УСТРОЙСТВО И МЕТОД ДЛЯ КОНТРОЛИРУЕМОГО РОСТА КРИСТАЛЛОВ В ПРОЦЕССЕ ЗАМОРАЖИВАНИЯ Российский патент 2023 года по МПК F25D17/04 F25D13/00 F25B21/00 A01N1/02 A23B4/06 

Область техники

Данное изобретение относится к устройству для контролируемого роста кристаллов внутри органических объектов, например, при замораживании продуктов питания.

Изобретение также относится к способу управления созданием внутри замораживаемых объектов кристаллов льда и их ростом при замораживании продуктов питания, биологических образцов, водосодержащих жидкостей и коллоидных растворов.

Предшествующий уровень техники

Замораживание широко используется для увеличения срока хранения, например, пищевых продуктов. В процессе замораживания, жидкость переходит в твердую фазу, большинство жидкостей замерзают в процессе кристаллизации. При замораживании структура продукта изменяется таким образом, что когда продукт размораживается, его структура отличается от формы до замораживания.

Некоторые устройства и методы замораживания работают при воздействии статического магнитного поля (например, магнитного поля Земли) в комбинации с колеблющимся электрическим полем и/или с колеблющимся магнитным полем.

Некоторые опубликованные патентные заявки или патенты раскрывают варианты осуществления, включающие постоянные магниты и магнитные катушки в комбинации с другими устройствами. При этом, механизмы объясняющие ожидаемые улучшения, в некоторых случаях «не согласуются с базовой биофизикой» (Кобайяши и Кручивник. 2014. Ферромагнитная модель действия электрических и магнитных полей в криоконсервации. Криобиология; том 68, выпуск 2).

Более того, некоторые устройства и методы замораживания не решают, к примеру, следующие проблемы, ухудшающие качество замороженных продуктов: игольчатые кристаллы льда, формирующиеся вдоль силовых линий магнитного поля Земли; экспоненциальный рост крупных кристаллов, которые могут прокалывать и разрушать стенки клеток; вытеснение ионов солей в межклеточное пространство, вызывающее дегидратацию белков; появление микроскопических отверстий внутри замороженного продукта в результате сублимации льда, что приводит к окислению липидов.

Когда электрическое поле воздействует на объект в процессе замораживания, молекулам воды и молекулам кислорода передаются электроны, превращающиеся в воду с лишним электроном (Н2Ое) или супероксидный анион (О2-) и производя гидроксильные радикалы, которые могут разрушать клеточные мембраны.

Электрическое поле может быть создано даже трением потоков холодного воздуха внутри морозильной камеры.

Краткое описание

Объект настоящего изобретения обеспечение контролируемого роста кристаллов льда в органическом объекте в процессе замораживания. Объекты настоящего изобретения достигаются посредством устройства и метода для контроля роста кристаллов льда при замораживании.

В соответствии с другим аспектом, представлено устройство для контролируемого роста кристаллов льда при замораживании. Устройство включает в себя как минимум один излучатель, блок управления, источник питания и модулятор, в котором блок управления вызывает излучение множества типов магнитных полей по меньшей мере одним излучателем, циклическим образом, и блок управления определяет для каждого типа магнитного поля, входящего во множество типов магнитных полей: несущую частоту, частоту модуляции, границы модуляции и рабочий цикл, и устанавливает их с помощью генератора сигналов и источника питания; и при этом сила множества типов магнитных полей определяется путем регулировки выходного напряжения, обеспечиваемой блоком питания.

В соответствии со следующим аспектом предусмотрена система, включающая камеру и дополнительно включающая или комбинированная с вышеупомянутым устройством.

В соответствии со следующим аспектом, предусмотрен метод воздействия и контроля зарождения и роста кристаллов в процессе замораживания органического объекта, где органический объект включает как минимум один из: пищевых продуктов, биологических образцов, водных жидкостей и/или коллоидов, причем метод включает помещение органического объекта в камеру вышеупомянутой системы.

Перечень иллюстраций

Ниже изобретение будет описано более подробно со ссылкой на варианты осуществления и сопроводительные чертежи, в которых:

Рис. 1 иллюстрирует примерный вариант осуществления устройства.

Рис. 2 иллюстрирует примерный вариант осуществления устройства с морозильной камерой.

Рис. 3 иллюстрирует примерный вариант осуществления замораживания органического объекта с помощью устройства.

Рис. 4 иллюстрирует примерный вариант осуществления вычислительного устройства.

Рис. 5 иллюстрирует пример лосося, замороженного с помощью настоящего изобретения.

Описание

Следующие варианты осуществления являются примерами. Хотя спецификация может относиться к одному или «некоторому» варианту (вариантам) осуществления в нескольких местах текста, это не обязательно означает, что каждая ссылка сделана на один и тот же вариант (варианты) или что конкретный признак применим только к одному варианту осуществления. Отдельные признаки различных вариантов осуществления также могут быть объединены для обеспечения других вариантов осуществления.

