Autoclave

Un autoclave es una máquina que se utiliza para llevar a cabo procesos industriales y científicos que requieren temperaturas y presiones elevadas en relación con la presión y temperatura ambiente . Los autoclaves se encuentran en muchos entornos médicos, laboratorios y otros lugares donde es necesario garantizar la esterilidad de un objeto.

El autoclave fue inventado por Charles Chamberland en 1879, ^{[ 1 ]} aunque un precursor conocido como digestor de vapor fue creado por Denis Papin en 1679. ^{[ 2 ]} El nombre proviene del griego auto- , que significa "propio", y del latín clavis, que significa "llave", por lo tanto, un dispositivo de autobloqueo. ^{[ 3 ]} Todos los autoclaves funcionan según los mismos principios fundamentales que una olla a presión de cocina . Los autoclaves más simples (los llamados "autoclaves de estufa") son prácticamente indistinguibles de las ollas a presión utilizadas en la preparación de alimentos.

Los autoclaves se utilizan con mayor frecuencia antes de los procedimientos quirúrgicos para esterilizar instrumentos y suministros médicos. Esto se logra sometiendo estos artículos a vapor saturado a presión a 121 °C (250 °F) con una presión manométrica de 100 kilopascales; 1,0 atmósfera estándar (15 psi) ^{[ 4 ] [ 5 ]} durante 15 a 60 minutos (o más), dependiendo del tamaño, la densidad y el contenido de la carga. ^{[ 6 ]}   

Los autoclaves industriales se utilizan en aplicaciones industriales, especialmente en la fabricación de materiales compuestos. También se emplean comúnmente en la industria química para el curado de recubrimientos, la vulcanización del caucho y la síntesis hidrotermal . Los autoclaves flexibles de grado de investigación se utilizan en una amplia gama de tareas industriales y de investigación, incluyendo el control y el aseguramiento de la calidad en la producción de alimentos y bebidas, la investigación y el desarrollo biomédico y farmacéutico, y las pruebas de productos. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Los autoclaves de esterilización se utilizan ampliamente en microbiología y micología , medicina y fabricación de prótesis , tatuajes y perforaciones corporales , prácticas funerarias y una amplia gama de industrias (incluida la producción de alimentos). Los autoclaves varían en tamaño y función según los materiales que se van a esterilizar. En las industrias química y alimentaria, a veces se les denomina retortas (en este último caso, se trata de la abreviatura de " retortas para conservas "). Las cargas típicas incluyen material de vidrio de laboratorio, medios de cultivo , otros equipos, instrumental quirúrgico y residuos potencialmente patógenos. ^{[ 9 ]}

Una aplicación reciente y cada vez más popular de los autoclaves es el tratamiento previo a la eliminación y la esterilización de materiales de desecho, como los desechos médicos patógenos . Las máquinas de esta categoría funcionan en gran medida bajo los mismos principios que los autoclaves convencionales, ya que son capaces de neutralizar (pero no eliminar) agentes potencialmente infecciosos mediante el uso de vapor a presión y agua sobrecalentada. ^{[ 10 ]} Un sistema de descontaminación térmica de efluentes funciona como un autoclave de un solo propósito diseñado para la esterilización de desechos líquidos y efluentes.

Los autoclaves también se utilizan ampliamente para curar materiales compuestos, especialmente para fusionar múltiples capas sin huecos que disminuyan la resistencia del material (como ocurre en la producción de vidrio laminado ^{[ 11 ]} ), y en la vulcanización del caucho. ^{[ 12 ]} El calor y la presión elevados que generan los autoclaves ayudan a garantizar que las mejores propiedades físicas posibles sean repetibles. Los fabricantes de mástiles para veleros tienen autoclaves de más de 15 metros (50 pies) de largo y 3 metros (10 pies) de ancho, y algunos autoclaves en la industria aeroespacial son lo suficientemente grandes como para albergar fuselajes de aviones completos hechos de materiales compuestos en capas. ^{[ 13 ]}  

