Устройство для программного криозамораживания биообъектов

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) А

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИИ И ОТНРЫТИЙ (21) 3753500/28-13 (22) 15.07.84 (46) 15.04.86. Бюл. - 14 (71) Специальное конструкторское бюро биологического приборостроения

АН СССР (72) Е.В. Межбурд, N.È. Бруснигин и В.А. Лосев (53) 621.565(088.8) (56) Hayer А.R., Pegg D.Å.

Kingston R,Е. Amultirata small-volume

cooling machine — Cryobiology. 1974,,11, № 4, р. 371-377.

Криоконсервирование клеточных суспензий: Монография/Под ред.д.мед. наук А.А. Цуцаевой, Киев: Наукова думка, 1983, с. 210. (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОГРАММНОГО КРИОЗАМОРАЖИВАНИЯ БИООБЪЕКТОВ, содержащее выполненнуюв виде сосуда

Дьюара рабочую камеру, установленный в ней держатель образца, датчик температуры образца, укрепленный около держателя нагреватель, программный регулятор температуры образца, вход которого соединен с датчиком температуры образца, а выход сообщен с нагре-. вателем, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения сохранности биообъектов путем увеличения скорости программируемого их охлаждения и нагрева, устройство. снабжено узлом изменения уровня жидкого азота в ра бочей камере, связаннык с выходом программмного регулятора температуры образца, мешалкой, установленным на держателе контейнером для размещения образца и теплопроводным элементом, имеющим контакт с контейнером и pasмещенным между предполагаемыми верх(51) 4 Р 25 D 3/10, А 01 N 1/02 ним и нижним допустимыми уровнями жидкого азота.

2. Устройство по п. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что сосуд

Дьюара выполнен в виде двух сообщенных в нижней части отсеков, а узел изменения уровня жидкого азота содержит парофазный усилитель, диод, два дополнительных нагревателя и два регулируемых клапана сброса давления, при этом держатель для контейнера с укрепленным около него нагревателем, теплопроводный элемент, мешалка, первый дополнительный нагреватель и первый клапан сброса давления размещены в одном отсеке, а второйдополнитель- 3 ный нагревательи второйклапан сброса давления — в другом отсеке.

3. Устройство по пп. 1 и 2, С:: отличающееся тем, что прямой выход парофазного усилителя соединен с первым до юлнительным нагревателем и первь клапаном сброса давления, а его инверсный выход— с вторым дополнительным нагревателем и вторым клапаном сброса давления, 4 при этом вход парофаэного усилителя Ql соединен с выходом программного,регулятора температурыобразца, апрямой выход парафазногоусилителя-с его инверсным выходомчерез диоди нагреватель, установленный около держателя.

4. Устройство по и. 1, о т л и — ч а ю щ е е с я тем, что теплопроводный элемент состоит из коаксиальных профилированных обечаек, а мешалка выполнена в виде стакана с коаксиальными прс1филированными стенками, размещенными с зазором между обечайками теплопроводного элемента.

1224517

t5

20 второй регулируемый клапан 27 сброса

40 давления, второй датчик 28 максимально допустимого уровня 2б жидкого азота во внешнем отсеке 5, трубопровод 29 для подкачки жидкого азота в сосуд Дьюара 1, укрепленный герме43 тично иа сосуде Дьюара 1. Кроме того, во внутреннем 4 и внешнем 5 отсеке

° установлены клапаны 30 аварийного сброса давления. Нагреватели 9, 13 и 25, первый 14 и второй 27 регулируемые клапаны сброса давления соединены с блоком 31 управления температурой образца. Датчик 24 минимально

< допустимого уровня жидкого азота во внешнем отсеке 5 связан с индикатором 32 минимального уровня. Датчик

28 максимально допустимого уровня кидкого азота во внешнем отсеке 5 а связан с индикатором 33 максимально.го уровня.

Изобретение отноеится к устройствам для программного криозамораживания биообъектов и может быть исполь-, зовано в криобоиологии и криомедицине для обеспечения программного ох. лаждения и нагрева образца в широком диапазоне скорости охлаждения и нагрева с целью определения влияния различных режимов замораживания .и оттаиванияна степень сохранения объекта при криоконсервировании, а также в других областях науки и техники, где требуются программное охлаждение и нагрев объекта в широком диапазоне скорОстей охлаждения и нагрева и изотермический режим.