Органические объекты могут подвергаться замораживанию по разным причинам. При этом, большинство объектов образуют атомы и/или молекулы образуют структуру, известную как кристалл. Кристалл льда можно понимать как форму такого кристалла. Процесс кристаллизации может состоять из двух этапов. Первым этапом может быть нуклеация, которое включает в себя появление кристаллической фазы из переохлажденной жидкости. Переохлаждение может быть понято как охлаждение жидкости до температуры ниже точки замерзания без превращения жидкости в твердую. Второй стадией может быть рост кристаллов, при котором происходит увеличение размеров частиц и который приводит к кристаллическому состоянию.

Органические объекты, подлежащие замораживанию, имеют клетки, и клетки могут иметь различную структуру. Структура клетки может содержать, например, ядро, цитоплазму и клеточные мембраны. Вещество клетки может представлять собой коллоидную систему, содержащую сложные органические вещества, такие как белки, жиры и углеводы, а также воду и неорганические соли. Цитоплазма может составлять большую часть клеточного вещества. Когда органический объект подвергается замораживанию, образование кристаллов льда может происходить внутри органического объекта.

Если коллоидный раствор подвергнуть постоянному магнитному полю и охлаждению до температуры кристаллизации, кристаллы, образующиеся в результате процесса кристаллизации, могут стать игольчатыми. Примером постоянного магнитного поля является магнитное поле Земли. В общем, постоянное магнитное поле можно понимать как магнитное поле, которое остается постоянным. Кристаллы могут дополнительно формироваться вдоль силовых линий магнитного поля. Таким образом, кристаллы, которые получили большую площадь поверхности из-за, например, случайных флуктуаций энтропии, могут набирать скорость роста пропорционально выше, чем кристаллы с меньшей площадью поверхности.

Это может привести к экспоненциальному росту более крупных кристаллов по сравнению с более мелкими. Например, высокая скорость замораживания может позволить получить большее количество зародышей кристаллов - маленьких кристаллов, которые могут вырасти в более крупный кристалл. Однако колебания, вызывающие опережающее развитие некоторых зародышей кристаллов, могут привести к значительной неравномерности их распределения по размерам. Некоторые кристаллы могут получить радикальные преимущества в своем росте и тем самым образовывать длинные иглы, в то время как подавляющее большинство кристаллических зародышей отстают, а их общая масса остается довольно незначительной. В таком случае было бы полезно иметь возможность предотвратить рост более крупных кристаллов.

Различные факторы могут влиять на образование кристаллов льда внутри органического объекта. Например, следующие пять факторов роста кристаллов льда могут вызывать, по отдельности или в сочетании в любой комбинации, изменения в структуре органических объектов при их замораживании:

1. Постоянное магнитное поле Земли или другое постоянное магнитное поле, которое присутствует в процессе замораживания, может привести к преобладанию кристаллов в форме ледяных игл, растущих в направлении силовых линий постоянного магнитного поля.

2. Скорость роста кристалла может зависеть от площади его поверхности. Соответственно, темпы роста кристаллов, которые случайно опережают в своем росте, могут увеличиваться экспоненциально, что может привести к тому, что основная часть замороженной водной массы концентрируется в основном в самых крупных кристаллах - то есть кристаллических иглах. В процессе роста крупные кристаллы могут прокалывать стенки одной или нескольких клеток, тем самым разрушая их. Затем, с их параллельными гранями, подобранными в пространствах, различные кристаллы могут вырасти в один большой кристалл, содержащий множество взаимосвязанных кристаллических игл. По мере прокалывания клеточных стенок во время размораживания клеточная жидкость разрушенных клеток может вытекать наружу, что приводит к потере веса и качества органического объекта, который был подвергнут замораживанию.

3. Процесс замораживания внутриклеточной воды и воды вне клеток включает вытеснение посторонних веществ, таких как ионы солей и других растворенных веществ, с фронта кристаллизации. Поэтому в процессе замерзания может образовываться лед, содержащий прозрачную дистиллированную воду. Между тем, оставшаяся часть незамерзшей воды может стать насыщенным солевым раствором. Следовательно, насыщенный раствор соли, как внутри, так и между клетками, может необратимо дегидратировать органические молекулы органического объекта, существующие в виде гидратов. Поэтому насыщенный раствор соли может привести к дегидратации, так как обладает высоко гидрофильным поведением.

4. Во время хранения замороженного органического объекта может происходить испарение льда, в результате чего замороженный органический объект теряет вес. Поскольку постоянное магнитное поле может привести к образованию кристаллов игл, которые пронзают клеточные стенки и сливаются в один пористый кристалл размером с замороженный объект, сублимация такого льда может привести к возникновению микроскопических отверстий в массе замороженного органического объекта, простирающихся в виде микроканалов до центра замороженного органического объекта. Кислород может затем проникать в такие отверстия, что приводит к окислению и порче замороженного органического объекта. Этот процесс может быть подавлен путем покрытия объектов ледяной коркой или глазурью. Тем не менее, тонкий слой глазури хрупкий и не эластичный. Во время перемещения, сортировки, доставки и другой обработки замороженного органического объекта глазурь может треснуть, что позволит кислороду проникнуть внутрь и окислить замороженный органический объект.

5. При воздействии электрического поля на объект в процессе замораживания, молекулы воды и молекулы кислорода получают электроны, превращаясь в добавленную электронами воду (Н2Ое) или супероксидный анион (О2-) и производя гидроксильные радикалы, которые могут разрушать клеточные мембраны. Следует отметить, что также трения потоков холодного воздуха, которые находятся внутри морозильной камеры, могут вызвать электрическое поле.

