高压蒸汽灭菌是常用的重要灭菌法。使用该法进行灭菌时需要排出灭菌器中的冷空 气, 然后维持一定压力达预定时间, 才能保证灭菌成功。对于排放冷空气的必要性, 一 些文献解释为:如有空气混存, 则锅内温度低于同样压力下由纯饱和蒸汽产生的温 度 [ 1] 、 空气膨胀压大于水蒸汽的膨胀压 [ 2, 3 ] 。另一些文献也给出排出部分空气后灭菌器 中温度与压力的数据, 但没有说明获得这些数据的方法 [ 2～ 5] 。这些不能从理论上对灭菌 时排放冷空气的必要性作出解释, 给微生物学实验课程的教学带来一些困难。本文试用 物理化学方法分析高压蒸汽灭菌器中混合气体温度和压力的关系, 对此给予解释。

1　理论分析 

1. 1　高压蒸汽灭菌器中水蒸汽温度与压力的关系

1. 2　高压蒸汽灭菌器中空气温度与压力关系 灭菌器加热前气相可视为完全由空气组成 ( 20 ℃时水蒸汽压力只有 2. 34kPa [ 7 ] )。 在本文所考虑的温度、 压力范围内可假定空气为理想气体。本文不考虑传热过程, 只考 虑充分平衡后空气与水蒸汽等温, 因而灭菌器内空气温度与压力关系遵从理想气体方程 [ 6]

1. 3　高压蒸汽灭菌器中混合气体总压力与温度关系 密封容器中混合气体总压力 P 可用道 尔顿分压定律来表示[ 6] :在本问题中气相 只存在水蒸汽和空气 ( 假定均匀)两组分, 因而有: 　　P =Pw +Pa ( 8) 式中 Pw 、 Pa 分别表示水蒸汽和空气分压。 存在空气时 PW 略有升高, 但可忽略不 计 [ 6,7] 。由文献 [ 7] 的数据和方程( 7)分 别得到 Pw-T 和 Pa-T 关系, 从图 2 可见这 两者关系分别是指数曲线和直线, 方程 ( 3)和( 7)同样反映了这一事实。因此无法 直接从 Pw 和 Pa 导出 P 与 T 的关系。但 从图中可见 P-T 关系仍为一变形的指数曲 线, 可近似地用修改后的 Antoine 方程来 描述:

2　计算方法 

2. 1　Antoine 方程的系数 令方程 ( 7)中的 V1/V2=1 (即保留 100%空气) , P1 =101. 33kPa, T1 =293K , 用 下列方法可求得系数 A′ 、 B′ 、 C′。由文献 [ 7] 查出某一温度 ( 80 ℃～ 120℃范围内)时 水的蒸汽压数据 Pw , 由方程 ( 7)求得同一温度时空气全部保留时的压力 Pa, 根据方 程 ( 8)求得该温度时的总压力 P 

2. 2　灭菌器中保留不同量空气时温度的计算 根据 2. 1 中计算灭菌器中残留不同量空气时所得的Antoine 方程的系数, 确定空气 保留量, 用方程 ( 10)计算不同压力下的温度。 

3　结果与讨论 

3. 1　Antoine 方程的系数

解释是正确的;而 “空气膨胀压大于水蒸汽的膨胀压[ 2～ 3 ] ” 则与事实相反, 因水的 P-T 关系为指数方程, 水的蒸汽压随温度上升而快速上升 (图 2) , 而空气的 P-T 关系为直 线方程。 文献 [ 2～ 5] 关于灭菌器内温度和压力的数据相同。比较本文表 2 数据和上述文献 数据, 可见在排放相同量空气和相同的压力值条件下, 上述文献中温度数据值要高。虽 然这些文献没有说明计算方法, 但经过仔细分析, 可知这些文献均只考虑到空气分压因 素, 而没有考虑空气受热膨胀因素。以文献 [ 2] 为例, 在压力表值 10 1bf· in -2和保留 一半空气条件时 ( V1/V2 =0. 5)的温度为 105℃。此时灭菌器内实际压力为 [ 10 × 6. 896 (换算因子)+101. 33 ( 大气压) ] =170. 29 kPa, 从此值中减去一半量空气不受 热膨胀而产生的分压 Pa, 得 Pw =170. 29 - 101. 33×0. 5 =120. 24 kPa。从文献 [ 7] 或根据本文表 1 中由第 5 行系数所决定的 Antoine 方程, 可知在此压力下纯水蒸汽的温 度为 105 ℃。将总压力 P 维持在一定值时, 空气不可避免地要被加热, 即 Ta 上升, 从 而 Pa↗※Pw ↘※Tw ↘, 直至 Ta =Tw , 即 Tw <105 ℃。根据本文方法计算 (表 1 第 3行方程) , 在上述例子相同条件下温度只有 101. 2℃。显然不考虑空气受热膨胀的因素 是不合理的。 方法是由 80 ℃～ 120℃的数据建立 Antoine 方程, 在此范围内的误差较小, 在此范 围外误差较大, 特别是在残留空气量较大和 80℃以下条件时, 所得温度值要高于实际 值。应用 Clausius-Clapeyron方程、 波义耳理想气体方程和道尔顿分压定律, 分析了高 压蒸汽灭菌器中混合气体温度和压力的关系, 计算出保留不同量空气时的 Antoine 方 程, 导出以压力表值 ( P)计算温度的 ( T)方法, 对应用高压蒸汽灭菌必须排放空气 的措施给予定量理论理论解释。