用于行星保护的微生物消杀技术分析
发布时间：2021-07-23 22:00
发展高效的航天器微生物消杀技术,进而构建完善的微生物消杀技术体系,是目前行星保护技术的重要发展方向。从行星保护的任务要求出发,综述了干热灭菌、气相过氧化氢、环氧乙烷、辐射、超临界二氧化碳和低温等离子体等目前行星保护中所采用的以及具备潜在应用前景的微生物消杀技术,并介绍了与灭菌过程相关的前期预处理、敏感器件封装处理和无菌包装、传递与贮存等辅助技术;在对研究现状及实际应用中可能出现的问题及解决方法系统分析基础上,对我国深空探测行星保护微生物消杀技术体系提出了思考和建议。
【文章来源】：载人航天. 2020,26(06)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
115 ℃和170 ℃下不同湿度条件对孢子死亡速率的影响[6]
在用于行星保护的VHP灭菌工艺流程参数建立过程中,研究人员对VHP的浓度时间分布及灭菌效果进行检测。来自NASA喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)的Chung等[14]于2008年将VHP的浓度对时间的积分Ct作为量化灭菌过程中材料实际暴露情况的参数,讨论了VHP浓度、温度、相对湿度、基底材料对灭菌效力的影响。VHP对时间积分Ct与芽孢生存分数N/N0的线性拟合程度较好(图2),而环境温度和气体环境的相对湿度对灭菌效果也均有一定程度的影响。各类影响因素中,尤以不同基底材料所引起的灭菌效果差异最大。该研究采用了不锈钢、铝合金(6061)、聚酰亚胺胶带、石墨烯、一种白色航天用涂料(Aptek 2711)及一种黑色航天用涂料(Z306)作为测试用基底材料。其中,除白色涂料(Aptek 2711)之外的其余各组基底材料D值接近,而白色涂料(Aptek 2711)组基底材料D值比其余各组高出近一个数量级。推测白色涂料(Aptek 2711)组表面芽孢的高生存分数可能源于材料表面较高的粗糙度以及孔洞结构引起的材料对芽孢的保护作用以及材料成分导致的过氧化氢过早降解。Malik等[15]测试了10～90 ppm范围内的VHP对枯草芽孢杆菌杀灭效果,并通过Weibull模型合理预测了10～4000 ppm范围内的VHP的D值。Simard等[16]测试了VHP-臭氧联合灭菌器对具有复杂管腔结构的十二指肠内窥镜的灭菌效果,最终SAL达到了10-6。针对VHP灭菌技术的材料兼容性,NASA JPL实验室内部报告显示,其于2011年前对逾100种航天材料进行了6个数量级的VHP灭菌实验中,多数材料性质变化极小或几乎未发生变化,但仍有部分材料某些性质变化率达到15%。对此,NASA认为材料的性质变化并不影响其特定的工程应用,同时VHP灭菌所产生的影响可通过硬件设计生产环节进行提前考量加以解决[17]。Gale等 [18]于2009年就VHP对材料微观结构的影响、材料拉伸性能和耐腐蚀性的影响进行研究。结果表明VHP对2024型铝材、7075型铝材和304奥氏体不锈钢的微观结构影响幅度相对较小,且仅限于暴露表面周边区域,同时所检测的3种合金的拉伸性能及暴露区域对耐腐蚀性也无较大影响。Chou等[19]指出,在对飞行器常用结构材料,包括碳纤维/环氧树脂(CF/E)复合材料和碳纤维/玻璃纤维/环氧树脂(CF/GF-E)复合材料及其他无涂层结构进行VHP灭菌及检测后,各结构的化学性能或机械性能无明显变化。
NASA lin等[29]于2010年开发出一套sCO2系统(图3),用于航天器材料表面有机污染物及芽孢的去除。结果表明,sCO2对邻苯二甲酸二辛酯(DOP)和有机硅等疏水性污染物的清洁度达到0.01 μg/cm2以下,达到了NASA许可的与外星样品直接接触的标准,但样品表面残留孢子数量并无显著减少。由于单纯sCO2处理的微生物杀灭效率并不理想,学界主要通过在sCO2中掺杂微量化学灭菌剂的方法来提高其灭菌效力。Meyer等[30]在sCO2中掺杂300 mg/L的过氧化氢,实现了对胶原膜和海绵材料内萎缩芽孢杆菌的有效杀灭,使材料的SAL达到10-6。同时,在对胶原膜和海绵材料的拉伸强度、抗撕裂能力、溶解性、氨基酸组成等理化性质及结构特征进行比较后,得出sCO2未对材料产生负面影响的结论。尽管缺乏sCO2对航天材料的性能影响数据,但前述相对脆弱的生物高分子材料在经过sCO2处理后未表现出明显结构和功能失效的结果,可能预示着sCO2灭菌技术的优良材料兼容性。目前,sCO2灭菌技术在行星保护领域的应用仍处在探索阶段,虽然其必须添加化学灭菌剂才能实现较好的杀菌效力,且受高压腔体大小限制,sCO2技术尚无法应用于大型部件的清洁和灭菌,但对有机物的高效溶解清洁能力使得在去除航天器表面有机物污染,避免地外生命探测活动中出现地外有机物误阳性等方面可能具有重要应用前景,可作为灭菌技术的辅助补足技术。
