DE102012024105A1

DE102012024105A1 - Kryo-Lagereinrichtung und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102012024105A1
Application number: DE102012024105.4A
Authority: DE
Inventors: Günter R. Fuhr; Heiko Zimmermann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Universitaet des Saarlandes
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Universitaet des Saarlandes
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2014-06-12
Also published as: JP6208768B2; WO2014090383A1; JP2016501880A; US20150289500A1; CN104837340A; EP2928291A1; CN104837340B

Abstract

Eine Kryo-Lagereinrichtung (100), die zur Lagerung insbesondere von biologischen Proben (1) im kryokonservierten Zustand eingerichtet ist, umfasst einen Lagerbehälter (10), der einen Innenraum (11) zur Aufnahme und zur Kühlung der Proben (1) bei einer vorbestimmten Lagertemperatur in einem Reservoir (12) flüssigen Stickstoffs oder in einem Stickstoff-Dampf über dem Reservoir (12) flüssigen Stickstoffs, wobei der Innenraum (11) mit einem Deckelabschnitt (13) verschlossen ist, eine Haubeneinrichtung (20) mit einer Haube (21), die einen an den Deckelabschnitt (13) angrenzenden Haubenraum (22) einschließt, und eine Spüleinrichtung (30), die ein Kühlmittel-Gefäß (31, 32) aufweist und zur Einführung eines Kühlmittels in den Haubenraum (22) angeordnet ist, wobei die Spüleinrichtung (30) mindestens eine Kühlmittel-Leitung (31) aufweist, die in dem Haubenraum (22) mündet und für eine Spülung eines lokal begrenzten Kühlabschnitts (24) mit einem Kühlmittel-Strom (2) und eine Einstellung der Lagertemperatur im Kühlabschnitt (24) angeordnet ist. Es wird auch ein Verfahren zum Betrieb der Kryo-Lagereinrichtung beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kryo-Lagereinrichtung, insbesondere zur Lagerung von Proben im kryokonservierten Zustand, umfassend einen Lagerbehälter zur Aufnahme und Kühlung der Proben, eine Haubeneinrichtung, die an den Lagerbehälter angrenzend einen Haubenraum bildet, und einen Probenträger, der zur temporären Probenaufnahme im Haubenraum angeordnet ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Handhabung von Proben im kryokonservierten Zustand unter Verwendung einer Kryo-Lagereinrichtung mit einem Lagerbehälter und einer Haubeneinrichtung.
Durch die zunehmende Verbreitung von Kryo-Lagern (oder: Kryo-Banken), insbesondere zur Ablage von lebendem Zellmaterial, mit Probenzahlen von einigen Zehntausend bis zu einigen Millionen besteht ein wachsendes Interesse an einer Automatisierung von Prozessabläufen beim Betrieb der Kryo-Banken. Mit der Automatisierung sollen insbesondere kostengünstige Lagerbedingungen erreicht werden. Des Weiteren soll die Automatisierung eine verbesserte Umsetzung von SOP-Bedingungen (SOP: Standard Operation Procedures), eine möglichst lückenlose Dokumentation und die Minimierung von Bedienfehlern ermöglichen, wie es im biomedizinischen Bereich gefordert wird.
Die Automatisierung von Kryo-Banken mit Kühlung durch flüssigen Stickstoff (LN₂) in Tanks bei Lagertemperaturen deutlich unter –100°C wird bisher durch folgende Probleme erschwert:

– Vereisung von Proben, beweglichen Teilen wie Gelenken, Führungen etc., oder elektrischen Kontaktoberflächen durch kondensierende und ausfrierende Feuchtigkeit aus der Luft bei mehrmaligem Öffnen der Tanks, wie es in Kryo-Banken unumgänglich ist.
– Vereisung der Probenoberfläche, wenn diese in die Umgebungsluft mit normaler Feuchtigkeit (30 bis 90%) gebracht werden.
– Erwärmung der Proben mit zunehmender Miniaturisierung, wenn diese aus der tiefgekühlten LN₂-Atmosphäre entnommen werden. Besonders kritisch wird das bei röhrchenförmigen Probenbehältern (so genannte Straws) und Probenvolumina unter 0,5 ml.
– Kontamination der Probengefäßoberfläche, wenn diese in nichtsterile Umgebung überführt werden.

Die genannten Probleme, die bei den herkömmlichen Kryo-Banken je nach deren Bauart einzeln oder in Kombination auftreten, stellen bisher für eine langzeitrobuste automatisierte Probenverwaltung, inklusive der Ein- und Auslagerung von Proben, ein kritisches Hindernis dar. Verbesserungen wurden lediglich durch die Verwendung von Haubeneinrichtungen erreicht, die über Tanks oder Lagerbehälter, in denen Kryoproben gelagert sind, montiert werden (siehe z. B. EP 1 768 782 oder WO 2005/010499 ). Die Hauben, die z. B. mit trockenem Stickstoffgas vor der Öffnung des Lagerbehälters geflutet und komplett gekühlt werden, können als Schleusen zur Probenhandhabung verwendet werden.
In der Praxis hat sich der Gebrauch von Hauben über Lagerbehältern aufgrund der folgenden Probleme jedoch als nachteilig erwiesen. Die Kühlung einer Haube führt mit deren zunehmender Größe auf Temperaturen unter –80°C zu einem hohen Kühlmittelaufwand und einer Prozessverzögerung im Bereich von z. B. 10 bis 30 Minuten. Diese Probleme verschärfen sich noch, wenn eine Kühlung der Haube bis zur Lagertemperatur im Lagerbehälter, z. B. –150°C, angestrebt wird. Mehrfache Entnahmen oder Einlagerungen von Proben erhöhen den LN₂-Verbrauch erheblich. Soll die Temperatur in der Haube über längere Zeit reduziert gehalten werden, erfordert dies eine gute Wärmeisolation und führt zu einem kompakten, raumgreifenden Aufbau der Haubeneinrichtung, was die Kosten und Handhabbarkeit negativ beeinflusst. Zudem muss die Abführung des Gasvolumens in der Haube und das Fluten mit trockenem kalten Stickstoff sehr sorgfältig geführt werden, Verwirbelungen und das Eindringen von feuchter Luft in die Haube zu vermeiden, was lokale Vereisungen nach sich ziehen würde.
Des weiteren ist aus der Praxis bekannt, dass die Qualität einer biologischen Probe mit gefrorenen lebenden Zellen abnimmt, wenn die Probe mehrfach Temperatursprüngen von der Lagertemperatur (z. B. –150°C) auf –80°C ausgesetzt wird. Eine derartige Erwärmung und Wiederabkühlung tritt jedoch sehr häufig beim Betrieb von Kryo-Banken auf, da zur Entnahme weniger Proben ganze Probenregale (so genannte Racks) mit Hunderten von Kryoröhrchen, Straws oder Beuteln in wärmere Bereiche, z. B. unter der Haube, gezogen werden. Auch beim Nachtanken des LN₂ können unerwünschte Temperatursprünge auftreten. Es wird daher angestrebt, insbesondere bei der Langzeitlagerung, die Lagertemperatur möglichst konstant zu halten, was bei den herkömmlichen Haubeneinrichtungen mit einem übermäßigen Kühlmittelverbrauch und/oder der Forderung nach einer extrem hohen thermischen Isolation verbunden ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Kryo-Lagereinrichtung bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden. Die Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, mit möglichst geringem technischem Aufwand die Erwärmung einer Probe bei der Entnahme bzw. Einlagerung, die Vereisung, und/oder die Kontamination der Probenbehälteroberfläche zu minimieren, den LN₂-Verbrauch, insbesondere für eine Haubenkühlung zu minimieren oder zu vermeiden, und/oder möglichst leichte, kleine Haubeneinrichtungen mit verringerter Anfälligkeit gegenüber niedrigen Temperaturen zu ermöglichen. Die Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Kryo-Lagereinrichtung bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden.
