Способ замораживания жидкого биологического вещества
Способ замораживания жидкого биологического вещества, размещенного в, по меньшей мере, одной герметичной емкости, заключается в том, что осуществляют отвод тепла от емкости на внешний теплоноситель, охлаждают вещество до температуры фазового перехода и обеспечивают процесс отвердевания по всему объему емкости, после чего замороженное вещество охлаждают до заданной конечной температуры хранения, при этом в процессе охлаждения и фазового перехода вещество внутри емкости принудительно перемешивают за счет того, что последнюю приводят в возвратно-поступательное или колебательное движение с ускорением периодически меняющимся по величине и направлению, причем частоту периодического изменения ускорения обеспечивают в диапазоне от 0,5 до 10 Гц. Использование данного изобретения обеспечивает повышение значений критериальных биологических показателей биологического вещества, замораживаемого в герметичной емкости. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к области морозильной и холодильной техники, а конкретно к способам замораживания растворов биологических веществ, помещенных в герметичные емкости, в частности в полимерные пакеты с компонентами крови, например, с плазмой.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному способу относится способ быстрого замораживания жидких биологических веществ, осуществляемый в быстрозамораживателе, описанном в патенте Российской Федерации №2150933 С1, МПК 7 F 25 D 13/00, 20,06.2000. Герметичные емкости, выполненные, например, из полимерного материала и заполненные биологическим веществом, например кровью или плазмой крови, неподвижно размещают в рабочей камере морозильного аппарата, а процесс замораживания осуществляют путем создания отвода тепла от емкостей на внешний теплоноситель, и обеспечения вследствие этого понижения температуры вещества в емкостях до температуры фазового перехода, реализации процесса отвердевания материала по всему объему емкости и последующего охлаждения замороженного вещества до заданной конечной температуры.
Недостаток известного способа, принятого за прототип, состоит в низких значениях критериальных показателей, характеризующих определенные биологические качества замораживаемого биологического вещества, например, в низком содержании фактора VIII в свежезамороженной плазме, ответственного за свертываемость крови, вследствие невозможности обеспечения отвода с постоянной интенсивностью тепла из объема емкости с биологическим веществом и достижения высоких скоростей замораживания.
Этот недостаток обусловлен следующими причинами.
При замораживании пакетов с жидким биологическим веществом в твердое состояние, в первую очередь, переходит чистая вода.
Внутри полимерного пакета образуются кластеры чистого водяного льда, а концентрация солей в объеме пакета начинает расти.
Интегральное отрицательное воздействие солевого раствора на молекулы, определяющие критериальные биологические показатели замораживаемого биологического вещества, зависит от значения концентрации солей в растворе и длительности акта замораживания.
Именно этим и определяется главное медико-техническое требование к способу замораживания - обеспечение высокой скорости процесса замораживания, т.е. высокой скорости перехода биологического вещества из жидкого состояния в твердое.
Известный способ замораживания биологического вещества реализуется в условиях, когда пакет находится в неподвижном состоянии. В свою очередь это приводит к формированию на внутренней поверхности пакета слоя льда, имеющего относительно невысокий коэффициент теплопроводности (8˜2 Вт·м-1 К-1, последовательному нарастанию его толщины, и как следствие, к появлению своеобразной теплоизоляции, ограждающей оставшийся в жидком состоянии солевой раствор, повышенной солевой концентрации, от внешнего теплоносителя, омывающего наружную поверхность пакета.
Дальнейшее нарастание толщины льда на внутренних стенках пакета приводит к существенному повышению теплового сопротивления между внешним теплоносителем и оставшимися незамерзшими внутренними частями пакета, к резкому уменьшению интенсивности отвода тепла от слоев биологического вещества при постоянно увеличивающейся концентрации солей и, как главное следствие, к возрастанию степени иноактивационного воздействия солевого раствора на молекулы, определяющие биологически активные свойства замораживаемого биологического вещества.
Вышеперечисленное определяет, в итоге, предельно возможные значения критериальных биологических показателей, которое можно обеспечивать в биологическом веществе, неподвижно замораживаемом даже при весьма более низких температурах охлаждающего теплоносителя.
