VHP灭菌技术详解：过氧化氢的基本理化性质与干法湿法工艺

VHP灭菌技术详解：过氧化氢的基本理化性质与干法湿法工艺

自1980年世界上第一台VHP-1000气化过氧化氢VHP（Vaporized Hydrogen Peroxide）生物净化器投入到生物药厂使用以来，VHP灭菌技术因其杀菌谱广、无残留等优点，在制药行业得到了广泛应用。VHP技术通过高温闪蒸将液体H2O2瞬间完全气化，形成的气态H2O2具有更强的杀灭细菌芽孢能力。本文将重点讲述VHP生物净化相关要点以及企业常见的一些问题。

过氧化氢的基本理化性质

1. 过氧化氢在pH值为 3.5～4.5时最稳定，在碱性溶液中极易分解，在遇强光，特别是短波射线照射时也能发生分解。呈弱极性，因此会溶解富集在脂类等弱极性有机物中。

2. 过氧化氢温度越高越容易分解，当加热到100℃以上时，开始急剧分解。气化过程温度越高，分解越多。过氧化氢水溶液会发生缓慢降解，气体状态过氧化氢不稳定，易分解有半衰期，因此大部分VHP净化工艺都会通过持续注入双氧水的方式来实现暴露阶段浓度的稳定控制，双氧水母液也需要尽量远离热源。

3. 过氧化氢与许多无机化合物或杂质接触后会迅速分解大多数重金属（如铜、银、铅、汞、锌、钴、镍、铬、锰等）及其氧化物和盐类都是活性催化剂，尘土、香烟灰、碳粉、铁锈等也能加速分解，因此VHP前的通常需要进行清洁以避免尘土，重金属微粒等对净化的影响。

4. 气态过氧化氢的腐蚀较双氧水弱很多，但渗透性更强，如存在多孔物质，去除残留需要更多时间。

干法与湿法

水的沸点为100℃，H2O2的沸点在150.2℃, 而常用的30%~35%双氧水溶液沸点在108℃左右。VHP闪蒸的温度通常都在105℃往上，在此温度下， H2O2和H2O都以气体的形式存在，并与热空气一起进入目标环境，是H2O2/H2O/空气混合物的形态。如果浓度没有达到饱和点，H2O2和H2O都以气体的形式存在，当遇到冷空气时，温度低于露点时，H2O2和H2O将有部分冷凝，在冷表面则会形成液滴。由于H2O2露点高于水，H2O2会先于H2O冷凝下来，因此冷凝液的H2O2的浓度总是比较高[1,2,3]。35% H2O2混合物气相浓度为2%和冷凝时可达79% （如图1）。

图1

同时H2O2也会分解为水和氧气，因此初始湿度越低温度越高，到达露点时H2O2浓度更高，露点越高，冷凝液浓度也越高。但是湿度对到达露点时H2O2浓度的影响高于温度[4,5,6]（如图2，图3，图4及表1）。

图2

图3
图4

初始相对湿度RH% 冷凝浓度%w/w
10℃ 20℃ 30℃
10 75.1 74.4 73.6
20 68.9 68.4 67.8
30 62.7 62.3 61.8
40 56.3 56 55.7
50 49.7 49.5 49.2

表1

基于这一特性，干法VHP通常通过控制H2O2浓度，温湿度，使其相对饱和度低于饱和点，让整个过程尽量保证气态-微冷凝的平衡。而湿法不精确控制湿度，让净化过程尽早达到饱和点，让H2O2尽量冷凝下来，通过高浓度冷凝液来杀灭微生物（如图5）。

图5

通过控制初始湿度，干法可以很容易将净化阶段H2O2提升到800ppm甚至更高，而湿法净化阶段通常会在600ppm或更低浓度。因此初始温湿度控制和过程H2O2浓度是干法和湿法区别，而干法通常使用相对饱和度探头来监测给定H2O2浓度混合气体相对冷凝点的比例，从而制定合适的循环参数，精确控制净化过程的H2O2浓度，实现程序及净化效果的重复一致性。

