灭菌器是很多科学实验和医疗操作中不可或缺的日常仪器，但在国内的博物馆收藏和科学史研究中均被忽视。高压蒸汽灭菌器的发明和使用得益于19世纪西方科学和技术发展，它的流行也是工业生产、商业运作和跨国贸易的结果。
01
引言
尽管从古典时代开始就有学者提出微生物存在的假说，但直到19世纪，现代科学的发展才证明微生物的存在，让人认识到食物变质、人体感染和疾病传播等都由微生物导致。这一认识的结果是各种以现代微生物学为基础的杀菌或消毒方法诞生，并被应用于科学研究、教学实验、医疗操作和工业生产中而产生的。从那时起，最主要的消毒和灭菌方法分为物理和化学方法，其中物理灭菌又以高温灭菌用途最广。19世纪末期开始，工业生产的灭菌器种类繁多、式样丰富，其中应用最为广泛、最有效的便是高压蒸汽灭菌器（autoclave），它是医院和科学实验室的器具、衣物和环境消毒必不可少的工具，作为器物见证了灭菌技术和机构变迁的历史。
清华大学科学博物馆藏有一台美国生产的进口高压灭菌器（见图1）。因为这台灭菌器曾经被清华大学著名土木工程学专家陶葆楷先生使用过，因而又赋予它一段特定的微观历史。
图1清华大学科学博物馆藏高压蒸汽灭菌器
这台灭菌器在美国生产、在清华大学使用数十年，经数代学人之手，辗转数个校内教学和科研单位，20世纪90年代才退役。追溯它的历史能为我们了解灭菌设备仪器的发展、演化、使用以及清华乃至中国近代微生物实验提供线索。
02
消毒与灭菌器：历史回顾
从文明早期开始，人类就从经验中认识到高温在不同生活情境中的作用。但直到19世纪，科学的进步才发现微生物是食物腐败、人体疾病和伤口感染的共同原因。17世纪，显微镜的使用使科学工作者们确认了它们的存在。但当时生物学领域盛行的“自然发生论”认为这些微小的生物是自然形成，并且不参与任何生物学或者化学过程。
微生物学在19世纪得到了突破性发展。最重要的贡献者和奠基人之一是法国科学家路易·巴斯德（LouisPasteur），他从酿酒和食品制造中获得了关于微生物的知识，并且通过科学实验、著述和辩论树立了生源说（Germtheory），证明微生物的存在和对有机体所产生的影响：它们导致了食物腐败、外伤感染和疾病传播。与此同时，他也是现代灭菌和消毒操作的先驱者，从科学上发现了高温在杀菌消毒方面的作用：他设计的巴氏消毒法（Pasteurization）如今仍然广泛应用于食品工业；而现代高压蒸汽灭菌器的起源也与他的工作息息相关。
现代高压蒸汽灭菌器的起源可以追溯到17世纪。1679年，波义尔的助手、法国发明家丹尼斯·帕潘（DenisPapin）发明了一个名为蒸汽蒸煮器（Steamdigester）的装置。这个装置有一个密封的容器和盖子，密封容器内盛水加热之后可以避免蒸汽外泄，从而增加压强，令容器内温度保持在100摄氏度以上，以便能烹煮骨头。帕潘的蒸煮器被视为压力锅和蒸汽机的前身，同时也是高压灭菌器的前身。
1831年，威廉·亨利（WilliamHenry），一位来自英国曼彻斯特的医生，证明经过蒸汽高温处理的衣物和其他物品可以避免传播疾病。19世纪70年代之后，随着微生物学和细菌学的发展，新一代的化学家和微生物学家如罗伯特·科赫（RobertKoch）和巴斯德等基于高温灭菌的原理发明了不同种类的灭菌器。巴斯德发现潮湿的热气，也就是蒸汽，比干燥的热气在灭菌和消毒方面更加高效，这直接导致了蒸汽灭菌方法和蒸汽灭菌器的流行。
1879年，巴斯德与他的学生和助手查尔斯·钱伯兰（CharlesChamberland）基于帕潘的高压锅原理发明了第一台现代高压蒸汽灭菌器，被称作Autoclave，并以钱伯兰的名字命名并注册商标出售。这个装置通过高压提升蒸汽的温度达到120摄氏度，从而保证了消毒和灭菌的速度和效力。
