Способ замораживания жидкого биологического вещества

Способ предназначен для быстрого замораживания жидких биологических веществ, например крови или ее плазмы. Способ замораживания жидкого биологического вещества, размещенного в герметичных емкостях, включает в себя обеспечение отвода тепла от емкостей на внешний хладоноситель. Способ осуществляется в следующих один за другим трех этапах, первый из которых заключается в охлаждении жидкого вещества до температуры фазового перехода, второй этап - в обеспечении отвердевания вещества по всему объему каждой емкости, а третий этап - в охлаждении отвердевшего вещества до конечной температуры соответствующей нижезаданной температуре длительного хранения замороженного вещества. Причем процесс замораживания разделяют на две стадии, в первой из которых в рабочей камере первого морозильного аппарата осуществляют первый и второй этапы процесса, при этом создают более высокую интенсивность отвода тепла от вещества, чем во второй стадии, для чего обеспечивают перемешивание слоев вещества внутри емкостей посредством приведения их в движение с ускорением, периодически изменяющимся по величине и направлению. Затем емкости с отвердевшим веществом для осуществления второй стадии извлекают из рабочей камеры первого морозильного аппарата и помещают в рабочую камеру второго морозильного аппарата, в которой и реализуют третий этап. При этом значение коэффициента теплопередачи, определяющего интенсивность отвода тепла от вещества к внешнему хладоносителю, при осуществлении первой стадии обеспечивают на уровне, не меньшем 50 Вт^-2 мк^-1. Емкости выполняют, как правило, из полимерного материала. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области морозильной и холодильной техники, а конкретно, к способам замораживания растворов, в частности компонентов крови, плазмы, помещенных в герметичные емкости, например в полимерные контейнеры.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному способу является способ замораживания жидкого биологического вещества, конкретно плазмы крови, размещенного в герметичных емкостях, выполненных, например, из полимерного материала, включающий в себя создание отвода тепла от емкости на внешний хладоноситель, осуществление следующих один за другим первого этапа в виде охлаждения жидкого вещества до температуры фазового перехода, второго этапа в виде отвердевания вещества по всему объему емкости, третьего этапа в виде охлаждения замороженного вещества до конечной температуры, соответствующей заданной температуре длительного хранения замороженного вещества (см. патент Российской Федерации №2150933 С1, МПК 7 F 25 D 13/00, 20.06.2000).

Недостаток известного способа, принятого за прототип, состоит в его труднодоступности для использования в широкой медико-биологической практике ввиду того, что для осуществления его необходимо использовать технически сложное и весьма дорогостоящее специализированное холодильное оборудование.

Этот недостаток обусловлен тем, что реализация всего процесса замораживания, всех входящих в него вышеперечисленных этапов в известном способе осуществляется одностадийно, в аппаратах одного типа.

Однако главной целью процесса замораживания является не достижение каких-либо конечных температур в замораживаемом веществе за определенное время, а обеспечение максимальной сохранности в замороженном биовеществе биологически активных веществ.

Поэтому при замораживании биологических веществ для достижения этой цели на каждом этапе процесса следует обеспечивать оптимальные температурно-энергетические параметры холодового воздействия, а именно:

- в 1-ю очередь, обеспечивать высокую скорость отвердевания, т.е. минимальную длительность второго этапа процесса;

- при охлаждении же емкостей с уже замороженным биовеществом до заданной конечной температуры, например для плазмы, определенной рядом нормативных документов как температура ее длительного хранения в стационарных морозильниках, можно существенно снижать интенсивность холодового воздействия и, соответственно, увеличивать длительность третьего этапа.

Вышесказанное поясняется следующим образом. При отвердевании жидкого биовещества, в первую очередь, в твердое состояние переходит чистая вода, а концентрация солей в оставшемся незамерзшем жидком биовеществе начинает расти. Интегральное отрицательное воздействие солевого раствора на молекулы, определяющие критериальные биологические показатели замораживаемого биовещества, например, процент сохранности фактора VIII в замороженной плазме, зависит от значения концентрации солей и длительности второго этапа - этапа отвердевания.

Длительность охлаждения уже замороженного вещества, т.е. длительность третьего этапа, уже не влияет на изменение тех его биологических качеств, которые были зафиксированы в веществе, как бы заморожены, при реализации этапа отвердевания.

