И снова о стерилизации влажным жаром. Подводные камни при квалификации стерилизаторов

Данный материал опубликован в журнале «Чистые помещения и технологические среды» (1/2019 (69) — январь-февраль 2019).

Скачать статью в pdf

Когда рассматриваются вопросы стерилизации влажным жаром, то в первую очередь в фокусе рассмотрения нужно держать собственно конечную цель того или иного процесса стерилизации – либо это пористая загрузка и в общем случае передача материалов (форматные части, одежда, фильтры и т.п.) в асептическое ядро, либо это т.н. «жидкая» загрузка или стерилизация продукции в конечной упаковке и в процессе стерилизации насыщенный чистый пар участвует опосредованно, через стенки контейнеров (ампул, флаконов), а сам стерилизующий эффект оказывает уже продукт (жидкий).

Собственно стерилизующий эффект влажным жаром осуществляется в процессе конденсации чистого насыщенного пара на поверхностях стерилизуемой загрузки. Очевидно, что в случае пористой загрузки есть непосредственный контакт с таковыми поверхностями, даже если элементы загрузки упакованы в специальные пакеты для стерилизации (Steriking, крафт-пакеты, рулоны для стерилизации и т.п.) – ведь они являются полупроницаемыми, т.е. пар при стерилизации поступает вовнутрь, после стерилизации свободно поступает воздух. Таким образом, элементы загрузки уравновешиваются с физическими параметрами внешних условий окружающей среды, а вот находящиеся в воздухе микроорганизмы не проникают вовнутрь таких пакетов. Это на случай, если элементы загрузки не могут быть по каким-то причинам переданы сразу же под условия зоны класса «А» и/или же требуется «сохранить» элементы стерильными какое-то время до момента их использования. Безотносительно использования таких пакетов стерилизационный эффект оказывается за счет конденсации пара на поверхностях элементов загрузки при непосредственном контакте. Поэтому критически важно, чтобы температуру формировал именно насыщенный чистый пар, потому как если не произошло замещение в камере парового стерилизатора воздуха паром, то это отчасти становится эквивалентно сухожаровой стерилизации, а там температуры и время воздействия сильно отличаются в сторону значительного их увеличения.

Это в принципе сходу отвечает на потенциальный вопрос, зачем нам кроме собственно физических измерений температуры и давления – а это прямое требование п. 90 Приложения 1 GMP [10][11][12] – необходимо выполнять испытания качества чистого пара. Основные параметры качества чистого пара – сухость, перегретость и неконденсируемые газы.

Давайте рассмотрим физический смысл каждого из этих параметров качества пара с акцентом на то, какое влияние на процесс стерилизации каждый из этих параметров может оказать в том случае, если он не будет соответствовать критериям приемлемости.

В соответствии со стандартом EN 285:2015 [8] сухость должна быть не менее 0,95 для металлической загрузки и не менее 0,9 для пористой. Взгляните на рис. 1, где приведена иллюстрация физического смысла значения параметра сухости. Как нетрудно определить, если пар будет слишком влажным, то влажной в итоге может оказаться и сама загрузка. Кроме того, влажный пар не содержит такого количества тепла и, следовательно, понадобится большее количество пара для достижения того же стерилизационного эффекта и более длительным будет нагрев.

Рис. 1. Физический смысл значения сухости пара согласно PDA TR No. 1 [13]

Из этой же иллюстрации удобно вывести и физический смысл параметра перегретости чистого пара. Согласно [8] перегретость не должна превышать 25 ℃. Из личного опыта автора практически никогда не возникало ситуации, когда бы таковой критерий не то чтобы достигался, а даже попросту было бы зафиксировано значение хотя бы в несколько градусов Цельсия. Возможно, дело обстоит именно так в связи с тем, что на практике редко встречаются основные две причины перегретости пара, описанные в [13]:

  • чрезмерное редуцирование давления чистого пара перед точкой потребления;
  • рубашка камеры стерилизатора имеет большую температуру, чем температура в камере.

