Автоклав в лаборатории назначение

Автоклав – это специализированный аппарат, предназначенный для осуществления нагрева веществ при высоком давлении. Создаваемые в нем условия позволяют сдвинуть точку кипения жидкости вверх, обеспечив более высокотемпературную обработку.

Где используется автоклав

Сфера применения данного оборудования весьма обширна. Оно является часто встречаемым в различных отраслях промышленности:

Наиболее распространены автоклавы в пищевой промышленности, где они используются для проведения температурной обработки законсервированных продуктов. Все предлагаемые в продаже рыбные консервы и тушенка прошли обработку в автоклаве, благодаря чему приобрели характерную степень готовности. В фармакологической промышленности данное оборудование позволяет подготавливать компоненты медикаментов, создавая такие условия, в которых осуществляются оптимальные химические реакции и полная стерилизация. С помощью автоклавов изготовляются аграрные удобрения. В химической промышленности применяются аппараты большой вместимости, сырье для обработки в которые завозиться вагонетками.

Особая разновидность автоклавов нашла широкое применение в медицине. С помощью данного оборудования осуществляется стерилизация медицинского инструмента. Это более эффективно, чем можно достигнуть путем обыкновенного кипячения.

Принцип работы автоклава

Устройство работает на основании давно известных законов физики. Любая жидкость имеет свою точку кипения, при достижении которой дальнейший разогрев невозможен. Жидкое вещество начинает переходить в пар. В случае с водой кипение происходит при температуре 100°С. Активизация образования пара может начаться еще на 90°С. При длительном кипячении воды она полностью испарится.

Автоклав представляет собой закрытую емкость, в которой осуществляется нагнетание давления. Как следствие при достижении температура в 100°С интенсивное выделение пара не происходит, поэтому жидкость может прогреться еще больше. Система саморегулируется. То небольшое количество пара, которое получается, способствует увеличению давления, тем самым создавая еще более мощный останавливающий эффект газообразования для жидкого вещества.

Благодаря тому, что удается достигнуть температуры выше 100°С, в таких условиях осуществляется более качественное уничтожение вредоносных бактерий. Также проводятся химические реакции, которые в обыкновенных условиях невозможны.

Устройство пищевого автоклава

Широкое распространение нашел бытовой автоклав, который применяется для готовки домашних консервов. Данное оборудование можно встретить в заводском и самодельном исполнении. Всего различают 2 принципиально отличающихся между собой вида автоклавов:

Кроме конструктивных особенностей оборудование отличается между собой по вместительности. Она обычно измеряется в количестве банок, которые можно поместить в емкости прибора. Этот показатель указывается в количестве банок объемом 1 л и 0,5 л.

Обыкновенные автоклавы

Такое устройство представляет собой емкость выполненную из толстостенного металла с плотной крышкой, которую можно затягивать болтами или специальным винтом. Между крышкой и горловиной корпуса автоклава имеется термостойкая прокладка. В устройстве размещается дополнительное оборудование:

Принцип использования устройства предусматривает установку в емкости нескольких банок с закатанными жестяными крышками продуктами. Их количество варьируется в зависимости от вместительности бачка. После этого все заливаются водой таким образом, чтобы ее уровень находился на 2 см выше крышки верхней банки. Далее осуществляется герметизация автоклава. На него устанавливается крышка с прокладкой и плотно притягивается к корпусу. Для этого на горловине предусматриваются различные зажимные приспособления. Это могут быть проушины, выступающие в качестве упора, или отверстия с резьбой для вкручивания болтов. При наличии проушин на крышке автоклава имеется специальный винт для зажима.

После проведения полной герметизации осуществляется искусственное нагнетание давления. Для этого через ниппель подсоединяется автомобильный или велосипедный насос, применяемый для накачки шин. С его помощью в автоклав заканчивается воздух обычно до давления 1,5 атм. После этого в специальное посадочное гнездо на крышке заливается несколько миллилитров машинного масла. Оно используется в качестве неиспаряемого теплопроводника. В полученную ванну опускается термометр для жидкости, шкала которого позволяет контролировать температуру свыше 140-150°С.