Органический объект, который может быть подвергнут росту кристаллов льда во время замораживания, может представлять собой пищевой продукт, напиток (с одним или более их ингредиентами); растение и его плод; биологическая жидкость; пищевой продукт, содержащий живые бактерии; органы и ткани животного или человека; живая клетка животного, растительного, бактериального или грибкового происхождения; микробиота; и водные и водно-спиртовые технологические жидкости. Желательно, чтобы при замораживании и размораживании химические и физические свойства органического объекта могли быть сохранены. Такое сохранение может быть достигнуто, например, путем контроля образования кристаллов льда внутри органического объекта, который должен быть заморожен.

Переменные магнитные волны генерируют механические упругие волны внутри органического объекта путем возбуждения механических колебаний ионов. Такое переменное магнитное поле вызывает генерацию механических волн в массе органического объекта, который должен быть заморожен.

Постоянное магнитное поле в замороженном объекте может быть вызвано постоянными магнитами или устройствами, содержащими постоянные магниты, такие как электродвигатели, например, и постоянным магнитным полем Земли. Для устранения влияния постоянных магнитных полей мощность переменного магнитного поля должна быть как минимум в пять раз выше.

Благодаря механическим колебаниям, создаваемым переменным импульсным магнитным полем внутри замерзающего объекта, можно предотвратить переход воды в жидкой фазе в переохлажденное состояние, что позволяет процессу замораживания протекать контролируемым и постепенным образом, циклически повторяясь от поверхности к центру замерзающего органического объекта. Это может быть независимо от температуры хладагента в морозильном устройстве.

Использование магнитного поля с вращающимся эффектом может привести к смещению ионов в пределах диапазона жидкой воды, и к генерации петли локального тока - то есть к движению заряженных частиц, которые подвергаются эффекту Эттингсгаузена, который порождает температурный градиент, интенсивность которого, в свою очередь, может регулироваться амплитудой напряженности магнитного поля. Это может привести к изменению уровня температурного градиента, а значит, и количества ионов солей, втягиваемых в кристалл через фронт кристаллизации или выталкиваемых из него.

Поэтому полезно иметь устройство, которое генерирует переменное магнитное поле, вызывающее механические упругие волны в объекте. Устройство может тем самым предотвращать воздействие электрических и статических магнитных полей на растущие кристаллы.

Рис. 1 иллюстрирует примерный вариант осуществления устройства 100, которое может быть использовано для контролируемого замораживания органического объекта. Устройство содержит блок управления, CU, 140, который может быть цифровым блоком управления. CU 140 может дополнительно содержать или быть подключен к источнику 130 питания, который может регулироваться и который подается от источника постоянного или переменного тока, с модулятором 120, который может быть встроенным модулятором, и излучатель 110.

Блок 130 питания может обеспечивать постоянное и/или пульсирующее напряжение с заданной частотой. Данная частота может быть определена CU 140. Следует отметить, что в некоторых альтернативных примерных вариантах осуществления число преобразователей может быть больше единицы. CU 140 может дополнительно содержать или быть подключен к цифровому генератору сигналов. CU 140 может быть сконфигурирован для подключения к проводной или беспроводной сети. CU 140 может принимать входные данные через проводную или беспроводную сеть и, дополнительно или альтернативно, от панели 160 управления, которая содержит пользовательский интерфейс.

Излучатель 110 в этом примерном варианте осуществления соединен с CU 140 электрическими проводами для передачи сигнала. Излучатель 110 может иметь любую замкнутую контурную форму, такую как прямоугольная, полигональная или круглая, или иметь форму нескольких прямоугольников или дисков, помещенных друг в друга и расположенных в пространстве 3D таким образом, чтобы обеспечить равную амплитуду магнитных и магнитных полей с заданной точностью для всего объема морозильной камеры, куда помещаются замороженные продукты. Другими словами, может существовать излучатель, который содержит один или несколько других излучателей внутри него. В некоторых примерных вариантах осуществления может иметься одна, две или более обмоток из медной, алюминиевой или серебряной проволоки, имеющих 10 или более витков и соединенных с CU 140, расположенных внутри излучателя 110. Излучатель 110 в этом примерном варианте осуществления может быть изготовлен с использованием любого немагнитного материала. В некоторых примерных вариантах осуществления излучатель 110 может иметь мобильную конструкцию для облегчения загрузки и технического обслуживания.

Амплитуда сигналов, передаваемых CU 140, может быть определена с использованием одного или нескольких алгоритмов для расчета суперпозиции полей на основе размера и положения излучателя 110, который используется для генерации полей аналогичной мощности с заданной точностью и интенсивностью, которая в этом примерном варианте осуществления может быть в пять-десять раз выше, чем напряженность постоянного магнитного поля, измеренная на участке, в котором расположено устройство 100. Алгоритмы могут выполняться вычислительным устройством, которое может быть включено в устройство 100 или соединено с ним.