Касательно первого параметра в литературе можно найти рекомендуемое соотношение редуцирования не более 2:1. Строго говоря, линии чистого пара чаще всего имеют пар при температуре порядка 140 ℃ (чтоб иметь возможность обеспечить режим стерилизации при 134 ℃), а это определяет его давление порядка 3,5-3,6 бар (абс). Для процесса стерилизации в полосе от 121 ℃ до 124 ℃ давление составит порядка 2,1-2,2 бар (абс). Таким образом, при выражении давления в абсолютных величинах редуцирование происходит менее чем в два раза. Можно, конечно, парировать тем, что преобразовав давление в относительные величины, двукратное редуцирование как раз будет превышено при тех же исходных данных, но факт остается фактом – при указанных параметрах перегретость вы не определите выше, чем несколько десятых градуса Цельсия. Ну и, строго говоря, пороговое значения редуцирования, скажем, в том же EN 285 формально не определено, а в технических отчетах PDA просто указано, что следует избегать чрезмерного редуцирования без указания конкретных численных соотношений.

Что же касается температуры в рубашке камеры стерилизатора, то современные стерилизаторы практически лишены такого недостатка. Автору доводилось сталкиваться с такими алгоритмами, где за счет рубашки шёл основной нагрев, скажем градусов до 100, а далее сам процесс стерилизации уже обеспечивался ультимативно за счет подачи чистого пара в камеру. Цифры названы примерные, точная логика программы контроллера стерилизатора может, разумеется, варьировать, но основная идея состоит в этом. Ведь если рубашку перегреть, «охладить» потом камеру резко не получится – можем не вписаться в полосу стерилизации.

Так или иначе, вернёмся к физическому смыслу параметра перегретости. Если пар будет перегрет, то согласно тому же графику на рис .1 не будет достаточного количества влаги для стерилизации. Подробно это также рассмотрено в п. 3.1 [14] – не будет немедленного образования конденсата при контакте пара со стерилизуемой более холодной поверхностью, следовательно, важнейший эффект гидратации при наличии перегретого пара будет отсутствовать.

По неконденсируемым газам, как в принципе уже ясно из описанного выше, аналогично воздух и/или иные газы, содержащиеся в объемном соотношении свыше 3,5 % будут добавлять «сухожаровости» в процесс стерилизации – опять же как следует даже из самого термина, никакой конденсации не будет.

Что касается самих предельных значений параметров качества чистого пара, то об их происхождении можно почитать на сайте компании KSA [15] – Кейт Шаттлворс (Keith Shuttleworth) является признанным специалистом предметной области с многолетним опытом. Автору довелось с ним вступить в дискуссию именно в части вопросов калибра «а почему именно 3,5 %?». Всё просто – по ссылке можно прочитать сентенции вида «на практике установлено, что такого содержания достаточно для достижения стерилизационного эффекта» и т.п.

С пористой загрузкой более-менее разобрались. Теперь зайдем с другого фланга – важны ли параметры качества чистого пара для стерилизации продукции (жидкой) в конечной упаковке? До недавнего времени автор бы уверенно ответил, что нет. После общения с зарубежными специалистами, в частности с Джоном Вельборном (John Welbourn, CVS) и Тимом Итоном (Tim Eaton, Astra Zeneca), я бы сказал так – валидатор должен быть крайне осторожен в части категоричности суждений. Да, очевидно, что в ситуации, когда стерилизующий эффект достигается за счет прогрева самой жидкости внутри герметично укупоренного/запаянного контейнера, качество параметров чистого пара, не контактирующего напрямую со стерилизуемым продуктом, намного менее важно. Тем не менее, давайте порассуждаем. Сухость/перегретость на самом деле видится как менее существенные параметры в таком случае – ведь даже если, скажем, по завершению цикла стерилизации наши контейнеры будут мокрыми – мы «всего лишь» должны будем провести этап окончательной сушки, скажем, под ламинарным укрытием – иначе передать продукцию на дальнейшие этапы будет затруднительно (просмотр, маркировка, упаковка). По неконденсируемым газам – «сухожаровость» тут не так опасна, что очевидно. Другой вопрос, что из практики известно, что большое содержание неконденсируемых газов может попросту увеличить время выравнивания (equilibration time) при выходе на время выдержки (holding time). Конечно, мы увидим эту ситуацию при испытании распределения температуры в загрузке (heat penetration), одной из причин которой может быть как раз чрезмерное присутствие неконденсируемых газов.