Т.е. температурно-энергетические требования, которые должны предъявляться к аппаратам для замораживания биовещества, должны быть различными на разных этапах процесса.

В известном же способе весь процесс замораживания биовещества осуществляется при неизменных температурно-энергетических параметрах холодового воздействия на емкости. В свою очередь, это определяет весьма жесткие требования к морозильным аппаратам, которые должны реализовать известный способ и которые, имея достаточно высокую холодопроизводительность при весьма низких температурах, должны одновременно достаточно быстро осуществлять все этапы процесса.

Холодопроизводительность низкотемпературных холодильных агрегатов имеет тенденцию к резкому уменьшению при снижении температуры кипения хладагента в испарителе. Поэтому для осуществления известного способа замораживания в одностадийном процессе используются дорогостоящие двухстадийные холодильные машины, требующие применения дефицитных хладагентов и смазочных масел, квалифицированного обслуживания, надежность которых существенно ниже надежности однокаскадных машин.

Задача настоящего изобретения состоит в повышении доступности по стоимостным и техническим факторам реализации процессов эффективного замораживания биологических веществ в широкой медико-биологической практике.

Указанный технический результат достигается тем, способ замораживания жидкого биологического вещества, размещенного в герметичных емкостях, включающий в себя обеспечение отвода тепла от емкостей на внешний хладоноситель, осуществляют в следующие один за другим три этапа, первый из которых заключается в охлаждении жидкого вещества до температуры фазового перехода, второй этап - в обеспечении отвердевания вещества по всему объему каждой емкости, а третий этап - в охлаждении отвердевшего вещества до конечной температуры, соответствующей нижезаданной температуре длительного хранения замороженного вещества, причем процесс замораживания разделяют на две стадии, в первой из которых в рабочей камере первого морозильного аппарата осуществляют первый и второй этапы процесса, при этом создают более высокую интенсивность отвода тепла от вещества, чем во второй стадии, для чего обеспечивают перемешивание слоев вещества внутри емкостей посредством приведения их в движение с ускорением, периодически изменяющемся по величине и направлению, а затем емкости с отвердевшим веществом для осуществления второй стадии извлекают из рабочей камеры первого морозильного аппарата и помещают в рабочую камеру второго морозильного аппарата, в которой и реализуют третий этап. При этом значение коэффициента теплопередачи, определяющего интенсивность отвода тепла от вещества к внешнему хладоносителю, при осуществлении первой стадии обеспечивают на уровне, не меньшем 50 Вт^-2 мк^-1, а емкости обычно выполняют из полимерного материала.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом.

На фиг.1 схематично представлен первый морозильный аппарат, посредством которого осуществляют первую стадию предложенного способа, на фиг.2 представлен вид А фиг.1, на фиг.3 представлен второй морозильный аппарат, посредством которого осуществляют вторую стадию предложенного способа, на фиг.4 отражена зависимость длительности 1-й стадии в функции от температуры в рабочей камере и различных значений коэффициента теплопередачи.

Первый морозильный аппарат, посредством которого осуществляют первую стадию предложенного способа, содержит (фиг.1 и 2) корпус 1 с крышкой 2, рабочую камеру 3, выполненную в виде ванны и отделенную от корпуса 1 теплоизолирующим ограждением 4, холодильный агрегат, в свою очередь, включающий в себя холодильный компрессор 5, конденсатор 6, который также как и компрессор 5 размещен в нижней части корпуса 1 и обеспечивает вместе с вентилятором 7 отвод тепла от холодильного агрегата во внешнюю среду, испаритель 8, размещенный в рабочей камере 3, нагнетатель 9 с двигателем 10 для обеспечения циркуляции жидкого хладоносителя в ванне, ложементы (держатели) 11 герметичных емкостей 12 (в конкретном случае - полимерных пакетов) с биологическим веществом 13, блок фиксации 14 ложементов 11, который выполнен в виде полого прямоугольного параллелепипеда, в стенках которого выполнены отверстия 15 для протекания потока циркулирующего хладоносителя, создаваемого нагнетателем 9.

В состав первого морозильного аппарата, посредством которого осуществляют первую стадию предложенного способа, входит также узел приведения блока фиксации 14 в движение с ускорением, периодически изменяющемся по величине и направлению, в свою очередь, содержащий сопрягающиеся между собой втулки 16, установленные на блоке фиксации 14, и подшипники 17, установленные на стенках рабочей камеры 3, механизм привода 18, соединенный тягой 19 с блоком фиксации 14.

