DE102011010121B4 - Walk-in cooling system, in particular for the cryopreservation of biological samples, and method for their operation - Google Patents
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Abstract
Kühlanlage (1), insbesondere zur Kryokonservierung biologischer Proben (2), umfassend: – einen Kühlraum (100), der von einem Bodenbereich (110), Seitenwänden (120) und einem Deckenbereich (130) begrenzt wird, und – eine erste Kühleinrichtung (200), die zur Kühlung des Kühlraums (100) mit flüssigem Stickstoff (220) vorgesehen ist, wobei – der Bodenbereich (110) zur unmittelbaren Kühlung mit dem flüssigen Stickstoff konfiguriert ist, – der Kühlraum (100) so dimensioniert ist, dass sich in dem Kühlraum (100) eine Bedienperson (3) aufhalten und bewegen kann, und – der Bodenbereich (110) eine Plattform (111) aufweist, die für Dampf des flüssigen Stickstoffs (220) durchlässig ist und einen Trägerbereich für die Bedienperson (3) bildet dadurch gekennzeichnet, dass – der Deckenbereich (130) eine Deckenöffnung (131) aufweist, wobei oberhalb der Deckenöffnung (131) mindestens ein Betriebsraum (400) vorgesehen ist, der mit einer Schleuseneinrichtung (450) verbunden ist, und/oder – mindestens eine der Seitenwände (120) eine Türöffnung (125) aufweist, die durch ein bewegliches, thermisch isolierendes Türblatt (126) verschlossen ist, wobei auf einer Außenseite der Seitenwand passend zur Position der Türöffnung eine Schleuseneinrichtung (450) vorgesehen ist.Cooling system (1), in particular for cryopreserving biological samples (2), comprising: - a cooling space (100) delimited by a bottom area (110), side walls (120) and a ceiling area (130), and - a first cooling facility ( 200) provided for cooling the cooling space (100) with liquid nitrogen (220), wherein - the bottom area (110) is configured for direct cooling with the liquid nitrogen, - the cooling space (100) is dimensioned so that the refrigerated space (100) can be stopped and moved by an operator (3), and - the floor area (110) has a platform (111) which is permeable to liquid nitrogen vapor (220) and forms a carrier area for the operator (3) characterized in that - the ceiling portion (130) has a ceiling opening (131), wherein above the ceiling opening (131) at least one operating space (400) is provided which is connected to a lock device (450) i St, and / or - at least one of the side walls (120) has a door opening (125) which is closed by a movable, thermally insulating door leaf (126), wherein on an outer side of the side wall to match the position of the door opening a lock device (450) is provided.
Description
Die Erfindung betrifft eine Kühlanlage, insbesondere zur Kryokonservierung biologischer Proben, die einen mit flüssigem Stickstoff (LN2) gekühlten Kühlraum aufweist. Die Erfindung betrifft des Weiteren Verfahren zum Betrieb der Kühlanlage. Anwendungen der Erfindung sind bei der Langzeitlagerung von Proben im gekühlten Zustand, insbesondere bei der Kryokonservierung biologischer Proben, gegeben.The invention relates to a cooling system, in particular for the cryopreservation of biological samples, which has a refrigerated space cooled with liquid nitrogen (LN 2 ). The invention further relates to methods for operating the cooling system. Applications of the invention are in the long term storage of samples in the cooled state, especially in the cryopreservation of biological samples given.
Es ist bekannt, biologische Proben für Konservierungszwecke im gefrorenen Zustand in einer Kühlanlage, z. B. in einer Kryobank, zu lagern (Kryokonservierung). Kryobanken werden typischerweise bei Temperaturen unter –80°C, insbesondere einer Temperatur unter der Umkristallisierungstemperatur von Wassereis (–138°C), betrieben. Sie enthalten ein Kühlmittelreservoir mit flüssigem Stickstoff (Temperatur: rd. –195°C) und eine Vielzahl einzelner Tanks (so genannte Kryotanks, meist Dewar-Gefäße aus doppelwandigem Stahl) von der Größe einiger Liter bis zu rd. 2 oder 3 Kubikmetern. Die Kryotanks stehen in Räumen bei Normaltemperatur (Raumtemperatur) und werden aus dem Kühlmittelreservoir mit dem flüssigen Stickstoff versorgt. In den Kryotanks sind in Regalen Boxen angeordnet, in denen Röhrchen, Beutel oder andere geschlossene Behältnisse mit den Proben (z. B. Flüssigkeiten, Zellen, Zellbestandteile, Seren, Blut, Zellsuspensionen, Gewebestücke o. ä.) gelagert sind. Die Proben können komplett im flüssigen Stickstoff angeordnet sein. Zur Vermeidung einer Probenkontamination durch den flüssigen Stickstoff werden die Proben jedoch meistens in einer kühlen Gasphase im Dampf des flüssigen Stickstoffs bei weniger als etwa –145°C gelagert. Diese Gasphase wird oberhalb eines Stickstoffsees am Boden des Kryotanks gebildet.It is known biological samples for preservation purposes in the frozen state in a refrigeration system, for. B. in a cryobank to store (cryopreservation). Cryobanks are typically operated at temperatures below -80 ° C, in particular at a temperature below the recrystallization temperature of water ice (-138 ° C). They contain a coolant reservoir with liquid nitrogen (temperature: around -195 ° C) and a large number of individual tanks (so-called cryogenic tanks, mostly double-walled Dewar vessels) of the size of a few liters up to approx. 2 or 3 cubic meters. The cryotanks stand in rooms at normal temperature (room temperature) and are supplied from the coolant reservoir with the liquid nitrogen. In the cryotank boxes are arranged on shelves in which tubes, bags or other closed containers with the samples (eg., Liquids, cells, cell components, serums, blood, cell suspensions, pieces of tissue, etc.) are stored. The samples can be arranged completely in liquid nitrogen. However, to avoid sample contamination by the liquid nitrogen, the samples are most often stored in a vapor phase of liquid nitrogen vapor at less than about -145 ° C in a cool gas phase. This gas phase is formed above a nitrogen lake at the bottom of the cryotank.
Für die Kühlung in den Kryotanks wäre es günstig, wenn sie dauerhaft geschlossen gehalten werden würden. Im praktischen Betrieb müssen sie jedoch, z. B. bei einem Zugriff auf die Proben, wiederholt geöffnet werden. In der Praxis sind Proben-Einlagerungen oder -Entnahmen oder Inventuren erforderlich, was bei Kryobanken zum Beispiel mit 10.000 bis zu 1 Million oder mehr Proben zu einer kritischen Beschränkung für die Effektivität des Kryotank-Betriebs und für die Bereitstellung konstanter Kühlbedingungen wird.For the cooling in the cryotanks it would be beneficial if they were kept permanently closed. In practical operation, however, they must, for. B. when accessing the samples to be opened repeatedly. In practice, sample emplacement or sampling or inventory is required, which in cryobanks, for example, with 10,000 to 1 million or more samples, becomes a critical limitation to the effectiveness of cryotank operation and to providing consistent cooling conditions.
Ferner ist bei derart großen Probenzahlen eine Automatisierung aller Vorgänge, insbesondere der Probenhandhabung, erforderlich. Bisherige Automatisierungsansätze (siehe z. B.
