用于行星保護(hù)的微生物消殺技術(shù)分析
發(fā)展高效的航天器微生物消殺技術(shù),進(jìn)而構(gòu)建完善的微生物消殺技術(shù)體系,是目前行星保護(hù)技術(shù)的重要發(fā)展方向。從行星保護(hù)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(hù)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(duì)研究現(xiàn)狀及實(shí)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(duì)我國深空探測(cè)行星保護(hù)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(duì)孢子死亡速率的影響[6]
在用于行星保護(hù)的VHP滅菌工藝流程參數(shù)建立過程中,研究人員對(duì)VHP的濃度時(shí)間分布及滅菌效果進(jìn)行檢測(cè)。來自NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)的Chung等[14]于2008年將VHP的濃度對(duì)時(shí)間的積分Ct作為量化滅菌過程中材料實(shí)際暴露情況的參數(shù),討論了VHP濃度、溫度、相對(duì)濕度、基底材料對(duì)滅菌效力的影響。VHP對(duì)時(shí)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(duì)濕度對(duì)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(cè)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(gè)數(shù)量級(jí)。推測(cè)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(duì)芽孢的保護(hù)作用以及材料成分導(dǎo)致的過氧化氫過早降解。Malik等[15]測(cè)試了10～90 ppm范圍內(nèi)的VHP對(duì)枯草芽孢桿菌殺滅效果,并通過Weibull模型合理預(yù)測(cè)了10～4000 ppm范圍內(nèi)的VHP的D值。Simard等[16]測(cè)試了VHP-臭氧聯(lián)合滅菌器對(duì)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(dá)到了10-6。針對(duì)VHP滅菌技術(shù)的材料兼容性,NASA JPL實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部報(bào)告顯示,其于2011年前對(duì)逾100種航天材料進(jìn)行了6個(gè)數(shù)量級(jí)的VHP滅菌實(shí)驗(yàn)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(dá)到15%。對(duì)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(shí)VHP滅菌所產(chǎn)生的影響可通過硬件設(shè)計(jì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行提前考量加以解決[17]。Gale等 [18]于2009年就VHP對(duì)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(jìn)行研究。結(jié)果表明VHP對(duì)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(duì)較小,且僅限于暴露表面周邊區(qū)域,同時(shí)所檢測(cè)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(duì)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(jìn)行VHP滅菌及檢測(cè)后,各結(jié)構(gòu)的化學(xué)性能或機(jī)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(jī)污染物及芽孢的去除。結(jié)果表明,sCO2對(duì)鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)和有機(jī)硅等疏水性污染物的清潔度達(dá)到0.01 μg/cm2以下,達(dá)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(dá)到10-6。同時(shí),在對(duì)膠原膜和海綿材料的拉伸強(qiáng)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(jìn)行比較后,得出sCO2未對(duì)材料產(chǎn)生負(fù)面影響的結(jié)論。盡管缺乏sCO2對(duì)航天材料的性能影響數(shù)據(jù),但前述相對(duì)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(hù)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(shí)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(duì)有機(jī)物的高效溶解清潔能力使得在去除航天器表面有機(jī)物污染,避免地外生命探測(cè)活動(dòng)中出現(xiàn)地外有機(jī)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(bǔ)足技術(shù)。
本文編號(hào)：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(duì)孢子死亡速率的影響[6]
在用于行星保護(hù)的VHP滅菌工藝流程參數(shù)建立過程中,研究人員對(duì)VHP的濃度時(shí)間分布及滅菌效果進(jìn)行檢測(cè)。來自NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)的Chung等[14]于2008年將VHP的濃度對(duì)時(shí)間的積分Ct作為量化滅菌過程中材料實(shí)際暴露情況的參數(shù),討論了VHP濃度、溫度、相對(duì)濕度、基底材料對(duì)滅菌效力的影響。VHP對(duì)時(shí)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(duì)濕度對(duì)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(cè)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(gè)數(shù)量級(jí)。推測(cè)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(duì)芽孢的保護(hù)作用以及材料成分導(dǎo)致的過氧化氫過早降解。Malik等[15]測(cè)試了10～90 ppm范圍內(nèi)的VHP對(duì)枯草芽孢桿菌殺滅效果,并通過Weibull模型合理預(yù)測(cè)了10～4000 ppm范圍內(nèi)的VHP的D值。Simard等[16]測(cè)試了VHP-臭氧聯(lián)合滅菌器對(duì)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(dá)到了10-6。針對(duì)VHP滅菌技術(shù)的材料兼容性,NASA JPL實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部報(bào)告顯示,其于2011年前對(duì)逾100種航天材料進(jìn)行了6個(gè)數(shù)量級(jí)的VHP滅菌實(shí)驗(yàn)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(dá)到15%。對(duì)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(shí)VHP滅菌所產(chǎn)生的影響可通過硬件設(shè)計(jì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行提前考量加以解決[17]。Gale等 [18]于2009年就VHP對(duì)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(jìn)行研究。結(jié)果表明VHP對(duì)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(duì)較小,且僅限于暴露表面周邊區(qū)域,同時(shí)所檢測(cè)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(duì)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(jìn)行VHP滅菌及檢測(cè)后,各結(jié)構(gòu)的化學(xué)性能或機(jī)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(jī)污染物及芽孢的去除。結(jié)果表明,sCO2對(duì)鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)和有機(jī)硅等疏水性污染物的清潔度達(dá)到0.01 μg/cm2以下,達(dá)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(dá)到10-6。同時(shí),在對(duì)膠原膜和海綿材料的拉伸強(qiáng)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(jìn)行比較后,得出sCO2未對(duì)材料產(chǎn)生負(fù)面影響的結(jié)論。盡管缺乏sCO2對(duì)航天材料的性能影響數(shù)據(jù),但前述相對(duì)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(hù)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(shí)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(duì)有機(jī)物的高效溶解清潔能力使得在去除航天器表面有機(jī)物污染,避免地外生命探測(cè)活動(dòng)中出現(xiàn)地外有機(jī)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(bǔ)足技術(shù)。
本文編號(hào)：3300118
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