Целью изобретения является повыше ние сохранности биообъектов путем увеличения скорости изменения программируемого их охлаждения и нагрева

На фиг. 1 представлена схема устройства для программного криозамораживания биообъектов; на фиг. 2схема управления.

Устройство для программного криозамораживания биообъектов содержит рабочую камеру, выполненную в виде сосуда Дьюара 1, заполняемую жидким азотом 2. Сосуд Дьюара 1 разделен перегородкой 3 на два отсека

4 и 5, сообщающихся в нижней части.

Во внутреннем отсеке 4 установлен держатель б, на котором укреплен контейнер 7 с образцом (биообъектом).

В контейнере 7 установлен датчик 8 температуры образца, а около держателя б, над ним, установлен нагреватель 9. Причем контейнер ? связан с. теплопроводным элементом 10, состоящим из коаксиальных профилированных цилиндрических обечаек, контактирующих с жидким азотом 2. 8 теплопровод ном элементе I0 имеются отверстия 11 для протока жидкого азота и его паров. В держателе б также имеются отверстия 12 для протока паров азота

Во внутреннем отсеке 4 установлены также первый дополнительный нагреватель 13, первый регулируемый клапан

14 сброса давления и мешалка 15. При чем первый дополнительный нагрева ель 13 установлен в верхней части внутреннего отсека 4 сосуда Дьюара

1 над уровнем жидкого азота 2 при его крайнем верхнем положении 1б.

Нагреватель 13 может быть также установлен под уровнем жидкого азот

2 при его крайнем нижнем положении

17 во внутреннем отсеке 4. Мешалка 15 представляет собой стакан с коак-. сиальными профилированными цилиндрическими стаканами 18, установленными коаксиально с зазорами между обечайками теплопроводного элемента 10.

Причем величина зазоров выбрана значительно больше толщины газовой пленки при пленочном кипении жидкого азота на поверхностях:теплопроводного элемента 10 и мешалка 15 при максимальной скорости подъема уровня жидкого азота 2. Мешалка 15 установлена на опорном подшипнике 19 и связана магнитами 20 магнитной муфты с приводом 21 вращения. Вращение мешалки 15 центрируется подшипником

22 скольжения. Для полного заполнения объема жидким азотом в мешалке

15 и подшипнике 22 скольжения имеются отверстия 23 для протока жидкого азота, Мешалка 15 выполнена с герметичной внутренней полостью для снижения усилия на опорный подшипник

19 за счет действия выталкивающей силы на мешалку 15 со стороны жидкого азота 2. В месте протока жидкого азота 2 из внешнего отсека 5 во внутренний отсек 4 установлен датчик

24 минимально допустимого уровня жидкого азота во внешнем отсеке.

Во внешнем отсеке 5 установлены второй дополнительный нагреватель

25, укрепленный, как и первый дополнительный нагреватель 13, в верхней части сосуда Дьюара 1 над максимально допустимым уровнем 26 жидкого азота во внешнем отсеке 5, 12245

На трубопроводе 29 установлен вентиль 34, связанный с узлом 35 управления потоком жидкого азота через трубопровод 29.

Блок 31 управления температурой образца (см. фиг. 2) содержит преобразователь 36 сопротивления в напряжение, задатчик 37 температуры, узел

38 сравнения, предусилитель 39, усилитель 40 с парофаэным выходом, 10 диод 41 ° При этом датчик 8 температуры образца соединен с входом преобразователя 36, выход которого соединен с входом узла 38 сравнения, друг, гой вход которого соединен с задатчи- 15 ком 37 темпвратуры, Выход узла 38 сравнения соединен с входом предусилителя 39, выход которого соединен с входом парофазного усилителя 40.

Причем прямой выход парофазного уси- 20 лителя 40 соединен с первым дополнительным нагревателем 13 и первым регулируемым клапаном 14 сброса давления, а инверсный выход парофаэного усилителя 40 — с вторым дополнитель- 25 ным нагревателем 25 и вторым регулируемым клапаном 27 сброса давления.

При этом прямой выход парофазного усилителя 40 соединен с инверсным выходом через диод 41 и нагреватель

9, установленный около держателя 6 °

Преобразователь 36 сопротивления в напряжение, эадатчик 37 температуры, узел 38 сравнения и предусилитель, 39 представляют программный регулятор температуры образца.

Парофазный усилитель 40, первый

13 и второй 25 дополнительные нагре- . ватели, первый 14 и второй 27 регулируемые клапаны сброса давления и ди40 од 41 составляют узел изменения уровня жидкого азота.