Es ist des Weiteren bekannt, Lebensmittel in Kühlräumen zu lagern. Eine effektive Lagerung und Automatisierung wird erreicht, wenn die Kühlräume ein begehbares Großraumlager bilden. Diese Technik ist jedoch nicht für Kühlanlagen zur Kryokonservierung biologischer Proben anwendbar. Selbst die geringsten, bei der Kühlung von Lebensmitteln vorgesehenen Temperaturen sind für die dauerhafte Kryokonservierung biologischer Proben zu hoch. Ein Betrieb der herkömmlichen Kühlräume bei geringeren Temperaturen ist jedoch nicht ohne Weiteres möglich. Unterhalb von –30°C versagen die herkömmlichen Automatisierungstechniken aufgrund von Funktions- und Materialeinschränkungen, vor allem von Motoren, Lagern, Schmiermitteln und den Passungen beweglicher Teile. Bei einem Störfall oder einem Komponenten-Ausfall im Kühlraum müsste dieser komplett erwärmt werden, da Bedienpersonen Räume mit einer Temperatur unter –80°C in herkömmlicher Schutzkleidung nicht gefahrlos betreten können. Ein tiefer Atemzug würde zur Schädigung von Lungenbläschen durch Erfrieren und nachfolgend zu lebensbedrohlichen Zuständen führen. Hinzu kommt die schnelle Bereifung und Vereisung beim Öffnen und Betreten der Räume. Des Weiteren bestehen Probleme bei der thermischen Isolierung herkömmlicher tiefgekühlter Kühlräume und deren Sicherung bei Havarien. Da Kryobanken über Jahrzehnte, zukünftig wahrscheinlich Jahrhunderte, unterbrechungsfrei kalt gehalten werden müssen, ist das Havarieproblem besonders kritisch. Es fehlt bislang an Techniken, große Hallen bei Totalausfall des Kühlsystems wenigstens bei –80°C zu halten, bis eine Reparatur erfolgt ist.It is also known to store food in cold storage. Effective storage and automation is achieved when the cold rooms form a walk-in large-capacity warehouse. However, this technique is not applicable to refrigerators for cryopreserving biological samples. Even the lowest levels of food refrigeration are too high for the permanent cryopreservation of biological samples. However, operating the conventional refrigerators at lower temperatures is not readily possible. Below -30 ° C, conventional automation techniques fail due to functional and material limitations, especially of motors, bearings, lubricants and the fit of moving parts. In the event of a malfunction or a component failure in the cold room, it would have to be completely warmed up as operators can not safely enter rooms with a temperature below -80 ° C in conventional protective clothing. A deep breath would damage the air sac by freezing and subsequently lead to life-threatening conditions. Add to that the fast tires and icing when opening and entering the rooms. Furthermore, there are problems with the thermal insulation of conventional refrigerated cold rooms and their security in case of accidents. Since cryobanks must be kept cold for decades, in future probably centuries, in the future, the accident problem is particularly critical. So far, there is a lack of techniques to keep large halls at least at -80 ° C in case of total failure of the cooling system, until a repair has taken place.
Weitere Kühlanlagen mit großen Kühlräumen sind aus
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Kühlanlage, insbesondere zur Kryokonservierung biologischer Proben, bereitzustellen, mit der Nachteile und Beschränkungen herkömmlicher Kühlanlagen überwunden werden. Die Kühlanlage soll insbesondere einen effektiven Kühlbetrieb auch bei hohen Probenzahlen ermöglichen und/oder eine Automatisierung des Zugriffs auf Proben verbessern. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Kühlanlage, insbesondere zur Kryokonservierung von biologischen Proben, bereitzustellen, mit dem Nachteile und Beschränkungen herkömmlicher Verfahren überwunden werden.The object of the invention is to provide an improved cooling system, in particular for the cryopreservation of biological samples, with which the disadvantages and limitations of conventional cooling systems are overcome. In particular, the cooling system should enable effective cooling operation even with high numbers of samples and / or improve automation of access to samples. The object of the invention is also to provide an improved method for operating a refrigeration system, in particular for the cryopreservation of biological samples, with which the disadvantages and limitations of conventional methods are overcome.
Diese Aufgaben werden durch Kühlanlagen und Verfahren zu deren Betrieb mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. These objects are achieved by cooling systems and methods for their operation with the features of the independent claims. Advantageous embodiments and applications emerge from the dependent claims.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Kühlanlage, insbesondere zur Kryokonservierung biologischer Proben, bereitgestellt, die einen Kühlraum und eine erste Kühleinrichtung aufweist, die zur Kühlung des Kühlraums unter Verwendung von flüssigem Stickstoff eingerichtet ist. Der Kühlraum ist allgemein ein von einem Bodenbereich, Seitenwänden und einem Deckenbereich eingeschlossener Raum, der in seiner Gesamtheit mit der ersten Kühleinrichtung gekühlt wird und für die Aufnahme der zu konservierenden Proben eingerichtet ist. Die Kühlung des vollständigen Kühlraums ist in gerichteter Weise zumindest von dessen Boden her vorgesehen. Hierzu ist der Bodenbereich des Kühlraums zur unmittelbaren Kühlung mit dem flüssigen Stickstoff eingerichtet. Vorteilhafterweise wird damit eine gleichförmige Kühlung des Kühlraums unterstützt. Durch die Kühlung des Kühlraums von unten nach oben durch Dampf des flüssigen Stickstoffs kann sich im Kühlraum eine Gasschichtung mit einem Temperaturgradienten bilden. Die Temperatur kann in stabiler und reproduzierbarer Weise von unten nach oben steigen. Vorteilhafterweise wird damit die Bereitstellung reproduzierbarer Lagerbedingungen, insbesondere einer reproduzierbaren Lagertemperatur am Ort der Probenablage, unterstützt.According to a first aspect of the invention, there is provided a refrigeration system, in particular for cryopreserving biological samples, having a cooling space and first cooling means arranged to cool the cooling space using liquid nitrogen. The refrigerated space is generally a space enclosed by a floor area, sidewalls, and a ceiling area, which is cooled in its entirety with the first cooling device and is arranged to receive the samples to be preserved. The cooling of the entire refrigerator is provided in a directional manner at least from the bottom thereof. For this purpose, the bottom portion of the refrigerator is set up for direct cooling with the liquid nitrogen. Advantageously, a uniform cooling of the cooling space is thus supported. By cooling the cooling space from bottom to top by vapor of the liquid nitrogen can form a gas stratification with a temperature gradient in the cold room. The temperature can rise in a stable and reproducible manner from bottom to top. Advantageously, it thus supports the provision of reproducible storage conditions, in particular a reproducible storage temperature at the location of sample placement.
Gemäß der Erfindung ist der Kühlraum so dimensioniert, dass in dem Kühlraum mindestens eine Bedienperson sich aufhalten und bewegen kann. Das Innenvolumen des Kühlraums ist so gewählt, dass die mindestens eine Bedienperson vollständig in den Kühlraum passt und in diesem stehen und/oder laufen kann. Vorzugsweise beträgt das Innenvolumen mindestens 10 m3, insbesondere mindestens 100 m3, wie z. B. mindestens 500 m3, oder sogar 1000 m3 oder mehr. Bei einem Innenvolumen von z. B. 10 m3 bildet der Kühlraum eine kleine Kryokammer, währned mit z. B. 100 m3 ein Kryoraum, mit z. B. 500 m3 ein Kryoraum-Ensemble, und mit mehr als z. B. 1000 m3 eine Kryohalle, ggf. mit mehreren Räumen, gegeben ist.According to the invention, the cooling space is dimensioned so that at least one operator can stay and move in the cooling space. The interior volume of the cold room is chosen so that the at least one operator completely fits into the cold room and can stand and / or walk in the cold room. Preferably, the internal volume is at least 10 m 3 , in particular at least 100 m 3 , such. At least 500 m 3 , or even 1000 m 3 or more. For an internal volume of z. For example, 10 m 3 of the cooling space forms a small cryogenic chamber währned with z. B. 100 m 3 a cryogenic space, with z. B. 500 m 3 a cryogenic room ensemble, and with more than z. B. 1000 m 3 a cryogenic hall, possibly with multiple rooms, is given.