Diese Aufgaben werden mit einer Kryo-Lagereinrichtung bzw. einem Verfahren zu deren Betrieb mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird die genannte Aufgabe durch eine Kryo-Lagereinrichtung gelöst, die zur Lagerung von Proben bei tiefen Temperaturen, insbesondere zur Lagerung biologischer Proben im kryokonservierten Zustand eingerichtet ist. Die Kryo-Lagereinrichtung umfasst einen Lagerbehälter, z. B. einen thermisch-isolierten Kryo-Tank mit einem Innenraum, der gegenüber der Umgebung durch einen Deckelabschnitt verschlossen ist. Der Innenraum ist für die Aufnahme von flüssigem Stickstoff eingerichtet, der typischerweise am Boden des Lagerbehälters ein flüssiges Stickstoffreservoir (so genannter Stickstoffsee) bildet. Des Weiteren ist der Innenraum zur Aufnahme der Proben eingerichtet. Hierzu können im Innenraum beispielsweise Trägereinrichtungen (Regale, so genannte ”Racks”) angeordnet werden. Die Proben können im Lagerbehälter unmittelbar im Reservoir des flüssigen Stickstoffs oder im Stickstoff-Dampf, der sich im Innenraum über dem Reservoir flüssigen Stickstoffs bildet, bei einer vorbestimmten Lagertemperatur gekühlt gelagert werden. Vorzugsweise ist die Kryo-Lagereinrichtung für eine Lagertemperatur von –80C° oder darunter, besonders bevorzugt –150C° oder darunter eingerichtet.
Die Kryo-Lagereinrichtung umfasst des Weiteren eine Haubeneinrichtung, die an den Lagerbehälter angrenzend angeordnet ist. Mit der Haubeneinrichtung wird über dem Deckelabschnitt ein Haubenraum gebildet, der durch die Haubeneinrichtung gegenüber der weiteren Umgebung abgegrenzt ist. Der Haubenraum bildet eine Schleusenkammer, in der die Proben vor der Einführung in den Lagerbehälter oder nach der Entnahme aus diesem, ggf. im Verbund mit einem Teil einer Trägereinrichtung, temporär angeordnet sind. Alternativ kann die Haubeneinrichtung für die temporäre Probenaufnahme optional mit einem Probenträger ausgestattet sein.
Die Kryo-Lagereinrichtung umfasst des Weiteren eine Spüleinrichtung mit einem Kühlmittel-Gefäß, aus dem ein Kühlmittel, wie z. B. Dampf flüssigen Stickstoffs oder ein anderes Kaltgas, in den Haubenraum überführbar ist. Gemäß der Erfindung ist die Spüleinrichtung mit mindestens einer Kühlmittel-Leitung ausgestattet, die vom Kühlmittel-Gefäß in den Haubenraum führt. Die Kühlmittel-Leitung ist für eine Beaufschlagung eines Teilbereichs des Haubenraums mit dem Kühlmittel derart eingerichtet, dass die Lagertemperatur der Proben im Lagerbehälter auch in dem betreffenden Teilbereich einstellbar ist. Der Teilbereich, der im folgenden als Kühlabschnitt bezeichnet wird, ist für die temporäre Probenanordnung vorgesehen. Während im Kühlabschnitt die Lagertemperatur einstellbar ist, bildet sich in der Umgebung des Kühlabschnitts im Haubenraum ein Temperaturgradient zu höheren Temperaturen. Der Kühlabschnitt ist kein mechanisch abgegrenzter Bereich, sondern ein Raumbereich, in dem durch den Kühlmittelstrom die Lagertemperatur einstellbar ist. Die Ausdehnung des Kühlabschnitts ist somit je nach Anwendung der Erfindung von der Zahl und Kühlkapazität der Kühlmittel-Leitungen abhängig, in jedem Fall aber kleiner als das Volumen des Haubenraums. Vorteilhafterweise ist die Spüleinrichtung mit der mindestens einen Kühlmittel-Leitung so ausgelegt, dass die Lagertemperatur lokal ausschließlich im Kühlabschnitt, nicht jedoch im übrigen Haubenraum eingestellt wird.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Verfahren zur Handhabung von Proben im kryokonservierten Zustand bereitgestellt, bei dem die Proben nach einer Entnahme aus einem Innenraum eines Lagerbehälters, z. B. eines Kryo-Tanks, oder vor einer Einführung in den Innenraum des Lagerbehälters im Haubenraum einer an den Lagerbehälter angrenzenden Haubeneinrichtung in einem lokal begrenzten Kühlabschnitt bei der Lagertemperatur angeordnet werden, während die Temperatur im übrigen Haubenraum relativ zum Kühlabschnitt erhöhnt ist. Durch die erfindungsgemäße Bereitstellung eines lokal begrenzten Kühlabschnitts wird vorteilhafterweise erreicht, dass die Haubeneinrichtung über dem Lagerbehälter nur noch geringfügig oder vernachlässigbar wenig abgekühlt wird. Ausschließlich die Probe und ihre unmittelbare Umgebung wird mit einem kalten Kühlmittel-Strom permanent überströmt, sobald sich die Probe im Haubenraum befindet. Andere Teile der Haubeneinrichtung, insbesondere mechanisch bewegliche Komponenten, Antriebe oder dergleichen können bei einer im Vergleich zur Lagertemperatur erhöhten Temperatur, sogar bis hin zur Raumtemperatur, betrieben werden. Daher ist es abweichend von herkömmlichen Techniken nicht länger erforderlich, eine thermisch-isolierte Haube bereitzustellen. Des Weiteren wird durch die lokal beschränkte Kühlung der Probe im Haubenraum der Verbrauch an Kühlmittel erheblich verringert. Die Anfälligkeit mechanischer Komponenten gegenüber niedrigen Temperaturen stellt ebenfalls abweichend von herkömmlichen Techniken kein Problem dar.
Da die mindestens eine Kühlmittel-Leitung für eine permanente Beaufschlagung des Kühlabschnitts mit dem Kühlmittel-Strom ausgelegt ist, wird eine unerwünschte Erwärmung der Probe im Haubenraum ebenso vermieden wie eine Vereisung oder Kontamination der Probenoberfläche. Erfindungsgemäß können kompakte Hauben verwendet werden, in denen Robotik, Sensorik und andere Komponenten bei erhöhten Temperaturen, bis hin zu Raumtemperatur, betrieben werden können.
