Le cycle de stérilisation des liquides en autoclave

La stérilisation des liquides en autoclave est une procédure courante dans les laboratoires de microbiologie et les centres de recherche, où la stérilité des liquides est essentielle pour l’intégrité des expériences scientifiques et des processus de production.

Les autoclaves, appareils fonctionnant avec de la vapeur d’eau sous pression, sont souvent utilisés pour stériliser les instruments et les objets solides. La stérilisation des liquides, tels que les milieux de culture et les solutions tampons, présente des défis uniques qui influencent le paramétrage et la durée du cycle de stérilisation à employer.

Un aspect critique de la stérilisation des liquides est d’éviter l’effet « boil-over », un phénomène qui se produit lorsqu’un liquide chaud dans un récipient fermé subit un changement soudain de pression, entraînant une ébullition spontanée et un débordement. Ce risque, ainsi que la nécessité de contrôler soigneusement la vitesse de chauffage et de refroidissement, distingue la stérilisation des charges liquides de celle des objets solides.

Principes de base de la stérilisation des liquides en autoclave

Le cycle pour liquides en autoclave consiste en un cycle par gravité avec quelques modifications, car la durée de la phase de chauffage doit être prolongée et la phase de refroidissement doit être contrôlée. Bien que la température de stérilisation utilisée soit de 121 °C, la durée dépendra largement de la quantité et de la taille des récipients contenant les liquides.

Contrairement aux cycles par gravité et sous vide, qui sont destinés aux processus de stérilisation de matériel solide et poreux, le cycle des liquides est spécifiquement conçu pour traiter des charges liquides contenues dans des récipients. Il a pour objectifs d’éviter les échecs de stérilisation, la surchauffe de la charge, l’ébullition spontanée et de minimiser la perte de liquide par évaporation.

Pour atteindre ces objectifs, la phase de chauffage doit être contrôlée de façon précise. Les grands volumes de liquides subissent un retard important pour atteindre la température de la chambre, et ils mettent donc beaucoup de temps à chauffer. Par conséquent, si on applique à une charge liquide le même temps d’exposition qu’à une charge d’objets solides, celle-ci n’atteindra pas la température de stérilisation à la même vitesse.

Le phénomène inverse se produit lors de la phase de refroidissement : les liquides baissent de température bien plus lentement que les solides. C’est la raison pour laquelle les utilisateurs inexpérimentés courent le risque de se brûler lorsqu’ils retirent la charge : même si la température de la chambre a atteint une température sûre, les liquides peuvent être encore très chauds.

Un autre aspect à prendre en compte est qu’une dépressurisation trop rapide pendant la phase de refroidissement peut provoquer l’effet « boil-over », c’est-à-dire l’ébullition spontanée du liquide. Par conséquent, le cycle de stérilisation utilisé pour les liquides doit comporter une dépressurisation progressive de la chambre, en réduisant lentement la pression afin d’éviter les changements brusques de température.

Les défis spécifiques de la stérilisation des liquides

Comme nous l’avons vu, la stérilisation en autoclave des liquides présente des défis spécifiques en raison des propriétés physiques des liquides et de la nécessité de maintenir leur intégrité au cours du processus.

Gestion de la chaleur spécifique élevée des liquides

L’une des principales difficultés de la stérilisation des liquides est leur chaleur spécifique élevée. Par rapport aux solides, les liquides ont besoin de beaucoup plus d’énergie pour augmenter leur température. Cela signifie que les cycles de stérilisation des liquides doivent être plus longs, car il faut plus de temps pour que le liquide atteigne la température de stérilisation. De même, le refroidissement prend plus de temps, ce qui prolonge la durée totale du cycle.

Pour résoudre ce problème, les autoclaves modernes peuvent être équipés d’une sonde centrale qui contrôle la température interne de la charge et fait également office de régulateur du cycle. Cela signifie que, si on programme un cycle de traitement de liquides avec une température de stérilisation de 119 °C pendant 10 minutes, la minuterie ne démarrera pas tant que la température de la charge elle-même n’aura pas atteint 119 °C.

