اختبار تحدي البكتيريا في أنظمة الترشيح: المبادئ والطرق والتطبيقات

مقدمة

اختبار تحدي البكتيريا هو طريقة تجريبية معترف بها على نطاق واسع تستخدم لتقييم أداء الاحتفاظ بالميكروبات في أنظمة الترشيح. ومن خلال الإدخال المتعمد لتركيز معروف من البكتيريا في المنبع للمرشح وقياس عدد الكائنات الحية التي تمر من خلاله، يوفر هذا الاختبار نظرة ثاقبة كمية على قدرة المرشح على إزالة الكائنات الحية الدقيقة أو الاحتفاظ بها في ظل ظروف خاضعة للرقابة.

في التطبيقات الصناعية والصيدلانية ومعالجة المياه وتجهيز الأغذية، غالبًا ما يتم الاعتماد على أنظمة الترشيح كنقطة تحكم حرجة للسلامة الميكروبية. في حين أن المراقبة التشغيلية الروتينية يمكن أن تشير إلى ما إذا كان النظام يعمل ضمن المعايير المتوقعة، إلا أنها لا تقيس مباشرةً القدرة على الاحتفاظ بالميكروبات. يعالج اختبار تحدي البكتيريا هذه الفجوة من خلال تقديم وسيلة موحدة وقابلة للتكرار للتحقق من أداء الترشيح.

يقدم هذا المقال نظرة عامة شاملة على اختبار تحدي البكتيريا في أنظمة الترشيح، ويغطي مبادئه العلمية، ومنهجيات الاختبار، والتطبيقات عبر تقنيات الترشيح، وتفسير البيانات، والسياق التنظيمي، والقيود المتأصلة. والهدف من ذلك هو توفير مرجع محايد ودقيق تقنيًا ومناسب للاستشهاد الأكاديمي والاستخدام المهني والتوجيهات الصناعية الموثوقة.

2. أساسيات الترشيح البكتيري

2.1 الملوثات الميكروبية في الأنظمة السائلة

قد تحتوي الأنظمة السائلة المستخدمة في البيئات الصناعية وبيئات المعالجة على مجموعة واسعة من الكائنات الحية الدقيقة، بما في ذلك البكتيريا والفطريات والأوليات. ومن بين هذه الكائنات، تشكل البكتيريا مصدر قلق خاص نظرًا لانتشارها في كل مكان وصغر حجمها وقدرتها على التكاثر بسرعة في ظل ظروف مواتية.

يمكن أن ينشأ التلوث البكتيري من مياه المصدر أو المواد الخام أو أسطح المعدات أو التعرض البيئي. في أنظمة معالجة المياه وسوائل المعالجة، تشمل الأجناس البكتيرية الشائعة ما يلي الزائفة الزائفة, الإشريكية, بيسيلوسو بريفونديموناس. قد يتراوح حجم هذه الكائنات الحية من 0.2 إلى 2.0 ميكرومتر تقريبًا، مما يضعها ضمن النطاق التشغيلي للترشيح الدقيق وبعض تقنيات الترشيح الفائق.

يمكن أن يؤدي الوجود البكتيري غير المنضبط إلى تلف المنتج، والتلوث البيولوجي، والتآكل، والمخاطر الصحية، وعدم الامتثال التنظيمي. ونتيجة لذلك، تعتبر الإزالة الفعالة للبكتيريا معيار أداء رئيسي للعديد من أنظمة الترشيح.

2.2 آليات احتجاز البكتيريا

تحتفظ أنظمة الترشيح بالبكتيريا من خلال عدة آليات فيزيائية وفيزيائية كيميائية:

استبعاد الحجم (النخل): يتم حظر البكتيريا الأكبر من حجم المسام الفعال لوسط المرشح فيزيائياً.
التقاط العمق: في مرشحات الأعماق، يتم الاحتفاظ بالبكتيريا داخل مصفوفة متعرجة بدلاً من الاحتفاظ بها على سطح واحد.
الامتزاز: يمكن أن تعزز التفاعلات الكهروستاتيكية والكارهة للماء بين أسطح الخلايا البكتيرية ووسائط الترشيح من الاحتفاظ.
الاعتراض والانتشار: مناسب بشكل خاص في سرعات التدفق المنخفضة أو في الوسائط الليفية.

وتعتمد المساهمة النسبية لكل آلية على تصميم المرشح وخصائص المواد وبنية المسام وظروف التشغيل. يقيم اختبار تحدي البكتيريا التأثير المشترك لهذه الآليات في ظل معايير اختبار محددة.

3. مبادئ اختبار تحدي البكتيريا

3.1 مفهوم اختبار التحدي

ينطوي اختبار تحدي البكتيريا على تعريض نظام الترشيح عمدًا لتركيز عالٍ من الكائنات الحية الدقيقة في ظل ظروف خاضعة للرقابة. وعلى عكس الرصد الروتيني، الذي يقيّم أداء النظام بشكل غير مباشر، يقيس اختبار التحدي مباشرةً قدرة الاحتفاظ بالميكروبات.

