Способ замораживания жидких биологических объектов и устройство для его осуществления Советский патент 1984 года по МПК F25D3/10 

но установленный в ней цилиндрический контейнер, отличающее- с я тем, что, с целью повышения количества жизнеспособных клеток и снижения концентрации криопротектора, оно снабжено распылителем биологического объекта, установленным с возможностью вращательного и возвратно-поступательного движения

вдоль оси контейнера, связанной с КИМ системой подачи биологического объекта, датчиком теплового потока, размещенным на образующей контейнера по всей его рабочей части, и системой автоматического управления,при этом последняя электрически соединена с датчиком и системой подачи биологического обьекта на распылитель.

1. Способ замораживания жидких биологических объектов, предусматривающий погружение контейнера в криогенную жидкость и наслоение биологического объекта на внутреннюю по- - . верхность стенок цилиндрического контейнера, отлич..ающийся тем, что, с целью повышения количества жизнеспособных клеток и снижения концентрадаи криопротектора, наслоение биологического объекта производят путем его напыления, при этом одновременно с напьшением измеряют тепловой поток от биологического объекта к криогенной жидкости и регулируют количество напыляемого биологического объекта в зависимости .от изменения теплового потока, определяемого следующим соотношением т.ш. №%:;:;;/ vy,4 /; I ,И () Я2Jrd1i€(VtJ 2/ тГ Ti ZjTdpb ст/ mV, е ггде Dтеплоемкости жидкого и замороженного биологического объекта; г теплота кристаллизации биообъекта; .thтемпература начала и конца процесса замораживаi ния; tj - температура фазового перехода; сДдиаметр контейнера; } амплитуда возвратно-поступательного движений распылителя; fчастота движения распылителя ; ND тпвеличина секундной подаto чи биообъекта; 00 Oi V - средняя скорость охлаждения биообъекта; СО a-f - коэффициент температуропроводности замороженного биообъекта; ЧГ - время от начала замораживания; р - плотность биообъекта; с.т толщина Стенки контейнера; К - поправочный коэффициент. 2. Устройство для замораживания жидких биологических объектов, содержащее термостатическую емкость для криогенной жидкости и вертикаль

Изобретение относится к холодиль ной технике, а именно к способам и -устройствам для замораживания жидких биологических объектов, в Частности эритроцитной массы. Известен способ замораживания жи ких биологических объектов путем размещения их в плоских контейнерах погружаемых в криогенную жидкость, при этом для сохранения жизнеспособности клеток часть объема контей неров заполняют криозащитным вещест вом - криопротектором tilИзвестно устройство для осуществления данного способа, представляющее собой плоский тонкостенный контейнер с двумя резьбовыми штуцерами, заполняемый жидким биообъек том и погружаемый в теплоизолирован ную емкость с криогенной жидкостью С1 . Недостаток данного технического решения заключается в потере полезного объема контейнера из-за необходимости использования криопротект ра, а также в трудоемкости процесса отделения последнего от биообъекта после его размораживания. Наиболее близким к изобретению является способ замораживания жид.ких биологических.объектов, предусматривающий погружение контейнера в криогенную жидкость и наслоение биологического объекта на внутренню поверхность стенок цилиндрического контейнера Г2. Наиболее близким к изобретению является устройство для замораживания жидких биологических объектов, содержащее термостатйруемую ем кость для криогенной жидкости и вер тикально установленный в ней цилиндрический контейнер. Последний установлен с возможностью совершения периодического вращательного движения. Между периодами вращения производится вьщержка в криогенной жидкостиС2ЛОднако в известном техническом решении процесс намораживания каждого последующего слоя изменяет термосопротивление замерзшей фазы, толщина которой по высоте контейнера неравномерна вследствие изменяющегося характера подъема и стекания суспензии. Поэтому подбор режимов вращения и остановки контейнера не может с достаточной точностью учитьюать изменение в определенных границах важнейшего параметра процессапостоянной скорости замораживания, которая зависит от изменяющихся во времени условий отвода тепла, что не позволяет существенно снизить концентрацию криопротектора в биообъекте и ПОВЫСИТЬ его жизнеспособность. Цель изобретения - повьш1ение количества жизнеспособных клеток и снижение концентрации криопротектора в биологическом:объекте. Цель достигается тем, что согласно способу замораживания жидких биологических объектов, предусматривающему погружение контейнера в криогенную жидкость и наслоение биологического объекта на внутреннюю поверхность стенок цилиндрического контейнера, наслоение биологического объекта производят путем его напьшения, при этом одновременно с напылением измеряют тепловой поток от биологического объекта к криогенной я идкости и регулируют количество напьшяемогЬ биологического объекта

в зависимости от изменения теплового потока, определяемого следующим соотношением

(V.()l

г 2j7 M{V-tO

.il mr Л2

TiV27rdpt.- CTJ

mV

X е

где C, I С 7-- теплоемкости жидкого и

замороженного биологического объекта;

f - теплота кристаллизации

биообъекта;

температура начала и конца процесса замораживания;

t Ц) - температура фазового перехода;

« - диаметр контейнера;

Ь - амплитуда возвратно-поступательного движения распылителя;

- частота движения распьшителя;

m - величина секундной подачи биообъекта;

V - средняя скорость охлаждения биообъекта;

« - коэффициент температуропроводности замороженного биообъекта;

- время от начала замораживания;

р - плотность биообъекта; ст толщина стенки контейне. ра;

К - поправочньй коэффициент.