Dans les autoclaves traditionnels, la minuterie démarre lorsque la température de la chambre atteint 119 °C, mais la température de la charge liquide à ce moment peut être de seulement 105 °C. Cette divergence est une cause fréquente d’échec de la stérilisation des charges liquides.

Prévention de l’effet « boil-over »

Ce phénomène, également appelé ébullition rapide, est causé par un changement rapide de pression pendant la phase de refroidissement, qui peut provoquer des éclaboussures et des débordements et, par conséquent, la perte de charges stérilisées et, pire encore, la souillure des appareils et du reste de la charge.

Il n’est jamais agréable de devoir nettoyer un autoclave avec des résidus de gélose solidifiés sur les parois de la chambre. Pour éviter ce problème, il est nécessaire de réaliser une dépressurisation échelonnée pendant la phase de refroidissement et de contrôler de manière précise la température de la charge au moyen d’une sonde centrale.

Maintien de l’intégrité des liquides

Un autre défi important est celui de maintenir l’intégrité chimique et biologique des liquides, d’autant plus qu’ils mettent beaucoup de temps à refroidir, ce qui peut entraîner une surcuisson et des pertes de temps considérables. Cette situation est particulièrement problématique pour les liquides thermolabiles, dont les propriétés peuvent être affectées par une exposition inutile à des températures élevées. Par exemple, le taux de croissance dans certains milieux de culture peut diminuer en raison de la dégradation des protéines ou des triglycérides, tandis que certains réactifs peuvent subir des modifications de leur composition chimique.

Pour éviter ce problème, il est recommandé d’utiliser des autoclaves dotés de systèmes de refroidissement rapide, qui réduisent considérablement le temps d’exposition à la chaleur et permettent d’utiliser la charge beaucoup plus rapidement, ce qui augmente considérablement la productivité des laboratoires. Selon le type de système de refroidissement rapide utilisé et le type de charge, la durée du cycle peut être réduite jusqu’à 90 %, ce qui représente un gain de plus de 60 minutes par cycle de stérilisation.

Les ventilateurs et les serpentins d’eau font partie des technologies les plus courantes. Par ailleurs, les autoclaves modernes sont dotés de systèmes de surpression afin d’éviter le « boil-over » pendant la phase de refroidissement et de minimiser la perte de liquide par évaporation. Un autre type d’autoclaves, les préparateurs de milieux, permet de réaliser des gains de temps encore plus importants.

Paramètres clés du cycle de stérilisation des liquides

Il est clair que le cycle des liquides en autoclave est un processus délicat qui nécessite le réglage précis de plusieurs paramètres pour garantir une stérilisation efficace et sûre. Ces paramètres comprennent la température et la pression de la chambre de stérilisation, la température de la charge, le temps d’exposition et le contrôle de la phase de refroidissement, chacun d’entre eux jouant un rôle crucial dans la réussite du processus.

1. Température et pression optimales

   La température et la pression sont les facteurs les plus critiques de la stérilisation des liquides. En général, les liquides sont stérilisés à une température d’environ 121 °C, sous une pression d’environ 1,1 bar. Cette combinaison de température élevée et de haute pression est efficace pour éliminer tous les micro-organismes et même les spores. Toutefois, pour les liquides thermolabiles, il convient d’utiliser des températures plus basses.

   Dans tous les cas, il est essentiel de maintenir ces conditions de manière constante pendant la phase de stérilisation afin de garantir la stérilité totale du liquide. Il est également recommandé de toujours utiliser une sonde centrale qui permet de suivre la température à l’intérieur de la charge, et de contrôler le cycle par cette température plutôt que celle de la chambre de stérilisation.

2. Temps de stérilisation

   Le temps d’exposition à la température de stérilisation est un autre paramètre fondamental. Ce temps varie en fonction du volume et du type de liquide, mais aussi de la charge totale de l’autoclave. Les liquides nécessitent un temps d’exposition plus long que les solides en raison de leur chaleur spécifique plus élevée.

   Le temps d’exposition varie en général de 15 minutes à plus de 30 minutes en fonction de ces facteurs. Il est recommandé d’utiliser des indicateurs biologiques pour valider les processus et d’essayer de minimiser le volume de liquide dans les récipients afin de réduire les temps de cycle. Il est plus efficace de traiter un plus grand nombre de récipients de plus petit volume qu’un plus petit nombre de récipients de plus grand volume.

