Устройство для замораживания живых биологических объектов в контейнерах Советский патент 1984 года по МПК F25D3/10 

Изобретение относится к холодильной технике, а более конкретно к аппаратам глубокого программного замораживания различных живых биологических объектов, например выделенных из организма или культивируемых в искусственных условиях Ю1еток, тканей и небольших органов животных и растений, для последуюа1его их сохранения при сверхнизких температурах и регенерации после оттаивания исходных клеток и тканей, а в случае меристем, почек и эмбрионов растений и животных для возобновления их роста и развития и получения полноценных организмов.

Известно устройство для замораживания живых биологических объектов, включающее камеру замораживания с контейнерами для биоматериала, датчики температуры, установленные в камере замораживания и в одном изконтейнеров, и систему для обеспечения программного замораживания объектов 1.

Однако в этом устройстве обеспечивается лишь автоматическая стабилизация температуры Б течение периода кристаллизации в контейнере. Начинается же кристаллизация самопроизвольно. При этом происходит значительное переохлаждение объекта, причем в различной степени в разных контейнерах и опытах, несмотря на одинаковые условия. Это приводит к плохой воспроизводимости результатов, снижению жизнеспособности и гибели в случае особо чуЕУСтвительных объектов, к которым относятся клетки, ткани и органы растений, яйцеклетки, спермии некоторых видов и эмбрионы животных.

Известно устройство для замораживания живых биологических объектов в контейнерах, содержащее камеру замораживания, систему подачи криоагента с исполнительным органом, связанным с системой программного управления, систему измерения температуры в камере и контейнерах, горизонтально установленный в камере держатель с отверстиями для контейнеров. Система программного управления в известном устройстве обеспечивает быстрое охлаждение камеры замораживания от точки замерзания биообъекта (несколько ниже 0°С) до существенно более низкой температуры, например -40°С, с последующим быстрым нагревом до температуры лишь немного ниже точки замерзания 2.

Недостатком его является трудность преодоления тепловой инерции камеры замораживания при резкой смене указанных процессов. Кроме того, устройство не гарантирует начало кристаллизации сразу во всех контейнерах, причем без переохлаждения, которого трудно избежать при самопроизвольной кристаллизии.

Цель изобретения - повышение сохранности замораживаемых биологических объектов.

Для достижения этой цели устройство

для замораживания живых биологических объектов в контейнерах, содержащее камеру замораживания, систему подачи криоагента с исполнительным органом, связанным с системой программного управления, систему измерения температуры в камере и контейнерах, горизонтально установленный в камере держатель с отверстиями для контейнеров, снабжено системой подачи жидкого хладагента, включающей термоизолированную емкость для хладагента, сообщенную

. с камерой трубкой с клапаном, свободный конец которой расположен над держателем, при этом последний представляет собой кювету, и отверстия выполнены в ее днище для установки контейнеров с натягом, причем кювета снабжена трубкой с клапаном для

0 вывода жидкого хладагента из камеры.

В этом устройстве емкость может быть снабжена теплообменником, сообщенным трубками с клапанами с системой подачи криоагента. Клапаны могут иметь электроприводы, .подключенные к системе программного управления.

На чертеже изображено устройство для замораживания живых биологических объектов в контейнерах.

Устройство содержит теплоизолированQ ную камеру 1 замораживания, систему 2 подачи хладагента, соединенную с камерой 1 линией 3 с исполнительным органом 4, систему измерения температуры 5 с термодатчиком 6, устанавливаемым в одном из контейнеров 7 с биообъектом (контрольным) и термодатчиком 8, установленным в камере 1. Контейнеры 7 размещены в горизонтально установленном в камере 1 держателе 9, выполненном в виде низкобортной плоскодонной легкосъемной кюветы. В дне держателя 9 имеются отверстия, размер и форма которых точно соответствует размеру и форме контейнеров 7, так что вставленные с натягом в эти отверстия контейнеры 7 закрывают их достаточно плотно. Дно держателя 9 имеет также отверстия со шли5 фом 10 для подсоединения его к трубке 11, для вывода жидкого хладагента. На трубке 11 расположен клапан 12.

Устройство снабжено системой подачи жидкого хладагента, включающей термоизолированную емкость 13 для хладаген0 та, сообщенную с камерой 1 трубкой 14 с клапаном 15, свободный конец которой расположен над держателем 9. В емкости 13 находятся теплообменник 16 для охлаждения жидкого хладагента, крыльчатка 17, сообщенная с мотором 18 для перемещивания жидкого хладагента, и термодатчик 19. Линия 3 для криоагента (жидкий азот) системы 2 подачи хладагента имеет ответвления с клапанами 20, соединенные теплоизолированными трубками 21 с входом и выходом теплообменника 16. Между ответвлениями расположен клапан 22, а после них - исполнительный орган 4 системы 2 подачи хладагента. Клапаны 12, 15, 20 и 22 имеют электроприводы 23, причем клапаны 20 и 22 раздельные или имеют один общий электропривод, в последнем случае эти клапаны выполнены как единая конструкция.

Один из клапанов 20 является трехходовым с тем, чтобы в его закрытом положении трубки 21 и теплообменник 16 были соединены с атмосферой. Термодатчики б, 8 и 19, присоединены к системе 5 измерения температуры, а электроприводы 23 всех клапанов, исполнительный орган 4 и мотор 18 крыльчатки 17 соединены с системой 24 программного управления.