Устройство для программного замораживания биообъектов работает следующим образом.

При изменении температуры образ,ца изменяется температура и датчика

8. Изменение температуры датчика 8 вызывает изменение его сопротивления на величину, соответствующую этому изменению температуры.

Изменение сопротивления термодатчика 8 преобразуется преобразователем

36 в напряжение, которое поступает на вход узла 38 сравнения. На вход 55 узла 38 сравнения поступает также напряжение с задатчика 37 температуры. Узел 38 сравнения сравнивает

17 4 два входных напряжения и выдает на выход разностный сигнал, который поступает затем на вход предусилителя 39.

Разностный сигнал усиливается предусилителем 39 и поступает на вход парофазного усилителя 40. Разностный сигнал усиливается парофазным усилителем 40 и в зависимости от фазы сигнал поступает на.прямой. либо на ин-. версный выход парофазного усилителя

40. Так, например, при охлаждении образца по заданной программе раэностный сигнал, равный разности напряжений с задатчика 37 и датчика

8 температуры образца, — отрицательный. При этом усиленный разностный сигнал поступает на инверсный выход парофазного усилителя 40, а на его прямом выходе в этом случае сигнал равен нулю.

Разностный сигнал с инверсного выхода подается на второй дополнительный нагреватель 25, обеспечивая по нему прохождение тока нагрева, и на второй регулируемый клапан 27 сброса давления, изменяя в нем проходное сечение для выхода паров азота из внешнего отсека 5. Так как на прямом выходе сигнал равен нулю, то первый регулируемый клапан 14 сброса давления остается полностью открытым, а на первом 9 и втором 13 нагревателях токи нагрева отсутствуют (на нагревателе 9 ток нагрева отсутствует, так как прохождению тока от инверсного выхода к прямому выходу препятствует диод 41) .

При подаче разностного сигнала на клапан 27 сброса проходное сечение клапана 27 сброса уменьшается в зависимости от величины сигнала вплоть до полного герметичного его перекрытия, а газ над поверхностью жидкого азота во вншенем отсеке 5 нагревается нагревателем 25 °

Таким образом, над уровнем 26 жидкого азота во внешнем отсеке 5 повышается давление. При этом давление газа над поверхностью жидкого азота во внутреннем отсеке 4 равно атмосферному, так как клапан 14 сброса полностью открыт, а нагреватели 9 и 13 не включены. Создаваемая разность давлений газа над поверхностью жидкого азота между внешним 5 и внутренним 4 отсеками выдавливает жидкий азот из внешнего отсека во внутренний, уменьшая уровень жидкого

1224517

Величина отводимого от образца теплового потока, а следовательно, и скорость охлаждения, будет зависеть от коэффициента теплоотдачи от теплопроводного элемента 10 к жидкому азоту 2. Охлаждение теплопроводно-4

ro элемента 10 осуществляется за счет испарения жидкого азота на его поверхности, что первоначально охлаждает часть теплоцроводного элемента 10, погруженную в жидкий азот, до температуры кипения жидкого азота, после чего часть теплопроводного элемента 10, опущенная в жидкий азот, охлаждается жидким азотом до температуры несколько ниже температуры кипения жидкого азота. При испарении жидкого азота на поверхности теплопроводного элемента 10 образуазота во внешнем отсеке 5 и увеличивая уровень жидкого азота во внутреннем отсеке 4.

Охлаждение контейнера 7 с образцом в предложенном устройстве обеспечивается теплопередачей от образца (биообъекта) через теплопроводный элемент 10, имеющий тепловой контакт с контейнером 7 и жидким азотом 2 во внутреннем отсеке 4. При этом тепловой поток, отводимый от образца (биообъекта), зависит от геометрии теплопроводного элемента 10, коэффициента температуропроводности материала теплопроводного элемента 10, величины не погруженной в жидкий азот 2 части теплопровчэдного элемен1 та 10, коэффициента теплоотдачи от элемента 10 к жидкому азоту 2 и дру- 20 гих факторов. Повышение уровня жидкого азота во внутреннем отсеке 4 уменьшает часть теплопроводного элемента 10, расположенную над уровнем жидкого азота, тем самым 25 уменьшается тепловое сопротивление между образцом и жидким азотом так, что тепловой поток, отводимый от образца (биообъекта) вместе с датчиком 8 температуры биообъекта, уменьшает их температуру до такой величины, при которой напряжение с датчика

8 и преобразователя 36 становится равным напряжению с задатчика 37, при этом разностный сигнал становится равным нулю.