   Enfin, il est recommandé d’utiliser de cycles de stérilisation régulés par F₀, qui permettent de quantifier avec précision la létalité du traitement thermique. En utilisant la valeur F₀, le cycle de stérilisation est automatiquement ajusté en fonction des besoins spécifiques de la charge. Cela permet d’éviter les problèmes d’efficacité dus à une exposition trop courte à la chaleur, ou le manque de reproductibilité lié à la disposition de la charge à l’intérieur de l’autoclave, tant en termes de forme que de nombre de récipients.

3. Contrôle de la phase de refroidissement

   La phase de refroidissement est une étape importante du cycle de stérilisation des liquides. Une dépressurisation rapide entraînera une ébullition incontrôlée des liquides, tandis qu’un refroidissement trop lent prolongera inutilement le cycle et entraînera la surcuisson de la charge, affectant la qualité des liquides traités. Afin d’éviter les changements brusques de température et de pression pendant la phase de refroidissement, il convient donc d’utiliser un autoclave avec un programme spécifique pour les liquides.

   Pour les laboratoires ayant des besoins importants, il est recommandé d’utiliser des autoclaves avec système de refroidissement rapide ou des préparateurs de milieux pour accélérer ce processus sans en compromettre la sécurité ou l’efficacité. Grâce à ce type d’autoclaves, la productivité des laboratoires peut être améliorée de manière exponentielle.

4. Suivi et validation

   Le suivi et l’enregistrement de chaque processus sont essentiels pour garantir que chaque cycle de stérilisation est effectué correctement. Il se fait en général par l’intermédiaire de capteurs et de contrôles automatisés qui ajustent la température, la pression et la durée en fonction des besoins. Par ailleurs, la validation régulière du bon fonctionnement de l’autoclave est essentielle pour confirmer que ses performances restent efficaces au fil du temps.

Autoclaves et accessoires spécifiques pour la stérilisation des liquides

Il existe sur le marché différentes options pour améliorer l’efficacité et la sécurité de la stérilisation des liquides, toutes basées sur l’utilisation de technologies et de modèles spécialisés :

• Autoclaves avec cycles de stérilisation des liquides

Ces autoclaves sont dotés de systèmes de contrôle et de programmes spécifiques pour la stérilisation des liquides. Les modèles les plus avancés permettent une programmation par la valeur F₀ plutôt que par la température de stérilisation.

• Autoclaves avec sonde centrale flexible

Ils fournissent des lectures en temps réel de la température à l’intérieur de la charge liquide. Cet accessoire permet de contrôler que la stérilisation est effectuée correctement et que la charge elle-même est exposée à la température cible pendant la durée requise.

• Systèmes de refroidissement rapide

Ces systèmes permettent de réduire la durée de la phase de refroidissement. Ils peuvent utiliser des ventilateurs externes ou internes, un serpentin à eau, une chemise de refroidissement ou des systèmes de douche à eau.

Cas particuliers des liquides sensibles à la chaleur

La stérilisation des charges liquides thermolabiles nécessite une approche plus prudente et adaptée afin de préserver l’intégrité physique et chimique de la charge tout en garantissant sa stérilité. De telles charges liquides – comme certains réactifs chimiques et milieux de culture – peuvent se dégrader ou voir leurs propriétés altérées lorsqu’elles sont exposées trop longtemps à des températures élevées.

Pour éviter ce problème, il est conseillé de travailler avec l’équivalence thermique entre différentes températures et différents temps en utilisant la valeur F₀.

Utilisation de la valeur F₀

La valeur F₀ permet de quantifier la stérilité d’un procédé thermique et l’équivalence de létalité entre deux processus. Il s’agit d’une méthode largement utilisée pour la stérilisation des aliments, et qui est également fondamentale pour préserver l’intégrité des substances sujettes à la thermolyse.