Der Kühlraum der erfindungsgemäßen Kühlanlage ist, zur Aufnahme einer Probenaufnahmeeinrichtung eingerichtet. Als Probenaufnahmeeinrichtung ist jede Haltestruktur verwendbar, die zur Aufnahme von Proben, insbesondere von Probengefäßen mit biologischen Proben, geeignet ist. Probengefäße umfassen z. B. Reagenzgläser, Röhrchen, Kapillaren, so genannte ”Straws”, Beutel oder andere geschlossene Behältnisse. Die Probenaufnahmeeinrichtung kann im Kühlraum dauerhaft angeordnet (insbesondere fixiert) oder zumindest in Teilen lösbar angeordnet sein. Gemäß der Erfindung ist der Kühlraum vorzugsweise so dimensioniert, dass die Bedienperson sich in dem mit der Probenaufnahmeeinrichtung ausgestatteten Kühlraum aufhalten und bewegen kann.The cooling space of the cooling system according to the invention is set up to receive a sample receiving device. Any sample structure which is suitable for receiving samples, in particular sample containers with biological samples, can be used as the sample receiving device. Sample containers include z. As test tubes, tubes, capillaries, so-called "straws", bags or other closed containers. The sample receiving device can be permanently arranged in the cold room (in particular fixed) or at least partially detachably arranged. According to the invention, the cooling space is preferably dimensioned so that the operator can stay in the cooling chamber equipped with the sample receiving device and move.
Gemäß der Erfindung weist der Bodenbereich des Kühlraums eine Plattform auf, die zum Beispiel mindestens ein(e) Lochplatte, Rost und/oder Gitter umfasst. Die Plattform hat eine Mehrfachfunktion. Erstens ist die Plattform so gebildet, dass Dampf des flüssigen Stickstoffs durch die Plattform in den Kühlraum aufsteigen kann. Die Plattform ist dampfdurchlässig. Damit wird am Boden des Kühlraums eine Kühlfläche geschaffen, mit der durch austretenden Dampf eine unmittelbare, direkte Kühlung des Inneren des Kühlraums ermöglicht wird, was sich vorteilhaft auf die effektive und gleichförmige Kühlung des Kühlraums auswirkt. Zweitens bildet die Plattform einen Trägerbereich für die Bedienperson und typischerweise auch für eine Probenaufnahmeeinrichtung im Kühlraum. Die Plattform ist als Standfläche und/oder Gehfläche für die Bedienperson konfiguriert. Hierzu ist die Plattform mit einer derartigen mechanischen Tragfähigkeit gebildet, dass sie bei Belastung mit der Bedienperson stabil und insbesondere undeformiert bleibt. Vorzugsweise beträgt die mechanische Tragfähigkeit der Plattform mindestens 100 kg/m2 (insbesondere geeignet für leichte Regale und eine Bedienperson), insbesondere mindestens 500 kg/m2 (insbesondere geeignet für mehrere Regale und Bedienpersonen), wie z. B. mindestens 1000 kg/m2 (insbesondere geeignet für mehrere Regale, Maschinen und Bedienpersonen), oder sogar 5000 kg/m2 (insbesondere geeignet für Sicherheitsregale, Maschinen und Bedienpersonen) oder mehr. Des Weiteren ist die Plattform vorzugsweise so gebildet, dass sie sich mindestens über die Hälfte der Fläche des Bodens des Kühlraums erstreckt. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Plattform über die gesamte Fläche des Bodens des Kühlraums.According to the invention, the bottom area of the cooling space has a platform comprising, for example, at least one perforated plate, grate and / or grid. The platform has a multiple function. First, the platform is formed so that vapor from the liquid nitrogen can rise through the platform into the cold room. The platform is vapor permeable. Thus, a cooling surface is created at the bottom of the refrigerator, with the direct steam, direct cooling of the interior of the refrigerator is made possible by exiting steam, which has an advantageous effect on the effective and uniform cooling of the refrigerator. Second, the platform provides a support area for the operator, and typically also for a sample receiving device in the cold room. The platform is configured as a footprint and / or walkway for the operator. For this purpose, the platform is formed with a mechanical load capacity such that it remains stable and in particular undeformed when loaded with the operator. Preferably, the mechanical capacity of the platform is at least 100 kg / m 2 (especially suitable for light shelves and an operator), in particular at least 500 kg / m 2 (especially suitable for multiple shelves and operators), such. B. at least 1000 kg / m 2 (especially suitable for multiple shelves, machines and operators), or even 5000 kg / m 2 (especially suitable for safety shelves, machines and operators) or more. Furthermore, the platform is preferably formed to extend over at least half of the area of the bottom of the cold room. Particularly preferably, the platform extends over the entire surface of the bottom of the cooling space.
Des Weiteren ist die Kühlanlage gemäß der Erfindung mit einer Schleuseneinrichtung in Verbindung mit einem Betriebsraum oberhalb einer Deckenöffnung des Deckenbereichs und/oder einer Schleuseneinrichtung auf einer Außenseite einer der Seitenwände, passend zur Position einer mit einem beweglichen, thermisch isolierenden Türblatt verschlossenen Türöffnung, ausgestattet.Furthermore, the cooling system according to the invention is provided with a lock device in connection with an operating space above a ceiling opening of the ceiling area and / or a lock device on an outer side of one of the side walls, matching the position of a door opening closed by a movable, thermally insulating door leaf.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb der Kühlanlage gemäß obigem ersten Gesichtspunkt der Erfindung bereitgestellt, bei dem eine Kühlung des Kühlraums mit der ersten Kühleinrichtung und eine Positionierung von Proben, insbesondere biologischen Proben, im Kühlraum vorgesehen sind.According to a second aspect of the invention, there is provided a method of operating the refrigeration system according to the first aspect of the invention, comprising cooling the refrigerator compartment with the first cooling device and positioning samples, particularly biological samples, in the refrigerator compartment.
Vorteilhafterweise kann die erste Kühleinrichtung für eine Füllung mit flüssigem Stickstoff derart angepasst sein, dass unter dem Bodenbereich eine freie Oberfläche des flüssigen Stickstoffs gebildet wird. Die erste Kühleinrichtung weist zum Beispiel ein nach oben zum Bodenbereich und zum Kühlraum hin offenes Gefäß auf, z. B. eine Wanne (Bodenwanne) zur Aufnahme von flüssigem Stickstoff. Die Plattform des Bodenbereichs kann zum Beispiel ein Gitter umfassen, das sich über dem Gefäß erstreckt. Von weiterem Vorteil ist, dass eine Wanne mit einer flachen Schalenform verwendet werden kann, da an das Volumen des in der ersten Kühleinrichtung angeordneten flüssigen Stickstoffs keine Anforderungen gestellt werden. So ist insbesondere vorgesehen, dass das Volumen des in der ersten Kühleinrichtung angeordneten flüssigen Stickstoffs geringer ist als das Volumen des im Inneren des Kühlraums vorhandenen dampfförmigen Stickstoffs. Vorzugsweise sind der Bodenbereich und die erste Kühleinrichtung seitlich und nach unten mit einer thermischen Isolation ausgestattet.Advantageously, the first cooling device for filling with liquid nitrogen such adapted to form a free surface of the liquid nitrogen below the bottom region. The first cooling device has, for example, an upwardly open to the bottom portion and the refrigerator compartment open vessel, for. B. a tub (bottom tray) for receiving liquid nitrogen. The platform of the floor area may, for example, comprise a grid extending over the vessel. Another advantage is that a tray with a shallow bowl shape can be used because no requirements are placed on the volume of liquid nitrogen disposed in the first cooler. It is thus provided in particular that the volume of the liquid nitrogen arranged in the first cooling device is less than the volume of the vaporous nitrogen present in the interior of the cooling space. Preferably, the bottom portion and the first cooling device are laterally and downwardly provided with a thermal insulation.