Второй морозильный аппарат, посредством которого осуществляет вторую стадию предложенного способа, содержит (фиг.3) корпус 20 с дверью 21, рабочую камеру 22, отделенную от корпуса 20 теплоизолирующим ограждением 23, первый холодильный агрегат, компрессор 24 которого размещен в нижней части корпуса 20, а испаритель 25 установлен в верхней части рабочей камеры 22, вентилятор 26 для обеспечения циркуляции воздуха в рабочей камере 22, второй холодильный агрегат, компрессор 27 которого также размещен в нижней части корпуса 20, а секции 28 панельного испарителя встроены непосредственно в полки 29, на которых при осуществлении второй предложенной стадии способа размещают кассеты 30 с емкостями 12, содержащими биологическое вещество 13, уже замороженное на первой стадии осуществления способа, но имеющее температуру, превышающую значение, определяющее температуру длительного хранения замороженного вещества 13.

Предложенный способ осуществляют следующим образом.

На первой стадии осуществления способа включают первый морозильный аппарат в сеть электропитания, вследствие чего хладагент, циркуляцию которого в гидравлической цепи холодильного агрегата и изменение агрегатного состояния обеспечивает компрессор 5, начинает кипеть при низком давлении в испарителе 8, понижая его температуру.

В компрессоре 5 отсасываемый из испарителя 8 хладагент сжимается, переводится в жидкое состояние и при высоком давлении поступает в конденсатор 6, где от него посредством потока воздуха, создаваемого вентилятором 7, производится отвод тепла во внешнюю среду.

Поток жидкого хладоносителя, циркуляция которого в ванне создается посредством нагнетателя 9, протекая через испаритель 8, охлаждается и далее, поступая в рабочую камеру 3, обеспечивает охлаждение всего ее объема и всех находящихся в ней элементов и узлов устройства - блока фиксации 14 и т.д.

При достижении в рабочей камере 3 температуры, соответствующей режиму замораживания, открывают крышку 2 и размещают в блоке фиксации 14 ложементы 11 с емкостями 12, в конкретном случае, с полимерными пакетами с биологическим веществом 13, предназначенным к замораживанию.

Для увеличения коэффициента теплопередачи от биологического вещества 13 к жидкому хладоносителю, циркулирующему в рабочей камере 3, посредством обеспечения перемешивания слоев вещества 13 внутри емкостей 12 последние приводят в движение с ускорением, периодически меняющимся по величине и направлению, что, в итоге, обеспечивает достижение значений скорости охлаждения жидкого вещества и отвердевания, максимально возможных при реализуемых в рабочей камере 3 температуре хладоносителя и коэффициенте теплопередачи от внешней поверхности емкостей 12 (полимерных пакетов).

Для этого включают механизм привода 18, вращательное движение вала которого посредством тяги 19 передается блоку фиксации 14 и преобразуется в колебательное движение блока 14 вокруг горизонтальной оси, проходящей через оси втулок 16 и подшипников 17.

Поток хладоносителя, охлаждаемый в испарителе 8, поступая через отверстия 15 в полость блока фиксации 14, в которой размещены ложементы 10, обуславливает охлаждение и последующее замораживание биологического вещества 13 внутри емкостей 12.

Вследствие создаваемого движения емкостей 12 с ускорением, периодически меняющемся по величине и направлению, кластеры льда, образующиеся при замораживании внутри емкостей 12, не слипаются в корку, препятствующую отводу тепла, а отрываются от внутренней поверхности емкостей 12 и равномерно распределяются внутри объема.

Таким образом, благодаря обеспечению описанным выше образом высокой интенсивности теплоотвода из всего объема емкостей 12 при осуществлении первой стадии предложенного способа достигается максимально возможная скорость охлаждения и последующего отвердевания жидкого вещества 13, что, в свою очередь, обеспечивает максимально возможное содержание в нем компонентов, определяющих критериальные биологические показатели, например содержание фактора VIII в замороженной плазме.

