Kinetika kematian mikroba: reduksi log, nilai D dan z, kesetaraan suhu-waktu, dan CT

Sebuah laundry rumah sakit ingin menghemat energi. Penyelia menurunkan suhu tahap disinfeksi termal pada program linen bangsal dari 71 menjadi 65 °C, tetapi tetap memakai waktu tahan 3 menit, dengan alasan bahwa enam derajat tidak berarti apa-apa. Tidak ada keluhan selama berbulan-bulan, karena linen tetap terlihat bersih dan wangi. Ketika auditor pengendalian infeksi meminta dasar perubahan itu, laundry tidak dapat menjawab.

Model kinetika kematian mikroba menunjukkan bahwa enam derajat itu berarti banyak. Pada model yang lazim dipakai, menurunkan suhu sekitar 10 °C memperlambat kematian sekitar sepuluh kali, sehingga 65 °C memerlukan waktu tahan lebih dari tiga kali lebih lama untuk hasil yang sama (Contoh 3). Bab ini menjelaskan cara menghitung seberapa banyak mikroorganisme yang dibunuh oleh panas dan bahan kimia, dan mengapa suhu, waktu, dan konsentrasi tidak dapat diubah satu per satu tanpa menghitung akibatnya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas model sederhana kematian mikroba yang dipakai untuk memahami dan memeriksa program disinfeksi di laundry, dapur, dan air. Jenis mikroorganisme dan ketahanannya ada di Bab 2 tentang jenis mikroba, disinfektan dan cara kerjanya di Bab 4, dan disinfeksi termal linen, waktu siklus, dan contoh reduksi log dasar di Bab 14 · Laundry tentang higiene linen. Logaritma dijelaskan di Bab 9 · Satuan & Matematika tentang eksponen dan logaritma. Program disinfeksi yang dipakai di fasilitas harus mengikuti standar, pedoman, dan validasi yang berlaku; model di bab ini dipakai untuk mengerti dan memeriksa, bukan untuk menyusun program baru tanpa validasi. Nilai D, z, dan CT di bab ini adalah angka yang lazim dipakai atau angka untuk menunjukkan cara hitung.

Kematian mikroba bertahap, bukan sekaligus

Panas atau disinfektan tidak membunuh semua mikroorganisme pada saat yang sama. Dalam selang waktu yang sama, kira-kira bagian yang sama dari mikroorganisme yang masih hidup mati. Bila dalam satu menit 90 persen mati, dalam menit berikutnya 90 persen dari yang tersisa mati lagi, dan seterusnya. Kematian orde satu (first-order kinetics) adalah pola kematian ketika bagian yang sama dari mikroorganisme yang masih hidup mati dalam setiap selang waktu yang sama. Grafiknya menjadi garis lurus bila jumlah yang hidup digambar dengan skala logaritma terhadap waktu.

Akibat pentingnya: jumlah mikroorganisme tidak pernah turun ke nol dengan pasti, melainkan turun ke tingkat yang semakin kecil. Semakin besar jumlah awal, semakin lama waktu yang diperlukan untuk mencapai tingkat akhir yang sama. Karena itu pembersihan yang menurunkan jumlah awal sebelum disinfeksi sama pentingnya dengan disinfeksinya.

Tabel itu memperlihatkan bahwa setiap menit memberi pengurangan yang sama dalam skala log, walaupun jumlah yang mati setiap menit makin kecil.

Reduksi log

Reduksi log (log reduction) adalah ukuran berapa kali jumlah mikroorganisme dibagi sepuluh:

$\text{RL} = \log_{10}\frac{N_0}{N}$

dengan $N_0$ jumlah awal dan $N$ jumlah akhir. Reduksi 1 log berarti 90 persen mati, 2 log berarti 99 persen, 3 log 99,9 persen, dan 6 log 99,9999 persen (Latihan 1). Angka persen yang tampak hampir sama menyembunyikan perbedaan yang besar: dari 99,9 ke 99,999 persen adalah perbedaan seratus kali dalam jumlah yang bertahan. Karena itu tujuan disinfeksi dinyatakan dalam log, bukan dalam persen. Bab 14 · Laundry tentang higiene linen memberi contoh menghitung reduksi log dari jumlah sebelum dan sesudah.