Устройство устанавливается на газовую или электрическую плиту. После этого включается конфорка и осуществляется поднятие температуры. Постепенно содержимое автоклава разогревается. Все доводится до температуры свыше 120°С. После этого ориентируясь по термометру осуществляется ручной контроль интенсивности нагрева. В случае допущения ошибки, имеющийся на крышке клапан сброса давления выпустит лишний воздух и пар, чтобы предотвратить разрыв стеклянных банок и самой емкости.

Для предотвращения несчастных случаев рекомендовано помимо использования автоматического клапана также иметь на крышке автоклава манометр для самостоятельного визуального контроля за давлением. Если изначально с помощью насоса оно поднимается до уровня 1,5 атм., то при нагреве значительно увеличивается. Предельный уровень давления указывается в паспорте устройства и обычно составляет 3-7 атм. Если будет наблюдаться превышение рекомендуемой нормы и клапан не сработает, нужно отключить нагрев и произвести экстренный сброс давления вручную через ниппель для закачки воздуха.

Электрические автоклавы

В случае же с электрическими устройствами выполнение обработки пищи осуществляется намного легче. Они имеют практически аналогичное строение с обыкновенным автоклавом, но оснащены дополнительными приспособлениями:

• Электрическим нагревателем.
• Автоматическим терморегулятором.

Наличие электрического нагревателя в виде тэна позволяет отказаться от необходимости поднимать тяжелый автоклав на высокую плиту. Достаточно просто включить устройство в розетку, тем самым осуществляя нагрев жидкости и банок с консервацией. Более совершенные приборы обыкновенно имеют в своей конструкции терморегулятор. Его датчик фиксирует температуру и при надобности отключает тэн. Это исключает необходимость постоянно контролировать интенсивность нагрева.

Такие автоклавы работают практически полностью автоматически. Стоит отметить, что даже производители данного оборудования рекомендуют периодически проводить контроль температуры вручную, ориентируясь по термометру. Подавляющее большинство электрических терморегуляторов, которые ставятся на автоклавы, имеют небольшую погрешность. Как следствие ее нужно компенсировать. Для этого следует провести сравнение между той температурой, которая поставлена на терморегуляторе, и реальными показаниями термометра. Если фактическая температура ниже, чем установленная в настройках регулятора, то необходимо добавить эти несколько градусов. В случае, когда тэн греет больше, на терморегуляторе следует убрать пару делений. После этого ориентируясь по термометру нужно проверить, стали ли условия идеальными.

Советы для безопасного пользования автоклавом

Применяя автоклав необходимо строго соблюдать несколько правил:

• Использовать только целые стеклянные банки, на поверхности которых нет трещин. Стекло нужно проконтролировать на наличие дефектов, таких как пузырьки воздуха. Если применять плохие банки, то существует вероятность их разрыва внутри устройства. Как следствие содержимое будет испорчено.
• Пользуясь рекомендуемой производителем книгой рецептов для автоклава необходимо осуществлять замер продолжительности готовки только с момента достижения оптимальной температуры приготовления. Для подавляющего большинства бытовых автоклавов она составляет 120°С. При этом даже устройство работающее с терморегулятором в процессе готовки будет периодически поднимать и опускать температуру в пределах 5°С, что является нормой.
• Перед установкой банок в автоклав необходимо уложить на дно бачка плотную ткань в несколько слоев. Это позволит компенсировать разницу температуры между жидкостью, в которой находится стекло, и металлической емкостью. Также вместо ткани могут применяться деревянные решетчатые подставки, предназначенные под кастрюли.
• Все последующие ряды банок устанавливается друг на друга без применения подставок. Это позволит обеспечить оптимальную циркуляцию жидкости и равномерный нагрев.
• После окончания времени готовки автоклав снимается с огня или проводится отключение его тэна. Устройство оставляется до полного остывания. Открывать емкость раньше опасно, поскольку произойдет стремительный выброс горячего пара. Когда температура в автоклаве упадет до 30°С имеющиеся давление необходимо сначала сбросить через золотник ниппеля, после чего открывать крышку.
• В том случае если при готовке наблюдается избыточное давление, при этом не произошло срабатывание автоматического клапана, для ручного сброса нужно нажать на золотник ниппеля. Делать это необходимо удлиненной проволокой, чтобы убрать руки от траектории выхода струи разгоряченного воздуха и пара. При этом нагрев устройства необходимо отключить, поскольку при падении давления интенсивности испарения будет увеличиваться.