В этом примерном варианте осуществления, для получения множества зародышей кристаллов во время замораживания внутри органического объекта, CU 110 может заставить излучатель 110 излучать переменное импульсное магнитное поле инфразвукового, звукового и ультразвукового диапазона частот от 0,1 Гц до 12 МГц, которое взаимодействует с ионами солей и органических молекул, содержащих ионы металлов, и не взаимодействуют с молекулами воды, так как они являются как диамагнитными, так и диэлектрическими. Это может привести к образованию зародышей кристаллов льда с ионами внутри, тем самым снижая уровень насыщения солевого раствора, образующегося, когда по крайней мере часть воды уже приняла кристаллическую форму во время замораживания.

Магнитное поле с вращающимся эффектом может создаваться переменным магнитным полем или псевдовращающимся магнитным полем. Если используется переменное магнитное поле, амплитуда поля важнее векторного направления поля для генерации флуктуации энергии. Чтобы убрать влияние постоянного магнитного поля Земли (или других постоянных магнитных полей), в этом примерном варианте осуществления CU 140 испускает переменное магнитное поле с амплитудой, превышающей амплитуду постоянного магнитного поля не менее чем в пять раз. Следует отметить, что размер постоянного магнитного поля, подлежащего удалению, зависит от наличия железной руды или других магнитных аномалий, крупных металлических намагниченных объектов и/или постоянных магнитов поблизости. Псевдовращение магнитного поля может управляться, в данном примерном варианте осуществления, частотной модуляцией импульсного сигнала ширины. Частота модуляции может зависеть от того, движется ли органический объект во время замерзания, и если да, то как быстро. Например, если органический объект движется во время замораживания, требуемая мощность излучения может быть на 25 и более процентов выше, чем для неподвижных объектов. Несущая частота может находиться в диапазоне от 1 кГц до 12 МГц.

Частота модуляции может находиться в диапазоне от 0,1 до 80000 Гц. В некоторых примерных вариантах осуществления частота модуляции может быть выбрана для различных типов органических объектов экспериментально в качестве частоты, при которой наблюдаются наименьшие потери веса и наименьшие изменения состава питательных веществ во время замораживания и последующего размораживания.

Переменное модулированное магнитное поле может вызвать эффект, который является таким же или похожим на вращающееся поле для магнитных диполей из-за их собственной конечной массы и их инерции, сглаживающей эффект импульсной модуляции. Вышеописанная модуляция позволяет генерировать переменное импульсное магнитное поле, которое будет действовать эквивалентно вращающемуся полю, используя механическое «проскальзывание» ионов и ионосодержащих молекул, движущихся в направлении силовых линий магнитного поля во время вращения. Импульсное магнитное поле является цифровым.

В целом, для создания магнитного поля с эффектом вращения также может быть использован сдвиг фаз сигнала на разных преобразователях. Это может быть похоже на сигнал о сдвиге фазы в фазированных антенных решетках, используемых в авиации. Даже в пределах действия одного преобразователя, без механического вращения преобразователей и механического вращения замораживаемого органического объекта, достигается магнитное поле с эффектом вращения.

Использование псевдовращающегося магнитного поля приводит к смещению ионов в пределах диапазона жидкой воды, а также к генерации петли локального тока - то есть к движению заряженных частиц. Они подвергаются эффекту Эттингсгаузена, который порождает температурный градиент, интенсивность которого, в свою очередь, регулируется силой магнитного поля. Это позволяет изменять уровень температурного градиента и, следовательно, количество ионов соли, втягиваемых в кристалл через фронт кристаллизации или выталкиваемых из него.

Магнитное поле можно рассматривать как поле определенного типа. Таким образом, магнитное поле, такое как магнитное поле с вращающимся эффектом, может быть определенным типом магнитного поля. Например, его тип может быть одним из следующих: переменное двунаправленное магнитное поле, переменное однонаправленное магнитное поле или переменное псевдовращающееся магнитное поле с широтно-импульсной модуляцией. CU 140 может привести к тому, что излучатель 110 будет излучать множество типов магнитных полей циклическим образом. Другими словами, циклически изменяется тип излучаемого магнитного поля. Порядок такого изменения может быть заранее определен. CU может, например, содержать память, которая может быть энергетически независимой, которая может хранить предопределенный порядок и/или одну или более программ, которые определяют предопределенный порядок циклического излучения различных типов магнитных полей с использованием излучателя 110. Следует отметить, что в некоторых альтернативных примерных вариантах осуществления может быть более одного преобразователя. Следует также отметить, что в некоторых примерных вариантах осуществления также может быть более одного блока управления, более одного источника питания и/или более одного модулятора.

Учитывая эффект образования зародышей кристаллов из ионов, общее количество посторонних веществ в жидкой фазе становится меньше, чем в твердой фазе, а общая соленость уменьшается к концу процесса замораживания. Это может увеличить возможность дополнительного связывания воды, которая больше не способствует образованию льда.

Чтобы предотвратить неограниченный рост кристаллов, CU 140 может использовать излучатели для излучения переменного импульса магнитным полем, взаимодействующим с магнитными диполями органического объекта, заставляя их совершать механические колебания. По мере роста кристаллов льда их длина приближается к длине генерируемой механической волны. Игольчатые кристаллы льда хрупкие. Прочность на изгиб полистирола, например, составляет 50 МРа, а льда - всего 2-4 МРа. Они подвергаются механическому изгибу и разрушаются, образуя два или более меньших новых кристалла. Таким образом, экспоненциальный рост размеров кристаллов льда, ведущих к росту, может быть прерван, а скорость рекристаллизации может быть уменьшена. Это обеспечивает распределение кристаллов по размерам в сторону небольших размеров и ограничивает их максимальный размер. Для рекристаллизации кристаллов требуется их правильное расположение в пространстве. Тем не менее, этому препятствует псевдовращающееся магнитное поле, создаваемое CU. Таким образом, уровень рекристаллизации может быть радикально снижен, например, при температурах от -2 до -10°С.