但钱伯兰和巴斯德的高压蒸汽灭菌器并不是当时唯一的灭菌器。科赫和他的团队也发明了相似的装置，并且得到了广泛的使用。科赫并不欣赏钱伯兰和巴斯德的发明，主要原因是他认为高压蒸汽温度过高，在实验室中会破坏物品和培养基。他在1881年设计制造了非高压的蒸汽灭菌器，主要原理是将需要杀菌消毒的物品放置在灭菌器内部的上层，加热下层的水，使蒸汽流通循环从而杀灭上层物品上的微生物。
差不多是同一时代，英国物理学家约翰·丁达尔（JohnTyndall）也设计装置利用高温蒸汽灭菌，但他采取的是重复、间隔加热的方法，被称为丁达尔灭菌法（Tyndallization）。
在19世纪90年代之后，普通蒸汽灭菌器仍然广泛使用，但是高压蒸汽灭菌器被认为是比普通灭菌器更有效也更昂贵的设备，逐渐成为医院、大学和政府部门相关实验室中的重要装置。1900年，宾夕法尼亚大学校医院的外科教授表示，在他所服务的校医院中，高压灭菌器被用于为外伤处理中的敷料和器具消毒杀菌。高压灭菌器甚至在海外殖民地也被使用。1905年，美国殖民地菲律宾政府的科学局（BureauofScience）新建成了实验楼，实验楼中就为生物学实验配备了高压蒸汽灭菌器。
在20世纪早期，厂商生产高压灭菌器采取了不同形制并应用于不同场合，最重要的厂商之一就是美国纽约的Bramhall-Deane公司，它就是清华大学科学博物馆馆藏灭菌器的生产厂。
图2钱伯兰式立式高压蒸汽灭菌器（1896年）
03
Bramhall-Deane
（布兰霍尔-迪恩）：产品与生意
1913年，一本介绍现代医院管理、形式、建筑和设备的著作《TheModernHospital,ItsInspiration,ItsArchitecture,ItsEquipment,ItsOperation》提到，在医院的手术室里，对床垫、敷料、器具等消毒杀菌要求不同的灭菌和消毒设备。高压蒸汽灭菌器，适合用于敷料的杀菌。此外，在谈到实验室的时候，作者认为，很多医院的实验室都配有单独的消毒室，为培养基杀菌。在这里，最好的消毒杀菌办法就是使用普通的高压蒸汽灭菌器，而“最令人满意的‘灭菌器’就是布兰霍尔-迪恩公司生产的。”这家公司生产的灭菌器“构造简单，操作简便，没有复杂的螺栓和轮轴系统。”这本书对布兰霍尔公司生产的高压灭菌器的赞誉表明该公司的产品已经非常流行，并且得到了市场的认可。
在书内的附图（见图3）上我们看到，这台高压灭菌器在外部造型、主要部分和形制上已经与陶葆楷在清华使用的灭菌器相差无几。不过，布兰霍尔公司的高压灭菌器的市场认可也并非一蹴而就。
图3布兰霍尔高压蒸汽灭菌器（1913年）
布兰霍尔-迪恩公司于1859年在纽约成立。不过鉴于微生物学和灭菌手段的发展历程，公司成立早期并不生产灭菌器。在19世纪60年代，布兰霍尔公司最主要的生意其实是厨房用具。
从19世纪90年代开始布兰霍尔就开始设计、制造并销售高压蒸汽灭菌器。1891年，一本全美工商名录就收录了他们生产的灭菌设备，并标明供医院使用。1895年，耶鲁医学院的手术室装备了布兰霍尔的灭菌设备。同一年，纽黑文医院也装备了布兰霍尔的设备：一个水灭菌器和一个为敷料、绷带和其他布料消毒的高压灭菌器。据描述，这个灭菌器有一个水平放置的铜制圆桶，在其底部加水之后加热产生高压蒸汽，能保持7磅压力20分钟，温度为228华氏度（约108摄氏度）。1896年的广告中，布兰霍尔公司声称自己的敷料灭菌器高效，并且易于操作，在美国的顶尖医院使用，能达到外科手术在灭菌消毒方面的所有要求。除此之外，公司还生产一系列灭菌器用于床垫、器具、水等的消毒和灭菌（见图4）。
图4布兰霍尔高压蒸汽灭菌器（1896年）
进入20世纪，布兰霍尔的灭菌设备在各种场合都享有盛名。例如，1911年麦克米兰公司出版的《细菌学教科书》（AText-bookofGeneralBacteriology）认为相对于非加压的灭菌器，高压蒸汽灭菌器最近流行起来，代表产品就是布兰霍尔公司生产的灭菌器。纽约一个研究实验室于1916年发表的一篇关于传染病的论文，其培养皿就是用布兰霍尔的灭菌器杀菌消毒的。1914年，在一个考察微生物控制的食品工业实验中，布兰霍尔的高压灭菌器是实验人员选用的四种用于参照的实验器具之一。尤其值得注意的是，1891年出版的《细菌学纲要》在1913年修订到第七版，在这一版中，科赫式和普通蒸汽灭菌器都退到了次要地位，高压蒸汽灭菌器则增加了篇幅，作者所举的例子就是布兰霍尔的产品。