Задачей изобретения является повышение значений критериальных биологических показателей биологического вещества, замораживаемого в герметичной емкости, путем создания отвода тепла с максимально высокой интенсивностью от всех внутренних слоев жидкого биологического вещества и снижения длительности перехода биологического вещества из жидкого состояния в твердое по всему объему емкости. Указанный технический результат достигается тем, что способ замораживания жидкого биологического вещества, размещенного в, по меньшей мере, одной герметичной емкости, заключается в том, что осуществляют отвод тепла от емкости на внешний теплоноситель, охлаждают вещество до температуры фазового перехода и обеспечивают процесс отвердевания по всему объему емкости, после чего замороженное вещество охлаждают до заданной конечной температуры хранения, при этом в процессе охлаждения и фазового перехода принудительно перемешивают вещество внутри емкости за счет того, что последнюю приводят в возвратно-поступательное или колебательное движение с ускорением, периодически меняющимся по величине и направлению, причем частоту периодического изменения ускорения обеспечивают в диапазоне от 0,5 до 10 Гц. Емкость может быть выполнена из полимерного материала.
Сущность изобретения поясняется чертежами быстрозамораживателя, реализующего предложенный способ замораживания биологического вещества.
На фиг.1 схематично представлен быстрозамораживатель, в котором блок фиксации ложементов, выполненный в виде полого параллелепипеда, установлен на платформе с роликами; на фиг.2 представлен вид А на фиг.1; на фиг.3 представлен быстрозамораживатель с блоком фиксации, выполненном в виде полого параллелепипеда с втулками, размещенными в подшипниках, установленных на рабочей камере; на фиг.4 представлен вид В на фиг.3; на фиг.5 представлен блок фиксации ложемента, содержащий вертикально ориентированную втулку, размещенную в подшипнике, установленном в рабочей камере.
Быстрозамораживатель, реализующий предложенный способ, содержит корпус 1 с дверью (крышкой) 2, рабочую камеру 3, отделенную от корпуса 1 теплоизолирующим ограждением 4, холодильный агрегат, включающий в свою очередь в себя холодильный компрессор 5 и два теплообменника, первый из которых - конденсатор 6, так же как и компрессор 5, размещен в нижней части корпуса 1 и обеспечивает вместе с вентилятором 7 отвод тепла от холодильного агрегата во внешнюю среду, второй - теплообменник-испаритель 8, размещенный в рабочей камере 3, нагнетатель 9 для обеспечения циркуляции газообразного или жидкого теплоносителя в замкнутой гидравлической цепи, сформированной в рабочей камере 3, ложементы 10 герметичных емкостей 11 (в конкретном случае - полимерных пакетов) с биологическим веществом 12, блоки фиксации ложементов, которые в зависимости от варианта конструктивного исполнения аппарата могут быть выполнены в виде:
тела с полостью, например, в виде полого прямоугольного параллелепипеда 13, в стенках которого, ориентированных перпендикулярно потоку теплоносителя, выполнены отверстия 14 для протекания потока циркулирующего теплоносителя, создаваемого нагнетателем 9 (фиг.1, 2, 3, 4), в объеме которого может размещаться несколько ложементов 10;
захвата 15 для размещения при замораживании одного ложемента (фиг.5).
В состав быстрозамораживателя входят также узлы перемещения блоков фиксации, которые в зависимости от конструктивного исполнения аппарата могут быть выполнены в виде:
каретки 16, на которой установлен блок фиксации в виде полого параллелепипеда 13, с роликами 17 на направляющих 18, установленных на рабочей камере 3 (фиг.1 и 2);
совокупности сопрягающихся между собой элементов - втулок 19 и подшипников 20.
Кроме того, в состав аппарата входят механизм привода 21, тяга 22, соединяющая узел перемещения в той или иной конструктивной модификации с механизмом привода 21.
При включении быстрозамораживателя в сеть электропитания, 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 теплоносителя (воздуха), создаваемого вентилятором 7, производится отвод тепла во внешнюю среду.
Поток теплоносителя, в конкретном случае - воздуха, циркуляция которого в рабочей камере 3 создается посредством нагнетателя 9, в конкретном случае - вентилятором, протекая через испаритель 8, охлаждается и далее, поступая в рабочую камеру 3, обеспечивает охлаждение как всего объема камеры 3, так и всех находящихся в нем элементов и узлов быстрозамораживателя - блоков фиксации, узлов перемещения и т.д.
