灭菌现况分析及验证要求

我国制药工业所用湿热灭菌设备状况分析

我国制药工业所用湿热灭菌设备状况分析

山东新华医疗器械股份有限公司 作者：王君章 殷文平 李晓明 王学亮

    摘要：以湿热灭菌设备为例，从技术角度阐述了制药工业所用灭菌设备的一些现状，并与国外先进设备进行对比分析，对存在的问题提出了改进建议。 

    关键词：灭菌方法；湿热灭菌；灭菌设备；现状；改进；分析 

    1我国制药工业所用灭菌设备的常用灭菌方法 

    1.1湿热法 

      湿热法是在高压灭菌器中使用高压蒸汽或高温水进行灭菌的方法。因微生物在湿热的环境中，一些重要的蛋白发生变性和凝固，会使微生物死亡，从而达到灭菌的目的。较之干热灭菌，在湿热的条件下，微生物可在相对较低的温度下被杀死。高压灭菌器的常规操作温度是121℃，时间是10～20min；也可选择达到相同杀灭效果的115℃，一般时间45min。 

      通常湿热灭菌方法适用于可承受所需温度，且能被湿气穿透但不会受到不良影响的、包装在密闭容器中的药物制剂。蒸汽灭菌对油类、脂肪类、油性制剂、其他不能被湿气穿透的制剂，以及可能会被凝结水破坏的粉末无效。 

    1.2干热法 

      干热法是在特别设计的灭菌设备中进行灭菌的方法，通过气体或电加热，设备内温度是可控的。干热灭菌是基于焚化或氧化使微生物脱水死亡，从而达到灭菌的目的。因干热灭菌在杀灭微生物方面的效果较差，故需要更高的温度和更长的时间。具体的温度和时间需根据产品的装量大小和类型、容器及其热分布特性来确定。一般来说，进行灭菌处理的个体单位应尽量小，装载灭菌设备时热空气应能在设备容器室内自由循环。干热灭菌的温度通常是160～170℃，时间≥2h。更高的温度可缩短时间，反之，较低的温度则需要更长的时间。 干热灭菌通常用于湿热灭菌无效的物质，包括不挥发油、甘油及各种热稳定的粉末等。干热灭菌也是玻璃器皿和手术器具灭菌的有效方法。 

    1.3过滤法 

      过滤法是通过过滤介质吸附或过筛去除微生物的方法，一般用于热敏性溶液的灭菌。但是，采用过滤灭菌方法的制剂必须进行严格的无菌检查和验证，因为针对制剂的过滤灭菌的有效性主要取决于被滤溶液中存在的微生物。所以，要根据被滤溶液中所存在的微生物情况选择适宜孔径的滤膜。 

1.4环氧乙烷法 

       环氧乙烷是常用的气体灭菌剂。其灭菌基理是通过与细胞内的大分子起化学反应而破坏和消除蛋白的活性，使微生物死亡，达到灭菌的目的。通常用于热敏感和湿敏感的物质。气体灭菌的设备与高压灭菌的设备类似，蒸汽高压灭菌器与环氧乙烷灭菌器联用的装置已经上市。气体灭菌法的可变因素较多，如温度（27～63℃，通常在38～54℃）、气体的浓度（300～1200mg/ml，通常在400～600mg/ml）、湿度（RH30%～90%，通常在RH50%～60%）和时间，故较之蒸汽灭菌法和干热灭菌法，气体灭菌法不能严格定量。一般来说，增加系统的相对湿度和温度可以增强气体灭菌的效果，并可缩短时间。如果被灭菌物质不能承受增加的湿度和温度，则需要延长时间。通常环氧乙烷气体灭菌的时间为4～16h。 

      因为环氧乙烷气体具有较强的穿透能力，常用于医疗器械、外科手术用具和一次性塑料注射器等的灭菌。还可用于不与气体发生化学反应的不稳定的酶制剂、抗生素和其他药物的灭菌。 

    1.5辐射法 

       辐射法是使用γ射线或阴极射线进行灭菌，是基于通过射线照射后，微生物中的化学物质（DNA）发生了变化，使细胞活性丧失，从而达到灭菌的目的，通常剂量1.5Mrad。 

    辐射灭菌可对某些药物制剂进行灭菌，但需要非常特殊的设备，因此在实际的应用过程中受到。 

    1.6常用灭菌方法比较 

      在上述灭菌方式中，辐射灭菌的安全性有待验证，欧盟将辐射灭菌限定为只有当不能采取其他灭菌方式时才考虑使用的灭菌法；环氧乙烷灭菌容易造成残留，灭菌后需要采取措施去除残留，并且时间较长，仅仅在一些不易采用其他灭菌方式的情况下使用；过滤法除菌效果的可靠性较差，对无菌的检查和验证较为严格，实际应用较为困难，因此也仅仅在一些不宜采用其他灭菌方式的情况下使用；干热灭菌需要较高的温度和时间，效率较低，一般适用于器械和玻璃器皿的除热原灭菌；湿热灭菌因为使用简单，经济可靠，因此在无菌制剂生产中得到广泛应用。国内湿热灭菌器的主要技术、性能指标已经接近达到国际先进水平。 