Mit dem Begriff ”Probe” wird jeder Gegenstand bezeichnet, welcher im Lagerbehälter der Kryokonservierung unterzogen wird und einen oder mehrere Probenbehälter, z. B. Röhrchen, Straws, Kapseln, Beutel oder dgl. und Probenmaterial in diesen, ggf. im Verbund mit einem Teil einer Trägereinrichtung, umfasst. Das Probenmaterial umfasst typischerweise biologisches Material, wie Zellen, Gewebe, Zellbestandteile oder biologische Makromoleküle. Mit anderen Worten, die Probe, welche erfindungsgemäß im Kühlabschnitt auf Lagertemperatur gekühlt gehalten wird, kann z. B. ein oder mehrere Proben-Röhrchen oder einen Träger mit einem oder mehreren Proben-Röhrchen umfassen. Der Kühlabschnitt im Haubenraum kann entsprechend ein Volumen haben, das anwendungsabhängig an die verwendeten Proben angepasst ist und mindestens 100 cm³, z. B. mindestens 500 cm³ beträgt. Bei kleineren Proben kann eine einzige Kühlmittel-Leitung zur Kühlung ausreichen, während bei größeren Proben mehrere Kühlmittel-Leitungen vorgesehen sind.
Vorteilhafterweise sind verschiedene Varianten verfügbar, die Spüleinrichtung der erfindungsgemäßen Kryo-Lagereinrichtung mit dem Kühlmittel zu versorgen. Vorzugsweise umfasst das Kühlmittel kaltes Stickstoffgas, insbesondere Dampf flüssigen Stickstoffs, der bei Normaldruck über einem Reservoir flüssigen Stickstoffs gebildet ist. In diesem Fall ist das Kühlmittel-Gefäß ein Gefäß zur Aufnahme flüssigen Stickstoffs. Besonders bevorzugt wird das Kühlmittel-Gefäß durch den Lagerbehälter der Kryo-Lagereinrichtung gebildet. Vorteilhafterweise kann in diesem Fall der flüssige Stickstoff im Lagerbehälter sowohl zur Kühlung der Proben im Lagerbehälter als auch zur Bereitstellung des Kühlmittel-Stroms zur Kühlung des Kühlabschnitts im Haubenraum verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann außerhalb des Lagerbehälters ein Zusatzbehälter zur Aufnahme flüssigen Stickstoffs angeordnet sein, welcher das Kühlmittel-Gefäß der Spüleinrichtung bildet. Die Bereitstellung des Zusatzbehälters hat Vorteile für den Aufbau der erfindungsgemäßen Kryo-Lagereinrichtung mit den verfügbaren Komponenten herkömmlicher Lagereinrichtungen. Gemäß einer alternativen Variante kann das Kühlmittel ein anderes Gas als Stickstoff, insbesondere ein wasserfreies Gas, wie z. B. Sauerstoff, ein Inertgas oder Kohlendioxid umfassen. In diesem Fall ist vorzugsweise eine thermoelektrische Kühlung des Kühlmittels im Kühlmittel-Gefäß und/oder in der Kühlmittel-Leitung vorgesehen. Diese Ausführungsform der Erfindung kann Vorteile in Bezug auf die Kompaktheit der Kryo-Lagereinrichtung und die Geschwindigkeit der Temperatureinstellung im Kühlabschnitt haben.
Um bei Verwendung von Stickstoffdampf als Kühlmittel die Kühlwirkung der Spüleinrichtung im Kühlabschnitt beeinflussen zu können, ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung von Vorteil, wenn im Lagerbehälter und/oder im Zusatzbehälter zur Aufnahme flüssigen Stickstoffs eine Heizeinrichtung, wie z. B. eine elektrische Widerstandsheizung, angeordnet ist. Durch Betätigung der Heizeinrichtung kann die Bildung von Stickstoffdampf unterstützt und damit der Kühlmittelstrom hin zum Kühlabschnitt vergrößert werden.
Wenn das Kühlmittel-Gefäß durch den Lagerbehälter (Kryo-Tank) der erfindungsgemäßen Kryo-Lagereinrichtung gebildet wird, erstreckt sich die mindestens eine Kühlmittel-Leitung vorzugsweise vom Innenraum des Lagerbehälters durch dessen Deckelabschnitt bis hin zum Kühlabschnitt. Ein inneres Ende der Kühlmittel-Leitung befindet sich vorzugsweise unmittelbar über der Oberfläche des flüssigen Stickstoffs im Lagerbehälters, während ein äußeres Ende der Kühlmittel-Leitung im Haubenraum auf den Kühlabschnitt, insbesondere auf eine in diesem angeordnete Probe, gerichtet ist. Um die Richtwirkung der Kühlmittel-Leitung zu verstärken, kann diese an ihrem äußeren Ende mit einer Düse ausgestattet sein.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung kann die Haubeneinrichtung mit einem Probenträger ausgestattet sein, der im Kühlabschnitt angeordnet und für eine Aufnahme von Proben eingerichtet ist. Der Probenträger kann z. B. mindestens eine einzelne Probe oder eine Gruppe von Proben oder ein Teil eines Racks fixieren, um beispielsweise eine Vorbereitung für die weitere Probenhandhabung oder eine Probenbearbeitung zu ermöglichen.
Gemäß weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen zur Verbesserung der lokal begrenzten Kühlwirkung im Kühlabschnitt, insbesondere am Probenträger, realisiert sein. Gemäß einer ersten Maßnahme kann am Kühlabschnitt eine Ablenkeinrichtung eingeordnet sein, mit der aus der Kühlmittel-Leitung ausströmendes Kühlmittel in den Kühlabschnitt gelenkt werden kann. Die Ablenkeinrichtung umfasst z. B. Komponenten mit gekrümmten oder abgewinkelten Oberflächen (Lenkelemente), welche den Kühlmittel-Strom zwischen dem äußeren Ende der Kühlmittel-Leitung und dem Kühlabschnitt führen. Vorteilhafterweise wird damit ein Abströmen von Kühlmittel in die Umgebung vermindert. Gemäß einer weiteren Maßnahme kann eine Abschirmeinrichtung angeordnet sein, die sich über dem Kühlabschnitt erstreckt. Dir Abschirmeinrichtung umfasst ein gekrümmtes Flächenbauteil, mit dem absinkende Gase im Haubenraum vom Kühlabschnitt weggelenkt werden. Bei Betrieb der erfindungsgemäßen Kryo-Lagereinrichtung können Teile des Haubenraums insbesondere oberhalb des Kühlabschnitts abgekühlt werden. Die sich abkühlenden Gase können in Richtung Kühlabschnitt absinken, werden jedoch durch die Abschirmeinrichtung seitlich vom Probenträger im Kühlabschnitt abgeführt, so dass eine erwünschte Kondensation von Restfeuchtigkeit oder eine Kontamination auf der Probe vermieden wird. Gemäß einer weiteren Variante kann der Probenträger im Kühlabschnitt über Wärmeleitungselemente mit einer Wärmesenke, insbesondere mit dem Innenraum des Lagerbehälters verbunden sein. Vorteilhafterweise werden damit Proben auf dem Probenträger in thermischen Kontakt mit Materialien oder Wärmekapazität gebracht und die Kühlung auf Lagertemperatur zusätzlich unterstützen.
Vorzugsweise ist der Kühlabschnitt mit einem Temperatursensor ausgestattet. Der Temperatursensor, wie z. B. ein thermoelektrischer Sensor, ist für die Messung der Temperatur im Kühlabschnitt, insbesondere auf dem Probenträger, angeordnet. Vorteilhafter wird mit dem Temperatursensor die Automatisierung der Kryo-Lagereinrichtung unterstützt. Die Kryo-Lagereinrichtung kann insbesondere mit einem Regelkreis ausgestattet sein, in dem in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur im Kühlabschnitt und einer Solltemperatur die Spüleinrichtung, insbesondere die Menge und/oder Temperatur des Kühlmittel-Stroms gesteuert werden.