После осуществления в первом морозильном аппарате первой стадии предложенного способа, включающей в себя первый этап - этап охлаждения жидкого вещества до температуры фазового перехода и второй этап - этап его отвердевания по всему объему емкостей, реализуемые в условиях, когда обеспечивается интенсивная теплопередача от всех слоев вещества 13 внутри емкостей 12 к хладоносителю, принудительно циркулирующему в рабочей камере 3, приступают к осуществлению второй стадии предложенного способа, т.е. к третьему этапу процесса - этапу охлаждения емкостей 12 с уже замороженным веществом 13, т.е находящемся в твердом состоянии.

Для этого герметичные емкости 12 (полимерные пакеты) с замороженным биологическим веществом 13 извлекают из рабочей камеры 3 первого морозильного аппарата, далее размещают в кассетах 30 (данная операция является предпочтительной, но не обязательной), а затем кассеты 30 с емкостями 12 размещают на полках 29 рабочей камеры 22 второго морозильника аппарата, который заранее включен в цепь электропитания и выведен на режим, температура которого ниже как температуры в рабочей камере 3 первого морозильного аппарата, при которой осуществляется первая стадия, так и значения температуры, определенного как температура длительного хранения замороженного биологического вещества 13.

При работе второго морозильного аппарата охлаждение рабочей камеры 22 и всех размещенных в ней предметов - испарителя 25 первого холодильного агрегата, включенного в гидравлическую цепь компрессора 24, секций 28 панельного испарителя, включенных в гидравлическую цепь компрессора 27, осуществляется посредством как создания внутри камеры 22 замкнутого потока циркулирующего воздуха, создаваемого вентилятором 26, так и посредством контактного охлаждения кассет 30 с емкостями 12 секций 28 панельного испарителя.

На второй стадии осуществления предложенного способа скорость охлаждения большого количества емкостей 12 с замороженным биологическим веществом 13, которые могут полностью заполнять весь объем рабочей камеры 22 и иметь очень большую суммарную теплоемкость, может быть невысокой, а длительность второй стадии и, соответственно, третьего этапа, в течение которого замороженное вещество 13 охлаждается до заданной конечной температуры длительного хранения, достигать значений, существенно превышающих требуемые значения длительностей реализации процесса замораживания, например, для плазмы крови, определенные рядом соответствующих нормативных документов.

Однако какого-либо ухудшения биологических показателей замороженного вещества 13 при этом не происходит. Поэтому основным техническим показателем аппарата-морозильника является возможность достижения достаточно низких температур.

Как показывают расчеты, для получения 1 кг свежезамороженной плазмы, имеющей начальную температуру 22°С, а конечную температуру - минус 30°С, необходимо независимо от способа реализации всего процесса замораживания обеспечить отвод от плазмы в пакетах ≈5,83·10⁵ Дж, при этом при осуществлении 1-й стадии (1-го и 2-го этапов) ≈5,1·10⁵ Дж, а при осуществлении 2-й стадии (3-го этапа процесса) ≈0,72·10⁵ Дж.

С другой стороны, для осуществления замораживания 12-ти емкостей 12 по 0,25 кг плазмы в одностадийном процессе (т.е. обеспечение достижения в емкости 12 температуры минус 30°С за 1 час) применяемый холодильный агрегат должен иметь холодопроизводительность Q⁽¹²⁾=486 Bт.

В качестве примера в таблице представлены зависимости от температуры в испарителе, холодопроизводительности низкотемпературных компрессоров фирмы "Danfoss" (Германия), работающих на хладагенте R 507.

Компрессор на 220В	Хладопроизводительность в Вт при температуре кипения, °С (Т окр. среды = 32°С)
-45	-40	-35	-30	-25	-20	-15	-10	-5
SC12CL	75	148	239	348	475	619	781	961	1159
SC15CL	130	211	313	438	585	753	943	1155	1389
SC18CL	166	262	382	525	691	881	1095	1332	1593
SC21CL	226	325	455	617	813	1042	1306	1606

Как видно из таблицы, применения даже 2-х компрессоров SC21CL, обеспечивающих кипение хладагента R507 в испарителе при температуре минус 45°С, оказывается недостаточным, т.е.:

2Q_SC21CL(-45°С)=453 Вт<Q(12)=486 Вт.

