Comment fonctionne un autoclave à vapeur ?

Les autoclaves à vapeur sont conçus pour tuer les micro-organismes au moyen de vapeur à haute pression et à haute température. Ils servent également à inactiver les matières présentant un risque biologique. Pour que l’autoclave à vapeur soit efficace, la charge doit être saturée de vapeur. S’il n’y a pas assez de vapeur ou si des poches d’air subsistent dans la charge, la décontamination n’a pas lieu.

La stérilisation suppose la destruction absolue de tous les micro-organismes, y compris les bactéries résistantes, les spores bactériennes, les protozoaires, les prions, les virus et les champignons présents dans des liquides, à la surface des matériaux, dans des médicaments ou des milieux de culture. Destruction absolue veut bien dire absolue : la « stérilisation partielle » n’existe pas. Atteindre l’état stérile peut être difficile, et difficile à prouver. Dans bien des cas, la stérilisation à la vapeur est la méthode de choix ; elle agit en dénaturant les protéines. La dénaturation des protéines passe par une coagulation due au changement de conformation de la protéine sous l’effet de la chaleur. Les produits chimiques peuvent tuer les micro-organismes, mais leur efficacité n’est pas toujours totale et ils peuvent laisser des résidus indésirables, voire toxiques. On les emploie néanmoins lorsque la chaleur abîmerait le matériel. Les rayonnements ionisants et les UV peuvent être utilisés : ils perturbent ou modifient l’ADN pour empêcher la réplication, mais l’effet voulu n’est pas toujours obtenu et la validation est délicate. En définitive, la stérilisation par chaleur humide est supérieure et reste la méthode préférée. La plupart des micro-organismes sont tués au-dessus de 80 °C ; les prions, eux, exigent des températures plus élevées et des durées plus longues. Au cours de la stérilisation par chaleur humide, les molécules de vapeur se condensent sur les micro-organismes plus froids et leur transfèrent 2500 joules par gramme de vapeur, les portant à une température qui les tue. D’autres modes de chauffage, qui transfèrent la chaleur plus faible de gaz secs, créent des effets de couche limite : il en résulte un effet d’isolation qui finit par protéger les micro-organismes.

Pour tirer de la vapeur son effet maximal, il faut qu’elle soit saturée. Avec la stérilisation par chaleur humide, la température et la pression se surveillent aisément, ce qui permet de déterminer facilement si la stérilisation a eu lieu. Il ne fait aucun doute que la stérilisation à la vapeur atteint un haut niveau de stérilité ; c’est pourquoi elle est la forme de stérilisation la plus employée dans les hôpitaux et les laboratoires. L’autoclavage à chaleur humide est la forme de stérilisation la plus rapide et la plus fiable.

Comment fonctionne l’autoclave à vapeur

Un autoclave est au fond un autocuiseur qui utilise la vapeur sous pression comme agent stérilisant. L’augmentation de la pression (au-dessus de la pression atmosphérique) permet à la vapeur d’atteindre des températures plus élevées : le surcroît de pression élève la température d’ébullition de l’eau, d’environ 20 °C en pratique. Cela augmente d’autant son contenu thermique et son pouvoir de destruction, qui provient de sa chaleur latente de vaporisation, la quantité de chaleur nécessaire pour transformer l’eau bouillante en vapeur. Cette chaleur de transformation est considérable par rapport à celle qu’il faut pour échauffer l’eau.

Porter un litre d’eau à ébullition demande 80 kcal/mol ; transformer cette eau bouillante en vapeur en demande 540. La vapeur à 100 °C contient donc près de 7 fois plus de chaleur que l’eau bouillante.

La belle propriété de la vapeur est qu’elle pénètre les objets plus froids qu’elle. Quand elle rencontre une surface plus froide, elle s’y condense en eau, ce qui réduit d’autant la quantité de vapeur présente. Cette dépression attire davantage de vapeur vers la zone froide. La condensation se poursuit tant que la température de la surface de condensation reste inférieure à celle de la vapeur. D’où un échauffement rapide des surfaces, une pénétration des matériaux denses, la dénaturation des protéines et la stérilisation des micro-organismes.

Temps de destruction thermique

Le temps de destruction thermique (TDT) sert à déterminer combien de temps il faut pour tuer des micro-organismes déterminés à une température déterminée et dans une suspension déterminée. Disons simplement que la vitesse de destruction est directement proportionnelle à la concentration de micro-organismes à un instant donné. Élever la température du procédé raccourcit le temps de destruction thermique ; l’abaisser l’allonge. On préfère des températures plus élevées pendant des durées plus courtes.