В целом, кристаллизация с ограниченным максимальным размером кристалла льда обеспечивает структурную целостность замораживаемого объекта. Отдельный кристалл льда может быть окружен неорганическими соединениями, тем самым предотвращая слияние кристаллов льда в конгломераты, что делает невозможной сублимацию льда из внутренних полостей органического объекта, который должен быть заморожен, и проникновение кислорода в образовавшиеся отверстия. Таким образом, окисление может быть предотвращено. Поскольку уровень солености, плотность, фракция свободной воды и химический состав органического объекта могут изменяться даже в пределах замораживаемого куска, точное значение лучших частот может варьироваться. Чтобы обеспечить необходимое воздействие на физически и химически изменчивые части замораживаемого органического объекта, колебания, генерируемые CU 140, могут иметь различную частоту.

В этом примерном варианте осуществления частота может быть изменена путем частой модуляции генерируемых сигналов. Диапазон частот модулированного сигнала частотной модуляции может находиться в диапазоне от 1% до 30% от несущей частоты сигнала. Для органического объекта с постоянной внутренней структурой, такого как картофель, авокадо без косточек, манго без косточек или рыбное филе, может использоваться более узкий диапазон частот модулирующего сигнала, например, от 1% до 15% несущей частоты или более. Благодаря механическим колебаниям, создаваемым переменным магнитным полем внутри замерзающего объекта, предотвращается переход воды в жидкой фазе в переохлажденное состояние.

Следует отметить, что конкретные частоты, мощности и уровни модуляции могут зависеть от типа замораживаемого органического объекта. Типом органического объекта может быть, например, мясо, рыба, овощ или любой другой тип, который определяется на основе одной или нескольких характеристик органического объекта. Поэтому информация о них может быть заранее определена и сохранена в памяти. Память может быть частью CU 140 или она может быть доступна посредством CU 140. В общем, блок управления может быть сконфигурирован для управления генератором сигналов и одним или более источниками питания таким образом, что он может вызывать установку несущей частоты, частоты модуляции, границ модуляции и рабочего цикла для каждого типа магнитного поля. Напряженность магнитного поля может быть установлена, т.е. определена путем регулировки выходного напряжения одного или нескольких источников питания. Каждый блок питания может быть подключен к одному или более модуляторам, к каждому из которых подключен один или более преобразователей. Устройство, такое как устройство 100, может быть сконфигурировано таким образом, чтобы вызывать магнитное поле заданной силы во всей площади замерзающего объекта без превышения заданного размера отклонения (например, не более 10 процентов) на всем объеме пространства, предназначенного для размещения замерзающих объектов, таких как морозильная камера. Одинаковая амплитуда поля обеспечивает одинаковую степень экспозиции по всему объему морозильной камеры.

Устройство 100, показанной на Рис. 1, может использоваться с различными видами морозильного оборудования. Например, камеры заморозки воздуха с принудительным движением воздуха или без него, туннельные морозильные камеры с конвейерными линиями, морозильные камеры со спиральными конвейерами, контактные морозильные камеры, как вертикальные, так и горизонтальные, и/или наборы с жидким агентом или с жидким агентом с включениями льда. Устройство 100 может содержать Клетку Фарадея 150 или проводящую конструкцию, которая обеспечивает ту же функцию, что и Клетка Фарадея, например, корпус излучателей 110, который может содержать внутреннюю часть с намотанными медной проволокой, и внешний корпус из нержавеющей стали, который содержит проволоку.

Рис. 2 иллюстрирует систему 200, которая содержит CU 250, камеру, используемую для замораживания 220, и один или несколько органических объектов, подлежащих замораживанию 230. В некоторых примерных вариантах осуществления система может содержать более одной камеры. Камера 220 может пониматься как неподвижный морозильный комплект оборудования, в который может быть помещен один или более органических объектов 230 для замораживания. Камера 220 может, в некоторых примерных вариантах осуществления, содержать платформу, такую как конвейер, тележка, поддон или охлаждающую поверхность, которая обеспечивает средства для перемещения одного или более органических объектов, подлежащих замораживанию 230 в камере 220. Это позволяет перемещать объекты в камеру и выходить из нее вместо того, чтобы статически помещать их внутрь камеры. Температура объектов, которые должны быть перемещены в камеру, может быть выше 0 градусов Цельсия.

