一、灭菌工艺有关参数及其相关性

(一)D 值与Z 值

1.D值　对灭菌过程的动力学研究表明，灭菌时微生物的死亡速度可以用一级动力学过程来描述，即符合下列方程：

(3-1)

或

(3-2)

式中，N0——原有微生物数；Nt——灭菌时间为t时残存的微生物数；k——杀灭速度常数。lgNt对t作图得一直线，斜率令斜率的负倒数为D值，即：

(3-3)

由式3-3可知，当lgN0-lgNt=1时D=t，即D的物理意义为，在一定温度下杀灭微生物90%或残存率为10%时所需的灭菌时间(min)，如图3-3所示。D值越大，该温度下微生物的耐热性就越强，在灭菌时就越难被杀灭；微生物的种类、所处环境、灭菌方法、灭菌温度不同，D值也不同；对某种特定的微生物而言，在其他条件保持不变的情况下，D值随灭菌温度的变化而变化，灭菌温度升高，D值降低。不同生物指示剂在不同条件下的D值见表3-6。

2.Z值　在设计灭菌温度时，为了确保灭菌效果，必须了解在该温度下微生物的D值，同时也应掌握温度变化对D值的影响。衡量温度对D值影响的参数称为Z值。

灭菌条件不同，其灭菌速率也不同。当温度升高时，速度常数k增大，因而D值(灭菌时间)随温度的升高而减少。在一定温度范围内(100～138℃)lgD与温度T之间呈直线关系。

令

(3-4)

故Z值为，在一定温度条件下对特定的微生物灭菌时，降低一个lgD值所需升高的温度数。如图3-4所示。即灭菌时间减少到原来的1/10所需升高的温度。如Z=10℃，意思是灭菌时间减少到原来灭菌时间的10%，且具有相同的灭菌效果，所需升高的灭菌温度为10℃。式3-4可以改写为：

(3-5)

设Z=10℃，T1=110℃，T2=121℃，则D2=0.079D1。即110℃灭菌1min与121℃灭菌0.079min，其灭菌效果相当。若Z=10℃，灭菌温度每增加一度，则D1=1.259D2，即温度每增加1℃，其灭菌速率提高25.9%。

Z值越大，微生物对灭菌温度变化的“敏感性”就越弱，期望通过升高灭菌温度来加速杀灭微生物的效果就越不明显。

有人测定嗜热脂肪地芽孢杆菌在不同溶液中的Z值，结果见表3-7。

(二)F 值与F0 值

在检品中存在微量的微生物时，往往难以用现行的无菌检验法检出。因此，有必要对灭菌方法的可靠性进行验证。F与F0值可作为验证灭菌方法可靠性的参数。

1.F值　F值的数学表达式如下：

(3-6)

式中，Δt——测量被灭菌物品温度的时间间隔，一般为0.5～1.0min；T——每个时间间隔Δt所测得被灭菌物品的温度；T0——参比温度。根据表达式，F值为在一系列温度T下给定Z值所产生的灭菌效力与在参比温度T0下给定Z值所产生的灭菌效力相同时，T0温度下所相当的灭菌时间，以分为单位。即整个灭菌过程的效果相当于T0温度下F时间的灭菌效果。

2.F0值　在湿热灭菌时，参比温度定为121℃，以嗜热脂肪地芽孢杆菌作为生物指示剂，该菌在121℃时，Z值为10℃。则：

(3-7)

显然，F0值为一定灭菌温度(T)，Z为10℃所产生的灭菌效果与121℃，Z值为10℃所产生的灭菌效力相同时所相当的时间(min)。也就是说，不管温度如何变化，t分钟内的灭菌效果相当于温度在121℃下灭菌F0分钟的效果，即它把所有温度下灭菌效果都转化成121℃下灭菌的等效值。因此称F0值为标准灭菌时间(min)。按式3-7定义的F0值又叫物理F0值，目前F0值常用于热压灭菌。

灭菌过程中，只需记录被灭菌物品的温度与时间，就可算出F0。假设数据如表3-8所示，Δt为1min，即每分钟测量一次温度。

用式3-7计算如下：

计算结果说明，44min内一系列温度下的灭菌效果相当于在121℃灭菌8.49min的灭菌效果。

F0值的计算要求测定被灭菌物品内部的实际温度，并将不同温度与时间对灭菌的效果统一在121℃湿热灭菌的灭菌效力，它包括了灭菌过程中升温、恒温、冷却三部分热能对微生物的总致死效果。故F0值可作为灭菌过程的比较参数，对于灭菌过程的设计及验证灭菌效果具有重要意义。F0值仅是用时间单位表示量值，并不是“时间”的量值。

F0值的影响因素主要有：①容器大小、形状、热穿透系数；②灭菌产品溶液黏度、容器充填量；③容器在灭菌器内的数量与排布等。

F0值是121℃时微生物全部杀灭所需时间，参考式3-3，F0值等于D121值与微生物的对数降低值的乘积。由于F0值由微生物的D值和微生物的初始数及残存数所决定，所以F0值又叫生物F0值。

F0=D121×(lgN0-lgNt)

(3-8)

式中，Nt为灭菌后预期达到的微生物残存数，又叫染菌度概率(probability of nonsterility)，一般取Nt为10-6(原有菌数的百万分之一，或100万个制品中只允许有一个制品染菌)即认为达到可靠的灭菌效果。比如，将含有200个嗜热脂肪地芽孢杆菌的5%葡萄糖水溶液以121℃热压灭菌时，其D值为2.4min。则

F0=2.4×(lg200-lg10-6)=19.92(min)

(3-9)

因此，F0值也可认为是相当于121℃热压灭菌时杀死容器中全部微生物所需要的时间。

由于F0值综合考虑了温度与时间对灭菌效果的影响，而且以“标准状态”作为参照，可以较科学、准确地对灭菌程序进行设计和验证。但是，制药工业实践证明：对于耐热性差的产品，在F0值低于8时，只要强化工艺控制手段，仍能达到无菌的标准；相反，当工艺失控时，即使F0值大于8，也不一定能达到无菌的要求。

(三)无菌保证水平(sterility assurance level，SAL)

无菌保证水平系指一项灭菌工艺赋予产品无菌保证的程度。一项灭菌工艺的无菌保证水平用该灭菌批中非无菌概率来表示，通常要求SAL为10-6，即在一百万个已灭菌品中，活菌的数量不得超过一个。目前，污染概率低于百万分之一已经成为国际公认的灭菌标准。

若设灭菌产品中微生物存活概率为P，产品带菌量为N0，D121及F0之间存在如下关系式：

lgP=lgN0-F0/D121

将P=10-6代入，可得：

F0=D121×lgN0+6×D121

(3-10)

由式3-10可以看出：在一定的F0值下，灭菌的效果除了与微生物的耐热性参数有关外，还与产品的污染水平相关；产品灭菌前的含菌量越高，无菌保证的可信度就越小。因此，对于热稳定性很好，能经受苛刻灭菌条件的产品，应首选“过度杀灭法(overkill process)”，以杀灭微生物作为实现无菌的手段；对于热稳定性较差的产品，在无菌生产工艺过程中，应当将防止产品被耐热菌污染放在首位，而不是完全依赖最终灭菌去消除污染。