ГАЗОВЫЕ КОМПОЗИЦИИ ДЛЯ СТЕРИЛИЗАЦИИ ИЗ ОКСИДА ЭТИЛЕНА, ПЕНТАФТОРЭТАНА И ГЕПТАФТОРПРОПАНА Российский патент 2005 года по МПК A61L2/20 

Область техники

Изобретение относится к области стерилизации, в частности к газовым композициям для стерилизации, содержащим оксид этилена, пентафторэтан и гептафторпропан.

Уровень техники

В течение многих лет проводят стерилизацию изделия, требующего стерилизации, путем его обработки кипящей водой или водяным паром. В последнее время возникла необходимость в создании других стерилизующих агентов из-за того, что некоторые материалы, особенно используемые в области медицины и аэрокосмической индустрии, не выдерживают воздействия температуры или влажности, связанных со стерилизацией водяным паром,

Оксид этилена (ЕО) стал широко использоваться в качестве стерилизующего агента, поскольку он обладает высокой эффективностью, и при этом его остаточные количества слабо поглощаются или адсорбируются стерилизуемыми предметами из-за их высокой летучести. Оксид этилена представляет собой чрезвычайно легковоспламеняющийся газ. Он имеет температуру вспышки менее, чем -20°F (-28°С) и образует взрывчатые смеси с воздухом в диапазоне концентраций приблизительно от 3,0 до 100 объемных процентов оксида этилена. Таким образом, в том случае, когда в качестве газа для стерилизации используют чистый оксид этилена, требуется соблюдение мер предосторожности, таких как применение взрывобезопасного оборудования.

Более предпочтительным является смешивание оксида этилена с инертным газом-носителем или с газовой композицией, подавляющей пламя, что направлено на разбавление оксида этилена и делает всю смесь негорючей. Если инертный компонент действительно инертен, то есть не участвует химически в процессе горения, то эффективность тушения инертными добавками зависит от таких физических свойств, как теплоемкость и теплопроводность конкретной инертной добавки, в качестве примера см. H.F. Coward and G.W. Jones "Limits of Flammability of Gases and Vapors", Bulletin 503 p.5 (1952). Механизм физического тушения основан на отводе энергии, требуемой для поддержания горения.

Горючие свойства смесей оксида этилена, галогенуглерода не подчиняются подобной простой физической зависимости; скорее, что известно, их пламягасящие свойства вытекают из химического механизма, в соответствии с которым галогеновые частицы химически участвуют в реакции горения, препятствуя ей или подавляя ее. R.Hirst в Institution of Fire Engineers Quarterly, vol. 25 (No 59) Sep. 1965 p.231-250 раскрывает, что пламягасящая способность галогеновых частиц подчиняется порядку I>Br>Cl>F. Известно, что иодсодержащие галогенуглероды, как правило, химически менее стабильны и более токсичны, чем другие члены галогенуглеродного ряда. Известно, что бромсодержащие частицы по сравнению с хлорсодержащими аналогами, обладают гораздо большим потенциалом по истощению озонового слоя атмосферы. По причинам, связанным с охраной окружающей среды, потенциальные галогенуглеродные газы-носители ограничиваются галогенуглеводородами, содержащими фтор и/или хлор. Водород-замещенный галогенуглерод имеет значительно пониженное по сравнению с полностью галогенированными хлорфторуглеродами время жизни в атмосфере. Однако понижение содержания галогена в газе-носителе путем введения атомов водорода в молекулу будет снижать способность газа-носителя подавлять или гасить пламя.

В течение двух последних десятилетий наиболее широко используют в качестве подавителя пламени при совместном использовании с оксидом этилена в стерилизующей смеси, дихлордифторметан (известный в промышленности как CFC-12). Однако с недавних пор отношение к CFC-12 стало пересматриваться, так как он является одним из хлорфторуглеродов, которые, как полагают, причиняют значительный ущерб озоновому слою в верхних слоях атмосферы. В соответствии с этим во всем мире в настоящий момент наблюдается уменьшение или полный отказ от использования CFC-12.