本文编号：3300118
【文章来源】：载人航天. 2020,26(06)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
115 ℃和170 ℃下不同湿度条件对孢子死亡速率的影响[6]
在用于行星保护的VHP灭菌工艺流程参数建立过程中,研究人员对VHP的浓度时间分布及灭菌效果进行检测。来自NASA喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)的Chung等[14]于2008年将VHP的浓度对时间的积分Ct作为量化灭菌过程中材料实际暴露情况的参数,讨论了VHP浓度、温度、相对湿度、基底材料对灭菌效力的影响。VHP对时间积分Ct与芽孢生存分数N/N0的线性拟合程度较好(图2),而环境温度和气体环境的相对湿度对灭菌效果也均有一定程度的影响。各类影响因素中,尤以不同基底材料所引起的灭菌效果差异最大。该研究采用了不锈钢、铝合金(6061)、聚酰亚胺胶带、石墨烯、一种白色航天用涂料(Aptek 2711)及一种黑色航天用涂料(Z306)作为测试用基底材料。其中,除白色涂料(Aptek 2711)之外的其余各组基底材料D值接近,而白色涂料(Aptek 2711)组基底材料D值比其余各组高出近一个数量级。推测白色涂料(Aptek 2711)组表面芽孢的高生存分数可能源于材料表面较高的粗糙度以及孔洞结构引起的材料对芽孢的保护作用以及材料成分导致的过氧化氢过早降解。Malik等[15]测试了10～90 ppm范围内的VHP对枯草芽孢杆菌杀灭效果,并通过Weibull模型合理预测了10～4000 ppm范围内的VHP的D值。Simard等[16]测试了VHP-臭氧联合灭菌器对具有复杂管腔结构的十二指肠内窥镜的灭菌效果,最终SAL达到了10-6。针对VHP灭菌技术的材料兼容性,NASA JPL实验室内部报告显示,其于2011年前对逾100种航天材料进行了6个数量级的VHP灭菌实验中,多数材料性质变化极小或几乎未发生变化,但仍有部分材料某些性质变化率达到15%。对此,NASA认为材料的性质变化并不影响其特定的工程应用,同时VHP灭菌所产生的影响可通过硬件设计生产环节进行提前考量加以解决[17]。Gale等 [18]于2009年就VHP对材料微观结构的影响、材料拉伸性能和耐腐蚀性的影响进行研究。结果表明VHP对2024型铝材、7075型铝材和304奥氏体不锈钢的微观结构影响幅度相对较小,且仅限于暴露表面周边区域,同时所检测的3种合金的拉伸性能及暴露区域对耐腐蚀性也无较大影响。Chou等[19]指出,在对飞行器常用结构材料,包括碳纤维/环氧树脂(CF/E)复合材料和碳纤维/玻璃纤维/环氧树脂(CF/GF-E)复合材料及其他无涂层结构进行VHP灭菌及检测后,各结构的化学性能或机械性能无明显变化。
NASA lin等[29]于2010年开发出一套sCO2系统(图3),用于航天器材料表面有机污染物及芽孢的去除。结果表明,sCO2对邻苯二甲酸二辛酯(DOP)和有机硅等疏水性污染物的清洁度达到0.01 μg/cm2以下,达到了NASA许可的与外星样品直接接触的标准,但样品表面残留孢子数量并无显著减少。由于单纯sCO2处理的微生物杀灭效率并不理想,学界主要通过在sCO2中掺杂微量化学灭菌剂的方法来提高其灭菌效力。Meyer等[30]在sCO2中掺杂300 mg/L的过氧化氢,实现了对胶原膜和海绵材料内萎缩芽孢杆菌的有效杀灭,使材料的SAL达到10-6。同时,在对胶原膜和海绵材料的拉伸强度、抗撕裂能力、溶解性、氨基酸组成等理化性质及结构特征进行比较后,得出sCO2未对材料产生负面影响的结论。尽管缺乏sCO2对航天材料的性能影响数据,但前述相对脆弱的生物高分子材料在经过sCO2处理后未表现出明显结构和功能失效的结果,可能预示着sCO2灭菌技术的优良材料兼容性。目前,sCO2灭菌技术在行星保护领域的应用仍处在探索阶段,虽然其必须添加化学灭菌剂才能实现较好的杀菌效力,且受高压腔体大小限制,sCO2技术尚无法应用于大型部件的清洁和灭菌,但对有机物的高效溶解清洁能力使得在去除航天器表面有机物污染,避免地外生命探测活动中出现地外有机物误阳性等方面可能具有重要应用前景,可作为灭菌技术的辅助补足技术。
本文编号：3300118
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