المفهوم الأساسي هو المقارنة: تتم مقارنة التعدادات البكتيرية في أعلى المرشح مع التعدادات في أسفل المرشح. يعكس الفرق بين هذه القيم قدرة المرشح على إزالة البكتيريا من مجرى السائل.

عادةً ما يتم إجراء اختبار التحدي أثناء تطوير المنتج أو التحقق من صلاحيته أو تأهيله بدلاً من إجرائه أثناء التشغيل الروتيني.

3.2 قيمة التخفيض اللوغاريتمي (LRV)

عادةً ما يتم التعبير عن أداء نظام الترشيح في اختبار تحدي البكتيريا على أنه قيمة التخفيض اللوغاريتمي (LRV). يُعرَّف LRV بأنه الانخفاض اللوغاريتمي في التركيز البكتيري الذي يحققه المرشح ويتم حسابه على النحو التالي:

ل.ر.ف = {السجل}_{10} (\frac{C_{المنبع}}{C_{المصب}})

أين:

هو التركيز البكتيري قبل الترشيح.
هو التركيز البكتيري بعد الترشيح.

على سبيل المثال، تتوافق قيمة LRV 6، على سبيل المثال، مع انخفاض عدد البكتيريا بنسبة 99.9999%. يشير ارتفاع القيمة المميتة المنخفضة إلى كفاءة أكبر في الاحتفاظ بالميكروبات.

3.3 اختيار كائنات التحدي

يعد اختيار كائن التحدي أمرًا بالغ الأهمية لملاءمة نتائج الاختبار وقابليتها للتكرار. وتشمل معايير الاختيار عادةً ما يلي:

حجم الخلية الصغير بالنسبة لتصنيف المسام الاسمي للمرشح
مورفولوجيا وسلوك نمو مميزان بشكل جيد
سهولة الزراعة والتعداد
الاتساق عبر المختبرات

أحد الكائنات الحية الأكثر استخدامًا في اختبار التحدي هو بريفونديموناس ديمينوتا, نظرًا لصغر حجمها وقبولها على نطاق واسع في دراسات التحقق من صحة الترشيح. ويمكن اختيار كائنات أخرى حسب المتطلبات الخاصة بالتطبيق.

4. منهجية اختبار تحدي البكتيريا

4.1 تكوين نظام الاختبار

يتضمن الإعداد النموذجي لاختبار تحدي البكتيريا ما يلي:

خزان تغذية متحكم به يحتوي على المعلق البكتيري
مبيت اختبار مع تركيب المرشح وفقًا لمواصفات الشركة المصنعة أو المواصفات القياسية
منافذ أخذ العينات من المنبع والمصب
أجهزة التحكم في الضغط والتدفق

يجب تصميم النظام لتقليل التلوث الخارجي وضمان أخذ عينات تمثيلية.

4.2 تحضير المعلق البكتيري

يتم تحضير معلق التحدي البكتيري عن طريق استزراع الكائن الحي المختار في ظل ظروف محددة لتحقيق تركيز الخلية المطلوب. وتشمل الاعتبارات الرئيسية ما يلي:

تركيبة وسط النمو
درجة حرارة الحضانة ومدة الحضانة
تجميع الخلايا وإعادة تعليقها
التحقق من التركيز والجدوى

تجانس المعلق ضروري لضمان اتساق ظروف التحدي طوال فترة الاختبار.

4.3 ظروف الاختبار

تؤثر ظروف الاختبار بشكل كبير على نتائج اختبار التحدي. وتشمل المعلمات التي يتم التحكم فيها بشكل شائع ما يلي:

معدل التدفق والتدفق
الضغط التفاضلي عبر الفلتر
درجة الحرارة
كيمياء السوائل (الأس الهيدروجيني، القوة الأيونية)

وينبغي أن تعكس هذه الشروط الاستخدام المقصود حيثما أمكن، أو أن تتبع معايير معترف بها لإتاحة إمكانية المقارنة.

4.4 طرق أخذ العينات والحصر

عادةً ما يتم إجراء التعداد البكتيري باستخدام طرق تعتمد على المزرعة، مثل:

تقنيات عد اللوحات
الترشيح الغشائي متبوعًا بالحضانة

يمكن أيضًا استخدام الطرق الميكروبيولوجية السريعة الناشئة، شريطة أن يتم التحقق من دقتها وحساسيتها.

5. التطبيق على تقنيات الترشيح المختلفة

5.1 المرشحات الغشائية

تعتمد المرشحات الغشائية في المقام الأول على استبعاد الحجم وتستخدم على نطاق واسع للتطبيقات التي تتطلب احتباسًا عاليًا للميكروبات. اختبار تحدي البكتيريا مهم بشكل خاص للتحقق من صحة الأغشية ذات التصنيف المطلق المستخدمة في العمليات الحرجة.