Диоксид углерода является другим известным подавителем пламени, используемым вместе с оксидом этилена в стерилизующих смесях. Однако из-за специфических свойств диоксида углерода негорючая смесь оксид этилена/диоксид углерода содержит меньше, чем 40% оксида этилена на единицу объема, как и смесь оксид этилена/CFC-12. Следовательно, стерилизация должна проводиться или при более высоком давлении, или в течение более длительного времени контакта. Кроме того, заметное различие в давлении паров оксида этилена и диоксида углерода приводит к разделению смеси при высвобождении из резервуара для хранения или баллона, что повышает опасность доставки стерилизующей смеси, обогащенной либо нестерилизующим диоксидом углерода, либо взрывоопасным оксидом этилена.

На короткое время вопрос об истощении озонового слоя под действием CFC-12 был решен путем использования хлорфторуглеводородов (HCFC), имеющих пониженное содержание хлора. Известные стерилизующие газовые смеси, содержащие оксид этилена, включают в свой состав 1-хлор-1,2,2,2-тетрафторэтан (HCFC-124), хлордифторметан (HCFC-22) или их смеси. OXYFUMET 2002, коммерчески доступный в AlliedSignal Inc., является широко используемой стерилизующей смесью, содержащей HCFC-124 и HCFC-22. Однако благодаря наличию хлора такие смеси все-таки потенциально способны истощать озоновый слой.

Фторуглеводороды (HFCs) не содержат хлора и имеют потенциал истощения озона ("ODPs"), близкий к нулю. Считается, что они безопасны для окружающей среды. Однако не все фторуглеводороды пригодны в качестве подавителей пламени в газовых смесях с оксидом этилена. Простая замена негорючего газа не обязательно сохраняет полезные свойства газовой смеси для стерилизации. Например, 1,1,1,2-тетрафторэтан (HCF-134a), в целом считающийся наиболее вероятной заменой CFC-12, не является эффективным подавителем пламени в газовых смесях с оксидом этилена. Предполагается, что дополнительные атомы водорода могут вносить вклад в увеличение его горючести.

В первую очередь горючие свойства газовой смеси должны быть таковы, чтобы доставить достаточное количество оксида этилена в смеси для достижения стерилизующего эффекта за приемлемое время. Ассоциация Развития Медицинского Оборудования (AAMI) рекомендует величину 400 мг/л как абсолютный минимум концентрации оксида этилена. Если газ-носитель не снижает горючесть смеси до допустимой степени, следует использовать более низкую концентрацию оксида этилена для обеспечения негорючести. В таких случаях требуется или увеличение времени воздействия при проведении стерилизации, что влияет на производительность, или повышение рабочего давления для увеличения эффективной плотности оксида этилена в стерилизационной камере. Повышение рабочего давления, как правило, является нежелательным подходом, так как существующие стерилизационные камеры могут быть не рассчитанными на повышение давления. Кроме того, повышение давления может приводить к набуханию и разрыву герметичных пластиковых контейнеров, обычно используемых для упаковки медицинских приборов одноразового употребления. В идеальном случае стерилизация проводится при использовании максимальной безопасной концентрации оксида этилена для минимизации времени цикла.

Нужно также принимать во внимание, что приемлемый подавитель пламени должен обладать способностью смешиваться с оксидом этилена в жидкой фазе, а также не отделяться в существенной степени от оксида этилена при испарении. Разделение или фракционирование потенциально могут приводить к пожаро- или взрывоопасным ситуациям. Степень разделения, допустимая при испарении, зависит от относительной летучести компонентов смеси. Давление пара оксида этилена при 70°F (31°С) составляет 152 кПа. Очень большое различие в летучести между оксидом этилена и кандидатом на роль подавителя пламени увеличивает склонность стерилизующей газовой смеси к фракционированию.

Еще одно условие, которое следует принимать во внимание, связано с тем, что давление пара фторуглеводорода может быть слишком высоким, и получающаяся в итоге газовая смесь с оксидом этилена может быть непригодна для использования с обычными баллонами низкого давления.

Как следует из вышеизложенного, существует устойчивая потребность в газовых смесях для стерилизации в данной области, которые являются негорючими, но содержат достаточное количество оксида этилена для эффективной и быстрой стерилизации; гомогенны; не оказывают вредного воздействия на окружающую среду; обеспечивают давление пара, достаточное для доставки жидкой смеси в стерилизационную камеру, в то же время давление пара не должно быть слишком высоким, чтобы сохранялась возможность использования стандартных газовых баллонов; безопасны при использовании; экономически эффективны.