Камера 220 охлаждается до температуры ниже 0 градусов Цельсия. Камера 220 может быть заполнена воздухом или жидкостью или иметь охлажденные поверхности, которые могут быть использованы таким образом, что они находятся в контакте с одним или более органическими объектами 230. CU 210 может содержать один или более излучатель, которые заполняют внутренний объем камеры переменным магнитным полем. В этом примерном варианте осуществления магнитное поле излучается на частоте от 0,1 Гц до 12 МГц с периодически изменяющейся мощностью, частотой и типом модуляции и с амплитудой колебаний, которая ниже амплитуды, инициирующей возникновение растворенных газов, вызванных кавитацией, но, по меньшей мере, в пять раз выше магнитного поля Земли в месте расположения, чтобы предотвратить его влияние на образование кристаллов льда в зависимости от о географическом положении и локальных экстремальных значениях постоянного магнитного поля. Для каждого вида продукта, подлежащего замораживанию, могут существовать точные значения параметров облучения магнитным полем, определяемые и подобранные индивидуально путем подбора таких комбинаций параметров магнитного поля, которые для конкретного типа объекта замораживания дают наилучшие качественные результаты.

Морозильная камера может быть, в некоторых примерных вариантах осуществления, заключена в клетку Фарадея для устранения вредного воздействия электрического поля, вызывающего появление радикалов в замороженных объектах. Однако в некоторых примерных вариантах осуществления эффект клетки Фарадея может быть достигнут за счет морозильной камеры, имеющей металлические стенки, потолок и дверь. Кроме того, в некоторых примерных вариантах осуществления клетка Фарадея не нужна, если устройство 100 имеет металлическую поверхность или содержит средства для сбрасывания электрических зарядов.

Далее, в этом примерном варианте осуществления, все излучатели расположены внутри охлажденного объема камеры. Излучатели могут быть изготовлены из пищевой нержавеющей стали. Излучатели могут представлять собой прямоугольные или круглые многооборотные соленоиды с одной или несколькими обмотками из медной, алюминиевой или серебряной проволоки в, например, десять или более витков. Излучатели могут принимать для излучения сигнал, генерируемый CU 250. В этом примерном варианте осуществления CU 250 содержит блок контроллера, который может представлять собой вычислительное устройство в некоторых примерах, цифровой генератор волн, цифровые источники постоянного тока, панель управления и цифровой модулятор с по меньшей мере одним каналом. Блок контроллера может содержать программное обеспечение, содержащее один или более алгоритмов расчета мощности излучения и данные о типах сигналов, излучаемых для различных типов органических объектов, подлежащих замораживанию 230. Кроме того, холодильный корпус камеры может быть изготовлен таким образом, чтобы не размещать магнитные материалы внутри рабочего пространства системы.

Излучатели системы, показанной на Рис. 2, могут быть расположены в стенках камеры. Излучатели могут быть изготовлены из любого немагнитного материала. Тем не менее, в некоторых других примерных вариантах осуществления преобразователи могут быть расположены вне камеры. В некоторых других примерных вариантах осуществления излучатели могут быть расположены как в стенках камеры, так и за ее пределами. Далее излучатели могут быть размещены в соответствии с направлением одного из магнитных полюсов Земли. Блок управления может затем заставить излучатели излучать дополнительное статическое магнитное поле в направлении, противоположном направлению магнитного поля Земли для его компенсации. Это может снизить общий уровень статического поля внутри морозильной камеры, обеспечивая менее необходимую мощность переменного магнитного поля для экономии энергии.

Следует отметить, что в некоторых примерных вариантах осуществления один или более преобразователей могут иметь мобильную конструкцию для облегчения загрузки и технического обслуживания. Дополнительно или альтернативно, преобразователи могут иметь конструкцию в виде меньших преобразователей, вставленных в более крупный преобразователь.

Таким образом, система, такая как система 200, может быть использована для замораживания органического объекта. При такой системе процесс роста и прерывания роста кристаллов циклически повторяется от начала замерзания до достижения целевой температуры в центре замерзающего объекта. В некоторых примерах это -18°С. Предотвращение роста кристаллов с механической волной в продукте уменьшает силу сдвига, что позволяет механическую обработку замороженных предметов с меньшими усилиями и без их размораживания. Таким образом, контролируемый переменным магнитным полем кристаллов льда позволяет обеспечить вышеописанные эффекты даже в случае медленного замерзания, которое неизбежно имеет место при замораживании крупногабаритных объектов, таких как толщина более 200 мм, которые могут быть упакованы в картонную или пластиковую упаковку, в морозильном оборудовании при температурах, близких к требуемой конечной температуре замерзания объекта, и при низкой скорости теплообмена, которая может быть обусловлена другими причинами.

Рис. 3 иллюстрирует и примерный вариант осуществления замораживания органического объекта с использованием системы, описанной выше. Во-первых, в S1 органический объект, подлежащий замораживанию, помещается в камеру системы, такой как система 200. Затем, в S2, переменное магнитное поле прикладывается к системе. Далее, в S3, контролируется процесс замораживания органического объекта. Это может быть достигнуто, например, путем размещения многоточечного термометра внутри образца для измерения температуры в точках, расположенных на разной глубине от поверхности замерзающего органического объекта. Для предотвращения влияния магнитных полей на показания термометра переменное магнитное поле может быть деактивировано на время измерения. Альтернативно или дополнительно, процесс замораживания органического объекта может контролироваться путем измерения скорости распространения звуковой волны в замороженном образце органического объекта против эталонного замороженного образца для сравнения времени прохождения волны через замороженный образец органического объекта и эталонного образца и для обеспечения того, чтобы скорость распространения звуковой волны в этих образцах была постоянной и равной. Для предотвращения влияния магнитных полей на измерение скорости распространения волн в образце переменное магнитное поле может быть деактивировано на время измерения.