Но, как это часто происходит, валидатор не должен мыслить «узколобо» и «прямолинейно». Опять-таки, зависит от ситуации. Если у нас система получения и распределения чистого пара единая для всех стерилизаторов, то, конечно, в ситуации, когда регулярно проверяется качество пара для стерилизаторов с пористой загрузкой, маловероятно, что параметры качества будут диаметрально отличаться в других точках потребления той же системы. Ситуация становится иной, когда стерилизаторы имеют собственные встроенные парогенераторы. И ситуация становится вообще третьей, когда стерилизаторы продукции в конечной упаковке выполнены как водоорошаемые – там в принципе отсутствует чистый пар и вместо него циркулирует перегретая вода под давлением.

Выше были затронуты такие параметры цикла стерилизации, как время выравнивания, время выдержки. Автор вынужден в который раз посетовать на то, что ГОСТ 31598-2012 [6], мало того что адресуется к «дважды устаревшему» европейском стандарту EN 285:1996 (у него уже две более поздних редакции 2006-го и 2015-го), но при этом и не содержит очень полезных информативных приложений. В частности, в нём нет приложения С согласно [8] (или D согласно [7]). Вот ниже иллюстрация этого приложения:

Рис. 2. Допуски по температуре и времени в ходе термометрических испытаний [7][8]

A – cтарт периода плато; В – окончание периода плато; Ts – температура стерилизации; Тв – полоса стерилизации; t1 – период плато (plateau period); t2 – время выравнивания (equilibration time); t3 – 60 с; t4 – время выдержки (holding time); S1 – референсный датчик; S2 – датчик в тестовой упаковке; S3 – датчик над тестовой упаковкой; Т1 – максимальная разница между S1 и S2; Т2 – максимальная разница между S1 и S3 в первые 60 с периода плато; Т3 – максимальная разница между S1 и S3 в ходе периода плато после первых 60 с;

И о таком упущении в русскоязычной нормативной документации автор вынужден говорить с сожалением, поскольку часто сталкивается с ситуацией в наших широтах, когда понятие «полосы стерилизации» не вполне прозрачно для специалистов, занимающихся так или иначе стерилизацией. Да, это определение есть в ГОСТ Р ИСО 17665-1-2016 [4] – и это несомненный плюс, наряду с тем, что этот же стандарт вводит понятие величины эквивалентного времени летальности F0. Но такой простой и понятной схемы, как приведена на рис. 2, нет ни в одном из вышеуказанных ГОСТов. А это нас не приближает к пониманию сути. Дело в том, что в п. А.4.1.2 [5] ГОСТ Р 56893 (по сути, вторая часть ISO 17665-2 – понятия не имею, почему название отличается от первой части – этот частный вопрос был затронут в [16] – сейчас на это отвлекаться не будем) выдвинуты критерии приемлемости, которые оперируют именно данной терминологией. При этом такого наглядного графика в этих ГОСТах, повторюсь, нет. Соответственно легко возникает терминологическая и понятийная путаница. Справедливости ради укажу, что формальное определение в глоссарии ГОСТов, конечно, присутствует, но тем не менее, это как раз тот случай, когда даже оригинально информационное приложение не было бы лишним от слова «совсем».

                Так вот о пункте А.4.1.2 ГОСТ Р 56893 [5]– вот как сформулированы его критерии приемлемости:

a) полоса температур стерилизации должна иметь нижний предел, равный температуре стерилизации и верхний предел, равный температуре стерилизации плюс 3 ;

b) время выравнивания не должно превышать 15 с для стерилизационных камер с полезным объемом до 600 л и не превышать 30 с для камер большего размера;

с) во время периода плато температура, измеренная над контрольной упаковкой, не должна превышать температуру в контрольной точке измерений температуры в камере стерилизатор более, чем на 5 в течение первых 60 с и более чем на 2 в течение оставшегося времени;

d) во время выдержки температура, измеренная в контрольной точке измерения температуры в камере стерилизатора, любая температура, измеренная в тот же момент времени внутри контрольной упаковки, и соответствующая температуре насыщенного пара, рассчитанная по давлению в камере, должны находиться внутри полосы температур стерилизации и не должны отличаться друг от друга более, чем на 2 (см. пункт 6.1.2);

e) время выдержки должно быть не менее 15 мин, 10 мин и 3 мин для температур стерилизации

121 , 126 и 134 соответственно.