Таким образом обеспечивается программное охлаждение образца с высокой скоростью. ется пленка газообразного азота (пленочное кипение) с переменной толщиной по высоте части теплопроводного элемента 10, погруженной в жидкий азот. Эта пленка снижает коэффициент теплоотдачи от теплопроводного элемента 10 к жидкому азоту.

Для .увеличения коэффициента теплоотдачи за счет уменьшения толщины пленки или ее полного устранения и перехода к пузырьковому кипению, мешалка 15 приводится во вращение приводом 21 через магниты 20 магнитной муфты, Мешалка 15 вращается на опорном подшипнике 19 и центрируется подшипником 22 скольжения. Вращение коаксиальных цилиндрических стенок

18 мешалки 15 приводит во вращения жидкий азот, заполняющий внутренний отсек 4. Вращающийся жидкий азот обтекает профилированные цилиндрические обечайки теплопроводного элемен- та 10, расположенные коаксиально и неподвижно относительно стенок 18 мешалки 15. Для снижения скорости вращения мешалки 15, при которой разрушается пленочное кипение, поверхность цилиндрического теплопро1 водного элемента 10 выполнена с вер тикальными пазами (или выступами) определенной глубины, ширины и с определенной величиной шага, т.е. количеством выступов на единицу длины окружности (не показаны). Стенки 18 мешалки 15 выполнены со специальными лопастями, установленными вертикально по образующей и радиально к поверхности (не показаны). Все это позволяет получить интенсивное вихреобразование в потоке жидкого азота, что разрушает пленочное кипение и увеличивает коэффициент теплоотдачи.

Таким образом, жидкий азот во внутреннем отсеке 4 перемещается по отношению к теплопроводному элементу 1О как вертикально, так и вращательно.

Вращательное движение жидкого и газообразного азота по отношению к,теплопроводному элементу 10 обеспечивает равномерное температурное поле по горизонтальному сечению теплопроводника, а следовательно, и по замораживаемому образцу.

Приведенное вьппе описание работы предложенного устройства справедли1224517 во для случая, когда скорость программного задания охлаждения образца выше, чем скорость его охлаждения за счет теплопередачи по теплопроводному элементу 10 без увеличения уровня жидкого азота 2 и уменьшения термического сопротивления между образцом и жидким азотом, т.е. в этом случае для обесяечения скорости охлаждения образца, равной прог- 10 раммируемой скорости охлаждения, требуется увеличение уровня жидкого азота и увеличение коэффициента теплоотдачи.

В случае, если скорость программного задания охлаждения образца меньше, чем скорость его охлаждения за счет теплоотдачи по теплопроводному элементу 10 без увеличения уровня жидкого азота, то уменьшения тер- 20 мического сопротивления не требуется и устройство работает следующим образом.

В изотермическом режиме, в режиме нагрева или в режиме охлаждения, 25 при котором скорость охлаждения образца за счет теплоотдачи по теплопроводному элементу 10 без изменения уровня жидкого азота больше, чем скорость программного задания охлаждения, разностный сигнал, равный разности напряжений с задатчика 37 и датчика 8, — положительный. В этом случае усиленный разностный сигнал поступает на прямой выход парофазного усилителя 40, а при этом сигнал на его инверсном выходе равен нулю.

Усиленный разностный сигнал с

1прямого вьмода подается на первый дополнительный нагреватель 13, обес- 40 печивая ио нему прохождение тока нагрева, на нагреватель 9, обеспечивая по нему прохождение тока нагрева от прямого выхода к инверсному (в этом случае диод 41 не пре- 45 пятствует прохождению тока) и на первый регулируемый клапан 14 сброса давления, изменяя в нем проходное сечение для вьмода паров азота из внутреннего отсека 4. Так как íà 50 инверсном вьмоде сигнал равен нулю, то второй регулируемый клапан 27 сброса давления остается полностью открытым, а на втором дополнительном нагревателе 25 TQK нагрева отсутству"55 ет. При подаче разиостного сигнала на клапан 27 сброса давления проходное сечение последнего уменьшается в зависимости от величины сигнала вплоть до полного герметичного его перекрытия, а газ над поверхностью жидкого азота во внутреннем отсеке 4 нагревается нагревателями 13 и 9.