目前干法通常使用除湿的热空气作为载气来控制初始湿度，因此在运用到隔离器或者较大洁净室时，通常会和HVAC集成到一起，技术复杂程度较湿法高出很多。同时HEPA通常材质为玻纤，多孔且表面积很大，净化过程存在H2O2的吸附-解析过程，湿法相对于干法，受到的挑战要大很多[7,8,9]，加上HVAC系统通常受室外环境影响较大，湿法相关前处理也较少，因此基于目前的技术瓶颈湿法目前很少集成在HVAC，多为移动式小型设备。而在隔离器使用场景，特别是无菌灌装生产线隔离器。由于灌装生产线中部件比较复杂，存在各种复杂表面，孔隙等。这些地方通常气流不易进入，内部气流换气次数较低，通常需要更高的浓度更长的时间来实现净化，根据隔离器厂家一项研究30mm深，9mm高的孔隙，要想完全杀灭相同的含菌量106的生物指示剂，H2O2浓度为400ppm时，暴露时间需要≥90min；H2O2浓度为600ppm，暴露时间需要≥60min; H2O2浓度为800ppm，暴露时间需要≥30min[10]。加上隔离器内部材质较多，热的H2O2气体对不同材料升温不一，隔离器内部的温湿度会存在较大差异。因此在实际应用过程中，干法凭借更好的重复性，更高的浓度，更好扩散性在隔离器生物净化使用中占据了主导地位。而在洁净室空间净化等应用场景，因为净化对象通常为简单的大面积相同材质表面如彩钢板墙面，PVC地面等，对象简单单一，风险要素较少，对VHP净化的技术需求相对低很多。

在后续的文章中，我们将聊聊VHP验证原理以及药典，让我们敬请期待。

参考文献
[1]：Overcoming Limitations of Vaporized Hydrogen Peroxide, Sep 2013, Pharmaceutical Technology, Volume 37, Issue 9
[2]：The Relationship between Saturated Hydrogen Peroxide, Water Vapour and Temperature, Mar 2004, Pharmaceutical Technology, Volume 16, Issue 13
[3]：Vapor Phase Hydrogen Peroxide – Method for Decontamination of Surfaces and Working Areas from Organic Pollutants
[4]：The Influence of Humidity, Hydrogen Peroxide Concentration, and Condensation on the Inactivation of Geobacillus stearothermophilus Spores with Hydrogen Peroxide Vapor， Journal of Pharmaceutical Innovation，June 2008, Volume 3, Issue 2, p123–133
[5]：Theoretical Analysis of the Condensation of Hydrogen peroxide Gas and Water Vapor as used in Surface Decontamination
[6]：Real-World Vapor Phase Hydrogen Peroxide Decontamination, Jan 2020, Pharmaceutical Technology, Volume 44, Issue 1
[7]：Evaluation of Hydrogen Peroxide Fumigation for HVAC Decontamination, Aug 2012, EPA 600-R-12-586
[8]：HVAC considerations for Gaseous Decontamination of Laboratory Spaces Using HPV
[9]：Effects of Decontamination Agents on HEPA Filters-Applying HEPA Air Filtration in applications subjected to routine bio-decontamination，technical Bulletin, Camfil
[10]：Hydrogen Peroxide Vapor Penetration into Small Cavities during Low-Temperature Decontamination Cycles, Journal of Pharmaceutical Innovation，March 2011, Volume 6, p32-64
[11]：Suitability of Different Construction Materials for Use in Aseptic Processing Environments Decontaminated with Gaseous Hydrogen Peroxide, PDA J, 2007 Volume 61, No.4
[12]：Effect of Carrier Materials on the Resistance of Spores of Bacillus stearothermophilus to Gaseous Hydrogen Peroxide, PDA J, 2007 Volume57,
[13]：VHP technical Data Monography 2003, Steris