Рис. 4 представляет собой пример вычислительного устройства, которое может быть включено в устройство 100 или соединено с ним, проиллюстрированным на Рис. 1. Вычислительное устройство 400 может быть, например, схемой или набором микросхем, применимым к устройству для реализации описанных вариантов осуществления. Устройство 400 может альтернативно представлять собой электронное устройство, содержащее одну или более электронных схем. Устройство 400 может содержать память 410, которая может быть реализована с использованием любой подходящей технологии хранения данных, такой как полупроводниковые запоминающие устройства, флэш-память, устройства и системы магнитной памяти, оптические запоминающие устройства и системы, фиксированная память и съемная память. Устройство 400 может также содержать процессор 420, который содержит схему, способную обеспечить выполнение команд компьютерной программы.

Устройство 400 может дополнительно содержать схему 430 подключения, которая позволяет устройству подключаться к сети, которая может быть проводной или беспроводной, такой как беспроводная локальная вычислительная сеть или сотовая беспроводная сеть. Устройство 400 может необязательно дополнительно содержать блок 440 ввода/вывода, который сконфигурирован для обеспечения взаимодействия между устройством и пользователем. Блок 440 ввода/вывода может обеспечивать ввод текста, сенсорный ввод, отображение графики, голосовой вход и, например, аудиовыход.

Используемый в данной заявке термин «схемотехника» относится ко всем следующим: (а) реализации схем только для аппаратного обеспечения, таких как реализации только в аналоговых и/или цифровых схемах, и (b) комбинаций схем и программного обеспечения (и/или встроенного ПО), таких как (если применимо): (i) комбинация процессора (процессоров) или (ii) частей процессора (процессоров)/программного обеспечения, включая цифровой сигнальный процессор (процессоры), программное обеспечение и память, которые работают вместе, чтобы заставить устройство выполнять различные функции, и (с) схемы, такие как микропроцессор (микропроцессоры) или часть микропроцессора (микропроцессоров), которые требуют программного обеспечения или прошивки для работы, даже если программное обеспечение или прошивка физически отсутствуют. Это определение «схемотехники» применяется ко всем видам использования этого термина в данной заявке. В качестве дополнительного примера, используемого в данной заявке, термин «схемотехника» также будет охватывать реализацию только процессора (или нескольких процессоров) или части процессора и сопровождающего его (или их) программного обеспечения и/или встроенного ПО. Термин «схемотехника» будет также охватывать, например, и если это применимо к конкретному элементу, интегральную схему основной полосы частот или интегральную схему процессора для мобильного телефона или аналогичную интегральную схему в сервере, устройстве сотовой сети или другом сетевом устройстве. Описанные выше варианты осуществления схемы также могут рассматриваться как варианты осуществления, которые обеспечивают средства для осуществления вариантов осуществления способов или процессов, описанных в настоящем документе.

Техники и методы, описанные в настоящем описании, могут быть реализованы различными способами. Например, эти способы могут быть реализованы в аппаратном обеспечении (одно или более устройств), микропрограммном обеспечении (одно или более устройств), программном обеспечении (один или более модулей) или их комбинациях. Для аппаратной реализации устройства (устройства) вариантов осуществления могут быть реализованы в рамках одной или более специализированных интегральных схем (ASIC), цифровых сигнальных процессоров (DSP), устройств цифровой обработки сигналов (DSPD), программируемых логических устройств (PLD), программируемых вентильных матриц (FPGA), графических процессоров (GPU), тензорных процессоров (TPU), процессоров, контроллеров, микроконтроллеров, микропроцессоров, других электронных блоков, предназначенных для выполнения описанных функций здесь или их комбинация. Для встроенного ПО или программного обеспечения реализация может осуществляться через модули, по меньшей мере, одного набора микросхем (например, процедуры, функции и т.д.), которые выполняют функции, описанные в настоящем описании. Программные коды могут храниться в блоке памяти и выполняться процессорами. Блок памяти может быть реализован внутри процессора или снаружи процессора. В последнем случае он может быть коммуникативно связан с процессором с помощью различных средств, как известно в данной области техники. Кроме того, компоненты систем, описанных в настоящем описании, могут быть перестроены и/или дополнены дополнительными компонентами для того, чтобы облегчить достижение различных аспектов и т.д., описанных в отношении них, и они не ограничиваются точными конфигурациями, изложенными на данных рисунках, как это будет оценено специалистом в данной области техники.

Варианты осуществления, в соответствии с описанием, также могут быть осуществлены в форме компьютерного процесса, определяемого компьютерной программой или ее частями. Компьютерная программа может быть в форме исходного кода, объектного кода или в некоторой промежуточной форме, и она может храниться в каком-либо носителе, которым может быть любой объект или устройство, способное нести программу. Например, компьютерная программа может храниться на носителе распространения компьютерных программ, читаемом компьютером или процессором. Компьютерный программный носитель может быть, например, но не ограничиваясь этим, носителем записи, компьютерной памятью, памятью только для чтения, электрическим несущим сигналом, телекоммуникационным сигналом и пакетом распределения программного обеспечения, например. Компьютерный программный носитель может быть непреходящей средой.