. Кроме того, устройство для замораживания жидких биологических объек.тов, содержащее термостатируемую емкость для криогенной жидкости и вертикально установленный в ней цилиндрический контейнер, снабжено распылителем биологического объекта, установленным с возможностью вращательного и возвратио-поступательного движения вдоль оси контейнера, связанной с ним системой подачи би. ологического, объекта, датчиком теплового -пдт.ока, размещенным на образующейкр.нтейнера по всей его рабочей части, и системой автоматического управления, при этом последняя электрически соединена с датчиком и системой подачи биологического объекта на распылитель.

На чертеже.схематически изображено предлагаемое устройство для осуществления предлагаемого способа.

Устройство для замораживания жидких биологических объектов включает вертикально установленный контейнер 1 цилиндрической формы, помещенный в термостатированную емкость 2 с криогенной жидкостью, например жВДким азотом. Вдоль образующей контейнера 1 размещен плоский датчик 3 теплового потока, который электрически связан с системой 4 автоматического управления (САУ), эле ктрически соединенной через систему 5 подачи биообъекта с распылителем 6, например дисковым. Распылитель 6 снабжен электроприводом, благодаря которому имеет возможность вращательного и поступательного движений вдоль оси .контейнера 1..

Предлагаемый способ замораживания живых биологических объектов осуществляется на предлагаемом устройстве следующим образом.

Пустой контейнер 1 помещают в термостатированную емкость 2 с криогенной жидкостью. Об охлаждении его до температуры охлаждающей жидкости (для жидкого азота 196°С) судят по уменьшению до определенного уровня теплового потока от биологического объекта в контейнере 1 к криогенной жидкости, направление и величина которого регистрируются датчиком 3; теплового потока. В момент уменьшения теплового потока до минимума САУ 4 ввдает сигнал на включение системы 5 подачи биообъекта через распьшитель 6, при этом диск распылителя 6 начинает вращательное и возвратно-поступательное движения внутри контейнера 1, а жидкий биообъект подается под давлением на диск распылителя 6.

По мере продвижения диска распылителя 6 вниз проходит напыление биообъекта на стенки контейнера 1 и .намораживание первого слоя биообъекта на стенку контейнера 1. При этом изменяется термосопротивление послед ней и значение теплойого потока, рёгистрируемого датчиком 3 теплового потока. На это изменение при помощи САУ 4 подачей соответствующего сигнала регулируют (уменьшают или уве личивают) количество напыляемого биообъекта, что позволяет поддерживать постоянной заданную скорость замораживания и обеспечить одинаковые условия консервирования элементарных объемов биообъекта независим от продолжительности процесса. . Связь между, плотностью теплового потока, отводимого от стенок: контей нера, необходимой средней скоростью охлаждения биообъекта. количестгЬм ; подаваемого биообъекта, частотоЙ; « амплитудой движения распылителя выражается соотношением JMVi.bi:MVM - 1 27id),(,) о/. 1 V2Fd5 ст/ деС,Ст.- теплоемкости жидкого и замороженного биообъекта г - теплота кристаллизации биообъекта; 4 -tKтемпературы начала и кон ца процесса замораживамия;ц. - температура фазового neiJ хода; d - диаметр контейнера; амплитуда возвратноНЬост пательного распылителя; частота движения распылителя; . . величина секундной подач биообъекта; ; средняя скорость охлажде ния биообъекта; коэффициент температуропроводности, замороженног биообъекта; . время от начала заморажи вания; f -ПЛОТНОСТЬ биообъекта; f.f толщина стенки контейнера. Поправочный коэффициент 1,051,1 из зависимости уточняется-опытным путем, причем частота движения распылителя 6 определяется из соотношения,, максимальная толщина пленки жидкости, удерживаемой на вертикальной поверхности силами молекулярного сцепления. Для суспензии эритроцитов6 0,2-0,3 мм. П 1) и м е р. Биологический объект, например суспензия эритроцитов с криопротектором, в количестве 250 мп заливается в дозатор системы 5 подачи биообъекта. При напылении объекта на. стенки цилиндрического контейнера 1 высотой 200 мм и диаметром 65 мм, помещенного в емкость 2 с жидким азотом, при 14онцентрации криопротектора 5% требуемая сохранность достигается при величине теплового потока до 15 000 Вт/м, что обеспечивается следующим режимом работы устройства:величина подачи биообъекта 50-60 г/мин, скорость вращения распьшителя 8-10 тыс.об/мин, диаметр- диска распылителя 20-25 мм, амплитуда возвратно-поступательного движения распьтителя 150 мм, часто-, та движения распьшителя 10-12 1/мин, время полного замораживания 4-5 мин. Предлагаемые способ замораживания биообъектов и устройство для его осуществления позволяют проводить процесс по данной программе в широком диапазоне скоростей охлаждения (до 2000 град/мин), что дает возмшсность снизить качество криопрот;ектора до 5-10% при одновременном повыпгении числа жизнеспособных клеток в биологическом объекте.

/