2、灭菌设备的现状 

    随着我国制药装备行业的发展，国内的灭菌设备不论是技术还是品质方面都有了长足的进步。灭菌设备种类更加齐全，分类更加细化。湿热灭菌除了原有的饱和蒸汽灭菌和高温水灭菌，还有了低温的蒸汽和压缩空气的混合气体灭菌；就灭菌物品的状态来分不仅具有静态灭菌，还有动态灭菌；气体灭菌不仅有环氧乙烷（EOS）而且利用了过氧化氢（H2O2）以及臭氧灭菌(O3) 

    单纯就各种大输液药品的灭菌来说，其灭菌设备分类就很大，图1可以大致描述其分类。 

    以湿热灭菌设备为例，从以下3方面来探讨目前我们国内灭菌设备的现状。 

    2.1在硬件配置方面 

      随着我国制造工业的发展，国内的部分灭菌设备生产厂家也购进先进的加工制造以及检测设备，来保证灭菌设备零部件的加工质量。为了保证灭菌器主体和密封门的焊接质量，新华医疗器械股份有限公司就采用了机器人焊接技术。同时，为了更好地检测灭菌器管路的焊接效果，新华医疗使用了内窥镜检测仪。 

      随着制药工艺的要求越来越严格，对灭菌设备的管路配置提出了更高要求。例如，灭菌器内室内压缩空气的无菌过滤器的选用以及自身需要的CIP和SIP程序；管路设计中灭菌盲区的要求；双扉灭菌器密封门的单独密封；法兰连接的阀门取代螺纹连接的阀门；卫生级管件的应用等。目前，这种高端配置的灭菌设备越来越普及，这也反映了我们国内制药企业中灭菌设备的技术和品质在不断发展和进步。 

    2.2在软件系统方面 

    目前国内无菌制剂生产中使用的灭菌设备普遍采用自动控制方式，只有极少数厂家还在使用手动或半自动控制的灭菌设备。可以说，国内湿热灭菌设备的主要技术、性能指标已经接近或达到国际先进水平，但在设备性能的稳定性方面与国外先进水平还有一定的差距。设备的稳定性主要体现在控制系统方面，控制系统是整个设备的稳定工作的核心。目前，有些厂商出于成本考虑，控制系统一般采用低端的工业PLC，这种PLC在普通设备上使用还是可以的，但在灭菌器这样的重要设备上则应该使用可靠性更高的PLC。同时，其他电气元件也应尽量使用可靠性高的产品，这样才能确保整个系统、设备的高可靠性。 

    除了选用高可靠性的元器件来提高系统的可靠性之外，还应该通过采用冗余式的设计方案来进一步提高系统的可靠性。冗余式的控制系统一般采用热备份的方式来实现冗余，当主控系统发生故障时，立即切换到备份系统，实现主控系统和备份系统的平稳切换，进一步提高设备运行的可靠性。 

    2.3在文件体系方面 

      经过十几年的发展和进步，制药企业和药机企业都已逐步接受FAT的理念，对灭菌设备的验证也提高了认识。我们国内灭菌设备的验证文件已经由最初的十几页纸发展到目前十几本的文件体系。这其中制药企业和药机企业的技术人员都付出了辛勤的劳动，他们积极借鉴国外同行的经验，结合自身的情况进行积累与整理。内容由最初的压力容器资料和简单的使用说明书发展到目前的包含DQ、OQ、PQ、PV等文件，安装手册，操作手册，维修手册，软件安装手册，外购配置清单及外购件的使用说明书，过程控制文件，压力容器资料等。因为文件体系是灭菌设备不可分割的一部分，所以药机企业会收取一定的文件费用，目前制药企业也慢慢接受了这一理念。 