На Рис. 5 показаны примеры замороженного лосося. Лосось является органическим объектом, и его структура, перед замораживанием, иллюстрируется свежим лососем 510. Если лосось затем заморожен с использованием индивидуально быстрозамороженного, IQF, метода, структура лосося тогда составляет структуру 520. IQF - это метод, который предотвращает образование крупных кристаллов льда в клетке. Тем не менее, если лосось заморожен с использованием примерного варианта осуществления, описанного выше, структура лосося представляет собой структуру 530. Как видно из иллюстраций, структура 530 больше похожа на структуру 510 свежего лосося, чем на структуру 520 IQF замороженного лосося.

Изобретение относится к замораживанию биологического образца. Система (200) контролируемого замораживания органического объекта, содержащая камеру (220) для замораживания, причем система (200) дополнительно содержит или соединена с устройством (100), предназначенным для контролируемого роста кристаллов льда внутри органического объекта во время замораживания и содержащим по меньшей мере один излучатель (110) для формирования магнитных полей для всего объема морозильной камеры, блок управления (140), источник питания (130) и модулятор (120). Блок управления (140) вызывает циклическое излучение множества типов магнитных полей, с помощью по меньшей мере одного излучателя (110), и магнитные поля представляют по меньшей мере одно из следующего: переменное двунаправленное магнитное поле, переменное однонаправленное магнитное поле и/или переменное псевдовращающееся магнитное поле с частотно-импульсной модуляцией. Блок управления (140) определяет для каждого типа магнитного поля несущую частоту, частоту модуляции, пределы модуляции и рабочий цикл, и задает их с помощью генератора сигналов и источника питания (130). Систему (200) используют в способе воздействия и контроля за образованием и ростом кристаллов льда в процессе замораживания органического объекта, такого как пищевой продукт, биологический образец, жидкость, содержащую воду, и/или коллоид. Предлагаемая система контролируемого замораживания органического объекта позволяет обеспечить сохранность целостности стенки клеток замораживаемого биологического образца, исключить дегидратацию белка, окисление липидов и сублимацию льда. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 пр.

1. Система (200) контролируемого замораживания органического объекта, содержащая камеру (220) для замораживания, причем система (200) дополнительно содержит или соединена с устройством (100), предназначенным для контролируемого роста кристаллов льда внутри органического объекта во время замораживания и содержащим по меньшей мере один излучатель (110) для формирования магнитных полей для всего объема морозильной камеры, блок управления (140), источник питания (130) и модулятор (120),

где блок управления (140) вызывает циклическое излучение множества типов магнитных полей с помощью по меньшей мере одного излучателя (110), и где магнитные поля представляют по меньшей мере одно из следующего: переменное двунаправленное магнитное поле, переменное однонаправленное магнитное поле и/или переменное псевдовращающееся магнитное поле с частотно-импульсной модуляцией; при этом

блок управления (140) определяет для каждого типа магнитного поля из множества магнитных полей: несущую частоту, частоту модуляции, пределы модуляции и рабочий цикл, и задает их с помощью генератора сигналов и источника питания (130);

и который выполнен с возможностью определения силы множества магнитных полей путем регулирования выходного напряжения источника питания (130).

2. Система (200) по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один излучатель (110) содержит дополнительные излучатели, размещенные на указанном по меньшей мере одном излучателе (110).

3. Система (200) по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что устройство (100) соединено с компьютерным устройством или содержит компьютерное устройство.

4. Система (200) по п. 3, отличающаяся тем, что компьютерное устройство выполнено для выполнения одного или нескольких алгоритмов определения суперпозиции полей и/или где компьютерное устройство дополнительно хранит данные, относящиеся к разным типам сигналов, подходящим для разных типов органических объектов, которые необходимо заморозить.

5. Система (200) по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что по крайней мере один излучатель (110) выполнен подвижным, чтобы обеспечить возможность загрузки и обслуживания.

6. Система (200) по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что система (200) дополнительно содержит Клетку Фарадея.

7. Система (200) по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что камера (220) заполнена по меньшей мере одним из следующих веществ: воздухом, паром, газом, жидкостью или любой их комбинацией.

8. Система (200) по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что камера содержит по меньшей мере одно из следующего: конвейер, тележку, поддон, охлаждающую поверхность или любую комбинацию вышеперечисленного.

9. Система (200) по любому из пп. 1-8, отличающаяся тем, что один или несколько излучателей (110) расположены на одной или нескольких стенках камеры или вне камеры, или в любой комбинации вышеизложенного.

10. Способ воздействия и контроля за образованием и ростом кристаллов льда в процессе замораживания органического объекта, где органический объект представляет собой: пищевой продукт, биологический образец, жидкость, содержащую воду, и/или коллоид, заключающийся в помещении органического объекта в камеру системы (200) контролируемого замораживания органического объекта по любому из пп.1-10.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что дополнительно включает помещение многоточечного термометра внутрь органического объекта для контроля замерзания.

12. Способ по п. 10 или 11, отличающийся тем, что дополнительно включает измерение скорости распространения звуковой волны внутри органического объекта для контроля замерзания.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что на время измерения прерывают излучение типа магнитного поля.