каждого из материальных по­токов— носителей микрофлоры, направляемых в фер­ментатор.

У специалистов, работающих в области микробиоло­гической технологии, часто возникает практический вопрос: какой же степени стерильности следует доби­ваться при стерилизации оборудования, жидкостей. Возникают такие вопросы и относительно требуемой эффективности герметизации аппаратов и коммуника­ций, стерилизации воздуха. В то же время опубликован­ные расчетные методы еще не дают возможности одно­значно решать эти задачи, а накопленные и, к сожале­нию, несистематизированные экспериментальные данные не позволяют количественно характеризовать требуемую эффективность с учетом специфики каждого из процес­сов, а также особенностей и свойств получаемых про­дуктов. В то же время вероятностный характер процес­сов контаминации диктует необходимость сравнивать эффективность обработки каждого из материальных по­токов для выявления «слабых» мест и принятия решения об их устранении.

Именно для целей количественной характеристики и сравнительной оценки эффективности проведения раз­личных операций, обеспечивающих достижение и под­держание асептических условий, нами предложен и со­вместно с Г. Е. Скворцовым внедрен в практику работы ряда микробиологических производств показатель асеп­тической эффективности процессов и операций, обеспечи­вающий возможность комплексного подхода к решению задач асептики [41, 42];

где S_ac—показатель асептической эффективности; я₃ — число опе­раций, загрязненных посторонней микрофлорой; п — общее число проведенных операций (например, по стерилизации питательной среды), включенных в анализируемую выборку.

Этот показатель можно использовать при выводе уравнений для количественной (в том числе и сравни­тельной) оценки эффективности процессов, ’ непосредст­венно направленных на достижение асептических условий.

Соответствующие уравнения проще получить, если допустить, что наличие даже одного постороннего мик­роорганизма в обработанном потоке, материале, на внутренних поверхностях оборудования и коммуника­ций означает нарушение асептических условий и квали­фицируется как низкокачественная операция [41]. Оче­видно, что на практике количество контаминированных операций никогда не равно количеству микроорганизмов, попавших с тем или иным потоком. Это объясняется не­сколькими причинами, в том числе и тем, что, как пра­вило, при проскоке через ту или иную систему, появив­шемся вследствие нарушения режима обработки или при отказе какого-либо элемента (узла), за устройство, вы­полняющее функции барьера, проникает несколько мик­роорганизмов.

Однако для технологических процессов, требующих так называемой абсолютной стерильности (допускается загрязнение лишь одного ферментатора из тысячи за­груженных [123]), указанное выше допущение вполне обосновано. Оно обеспечивает более строгий подход к решению задачи и обеспечивает инактивацию посторон­ней микрофлоры или ее удаление из материального по­тока с требуемой гарантией. В микробиологии хорошо известны случаи, когда для начала роста популяции до­статочно попадания в среду одной клетки [134].

Рассмотрим последовательность получения уравне­ний для основных процессов, реализуемых при получе­нии чистых культур микроорганизмов.