布兰霍尔公司的灭菌器产品并不总是沿袭陈规，它们在生产中也改进设计，并登记了专利。早在1897年公司的拥有者罗伊尔·迪恩（）就为自己发明的消毒装置申请了专利，并于1900年获得了批准。这个装置是为高压蒸汽灭菌器所设计，它的开口能从内部关闭，并且自动密封，从而保证气体不外泄并确保内部压力。
1915年，威廉·梅（WilliamMay）在迪恩的专利的基础上做了新的改进，并将专利转让给了布兰霍尔公司。这个专利的主要内容是在消毒仓中引入高压蒸汽之前将消毒仓内空气抽空，以提高消毒的效力。这一原理在19世纪90年代就为人所知，不同的厂商采取了不同的解决办法。布兰霍尔公司最主要的特点是在消毒仓的开口处设置双层门，通过双层门控制消毒仓内外的气压。1915年之后，拥有这种双层门装置的灭菌器成为布兰霍尔公司的主打产品，这种门被称为eclipsedoor，而装置了此种门的灭菌器则被称为eclipseautoclave。装有这种设计的灭菌器在此后数十年之内畅行不衰，在各种实验室使用。
1932年，布兰霍尔公司在《科学》杂志投放的广告声称它是“第一台装有eclipsedoor的高压灭菌器。从1900年开始就不断发展，以便能跟随实验技术的进步。”除了功能改进，布兰霍尔的灭菌器外形也有新的设计，30年代末就出现了方桶而非圆桶的灭菌仓。
布兰霍尔公司的产品采用将灭菌仓与加热器和水仓分离的设计：置放应消毒物品的灭菌仓横置于支架上，蒸汽发生器（包括水仓和加热装置）则置于其下方，通过管道与灭菌仓连接，而不是将蒸汽发生器直接与灭菌仓一同置于同一个容器的不同层。清华大学科学博物馆的这件藏品也是此种设计（见图1）。
04
高压灭菌器在近代中国
到20世纪30年代，以布兰霍尔为代表的厂商生产的高压蒸汽灭菌器已经成为美国科学实验、食品工业以及医疗操作中不可或缺的灭菌设备。在20世纪上半叶的中国，也能看到高压灭菌器的使用。
实际上，在此之前高温和蒸汽灭菌法就已经传入中国。比如1907年，《医药学报》杂志发表了一篇介绍消毒法（灭菌法）的文章，将灭菌法分为理学（物理学）和化学两种。其中理学消毒法就包括高温消毒法，但仅介绍了煮沸的办法，未提及蒸汽加热。但之后，蒸汽消毒法也得到了普遍的认知。比如，1920年《卫生报》介绍的消毒法中，就包括热气消毒法，推荐“将应消毒之物置釜中蒸至摄氏表一百度以上。”
随着相关知识的增长，普通蒸汽灭菌器和高压灭菌器在相关机构，尤其是医院中开始使用。比如1920年，由美国浸礼会传教士高福林（FrancisWaylandGoddard）创办的绍兴福康医院（theChristianHospital,Shaohing,Chekiang）从美国购入了一批消毒设备，包括一台敷料灭菌器、一台器具灭菌器以及两台水灭菌器。这些设备都由布兰霍尔公司生产。1919年，北洋政府成立中央防疫处，开始生产各种疫苗，设备中就包括高压灭菌器。1937年末，武汉各个医疗机构中，高压消毒器共有6台。不过，高压灭菌器在抗战之前并未在所有医院配置。例如，1934年浙江省立医药专科学校附属病院的消毒室，就没有此类装置。
抗日战争爆发之后，灭菌器变得更加难以获取。1941年，孙吉洪在《中国季刊》（TheChinaQuarterly）发表文章讨论中国战时的卫生事业。他承认，以中国现在的工业发展水平而言，很多医疗器械，包括显微镜、高压蒸汽灭菌器等都是无法制造的，必须要从海外获得，但交通却并不方便。在这种情况下，严福庆和爱泼斯坦都观察到，战时前线和后方的医院很多时候不得不依赖于当地的工匠用土法制作类似的消毒器和高压灭菌器。