Подробное описание изобретения и предпочтительных вариантов его осуществления.

Объектами настоящего изобретения являются газовые композиции для стерилизации и способы их использования.

Газовые композиции для стерилизации согласно изобретению содержат оксид этилена в количестве от 1,7 до 11% вес. и подавитель пламени, который включает, состоит по существу, или состоит из пентафторэтана и гептафторпропана в количестве от 98,3 до 89% вес.

В качестве предпочтительного варианта осуществления изобретения газовые композиции для стерилизации содержат 1,1,1,2,3,3,3-гептафторпропан.

Соотношение в подавителе пламени пентафторэтана и гептафторпропана может варьироваться в широких пределах: от 1 до 99% вес. пентафторэтана и, соответственно, от 99 до 1% вес. гептафторпропана. Одним из рекомендуемых является соотношение 91,4% вес. пентафторэтана и 86% вес. гептафторпропана.

Газовые композиции согласно изобретению могут дополнительно содержать инертный газ-вытеснитель. Он может быть выбран из группы, состоящей из азота, диоксида углерода, аргона и трифторметана. Предпочтительно использование азота.

В другом аспекте настоящее изобретение представляет собой способ стерилизации предметов, который включает воздействие на предмет газовой композицией для стерилизации, содержащей оксид этилена и подавитель пламени, который включает, состоит по существу, или состоит из пентафторэтана и гептафторпропана, предпочтительно 1,1,1,2,3,3,3-гептафторпропана.

В соответствии с изобретением созданы новые газовые композиции для стерилизации, включающие оксид этилена, пентафторэтан и гептафторпропан, имеющие улучшенные пламяподавляющие параметры. Новые газовые композиции для стерилизации содержат инертную смесь фторуглеродных разбавителей, которые смешиваются с оксидом этилена, совместимы с пластиковыми и полимерными материалами, используемыми в конструкциях медицинских приборов, а также считаются безопасными для окружающей среды. Газовые композиции для стерилизации по настоящему изобретению имеют давление паров, достаточное для доставки жидкой смеси в стерилизационную камеру и могут транспортироваться в стандартных баллонах. Газовые композиции для стерилизации по настоящему изобретению преимущественно обеспечивают концентрацию оксида этилена в газовой фазе, эквивалентную или даже превышающую подобную концентрацию, обеспечиваемую коммерчески доступной стерилизующей смесью OXYFUMET 2002, обладая при этом улучшенными параметрами безопасности. Дополнительное преимущество повышенной концентрации оксида этилена в газовой фазе состоит в уменьшении расхода газовой композиции для стерилизации на цикл. Особенно неожиданное преимущество газовых композиций для стерилизации по настоящему изобретению состоит в том, что стерилизация осуществляется быстрее, чем при помощи коммерчески доступных стерилизующих смесей, имеющих аналогичные концентрации оксида этилена (активного ингредиента).

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидны из последующего описания изобретения.

Компоненты композиции по изобретению являются известными веществами, которые доступны коммерчески или могут быть получены при помощи известных способов. Предпочтительно использовать компоненты достаточно высокой чистоты в целях избежания внесения неблагоприятного влияния на свойства системы.

Гептафторпропан существует в виде двух разных изомеров, 1,1,1,2,3,3,3-гептафторпропана (HFC-227ea) и 1,1,1,2,2,3,3-гептафторпропана (HFC-227ca). Как любой из этих изомеров, так и их смесь пригодны для целей изобретения. HFC-227ea предпочтителен.

В стерилизующей смеси могут присутствовать другие компоненты, включая инертные газы-вытеснители, которые можно использовать для увеличения давления в баллоне, содержащем стерилизующую смесь, и облегчения таким образом поступления смеси в стерилизационную камеру. Подходящими газами-вытеснителями являются азот, диоксид углерода, аргон и трифторметан.

