オートクレーブ
オートクレーブ
ジャケット付き長方形チャンバーオートクレーブの断面図
用途殺菌
発明家チャールズ・チェンバーランド
関連商品廃棄物オートクレーブ
円筒形チャンバーオートクレーブの断面図

オートクレーブは、周囲の圧力と温度に比べて高い温度と圧力を必要とする工業および科学プロセスを実行するために使用される機械です。オートクレーブは、多くの医療現場、研究室、その他物体の無菌性を保証する必要がある場所で使用されています。

オートクレーブは1879年にシャルル・シャンベルランによって発明されましたが[ 1 ] 、その前身となる蒸気蒸解釜は1679年にデニス・パパンによって発明されました。[ 2 ]名称はギリシャ語の「 auto -」（自己）とラテン語の「 clavis」（鍵）に由来し、自動ロック装置を意味します。[ 3 ]すべてのオートクレーブは、キッチンの圧力鍋と同じ基本原理で動作します。最もシンプルなオートクレーブ（いわゆる「コンロ式オートクレーブ」）は、調理に用いられる圧力鍋とほとんど区別がつきません。

オートクレーブは、外科手術の前に医療器具や医療用品を滅菌するために最も一般的に使用されます。これは、これらの物品を121℃（250°F）、ゲージ圧15ポンド/平方インチ（100 kPa、1.0 atm）の加圧飽和蒸気にさらすことで行われます[ 4 ] [ 5 ]。処理時間は、処理物の大きさ、密度、内容物によって異なりますが、15～60分（またはそれ以上）です[ 6 ] 。

工業用オートクレーブは、特に複合材料の製造において、工業用途で使用されています。また、化学業界では、コーティングの硬化、ゴムの加硫、水熱合成などに広く使用されています。柔軟性の高い「研究グレード」のオートクレーブは、食品・飲料製造における品質管理・品質保証、生物医学・医薬品の研究開発、製品試験など、幅広い研究・産業用途で使用されています。[ 7 ] [ 8 ]

オートクレーブの仕組みを説明するビデオ

用途

滅菌オートクレーブは、微生物学・真菌学、医療・義肢製作、タトゥー・ボディピアス、葬儀、そして食品製造を含む幅広い産業で広く使用されています。オートクレーブは、滅菌する媒体に応じてサイズと機能が異なります。化学産業や食品産業では、レトルトと呼ばれることもあります（後者の場合は「缶詰レトルト」の略）。典型的な処理対象物には、実験用ガラス器具、培地、その他の機器、手術器具、病原性の可能性のある廃棄物などがあります。[ 9 ]

オートクレーブの近年の注目すべき用途として、病原性医療廃棄物などの廃棄物の廃棄前処理と滅菌が注目されています。 このカテゴリーの機械は、加圧蒸気と過熱水を用いて潜在的な感染性物質を中和（除去はできません）できるという点で、従来のオートクレーブとほぼ同じ原理で動作します。[ 10 ]熱排水除染システムは、液体廃棄物と排水の滅菌用に設計された専用オートクレーブとして機能します。

オートクレーブは複合材料の硬化にも広く利用されており、特に多層構造を空隙なく溶融して材料の強度を低下させることなく（例えば合わせガラスの製造など）硬化させる場合や、ゴムの加硫に広く利用されている。[ 12 ]オートクレーブが生成する高熱と高圧は、最高の物理的特性を再現性よく得ることを可能にする。ヨットの桁製造業者は、長さ50フィート（15メートル）以上、幅10フィート（3メートル）以上のオートクレーブを保有しており、航空宇宙産業のオートクレーブの中には、層状複合材料で作られた飛行機の胴体全体を収容できるほどの大きさのものがある。[ 13 ]

空気除去

滅菌サイクルを開始する前に、被滅菌物から閉じ込められた空気をすべて除去することが非常に重要です。閉じ込められた空気は滅菌状態を達成するのに非常に不向きな媒体だからです。134℃（273℉）の蒸気は3分で所望の滅菌レベルを達成できますが、熱風で同じレベルの滅菌状態を達成するには160℃（320℉）で2時間かかります。[ 14 ]空気除去の方法には以下のものがあります。

下方変位（または重力型）:
蒸気がチャンバーに入ると、空気よりも密度が低いため、まず上部に充満します。このプロセスにより空気が底部に圧縮され、ドレン（多くの場合温度センサー付き）から排出されます。空気の排出が完了した時点で、排出が停止します。流量は通常、スチームトラップまたはソレノイドバルブによって制御されますが、ブリードホールが使用される場合もあります。蒸気と空気が混合すると、チャンバーの底部以外の場所から混合物を排出することも可能です。
蒸気の脈動：
一連の蒸気パルスを使用して空気を希釈します。このとき、チャンバーは交互に加圧され、その後大気圧近くまで減圧されます。
真空ポンプ：
真空ポンプはチャンバーから空気または空気と蒸気の混合物を吸引します。真空ポンプは、蒸気オートクレーブにおける滅菌の信頼性を90%以上向上させることが実証されています。[ 15 ]
超大気圧サイクル:
真空ポンプで実現します。真空引きから始まり、蒸気パルス、真空引き、蒸気パルスへと続きます。パルスの数は、使用するオートクレーブとサイクルによって異なります。
大気圏下層循環:
大気圧超サイクルに似ていますが、滅菌温度まで加圧されるまでチャンバー圧力は大気圧を超えることはありません。

劣悪な環境や医療現場以外で使用されるコンロ式オートクレーブには、自動空気除去プログラムが搭載されていることは稀です。操作者は、ゲージの指示に従って、特定の圧力で手動で蒸気パルスを発生させる必要があります。[ 16 ]

医学では

歯科用器具はオートクレーブで150～180  ℃で2時間滅菌する

医療用オートクレーブは、蒸気を用いて機器やその他の物体を滅菌する装置です。これにより、あらゆる細菌、ウイルス、真菌、胞子が不活性化されます。[ 17 ]しかし、クロイツフェルト・ヤコブ病に関連するプリオンや、セレウリドなどの特定の細菌が放出する毒素は、通常の134℃で3分間、または121℃で15分間のオートクレーブ処理では破壊されない可能性があります。そのため、これらの毒素は水酸化ナトリウム（1M NaOH）に浸漬し、重力置換型オートクレーブで121℃、30分間加熱した後、洗浄、水ですすぎ、通常の滅菌処理を施す必要があります。[ 18 ]ジオゲンマ・バロッシ（株121）を含む多くの古細菌種は、オートクレーブ内の温度でも生存し、繁殖することさえできるが、人間が生息する環境ほど極端ではない低温では増殖速度が非常に遅いため、他の生物と競合できる可能性は低い。[ 19 ]これらの細菌は、いずれもヒトへの感染性やその他の健康リスクをもたらすことは知られていない。生化学はヒトのそれと大きく異なり、増殖速度も非常に遅いため、微生物学者はこれらの細菌を心配する必要はない。[ 20 ]

湿熱滅菌法を用いるため、熱に弱い製品（一部のプラスチックなど）は溶解してしまうため、この方法では滅菌できません。紙など、蒸気によって損傷を受ける可能性のある製品も、別の方法で滅菌する必要があります。すべてのオートクレーブにおいて、蒸気が均一に浸透するよう、対象物は常に離して設置してください。

今日の多くの処置では、滅菌・再利用可能な器具ではなく、使い捨て器具が使用されています。これは最初に皮下注射針で起こりましたが、今日では多くの外科器具（鉗子、持針器、メスの柄など）が、再利用可能な器具ではなく、使い捨て器具であることが一般的です（廃棄物オートクレーブを参照）。

オートクレーブ処理は、医療廃棄物を標準的な都市固形廃棄物として処分する前に滅菌するためによく用いられます。この方法は、焼却炉、特に個々の病院で一般的に稼働していた小型焼却炉から排出される燃焼副産物に対する環境および健康への懸念から、焼却の代替手段としてより一般的に使用されるようになりました。病理学的廃棄物やその他の非常に有毒または感染性の高い医療廃棄物については、焼却または同様の熱酸化処理が依然として義務付けられていることがよくあります。液状廃棄物については、排水除染システムが同等のハードウェアとなります。