Vorteilhafterweise wird mit der erfindungsgemäßen Kombination aus Stickstoff-Kühlung, Kühlraum-Dimensionierung und Bereitstellung der Plattform eine neue Kühlanlage geschaffen, welche die Nachteile und Beschränkungen herkömmlicher Techniken überwindet. Mit der Erfindung wird das herkömmliche Individualtankprinzip für Kryobanken überwunden. Die Kühlanlage stellt eine frei skalierbare Kryobankarchitektur dar. Gegenüber den herkömmlichen Kryotanks ergibt sich der Vorteil, dass für eine vergrößerte Anzahl von Proben dauerhaft konstante Lagerungsbedingungen bereitgestellt werden. Die Proben können im Kühlraum in Probengefäßen gelagert werden, ohne dass innerhalb des Kühlraums Tanks, thermische Isolationen oder dergleichen erforderlich sind. Ein Zugriff auf einzelne Proben ist möglich, ohne dass die Kühlung der übrigen Proben beeinträchtigt wird.Advantageously, with the inventive combination of nitrogen cooling, refrigerator dimensioning and provision of the platform, a new refrigeration system is provided which overcomes the disadvantages and limitations of conventional techniques. The invention overcomes the conventional individual tank principle for cryobanks. The cooling system represents a freely scalable cryobank architecture. Compared with conventional cryotanks, there is the advantage that permanently constant storage conditions are provided for an increased number of samples. The samples can be stored in the refrigerator in sample vessels without requiring tanks, thermal insulation or the like inside the refrigerator. Access to individual samples is possible without affecting the cooling of the remaining samples.
Mit der Dimensionierung des Kühlraums wird das Innenvolumen herkömmlicher Kryotanks weit überschritten. Die Dimensionierung liefert nicht nur ausreichend Platz für Automatisierungstechnik und/oder eine oder auch mehrere Bedienpersonen, sondern auch eine hohe Wärmekapazität des gekühlten Systems. So stellt die Zufuhr einer Probe oder die Einführung eines Werkzeugs nur einen vernachlässigbar geringen Wärmeeintrag dar, so dass die Gesamtheit der Proben kaum gestört wird.With the dimensioning of the cold room, the internal volume of conventional cryogenic tanks is far exceeded. The dimensioning not only provides sufficient space for automation technology and / or one or more operators, but also a high heat capacity of the cooled system. Thus, the supply of a sample or the introduction of a tool represents only a negligible heat input, so that the totality of the samples is hardly disturbed.
Gegenüber der Kühlung von Lebensmitteln in Großlagern ergibt sich der Vorteil, dass der Kühlraum mit dem flüssigen Stickstoff auf Temperaturen abgekühlt wird, die für eine Kryokonservierung biologischer Proben ausreichend gering ist. Flüssiger Stickstoff hat als Kühlmittel Vorteile, da er billig ist, leicht zu handhaben ist und in seiner flüssigen Form mit einer Siedetemperatur bei Normaldruck von rund –195,8°C allen Anforderungen für die Kryokonservierung biologischer Proben entspricht. Gleichzeitig wird mit der Bereitstellung der Plattform ermöglicht, dass der Kühlraum unabhängig von seiner Größe durch die Bedienperson betreten werden kann, um eventuelle Ausfälle oder Störungen zu beheben.Compared to the cooling of food in large storage facilities there is the advantage that the cold room is cooled with the liquid nitrogen to temperatures that is sufficiently low for a cryopreservation of biological samples. Liquid nitrogen has advantages as a coolant because it is cheap, easy to handle and, in its liquid form with a normal temperature boiling point of about -195.8 ° C, meets all the requirements for cryopreserving biological samples. At the same time, the provision of the platform allows the refrigerator to be accessed by the operator regardless of its size to remedy any failures or malfunctions.
Die erfindungsgemäße Kühlanlage zeichnet sich des Weiteren durch die folgenden Vorteile aus. Die Kryobankarchitektur kann mit großen, automatisierbaren, mit Probenaufnahmeeinrichtungen versehenen Räumen gebildet werden. Die Kühlanlage ist von Kleinbanken (wenige hundert Proben) bis zu industriellen Hallensystemen (Millionen von Proben) skalierbar. Es ist eine Temperatur im Kühlraum unter –130°C gezielt einstellbar. Die Kühlanlage ermöglicht eine teil- oder vollautomatisierte Probeneinlagerung und -entnahme. Ein weiterer Vorteil besteht in der Langzeit-Betriebsfähigkeit und Wartung ohne eine Änderung der Temperatur im Kühlraum.The cooling system according to the invention is further characterized by the following advantages. The cryobank architecture can be formed with large, automated, sample-receiving-chambered spaces. The cooling system is scalable from small banks (a few hundred samples) to industrial hall systems (millions of samples). It is a temperature in the refrigerator below -130 ° C targeted adjustable. The cooling system enables partially or fully automated sample storage and removal. Another advantage is the long-term operability and maintenance without a change in the temperature in the refrigerator.
Weitere Vorteile der Erfindung bestehen in der vollständigen Feuchtigkeitsfreiheit und Vereisungsfreiheit des Kühlraums, der schnellen Abkühlbarkeit der Kühlanlage ohne Reifbildung, der hohen Zugriffsgeschwindigkeit auf alle Proben im Kühlraum, einer gleichen Zugriffsfähigkeit für alle Lagerbestände im Kühlraum, der optional vorgesehenen elektronischen Ansprechbarkeit der Proben und Lagersysteme, der Steuerbarkeit der Temperatur in vorgebbaren Bereichen des Kühlraumes, und der schnellen Einlagerung und Auslagerung von Proben bei dokumentierter Probentemperatur. Insbesondere die Feuchtigkeitsfreiheit und Vereisungsfreiheit (Wasserfreiheit, Lagerung in trockenem Gas) des Kühlraums wird durch die erfindungsgemäße Erzeugung des kühlenden Stickstoff-Dampfes vom Bodenbereich des Kühlraums her unterstützt. Mit der Erfindung lassen sich alternative Energiekonzepte (Verwendung von Wasserstoff zur Kühlung und Energieerzeugung) umsetzen. Des Weiteren ist eine stark redundante Ausführung der sicherheitsrelevanten Systeme und eine Konstanthaltung der Temperatur über eine geregelte Kühlung in dem Kühlraum oder seinen Teilen möglich.Further advantages of the invention are the complete absence of moisture and icing freedom of the refrigerator, the rapid cooling capacity of the refrigerator without frosting, the high access speed to all samples in the refrigerator, equal accessibility for all inventories in the refrigerator, the optional electronic responsiveness of the samples and storage systems, the controllability of the temperature in predefined areas of the cold room, and the rapid storage and removal of samples at a documented sample temperature. In particular, the absence of moisture and freedom from icing (freedom from water, storage in dry gas) of the cold room is promoted by the generation according to the invention of the cooling nitrogen vapor from the bottom area of the cold room. With the invention, alternative energy concepts (use of hydrogen for cooling and power generation) can be implemented. Furthermore, a highly redundant design of the safety-related systems and a constant temperature over a regulated cooling in the refrigerator or its parts is possible.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kühlanlage mit mindestens einer weiteren Kühleinrichtung (im folgenden: zweite Kühleinrichtung) ausgestattet, die unabhängig von der ersten Kühleinrichtung betriebsfähig ist. Die zweite Kühleinrichtung ist ebenfalls zur Kühlung des Kühlraums vorgesehen. Gemäß einer ersten Variante ist die zweite Kühleinrichtung zur Kühlung von mindestens einer der Seitenwände des Kühlraums angeordnet. Kühlelemente der zweiten Kühleinrichtung sind z. B. als eine Hohlwandstruktur in mindestens eine der Seitenwände eingebettet oder auf deren zum Inneren des Kühlraums weisenden Seite positioniert. Gemäß einer weiteren Variante ist die zweite Kühleinrichtung alternativ oder zusätzlich für einen elektrischen Kühlbetrieb und/oder eine Kühlung unter Verwendung von flüssigem Helium (LHe) konfiguriert.According to a preferred embodiment of the invention, the cooling system is equipped with at least one further cooling device (hereinafter: second cooling device) which is operable independently of the first cooling device. The second cooling device is also provided for cooling the cooling space. According to a first variant, the second cooling device is arranged for cooling at least one of the side walls of the cooling space. Cooling elements of the second cooling device are z. B. embedded as a hollow wall structure in at least one of the side walls or positioned on the inside of the refrigerator compartment facing side. According to a further variant, the second cooling device is alternative or in addition to a electrical cooling operation and / or cooling using liquid helium (LHe) configured.