3、国外先进设备的对比分析 

      虽然我们国内的灭菌设备取得了长足发展，但和国外的同类产品相比还存在不少的差距，特别是在一些高端产品上，我们的一些技术和理念不够先进，在创新上力度不够。 

      依据节约型社会发展的形势，药品的新型包装形式不断出现，其灭菌工艺也需要更新或改进，这就要求国内的制药企业和灭菌设备生产企业联合起来做好这项工作，也可以借鉴国外同行的经验，制造出合适的设备。本文也以湿热灭菌设备为例进行分析。 

    3.1胶塞的清洗灭菌 

      对于胶塞清洗灭菌，我们过去采用的是先对胶塞清洗，然后放入灭菌器内进行脉动真空灭菌和脉动干燥，由于胶塞在灭菌过程中会汇集蒸汽的冷凝水，所以脉动干燥的过程会很长，一般需要3h，这样延长了胶塞灭菌的整个周期。国外胶塞清洗灭菌设备(图2)采用的是胶塞清洗灭菌一体机，将胶塞倒入一个附带旋转构件的容器内，这个容器可以通透蒸汽和冷凝水；然后将整个容器推入灭菌器内进行旋转清洗和灭菌，这样清洗、灭菌、干燥一体完成。因为容器旋转不仅使得灭菌均匀，而且可以尽快地把冷凝水从胶塞内排放出来，缩短干燥周期。 

    3.2塑瓶安瓿的灭菌 

       塑瓶安瓿在国内算是一种比较新颖的药品包装形式，其灭菌工艺和玻瓶安瓿会有所不同。目前，我们国内对塑瓶安瓿的灭菌还处在研究试验阶段，特别是对塑瓶安瓿灭菌之后的检漏问题，还在探讨之中。 

       国外对于塑瓶安瓿的灭菌处理一般由两种设备完成：一是灭菌设备，无论是水浴灭菌还是饱和蒸汽灭菌都只是灭菌；二是专门的检漏设备，一般采用真空设备进行检漏。 

    3.3连续灭菌方式 

      对于大输液药品的灭菌，国外不仅有常规的灭菌设备，还有连续灭菌机，可以不间断地对瓶装、袋装大输液进行灭菌。 

4、灭菌设备的发展方向 

 以湿热灭菌设备为例，未来的灭菌设备会向两个方面发展，一是“专”，二是“通”。 

       “专”指的是灭菌器具有完善的灭菌功能，特别是无菌要求很高的情况下，灭菌设备一定要考虑到威胁无菌状态的任何因素，确保无菌的保证。对于器具、无菌衣等物品的灭菌来说，“专”字体现在灭菌器对环境的无污染和灭菌后无菌状态的保持上；对于脂肪乳、氨基酸等治疗性输液的灭菌来说，“专”字体现在灭菌器对药品的抗氧化保护上。“通”指的是灭菌器不再是一台单纯的灭菌设备，而是附带辅助功能的灭菌处理系统。一台灭菌器除了灭菌功能外，还具有清洗、检漏、干燥除湿等功能；一台灭菌器不仅要可以对安瓿灭菌，还要能对器具、衣物进行灭菌处理。 

      此外，湿热灭菌设备的发展方向还有以下方面：(1)硬件配置的完善。对设备的使用安全提出了更高的要求，要增加各种安全保护装置来确保设备使用者的人身和财产安全；在设备的设计时要充分考虑各种情况，合理配置各种安全装置，确保设备在各种意外情况下的安全。比如，现在很多压力灭菌器的门只有电气连锁保护而没有机械连锁保护，而当电气连锁措施失效时就容易发生安全事故。同时，针对各种意外情况应当设置各种警报和提示信息，提请操作人员注意，确保使用安全。(2)控制软件的完善。灭菌设备的操作要有严格的权限分级控制，对设备进行的各种操作、修改都要有不可篡改的记录，满足FDA21CFRPartⅡ的要求；要求控制系统的温度和压力等关键工艺参数应有双重不同系统记录，便于随时校对和确保记录可靠安全。(3)文件体系。根据国外发达国家的现行管理规范，整个药品的生产过程都要求可追溯。对于灭菌设备同样有类似的要求。灭菌设备的设计、生产、安装、调试和验收等各个环节都要求有相应的过程记录，并同步生成DQ、IQ、OQ、PQ、FAT和SAT等各种验证文档。 

    5、结语 

    随着制药行业的发展，国内的制药企业应努力使产品出口进入国际市场。以此同时，要不断研究发达国家关于药品生产的各种规范要求。为了满足这些要求，灭菌设备作为无菌保障的关键设备应在硬件配置、软件控制、文件体系方面不断完善，为国内医药企业迈向世界提供技术支持。 