                Признаюсь честно, когда автору довелось после более чем 10-летнего стажа квалификации паровых стерилизаторов натолкнуться на этот пункт – был испытан легкий шок. И связан он был прежде всего с тем, что в части «121 ℃ и 15 минут» проблем не было – критерий, обусловленный различным фармакопеями (п.5.1.1) [3][2][1] (в Фармакопее ЕЭК планируется такое же изложение, насколько мне известно). В части полосы стерилизации «плюс 3» – тоже всё прозрачно. А вот в части всего остального… Первая шальная мысль была вида, мол, этого же никто не делает и никто не соблюдает! С этого момента началось более предметное изучение вопроса. Скажем так, мгновенную разницу температур задает ещё стандарт EN 285:2015 – п.8.2.1.2.3 [8] – в его предтече EN 285:2006 [7] этот критерий также присутствует, равно как и в ГОСТ 31598-2012 (напомню, соответствующему EN 285:1996) [6]. В предшественниках только пункты немного отличаются от редакции 2015-го года, но суть остается той же – эта моментальная разница не должна превышать 2 ℃. Но вот в части времени выравнивания или стартового овершута (превышения температуры) вопросы возникли. Если читать внимательно и сами подзаголовки разделов, где встречаются эти критерии во всех указанных стандартах, то легко заметить, что всё проходит под категорией «термометрические испытания», а также всюду фигурирует т.н. «тестовая упаковка». Вот эта самая «тестовая упаковка» детально описана как раз в EN 285 и его производных-предтечах в той или иной редакции и касаются эти критерии только этой самой «тестовой упаковки»! Забегая наперёд укажу, что критерий по сухости загрузки тоже выводится с её участием, а не вообще. На практике только в изложении вышупомянутых британских коллег я узнал о том, что кто-то в рутине в принципе проводит испытания с «тестовой упаковкой» наряду с квалификацией реальных загрузок в рамках PQ. При этом те же британские коллеги указали, что если не делать термометрические испытания с «тестовой упаковкой» (не забываем, по тексту стандарта есть указание в части small load и full load, т.е. малой загрузки и полной загрузки), то нет смысла даже начинать общение с регулятором калибра MHRA. Другое дело, что коллеги с континентальной Европы, напротив, указали на безупречный опыт общения, скажем, с FDA работая исключительно с реальными загрузками. И тут тоже есть своя правда. Ведь лучшие на мой взгляд документы в части разработки и валидации циклов стерилизации – это технические отчеты PDA [13][14] – там очень детально расписаны нюансы разработки цикла, указано детально, что датчики естественно нужно располагать на PQ внутри загрузки (heat penetration), хотя наряду с этим можно измерять и температуру между элементами загрузки (heat distribution). Это, как правило, представляет достаточно большую проблему «на местах», но, благо, есть позитивные примеры, когда разработчик валидационного оборудования представляет такие решения заранее – см. рис. 3

A) приспособление для герметичного расположения датчика в ампуле
B) приспособление для герметичного расположения в инфузионном пакете с обеспечением положения, чтобы датчик не касался стенок пакета

Рис. 3. Примеры расположения датчиков внутри элементов загрузки
(фото приведены с разрешения компании
Ellab)

                Расположение датчиков именно внутри элементов загрузки, не касаясь стенок контейнеров – это действительно важный аспект для корректной оценки успешности цикла стерилизации. Я не напрасно отдельно выделил решения в этой части именно компании Ellab, поскольку сам на практике провёл не один год мучительно решая вопросы, как мне завести термопары в ампулу 1 мл, при этом не нарушив критическим образом герметичность, поскольку количество раствора по окончанию стерилизации при нарушенной герметичности может не равняться исходному и, соответственно, результаты сложно интерпретировать (стерилизацию чего изучали в итоге).

