Come funziona un'autoclave a vapore?

Le autoclavi a vapore sono concepite per uccidere i microrganismi con vapore ad alta pressione e ad alta temperatura. Servono anche a inattivare i materiali a rischio biologico. Perché l’autoclave a vapore sia efficace, il carico deve essere saturo di vapore. Se il vapore non basta o se nel carico restano sacche d’aria, la decontaminazione non avviene.

La sterilizzazione presuppone la distruzione assoluta di tutti i microrganismi, comprese le spore batteriche, i protozoi, i prioni, i virus e i funghi presenti in liquidi, sulla superficie dei materiali, in medicinali o in terreni di coltura. Distruzione assoluta vuol dire proprio assoluta: la «sterilizzazione parziale» non esiste. Raggiungere lo stato sterile può essere difficile, e difficile da provare. In molti casi la sterilizzazione a vapore è il metodo di elezione; agisce denaturando le proteine. La denaturazione delle proteine passa per una coagulazione dovuta al cambiamento di conformazione della proteina sotto l’effetto del calore. I prodotti chimici possono uccidere i microrganismi, ma la loro efficacia non è sempre totale e possono lasciare residui indesiderati o perfino tossici. Li si impiega comunque quando il calore danneggerebbe il materiale. Le radiazioni ionizzanti e gli UV possono essere impiegati: alterano o modificano il DNA per impedire la replicazione, ma l’effetto voluto non si ottiene sempre e la convalida è delicata. In definitiva la sterilizzazione a calore umido è superiore e resta il metodo preferito. La maggior parte dei microrganismi viene uccisa sopra gli 80 °C; i prioni richiedono invece temperature più alte e tempi più lunghi. Durante la sterilizzazione a calore umido le molecole di vapore condensano sui microrganismi più freddi e trasferiscono loro 2500 joule per grammo di vapore, portandoli a una temperatura che li uccide. Altri modi di riscaldamento, che trasferiscono il calore più debole di gas secchi, creano effetti di strato limite: ne risulta un effetto isolante che finisce per proteggere i microrganismi.

Per ottenere dal vapore il suo effetto massimo, esso deve essere saturo. Con la sterilizzazione a calore umido temperatura e pressione si sorvegliano facilmente, il che permette di stabilire con semplicità se la sterilizzazione è avvenuta. Non vi è dubbio che la sterilizzazione a vapore raggiunga un alto livello di sterilità; per questo è la forma di sterilizzazione più usata negli ospedali e nei laboratori. L’autoclavaggio a calore umido è la forma di sterilizzazione più rapida e più affidabile.

Come funziona l’autoclave a vapore

Un’autoclave è in fondo una pentola a pressione che usa il vapore sotto pressione come agente sterilizzante. L’aumento della pressione (sopra la pressione atmosferica) consente al vapore di raggiungere temperature più elevate: la pressione in più innalza la temperatura di ebollizione dell’acqua, in pratica di circa 20 °C. Ciò ne aumenta altrettanto il contenuto termico e il potere di distruzione, che deriva dal suo calore latente di vaporizzazione, cioè dalla quantità di calore necessaria a trasformare l’acqua bollente in vapore. Questo calore di trasformazione è considerevole rispetto a quello necessario a scaldare l’acqua.

Portare un litro d’acqua a ebollizione richiede 80 kcal/mol; trasformare quell’acqua bollente in vapore ne richiede 540. Il vapore a 100 °C contiene quindi quasi 7 volte più calore dell’acqua bollente.

La bella proprietà del vapore è che penetra gli oggetti più freddi di lui. Quando incontra una superficie più fredda, vi condensa in acqua, il che riduce altrettanto la quantità di vapore presente. Questa depressione richiama altro vapore verso la zona fredda. La condensazione prosegue finché la temperatura della superficie di condensazione resta inferiore a quella del vapore. Ne derivano un rapido riscaldamento delle superfici, la penetrazione dei materiali densi, la denaturazione delle proteine e la sterilizzazione dei microrganismi.

Tempo di morte termica

Il tempo di morte termica (TDT) serve a stabilire quanto tempo occorre per uccidere determinati microrganismi a una determinata temperatura e in una determinata sospensione. Diciamo semplicemente che la velocità di distruzione è direttamente proporzionale alla concentrazione di microrganismi in un dato istante. Innalzare la temperatura del procedimento accorcia il tempo di morte termica; abbassarla lo allunga. Si preferiscono temperature più alte per durate più brevi.