Vorteilhafterweise ermöglicht die zweite Kühleinrichtung einen Hybridbetrieb der Kühlanlage. Zum Beispiel können mindestens zwei unterschiedliche Kühlprinzipien zeitlich seriell (z. B. 8 h elektrische Kühlung, 10 h Kühlung mit LN2) oder parallel und/oder mit verschiedenen Kühlkapazitäten geschaltet werden. Gemäß einem weiteren Beispiel können eine elektrische Kühlung auf –150°C und zusätzlich eine Kühlung mit LN2, oder eine LN2-Kühlung und eine zuschaltbare Kühlung mit LH, oder eine elektrische Kühlung bis –80°C eines Vorraumes, danach eine elektrische Kühlung auf –150°C und eine Kühlung mit LN2 vorgesehen sein. Mit dem Hybridbetrieb kann ein Vollhybridsystem oder ein Teilhybridsystem realisiert werden. Im Vollhybridsystem sind beide Kühleinrichtungen jeweils allein voll leistungsfähig, d. h. jede der Kühleinrichtungen erlaubt eine dauerhafte Kühlung des Kühlraums auf Temperaturen < –130°C. Im Teilhybridsystem ist eine der Kühleinrichtungen (Hauptkühlsystem, z. B. LN2) dauerhaft in Betrieb, während die andere der Kühleinrichtungen (Hilfssystem) nur bei Bedarf zugeschaltet wird. Die zweite Kühleinrichtung kann insbesondere eine Notkühlung bilden, die bei Ausfall aller übrigen Kühleinrichtungen, insbesondere der ersten Kühleinrichtung, sicherstellt, dass im gesamten Kühlraum, wo sich Proben befinden, die Temperatur nicht über –138°C steigt.Advantageously, the second cooling device enables a hybrid operation of the cooling system. For example, at least two different cooling principles can be switched in time series (eg 8 h electrical cooling, 10 h cooling with LN 2 ) or in parallel and / or with different cooling capacities. According to another example, an electric cooling to -150 ° C and additionally cooling with LN 2 , or a LN 2 cooling and a switchable cooling with LH, or electrical cooling to -80 ° C an antechamber, then an electric cooling to -150 ° C and a cooling with LN 2 be provided. With the hybrid operation, a full hybrid system or a partial hybrid system can be realized. In the full hybrid system, both cooling devices are in each case fully efficient, ie each of the cooling devices allows a permanent cooling of the cooling chamber to temperatures <-130 ° C. In the partial hybrid system, one of the cooling devices (main cooling system, eg LN 2 ) is permanently in operation, while the other of the cooling devices (auxiliary system) is switched on only when needed. The second cooling device can, in particular, form an emergency cooling system which, if all the other cooling devices, in particular the first cooling device fail, ensures that the temperature does not rise above -138 ° C. in the entire cooling chamber where samples are located.
Gemäß der Erfindung weist der Deckenbereich des Kühlraums mindestens eine Deckenöffnung auf. Die Deckenöffnung ist bevorzugt eine dauerhaft freie Durchgangsöffnung, durch die kühles Gas aus dem Kühlraum immer nach oben durch die Decke austritt. Des Weiteren stellt die Deckenöffnung eine Zugriffsöffnung für Proben und/oder eine Ein- und Ausgangsöffnung für die Bedienperson dar. Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der Kühlraum keine weiteren Öffnungen, z. B. an den Seitenwänden oder im Bodenbereich hat, so dass die mindestens eine Deckenöffnung die einzige für eine Passage der Proben, der Bedienperson oder weiterer mechanischer Komponenten geeignete Verbindung des Inneren des Kühlraums mit einer Umgebung darstellt. So ist besonders bevorzugt Ein- und Ausstieg der Bedienperson ausschließlich oberhalb des Kühlraumes durch den Deckenbereich vorgesehen. Ein Ein- und Ausstieg der Bedienperson durch eine Seitenwand kann jedoch alternativ oder zusätzlich bereitgestellt werden.According to the invention, the ceiling region of the cooling space has at least one ceiling opening. The ceiling opening is preferably a permanently free through opening through which cool gas from the cold room always exits upwards through the ceiling. Furthermore, the ceiling opening is an access opening for samples and / or an input and output opening for the operator. Advantageously, it can be provided that the cooling space no further openings, for. B. on the side walls or in the floor area, so that the at least one ceiling opening is the only suitable for a passage of the samples, the operator or other mechanical components connection of the interior of the refrigerator with an environment. Thus, particularly preferred entry and exit of the operator is provided only above the refrigerator through the ceiling area. An entry and exit of the operator through a side wall, however, can be provided alternatively or additionally.
Die mindestens eine Deckenöffnung bietet vorteilhafterweise die Möglichkeit, auf den Kühlraum eine Haubenkammer aufzusetzen, in die z. B. im Havariefall die Probenaufnahmeeinrichtung oder wenigstens die kryokonservierten Proben aufgenommen werden können.The at least one ceiling opening advantageously offers the possibility to put on the refrigerator a hood chamber in the z. B. in the event of an accident, the sample receiving device or at least the cryopreserved samples can be recorded.
Des Weiteren ist gemäß der Erfindung oberhalb der Deckenöffnung mindestens ein Betriebsraum vorgesehen. Die Temperatur des Betriebsraums kann im Vergleich zur Temperatur des Kühlraums erhöht sein. Zur Minimierung thermischer Verluste ist der Betriebsraum jedoch vorzugsweise von der äußeren Umgebung der Kühlanlage thermisch isoliert. Der Betriebsraum enthält technische Anlagen, die auf den Kühlraum einwirken. Vorzugsweise sind im Betriebsraum eine Antriebseinrichtung mit mechanischen Stellelementen, wie z. B. Roboterarmen zum Zugriff auf Proben, und/oder eine Fördereinrichtung zur Ein- oder Ausführung der Bedienperson in den oder aus dem Kühlraum vorgesehen. Der Betriebsraum ist mit mindestens einer Schleuseneinrichtung (Personen-Schleuseneinrichtung und/oder Proben-Schleuseneinrichtung) verbunden.Furthermore, according to the invention, at least one operating room is provided above the ceiling opening. The temperature of the service room may be increased compared to the temperature of the refrigerator. However, to minimize thermal losses, the operating room is preferably thermally insulated from the external environment of the refrigeration system. The operating room contains technical equipment that interact with the refrigerator. Preferably, in the operating room, a drive device with mechanical actuators, such. B. robot arms for access to samples, and / or a conveyor for incorporation or execution of the operator in or out of the refrigerator provided. The operating room is connected to at least one lock device (person lock device and / or sample lock device).
Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung sind die mechanischen Stellelemente, wie z. B. Greifarme, Hebel oder Betätigungselemente, in den Kühlraum einführbar. Wenn zumindest Teile der Stellelemente, insbesondere Verbindungsbereiche zwischen relativ zueinander beweglichen Teilen der Stellelemente heizbar sind, wird die Funktionsfähigkeit der Antriebseinrichtung im Kühlraum verbessert. Die Verbindungsbereiche können mit lokal wirkenden Heizungen ausgestattet sein.According to a preferred variant of the invention, the mechanical adjusting elements, such as. As gripping arms, levers or actuators, inserted into the refrigerator. If at least parts of the adjusting elements, in particular connecting areas between relatively movable parts of the adjusting elements are heated, the operability of the drive device in the cooling chamber is improved. The connection areas can be equipped with locally acting heaters.