   设备验证

       验证的概念及内容

      药品在生产制造的过程中需透过层层严密的确认，来证实药品的安全性及其品质是否确实有效、可靠，而要达到这样的目的，必须对各种生产有关的事项，做一连串符合科学性的评价，包括各种生产设备、环境、生产工艺、计量仪器、分析方法的验证等，而我们将这些过程统称为确认 （Qualification)。验证是建立一个书面的证据，保证用一个特殊的过程来始终如一地生产产品，是保证符合客户预先确定规格的质量特性。（FDA 1987）制药机械设备的验证是药品生产工艺流程确认的一环，而设计确认、安装确认、运行确认和性能确认分别是设备验证中的一环。

     我们要对设备进行验证，就必须设计出一套审慎周密的验证(Validation)计划及有效的测试(Test)方法，一套完整的设备验证计划书（即验证方案）通常包含以下部分：设计确认DQ、工厂验收测试FAT、现场验收测试SAT、安装验证IQ、操作验证OQ及性能验证PQ。

        设备验证的生命周期

      验证范围

     工艺过程温控系统

      工艺过程恒温系统

      验证步骤

        URS用户需求

       设备验证应开始于设备的要求及定义阶段。该阶段决定了设备的设计与开发，决定了设备的使用功能，是设备进行进一步验证的基础。

         URS用户需求及定义包括

•设备技术指标、型号及设计规范要求

•技术参数的具体范围及精度要求

•设备材料及结构要求

•设备包装要求

•物理要求，包括：有效空间、位置及所处的环境等

•文件要求

•设备开发过程中所要求进行的测试项目及记录

•对已完成设备的验证要求

•期望达到的审计水平

        DQ设计确认

    设计确认（DQ）在《药品生产验证指南》中明确解释为“预确认，即设计确认，通常指对待订购设备技术指标适应性的审查及对供应厂商的选定。”同时，在《药品生产质量管理规范实施指南》中认为“预确认：是对设备的设计与选型的确认。

        DQ设计确认包括

 对设备的性能、材质、结构、零件、计量仪表和供应商等的确认

 PID图确认

 GAD图确认

 部件清单

 电路图

         FAT工厂验收测试

     制药设备依据设计完成生产，在发货前在顾客见证下，由制造商对交付的设备做工厂验收测试FAT,该测试旨在保证设备已经严格按照要求完成了组装调试，各项指标符合客户验收要求，可以安排交货。 

    FAT由设备的制造方在设备使用方或其委托有资质的第三方的见证下进行，完成测试后签字确认。

      SAT现场验收测试

    当设备到达设备的使用场所后,就要做SAT了。与FAT相似的是，SAT的目的也是为了保证设备已经按要求完成了组装和调试，所以有些测试项目与FAT相同，所不同的是，FAT是

由设备的制造商在制造工厂测试，而SAT是由设备的使用方在设备的使用场所做的测试，所以更偏向于一些在设备的制造工厂无法做的测试。

      IQ安装确认

　   安装确认（IQ）主要是通过设备安装后，确认设备安装符合设计要求，文件及附件齐全，通过检验并用文件的形式证明设备的存在。也就是说，通过检查文件和其它项目，来确认设备和系统是按照设计安装的，并符合设备和系统设计要求和标准，并且已经正确地安装了。

       IQ安装确认包括

•包装确认

•设备清单

•安装过程确认

•材料确认(与产品直接接触的)

•仪器部分确认

•润滑剂确认(与产品接触的润滑剂必须是食 品级的)

•各种技术图纸及操作指南确认

•公用系统确认

        OQ运行确认

    运行确认（OQ）是通过空载运行实验，检查和测试设备运行、操作和控制性能通过记录并以文件形式证实制药机械（设备）符合生产工艺的要求。在安装确认后有设备的制造方和使用方共同根据验证方案进行运行确认，对设备运行性能的符合性、协调性进行确认。

        OQ运行确认包括

  测试仪器校准

  设备/系统各部分功能测试

  指示器，互锁装置和安全控制检测

  报警器检测

  断电和修复

       PQ性能确认

    性能确认（PQ）性能确认是对设备实际运行效果的确认，性能确认应在完成运行确认并已得到认可 后进行。是在制药套工艺技术指导下进行工业性负载生产，用模拟生产的方法，通过观察、记录、取样检测等手段，搜集及分析数据证明制药机械（设备）运行的可靠性和对生产的适应性。 

　　PQ是模拟生产的过程，由使用者按照药品生产的工艺要求进行实际生产运行， PQ 需要按每套设施设备及其相关工艺程序制定个别的确认方案。

    设备验证的结论