Der Lagerbehälter der erfindungsgemäßen Kryo-Lagereinrichtung ist mit dem Deckelabschnitt verschlossen. Vorzugsweise ist der Deckelabschnitt mit einer verschließbaren Deckelöffnung versehen, die kleiner als der Deckelabschnitt ist. Die Bereitstellung der Deckelöffnung, die z. B. mit einer Klappe oder einer Schiebeplatte versehen ist, ermöglicht die Entnahme von Proben oder die Zufuhr von Proben in dem oder aus dem Lagerbehälter, ohne dass der gesamte Deckelabschnitt geöffnet wird. Vorteilhafterweise wird damit der Kühlmittelverbrauch im Lagerbehälter minimiert. Um die Kühlwirkung der Spüleinrichtung zu verbessern, sind die Deckelöffnung und der Kühlabschnitt im Haubenraum vorzugsweise unmittelbar zueinander angrenzend angeordnet. Diese Ausführungsform der Erfindung vermindert die Beaufschlagung von Proben beim Transport zwischen dem Innenraum des Lagerbehälters und dem Haubenraum mit Fremdgasen und verbessert die dauerhafte Kühlung der Proben auch während des Transports.
Weitere Vorteile für die Automatisierung der erfindungsgemäßen Kryo-Lagereinrichtung ergeben sich, wenn diese mit einer ersten Transfereinrichtung für eine Probenüberführung zwischen dem Innenraum des Lagerbehälters und dem Kühlabschnitt im Haubenraum und/oder mit einer zweiten Transfereinrichtung für eine Probenüberführung zwischen dem Kühlabschnitt im Haubenraum und einer Umgebung der Haubeneinrichtung ausgestattet ist. Vorteilhafterweise können die Antriebe der ersten und/oder zweiten Transfereinrichtung im Haubenraum mit Abstand von dem Kühlabschnitt angeordnet sein. Nachteilige Einflüsse tiefer Temperaturen auf die Antriebe werden vorteilhafterweise vermieden, und die Zuverlässigkeit des Probentransports wird verbessert. Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der die zweite Transfereinrichtung einen Transportbehälter umfasst, der zur Aufnahme von Proben eingerichtet und mit der Spüleinrichtung im Kühlabschnitt kühlbar ist. Proben können im Kühlabschnitt direkt im Transportbehälter angeordnet und gekühlt werden, bevor sie anschließend in den Innenraum des Lagerbehälters oder in die äußere Umgebung der Haubeneinrichtung transportiert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Kryo-Lagereinrichtung mit einer Reinigungseinrichtung ausgestattet sein, die zur Entfernung von Kondensat von Oberflächen im Kühlabschnitt, insbesondere von Probenoberflächen eingerichtet ist. Die Reinigungseinrichtung wirkt mechanisch und/oder thermisch auf die zu bereinigende Oberfläche, um das Kondensat durch eine mechanische Einwirkung, z. B. mit einer schwingenden Bürste, und/oder eine thermische Einwirkung, z. B. eine kurzzeitige lokale Erwärmung, zu entfernen. Die Bereitstellung der Reinigungseinrichtung hat den Vorteil, bei eventuellen Störungen der Spüleinrichtung oder einer eventuellen unvollständigen Abschirmung der Probe im Kühlabschnitt von Umgebungsgasen unerwünschte Niederschläge von Oberflächen, insbesondere der Proben zu entfernen.
Die erfindungsgemäße Kryo-Lagereinrichtung ermöglicht vorteilhafterweise einen automatisierten Betrieb mit einer im Vergleich zu herkömmlichen Techniken erhöhten Zuverlässigkeit. Da zahlreiche Komponenten im nicht oder nur geringfügig gekühlten Teilbereich des Haubenraums angeordnet und betrieben werden, ist die Störanfälligkeit der Kryo-Lagereinrichtung vermindert. Vorzugsweise ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, mit der die Spüleinrichtung, insbesondere unter Verwendung des genannten Regelkreises, die Deckelöffnung, die erste Transfereinrichtung, die zweite Transfereinrichtung und/oder die Reinigungseinrichtung steuerbar sind. Die Steuereinrichtung kann die Betätigung der genannten Komponenten nach einem vorbestimmten, von der Konservierungsaufgabe abhängigen Programm ausführen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 bis 4: schematische Perspektivansichten bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kryo-Lagereinrichtungen;
5 und 6: schematische Illustrationen von Reinigungseinrichtungen, mit denen die erfindungsgemäße Kryo-Lagereinrichtung ausgestattet sein kann;
7: eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryo-Lagereinrichtung mit einer Steuereinrichtung; und
8: eine schematische Illustration weiterer Einzelheiten des Deckelabschnitts einer erfindungsgemäßen Kryo-Lagereinrichtung.
Ausführungsform der Erfindung werden im Folgenden unter beispielhaftem Bezug insbesondere auf die Spüleinrichtung und deren Betrieb beschrieben. Einzelheiten der Kryokonservierung von Proben, insbesondere der Probenpräparation und des Aufbaus und des Betriebs eines Kryo-Tanks werden nicht beschrieben, soweit diese von herkömmlichen Techniken bekannt sind.
1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryo-Lagereinrichtung 100 mit dem Lagerbehälter 10, der Haubeneinrichtung 20 und der Spüleinrichtung 30, die hier zu Illustrationszwecken in perspektivischer Phantomdarstellung gezeigt sind.
Der Lagerbehälter 10 ist ein Kryo-Tank (Dewar-Gefäß) mit einem seitlich und zum Boden hin von einer umlaufenden Behälterwand geschlossenen Innenraum 11, der nach oben durch einen Deckelabschnitt 13 geschlossen ist. Der Deckelabschnitt 13 weist eine verschließbare Deckelöffnung 16 auf, durch die eine schematisch gezeigte Probe 1 aus dem Innenraum 11 in die benachbarte Haubeneinrichtung 20 überführt werden kann. Am Boden des Innenraums 11 befindet sich ein Reservoir 12 flüssigen Stickstoffs bei einer Temperatur von z. B. etwa –200C°. Oberhalb des Reservoirs 12 ist der Innenraum 11 mit Stickstoff-Dampf gefüllt, in dem sich eine Temperatur von z. B. –150C° ergibt. Die Temperatur im Stickstoff-Dampf ist die Lagertemperatur im Lagerbehälter 10. Zur Lagerung kryokonservierter Proben befinden sich im Innenraum 11, typischerweise oberhalb des Reservoirs 12 flüssigen Stickstoffs Trägereinrichtungen (nicht dargestellt, siehe 4 und 7) in Gestalt von Racks, welche eine Vielzahl biologischer Proben tragen.
Der Lagerbehälter 10 ist in 1 nur schematisch gezeigt. Bei der praktischen Gestaltung eines Kryo-Tanks ist dieser zusätzlich mit Leitungen zur Zufuhr flüssigen Stickstoffs und ggf. zur Abfuhr überschüssigen Stickstoff-Dampfs versehen. Des Weiteren ist der Lagerbehälter 10 mit einer Heizeinrichtung 14 ausgestattet, die eine im Reservoir 12 flüssigen Stickstoffs angeordnete Widerstandsheizung umfasst. Die Heizeinrichtung 14 ist über elektrische Verbindungsleitungen 15 mit einer externen Stromquelle (nicht dargestellt) und ggf. einer Steuereinrichtung (siehe 7) verbunden.