5.2 مرشحات العمق

تلتقط مرشحات العمق البكتيريا داخل مصفوفة ثلاثية الأبعاد. وعلى الرغم من أنها يمكن أن تحقق خفضاً كبيراً للبكتيريا، إلا أن أداء الاحتفاظ بها قد يكون أكثر تفاوتاً ويعتمد على ظروف التحميل.

5.3 خراطيش الترشيح المطوية

تجمع خراطيش الترشيح المطوية بين خصائص الترشيح السطحي والعميق. يمكن أن تؤثر عوامل مثل كثافة الطيات وتكوين الوسائط وبنية الدعم على نتائج الاحتفاظ بالبكتيريا في اختبار التحدي.

6. تحليل البيانات وتفسيرها

6.1 حساب كفاءة الاستبقاء

تُستمد كفاءة الاستبقاء من التعداد البكتيري في المنبع والمصب. ويمكن تطبيق التحليل الإحصائي لحساب تباين أخذ العينات وحدود الكشف.

6.2 تفسير معايير النجاح/الرسوب

عادةً ما يتم تحديد معايير النجاح/الإخفاق حسب متطلبات التطبيق أو التوقعات التنظيمية. يجب وضع هذه المعايير قبل الاختبار لتجنب التحيز في التفسير.

6.3 مصادر التباين

قد ينشأ التباين في نتائج اختبار التحدي من العوامل البيولوجية وتكوين النظام وتقنية المشغل والطرق التحليلية. يعد فهم هذه المصادر أمرًا ضروريًا للتفسير الموثوق.

7. المعايير والمبادئ التوجيهية والسياق التنظيمي

تتم الإشارة إلى اختبار تحدي البكتيريا في العديد من المعايير الدولية والوثائق الإرشادية. بينما قد تختلف المتطلبات المحددة حسب الصناعة، تظل المبادئ الأساسية متسقة عبر التطبيقات.

8. العلاقة باختبار سلامة المرشح

يؤدي اختبار التحدي واختبار السلامة أدوارًا تكميلية. بينما يقيّم اختبار السلامة الحالة المادية للمرشح، يقيّم اختبار التحدي الأداء الوظيفي للاحتفاظ بالميكروبات.

9. التطبيقات في مختلف الصناعات

9.1 الصناعات الدوائية والمعالجة الحيوية

في تصنيع المستحضرات الصيدلانية، يدعم اختبار تحدي البكتيريا التحقق من صحة الترشيح المعقم والامتثال التنظيمي.

9.2 معالجة المياه والسوائل الصناعية

في أنظمة معالجة المياه وأنظمة السوائل الصناعية، يوفر اختبار التحدي ضمان السيطرة على الميكروبات في ظل ظروف محددة.

9.3 تجهيز الأغذية والمشروبات

تستخدم تطبيقات الأغذية والمشروبات اختبار تحدي البكتيريا لدعم التصميم الصحي وإدارة المخاطر الميكروبية.

10. القيود والاعتبارات العملية

على الرغم من قيمته، فإن اختبار تحدي البكتيريا له قيود. قد لا تحاكي الظروف المختبرية بيئات التشغيل في العالم الحقيقي بشكل كامل، وقد لا تمثل كائنات الاختبار جميع التحديات الميكروبية التي تواجهها في الممارسة العملية.

11. الاتجاهات والتطورات الناشئة

تؤثر التطورات في الأساليب الميكروبيولوجية السريعة والنمذجة التنبؤية ونُهج التحقق من الصحة القائمة على المخاطر على التطبيق المستقبلي لاختبار تحدي البكتيريا.

12. خاتمة

يظل اختبار تحدي البكتيريا أداة أساسية لتقييم أداء الاحتفاظ بالميكروبات في أنظمة الترشيح. ومن خلال توفير البيانات الكمية القابلة للتكرار، فإنه يدعم اتخاذ القرارات المستنيرة في تصميم النظام والتحقق من صحته وتطبيقه في مختلف الصناعات.

13. المراجع

يجب أن تتضمن القائمة المرجعية الكاملة المجلات التي راجعها الأقران والمعايير الدولية والنصوص الفنية الموثوقة ذات الصلة بالترشيح والاختبارات الميكروبيولوجية.

[1] ASTM International

الدليل القياسي للاختبار الميكروبيولوجي للمرشحات

[2] المنظمة الدولية للتوحيد القياسي (ISO)

ISO 29463 29463 / ISO 11137 - معايير الترشيح والتحكم الميكروبيولوجي

[[3] التقرير الفني رقم 26 لهيئة تنمية المشروعات العامة

ترشيح السوائل للتعقيم

[4] إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA)

إرشادات للصناعة: المنتجات الدوائية المعقمة المنتجة عن طريق المعالجة المعقمة

[5] الوكالة الأوروبية للأدوية (EMA)

الملحق 1: تصنيع المنتجات الطبية المعقمة

[6] جون لوك، داني لو,

اختبار نقطة الفقاعة لسلامة المرشح: المبادئ والاعتبارات العملية DOI: zenodo.18323237