Es muy importante asegurar que se elimine todo el aire atrapado de la carga antes de comenzar el ciclo de esterilización, ya que el aire atrapado es un medio muy deficiente para lograr la esterilidad. El vapor a 134 °C (273 °F) puede lograr el nivel de esterilidad deseado en tres minutos, mientras que lograr el mismo nivel de esterilidad con aire caliente requiere dos horas a 160 °C (320 °F) . ^{[ 14 ]} Los métodos de eliminación de aire incluyen:    

Desplazamiento hacia abajo (o de tipo gravitatorio):

Al entrar el vapor en la cámara, primero llena las zonas superiores, ya que es menos denso que el aire. Este proceso comprime el aire hacia la parte inferior, expulsándolo a través de un desagüe que suele contener un sensor de temperatura. La descarga solo se detiene cuando se completa la evacuación del aire. El flujo generalmente se controla mediante una trampa de vapor o una electroválvula , aunque a veces se utilizan orificios de purga. A medida que el vapor y el aire se mezclan, también es posible expulsar la mezcla por otras partes de la cámara, además de la parte inferior.

Pulsación de vapor:

Dilución del aire mediante una serie de pulsos de vapor, en los que la cámara se presuriza y despresuriza alternativamente hasta alcanzar una presión cercana a la atmosférica.

Bombas de vacío :

Una bomba de vacío aspira aire o mezclas de aire y vapor de la cámara. Se ha demostrado que las bombas de vacío mejoran la fiabilidad de la esterilización en autoclaves de vapor en un 90 % o más. ^{[ 15 ]}

Ciclos superatmosféricos:

Se realiza mediante una bomba de vacío. El proceso comienza con vacío, seguido de un pulso de vapor, luego otro vacío y, finalmente, otro pulso de vapor. El número de pulsos depende del autoclave y del ciclo seleccionado.

Ciclos subatmosféricos:

Similar a los ciclos superatmosféricos, pero la presión en la cámara nunca supera la presión atmosférica hasta que se presuriza hasta alcanzar la temperatura de esterilización.

Los autoclaves de cocina utilizados en entornos precarios o no médicos rara vez cuentan con programas automáticos de eliminación de aire. El operador debe realizar manualmente la inyección de vapor a ciertas presiones, según lo indique el manómetro. ^{[ 16 ]}

Un autoclave médico es un dispositivo que utiliza vapor para esterilizar equipos y otros objetos. Esto significa que todas las bacterias , virus , hongos y esporas se inactivan. ^{[ 17 ]} Sin embargo, los priones , como los asociados con la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob , y algunas toxinas liberadas por ciertas bacterias, como la cereulida , pueden no destruirse mediante la esterilización en autoclave a los típicos 134  °C durante tres minutos o 121  °C durante 15 minutos y, en su lugar, deben sumergirse en hidróxido de sodio (NaOH 1 M) y calentarse en un autoclave de desplazamiento por gravedad a 121  °C durante 30 min, limpiarse, enjuagarse con agua y someterse a la esterilización de rutina. ^{[ 18 ]} Aunque una amplia gama de especies de arqueas , incluyendo Geogemma barossii (cepa 121) , pueden sobrevivir e incluso reproducirse a las temperaturas que se encuentran en los autoclaves, su tasa de crecimiento es tan lenta a las temperaturas más bajas en los entornos menos extremos ocupados por los humanos que es improbable que puedan competir con otros organismos. ^{[ 19 ]} No se sabe que ninguna de ellas sea infecciosa ni que represente otro riesgo para la salud humana. Su bioquímica es tan diferente de la de los humanos, y su tasa de multiplicación es tan lenta, que los microbiólogos no tienen por qué preocuparse por ellas. ^{[ 20 ]}

Debido al uso de calor húmedo , los productos termolábiles (como algunos plásticos ) no pueden esterilizarse de esta manera, ya que se derretirían. El papel y otros productos que puedan dañarse con el vapor también deben esterilizarse de otra forma. En todos los autoclaves, los artículos deben estar siempre separados para que el vapor penetre uniformemente en la carga.

Actualmente, muchos procedimientos emplean artículos de un solo uso en lugar de artículos esterilizables y reutilizables. Esto ocurrió inicialmente con las agujas hipodérmicas , pero hoy en día muchos instrumentos quirúrgicos (como fórceps , portaagujas y mangos de bisturí ) suelen ser de un solo uso en lugar de reutilizables (véase autoclave para residuos ).