Устройство работает следующим образом.

До включения программы замораживания емкость 13 заполняется жидким хладагентом, количество которого должно быть достаточным для последующего наполнения держателя 9 вместе с трубкой 11 до клапана 12. В качестве жидкого хладагента рекомендуется обычный спирт, как наименее токсичный и наиболее безопасный в пожарном отношении. Открываются клапаны 20 и закрывается клапан 22. Включается программа замораживания и крыльчатка 17. Жидкий азот из системы 2 по линии 3 через клапан 20, подводящую трубку 21, теплообменник 16, отводящую трубку 21, второй клапан 20 и исполнительный орган 4 поступает в камеру 1 замораживания в количестве, достаточном для снижения температуры внутри камеры 1 .с заданной скоростью. Тем временем оператор вставляет охлажденные до низкой положительной температуры контейнеры 7, заполненные раствором с биообъектами, в отверстия держателя 9 таким образом, чтобы в уровне его дна располагалась та зона контейнеров, в которой имеется раствор, но нет биообъектов (на чертеже это зона мениска раствора). После снижения температуры в камере 1 примерно до температуры контейнеров 7, оператор устанавливает держатель 9, причем обеспечивается его горизонтальное положение и соединение с трубкой 11. В кон-, трольный контейнер 7 вставляется термодатчик 6 так, чтобы его конец находился приблизительно в уровне дна держателя 9. После того, как проходящий по теплообменнику 16 жидкий азот снизит температуру жидкого хладагецта в емкости 13 до расчетрого значения, которое приблизительно в 10-12 раз ниже точки замерзания раствора, находящегося в контейнерах 7, закрываются клапаны 20, открывается клапан 22 и выключается крыльчатка 17. Жидкий азот по линии 3 поступает прямо в исполнительный орган 4, а часть его, оставщаяся

в теплообменнике 16 и в трубках 21, свободно испаряется в атмосферу. При дальнейшем охлаждении камеры 1 температура в ней стабилизируется на величине, ко5 торая на 1-2°С ниже точки замерзания раствора в контейнерах 7. После этого открывается клапан 15 (клапан 12 при этом закрывается). Жидкий хладагент очень быстро вытекает из емкости 13 и свободно растекается тонким слоем, высота которого 3-4 мм, по держателю 9, охватывая все контейнеры 7. Происходит практически мгновенное, но локальное охлаждение контейнеров 7 до температуры жидкого хладагента из емкости 13, что иницирует кристалли5 зацию раствора внутри их. Держатель 9 не может быть закрыт сверху или заменен систе мой трубок, так как образующиеся в потоке жидкого хладагента из емкости 13 воздушные пузырьки в этом случае воспрепятствуют его свободному растеканию, и инициация

0 кристаллизации во всех без исключения контейнерах 7 не будет гарантирована. В результате вьщеления скрытой теплоты плавления температура внутри контейнеров повышается до точки замерзания, сигнал тер5 модатчика 6 изменяется, и система 5 измерения температуры регистрирует пик ,крсталлизации. После этого открывается клапан 12, и жидкий хладагент сливается из дер жателя 9 для устранения возможных помех дальнейшему процессу и для повторного

0 использования. После окончания заранее заданного времени стабилизации или после завершения кристаллизации, когда сигналы термодатчиков 6 и В снова выравниваются, стабилизация выключается, и охлаждение продолжается в соответствии с ;

дальнейшей программой замораживания. После ее окончания оператор вынимает держатель 9, быстро извлекает из него контейнеры 7 и переносит их на хранение.

Данное устройство для замораживания живых биологических объектов в контейнерах позволяет повысить сохранность живых биологических объектов.

Подача хладагента из емкости 13 производится только к незначительному по размеру месту на поверхности контейнеров 7, причем температура хладагента не сверхнизкая, а лишь необходимая и достаточная для образования первых кристалликов льда изнутри на стенке каждого контейнера 7 в месте ее охлаждения. Тем самым предлага0 емая система как бы «вносит кристаллики льда во все контейнеры одновременно, что вполне аналогично инициации кристаллизации в теоретических исследованиях и устраняет опасность переохлаждения. Кроме того, отсутствует непосредственное повреж5 дение биообъектов, так как жидкий хладаreijT действует только локально и температура его не слишком низкая. Снабжение емкости 13 теплообменником 16, обеспечи

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ЖИВЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ В КОНТЕЙНЕРАХ, содержащее камеру замораживания, систему подачи криоагента с исполнительным органом, связанным с системой программного управления, систему измерения температуры в камере и контейнерах, горизонтально установленный в камере держатель с отверстиями для контейнеров,. отличающееся тем, что, с целью повышения сохранности замораживаемых биологических объектов, устройство снабжено системой подачи жидкого хладагента, включающей термоизолированную емкость для хладагента, сообщенную с камерой трубкой с клапаном, свободный конец которой расположен над держателем, при этом последний представляет собой кювету, и отверстия выполнены в ее днище для установки контейнеров с натягом, причем кювета снабжена трубкой с клапаном для вывода жидкого хладагента из камеры. 2.Устройство по п. 1, отличающеесятем, что емкость снабжена теплообменником, сообщенным трубками с клапанами с системой подачи криоагента. 3.Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что клапаны имеют электроприво(Л ды, подключенные к системе программного управления.