Die Haubeneinrichtung 20 umfasst eine z. B. zylinder- oder quaderförmige Haube 21, die auf der Oberseite des Deckelabschnitts 13 aufgesetzt ist, so dass die Deckelöffnung 16 von der Haube abgedeckt ist. Die Haube 21 schließt einen Haubenraum 22 ein, der überwiegend mit Umgebungsluft oder Stickstoff gefüllt ist. Überschüssiges Gas kann aus dem Haubenraum 22 z. B. über einen optional vorgesehenen Siphon 23 nach außen abgeleitet werden. Mit Abströmen über den Siphon 23 werden Kontaminationen des Haubenraums 22 durch einströmende Luft von außen vermieden.
Die Spüleinrichtung 30 umfasst ein Kühlmittel-Gefäß 32, das bei der dargestellten Ausführungsform durch den Lagerbehälter 10 mit dem Reservoir 12 flüssigen Stickstoffs gebildet wird. Des Weiteren weist die Spüleinrichtung 30 eine Kühlmittel-Leitung 31 auf, die vom Kühlmittel-Gefäß 32 (Lagerbehälter 10) durch den Deckelabschnitt 13 in den Haubenraum 22 führt. Das innere Ende der Kühlmittel-Leitung 31 öffnet sich im Innenraum 11 des Lagerbehälters 10 über dem Reservoir 12 flüssigen Stickstoffs, während das äußere Ende der Kühlmittel-Leitung 31 auf einen Kühlabschnitt 24 (gestrichelt eingekreist) im Haubenraum 22 gerichtet ist. Die Kühlmittel-Leitung 31 ist so ausgerichtet, dass ein Kühlmittel-Strom aus kaltem Stickstoff unmittelbar über die Probe 1 im Kühlabschnitt 24 gespült wird. Damit wird der Kühlabschnitt 24 geschaffen, in dem die Lagertemperatur, die im Innenraum 11 des Lagerbehälters 10 gegeben ist, lokal begrenzt auch im Haubenraum 22 bereitgestellt wird. Dies ermöglicht, dass die Probe 1 im Kühlabschnitt 24 den gleichen Kryokonservierungsbedingungen unterliegt wie im Innenraum 11 des Lagerbehälters 10.
Zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, z. B. um eine Probe 1 aus dem Innenraum 11 in die Umgebung der Kryo-Lagereinrichtung 100 zu überführen, wird die Probe 1 mit einer ersten Transfereinrichtung (nicht dargestellt, siehe z. B. 4 und 7) durch die Deckelöffnung 16 des Deckelabschnitts 13 in den Kühlabschnitt 24 transportiert. Da über die Kühlmittel-Leitung 31 im Kühlabschnitt 24 die gleiche Stickstoffgasphase geschaffen ist wie im Innenraum 11, sind die Konservierungsbedingungen für die Probe 1 im Kühlabschnitt 24 gegenüber dem Innenraum unverändert. Vom Kühlabschnitt 24 aus kann die Probe 1 dann mit einer zweiten Transfereinrichtung (nicht dargestellt, siehe z. B. 4 und 7), z. B. durch eine Zugriffsöffnung in der Wand der Haube 21 oder während eines temporären Anhebens der Haube 21 nach außen bewegt werden.
Die Zufuhr von Stickstoff-Dampf als Kühlmittel durch die Kühlmittel-Leitung 31 erfolgt durch die permanente Umwandlung von flüssigem Stickstoff in dampfförmigen Stickstoff im Innenraum 11. Da der Lagerbehälter 11 durch den Deckelabschnitt 13 dicht geschlossen ist, strömt der gesamte Stickstoff-Dampf durch die Kühlmittel-Leitung 31. Wenn der Kühlmittel-Strom zu gering ist, um die gewünschte Lagertemperatur am Probenträger 25 aufrecht zu erhalten, kann der Kühlmittel-Strom durch Betätigung der Heizeinrichtung 14 verstärkt werden.
2 illustriert schematisch eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryo-Lagereinrichtung 100 mit dem Lagerbehälter 10, der Haubeneinrichtung 20 und der Spüleinrichtung 30. Abweichend von der Ausführungsform gemäß 1 umfasst die Spüleinrichtung 30 als Kühlmittel-Gefäß ein gesondertes Zusatz-Gefäß 33, z. B. in Gestalt eines Dewar-Gefäßes zur Aufnahme flüssigen Stickstoffs. Vom Zusatz-Gefäß 33 erstreckt sich eine Kühlmittel-Leitung 31 in den Haubenraum 22 zum Kühlabschnitt 24, der durch das Einströmen von Dampf kalten Stickstoffs gebildet wird. Der Kühlmittel-Strom durch die Kühlmittel-Leitung 31 kann, wie bei der Ausführungsform gemäß 1, mit einer Heizeinrichtung im Zusatz-Gefäß 33 (nicht dargestellt) gesteuert werden.
Das Zusatz-Gefäß 33 kann alternativ ein Reservoir wasserfreien Gases sein, das auf dem Weg durch die Kühlmittel-Leitung 31 thermoelektrisch auf die gewünschte Lagertemperatur abgekühlt wird. Gemäß einer weiteren Variante kann das Kühlmittel-Gefäß 32 durch einen weiteren, benachbarten Lagerbehälter bereitgestellt werden, der in Größe und Gestalt wie der Lagerbehälter 10 geformt ist. Beispielsweise kann in einer Kryo-Bank mit einer Vielzahl von Lagerbehältern 10 einer der Lagerbehälter als Zusatz-Gefäß 33 für die Spüleinrichtung von allen anderen Lagerbehältern verwendet werden.
3 illustriert eine weitere abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryo-Lagereinrichtung 100, bei der abweichend von den 1 und 2 nicht eine einzige Kühlmittel-Leitung, sondern eine Vielzahl von Kühlmittel-Leitungen 31 angeordnet sind, die sich zwischen dem Innenraum 11 des Lagerbehälters 10 und dem Haubenraum 22 der Haubeneinrichtung 20 erstrecken. Die äußeren Enden der Kühlmittel-Leitungen 31 sind auf den Kühlabschnitt 24 oberhalb des Deckelabschnitts 13 gerichtet. Proben 1, die ggf. auf einem Probenträger 25 (siehe 8) angeordnet sind, werden mit dem Dampf 2 kalten Stickstoffs gespült, der aus den Kühlmittel-Leitungen 31 in den Kühlabschnitt 24 austritt. Anschließend verteilt sich der Stickstoff im Haubenraum 22, wobei er sich erwärmt, so dass außerhalb des Kühlabschnitts 24 eine erhöhte Temperatur gegeben ist.
Weiterhin abweichend von den 1 und 2 zeigt 3, dass die Haubeneinrichtung 20 mit einer Haube 21 bereitgestellt werden kann, deren Durchmesser gleich dem des Lagerbehälters 10 ist. Vorteilhafterweise wird damit ein größeres Volumen des Haubenraums 22 geschaffen, der entsprechend mehr Komponenten zur Probenhandhabung, wie z. B. Antriebe für Transfereinrichtungen aufnehmen kann.