随着抗日战争结束，社会秩序得到了恢复，高压灭菌器在医院更加普及。比如，1946年，复员后的南京中央医院购置了新的仪器，其中就有高压消毒器。1949年5月，武汉解放时，虽然各医疗机构中的仪器很多被运走、盗卖和破坏，但仍剩下22台高压消毒器和17台普通蒸汽消毒器，比抗战爆发前增加了数倍。
尽管高压灭菌器作为必备设备逐渐在医院中普及，大学的相关实验室似乎并未在此类设备的购置上跟上医院的步伐。1930年2月，植物生理学家罗宗洛抵达国立中山大学生物学系，他发现这个系没有一间实验室，图书不全，仪器更是阙如，仅有解剖使用的剪刀和刀子。罗宗洛到校半年之后，才设法买到一台旧式蒸汽灭菌器。之后，罗宗洛辗转到中央大学任教，但中央大学的仪器设备也不敷使用。罗宗洛设法向校长罗家伦申请了大约1万美元用于添置仪器和试剂，才终于为中央大学的生物学系添置了高温灭菌器、恒温箱等设备。
当时的顶尖国立大学尚且如此，遑论其他学校。即使是在民国时代以经费充裕著称、在生物学研究领域占据领先地位的清华大学也并没有多少相关设备。清华大学生物学系成立于1926年，但早期经费、人员和仪器都不足。1929年生物学馆落成之后，仪器设备也差强人意。1931年，生物学系的仪器有恒温箱、显微镜、照相机等，但是并没有高压灭菌器。一直到1936年，系主任陈桢才报告有一台高压蒸汽灭菌器。
在生物学系之外，别的实验室，尤其是卫生工程实验室也开始购置有此类仪器。比如，1930年，交通大学唐山土木工程学院开始筹备建立卫生工程实验室，托礼和洋行从德国代购一批卫生工程实验仪器，价值千余元洋元，其中就有两种杀菌器：热气杀菌箱一具预算二百九十元；高压杀菌箱一具价值四百八十元，热度可达138摄氏度。这些设备于次年到校。同样，在20世纪30年代，清华大学的土木工程系也开始购入此类设备，博物馆现藏这台高压灭菌器就是土木工程系卫生工程实验室的遗产。
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清华大学的高压灭菌器
清华大学科学博物馆馆藏的这台高压灭菌器为环境学院捐赠，但它的历史与清华土木工程系息息相关。
清华大学土木工程肇始于1926年组建的工程学系，至1929年开始专办土木工程学系。1931年，陶葆楷受聘执教于土木工程学系，推动了清华卫生工程的发展。陶葆楷是中国土木工程和环境工程教育家和奠基人，1906年出生于江苏无锡，1920年考入清华学校，1926年毕业赴美，获哈佛大学卫生工程硕士学位后到德国柏林工业大学研修，1931年回国之后便到清华大学任教。在他的推动下，清华土木系与美国洛氏基金会合作在北平市东城区卫生事务所设立了环境卫生实验区，并在1933年建成了卫生工程实验室。这个实验室在当时国内领先，并且与美国的实验条件水平相当。根据1934年的统计，卫生工程试验室已经初具规模，所装备之仪器达到数十件，其中就包括一个“杀菌器”，其备注云：“pressuresteam,gasheating,doublewall.”可见，这台杀菌器就是高压蒸汽灭菌器。但这并非现存的这台灭菌器。
抗战之中，清华南迁，西南联大工学院虽然有市政及卫生工程组，但是相关的试验并未开展。陶葆楷于1938—1940年任西南联大土木工程系教授，1940年—1946年任系主任。据其回忆，土木工程系仅有测量仪器室、水力实验室和材料试验室等，卫生工程实验室并未建立。1945年抗战胜利，清华大学于1946年到北平复员，陶葆楷任土木工程系系主任兼工学院院长，又开始着力建设卫生工程实验室。由于得到工学院的拨款，实验室得以购买一批新的仪器。
清华大学环境科学院退休教授李国鼎在当时承担建设市政及卫生工程实验室的具体任务。据他回忆，陶葆楷利用这笔资金添置了恒温箱、细菌培养箱以及高温灭菌器等设备。这台高温灭菌器就是现在作为清华大学科学博物馆的藏品的布兰霍尔高温蒸汽灭菌器。