Nilai D dan nilai z

Nilai D (D-value) adalah waktu yang diperlukan pada suhu tertentu untuk mengurangi jumlah mikroorganisme 1 log, yaitu membunuh 90 persen. Dengan model orde satu:

$N = N_0 \times 10^{-t/D}$

sehingga waktu untuk reduksi sebesar RL adalah $t = \text{RL} \times D$ (Contoh 1). Nilai D berlaku untuk satu jenis mikroorganisme, satu suhu, dan satu keadaan, misalnya di air atau di dalam kotoran. Nilai D spora bakteri pada suhu tertentu dapat ribuan kali lebih besar daripada nilai D bakteri biasa, seperti urutan ketahanan di Bab 2 tentang jenis mikroba.

Nilai z dan pengaruh suhu

Nilai D turun ketika suhu naik. Nilai z (z-value) adalah kenaikan suhu yang menurunkan nilai D sepuluh kali:

$D(T) = D(T_{\text{ref}}) \times 10^{(T_{\text{ref}} - T)/z}$

Untuk banyak bakteri biasa dan virus pada disinfeksi termal basah, nilai z sekitar 10 °C sering dipakai sebagai pendekatan. Artinya, menaikkan suhu 10 °C memperpendek waktu yang diperlukan sekitar sepuluh kali, dan menurunkan suhu 10 °C memperpanjangnya sekitar sepuluh kali (Contoh 2).

Pasangan suhu dan waktu dalam pedoman dapat dipakai untuk memeriksa nilai z yang tersirat. Bab 14 · Laundry tentang higiene linen mencatat dua pasangan dari pedoman Inggris untuk linen: 71 °C selama 3 menit dan 65 °C selama 10 menit. Kedua pasangan itu setara bila nilai z sekitar 11,5 °C (Contoh 3), dekat dengan pendekatan 10 °C.

Kesetaraan suhu dan waktu

Program disinfeksi nyata tidak bekerja pada satu suhu: air dan linen dipanaskan, ditahan, lalu didinginkan. Untuk menjumlahkan pengaruh semua bagian program, setiap selang waktu diubah menjadi waktu setara pada suhu acuan. Untuk disinfeksi termal basah, cara yang dikenal adalah nilai A0. Nilai A0 (A0 value) adalah waktu setara dalam detik pada 80 °C dengan nilai z 10 °C:

$A_0 = \sum 10^{(T - 80)/10}\,\Delta t$

dengan $T$ suhu pada setiap selang dan $\Delta t$ lamanya dalam detik. Satu detik pada 80 °C memberi $A_0 = 1$, satu detik pada 90 °C memberi 10, dan satu detik pada 70 °C memberi 0,1 (Latihan 4). Nilai A0 yang diperlukan untuk setiap jenis barang ditetapkan oleh standar dan pedoman yang berlaku untuk alat disinfeksi termal, dan tidak disalin di bab ini.

Kesetaraan ini juga menunjukkan bahwa waktu pemanasan dan pendinginan ikut menyumbang, tetapi bagian di bawah sekitar 65 °C menyumbang sangat kecil, sehingga yang dihitung terutama waktu ketika suhu benar-benar tinggi di tempat mikroorganisme berada, yaitu di inti muatan, bukan di bak.

Disinfeksi termal di laundry dan mesin cuci piring

Materi pelatihan laundry rumah sakit mencantumkan dua program pencucian menurut standar higiene laundry rumah sakit yang dikutipnya: 95 °C selama 10 menit dan 70 °C selama 25 menit. Dengan nilai z 10 °C, kedua program itu tidak setara: program 95 °C memberi A0 sekitar 19.000, sedangkan program 70 °C sekitar 150, berbeda lebih dari seratus kali (Contoh 4). Itu tidak berarti salah satunya keliru; program pencucian juga ditentukan oleh daya lepas kotoran, jenis tekstil, dan kimia yang dipakai, dan standar dapat menetapkan beberapa program dengan tujuan berbeda. Yang dapat disimpulkan teknisi adalah bahwa program yang lebih dingin tidak boleh dianggap "sama saja" tanpa dasar dari standar dan validasi.