Автокла́в (греч. авто — сам + лат. clavis — запор, задвижка [1] ) — герметичный аппарат для различных операций, которые требуют нагрева под давлением выше атмосферного [1] . В этих условиях достигается ускорение реакции и увеличение выхода продукта. При использовании в химии или для проведения химических реакций используют название химический реактор. При использовании в медицине для стерилизации при высоком давлении и температуре — только автоклав. В случае, если стерилизация проводится при высокой температуре, но без давления, используют термин стерилизатор или сушильный шкаф. Был изобретён Дени Папеном в 1679 году.

Содержание

Разновидности автоклавов [ править | править код ]

Автоклавы бывают: вращающиеся, качающиеся, горизонтальные, вертикальные и колонные. Автоклав представляет собой сосуд либо замкнутый, либо с открывающейся крышкой. При необходимости снабжаются внутренними, наружными или выносными теплообменниками, механическими, электромагнитными, либо пневматическими перемешивающими устройствами и контрольно-измерительными приборами для измерения и регулирования давления, температуры, уровня жидкости и т. п.

Конструкция автоклавов [ править | править код ]

Конструкция и основные параметры промышленного автоклава разнообразны, ёмкость от нескольких десятков см³ до сотен м³, предназначаются для работы под давлением до 150 МПа (1500 кгс/см²) при температуре до 500 °C. Для химических производств, в случае необходимости перемешивания продукта, как вариант, перспективны автоклавы с бессальниковыми мешалками и экранированным электродвигателем, не требующим уплотнения. Ротор этого электродвигателя насажен непосредственно на вал мешалки и накрыт герметичным тонкостенным экраном из немагнитного материала, не препятствующего проникновению магнитных силовых линий от статора электродвигателя к ротору.

При производстве строительных материалов применяют туннельные или тупиковые автоклавы. Внешне они представляют собой трубу 3—6 м в диаметре и 15—20 м в длину, закрываемую крышкой с байонетным затвором (тупиковые с одной стороны, туннельные с двух сторон).

Вдоль по длине автоклава расположены рельсы для вагонеток с изделиями. Автоклавы оборудованы магистралями для впуска насыщенного пара, перепуска отработанного пара в другой автоклав, выпуска пара в атмосферу или в утилизатор и для конденсатоотвода.

В пищевой промышленности используются вертикальные и горизонтальные автоклавы широкого спектра разновидностей, размеров и принципов действия. Например, в горизонтальных автоклавах для пищевой промышленности может создаваться необходимое противодавление по отношению к каждой отдельно взятой упаковке с продуктом, что позволяет проводить стерилизацию продуктов не только в жёсткой таре (стеклобанка, жестебанка), но и в мягкой и полужёсткой упаковке.

Применение автоклавов [ править | править код ]

Автоклавы применяются в химической промышленности (производство гербицидов, органических полупродуктов и красителей, в процессах синтеза); в гидрометаллургии (выщелачивание с последующим восстановлением из растворов цветных и драгоценных металлов, редких элементов); в резиновой промышленности (вулканизация технических изделий); в пищевой промышленности (стерилизация, пастеризация продуктов [в том числе консервов] [2] , приготовление пищи); в промышленности стройматериалов (изготовление силикатного кирпича, автоклавного газобетона). Автоклавы широко используются в медицине. Также при создании изделий из карбонового волокна, для придания им твёрдых форм.

Рубашка автоклава защитная — устройство, предохраняющее швы и основной материал корпуса реактора от воздействия теплоносителя.

Массовое применение автоклавы получили именно в пищевой промышленности. Современные автоклавные кулинарные системы оснащены многоступенчатыми механизмами защиты, специальными замками и системами автоматического отключения. На сегодняшний день для этих целей во всем мире постоянно используется около 1,5 млн автоклавов.

Применение автоклавов не ограничивается промышленными масштабами. Автоклавы малых размеров и малой производительности используются в бытовых целях, для приготовления домашних мясных, рыбных и овощных консервов. Бытовые автоклавы могут быть как промышленного изготовления, так и самодельными, изготовленными из газового баллона или ресивера. Бытовые автоклавы, аналогично промышленным автоклавам, оснащаются устройствами контроля температуры, давления и предохранительными клапанами.