При достижении в рабочей камере температуры, соответствующей режиму замораживания, открывают дверь 2 рабочей камеры 3 и размещают в блоках фиксации 13 ложементы 10 с емкостями 11, в конкретном случае, полимерными пакетами с биологическим веществом 12, предназначенным к замораживанию.
При включении механизма привода 21 возвратно-поступательное или колебательное движение его исполнительного элемента посредством тяги 22 передается узлу перемещения, который приводит блоки фиксации ложементов 10 с размещенными в нем емкостями 11 с биологическим веществом 12 в движение с ускорением, периодически меняющемся по величине и направлению в диапазоне от 0,5 до 10 Гц (выявлено экспериментально).
Поток теплоносителя, проходя через отверстия 14, поступает в полость прямоугольного параллелепипеда 13, обеспечивает понижение температуры биологического вещества 12 в емкостях (пакетах) 11 до температуры фазового перехода в твердое состояние.
Вследствие создаваемого при охлаждении емкостей (пакетов) 11 движения с ускорением, периодически меняющимся по величине и направлению, внутри них возникает перемешивание слоев: холодные слои биологического вещества и находящиеся вблизи внутренних поверхностей передвигаются внутрь, а их место занимают более теплые слои из средних частей емкостей 11.
Таким образом, перенос тепла внутри емкости 11 осуществляется не только теплопроводностью, но и конвективным образом, что в свою очередь обеспечивает как более быстрое охлаждение всей жидкости, так и высокую степень изотермичности по объему.
При достижении температуры, соответствующей температуре отвердевания, на внутренних поверхностях емкости (пакета) 11 начинают формироваться кластеры льда. Вследствие создаваемого при замораживании биологического вещества движения с ускорением, периодически меняющемся по величине и направлению, кластеры льда отрываются от внутренней поверхности и равномерно распределяются в объеме биологического вещества 12. Т.е., в предложенном способе замораживания созданы условия для отвердевания жидкого биологического вещества по всему объему герметичной емкости 11.
В зависимости от конструктивного исполнения быстрозамораживателя необходимое для осуществления способа приведение ложементов с емкостями (пакетами) 11 в движение с ускорением, периодически меняющимся по величине и направлению, может быть реализовано в виде: возвратно-поступательного движения на каретке 16 с роликами 17 по направляющим 18; колебательного движения на втулках 19 в подшипниках 20; возвратно-вращательного движения захвата 15, втулки 19 которого размещены в подшипниках 20.
В быстрозамораживателях, реализующих предложенный способ замораживания, благодаря создаваемому при замораживании биологического вещества 12 движению ложементов 10 с ускорением, периодически меняющимся по величине и направлению, и реализуемому при этом перемешиванию жидкого биологического вещества 12 внутри емкостей 11, обеспечивается поддержание высокой интенсивности теплоотвода из всего объема емкостей 11 в течение всего акта замораживания и, как следствие, достижение высокой скорости замораживания, существенно превышающей скорости замораживания, достигаемые в аппаратах, в которых пакеты находятся в неподвижном состоянии, при одинаковых температурах замораживания. В свою очередь это обеспечивает получение биологических веществ с максимально возможным содержанием компонентов, определяющих критериальные биологические показатели.
1. Способ замораживания жидкого биологического вещества, размещенного в, по меньшей мере, одной герметичной емкости, заключающийся в том, что осуществляют отвод тепла от емкости на внешний теплоноситель, охлаждают вещество до температуры фазового перехода и обеспечивают процесс отвердевания по всему объему емкости, после чего замороженное вещество охлаждают до заданной конечной температуры хранения, при этом в процессе охлаждения и фазового перехода принудительно перемешивают вещество внутри емкости за счет того, что последнюю приводят в возвратно-поступательное или колебательное движение с ускорением, периодически меняющимся по величине и направлению, причем частоту периодического изменения ускорения обеспечивают в диапазоне от 0,5 до 10 Гц.
2. Способ по п.2, отличающийся тем, что емкость выполнена из полимерного материала.