Die Kryo-Lagereinrichtung 100 gemäß 3 kann vollständig passiv arbeiten. Dies bedeutet, dass die Heizeinrichtung 14 nicht vorgesehen ist oder nicht betätigt wird. Der zur Einstellung der Lagertemperatur am Probenträger 25 erforderliche Kühlmittel-Strom wird in diesem Fall ausschließlich durch die Verdampfung von Stickstoff aus dem Reservoir 12 flüssigen Stickstoffs generiert. Falls ein vergrößerter Kühlmittel-Strom erforderlich ist, kann zu einer aktiven Kühlung des Kühlabschnitts 24 übergegangen werden, indem die Heizeinrichtung 14 betätigt wird.
Die Kühlmittel-Leitungen 31 sind um den Probenträger 25 gleichmäßig verteilt angeordnet, um eine möglichst gleichförmige, allseitige Umspülung der Proben 1 auf dem Probenträger 25 zu erreichen. Da das Kühlmittel (kaltes Stickstoffgas) kälter als die umgebende Atmosphäre im Haubenraum 22 ist, sind die Enden der Kühlmittel-Leitungen 31 vorzugsweise oberhalb der Proben 1 auf dem Probenträger 25 angeordnet, so dass der Kühlmittel-Strom von oben auf die Proben 1 fällt. Alternativ kann der Kühlmittel-Strom jedoch auch von unten und/oder seitlich auf die Proben 1 gerichtet werden.
Wenn in einer Betriebsphase der Kryo-Lagereinrichtung 100 keine Entnahme oder Zufuhr einer Probe 1 erfolgt, kann laufend Stickstoffgas in den Haubenraum 22 einströmen. Hierzu kann die verschließbare Deckelöffnung 16 geöffnet bleiben, so dass das verdampfende Stickstoffgas aus dem Lagerbehälter 10 durch die Deckelöffnung 16 und die Kühlmittel-Leitungen 31 in den Haubenraum 22 strömt. Vorteilhafterweise wird damit erreicht, dass der Haubenraum 22 nicht mit Umgebungsluft, sondern mit trockenem Stickstoffgas gefüllt ist. Im Ergebnis wird eine Vereisung des Lagerbehälters 10 und der Probe 1 ausgeschlossen. Des Weiteren erwärmt sich das austretende Gas in der Haubeneinrichtung 20, so dass eventuelle Kondensatablagerungen (Reif) zwischen einzelnen Probenentnahmen abgebaut werden.
4 zeigt eine weitere abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryo-Lagereinrichtung 100, bei der eine erste Transfereinrichtung 50 zur Probenüberführung zwischen dem Innenraum des Lagerbehälters 10 und dem Probenträger 25 im Haubenraum 22 und eine zweite Transfereinrichtung 60 zur Probenüberführung zwischen dem Probenträger 25 und einer Umgebung der Kryo-Lagereinrichtung 100 vorgesehen sind. Die erste Transfereinrichtung 50 umfasst einen ersten Antrieb 51, der im Haubenraum 22 oder außerhalb der Haubeneinrichtung 20 angeordnet und über eine Welle 52 mit einer Plattform 53 im Innenraum 11 gekoppelt ist. Auf der Plattform 53 sind die Trägereinrichtungen (Racks) 17 mit einer Vielzahl von Kryo-Proben angeordnet. Durch Betätigung des ersten Antriebs 51 kann ein ausgewähltes Rack 17 unter die Deckelöffnung 16 bewegt werden, um eine oder mehrere Proben auf den Probenträger 25 zu übertragen. Hierzu kann beispielsweise das ausgewählte Rack 17 durch die Deckelöffnung 16 zumindest teilweise in den Haubenraum 22 gezogen werden.
Die zweite Transfereinrichtung 60 dient der Bewegung, Entnahme, Einführung oder weiteren Handhabungen, z. B. Kontaktierung oder Identifizierung, der Proben 1 auf dem Probenträger 25. Die zweite Transfereinrichtung 60 ist mit einem zweiten Antrieb 61 und einem Manipulationsarm 62 ausgestattet, mit dem die Proben 1 beispielsweise vom Probenträger 25 entnommen und in einen Transportbehälter (nicht dargestellt) umgesetzt werden können. Der Manipulationsarm 62 ist mit einer Abschirmeinrichtung 26 in Gestalt einer Schutzkappe ausgestattet. Mit der Abschirmeinrichtung 26 wird verhindert, dass absinkende, sich abkühlende Gase im Haubenraum 22 auf der Probe 1 absetzen. Die Abschirmeinrichtung 26 kann z. B. eine ebene Platte (wie dargestellt), eine nach unten offene, gewölbte Platte oder einen nach unten offenen Becher umfassen. Alternativ kann die Abschirmeinrichtung 26 aus mehreren einzelnen, sich überlappenden Elementen zusammengesetzt sein. Gemäß einer weiteren Variante kann die Abschirmeinrichtung einen Balg umfassen, der in Abhängigkeit vom Betriebszustand der zweiten Transfereinrichtung 60 zusammengedrückt oder verlängert wird, um den Kühlabschnitt 24 von fallenden, sich abkühlenden Gasen abzuschirmen.
Die erfindungsgemäße Kryo-Lagereinrichtung 100 kann mit einer Reinigungseinrichtung 70 ausgestattet sein, die an den Probenträger 25 im Haubenraum angrenzend angeordnet und für eine thermische (5) und/oder mechanische (6) Beseitigung von Kondensat (Reif, Eiskristalle) von Probenoberflächen im Kühlabschnitt 24 eingerichtet sein. Vorteilhafterweise kann mit der Reinigungseinrichtung 70 unerwünschtes Kondensat, das sich aus einem ungekühlten Bereich des Haubenraums auf die Probe 1 niedergeschlagen hat, entfernt werden. Das Kondensat wird in den 5 und 6 schematisch als Sterne dargestellt.
Gemäß 5 ist eine thermische Reinigung der Oberfläche der Probe 1 vorgesehen. Hierzu umfasst die Reinigungseinrichtung 70 ein koaxiales Doppelrohr 71, dessen Innenrohr mit einer Quelle trockenen Gases und dessen Außenrohr mit einer Saugeinrichtung (nicht dargestellt) verbunden sind. Die Quelle trockenen Gases stellt einen trockenen Gasstrom bei Raumtemperatur oder bei verringerter Temperatur, bis hin zur Lagertemperatur, bereit, unter dessen Wirkung durch Sublimation oder durch eine kurzzeitige, plusartige Erwärmung und Verdunstung das Kondensat 3 von der Oberfläche entfernt und mit dem Gasstrom im Außenrohr abgeführt wird. Bei Bedarf kann auf der zum Doppelrohr 71 entgegengesetzten Seite der Probe 1 ein Gasreflektor 72 angeordnet sein, mit dem der Gasstrom nach dem Vorbeitritt an der Probe 1 reflektiert wird. Der Gasreflektor 72 unterstützt somit die Reinigung der Oberfläche (Enteisung) auf allen Seiten der Probe 1.