Также могу отметить некоторую двойственность в отношении величины F0, которая хоть и присутствует в глоссарии ГОСТа 17665-1-2016, хоть и вводится её понятие в фармакопеях (п.5.1.5) [3][2][1], всё же остается некоторая недосказанность. Непонятно, если эта модель считается приемлемой, то зачем нам явные указания, мол, «121 ℃ и 15 минут» – это же «супероверкилл»! Согласно математической модели процесса стерилизации влажным жаром, детально изложенной в PDA TR No. 1 п. 4.1.1.1 [13], если задаться величиной D = 1 мин, а z = 10 ℃, то получим величину F0 = 12 минут, гарантирующую снижение количества жизнеспособных микроорганизмов на 12 порядков:

Там же по тексту указано, что в случае Европейской Фармакопеи [3] принят режим 121 ℃ и 15 минут. История вопроса очень проста, мол, 12 минут – «не вполне круглое число» – давайте «набросим запас». Вот с тех пор европейцы (и все, кто идут в их кильватере) «верят» в 15 минут, а американцы «верят» в F0, при этом резонно добавляя, что редко когда величина D121 для естественной бионагрузки превышает 0,5. При этом обращаю внимание на то, что согласно дереву решений в части стерилизации от EMA [9] – первый предпочтительный выбор – это именно программа 121 ℃ и 15 минут, а второй шаг – этом именно F0 = 8 мин (это означает, что фактически цикл будет длиться ещё меньше).

                Обращаю ваше внимание, что когда мы перешли к конкретным режимам и загрузкам, мы ни разу не вспомнили про «тестовую упаковку». Всё правильно, о ней ни разу не упоминается и по тексту технических отчетов PDA. Тут позволю себе сделать следующее суждение. Дело в том, что «тестовая упаковка» нам полезна в случае, если мы хотим сделать формальное заключение по самому оборудованию (соответствует ли стерилизатор EN 285 в принципе) и/или мы ещё не знаем реальных загрузок, или нам в принципе важно понимать, приемлем ли цикл для пористой загрузки в части предварительных импульсов вакуума и конченой стадии сушки. Но в том случае, если мы имеем совершенно конкретные конфигурации загрузки и первично подобранные режимы, то можем упустить этап «складывания простыней» хотя бы в виду того, что по меткому высказыванию Джона Вельборна (John Welbourn, CVS) “you will completely lose all your friends” – т.е. «вы полностью потеряете всех своих друзей» – испытание очень трудоемкое и никто не вызовется вам в нём содействовать на добровольных началах. Кроме того, испытания с реальной загрузкой потом это вовсе не отменяет. Вместе с тем, если есть подозрение на то, что цикл разработан недостаточно хорошо и/или вы хотите сформулировать претензию поставщику парового стерилизатор, мол, оборудование не обеспечивает требуемых режимов – тогда все термометрические испытания и испытания по сухости загрузки нужно выполнить в четком соответствии с требованиями EN 285, иначе ваши потенциальные претензии просто могут быть не приняты. Будет указано, что вы или перегрузили камеру или режим подобран неправильно. Опять-таки, с другой стороны, если мы стерилизуем продукцию в конечной упаковке – то при чем тут «простыни»? «Тестовая упаковка» – это наибольший «вызов» нашему паровому стерилизатору в части пористой загрузки, мол, туда труднее всего проникает пар, замещая воздух и если с «тестовой упаковкой» всё хорошо, то, скорее всего, и с загрузкой тоже всё будет хорошо. Но тут действительно возникает соблазн сразу перейти к реальной загрузке. А в случае, если это стерилизация в конечной упаковке жидких продуктов, то целесообразнее сразу начать разработку цикла с реальной загрузкой.

                Тем не менее, по совокупности вышеизложенного конечное решение, как это часто происходит на ниве GMP, за конечным пользователем. Тот же PDA TR No. 48 дает очень обширную главу по разработке цикла стерилизации держа в фокусе именно реальную загрузку (приводится в качестве примера недостаточное проникновение пара в фильтроэлемент – как пример пористой загрузки), а также дает подробные указания, в каком направлении двигаться при разработке циклов при получении таких характеристик. Так что объем и направление прилагаемых усилий за вами, автор просто в меру своих сил и возможностей пролил свет на этот вопрос в надежде на то, что эта информация будет полезной на практике.