Таким образом, над уровнем 16 жидкого азота во внутреннем отсеке 4 повышается давление. При этом давление газа над поверхностью жидкого азота во внешнем отсеке 5 равно атмосферному, так как клапан 27 сброса полностью открыт, а нагреватель 25 не включен ° Создаваемая разность давлений газа над поверхностью жидкого азота между внутренним отсеком 4 и внешним отсеком 5 выдавливает жидкий азот из внутреннего отсека 4 во внешний отсек 5, уменьшая уровень жидкого азота во внутреннем отсеке 4 и увеличивая уровень азота во внешнем отсеке 5. При этом расстояние между образцом и уровнем жидкого азота увеличивается. Снижение уровня жидкого азота во внутреннем отсеке 4 увеличивает часть теплопроводного элемента 10, расположенную над уровнем жидкого азота, тем самым увеличивается тепловое сопротивление между образцом в контейнере 7 и жидким азотом

2, а следовательно, уменьшает"я тепловой поток, отводимый от образца по теплопроводному элементу 10, что снижает скорость охлаждения образца в контейнере 7. Нагреватель 9 дополнительно нагревает образец (биообъект) вместе с датчиком 8 до такой температуры, при которой напряжение с датчика 8 и преобразователя 36 становится равным напряжению с задатчика 37, при этом разностный сигнал становится равным нулю. Таким образом, обеспечиваются изотермический режим, программный нагрев образца, а также программное охлаждение образца со скоростью меньшей, чем скорость охлаждения образца за счет теплопередачи по теплопроводному элементу 10 при постоянном либо уменьшающемся уровне жидкого азота во внутреннем отсеке 4.

При испарении жидкого азота в про-. цессе работы во внешнем отсеке 5 до минимально допустимого уровня срабатывает датчик 24, включая индикатор

32. Это служит сигналом для добавления жидкого азота во внешний отсек 5 сосуда Дьюара 1. Для этого узлом 35 управленйя потоком жидкого азота от9 1224517 крывают вентиль 34 и заполняют через в трубопровод 29 внешний отсек 5 жидким а азотом 2 до верхнего максимального в уровня 26 жидкого азота 2. О достиже- с нии уровнем жидкого азота во внешнем е отсеке 5 максимально допустимого а значения 26 сигнализирует датчик 28, е который при срабатывании включает н индикатор 33, после чего узлом 35 п управления герметично перекрывают 10 ш вентиль 34. Устройство готово к про- у должению работы. Процесс добавления н жидкого азота может быть. автоматизи- п рован; .в этом случае он происходит ч при работе устройства и не влияет на 15 в рабочий режим.

10

В предложенном варианте койструкции устройства первый и второй дополнительные нагреватели 13 и 25 расположены в верхней части соответствующих отсеков 4 и 5 над уровнем жидкого азота, т.е. в газовой фазе. Так как эти нагреватели расположены в верх.ней части отсеков, то при их нагре- 25 ве нагреваются прилегающие к ним слои газа. Удельный вес нагретого газа меньше удельного веса холодного газа, поэтому нагретый газ собирается в верхней части отсеков, т.е. конвекции между нагревателями и поверхностью жидкого азота нет, .а следовательно, нет дополнительного подода тепла на испарение жидкого зота. Между нагревателями и поерхностью жидкого азота находится лой холодного газа, который уменьшат испарение с поверхности жидкого зота. Создаваемое давление передатся от нагретого слоя газа к холодому, а от холодного слоя газа — на оверхность жидкого азота, что уменьает его испарение (так как при величении давления скорость испареия уменьшается). Таким образом, расоложение нагревателей в верхней асти отсека снижает расход азота предложенном устройстве.

Применение изобретения обеспечивает широкий диапазон скоростей программируемого охлаждения — от изотермического режима (О град/мин) до

500- t000 град/мин при теплоемкости образца выше 80 Дж против 130град

150 град/мин при теплоемкости образца до 10

Дж в известном устройстград ве, а также программируемый нагрев.

КроМе того, в предложенном устройстве отсутствует локальное заморажи- вание объекта ввиде неравномерного теплоотвода от образца.

Все это позволяет повысить сох ранность биообъектов нри криозамораживании.

1224517

1224517

Составитель И. Шабалина

Техред Н.Бонкало Корректор С. Черни

Редактор Л. Веселовская

Подписное

Заказ 1910/34

Тиржк 482

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4