Tiga hal praktis menentukan apakah suhu dan waktu benar-benar tercapai:

1. Suhu di inti muatan, bukan di sensor bak. Linen yang padat dan basah memerlukan waktu untuk mencapai suhu bak, seperti dihitung di Bab 14 · Laundry tentang higiene linen.
2. Waktu tahan dihitung setelah suhu tercapai, bukan sejak pemanas dinyalakan.
3. Pencatatan suhu dan waktu tiap siklus, dan pemeriksaan sensor suhu terhadap termometer acuan.

Mesin cuci piring memakai prinsip yang sama untuk bilasan panas: suhu bilasan akhir dan lamanya harus cukup di permukaan piring, seperti dibahas di Bab 1 · Dishwashing tentang siklus pencucian alat makan dan sanitasi, dan di rak Dishwashing.

Membaca suhu dan waktu dalam dokumen kerja

Dokumen kerja di lapangan sering menulis suhu tanpa waktu, atau suhu yang berbeda untuk tahap yang sama. Sebuah daftar periksa laundry menulis suhu cuci utama sekurang-kurangnya 70 °C untuk rumah sakit dan 55 sampai 60 °C untuk hotel, dengan lama cuci utama 10 sampai 20 menit, tetapi tidak menulis berapa lama suhu itu ditahan setelah tercapai. Sebuah modul higiene tekstil profesional menulis cuci utama 60 sampai 65 °C untuk formula rumah sakit. Kedua dokumen itu tidak dapat dipakai sebagai bukti disinfeksi tanpa angka waktu tahan dan acuan standarnya.

Cara membacanya:

1. Suhu tanpa waktu tahan tidak lengkap. Model di bab ini menunjukkan bahwa yang menentukan adalah pasangan suhu dan waktu, dan waktunya dihitung di inti muatan.
2. Dua dokumen yang berbeda tidak dirata-rata. Yang dipakai adalah standar atau pedoman yang berlaku untuk fasilitas itu dan spesifikasi mesinnya, dan perbedaannya dicatat dan ditanyakan.
3. Suhu air tidak sama dengan suhu permukaan. Sebuah daftar periksa layanan restoran menulis bilasan akhir mesin cuci piring 80 sampai 82 °C sekurang-kurangnya 10 detik, dan materi pelatihan mesin cuci piring menulis 80 sampai 90 °C dari pemanas penguat dengan pesan agar spesifikasi mesin selalu diikuti. Angka itu adalah suhu air di pipa bilas; permukaan piring yang terkena air itu lebih dingin, dan sasaran sanitasi panas biasanya dinyatakan pada suhu permukaan yang lebih rendah daripada suhu air bilas.
4. Verifikasi dengan pengukuran. Pencatat suhu yang ikut dalam muatan atau label suhu pada piring menunjukkan apa yang benar-benar dicapai.

Disinfeksi kimia: konsentrasi dan waktu

Untuk disinfektan kimia, kecepatan kematian bergantung pada konsentrasi dan waktu kontak. Faktor CT (CT factor) adalah hasil kali konsentrasi disinfektan dan waktu kontak. Faktor CT adalah salah satu bentuk hukum Chick-Watson dari tahun 1908, dan waktu tinggal yang sebenarnya adalah bagian T dari nilai CT. Dalam bentuk paling sederhana:

$\text{CT} = C \times t$

dengan $C$ konsentrasi disinfektan sisa dalam mg/L dan $t$ waktu kontak dalam menit. Untuk pasangan disinfektan dan mikroorganisme tertentu, reduksi log tertentu memerlukan nilai CT tertentu pada suhu dan pH tertentu. Konsentrasi yang lebih rendah dapat diimbangi waktu yang lebih lama, dan sebaliknya, dalam rentang tempat model itu berlaku (Contoh 5). Tabel nilai CT untuk air minum disusun oleh lembaga pengatur untuk klorin, kloramin, klorin dioksida, dan ozon terhadap bakteri, virus, dan kista; angka-angkanya berbeda sangat jauh antara virus dan kista (Contoh 6).