Литература

[1] Державна Фармакопея України, видання 2, 2016
[2] Государственная Фармакопея Республики Беларусь, издание II, 2013, 2016
[3] European Pharmacopoeia (Ph. Eur.) 9th Edition
[4] ГОСТ Р ИСО 17665-1- 2016 «Стерилизация медицинской продукции. Влажное тепло. Часть 1. Требования к разработке валидации и текущему контролю процесса стерилизации медицинских изделий»
[5] ГОСТ Р 56893 «Стерилизация медицинской продукции. Влажное тепло. Часть 2. Руководство по применению ИСО 17665-1»
[6] ГОСТ 31598-2012 «Большие паровые стерилизаторы. Общие технические требования и методы испытаний»
[7] EN 285:2006+A2 Sterilization – Steam sterilizers – Large sterilizers
[8] EN 285:2015 Sterilization – Steam sterilizers – Large sterilizers
[9] CPMP/QWP/054/98 Decision trees for the selection of sterilization methods
[10] Приказ министерства промышленности и торговли Российской Федерации №916 от 14 июня 2013 года «Правила организации производства и контроля качества лекарственных средств»
[11] СТ-Н МОЗУ 42-4.0:2016 Лiкарськi засоби. Належна виробнича практика
[12] ТКП 030-2017 (02040) Надлежащая производственная практика
[13] PDA Technical Report No. 1 Validation of Moist Heat Sterilization Processes: Cycle Design, Development, Qualification and Ongoing Control, 2007
[14] PDA Technical Report No. 48 Moist Heat Sterilizer Systems: Design, Commissioning, Operation, Qualification and Maintenance, 2010
[15] http://www.ksapharma.com/ksa/wp-content/uploads/2014/12/The_derivation_of_physical_steam_quality_test_limits1.pdf
[16] Стерилизация влажным жаром. Основные противоречия в регламентирующей документации. А. Белинский, Чистые помещения и технологические среды, №2-2017, стр. 62-70.

2 thoughts on “И снова о стерилизации влажным жаром. Подводные камни при квалификации стерилизаторов”

  1. Со временем выравнивания вообще интересная штука – ну не уложились мы в пресловутые 15 или 30 секунд – дальше что? Подозреваем, что в сложносочинённую пористую загрузку сложнее проникает пар – нужно либо упрощать загрузку (что не всегда приемлемо, например, фильтр вы оставляете, а силиконовые шланги – выкидываете – такая выборочность вообще лишит смысла процесс, т.к. стерилизовать интересно систему фильтрации в целом, со всеми её компонентами), либо… удлинять время экспозиции (holding time). Ну или подбирать цикл до посинения, кидая по 7-8 импульсов вакуума, впрочем без гарантий того, что на финише преуспеете. Т.е. не нужно слепо применять стандарты, в особенности когда там описываются “простыни” (test packs). Я пока только от британцев слышал, что испытаниями с простынями кто-либо вообще заморачивается. В континентальной Европе таких экзорцистов пока не встречал. Не говоря уже о том, что об это в действительности нет ни слова в PDA TRs, equilibration time в первом техническом отчете описывается, но в глоссарии указано, в частности, что параметр определяется как информационное значение, без критерия. Вот такие мысли вслух…

    1. Даниил, согласен. Есть ещё один нюанс – помимо регуляторных требований может быть реализован частный случай, когда контрактор формирует дополнительные требования, которые могут идти дальше регуляторных. Скажем, инспекторов даже FDA далеко не всегда интересует время выравнивания и прочие нюансы. А вот контрактор, передавая технологию, может расписать всё до мелочей, включая то, какие именно биоиндикаторы использовать (с какой величиной популяции, с каким значением величины D и т.п.) или каким количеством датчиков следует проводить контроль проникновения тепла в продукт и где именно их размещать. Важно эти требования “не потерять”, потому что руководства и стандарты в этом отношении только задают направления, сформировав базовые требования (полоса стерилизация, значение F0), а детали – в каждой конкретной реализации могут варьировать.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *