用于行星保護的微生物消殺技術(shù)分析
發(fā)布時間：2021-07-23 22:00
發(fā)展高效的航天器微生物消殺技術(shù),進而構(gòu)建完善的微生物消殺技術(shù)體系,是目前行星保護技術(shù)的重要發(fā)展方向。從行星保護的任務(wù)要求出發(fā),綜述了干熱滅菌、氣相過氧化氫、環(huán)氧乙烷、輻射、超臨界二氧化碳和低溫等離子體等目前行星保護中所采用的以及具備潛在應(yīng)用前景的微生物消殺技術(shù),并介紹了與滅菌過程相關(guān)的前期預(yù)處理、敏感器件封裝處理和無菌包裝、傳遞與貯存等輔助技術(shù);在對研究現(xiàn)狀及實際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問題及解決方法系統(tǒng)分析基礎(chǔ)上,對我國深空探測行星保護微生物消殺技術(shù)體系提出了思考和建議。
【文章來源】：載人航天. 2020,26(06)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：11 頁
【部分圖文】：
115 ℃和170 ℃下不同濕度條件對孢子死亡速率的影響[6]
在用于行星保護的VHP滅菌工藝流程參數(shù)建立過程中,研究人員對VHP的濃度時間分布及滅菌效果進行檢測。來自NASA噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)的Chung等[14]于2008年將VHP的濃度對時間的積分Ct作為量化滅菌過程中材料實際暴露情況的參數(shù),討論了VHP濃度、溫度、相對濕度、基底材料對滅菌效力的影響。VHP對時間積分Ct與芽孢生存分?jǐn)?shù)N/N0的線性擬合程度較好(圖2),而環(huán)境溫度和氣體環(huán)境的相對濕度對滅菌效果也均有一定程度的影響。各類影響因素中,尤以不同基底材料所引起的滅菌效果差異最大。該研究采用了不銹鋼、鋁合金(6061)、聚酰亞胺膠帶、石墨烯、一種白色航天用涂料(Aptek 2711)及一種黑色航天用涂料(Z306)作為測試用基底材料。其中,除白色涂料(Aptek 2711)之外的其余各組基底材料D值接近,而白色涂料(Aptek 2711)組基底材料D值比其余各組高出近一個數(shù)量級。推測白色涂料(Aptek 2711)組表面芽孢的高生存分?jǐn)?shù)可能源于材料表面較高的粗糙度以及孔洞結(jié)構(gòu)引起的材料對芽孢的保護作用以及材料成分導(dǎo)致的過氧化氫過早降解。Malik等[15]測試了10～90 ppm范圍內(nèi)的VHP對枯草芽孢桿菌殺滅效果,并通過Weibull模型合理預(yù)測了10～4000 ppm范圍內(nèi)的VHP的D值。Simard等[16]測試了VHP-臭氧聯(lián)合滅菌器對具有復(fù)雜管腔結(jié)構(gòu)的十二指腸內(nèi)窺鏡的滅菌效果,最終SAL達到了10-6。針對VHP滅菌技術(shù)的材料兼容性,NASA JPL實驗室內(nèi)部報告顯示,其于2011年前對逾100種航天材料進行了6個數(shù)量級的VHP滅菌實驗中,多數(shù)材料性質(zhì)變化極小或幾乎未發(fā)生變化,但仍有部分材料某些性質(zhì)變化率達到15%。對此,NASA認(rèn)為材料的性質(zhì)變化并不影響其特定的工程應(yīng)用,同時VHP滅菌所產(chǎn)生的影響可通過硬件設(shè)計生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行提前考量加以解決[17]。Gale等 [18]于2009年就VHP對材料微觀結(jié)構(gòu)的影響、材料拉伸性能和耐腐蝕性的影響進行研究。結(jié)果表明VHP對2024型鋁材、7075型鋁材和304奧氏體不銹鋼的微觀結(jié)構(gòu)影響幅度相對較小,且僅限于暴露表面周邊區(qū)域,同時所檢測的3種合金的拉伸性能及暴露區(qū)域?qū)δ透g性也無較大影響。Chou等[19]指出,在對飛行器常用結(jié)構(gòu)材料,包括碳纖維/環(huán)氧樹脂(CF/E)復(fù)合材料和碳纖維/玻璃纖維/環(huán)氧樹脂(CF/GF-E)復(fù)合材料及其他無涂層結(jié)構(gòu)進行VHP滅菌及檢測后,各結(jié)構(gòu)的化學(xué)性能或機械性能無明顯變化。