ほとんどの先進国では、医療グレードのオートクレーブは規制対象の医療機器です。そのため、多くの医療グレードのオートクレーブは、規制当局が承認したサイクルでしか動作できません。病院での連続使用に最適化されているため、長方形のデザインが好まれ、厳格なメンテナンスが必要となり、運用コストも高くなります。（適切に校正された医療グレードのオートクレーブは、作業内容に関係なく、毎日数千ガロンの水を使用し、それに伴って電力消費量も高くなります。）

研究において

オートクレーブは、研究・教育分野において、実験器具やガラス器具の滅菌、廃棄前の廃棄物処理、培地や液体培地の調製、試験用材料の人工熟成などに利用されています。生物医学研究、製薬研究、産業研究開発において重要な役割を果たしています。研究用オートクレーブは、幅広いデザインとサイズがあり、用途や試験対象物の種類に合わせてカスタマイズできます。一般的なオートクレーブには、円筒形または角形の圧力チャンバー、空冷または水冷システム、エアバラストシステム（液体滅菌時の容器の破裂や吹きこぼれを防ぐため）、垂直または水平に開閉するチャンバードア（電動または手動）などがあります。研究グレードのオートクレーブは、「パススルー」運転に設定することもできます。これにより、「クリーン」な作業エリアと汚染の可能性がある作業エリアを完全に分離することが可能になります。パススルー研究用オートクレーブは、BSL-3またはBSL-4施設において特に重要です。

医療現場での使用を意図していないオートクレーブは、「研究用」オートクレーブと呼ばれることがあります。これらは医療以外の用途に特化して設計されています。研究用オートクレーブは「ジャケットレス」設計を採用しており、加熱コイルを用いて圧力室内で直接蒸気を発生させます（高スループット医療用オートクレーブのように「スチームジャケット」と独立した蒸気発生器に依存するのではなく）。研究用オートクレーブは、人体に直接使用される器具の滅菌に関連する厳しい要件を満たす必要はありません。その代わりに、効率性、プログラミングの柔軟性、使いやすさ、持続可能性を優先することができます。[ 21 ]

医療用オートクレーブを医療以外の用途で使用すると、追加コストがかなりかかる場合があります。2016年の調査で、カリフォルニア大学リバーサイド校（UCR）のサステナビリティオフィスは、医療グレードと研究グレードのオートクレーブで同様の研究関連作業を行った際の電力と水の消費量を追跡しました。意図されたパラメータ内で動作している場合でも、医療グレードのオートクレーブは1日あたり700ガロンの水と90kWhの電力を消費しました（年間では1,134MWhの電力と880万ガロンの水）。UCRの研究グレードのオートクレーブは、同じ作業を同等の効果で実行し​​ましたが、エネルギー消費量は83%、水消費量は97%も削減されました。[ 22 ]アラバマ大学バーミングハム校（UAB）は2023年に同様の研究を実施し、同規模のジャケット付き（つまり「医療用」）オートクレーブとジャケットなし（つまり「研究用」）オートクレーブを、研究者が使用する最も一般的な負荷と滅菌作業を示す同一のサイクルで比較しました。UABは、ジャケット付きオートクレーブは、ジャケットなしオートクレーブと比較して、水（1サイクルあたり44～50ガロン）と蒸気（1サイクルあたり25～41ポンド）を大幅に多く消費することを発見しました。ジャケットなしオートクレーブは、1サイクルあたり2ガロン未満の水と蒸気を使用しませんでした。ジャケット付きオートクレーブの水使用量が多いため、ジャケット付きオートクレーブ1台あたりの年間水コストは764ドルと推定されました。一方、ジャケットなしオートクレーブの場合は23ドルでした。キャンパス内に100台以上の蒸気ジャケット付きオートクレーブがあるため、著者は、ジャケット付きオートクレーブを研究用途に使用すると、UABの年間超過支出が74,000ドル増加すると計算しました。ジャケット付きオートクレーブは初期購入価格も高かった（ジャケットなしの同等品より37％高かった）。[ 23 ]