Если же первую стадию замораживания 12-ти емкостей 12 осуществлять при более высоких температурах, например при минус (-30°С÷35°С), обеспечивая при этом высокие значения коэффициента теплопередачи, то можно обойтись одним холодильным агрегатом SC21CL, так как:

Q_{1 SC21CL}(-30°С÷35°С)=(455÷617) Вт, т.е.

Q_{1 SC21CL}(-30°С÷35°С)>Q₁₂(1-я стадия)=334 Вт.

На фиг.4 отражена зависимость длительности 1-й стадии в функции от температуры в рабочей камере и различных значений коэффициента теплопередачи.

Как видно из фиг.4, обеспечение на 1-й стадии значений коэффициентов теплопередачи между веществом 13 и хладоносителем на уровне, не меньшем 50 Вт^-2 мк^-1, позволяет достичь весьма высоких скоростей протекания 1-го и 2-го этапов при температурах хладоносителя в диапазоне минус 30°С÷минус 35°С. При этом процентное содержание такого биологически активного компонента, как фактора VIII (антигемофильного глобулина, ответственного за свертываемость крови) в плазме, замороженной при осуществлении 1-й стадии предложенного способа, оказывается не только не меньшим, но и существенно превышающим содержание фактора VIII в плазме, замороженной в лучших импортных экспресс-замораживателях фирм ThermoGenezis (США), Frigera (Чехия).

Резюмируя, можно сказать, что осуществление процесса замораживания плазмы в одностадийном способе, требующее реализации низких температур на всех этапах, определяет необходимость применения либо нескольких низкотемпературных компрессоров (вследствие резкого уменьшения их холодопроизводительности), либо использования двухкаскадных или двухступенчатых холодильных систем.

Следует иметь в виду, что в одном и том же холодильном аппарате нельзя посредством одного холодильного агрегата обеспечивать оптимальные режимы работы при разных температурах в рабочей камере.

При выборе одного и того же типа компрессора 5 (например, компрессора SC21CL) в холодильных агрегатах, реализующих различных температуры, оказываются различными:

- тип используемого конденсатора 6;

- тип используемого дроссельного устройства, например капиллярной трубки;

- объем хладагента, заправляемого в систему агрегата и т.д.

Т.е. разным стадиям процесса замораживания вещества 13 должно соответствовать различное аппаратурное обеспечение.

Однако холодильные агрегаты для осуществления двухстадийного процесса замораживания, описанного в предложенного способе, по сравнению с аппаратами, реализующими этот процесс в одностадийном режиме, отличаются существенно низкой ценой, более высокой надежностью, простотой в изготовлении и ремонте, не требуют использования дефицитных комплектующих изделий, материалов и компонентов, просты в обслуживании.

Вышесказанное определяет, в итоге, широкую доступность предложенного двухстадийного способа замораживания плазмы крови в практике медицинских учреждений различного уровня, реализация которого не требует значительных финансовых затрат, использования высококвалифицированного обслуживающего персонала и, в то же время, позволяющего получить в замороженном биологическом веществе высокую степень сохранности его критериальных биологических компонентов.

1. Способ замораживания жидкого биологического вещества, размещенного в герметичных емкостях, включающий в себя обеспечение отвода тепла от емкостей на внешний хладоноситель, осуществление следующих один за другим трех этапов, первый из которых заключается в охлаждении жидкого вещества до температуры фазового перехода, второй этап - в обеспечении отвердевания вещества по всему объему каждой емкости, а третий этап - в охлаждении отвердевшего вещества до конечной температуры, соответствующей ниже заданной температуры длительного хранения замороженного вещества, причем процесс замораживания разделяют на две стадии, в первой из которых в рабочей камере первого морозильного аппарата осуществляют первый и второй этапы процесса, при этом создают более высокую интенсивность отвода тепла от вещества, чем во второй стадии, для чего обеспечивают перемешивание слоев вещества внутри емкостей посредством приведения их в движение с ускорением, периодически изменяющимся по величине и направлению, а затем емкости с отвердевшим веществом для осуществления второй стадии извлекают из рабочей камеры первого морозильного аппарата и помещают в рабочую камеру второго морозильного аппарата, в которой реализуют третий этап.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение коэффициента теплопередачи, определяющего интенсивность отвода тепла от вещества к внешнему хладоносителю, при осуществлении первой стадии обеспечивают на уровне, не меньшим 50 Вт^-2 мк^-1.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что емкости выполняют из полимерного материала.