Способ замораживания жидких биологических объектов и устройство для его осуществления

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

Э(Л) F 25 D 3/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (0 к) -К

Ф 1. т

2 т 2

Т

2Тс1р g ст х Е >AY, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3549881/28-13 (22) 07.02.83 (46) 07.11.84. Бюл. 9 4 1 (72) О.А.Геращенко, Т.Г.Грищенко, М.Л.Печеный, Ю.M.Póäüêo и А.Ф.Тодрин (71) Институт технической теплофизики АН Украинской CCP и Институт проблем криобиологии и криомедицины AH Украинской CCP (53) 621.594(088.8) (56) 1. Пушкарь И.С. Ниэкотемпературное консервирование костного мозга. Киев "Наукова думка", 1976, с. 242-243.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 578533, кл. F 25 D 3/10, 1975 (прототип). (54) СПОСОБ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ЖИДКИХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. (57) 1. Способ замораживания жидких биологических объектов, предусматривающий погружение контейнера в криогенную жидкость и наслоение биологического объекта на внутреннюю поверхность стенок цилиндрического контейнера, о т л и ч..а ю шийся тем, что, с целью повышения количества жизнеспособных клеток и снижения концентрации криопротектора, наслоение биологического объекта произво дят путем его напыления, при этом одновременно с напылением измеряют тепловой поток от биологического объекта к криогенной жидкости и регулируют количество напыляемого биологического объекта в зависимости,от изменения теплового потока, определяемого следующим соотношением

„„SU„„1122869 A где Г, C т — теплоемкости жидкого и замороженного биологического объекта; т — теплота кристаллизации биообъекта;

1р,th — температура начала и конца процесса замораживания; — температура фазового перехода; р1 — диаметр контейнера; — амплитуда возвратно-поступательного движений распылителя;

f — частота движения распылителя; — величина секундной подачи биообъекта;

Ч вЂ” средняя скорость охлаждения биообъекта;

crT — коэффициент температуропроводности замороженного биообъекта; — время от начала замораживания; плотность биообъекта;

6 — толщина стенки контейнера;

К вЂ” поправочный коэффициент.

2. Устройство для замораживания жидких биологических объектов, содержащее термостатическую емкость для криогенной жидкости и вертикаль1122869 но установленный в ней цилиндрический контейнер, о т л и ч а ю щ е е-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

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к способам и устройствам для замораживания жидких биологических объектов,. в частности эритроцитной массы. 5

Известен способ замораживания жидких биологических объектов путем размещения их в плоских контейнерах, погружаемых в криогенную жидкость, при этом для сохранения жизнеспо- 1О собности клеток часть объема контейнеров заполняют криозащитным веществом — криопротектором 31!.

Известно устройство для осуществления данного способа, представля- 15 ющее собой плоский тонкостенный контейнер с двумя резьбовыми шту церами, заполняемый жидким биообъектом и погружаемый в теплоизолированную емкость с криогенной жндкос- 20 тью 313.

Недостаток данного технического решения заключается в потере полезного объема контейнера иэ-за необходимости использования криопротекто" 25 ра, а также в трудоемкости процесса отделения последнего от биообъекта после его размораживания.

Наиболее близким к изобретению является способ замораживания жидких биологических. объектов, предусматривающий погружение контейнера в криогенную жидкость и наслоение биологического объекта на внутреннюю поверхность стенок цилиндрического контейнера Р2 3.

Наиболее близким к иэобрете" нию является устройство для замораживания жидких биологических объектов, содержащее термостатируемую емкость для криогенной жидкости и вер40

° тикально установленный в ней цилинвдоль оси контейнера, связанной с ним 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. дрический контейнер. Последний установлен с возможностью совершения периодического вращательного движения.

Между периодами вращения производится выдержка в криогенной жидкости 2 1.