Gemäß weiteren bevorzugten Varianten der Erfindung umfasst die Fördereinrichtung im Betriebsraum einen Seilzug und/oder eine Tritteinrichtung. Der Seilzug ist für einen Transport der Bedienperson in den und/oder aus dem Kühlraum eingerichtet. Die Bedienperson wird bei dieser Variante an einem Seil oder einer Kette hängend transportiert. Vorteilhafterweise wird damit insbesondere die Sicherheit bei der Evakuierung der Bedienperson aus dem Kühlraum erhöht. Die Tritteinrichtung umfasst zum Beispiel eine Leiter oder Treppe, die sich zwischen dem Inneren des Kühlraums, insbesondere dessen Bodenbereich, und dem Betriebsraum oberhalb des Deckenbereiches erstreckt.According to further preferred variants of the invention, the conveying device in the operating room comprises a cable pull and / or a stepping device. The cable is set up for transporting the operator into and / or out of the cold room. The operator is transported in this variant hanging on a rope or a chain. Advantageously, in particular the safety during the evacuation of the operator from the cold room is increased. The tapping device comprises, for example, a ladder or staircase which extends between the interior of the cold room, in particular its floor area, and the operating room above the ceiling area.
Weitere Vorteile zur Reduzierung thermischer Verluste können sich ergeben, wenn Versorgungsverbindungen zwischen dem Kühlraum und seiner Umgebung durch den Deckenbereich verlaufen. Versorgungsverbindungen umfassen Medienleitungen, insbesondere Kühlmittel- oder Atemluft-Leitungen, elektrische Leitungen, insbesondere zur Stromversorgung oder zur Signalübertragung, und/oder optische Kabel, insbesondere zur Signalübertragung.Further advantages for reducing thermal losses may arise when supply connections between the refrigerator compartment and its surroundings extend through the ceiling region. Supply connections include media lines, in particular coolant or breathing air lines, electrical lines, in particular for power supply or for signal transmission, and / or optical cables, in particular for signal transmission.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann mindestens eine der Seitenwände mehrschichtig mit mindestens zwei Wandlagen aufgebaut sein. Die Erfinder haben festgestellt, dass durch den Aufbau mit den mindestens zwei thermisch isolierenden Wandlagen eine effektive Isolation des Kühlraums in Bezug auf eine Umgebung bei Raumtemperatur bei mäßigem Kühlmittelverbrauch möglich ist. Des Weiteren kann die Funktionsfähigkeit der Kühlanlage, insbesondere bei Ausfall der Kühlung, mindestens über mehrere Tage erreicht werden. Die Verwendung von mehreren Wandlagen hat den besonderen Vorteil, dass diese in Bezug auf die Raumausnutzung und die dichte Füllung der Seitenwand optimal gestaltet werden können. Jede Wandlage ist eine sich entlang der Ausdehnung der Seitenwand erstreckende Wandschicht. Jede der Wandlagen hat eine thermisch isolierende Wirkung, d. h. eine Wärmeleitfähigkeit, die geringer als 0,05 W/m2 (einfache isolierende Schaumstoffe), insbesondere geringer als 0,004 W/m2 (Vakuumpads), insbesondere geringer als 0,001 W/m2 (Vakuumisolierung), und/oder eine feuchtigkeitsabweisende Wirkung. Mehrere Wandlagen sind senkrecht zur Ausdehnung der Seitenwand gestapelt angeordnet. Eine Wandlage umfasst mindestens eine Kunststoff-Lage, mindestens eine Vakuumkomponenten-Lage und/oder mindestens eine Dampfsperren-Lage. Die Kunststoff-Lage umfasst z. B. eine Platte aus geschäumtem Kunststoff, insbesondere eine Hartschaumplatte. Mit der Kunststoff-Lage kann vorteilhafterweise die Kubatur in Bezug auf eine weitere Wandlage optimiert werden. Die Vakuumkomponenten-Lage umfasst z. B. Vakuumisolationspaneele, die wegen ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit von Vorteil sind. Die Dampfsperren-Lage umfasst zum Beispiel eine für Wasserdampf undurchlässige Folie. Es können insbesondere mehrere Dampfsperren innerhalb der Seitenwand zur Vermeidung von Feuchtigkeitsausfall vorhanden sein.According to a further preferred embodiment of the invention, at least one of the side walls can be constructed in multiple layers with at least two wall layers. The inventors have found that by building with the at least two thermally insulating wall layers an effective insulation of the cold room in relation to a room temperature environment with moderate coolant consumption is possible. Furthermore, the functionality of the cooling system, in particular in case of failure of the cooling, at least over several days can be achieved. The use of several wall layers has the particular advantage that they can be optimally designed with respect to the space utilization and the dense filling of the side wall. Each wall layer is a wall layer extending along the extent of the side wall. Each of the wall layers has a thermally insulating effect, ie a thermal conductivity which is less than 0.05 W / m 2 (simple insulating foams), in particular less than 0.004 W / m 2 (vacuum pads), in particular less than 0.001 W / m 2 ( Vacuum insulation), and / or a moisture-repellent effect. Several wall layers are arranged stacked perpendicular to the extension of the side wall. A wall layer comprises at least one plastic layer, at least one vacuum component layer and / or at least one vapor barrier layer. The plastic layer comprises z. B. a plate made of foamed plastic, in particular a rigid foam plate. With the plastic layer, the cubature can advantageously be optimized with respect to a further wall layer. The vacuum component layer comprises z. B. vacuum insulation panels, which are advantageous because of their low thermal conductivity. The vapor barrier layer includes, for example, a water vapor impermeable film. In particular, there may be multiple vapor barriers within the sidewall to prevent moisture loss.
Mindestens eine der Wandlagen kann insbesondere aus einem Material (Kompositmaterial, z. B. Schaum, Flüssigkeit; aufblasbare Körper, z. B. mit geeignetem Dichtungsmaterial) gebildet sein, das geeignet ist, selbstständig eventuelle Unterbrechungen, wie z. B. Risse oder Löcher, zu schließen. Mindestens eine der Seitenwände kann somit eine selbstheilende Wand sein.At least one of the wall layers may in particular be formed of a material (composite material, eg foam, liquid, inflatable bodies, eg with suitable sealing material) which is suitable for automatically interrupting any interruptions, such as, for example, As cracks or holes to close. At least one of the side walls can thus be a self-healing wall.
Mindestens eine der Wandlagen kann ferner eine schaltbare Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die Wärmeleitfähigkeit kann z. B. durch ein Evakuieren von einer oder eine Zufuhr eines Gases oder einer Flüssigkeit in eine Vakuumkomponenten-Lage geschaltet werden.At least one of the wall layers may also have a switchable thermal conductivity. The thermal conductivity can z. B. be switched by an evacuation of one or a supply of a gas or a liquid in a vacuum component position.
Mindestens eine der Seitenwände kann gemäß der Erfindung auf der inneren, zum Kühlraum weisenden Seite mit einem metallischen Material belegt sein, um zum Beispiel eine Kühlschicht zu bilden und/oder um Kühlelemente der zweiten (elektrischen) Kühleinrichtung aufzunehmen.At least one of the side walls may, according to the invention, be covered with a metallic material on the inner side facing the refrigerator compartment, for example to form a cooling layer and / or to receive cooling elements of the second (electric) cooling device.
Des Weiteren kann gemäß der Erfindung mindestens eine der Seitenwände modular mit mindestens einem Wandelement aufgebaut sein, das durch eine Bewegung senkrecht zur jeweiligen Seitenwand aus deren Verbund lösbar ist. Das mindestens eine Wandelement ist verschiebbar und von der Seitenwand trennbar. Das mindestens eine Wandelement ermöglicht vorteilhafterweise eine Struktur der Seitenwand mit einzeln austauschbaren Isolationsmedien ohne Gefährdung der Proben. Alternativ oder zusätzlich ermöglicht das mindestens eine Wandelement eine Notöffnung des Kühlraums für eine rasche Entfernung von Proben aus dem Kühlraum im Havariefall (Evakuierung). Das Wandelement kann instantan aus der Seitenwand verschiebbar sein, zum Beispiel durch eine Sprengung. Vorteilhafterweise kann auf einer Außenseite der Seitenwand passend zur Position des mindestens einen verschiebbaren Wandelements eine Andockeinrichtung für einen mobilen Evakuierungscontainer für einen Havariefall vorgesehen sein.Furthermore, according to the invention, at least one of the side walls can be modularly constructed with at least one wall element which can be detached from its composite by a movement perpendicular to the respective side wall. The at least one wall element is displaceable and separable from the side wall. The at least one wall element advantageously allows a structure of the side wall with individually exchangeable isolation media without endangering the samples. Alternatively or additionally, the at least one wall element allows an emergency opening of the cold room for a rapid removal of samples from the cold room in the event of an accident (evacuation). The wall element may be instantaneously displaceable from the side wall, for example by a blast. Advantageously, a docking device for a mobile evacuation container for a disaster event can be provided on an outer side of the side wall to match the position of the at least one displaceable wall element.