La esterilización en autoclave se utiliza frecuentemente para esterilizar los residuos médicos antes de su eliminación en el flujo habitual de residuos sólidos urbanos . Esta aplicación se ha vuelto más común como alternativa a la incineración debido a las preocupaciones ambientales y sanitarias relacionadas con los subproductos de la combustión emitidos por los incineradores, especialmente los de las pequeñas unidades que se utilizaban habitualmente en los hospitales. La incineración o un proceso de oxidación térmica similar sigue siendo a menudo obligatorio para los residuos patológicos y otros residuos médicos muy tóxicos o infecciosos. Para los residuos líquidos, un sistema de descontaminación de efluentes es el equipo equivalente.

En la mayor parte del mundo industrializado, los autoclaves de grado médico son dispositivos médicos regulados . Por lo tanto, muchos autoclaves de grado médico están limitados a ciclos aprobados por los organismos reguladores. Debido a que están optimizados para el uso hospitalario continuo, suelen tener diseños rectangulares, requieren regímenes de mantenimiento exigentes y su funcionamiento es costoso. (Un autoclave de grado médico correctamente calibrado consume miles de galones de agua al día, independientemente de la tarea, con el consiguiente alto consumo de energía eléctrica).

Los autoclaves se utilizan en investigación y educación para esterilizar instrumentos y cristalería de laboratorio, procesar residuos antes de su eliminación, preparar medios de cultivo y medios líquidos, y envejecer artificialmente materiales para pruebas. Desempeñan un papel fundamental en la investigación biomédica, farmacéutica y en la I+D industrial . Los autoclaves de investigación presentan una amplia gama de diseños y tamaños, y pueden adaptarse a su uso y tipo de carga. Las variantes comunes incluyen una cámara de presión cilíndrica o cuadrada, sistemas de refrigeración por aire o agua, sistemas de lastre de aire (para evitar la rotura de recipientes o el desbordamiento al esterilizar líquidos) y puertas de cámara de apertura vertical u horizontal (que pueden ser eléctricas o manuales). Los autoclaves de grado de investigación pueden configurarse para el funcionamiento de paso. Esto permite mantener un aislamiento absoluto entre las áreas de trabajo "limpias" y potencialmente contaminadas. Los autoclaves de investigación de paso son especialmente importantes en instalaciones BSL-3 o BSL-4 .

Los autoclaves no destinados a uso médico pueden denominarse autoclaves de "grado de investigación". Estos están diseñados específicamente para aplicaciones no médicas. Los autoclaves de investigación utilizan un diseño "sin camisa", donde el vapor se genera directamente en la cámara de presión mediante serpentines calefactores (en lugar de depender de una "camisa de vapor" y un generador de vapor independiente, como ocurre en los autoclaves médicos de alto rendimiento). Los autoclaves de grado de investigación no tienen que cumplir con los estrictos requisitos asociados a la esterilización de instrumentos que se utilizarán directamente en humanos. En cambio, pueden priorizar la eficiencia, la flexibilidad de programación, la facilidad de uso y la sostenibilidad. ^{[ 21 ]}

El costo adicional de usar un autoclave médico en un entorno no médico puede ser significativo. Para un estudio de 2016, la Oficina de Sostenibilidad de la Universidad de California, Riverside (UCR) rastreó el consumo de energía y agua de autoclaves de grado médico y de grado de investigación que realizaban tareas similares relacionadas con la investigación. Incluso cuando funcionaban dentro de los parámetros previstos, los autoclaves de grado médico consumían 700 galones de agua y 90 kWh de electricidad por día (1134 MWh de electricidad y 8,8 millones de galones de agua por año). Los autoclaves de grado de investigación de la UCR realizaban las mismas tareas con igual eficacia, pero usaban un 83 % menos de energía y un 97 % menos de agua. ^{[ 22 ]} La Universidad de Alabama en Birmingham (UAB) completó un estudio similar en 2023 comparando autoclaves de tamaño similar con camisa (es decir, "médicos") y sin camisa (es decir, "de investigación") que realizaban ciclos idénticos indicativos de la carga y las tareas de esterilización más comunes utilizadas por sus investigadores. La UAB descubrió que los autoclaves con camisa de vapor consumían significativamente más agua (44–50 galones por ciclo) y vapor de la casa (25–41 libras por ciclo) que los autoclaves sin camisa, que utilizaban menos de 2 galones de agua y no consumían vapor de la casa por ciclo. El mayor consumo de agua de los autoclaves con camisa de vapor resultó en un costo estimado de agua de $764 por autoclave al año, en comparación con $23 para los autoclaves sin camisa. Con más de 100 autoclaves con camisa de vapor en el campus, el autor calculó que el uso de autoclaves con camisa para tareas de investigación se traducía en un gasto adicional anual de $74,000 para la UAB. Los autoclaves con camisa de vapor también tenían un precio de compra inicial más alto (un 37% más que sus equivalentes sin camisa). ^{[ 23 ]}