Автоклавы в пищевой промышленности [ править | править код ]

Автоклавный способ приготовления пищи — это метод приготовления продуктов в герметичном сосуде или в автоклаве, не позволяющем воздуху или жидкости покидать ёмкость, находящуюся под высоким давлением. Поскольку при увеличении давления точка кипения жидкости смещается вверх, температура жидкости внутри системы может превышать 100 °C, при этом жидкость не достигает точки кипения. Большинство кулинарных систем высокого давления работают при рабочем давлении 1.5 — 1.9 атмосферы. При таком давлении температура кипения воды поднимается до 125 °C. Повышенная температура позволяет приготовить продукт несоизмеримо быстрее стандартного способа.

Например, порезанная свежая капуста готовится в течение одной минуты. Свежие зелёные бобы или небольшие картофелины готовятся около пяти минут, а целая курица до 3 кг — около 20 минут. Другое преимущество автоклавного способа приготовления пищи — достижение эффекта тушения и медленного кипения продукта за очень короткий срок.

В настоящее время небольшие установки используют альпинисты, для того чтобы вскипятить воду на больших высотах. Высоко в горах вода выкипает, не достигая температуры 100 °C, что препятствует правильному приготовлению пищи и нормальной тепловой обработке продуктов, как писал Чарльз Дарвин в «Путешествии на Бигле».

Автоклавный способ приготовления пищи считался очень взрывоопасным. Современные автоклавные кулинарные системы оснащаются различными механизмами защиты — специальными замками, клапанами, системами автоматического отключения и т. п.

Принцип работы системы [ править | править код ]

При обычных условиях нагрев жидкости выше точки кипения невозможен. Как только температура воды достигает 100 °C, вода становится паром и уходит из зоны нагрева. Интенсивное образование пара в ёмкости с жидкостью и называется кипением. Если вода кипятится долго, то она переходит в пар полностью.

Когда вода кипятится в автоклаве, повышается температура кипения. Это происходит так: по мере того, как температура воды приближается к 100 °C, испарение воды усиливается. Водяной пар, являясь, по сути, газом, создаёт в автоклаве избыточное давление, что приводит к уменьшению дальнейшего испарения, и в итоге давление поднимается настолько, что кипение останавливается, и нагретая выше 100 °C вода продолжает оставаться жидкой. Чем выше температура, тем выше давление в системе. Более высокое тепло, да ещё и при повышенном давлении, оказывает более мощный эффект как на приготовление продуктов, так и на разрушение микроорганизмов.

Подобный процесс легко достижим при приготовлении твёрдых непещеристых продуктов. В случае приготовления губкообразных, пещеристых продуктов, следует выбирать систему с глубоким вакуумированием ёмкости. Остаточное содержание газов может способствовать защите бактерий от разрушения, создавая термоизоляцию для их оболочек.

Существуют автоклавы, которые используют фракционное вакуумирование, которое удаляет газы в несколько циклов, обеспечивая 100 % проникновение тепла в процессе стерилизации и гомогенизации продукта.

Питательные вещества [ править | править код ]

Поскольку пища готовится без интенсивного испарения и быстрее обычного, в автоклаве из продуктов вываривается существено меньше жидкости, витаминов, минералов, солей и прочих веществ.

Эксплуатация промышленных автоклавов [ править | править код ]

При применении автоклавов их владелец обязан обеспечить должное состояние сосудов и условия их работы. В этих целях назначается прошедший обучение ответственный за исправное состояние и безопасную эксплуатацию сосудов, работающих под давлением.

Персонал, на который возложены обязанности по обслуживанию сосудов, должен вести тщательное наблюдение за порученным ему оборудованием путём его осмотра, проверки действия арматуры, КИП, предохранительных и блокировочных устройств и поддержания сосудов в исправном состоянии. Результаты осмотра и проверки должны записываться в сменный журнал.

В России нормативные документы по эксплуатации автоклавов издаются и утверждаются Ростехнадзором [3] .

Под автоклавированием понимают обработку инструментов, белья, химической посуды и приспособлений, других материалов горячим паром при повышенном давлении. В этих условиях достаточно быстро, менее, чем за час, погибают все бактерии и вирусы.

