高温压力蒸汽灭菌器——原理、分类与实验室安全使用的系统指南

在微生物学、细胞培养、制药和医疗器械等领域，几乎每天都要进行“无菌操作”。而要让培养基、玻璃器皿、缓冲液以及某些工具真正达到无菌，高温压力蒸汽灭菌器（通常俗称高压灭菌锅）是设备之一。它利用高温高压饱和蒸汽在短时间内杀灭包括细菌芽孢在内的大多数微生物，是现代实验室和生产场所中基础设施。

一、什么是高温压力蒸汽灭菌器？

高温压力蒸汽灭菌器是一种通过对密闭腔体内通入饱和蒸汽，使其达到一定温度和压力，并保持一定时间，从而对装载物进行灭菌的设备。常见的标准条件是121℃、103 kPa（约1 bar表压）、保持15–30分钟，配合适当的升温与冷却阶段，可使灭菌对象达到无菌保障水平（SAL，Sterility Assurance Level），如10⁻⁶。

与干热灭菌相比，湿热（蒸汽）穿透性更强、灭菌更高效；与化学灭菌相比，它无残留、对环境友好，且适用于大批量、重复性操作。

二、基本工作原理：为什么蒸汽更“致命”？

高压蒸汽灭菌的杀菌机制主要包括：

蛋白质变性和凝固：高温使微生物体内的蛋白质失去结构与功能；

核酸损伤：高温导致DNA/RNA降解和断裂；

细胞膜结构破坏：湿热条件下细胞膜更易受损。

由于饱和蒸汽在冷凝时会释放大量潜热，使被灭菌物温度迅速上升，同时冷凝水又能形成良好的热传递介质，因此湿热灭菌比干热灭菌在相同温度下效率更高。

三、主要结构组成

一台典型的高压蒸汽灭菌器由以下部分组成：

灭菌腔体：通常用不锈钢制成，耐压耐腐蚀，内部有搁板或灭菌篮架；

门与安全联锁装置：门必须能密封严实，且配有压力/温度安全联锁，防止在未泄压状态下打开；

蒸汽发生与供给系统：可以是通过电加热产生的蒸汽，也可以接入外部锅炉蒸汽；

控制系统：包括温度、压力传感器、控制器、触摸屏或机械计时/温度调节器；

排水/冷凝水系统：排出冷凝水与空气；

真空系统（预真空型设备）：通过抽真空去除腔内空气，提高蒸汽穿透性；

安全阀、泄压阀等机械安全装置，防止超压。

四、按循环方式分类：重力置换型vs预真空型

从循环类型上，主要可分为两大类：

1）重力置换型（Gravity displacement）

蒸汽从顶部或侧面进入腔体，由于蒸汽密度比空气小，蒸汽向下“推开”空气，通过底部的排水管排出空气和冷凝水；

结构简单、成本较低，适合对灭菌要求不是严格的场景；

对空心物品、多层织物的蒸汽穿透性略有限制。

2）预真空/高真空型（Prevacuum/High-vacuum）

在进蒸汽前先对腔体进行一到多次抽真空，尽量排尽腔内空气，使蒸汽更容易渗透到器械、包材内部；

灭菌效果更均匀，适合对复杂器械、多孔负载、大体积物品；

设备较复杂，价格和运维成本更高。

还有一类专门用于液体灭菌的循环（液体循环），通常升温较慢、冷却较平缓，防止爆瓶或过冲。

五、关键工艺参数与灭菌程序设计

典型灭菌程序包括以下几个阶段：

预热/预排气：加热腔体，必要时预抽真空，排除空气；

升温阶段：向腔体内通入蒸汽，直到达到设定温度（如121℃或134℃）；

维持/灭菌阶段：在设定温度下保持一定时间，确保杀灭目标微生物；

排气/冷却：按程序逐步泄压和降温，防止液体爆裂或玻璃破裂；

干燥（对于器械负载）：有时在灭菌后通过抽真空+热风，使器械表面干燥。

关键参数包括：

灭菌温度：如121℃、134℃；

保持时间：温度达标后的持续时间；

F₀值：以121℃为基准，考虑温度-时间积分的当量杀菌时间，常用于制药设备验证；

蒸汽质量：包括蒸汽干度、不凝气体含量等，需要符合相关标准。

六、实验室常见应用场景

1）培养基与试剂的灭菌

液体培养基：用液体程序灭菌，避免剧烈冷却导致爆瓶；

缓冲液、生理盐水等：通常121℃15–30 min；

含糖或热敏感成分的培养基：可采用过滤除菌，或采用更低温度、更长时间的灭菌策略。

2）玻璃器皿和金属器械

培养皿、试管、移液管、解剖器械等一般采用121℃程序；

器械包：多层包裹需考虑蒸汽穿透，预真空设备更有优势。

3）生物废弃物处理

对含有微生物的实验废弃物进行灭菌后再按普通垃圾处理；

根据废弃物类型选择合适的装载方式和灭菌时间。

七、操作安全与常见风险

高压蒸汽灭菌器若使用不当，可能带来严重的安全风险，包括：

烫伤：蒸汽、腔体、门等在运行中温度，必须待温度下降后方可开门；

爆炸/爆裂：密封不良或安全阀失效可能导致超压；液体未采用合适程序可能爆瓶；

电气安全：带水环境下的用电安全需重视；

蒸汽泄漏：接口、密封件老化可能导致蒸汽外泄。

基本的安全操作原则：

严禁在程序未结束前强制开门；

定期检查安全阀、密封圈、压力表、温度传感器；

液体灭菌时，使用液体程序，瓶口不要拧死，或采用带透气性盖子的专用容器；

避免过载装载，保证蒸汽流通良好；

操作人员必须经过培训，并熟悉设备应急操作。

八、日常维护与保养要点

定期清洁腔体内壁和排水过滤器，防止污垢堵塞；

检查密封圈有无变形、老化，必要时更换；

对蒸汽发生器、加热元件定期除垢（水垢会影响加热效率）；

定期校准温度、压力、时间等仪表，保证准确性；

记录每次灭菌程序的关键参数，便于追溯和质量审核。

九、选购与配置建议

选择高温压力蒸汽灭菌器时，可以考虑：

负载类型：主要是液体、器械还是废弃物？是否需要预真空功能？

腔体容积：根据日常处理量选择30 L、50 L、100 L等不同规格；

控制方式：是否需要多段程序、USB记录、电子签名等GMP功能；

安装条件：进水、排水、排汽、电源、场地承重等；

合规需求：是否需要符合ISO 17665、EN 285等国际标准或药典要求；

维护与服务：供应商是否提供安装验证、培训和长期维护服务。

高温压力蒸汽灭菌器虽然看似“基础”，却是实验室和生产场所安全与质量的第一道防线。通过理解其工作原理、掌握正确的程序设计与参数控制、严格执行安全操作与维护保养，并在必要时完成系统的IQ/OQ/PQ验证，才能真正保证每一次灭菌都可靠、可追溯。对任何需要无菌环境的工作而言，用好高压蒸汽灭菌器，是迈向规范与专业的重要一步。