Die mechanisch wirkende Reinigungseinrichtung 70 gemäß 6 umfasst ebenfalls ein koaxiales Doppelrohr 71, durch dessen Innenrohr trockenes Gas zur Oberfläche der Probe 1 zugeführt und durch dessen Außenrohr Gas mit Kondensatbestandteilen abgeführt wird. In diesem Fall ist zusätzlich am freien Ende des Doppelrohrs 71 ein Reinigungswerkzeug 73, wie z. B. eine Bürste angeordnet. Durch eine Bewegung, z. B. eine Schwingungsbewegung, quer zur Längsausdehnung des Doppelrohrs 71 kann mit dem Reinigungswerkzeug 73 das Kondensat von der Oberfläche der Probe 1 gekratzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Reinigungseinrichtung 70 ausschließlich mechanisch wirksam sein, wie im linken Teil von 6 schematisch illustriert ist. In diesem Fall ist ein Reinigungswerkzeug 73 an die Probe 1 angrenzend angeordnet und z. B. durch einen Schwingungsantrieb (nicht dargestellt) zur Reinigung der Oberfläche der Probe 1 betätigbar.
7 illustriert eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Kryo-Lagereinrichtung 100 mit einer Steuereinrichtung 80 ausgestattet ist. Die Steuereinrichtung 80 ist eingerichtet, verschiedene Programme zur Handhabung von Proben in der Kryo-Lagereinrichtung 100 auszuführen, wie z. B. die Einführung von Proben in den Lagerbehälter 10, die Lagerung der Proben, die Entnahme von Proben aus dem Lagerbehälter 10 und/oder die Inventur von Proben. Hierzu ist die Steuereinrichtung 80 mit dem schematisch illustrierten und im Folgenden erläuterten Komponenten der Kryo-Lagereinrichtung 100 gekoppelt.
Die Kryo-Lagereinrichtung 100 umfasst, wie oben beschrieben wurde, den Lagerbehälter 10, die Haubeneinrichtung 20 und die Spüleinrichtung 30. Im Innenraum 11 des Lagerbehälters 10 sind die Trägereinrichtungen 17 mit Proben 1 angeordnet. Mit der ersten Transfereinrichtung 50 können Proben durch die Deckelöffnung 16 des Deckelabschnitts 13 in den lokal begrenzten Kühlabschnitt 24 (gestrichelt eingekreist) im Haubenraum 22 bewegt werden. Die Deckelöffnung 16 umfasst einen oder mehrere Verschlüsse 18, die mit der Steuereinrichtung 80 elektromechanisch betätigbar sind. Die Spüleinrichtung 30 umfasst als Kühlmittel-Gefäß den Lagerbehälter 10 und die Kühlmittel-Leitung 31, die mit einem Stellglied 34 zur Regelung des Kühlmittel-Stroms durch die Kühlmittel-Leitung 31 ausgestattet ist. Das Stellglied 34 ist ebenfalls mit der Steuereinrichtung 80 gekoppelt. Der Kühlabschnitt 24 ist mit einem Temperatursensor 27 ausgestattet, mit dem die lokale Temperatur im Kühlabschnitt 24 messbar ist. Der Temperatursensor 27 ist mit der Steuereinrichtung 80 gekoppelt. Die Steuereinrichtung 80 ist auch mit der Heizeinrichtung 14 verbunden, um bei Bedarf die Erzeugung von kaltem Stickstoffgas im Innenraum 11 des Lagerbehälters 10 zu verstärken.
Die zweite Transfereinrichtung 60 ist in der Haubeneinrichtung 20 angeordnet und, wie oben unter Bezug auf 4 erläutert wurde, mit einem Manipulationsarm 62 und einer Abschirmeinrichtung 26 ausgestattet. Des Weiteren ermöglicht der Antrieb 61 der zweiten Transfereinrichtung 60 die Betätigung eines Transportbehälters 63 zur Aufnahme von Proben und zur Übertragung der Proben in die Umgebung der Kryo-Lagereinrichtung 100. Die erste Transfereinrichtung 50 und die zweite Transfereinrichtung 60 sind ebenfalls mit der Steuereinrichtung 80 gekoppelt.
In Abhängigkeit von einem gespeicherten Zuführungs-, Lagerungs-, Entnahme- und/oder Inventur-Programm werden die genannten Komponenten mit der Steuereinrichtung 80 betätigt. Zur Probenzufuhr wird beispielsweise mit dem Transportbehälter 63 eine Probe in den Kühlabschnitt 24 überführt. In Abhängigkeit von der Vorbehandlung der Probe weist diese bereits die Lagertemperatur auf, oder sie wird im Kühlabschnitt 24 auf die Lagertemperatur abgekühlt. Dabei kann eine Reinigung der Probe von Kondensat mit der Reinigungseinrichtung 70 gemäß einer der in den 5 und 6 gezeigten Varianten vorgesehen sein. Wenn die Kühlkapazität der Spüleinrichtung 30 z. B. beim Einfrieren der Probe zu gering ist, wird dies mit dem Temperatursensor 27 erfasst, woraufhin mit der Steuereinrichtung 80 die Heizeinrichtung 14 betätigt wird, um den Kühlmittel-Strom durch die Kühlmittel-Leitung 31 zu verstärken. Nach Bereitstellung der Probe kann diese gemäß einem Einführungsprogramm in den Lagerbehälter 10 eingeführt werden. Hierzu werden die Verschlüsse 18 der Deckelöffnung 16 geöffnet, und die Probe wird mit der ersten Transfereinrichtung 50 in die Trägereinrichtung 17 im Innenraum 11 des Lagerbehälters 10 übernommen. Die Entnahme einer Probe erfolgt umgekehrt durch die Überführung der Probe mit der ersten Transfereinrichtung 50 durch die Deckelöffnung 16 zu dem Kühlabschnitt 24. Unter Aufrechterhaltung der Lagertemperatur, z. B. –150C°, wird die Probe mit der zweiten Transfereinrichtung 60 in den Transportbehälter 63 übertragen und z. B. zur weiteren Verwendung in die Umgebung der Kryo-Lagereinrichtung 100 überführt.
Weitere Einzelheiten des Deckelabschnitts 13 der Kryo-Lagereinrichtung sind in 8 illustriert. Im Deckelabschnitt 13 ist eine Deckelöffnung 16 vorgesehen, an deren Oberseite ein Probenträger 25 angeordnet ist. Der Probenträger 25 umfasst z. B. eine Aufnahme für mehrere Proben 1 (Kryo-Röhrchen). Zusätzlich sind durch die Deckelöffnung 16 Kühlmittel-Leitungen 31 geführt, von denen jeweils eine Kühlmittel-Leitung 31 in einer der Aufnahmen des Probenträgers 25 mündet. Hierzu weisen die Aufnahmen im Probenträger 25 seitliche Öffnungen auf, an denen die Kühlmittel-Leitungen 31 enden. Durch die Kühlmittel-Leitungen 31 wird ein Kühlmittel-Strom 2 kalten Stickstoffgases aus dem Lagerbehälter zu den Proben 1 gespült, so dass sie in dem Probenträger 25 bei Lagertemperatur gehalten werden und eisfrei bleiben. Vorzugsweise ist der Probenträger 25 aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität, wie z. B. aus Aluminium, Silber, Kupfer, Speckstein oder Keramik hergestellt. Die Temperatur in unmittelbarer Probennähe wird durch Temperatursensoren (nicht dargestellt) erfasst, um den Kühlmittel-Strom durch dei Kühlmittel-Leitungen 31 regeln zu können.