NASA lin等[29]于2010年開發(fā)出一套sCO2系統(tǒng)(圖3),用于航天器材料表面有機污染物及芽孢的去除。結(jié)果表明,sCO2對鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)和有機硅等疏水性污染物的清潔度達到0.01 μg/cm2以下,達到了NASA許可的與外星樣品直接接觸的標(biāo)準(zhǔn),但樣品表面殘留孢子數(shù)量并無顯著減少。由于單純sCO2處理的微生物殺滅效率并不理想,學(xué)界主要通過在sCO2中摻雜微量化學(xué)滅菌劑的方法來提高其滅菌效力。Meyer等[30]在sCO2中摻雜300 mg/L的過氧化氫,實現(xiàn)了對膠原膜和海綿材料內(nèi)萎縮芽孢桿菌的有效殺滅,使材料的SAL達到10-6。同時,在對膠原膜和海綿材料的拉伸強度、抗撕裂能力、溶解性、氨基酸組成等理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征進行比較后,得出sCO2未對材料產(chǎn)生負面影響的結(jié)論。盡管缺乏sCO2對航天材料的性能影響數(shù)據(jù),但前述相對脆弱的生物高分子材料在經(jīng)過sCO2處理后未表現(xiàn)出明顯結(jié)構(gòu)和功能失效的結(jié)果,可能預(yù)示著sCO2滅菌技術(shù)的優(yōu)良材料兼容性。目前,sCO2滅菌技術(shù)在行星保護領(lǐng)域的應(yīng)用仍處在探索階段,雖然其必須添加化學(xué)滅菌劑才能實現(xiàn)較好的殺菌效力,且受高壓腔體大小限制,sCO2技術(shù)尚無法應(yīng)用于大型部件的清潔和滅菌,但對有機物的高效溶解清潔能力使得在去除航天器表面有機物污染,避免地外生命探測活動中出現(xiàn)地外有機物誤陽性等方面可能具有重要應(yīng)用前景,可作為滅菌技術(shù)的輔助補足技術(shù)。
本文編號：3300118
【文章來源】：載人航天. 2020,26(06)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：11 頁
【部分圖文】：
115 ℃和170 ℃下不同濕度條件對孢子死亡速率的影響[6]
在用于行星保護的VHP滅菌工藝流程參數(shù)建立過程中,研究人員對VHP的濃度時間分布及滅菌效果進行檢測。來自NASA噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)的Chung等[14]于2008年將VHP的濃度對時間的積分Ct作為量化滅菌過程中材料實際暴露情況的參數(shù),討論了VHP濃度、溫度、相對濕度、基底材料對滅菌效力的影響。VHP對時間積分Ct與芽孢生存分?jǐn)?shù)N/N0的線性擬合程度較好(圖2),而環(huán)境溫度和氣體環(huán)境的相對濕度對滅菌效果也均有一定程度的影響。各類影響因素中,尤以不同基底材料所引起的滅菌效果差異最大。該研究采用了不銹鋼、鋁合金(6061)、聚酰亞胺膠帶、石墨烯、一種白色航天用涂料(Aptek 2711)及一種黑色航天用涂料(Z306)作為測試用基底材料。其中,除白色涂料(Aptek 2711)之外的其余各組基底材料D值接近,而白色涂料(Aptek 2711)組基底材料D值比其余各組高出近一個數(shù)量級。推測白色涂料(Aptek 2711)組表面芽孢的高生存分?jǐn)?shù)可能源于材料表面較高的粗糙度以及孔洞結(jié)構(gòu)引起的材料對芽孢的保護作用以及材料成分導(dǎo)致的過氧化氫過早降解。