Oltre alla temperatura e alla durata, il tempo di morte termica dipende dai materiali sterilizzati. Le sostanze grasse, per esempio, rallentano la penetrazione del vapore e lo allungano; i materiali fortemente acidi o basici tendono ad accorciarlo. Sono pubblicati tempi di morte termica per numerosi microrganismi e per le sospensioni in cui possono trovarsi. Tenete presente che il tempo di morte termica non è necessariamente esatto, ma è un buon punto di partenza.

L’autoclavaggio è riconosciuto come il mezzo di sterilizzazione più efficace ed economico. Le autoclavi a calore umido funzionano su una relazione fra tempo e temperatura. Temperature più alte contano per uccidere più in fretta i microrganismi. Durate più lunghe servono per carichi importanti, grandi volumi di liquido e materiali densi. Le temperature e le pressioni più usate in autoclave a calore umido sono 115 °C a 10 psi (libbre per pollice quadrato), 121 °C a 15 psi e 132 °C a 27 psi. L’autoclavaggio a calore umido si presta bene alla vetreria, ai terreni biologici, alle medicazioni chirurgiche, ai rifiuti a rischio biologico e a molto altro.

Autoclavi: pressione e temperatura

Pressione e temperatura influiscono sull’ebollizione. L’acqua bolle quando le sue molecole hanno energia sufficiente per sfuggire al liquido e formare vapore acqueo al di sopra di esso. Più l’acqua è calda, più le sue molecole sono energetiche e sfuggono facilmente. Anche la pressione conta: più alta è la pressione sopra l’acqua, più è difficile per le molecole liberarsi dal liquido, e viceversa.

Pensate all’altitudine. Più si sale, più la pressione atmosferica scende. L’acqua vi bolle a una temperatura più bassa, perché serve meno calore per farla bollire: è molto più facile per l’acqua liquida passare allo stato di vapore quando la pressione sopra il liquido è bassa. In cima all’Everest l’acqua bolle intorno ai 70 °C e non a 100 °C.

Il punto di ebollizione dell’acqua a una atmosfera (livello del mare, 760 mmHg) è di 100 °C. Aumentare o abbassare la pressione di circa 28 mmHg sposta il punto di ebollizione di 1 grado Celsius.

Pressione di vapore

In un recipiente chiuso come un’autoclave, l’evaporazione prosegue finché tante molecole tornano al liquido quante ne sfuggono. Si dice allora che il vapore è saturo. A temperatura più alta possono sfuggire più molecole d’acqua e la corrispondente pressione di vapore saturo è maggiore. In un recipiente aperto la pressione di vapore è in realtà una pressione parziale fra quelle degli altri componenti dell’aria sovrastante. La temperatura alla quale la pressione di vapore eguaglia la pressione atmosferica è allora il punto di ebollizione.

In sintesi

Le autoclavi a vapore uccidono gli agenti patogeni con vapore ad alta pressione e ad alta temperatura. Perché siano efficaci, il carico deve essere saturo di vapore. La sterilizzazione indica la distruzione assoluta di tutti i microrganismi presenti nei liquidi, sulla superficie dei materiali, nei medicinali e nei terreni di coltura. La «sterilizzazione parziale» non esiste. La sterilizzazione a vapore agisce denaturando le proteine: la denaturazione passa per una coagulazione, cioè un cambiamento di conformazione che rende la proteina inattiva.

L’autoclave a vapore è in fondo una pentola a pressione che usa il vapore sotto pressione come agente sterilizzante. L’innalzamento della pressione sopra un’atmosfera consente al vapore di raggiungere una temperatura più alta. Questa pressione in più innalza la temperatura di ebollizione dell’acqua e accresce altrettanto il potere di distruzione.

Il tempo di morte termica serve a stabilire quanto tempo occorre per uccidere determinati microrganismi a una data temperatura. La velocità di distruzione è direttamente proporzionale alla quantità di microrganismi presenti in un dato istante.

L’autoclavaggio a calore umido è la forma di sterilizzazione più usata. È la più rapida e la più affidabile.

Per approfondire

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

Crediti e informazioni sulla foto

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

descrizione: inglese: These are E. coli

data: 4 agosto 2009

Fonte: lavoro proprio

Autore: Mattosaurus

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