Concrètement, la valeur F₀ représente le temps d’exposition en minutes qui équivaut à 121 °C. Ainsi, une valeur F₀ de 3 indique une stérilisation équivalente à trois minutes à 121 °C. En appliquant la formule, on peut calculer qu’une valeur F₀ de 3 équivaut à 6 minutes à 118 °C. En d’autres termes, une stérilisation de 3 minutes à 121 °C équivaut à une stérilisation de 6 minutes à 118 °C.

De cette manière, il est possible d’extrapoler l’efficacité de stérilisation d’un procédé à d’autres températures, facilitant ainsi l’adaptation précise d’un traitement thermique. Ainsi, on peut modifier la température maximale afin d’optimiser la relation entre la stérilisation et la préservation des propriétés physicochimiques du produit.

Calcul de la durée d’un cycle régi par les valeurs F₀

Lorsque l’on travaille avec un autoclave doté de programmes F₀, seules la valeur F₀ cible et la température maximale du processus doivent être indiquées, ce qui élimine la nécessité de programmer une durée du cycle de stérilisation. En effet, l’autoclave mesure automatiquement l’évolution de la valeur F₀ réelle et arrête le cycle lorsque la valeur F₀ cible est atteinte.

Refroidissement des liquides thermolabiles

Un refroidissement soigneux est tout aussi important pour les liquides sensibles à la chaleur.
Un refroidissement trop lent entraînera une surexposition à la chaleur.
De même, une dépressurisation rapide entraînera des éclaboussures et des déversements.
Il est donc fortement recommandé d’utiliser des autoclaves équipés de systèmes de refroidissement rapide et de support de pression pour traiter ces types de charges, afin de réduire le temps pendant lequel la charge est chaude au minimum nécessaire.

Bonnes pratiques et conseils pour une stérilisation efficace des liquides en autoclave

Pour optimiser la stérilisation des liquides dans un autoclave, nous vous recommandons de suivre certaines pratiques :

1. Choisir des récipients appropriés

   Utilisez toujours des récipients résistants à la chaleur et laissez toujours un espace pour la dilatation thermique des liquides.

2. Maintenir les bouchons légèrement ouverts

   Pour éviter que les récipients ne se brisent ou ne débordent, les liquides ne doivent jamais être stérilisés dans des conteneurs hermétiques, à moins que l’on utilise un cycle avec soutien de pression. Les bouchons des bouteilles doivent être légèrement dévissés et les Erlenmeyers doivent être recouverts d’une feuille d’aluminium.

3. Adapter correctement les paramètres de l’autoclave

   Ajustez la durée du cycle en fonction du volume total des récipients à stériliser et utilisez un autoclave qui effectue une dépressurisation échelonnée pendant la phase de refroidissement.

4. Utiliser un autoclave avec programmes pour les liquides et système de refroidissement rapide

   Ceci vous permettra un gain de temps considérable, évitera la surcuisson de la charge, offrira une plus grande sécurité aux opérateurs et, à long terme, permettra d’économiser du temps consacré au nettoyage en cas de débordement de la charge.

   

5. Suivi et validation

   Dotez l’autoclave d’une sonde centrale et placez-la à l’intérieur d’un récipient de référence. Ainsi, vous pourrez suivre avec précision l’évolution de la température à l’intérieur de la charge et vérifier que celle-ci a été exposée à la température cible pendant la durée requise. Il est également fortement recommandé d’utiliser des indicateurs biologiques et chimiques pour confirmer la réussite de la stérilisation, et de tenir un registre détaillé de tous les processus effectués.

6. Manipulation de la charge

   Évitez d’ouvrir prématurément la porte de l’autoclave et manipulez les récipients avec précaution après la fin du cycle. Comme nous l’avons indiqué, les liquides mettent beaucoup plus de temps à se réchauffer que les objets solides et il en va de même pour la phase de refroidissement.

7. Maintenance et nettoyage réguliers de l’autoclave

   Maintenez l’autoclave propre et effectuez des inspections et une maintenance régulières pour garantir le bon fonctionnement des mécanismes de sécurité et prolonger sa durée de vie.

En suivant ces pratiques, vous pouvez améliorer l’efficacité et la sécurité de la stérilisation des liquides en autoclave, en garantissant des résultats reproductibles et fiables dans n’importe quel contexte.