Au-delà de la température et de la durée, le temps de destruction thermique dépend des matières stérilisées. Les matières grasses, par exemple, ralentissent la pénétration de la vapeur et l’allongent ; les matières fortement acides ou basiques ont tendance à le raccourcir. Des temps de destruction thermique sont publiés pour de nombreux micro-organismes et pour les suspensions dans lesquelles ils peuvent se trouver. Gardez à l’esprit que le temps de destruction thermique n’est pas nécessairement exact, mais qu’il constitue un bon point de départ.

L’autoclavage est reconnu comme le moyen de stérilisation le plus efficace et le plus économique. Les autoclaves à chaleur humide fonctionnent sur une relation entre temps et température. Des températures plus élevées comptent pour tuer plus vite les micro-organismes. Des durées plus longues sont nécessaires pour les charges importantes, les grands volumes de liquide et les matériaux denses. Les températures et pressions les plus employées en autoclave à chaleur humide sont 115 °C à 10 psi (livres par pouce carré), 121 °C à 15 psi et 132 °C à 27 psi. L’autoclavage à chaleur humide convient bien à la verrerie, aux milieux biologiques, aux pansements chirurgicaux, aux déchets à risque biologique et à bien d’autres choses.

Autoclaves : pression et température

La pression et la température influent sur l’ébullition. L’eau bout lorsque ses molécules ont assez d’énergie pour s’échapper du liquide et former au-dessus de lui de la vapeur d’eau. Plus l’eau est chaude, plus ses molécules sont énergétiques et s’échappent facilement. La pression compte tout autant : plus la pression au-dessus de l’eau est élevée, plus il est difficile aux molécules de se libérer du liquide, et inversement.

Pensez à l’altitude. Plus on monte, plus la pression atmosphérique baisse. L’eau y bout à une température plus basse, car il faut moins de chaleur pour la faire bouillir : il est bien plus facile à l’eau liquide de passer à l’état de vapeur quand la pression au-dessus du liquide est faible. Au sommet de l’Everest, l’eau bout vers 70 °C et non à 100 °C.

Le point d’ébullition de l’eau à une atmosphère (niveau de la mer, 760 mmHg) est de 100 °C. Augmenter ou abaisser la pression d’environ 28 mmHg déplace le point d’ébullition de 1 degré Celsius.

Pression de vapeur

Dans un récipient fermé tel qu’un autoclave, l’évaporation se poursuit jusqu’à ce qu’autant de molécules retournent au liquide qu’il s’en échappe. On dit alors que la vapeur est saturée. À température plus élevée, davantage de molécules d’eau peuvent s’échapper et la pression de vapeur saturante correspondante est plus grande. Dans un récipient ouvert, la pression de vapeur est en réalité une pression partielle parmi celles des autres composants de l’air au-dessus. La température à laquelle la pression de vapeur égale la pression atmosphérique est alors le point d’ébullition.

En résumé

Les autoclaves à vapeur tuent les agents pathogènes au moyen de vapeur à haute pression et à haute température. Pour qu’ils soient efficaces, la charge doit être saturée de vapeur. La stérilisation désigne la destruction absolue de tous les micro-organismes présents dans les liquides, à la surface des matériaux, dans les médicaments et les milieux de culture. La « stérilisation partielle » n’existe pas. La stérilisation à la vapeur agit en dénaturant les protéines : la dénaturation passe par une coagulation, c’est-à-dire un changement de conformation qui rend la protéine inactive.

L’autoclave à vapeur est au fond un autocuiseur qui utilise la vapeur sous pression comme agent stérilisant. L’élévation de la pression au-dessus d’une atmosphère permet à la vapeur d’atteindre une température plus haute. Ce surcroît de pression élève la température d’ébullition de l’eau et accroît d’autant le pouvoir de destruction.

Le temps de destruction thermique sert à déterminer combien de temps il faut pour tuer des micro-organismes déterminés à une température donnée. La vitesse de destruction est directement proportionnelle à la quantité de micro-organismes présents à un instant donné.

L’autoclavage à chaleur humide est la forme de stérilisation la plus employée. C’est la plus rapide et la plus fiable.

Pour aller plus loin

Hyperphysics and Thermodynamics

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/Kinetic/vappre.html#c2

The Logarithmic Nature of Thermal Death Time Curves

http://www.jstor.org/stable/30082910

Enzymatic detergent treatment protocol that reduces protease-resistant prion protein load and infectivity from surgical-steel monofilaments contaminated with a human-derived prion strain

https://www.microbiologyresearch.org/content/journal/jgv/10.1099/vir.0.82961-0#tab2

Crédits et informations sur la photo

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diverse_e_Coli.png

description : anglais : These are E. coli

date : 4 août 2009

Source : travail personnel

Auteur : Mattosaurus

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