Стерилизующие смеси по настоящему изобретению могут быть приготовлены при использовании любой эффективной техники смешения, известной специалистам в этой области. Как правило, три компонента физически смешиваются в виде ожиженной газовой композиции в баллонах. В момент использования жидкая фаза выталкивается в теплообменник, в котором она испаряется и затем вводится в стерилизационную камеру. Выбор подходящего процесса для производства конкретной стерилизующей смеси специалист в этой области может сделать, не прибегая к дополнительным экспериментам.

Стерилизующие смеси по настоящему изобретению могут быть использованы для стерилизации широкого разнообразия предметов, включая медицинское оборудование, такое как шприцы, иглы, перчатки, ампулы, одежда, медицинские нити, скальпели, катетеры, металлические или стеклянные емкости и др. Стерилизующие смеси могут быть также использованы для стерилизации изделий из резины и пластика, а также в качестве фумигаторов для таких материалов как меха, постельные принадлежности, бумажные изделия и другое оборудование. Стерилизующие смеси по настоящему изобретению эффективны против насекомых, бактерий, грибов и других различных микроорганизмов.

В варианте осуществления изобретения, относящемся к процессу, газовые композиции для стерилизации по настоящему изобретению могут быть использованы одним из способов, хорошо известных в данной сфере, преимущественно путем воздействия на предметы, требующие стерилизации, стерилизующим газом в течение периода времени и при условиях, необходимых для достижения требуемой степени стерильности. В типичном случае процесс газовой стерилизации проводится посредством помещения предметов, требующих стерилизации, в камеру, вакуумирования камеры, увлажнения камеры, запуска газовой композиции для стерилизации при подходящих температуре и давлении, установления контакта между стерилизующей атмосферой и предметами, требующими стерилизации, в течение определенного периода времени, и, наконец, разрядки и вакуумирования камеры для удаления стерилизующего газа. Хотя существует много вариантов базового процесса, главными факторами, которые необходимо контролировать для достижения стерилизации, являются время воздействия, температура, давление или парциальное давление оксида этилена и относительная влажность, при этом любой из указанных параметров специалист в этой области может выбрать, не прибегая к дополнительным экспериментам.

Газовые композиции для стерилизации по настоящему изобретению могут быть использованы с любыми обычно используемыми стерилизаторами, известными в этой области, такими как стерилизаторы, детально описанные в патентах US 5039484, Chippett et al. и US 5039485, Conviser et al.

Следующие примеры служат целям дальнейшей иллюстрации и характеристики изобретения, но не направлены на его ограничение.

Примеры

Пример 1

Проводят проверку сравнительной эффективности газовой композиции для стерилизации по настоящему изобретению, содержащей оксид этилена/(HCF-125/HCF-227ea), и коммерчески доступной смеси OXYFUMET 2002. Готовят тестовые упаковки по рекомендациям AAMI (Ассоциация Развития Медицинских Инструментов) следующим образом: один химический индикатор и два шприца, содержащих биологические индикаторы, были помещены на полотенце размером 45,7 см × 76,2 см; полотенце было сложено пополам по длине, затем по ширине; такая «упаковка» была далее завернута в первую обертку размером 61 см × 61 см, а затем во вторую обертку размером 61 см × 61 см. Проводят стерилизацию (при концентрациях стерилизующей смеси 300, 450, 600 и 750 мг/л) приготовленных таким образом тестовых упаковок в стандартных условиях (130°F (55°C), отн. влажность 40-60%). Условия стерилизации для всех загрузок были одинаковыми: 24-26 мм рт. ст., 120-135°F (49-57°C), отн. влажность 40-60%, время воздействия 30-35 мин. Время полуцикла определялось снижением времени воздействия до тех пор, пока, судя по показаниям биологического индикатора, выживал не более, чем один микроорганизм из миллиона. Это время называется временем полуцикла, так как оно удваивается для достижения времени цикла, необходимого для обеспечения полной стерилизации.

Время полуцикла для тестовых упаковок AAMI (в минутах)

Композиция300 мг/л450 мг/л600 мг/л750 мг/лOXYFUMET 2002 EO/HCFC-124/HCFC-22
(10/63/27 вес.%)9090J6045EO/HFC-125/HFC-227еа
(10,4/91,9/7,7 вес.%)45353015

Данные таблицы показывают, что газовая композиция для стерилизации по настоящему изобретению неожиданно обеспечивает стерилизацию за период времени, составляющий 30-50% от времени, требующегося для стерилизации обычной стерилизующей смесью с аналогичной концентрацией оксида этилена (активного ингредиента).