Die in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dargestellten Merkmale können einzeln oder in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1768782 [0004]
WO 2005/010499 [0004]

Claims

Kryo-Lagereinrichtung (100), die zur Lagerung insbesondere von biologischen Proben (1) im kryokonservierten Zustand eingerichtet ist, umfassend – einen Lagerbehälter (10), der einen Innenraum (11) zur Aufnahme und zur Kühlung der Proben (1) bei einer vorbestimmten Lagertemperatur in einem Reservoir (12) flüssigen Stickstoffs oder in einem Stickstoff-Dampf über dem Reservoir (12) flüssigen Stickstoffs, wobei der Innenraum (11) mit einem Deckelabschnitt (13) verschlossen ist, – eine Haubeneinrichtung (20) mit einer Haube (21), die einen an den Deckelabschnitt (13) angrenzenden Haubenraum (22) einschließt, und – eine Spüleinrichtung (30), die ein Kühlmittel-Gefäß (31, 32) aufweist und zur Einführung eines Kühlmittels in den Haubenraum (22) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Spüleinrichtung (30) mindestens eine Kühlmittel-Leitung (31) aufweist, die in dem Haubenraum (22) mündet und für eine Spülung eines lokal begrenzten Kühlabschnitts (24) mit einem Kühlmittel-Strom (2) und eine Einstellung der Lagertemperatur im Kühlabschnitt (24) angeordnet ist.
Kryo-Lagereinrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Kühlmittel-Gefäß mindestens eines der Merkmale umfasst – das Kühlmittel-Gefäß (31, 32) ist zur Aufnahme flüssigen Stickstoffs eingerichtet und umfasst den Lagerbehälter (10) und/oder einen Zusatzbehälter (32) zur Aufnahme flüssigen Stickstoffs außerhalb des Lagerbehälters (10), und – das Kühlmittel-Gefäß (31, 32) ist mit einer thermoelektrischen Kühleinrichtung zur Kühlung des Kühlmittels ausgestattet.
Kryo-Lagereinrichtung gemäß Anspruch 2, bei der – im Lagerbehälter (10) und/oder im Zusatzbehälter (32) eine Heizeinrichtung (14) angeordnet ist, die zur Erzeugung des Kühlmittel-Stroms (2) aus Stickstoffdampf eingerichtet ist.
Kryo-Lagereinrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, bei der – das Kühlmittel-Gefäß (31, 32) den Lagerbehälter (10) umfasst, und – die mindestens eine Kühlmittel-Leitung (31) sich vom Innenraum (11) des Lagerbehälters (10) durch den Deckelabschnitt (13) zum Kühlabschnitt (24) erstreckt.
Kryo-Lagereinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Spüleinrichtung (30) mindestens eines der Merkmale umfasst: – die Spüleinrichtung (30) ist mit einem Temperatursensor (27) ausgestattet, mit dem die Temperatur im Kühlabschnitt (24) messbar ist, – die Spüleinrichtung (30) weist eine Abschirmeinrichtung (26) auf, mit welcher der Kühlabschnitt (24) gegen absinkende Gase im Haubenraum (22) abschirmbar ist, und – die Spüleinrichtung (30) weist eine Ablenkeinrichtung auf, mit welcher der Kühlmittel-Strom (2) von der Kühlmittel-Leitung (31) in den Kühlabschnitt (24) lenkbar ist.
Kryo-Lagereinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die umfasst: – einen Probenträger (25), der zur temporären Probenaufnahme im Kühlabschnitt (24) angeordnet ist, wobei – der Probenträger (25) über Wärmeleitungselemente mit dem Innenraum (11) des Lagerbehälters (10) verbunden ist.
Kryo-Lagereinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der – der Deckelabschnitt (13) eine an den Kühlabschnitt (24) angrenzende, verschließbare Deckelöffnung (16) aufweist.
Kryo-Lagereinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die umfasst – eine erste Transfereinrichtung (50), die zur Probenüberführung zwischen dem Innenraum (11) und dem Kühlabschnitt (24) eingerichtet ist, und/oder – eine zweite Transfereinrichtung (60), die zur Probenüberführung zwischen dem Kühlabschnitt (24) und einer Umgebung der Haubeneinrichtung (20) eingerichtet ist.
Kryo-Lagereinrichtung gemäß Anspruch 8, bei der – die zweite Transfereinrichtung (60) einen Transportbehälter (63) umfasst, der mit der Spüleinrichtung (30) im Kühlabschnitt (24) kühlbar ist.
Kryo-Lagereinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die umfasst – eine mechanisch und/oder thermisch wirkende Reinigungseinrichtung (70), die zur Entfernung von Kondensat von Probenoberflächen eingerichtet ist.
Kryo-Lagereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, die umfasst – eine Steuereinrichtung (80), die für eine Steuerung der Spüleinrichtung (30), der verschließbaren Deckelöffnung (16), der ersten Transfereinrichtung (50), der zweiten Transfereinrichtung (60) und/oder der Reinigungseinrichtung (70) ausgelegt ist.
Verfahren zur Handhabung von Proben (1) im kryokonservierten Zustand, unter Verwendung einer Kryo-Lagereinrichtung (100) mit einem Lagerbehälter (10), der einen Innenraum (11) zur Aufnahme der Proben (1) und zur Kühlung der Proben (1) bei einer vorbestimmten Lagertemperatur in einem Reservoir (12) flüssigen Stickstoffs oder in einem Stickstoff-Dampf über dem Reservoir (12) flüssigen Stickstoffs und der einen Deckelabschnitt (13) aufweist, einer Haubeneinrichtung (20), die einen an den Deckelabschnitt (13) angrenzenden Haubenraum (22) bildet, und einer Spüleinrichtung (30), die ein Kühlmittel-Gefäß (32, 33) aufweist, das zur Einführung eines Kühlmittel-Strom (2) in den Haubenraum (22) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Spüleinrichtung (30) mindestens eine Kühlmittel-Leitung (31) aufweist, die in dem Haubenraum (22) mündet, wobei – ein lokal begrenzter Kühlabschnitt (24) mit einem Kühlmittel-Strom (2) gekühlt wird, der über die mindestens eine Kühlmittel-Leitung (31) zum Kühlabschnitt (24) fließt, wobei – die Proben (1) nach einer Entnahme aus dem Innenraum (11) des Lagerbehälters (10) oder vor einer Einführung in den Innenraum (11) des Lagerbehälters (10) im Kühlabschnitt (24) bei der Lagertemperatur angeordnet werden, während die Temperatur des übrigen Haubenraums (22) relativ zum Kühlabschnitt (24) erhöht ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem – die Proben (1) im Kühlabschnitt (24) mit Dampf flüssigen Stickstoffs aus dem Lagerbehälter (10) und/oder einem Zusatzbehälter (33) und/oder mit einem thermoelektrisch temperierten Kühlmittel gekühlt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem – der Kühlmittel-Strom (2) des Dampfes flüssigen Stickstoffs mit einer Heizeinrichtung (14) im Lagerbehälter (10) und/oder im Zusatzbehälter (33) eingestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem – im Kühlabschnitt (24) ein Probenträger (25) angeordnet ist, der zusätzlich über Wärmeleitungselemente gekühlt wird, die mit dem Innenraum (11) des Lagerbehälters (10) verbunden sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem – die Temperatur im Kühlabschnitt (24) mit einem Temperatursensor (27) gemessen und mit einem Regelkreis eingestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem – Kondensat von Probenoberflächen mit einer mechanisch und/oder thermisch wirkenden Reinigungseinrichtung (70) entfernt wird.