Dua hal sering dilupakan. Pertama, $C$ adalah konsentrasi sisa yang tersedia selama waktu kontak, bukan dosis yang dituang, karena sebagian disinfektan habis bereaksi dengan kotoran. Kedua, $t$ adalah waktu kontak nyata, misalnya waktu permukaan tetap basah oleh larutan, bukan waktu yang tertulis di label bila larutan sudah kering lebih dulu.

Panduan kerja dapur memberi contoh yang sejalan: alat direndam dalam larutan sanitasi sekurang-kurangnya 1 menit, permukaan yang dilap dibiarkan mengering sekurang-kurangnya 1 menit, dan larutan diganti bila kotor atau sekurang-kurangnya setiap 4 jam. Penggantian larutan itu menjaga $C$, karena larutan yang dipakai berulang kali kehilangan kadar aktifnya oleh kotoran yang masuk.

Faktor yang mengubah kecepatan kematian

1. Suhu: disinfektan kimia juga bekerja lebih lambat pada suhu rendah. Klorin tidak bekerja pada air sedingin es dari aliran pegunungan.
2. pH: kerja klorin sangat bergantung pada pH, seperti dibahas di Bab 4 tentang disinfektan. pH 7,5 adalah pH yang ideal untuk mendisinfeksi bakteri; di atas itu bagian klorin yang aktif turun cepat.
3. Kotoran organik: darah, lemak, dan sisa makanan menghabiskan disinfektan dan melindungi mikroorganisme.
4. Biofilm dan gumpalan: mikroorganisme di dalam biofilm atau gumpalan kotoran jauh lebih sulit dicapai, sehingga nilai D dan CT-nya jauh lebih besar, seperti di Bab 5 tentang biofilm.
5. Kesadahan dan bahan lain: beberapa disinfektan, misalnya amonium kuaterner, berkurang kerjanya oleh air sadah dan sisa deterjen anionik.
6. Kelembapan: panas basah jauh lebih efektif daripada panas kering pada suhu yang sama, sehingga udara panas di pengering tidak sama dengan air panas di washer.
7. Muatan dan aksi mekanik: muatan yang terlalu penuh membuat air panas dan larutan tidak menembus lipatan linen, sedangkan aksi mekanik yang cukup melepas kotoran dan mikroorganisme ke air, tempat panas dan kimia bekerja lebih baik. Mesin yang diisi melebihi kapasitasnya dapat mencapai suhu di bak tetapi tidak di tengah gulungan linen.

Batas model: bahu, ekor, dan peluang bertahan

Model orde satu adalah pendekatan. Kurva nyata sering mempunyai bahu dan ekor. Bahu (shoulder) adalah bagian awal kurva ketika mikroorganisme yang bergumpal atau terlindung belum mulai mati, dan ekor (tail) adalah bagian akhir ketika sebagian kecil yang lebih tahan atau terlindung mati lebih lambat. Ekor itulah yang membuat penambahan waktu "sedikit lagi" tidak selalu memberi reduksi yang diharapkan.

Pada jumlah yang sangat kecil, hasil model dibaca sebagai peluang. Bila jumlah awal 1.000 dan reduksinya 6 log, model memberi $10^{-3}$ mikroorganisme per barang, yang berarti kira-kira satu dari seribu barang masih membawa satu mikroorganisme hidup. Sterilisasi memakai cara berpikir ini dengan tingkat jaminan yang jauh lebih ketat, seperti dicatat di Bab 14 · Laundry tentang higiene linen.