Пример 2

Газовые композиции для стерилизации по настоящему изобретению были протестированы на воспламенение при использовании методики ASTM E681-94, модифицированной для колбы на 12 л и воспламенения искрой.

КомпозицияМаксимальный вес.% оксида этилена, при котором смесь не воспламеняетсяEO/(HFC-125/HFC-227ea 91,5/8,5 вес.%)10,6EO/(HFC-125/HFC-227ca 91,5/8,5 вес.%)10,2

Пример 3

Давления паров измерялись при использовании калиброванного измерительного прибора Бурдена с точностью ±1%. Смеси готовят гравиметрически и перед определением давления пара оставляют до достижения термического равновесия на водяной бане с контролируемой температурой. Негорючие смеси HFC-125/HFC-227/EO имеют давление пара, превышающее 69 кПа, что является достаточным для выталкивания материала из баллона при 21,1°С в стерилизующую камеру с давлением 69 кПа.

Пример 4

Плотно закрывали стеклянный сосуд, содержащий смесь оксида этилена, пентафторэтана и гептафторпропана. Лишь одна жидкая фаза наблюдалась при температурах от комнатной до -10°С. Этот пример показывает, что HFC-125/HFC-227 смешиваются с оксидом этилена. Следовательно, при переходе из жидкой фазы состав компонентов смеси остается совместимым и практически постоянным.

Пример 5

Выполнялись тесты совместимости путем воздействия на тестируемый материал парами фторуглерода при 170 кПа и 130°F (55°С) в течение 16 часов. По истечении срока воздействия определялись изменения в весе материала, а также производилась визуальная инспекция. Материалы исследовались на предмет появления любых признаков разрушения, таких как трещины, разломы, потеря окраски или помутнение. Изучались следующие материалы: полипропилен/LEXAN, поликарбонат/LEXAN, полистирол, полипропилен, латекс/силиконовая резина, ПВХ, хлопковая ткань и синтетическая кожа. Результаты теста свидетельствуют о том, что пластические и полимерные материалы, обычно используемые в конструкциях медицинских приборов и несовместимые с некоторыми фторуглеродами, не проявляют признаков разрушения под воздействием HFC-125/HFC-227.

Пример 6. Был исследован максимальный объемный процент оксида этилена, который может содержаться в различных смесях для стерилизации, при условии поддержания невоспламеняемости таких смесей. В частности, был исследован максимальный объемный процент оксида этилена в композиции для стерилизации (1), которая содержит только гептафторпропан (HFC-227) в качестве подавителя пламени, в композиции для стерилизации (2), которая содержит только пентафторэтан (НРС-125) в качестве подавителя пламени, а также в композиции для стерилизации (3), которая содержит как гептафторпропан (HFC-227), так и пентафторэтан (НРС-125) в качестве подавителей пламени. Конкретная исследованная композиция (3) содержит 8.6 вес.% HFC-227 в НТС-125.

Горючесть композиций измеряли в соответствии с ASTM Е-681, при этом получили следующие максимальные концентрации (объем. %) оксида этилена в композициях для стерилизации:

На основании приведенных данных для композиций (1) и (2), а также общих для смесей правил специалист должен был бы ожидать, что смесь (3) будет иметь свойства, имеющие линейную зависимость от двух крайних значений. Например, специалист должен был бы ожидать, что смесь 50:50 HFC-227 и HFC-125 будет иметь содержание оксида этилена посредине между значениями 21.5 и 33.2.

Применяя общие для смесей правила, предсказуемое значение максимального объемного процента оксида этилена в смеси (3) может быть получено за счет элементарных математических уравнений, устанавливающих линейную зависимость между значениями композиций (1) и (2). На основании линейной зависимости специалист должен был бы ожидать, что смесь (3) будет иметь значение максимального объемного процента оксида этилена, составляющее 22.5 объем.%.