品質保証

滅菌バッグには「滅菌インジケーターマーク」が付いていることが多く、バッグとその内容物が適切に処理されると、通常は色が濃くなります。未処理のバッグ（左）と適切にサイクル処理されたバッグ（右）のマークを比較すると、明らかな違いが分かります。

物品を効果的に滅菌するには、オートクレーブサイクルを実行する際に最適なパラメータを使用することが重要です。ジョンズ・ホプキンス病院のバイオコンテインメントユニットが2017年に実施した研究では、工場出荷時のデフォルト設定でパススルーオートクレーブを運転した場合の模擬医療廃棄物の除染能力がテストされました。この研究では、最適化されたパラメータを使用した場合、模擬患者負荷（PPE 6個、リネン6個、液体負荷6個）のうち18個（100%）が滅菌試験に合格したのに対し、工場出荷時のデフォルト設定を使用した場合、模擬負荷は19個のうちわずか3個（16%）しか合格しませんでした。[ 24 ]

オートクレーブが適切な温度に適切な時間で達していることを確認するために使用できる物理的、化学的、生物学的指標があります。未処理または不適切な処理が行われた物品が処理済みの物品と混同される危険性があり、これは外科手術などの分野では重大な問題です。

医療用包装材やオートクレーブテープに付着した化学指示薬は、適切な条件が満たされると色が変わり、包装材内またはテープ下の物体が適切に処理されたことを示します。オートクレーブテープは、蒸気と熱によって染料が活性化されたことを示すマーカーに過ぎません。テープ上のマーカーは完全な滅菌状態を示すものではありません。発明者にちなんでボウイ・ディック装置と名付けられた、より複雑なチャレンジ装置も、完全なサイクルの検証に使用されます。この装置には、紙の束の中央に化学指示薬のシートが1枚ずつ配置されています。この装置は、処理が通常の最小サイクル（134℃、3.5～4分）に必要な温度と時間を達成したことを証明するために特別に設計されています。[ 25 ]

無菌性を証明するために、生物学的指標が用いられる。生物学的指標には、耐熱性細菌であるジオバチルス・ステアロサーモフィルスの胞子が含まれている。オートクレーブが適切な温度に達しない場合、胞子は培養中に発芽し、その代謝によってpH感受性化学物質の色が変化する。物理的指標の中には、所定の温度に適切な保持時間さらされた場合にのみ溶解するように設計された合金で構成されているものがある。合金が溶解すれば、その変化は目に見える形で現れる。[ 26 ]

一部のコンピュータ制御オートクレーブでは、滅菌サイクルを制御するためにF 0（Fノート）値を使用しています。F 0値は、大気圧より103 kPa（14.9 psi）高い圧力で121 °C（250 °F）で15分間滅菌する時間（分）に設定されます。正確な温度制御は困難なため、温度を監視し、それに応じて滅菌時間を調整します。

追加画像

  • コンロ式オートクレーブ（圧力鍋とも呼ばれる）は最もシンプルなオートクレーブです。
    コンロ式オートクレーブ（圧力鍋とも呼ばれる）—最もシンプルなオートクレーブ
  • Techna - 1987年、食品業界で使用
    Techna - 1987年、食品業界で使用
  • 右側の機械は、大量の実験器具を再利用前に処理したり、感染性物質を廃棄前に処理したりするために使用されるオートクレーブです。（左側と中央の機械は洗浄機です。）
    右側の機械は、大量の実験器具を再利用前に処理したり、感染性物質を廃棄前に処理したりするために使用されるオートクレーブです。（左側と中央の機械は洗浄機です。）
  • 円筒形チャンバーを備えた水平型大容量オートクレーブ
    円筒形チャンバーを備えた水平型大容量オートクレーブ
  • 円筒形チャンバーパススルーオートクレーブの図
    円筒形チャンバーパススルーオートクレーブの図

参考文献

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