Malik等[15]測試了10～90 ppm范圍內(nèi)的VHP對枯草芽孢桿菌殺滅效果,并通過Weibull模型合理預(yù)測了10～4000 ppm范圍內(nèi)的VHP的D值。Simard等[16]測試了VHP-臭氧聯(lián)合滅菌器對具有復(fù)雜管腔結(jié)構(gòu)的十二指腸內(nèi)窺鏡的滅菌效果,最終SAL達到了10-6。針對VHP滅菌技術(shù)的材料兼容性,NASA JPL實驗室內(nèi)部報告顯示,其于2011年前對逾100種航天材料進行了6個數(shù)量級的VHP滅菌實驗中,多數(shù)材料性質(zhì)變化極小或幾乎未發(fā)生變化,但仍有部分材料某些性質(zhì)變化率達到15%。對此,NASA認(rèn)為材料的性質(zhì)變化并不影響其特定的工程應(yīng)用,同時VHP滅菌所產(chǎn)生的影響可通過硬件設(shè)計生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行提前考量加以解決[17]。Gale等 [18]于2009年就VHP對材料微觀結(jié)構(gòu)的影響、材料拉伸性能和耐腐蝕性的影響進行研究。結(jié)果表明VHP對2024型鋁材、7075型鋁材和304奧氏體不銹鋼的微觀結(jié)構(gòu)影響幅度相對較小,且僅限于暴露表面周邊區(qū)域,同時所檢測的3種合金的拉伸性能及暴露區(qū)域?qū)δ透g性也無較大影響。Chou等[19]指出,在對飛行器常用結(jié)構(gòu)材料,包括碳纖維/環(huán)氧樹脂(CF/E)復(fù)合材料和碳纖維/玻璃纖維/環(huán)氧樹脂(CF/GF-E)復(fù)合材料及其他無涂層結(jié)構(gòu)進行VHP滅菌及檢測后,各結(jié)構(gòu)的化學(xué)性能或機械性能無明顯變化。
NASA lin等[29]于2010年開發(fā)出一套sCO2系統(tǒng)(圖3),用于航天器材料表面有機污染物及芽孢的去除。結(jié)果表明,sCO2對鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)和有機硅等疏水性污染物的清潔度達到0.01 μg/cm2以下,達到了NASA許可的與外星樣品直接接觸的標(biāo)準(zhǔn),但樣品表面殘留孢子數(shù)量并無顯著減少。由于單純sCO2處理的微生物殺滅效率并不理想,學(xué)界主要通過在sCO2中摻雜微量化學(xué)滅菌劑的方法來提高其滅菌效力。Meyer等[30]在sCO2中摻雜300 mg/L的過氧化氫,實現(xiàn)了對膠原膜和海綿材料內(nèi)萎縮芽孢桿菌的有效殺滅,使材料的SAL達到10-6。同時,在對膠原膜和海綿材料的拉伸強度、抗撕裂能力、溶解性、氨基酸組成等理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征進行比較后,得出sCO2未對材料產(chǎn)生負面影響的結(jié)論。盡管缺乏sCO2對航天材料的性能影響數(shù)據(jù),但前述相對脆弱的生物高分子材料在經(jīng)過sCO2處理后未表現(xiàn)出明顯結(jié)構(gòu)和功能失效的結(jié)果,可能預(yù)示著sCO2滅菌技術(shù)的優(yōu)良材料兼容性。目前,sCO2滅菌技術(shù)在行星保護領(lǐng)域的應(yīng)用仍處在探索階段,雖然其必須添加化學(xué)滅菌劑才能實現(xiàn)較好的殺菌效力,且受高壓腔體大小限制,sCO2技術(shù)尚無法應(yīng)用于大型部件的清潔和滅菌,但對有機物的高效溶解清潔能力使得在去除航天器表面有機物污染,避免地外生命探測活動中出現(xiàn)地外有機物誤陽性等方面可能具有重要應(yīng)用前景,可作為滅菌技術(shù)的輔助補足技術(shù)。
本文編號：3300118
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