Однако экспериментально нашли, что значение максимального объемного процента оксида этилена в смеси (3) составляет 24.5 объем.%, а не 22.5 объем.%, что можно было бы предсказать, применяя общие для смесей правила. Таким образом, приведенные данные показывают, что действительное значение существенно отличается от предсказуемого значения, причем гораздо больше чем ожидаемое количество оксида этилена может быть добавлено в смесь HFC-125 и HFC-227.

Указанное расхождение предсказуемого и действительного значений максимального объемного процента оксида этилена в композициях является важным.

Например, эти результаты показывают, что на основании тех же самых относительных пропорций подавителей пламени содержание оксида этилена в смеси может быть увеличено выше предсказуемого значения. Расхождение предсказуемого значения 22.5 объем.% и действительного значения 24,5 объем.% означает, что содержание оксида этилена и, следовательно, эффективность стерилизации композиции может быть увеличена в 3 раза по сравнению с ожидаемым значением. Это дает возможность пользователю смеси возможность управления различными переменными в процессе стерилизации. Например, более высокое содержание оксида этилена позволяет снизить время обработки, так как стерилизация будет происходить быстрее. Альтернативно, то же самое время обработки может быть получено за счет использования меньшего количества смеси для стерилизации, что позволяет снизить расходы.

Изобретение относится к области стерилизации, в частности к газовым композициям для стерилизации. Невоспламеняемые газовые композиции для стерилизации содержат оксид этилена и подавитель пламени, включающий пентафторэтан и гептафторпропан, в количестве от 1,7 до 11 весовых процентов оксида этилена и от 98,3 до 89 весовых процентов подавителя пламени. Такие композиции используются для проведения газовой стерилизации чувствительных к нагреванию и влажности материалов, пригодны для использования с обычными баллонами низкого давления. Они являются более эффективными и безопасными для применения, чем традиционные газовые стерилизующие смеси. 2 н. и 10 з.п. ф-лы.

1. Газовые композиции для стерилизации, содержащие оксид этилена и подавитель пламени, который включает пентафторэтан и гептафторпропан, в количестве от 1,7 до 11 вес.% оксида этилена и от 98,3 до 89 вес.% подавителя пламени.2. Газовые композиции для стерилизации по п.1, отличающиеся тем, что оксид этилена присутствует в количестве от 6 до 11 вес.%.3. Газовые композиции для стерилизации по п.1, отличающиеся тем, что пентафторэтан присутствует в количестве от 99 до 1 вес.% и гептафторпропан присутствует в количестве от 1 до 99 вес.%, из расчета на суммарное количество присутствующих пентафторэтана и гептафторпропана.4. Газовые композиции для стерилизации по п.1, отличающиеся тем, что пентафторэтан присутствует в количестве от 95 до 15 вес.% и гептафторпропан присутствует в количестве от 5 до приблизительно 85 вес.%, из расчета на суммарное количество присутствующих пентафторэтана и гептафторпропана.5. Газовые композиции для стерилизации по п.1, отличающиеся тем, что пентафторэтан присутствует в количестве от 95 до 85 вес.% и гептафторпропан присутствует в количестве от 5 до 15 вес.%, из расчета на суммарное количество присутствующих пентафторэтана и гептафторпропана.6. Газовые композиции для стерилизации по п.1, отличающиеся тем, что пентафторэтан присутствует в количестве 91,4 вес.% и гептафторпропан присутствует в количестве 8,6 вес.%.7. Газовые композиции для стерилизации по любому из предшествующих пунктов, отличающиеся тем, что гептафторпропан представляет собой 1,1,1,2,3,3,3-гептафторпропан.8. Газовые композиции для стерилизации по п.1, отличающиеся тем, что дополнительно содержат инертный газ-вытеснитель.9. Газовые композиции для стерилизации по п.8, отличающиеся тем, что инертный газ-вытеснитель выбран из группы, состоящей из азота, диоксида углерода, аргона и трифторметана.10. Газовые композиции для стерилизации по п.9, отличающиеся тем, что инертным газом-вытеснителем является азот.11. Способ стерилизации предметов, включающий стадию воздействия на предметы газовой композицией для стерилизации, содержащей оксид этилена и подавитель пламени, который включает пентафторэтан и гептафторпропан.12. Способ стерилизации предметов по п.11, отличающийся тем, что гептафторпропан представляет собой 1,1,1,2,3,3,3-гептафторпропан.