Однако в известном техническом решении процесс намораживания каждого последуюшего слоя изменяет термосопротивление замерзшей фазы, толщина которой по высоте контейнера неравномерна вследствие изменяющегося характера подъема и стекания суспензия. Поэтому подбор режимов вращения и остановки контейнера не может с достаточной точностью учитывать 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 — повышение 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 напыления, при этом одновременно с напылением измеряют тепловой поток от биологического объекта к криогенной жидкости и регулируют количество напыпяемого биологического объекта

1122869

15 где С Ст

20. электроприводом, благодаря которому

У

@от в зависимости от изменения теплового потока, определяемого следующим соотношением теплоемкости жидкого и замороженного биологического объекта; теплота кристаллизации биообъекта; температура начала и конца процесса замораживания; температура фазового перехода; диаметр контейнера; амплитуда возвратно-поступательного движения распылителя; частота движения распылителя; величина секундной подачи биообъекта; средняя скорость охлаждения биообъекта; коэффициент температуропроводности замороженного биообъекта; время от начала замораживания; плотность биообъекта; толщина стенки контейнера; поправочный 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 возвратно-поступательного движения вдоль оси контейнера, связанной с ним системой:подачи биологического объекта, датчиком тепt лового потока, размещенным на образующей-крнтейнера по всей его рабочей части, и системой автоматического управления, при этом последняя электрически соединена с датчиком и сис30

55 темой 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 жидким азотом. Вдоль образующей контейнера

1 размещен плоский датчик 3 теплового потока, который электрически свяI зан с системой 4 автоматического управления (САУ), электрически соединенной через систему 5 подачи биообъекта с распылителем 6, например дисковым. Распылитель 6 снабжен имеет возможность вращательного и поступательного движений вдоль оси .контейнера 1.

Предлагаемый способ заморажива,ния живых биологических объектов осуществляется на предлагаемом устройстве следующим образом.

Пустой контейнер 1 помещают в термостатированную емкость 2 с крио-. генной 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 3теплового потока. В момент уменьшения теплового потока до минимума

САУ 4 выдает сигнал на включение системы 5 подачи биообъекта через распылитель 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 термосопротнвление последней и значение теплового потока, ре- . гистрируемого датчиком 3 теплового потока. На это изменение при помснцн

САУ 4 подачей соответствующего сигнала регулируют (уменьшают или уве

1122869 плотность биообъекта;

4 т — толщина стенки контейнера. . Поправочный коэффициент ((1,055 1,1 из зависимости уточняется. опытным путем, причем частота движения распылителя 6 определяется из соотношения

2Тlс Ъ ЕРо tq ) с т",1де С, С вЂ” теплоемкости жидкого и замороженного биообъекта; - — теплота кристаллизации биообъекта;

1о, — температуры начала и конца процесса замораживанияу — температура фазового пефехода;

d — диаметр контейнера; h — амплитуда возвратно-поступательного распылителя, f — частота движения распылителя; — величина секундной подачи биообъекта;

40 V — средняя скорость охлаждения биообъекта; а — коэффициент температуропроводности.замороженного биообъекта; — время от начала замораживания; личивают) количество напыляемого биообъекта, что позволяет поддерживать постоянной заданную скорость замораживания и обеспечить одинаковые условия консервирования элементарных объемов биообъекта независимо от продолжительности процесса.

Связь между. плотностью теплового потока, отводимого от стенок контейнера, необходимой средней скоростью охлаждения биообъекта. количестиЬм подаваемого биообъекта, частотойй амплитудой движенйя распылителя выражается соотношением л (, ddsc" хе, m7

tA

27 р1 16 гдето „- максимальная толщина пленки жйдкости удерживаемой на верти.кальной поверхности силами молекулярного сцепления. Для суспензии эритроцитовб =О, 2-0,3 мм.

П ф и м е р. Биологический объект, например суспензия эритроцитов с криопротектором, в количестве 250 мл заливается в дозатор системы 5 подачи биообъекта ° При напылении объекта на стенки цилиндрического кон. тейнера 1 высотой 200 мм и диаметром

65 мм, помещенного в емкость 2 с жидким азотом, при концентрации 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 распылителя 8-10 тыс.об/мин, диаметр- диска распылителя 20-25 мм, амплитуда возвратно-поступательного движения распылителя 150 мм, часто-. та движения распылителя 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 возможность снизить качество криопрог тектора до 5-10% при одновременном повышении числа жизнеспособных клеток в биологическом объекте.

1122869

Составитель В.Чантурия

l едактор И. Шулла Техред Ж.Кастелевич Корректор В.БУтнга

Заказ 8119!32 Тираж 513 Подписное

ВВИИПИ Государственного комитета СССР но ленам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/ >

Филиал 1!Г1П "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4