Gemäß der Erfindung weist mindestens eine der Seitenwände eine Türöffnung auf, die durch ein bewegliches Türblatt verschlossen ist. Das Türblatt ist wie die umgebende Seitenwand thermisch isolierend aufgebaut. Die seitliche Türöffnung kann Vorteile für einen seitlichen Zugang für die Bedienperson zum Kühlraum haben. Vorzugsweise ist die Türöffnung mit einem vorbestimmten Abstand über dem Bodenbereich angeordnet. Der Abstand beträgt vorzugsweise mindestens 10 cm, insbesondere mindestens 50 cm, bis zu mehreren Metern. Die Türöffnung ist über eine Treppe mit dem Bodenbereich verbunden. In diesem Fall wird bis zu einem Niveau unterhalb der Türöffnung ein nach unten geschlossener Raum zur Aufnahme des dampfförmigen Stickstoffs über dem Bodenbereich gebildet. Zumindest ein Teil des dampfförmigen Stickstoffs kann selbst bei geöffneter Türöffnung nicht aus dem Kühlraum entweichen. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Türblatt parallel zur jeweiligen Seitenwand verschiebbar angeordnet ist. In diesem Fall wird eine z. B. in die Höhe oder zur Seite ziehbare Wandfläche (Schott) geschaffen. Auf einer Außenseite der Seitenwand ist passend zur Position der Türöffnung eine Schleuseneinrichtung, und optional eine Andockeinrichtung für einen Evakuierungscontainer, vorgesehen.According to the invention, at least one of the side walls has a door opening which is closed by a movable door leaf. The door leaf is constructed as the surrounding side wall thermally insulating. The side door opening may have advantages for lateral access for the operator to the refrigerator. Preferably, the door opening is arranged at a predetermined distance above the floor area. The distance is preferably at least 10 cm, in particular at least 50 cm, up to several meters. The door opening is connected to the floor area via a staircase. In this case, down to a level below the door opening is formed a downwardly closed space for receiving the vaporous nitrogen above the floor area. At least some of the vaporous nitrogen can not escape from the cold room even with the door open. Alternatively or additionally, it can be provided that the door leaf is arranged to be displaceable parallel to the respective side wall. In this case, a z. B. in the height or side drawable wall surface (bulkhead) created. On an outer side of the side wall, a lock device, and optionally a docking device for an evacuation container, are provided matching the position of the door opening.
Vorteilhafterweise kann eine Probenaufnahmeeinrichtung im Kühlraum Regale (so genannte ”Racks”) umfassen, welche die Haltestruktur für die biologischen Proben bilden. In diesem Fall ergeben sich Vorteile für einen automatisierten Zugriff auf Proben, z. B. mit den mechanischen Stellelementen. Regale umfassen Trägerplatten (Tablare), auf denen die Behältnisse mit den biologischen Proben frei liegen. Besonders bevorzugt sind die Regale aus einem Material mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit, z. B. Metall, gebildet. Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine homogene Temperaturverteilung in der Probenaufnahmeeinrichtung.Advantageously, a sample receiving device in the refrigerator space racks (so-called "racks") include, which form the support structure for the biological samples. In this case, there are advantages for automated access to samples, eg. B. with the mechanical control elements. Shelves comprise support plates (shelves) on which the containers with the biological samples are exposed. Particularly preferably, the shelves are made of a material with increased thermal conductivity, z. Metal, educated. Advantageously, this allows a homogeneous temperature distribution in the sample receiving device.
Die Probenaufnahmeeinrichtung kann für eine elektrische und/oder optische Verbindung mit einer Steuereinrichtung (Betriebssteuerung) ausgelegt sein. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine elektronische Ansprechbarkeit der Regale und ggf. der Proben in den Regalen.The sample receiving device can be designed for an electrical and / or optical connection with a control device (operation control). This advantageously allows an electronic responsiveness of the shelves and possibly the samples in the shelves.
Gemäß einer Variante der Erfindung kann die Probenaufnahmeeinrichtung mit Wärmebrücken ausgestattet sein, die in den Bodenbereich ragen. Die Wärmebrücken bestehen aus Materialien mit einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit, z. B. aus Metall. Vorteilhafterweise wird damit eine thermisch gut leitende Verbindung zum LN2-See der ersten Kühleinrichtung geschaffen. Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung kann die Probenaufnahmeeinrichtung alternativ oder zusätzlich ein starres Bauteil bilden. Beispielsweise sind die Regale zu einer starren Struktur verbunden. In diesem Fall ergeben sich Vorteile für die Positionsgenauigkeit und die Reproduzierbarkeit der Gewichtsbelastung der Plattform.According to a variant of the invention, the sample receiving device may be equipped with thermal bridges which protrude into the bottom region. The thermal bridges are made of materials with increased thermal conductivity, eg. B. of metal. Advantageously, a thermally well-conductive connection to the LN 2 lake of the first cooling device is thus created. According to a further variant of the invention, the sample receiving device may alternatively or additionally form a rigid component. For example, the shelves are connected to a rigid structure. In this case, there are advantages for the position accuracy and the reproducibility of the weight load of the platform.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung kann der Kühlraum durch Zwischenwände in Teilräume unterteilt sein. Die Zwischenwände können sich im Kühlraum in vertikaler und/oder horizontaler Richtung erstrecken. Vorteilhafterweise wird damit eine Segmentierung in Vor- und Hauptkühlräume, und ggf. Nebenkühlkammern erzielt. Beispielsweise können Proben gezielt entsprechend der genutzten Lagerkapazität und Zugriffsfrequenz und/oder Lagertemperaturanforderung gekühlt werden. Es kann z. B. die Temperatur in bestimmten Teilen des Kühlraums gezielt abgesenkt oder erhöht werden, so z. B. in einem vorderen, mittleren, oberen, hinteren und/oder unteren Teil. Des Weiteren können Wärmekorridore gebildet werden, durch die im Havariefall eine erhöhte Temperatur für eine schnelle Evakuierung der Proben bereitgestellt wird.According to a further variant of the invention, the cooling space can be subdivided by partition walls into subspaces. The intermediate walls can extend in the cooling space in the vertical and / or horizontal direction. Advantageously, a segmentation in pre-and main refrigerators, and possibly auxiliary cooling chambers is achieved. For example, samples may be cooled selectively according to the used storage capacity and access frequency and / or storage temperature requirement. It can, for. B. the temperature in certain parts of the refrigerator specifically lowered or increased, such. B. in a front, middle, upper, rear and / or lower part. Furthermore, heat corridors can be formed which, in the event of an accident, provide an elevated temperature for rapid evacuation of the samples.
Mit den Zwischenwänden kann eine Struktur geschaffen werden, die sich durch gegenseitig umgebende Teilräume mit verschiedenen Temperaturen auszeichnet. Beispielsweise kann ein Teilraum in der Mitte des Kühlraums die geringste Temperatur aufweisen und die höchste Sicherheit für die Beibehaltung der Kryokonservierungstemperatur bieten. Dies ermöglicht eine Lagerstrategie, bei der die wertvollsten gefrorenen Lebendproben im Teilraum in der Mitte des Kühlraums, gefrorenes Totmaterial in den umgebenden Teilräumen, und Flüssigkeiten, genetisches Material, Seren etc. in einem äußeren Teilraum gelagert werden.With the intermediate walls, a structure can be created, which is characterized by mutually surrounding subspaces with different temperatures. For example, a compartment in the middle of the cold room can have the lowest temperature and provide the highest security for maintaining the cryopreservation temperature. This allows a storage strategy in which the most valuable frozen live samples in the compartment in the middle of the refrigerator, frozen dead material in the surrounding compartment, and liquids, genetic material, sera, etc. are stored in an outer compartment.