1947年7月，李国鼎从清华大学毕业之后进入实验室工作，整理了实验室旧有和新购置的仪器。当时的课程“卫生工程实验”分为“物化”和“生化”两部分，由李国鼎负责；如果李国鼎的确是整理这批仪器的经手人，那极有可能灭菌器上的“生化2-3-6”字样便是他写上以区分两类实验仪器。不过遗憾的是，李国鼎已于2018年去世，其中的具体细节已经无法向其印证。
20世纪初的作者在谈到不同种类蒸汽灭菌器的时候，认为布兰霍尔的产品优点就是构造简单、不易损坏。的确，清华大学这台灭菌器，购买于1946年左右，使用数十年，见证了清华院系的更迭和调整，最终由1984年成立的环境工程系继承，一直使用到1990年。清华大学环境学院教授解跃峰1986—1989年在清华大学环境工程系攻读博士学位，研究医院废水处理。据他回忆，直到他毕业，这仍是整个实验室里唯一的一台灭菌器，偶尔用于本科生的微生物实验。他这样的研究生则是几乎每周都要用，当时从事微生物研究的学生也不多，仪器主要由他使用。1986年的某天，他开始实验时发现用于产生蒸汽的水已经烧干了。由于怀疑是自己前一天实验后忘关仪器，他还写了一篇检查。后来为了维修，他将仪器拆开，发现铜制电阻丝由于长时间使用已经被腐蚀，便骑车进城，前往前门附近的五金店购买零件。买回后才发现仪器需要使用英制电阻丝，我国出售的电阻丝无法搭配，最终请来专业的电工师傅帮忙，才修好了仪器。这台仪器正常工作至解跃峰毕业后，不久（约1990年）又因锅盖漏气而不能继续使用，最终报废。
这台灭菌器报废之后，一直保存在环境工程系和环境学院。直到清华大学科学博物馆开始筹备，这台灭菌器才最终于2018年12月被收入博物馆馆藏，变成一件科学藏品，重获生命。
06
结语
这台高压灭菌器于2019年4月在清华大学108年校庆期间展出。作为一件在展览中出现的历史遗物，它能为观众讲述近代中国和清华大学自强和奋斗的历史：在数十年的生命周期中，它见证的是科学研究领域筚路蓝缕的开创，也是外寇荼毒之后一代学人面对战争疮痍重整河山的决心，更反映了新中国成立后自力更生、艰苦奋斗的精神。
但对一件具体的科学仪器而言，宏大的民族和国家叙事并不构成它的全部意义。首先，本文的历史回顾证明，灭菌器的发明和演化自有其脉络。它的发展与科学发现相关，但是也与技术、生产和商业相关。
透过这个灭菌器，我们得以窥视早期细菌学说和灭菌方法在社会不同情境下的争论、传播和使用，同时也能够了解它作为一件工业产品和商品，如何进入市场并被消费者接受。在这方面，布兰霍尔的灭菌器提供了一个绝佳的例子：它在灭菌原理和技术上继承了19世纪末巴斯德和钱伯兰的灭菌方法，改进了设计和造型，并且通过公司早期的商业联系和技术基础进入灭菌器市场，成为20世纪上半叶美国最成功的灭菌器产品之一。它的影响力不但遍及美国，甚至远达中国：20世纪20年代的福康医院和40年代的清华大学都采购了这一产品。另一方面，科学仪器在维修和使用中往往也会显露它的本质及其与制造者、使用者的关系。
在具体情境中，我们可以看到清华大学的这台灭菌器在与人的互动中作为一件器物的日常的和物质性的意义。它被购买、被搬运、被编号、被使用、被修理、被报废——它身上的销售铭牌、手书的“生化2-3-6”、解跃峰加上的电阻丝以及最后漏气的锅盖共同塑造了这台灭菌器的“物的生命史”（biographiesofthings），将它从一件产品和商品真正变成了实验室中的科学仪器。
图5多伦多古酿酒厂区藏布兰霍尔高压灭菌器
如前文所言，至少从20世纪20年代开始，高压灭菌器就开始在国内的医疗和科研机构运用并被珍视。了解、收藏并介绍它们不但能勾勒灭菌方法和设备的历史，更能够揭示它们与近代中国经济、社会和科学的发展之间的勾连。从这个意义上而言，清华大学收藏的这台高压灭菌器是一个范例：它从形制和生产厂商上是20世纪早期的典型产品，可与世界范围内其他博物馆的藏品相互呼应；与此同时，它是国内现存较早的高压灭菌器，在清华大学也经数代学人使用数十年，能够揭示民国以来清华大学乃至全国卫生工程和环境科学研究的发展史。