Автоклавирование — более узкий термин, чем стерилизация. Стерилизация тоже подразумевает уничтожение всех патогенных микроорганизмов, но способы могут быть выбраны разные, в том числе и автоклавирование. Кроме этого, бывает:
• химическая стерилизация (различными химическими реактивами, например, этиловым спиртом, газами, перекисью водорода, соединениями йода, хлорамином и т.п.);
• стерилизация ультрафиолетом, например с помощью бактерицидных облучателей, установок для обеззараживания воздуха Амбилайф;
• стерилизация ультразвуком;
• обработка инфракрасным излучением;
• стерилизация в сухожаровых шкафах (воздушных стерилизаторах).

Автоклавы

Автоклавирование производится с помощью специальных аппаратов — автоклавов. Автоклавы различаются размерами, конструкцией, назначением. В лабораториях и медицинских учреждениях они применяются для стерилизации. На промышленных предприятиях с помощью автоклавов производят красители, гербициды, резинотехнические изделия, стройматериалы, карбоновые волокна, металлы, продукты питания и многое другое. Выпускаются и бытовые автоклавы для консервирования в домашних условиях.

Принцип работы автоклава основан на том, что при нормальном давлении вода кипит при +100 °С. При дальнейшем подводе тепла, температура воды не повышается, а начинается интенсивное парообразование. Если сосуд закрыт герметично, то давление пара начинает расти. Начинает расти и температура воды и пара. В сбалансированной системе процесс испарения прекращается, а образовавшийся горячий пар легко проникает в клетки микроорганизмов, убивая их.

Горячий пар, в том числе, убивает и споры. Для увеличения обеззараживающего эффекта, многие модели автоклавов оснащены системой для удаления воздуха и кислорода, в нем содержащегося. Дело в том, что кислород может способствовать защите некоторых бактерий. Напротив, пар в автоклаве с откачанным воздухом обладает большей проникающей силой.

Автоклавы бывают разных конструкций, размера, степени автоматизации, но все они состоят из:
• внешнего корпуса, способного выдерживать высокое давление;
• крышки со встроенным манометром и клапаном для снижения избыточного давления;
• камеры с водой, генерирующей пар (оснащена краном для слива остатков воды после окончания работы);
• камеры для стерилизуемых материалов и оборудования, в которую подается пар под давлением.

Подвод тепла может быть как внешним, например, от газовой или электрической плиты, так и встроенным (электронагреватели).

Работа с автоклавом сопряжена с определенным риском. Оставленный без присмотра автоклав способен взорваться. Именно поэтому автоклавированием разрешается заниматься только специально обученному персоналу.

Автоклавирование

Процесс автоклавирования начинается с того, что крышку прибора с помещенными в него стерилизуемыми предметами герметично закрывают и закрывают все краны, кроме клапана для выхода воздуха. В камеру для воды наливают воду и включают нагреватели. Дожидаются того момента, когда камера со стерилизуемым материалом заполнится паром, который начнет вытеснять воздух. Давление поднимают до 1 атмосферы и ждут полного выхода воздуха. После этого доводят давление (по показаниям манометра) до нужной величины и с этого момента начинается отсчет времени стерилизации.

После того, как стерилизация окончена, сначала отключают нагреватели, потом открывают кран и выпускают пар. Только после того, как манометр покажет значение «0», крышку можно открыть. Все материалы из автоклава сразу же выгружают — оставлять их там нельзя! Воду из камеры сливают и оставляют автоклав для просушки.

Различают два основных режима автоклавирования:

1. Более жесткий с температурой +132 °С и давлением в 2 атмосферы. Время стерилизации 20 минут. В этом режиме стерилизуют перевязочный материал, стеклянную, фарфоровую и из нержавейки посуду, устойчивые к коррозии инструменты, стеклянные шприцы, иглы, пинцеты и пр.; белье, спецодежду.
2. Щадящий с температурой +120 °С и давлением 1,1 атмосферы. Время — 45 мин. Так стерилизуют изделия из пластиков (полипропилен, полиэтилен высокой плотности, полистирол), резины, латекса.
В медицинских учреждениях и биологических лабораториях периодически проводят проверку работы автоклава. Для этого при очередном цикле работы устройства внутрь закладывают ампулы с бензойной кислотой (становится фиолетового цвета при нагревании до +120 °С) или с мочевиной (расплавляется при +132 °С). Для более точного анализа в автоклав закладывают пробирки с сапрофитами и их спорами, а потом в лаборатории проверяют, пережили ли они процедуру.