Gemäß allgemeinen Merkmalen der Erfindung kann die Kühlanlage mit mindestens einer der folgenden Komponenten ausgestattet sein:
- – Ventilatoren zur Durchmischung der kühlen Gasphase in besonderen Räumen im Inneren
- – Gassensoren, z. B. Sauerstoffsensoren,
- – Temperatursensoren, insbesondere für eine räumlich aufgelöste Temperaturmessung im Kühlraum,
- – Alarmeinrichtungen, z. B. Alarmlampen,
- – Beleuchtungseinrichtungen mit minimiertem Eintrag von Infrarot- oder Wärmestrahlung, z. B. unter Verwendung von Licht emittierenden Dioden (LED) oder anderen kalten Lichtquellen, Glasfasern zur Lichteinkopplung im Deckenbereich, im Bodenbereich oder in mindestens einer der Seitenwände (Glasfasern können in den Kühlraum insbesondere über eine Wärmeisolation, z. B. durch eine Einkopplung über ein evakuiertes Vakuum-Bauteil, zugeführt werden),
- – kontaktloser Energie- und Signaleintrag (induktive oder optische Einkopplung)
- – Überwachungseinrichtungen, z. B. eine Kameraüberwachung, ein Bewegungsmelder und/oder ein Wärmedetektor,
- – Notstromaggregat mit Selbstanschaltung, überbrückungsfreie Stromversorgung,
- – Kühlmittel-Sprinkler-Anlage im oberen Bereich des Kühlraumes, z. B. zur Einspeisung von flüssigem Stickstoff oder Helium für eine schnelle Abkühlung des Kühlraums, und
- – Anschlusseinrichtung für eine externe Flüssiggas-Einspeisung, z. B. von Tankwagen, für den Havariefall,
- – eine Stickstoff-Verflüssigungsanlage,
- – ein Kühlmittelbehälter, der zur Aufnahme eines Reservevolumens flüssigen Stickstoffs vorgesehen ist, und/oder
- – Kondensatsammelelemente, die vom Bodenbereich in den Kühlraum ragen.
- - Fans for mixing the cool gas phase in special rooms inside
- - Gas sensors, z. B. oxygen sensors,
- Temperature sensors, in particular for a spatially resolved temperature measurement in the cold room,
- - Alarms, z. B. alarm lamps,
- - Lighting equipment with minimized entry of infrared or thermal radiation, z. B. using light-emitting diodes (LED) or other cold light sources, glass fibers for light coupling in the ceiling area, in the bottom area or in at least one of the side walls (glass fibers can in the refrigerator in particular via a heat insulation, eg., By a coupling via a evacuated vacuum component to be supplied),
- - contactless energy and signal input (inductive or optical coupling)
- - Monitoring equipment, eg. B. a camera surveillance, a motion detector and / or a heat detector,
- - emergency generator with automatic connection, bridging-free power supply,
- - Coolant sprinkler system in the upper part of the refrigerator, z. B. for feeding liquid nitrogen or helium for rapid cooling of the refrigerator, and
- - Connecting device for an external LPG feed, z. B. of tankers, for the accident,
- A nitrogen liquefaction plant,
- - A coolant tank, which is provided for receiving a reserve volume of liquid nitrogen, and / or
- - Condensate collection elements that protrude from the floor area into the cold room.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:Further advantages and details of the invention will become apparent from the following description of the accompanying drawings. Show it:
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kühlanlage und des Verfahrens zu deren Betrieb werden im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf eine Kühlanlage mit einem Kühlraum beschrieben, der so dimensioniert ist, dass eine Bedienperson im Kühlraum mehrere Schritte laufen kann. Die Realisierung der Erfindung ist nicht auf die beispielhaft gezeigte Kühlraum-Größe beschränkt, sondern entsprechend auch mit erheblich größeren Kühlräumen (Hallen) oder auch mit kleineren Kühlräumen möglich. Ausführungsformen werden im Folgenden insbesondere unter Bezug auf den Aufbau der Kühlanlage und die neuen Betriebsarten beschrieben, welche durch die erfindungsgemäße Kühlanlage ermöglicht werden. Einzelheiten der Kryokonservierung biologischer Proben, wie z. B. die Probenvorbereitung oder die Realisierung bestimmter Kühlprotokolle oder die Ablage der Proben gemeinsam mit gespeicherten Probendaten können mit der erfindungsgemäßen Kühlanlage realisiert werden, wie dies an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist.Preferred embodiments of the cooling system according to the invention and the method for their operation are described below with reference to an exemplary cooling system with a cooling space, which is dimensioned so that an operator in the cold room can run several steps. The realization of the invention is not limited to the refrigerator size shown as an example, but also possible with considerably larger cold rooms (halls) or with smaller cold rooms. Embodiments will be described below with particular reference to the structure of the cooling system and the new modes of operation, which are made possible by the cooling system according to the invention. Details of the cryopreservation of biological samples, such. As the sample preparation or the realization of certain cooling protocols or the storage of samples together with stored sample data can be realized with the cooling system according to the invention, as is known per se from the prior art.
Der Kühlraum
Im Kühlraum
Der Bodenbereich
Die Plattform
Die Seitenwände
Abweichend von der in
Der Deckenbereich
Die Probenaufnahmeeinrichtung
Die zweite Kühleinrichtung
Der Betriebsraum
Die Kühlmittelzufuhr
Die Funktion der Kühlmittel-Leitung
Zum Betrieb der Kühlanlage
Zwischen den Kammern
Abweichend von
Im Deckenbereich
Oberhalb der Deckenöffnung
Der Betriebsraum
Das Betreten des Kühlraums
Die Schleusentür
Erstens kann eine Begehung des Kühlraums
Zweitens ist in einer Notfallsituation vorgesehen, dass über Notschalter (nicht dargestellt) der Deckel
Zur Zuführung oder Entnahme der Probenaufnahmeeinrichtung
Abweichend von
Außerhalb des Kühlraums
Zur Begehung des Kühlraums
Da im Kühlraum
Die
Gemäß
Anschließend folgt eine weitere Vakuumkomponenten-Lage
Nach außen hin folgt eine Kunststoff-Lage
Ein Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass die Dicke der Seitenwand
Die Ausführungsform von
Im Normalbetrieb wird mit dem Kühlelement
Die schematische Blockdarstellung in
Die Kühlmittelzufuhr
Der erste Kühlmittel-Vorratsbehälter
Der zweite Kühlmittel-Vorratsbehälter
Die Nachlieferung von flüssigem Stickstoff in die erste Kühleinrichtung
Die Kühlmittelzufuhr
Zusätzlich ist an die Kühlanlage
Des Weiteren ist die Kühlanlage
Die Zwischenwände
Alternativ kann vorgesehen sein, dass alle Kühlkammern
In den Zwischenwänden
In
Die Kühlanlage
In der innersten Kühlkammer
Die Verwendung von porösem Material, z. B. Aerogel auf Silikatbasis, zur Speicherung von Kühlmittel, insbesondere flüssigem Stickstoff, zur aktiven Kühlung des Isolationsturms
In
Die Kühlanlage
Zur Begehung des Kühlraums
Des Weiteren sind im Kühlraum
Eine Entlüftung des Kühlraums
Für den Fall einer sofort erforderlichen Entnahme der Proben (Evakuierung) ist in einem seitlichen Wandbereich ein Wandelement
Die automatische Probenablage oder Probenentnahme erfolgt mit einem Probenzugriffsautomaten
Alternativ zur Darstellung in
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.The features of the invention disclosed in the foregoing description, the claims and the drawings may be significant both individually and in combination for the realization of the invention in its various forms.
Claims (14)
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