Karena model hanya pendekatan, program disinfeksi dibuktikan dengan validasi (validation): suhu diukur dengan pencatat yang ikut di dalam muatan terpadat, waktu tahan dihitung dari data itu, dan bila diperlukan, contoh uji yang membawa mikroorganisme uji dimasukkan ke muatan lalu diperiksa laboratorium. Model berguna untuk memutuskan apakah perubahan, seperti suhu, waktu, muatan, atau bahan kimia, cukup kecil untuk diterima atau harus divalidasi ulang. Penurunan suhu pada kasus pembuka adalah perubahan yang harus divalidasi ulang.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: nilai D. Suatu bakteri mempunyai nilai D 2 menit pada 65 °C. Untuk reduksi 5 log diperlukan $5 \times 2 = 10$ menit pada 65 °C.

Contoh 2: nilai z. Dengan nilai z 10 °C, nilai D pada 71 °C adalah $2 \times 10^{(65 - 71)/10} = 2 \times 10^{-0{,}6} = 0{,}50$ menit, sehingga reduksi 5 log memerlukan sekitar 2,5 menit.

Contoh 3: nilai z yang tersirat. Pasangan 71 °C 3 menit dan 65 °C 10 menit berbeda 6 °C dan waktunya berbanding $10/3$. Nilai z yang membuat keduanya setara adalah $6/\log_{10}(10/3) = 6/0{,}523 = 11{,}5$ °C. Pada kasus pembuka, 65 °C selama 3 menit hanya memberi sekitar $3/10 = 0{,}3$ dari pengaruh program 65 °C 10 menit.

Contoh 4: dua program laundry. Program 95 °C 10 menit: $A_0 = 10^{1{,}5} \times 600 = 18.970$. Program 70 °C 25 menit: $A_0 = 10^{-1} \times 1.500 = 150$. Perbandingannya sekitar 126 kali.

Contoh 5: CT. Klorin sisa 2 mg/L selama 10 menit memberi CT $2 \times 10 = 20$ mg·menit/L. CT yang sama dengan klorin sisa 0,5 mg/L memerlukan $20/0{,}5 = 40$ menit.

Contoh 6: virus dan kista. Sebagai urutan besar yang lazim dipakai untuk klorin bebas pada air sekitar 10 °C dan pH netral, reduksi 4 log virus memerlukan CT beberapa mg·menit/L, sedangkan reduksi 3 log kista protozoa tertentu memerlukan CT lebih dari seratus. Klorin sisa 1 mg/L yang cukup untuk virus dalam beberapa menit memerlukan lebih dari satu setengah jam untuk kista itu.

Kondisi berhenti

Hentikan perubahan atau pemakaian program dan laporkan kepada pengawas bila:

1. Suhu, waktu tahan, atau konsentrasi disinfeksi akan diubah tanpa dasar dari standar, pedoman, dan validasi yang berlaku.
2. Suhu disinfeksi diukur hanya di bak, padahal muatannya padat atau besar.
3. Sensor suhu mesin belum pernah dibandingkan dengan termometer acuan.
4. Konsentrasi disinfektan diukur sebagai dosis yang dituang, bukan kadar sisa selama waktu kontak.
5. Larutan disinfektan mengering sebelum waktu kontak di label tercapai.
6. Disinfeksi dilakukan pada permukaan yang belum dibersihkan dari kotoran.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 2 tentang jenis mikroba menjelaskan perbedaan ketahanan, dan Bab 4 tentang disinfektan menjelaskan cara kerja bahan kimia, termasuk pengaruh pH pada klorin. Bab 14 · Laundry tentang higiene linen membahas disinfeksi termal linen, waktu siklus dengan keterlambatan inti muatan, dan tingkat jaminan pada sterilisasi. Bab 1 · Dishwashing tentang siklus pencucian alat makan dan sanitasi membahas sanitasi pada pencucian piring. Bab 5 tentang biofilm menjelaskan mengapa mikroorganisme di dalam biofilm memerlukan CT yang jauh lebih besar, dan Bab 9 · Satuan & Matematika tentang eksponen dan logaritma memberi dasar logaritma yang dipakai di seluruh bab ini.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.