Para esterilizar artículos de manera efectiva, es importante utilizar parámetros óptimos al ejecutar un ciclo de autoclave. Un estudio realizado en 2017 por la unidad de biocontención del Hospital Johns Hopkins evaluó la capacidad de los autoclaves de paso para descontaminar cargas de residuos biomédicos simulados cuando se ejecutaban con la configuración predeterminada de fábrica. El estudio encontró que 18 de 18 (100 %) cargas simuladas de pacientes (6 cargas de EPI, 6 de ropa de cama y 6 de líquidos) superaron las pruebas de esterilización con los parámetros optimizados, en comparación con solo 3 de 19 (16 %) cargas simuladas que las superaron con el uso de la configuración predeterminada de fábrica. ^{[ 24 ]}

Existen indicadores físicos, químicos y biológicos que permiten asegurar que un autoclave alcance la temperatura correcta durante el tiempo preciso. Si un artículo sin tratar o tratado incorrectamente se confunde con uno tratado, existe el riesgo de que se mezclen, lo cual es fundamental en áreas como la cirugía.

Los indicadores químicos en los envases médicos y la cinta de autoclave cambian de color una vez que se cumplen las condiciones correctas, lo que indica que el objeto dentro del envase, o debajo de la cinta, ha sido procesado adecuadamente. La cinta de autoclave solo sirve como marcador de que el vapor y el calor han activado el tinte. El marcador en la cinta no indica una esterilidad completa. También se utiliza un dispositivo de prueba más complejo, denominado dispositivo Bowie-Dick en honor a sus inventores, para verificar un ciclo completo. Este dispositivo contiene una hoja completa de indicador químico colocada en el centro de una pila de papel. Está diseñado específicamente para demostrar que el proceso alcanzó la temperatura y el tiempo requeridos para un ciclo mínimo normal de 134  °C durante 3,5 a 4 minutos. ^{[ 25 ]}

Para comprobar la esterilidad, se utilizan indicadores biológicos. Estos indicadores contienen esporas de la bacteria termorresistente Geobacillus stearothermophilus . Si el autoclave no alcanza la temperatura adecuada, las esporas germinarán durante la incubación y su metabolismo alterará el color de un reactivo químico sensible al pH . Algunos indicadores físicos consisten en una aleación diseñada para fundirse únicamente tras someterse a una temperatura determinada durante el tiempo de exposición pertinente. Si la aleación se funde, el cambio será visible. ^{[ 26 ]}

Algunos autoclaves controlados por computadora utilizan un valor F₀ ₍ F-cero) para controlar el ciclo de esterilización . Los valores F₀ _se establecen para el número de minutos de esterilización equivalente a 121 °C (250 °F) a 14,9 psi (103 kPa) por encima de la presión atmosférica durante 15 minutos. Dado que el control exacto de la temperatura es difícil, esta se monitoriza y el tiempo de esterilización se ajusta en consecuencia.    

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  Autoclaves de cocina, también conocidas como ollas a presión : las autoclaves más sencillas.
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  Techna - 1987, utilizado en la industria alimentaria
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  La máquina de la derecha es un autoclave que se utiliza para procesar grandes cantidades de material de laboratorio antes de su reutilización, y material infeccioso antes de su eliminación. (Las máquinas de la izquierda y del centro son lavadoras).
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  Autoclave horizontal de alta capacidad con cámara cilíndrica
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  Ilustración de un autoclave de cámara cilíndrica de paso.

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