DE19830551B4

DE19830551B4 - Schockeinfriereinrichtung für insbesondere biologische Materialien

Info

Publication number: DE19830551B4
Application number: DE1998130551
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Inform. Köhler; Uwe Nehrmann; Gert Prof. Dr. Matthes; Werner Sommer
Original assignee: MABAG MEDIZINISCHE APP BAU AG; MABAG MEDIZINISCHE APPARATE BAU AG
Current assignee: MABAG MEDIZINISCHE APPARATE BAU AG, 21079 HAMBURG,
Priority date: 1998-07-08
Filing date: 1998-07-08
Publication date: 2009-10-15
Anticipated expiration: 2018-07-09
Also published as: DE19830551A1

Abstract

Schockeinfriereinrichtung für insbesondere biologische Materialien, wobei jeweils mindestens eine, mittels tiefblauem Flüssiggas temperierte Metallplatte zur Kühlung an das vorzugsweise in einer metallischen Kassette befindliche zu gefrierende Material mit geringem Wärmewiderstand anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das tiefkalte Flüssiggas (KM) auf einen einstellbaren Überdruck komprimiert in Hohlräume (H1, H2) der jeweiligen Metallplatte (P11, P12 bzw. P21, P22) einbringbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schockeinfriereinrichtung für insbesondere biologische Materialien, wobei jeweils mindestens eine, mittels tiefkaltem Flüssiggas temperierte Metallplatte zur Kühlung an das vorzugsweise in einer metallischen Kassette befindliche zu gefrierende Material mit geringem Wärmewiderstand anlegbar ist. Dabei wird das zu gefrierende Material meist in einem Kunststoffbehälter mit einer Kassette direkt zwischen zwei metallische Platten der Schockeinfriereinrichtung eingelegt. Der Wärmeentzug aus dem Gefriergut und der Kassette erfolgt direkt durch Wärmeentzug durch das tiefkalte siedende Flüssiggas eines Tauchbades.
Für das Schockeinfrieren haben sich Einrichtungen der eingangs genannten Art durchgesetzt. Dabei wird, um definierte hohe Abkühlgeschwindigkeiten für ein materialschonendes Einfrieren zu erreichen, im allgemeinen von verriegelbaren Klappkassetten aus Metallblech oder aus beschichtetem Metallblech Gebrauch gemacht. Diese Art der Kassetten garantiert die Formstabilität von darin eingebrachten Beuteln mit dem in deren Inneren befindlichen Material, d. h. dem Gefriergut. Die Klappkassetten können entweder direkt mit den eingelagerten Beuteln in flüssiges Gas, vorzugsweise flüssiger Stickstoff (LIN), eingetaucht werden oder aber es ist möglich, unterkühlte dickwandige Metallplatten großen Wärmespeichervermögens, die dazu beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder Silber bestehen können, anzulegen, und somit zum Wärmeentzug einzusetzen.
Während beim erstgenannten Verfahren des direkten Eintauchens der konstruktive Aufwand der Schockeinfriereinrichtung gering ist, wird dabei jedoch die Kühlwirkung aufgrund des Leidenfrostschen Phänomens ungünstig beeinflußt, da durch einen isolierenden Dampffilm des als Kühlmittel dienenden Flüssiggases der Wärmeübergang verschlechtert wird. Beim zweitgenannten Verfahren des Schockeinfrierens unter Zuhilfenahme voluminöser Kühlplatten taucht zwar dieser physikalische Effekt nicht auf, jedoch ist der apparative Aufwand beträchtlich, da die Masse der Kühlplatten sehr groß gegenüber der Masse des zu kühlenden Materials sein muß.
Aus DE 26 57 703 ist ein Verfahren zum Tiefgefrieren von biologischen Substanzen bekannt, bei dem die biologischen Substanzen in Biobehälter abgefüllt, die Biobehälter zwischen Platten gelegt und anschließend zum Tiefgefrieren mit einem Kühlmedium in Berührung gebracht werden. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß Platten aus schlecht wärmeleitendem Material verwendet werden und die Wandstärke der Platten entsprechend einer für die in die Biobehälter abgefüllte biologische Substanz vorgegebenen optimalen Gefriergeschwindigkeit rechnerisch bestimmt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß eine qualitativ hochwertige und reproduzierbare Abkühlung des schockeinzufrierenden Materials mit relativ geringem technischen Aufwand erreicht wird.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das tiefkalte Flüssiggas auf einen einstellbaren Überdruck komprimiert in Hohlräume der jeweiligen Metallplatte einbringbar ist.
Damit erfolgt der direkte Wärmeübergang zwischen Gefriergut und Metallplatte. Die Metallplatte braucht aber nicht sehr voluminös zu sein, weil sie durch das unter Druck stehende Flüssiggas gekühlt wird. Wesentlich dabei ist, daß durch die variable Druckerhöhung des Kühlmediums (vorzugsweise LIN) eine Unterkühlung des Kühlmediums, bezogen auf den Siedepunkt bei atmosphärischem Druck, eintritt. Beispiel:

LIN 1 bar –196,2°C

LIN 5 bar –179°C

LIN 30 bar –149°C
Es ergibt sich durch die einstellbare Druckerhöhung des Kühlmediums im Inneren der Schockeinfrierkassette ein guter Wärmeübergang zwischen Kassetteninnenwand und nichtsiedendem, unterkühltem Kühlmedium.
Durch die vorgegebene Druckerhöhung des Kühlmediums kann der Siedeeinsatz vorgewählt werden, so daß eine steuerbare Einfriercharakteristik für das Material (Temperaturabfall/Zeit) gewählt werden kann. Wesentlich dabei ist, daß durch die Druckerhöhung des Flüssiggases beim Kühlen des Gutes, was ein Erwärmen der Metallplatte mit sich bringt, das Flüssiggas nicht so schnell wie im drucklosen Zustand siedet.
Bereits durch die Erhöhung des Druckes um einige bar kann damit in konstruktiver äußerst einfacher Weise erreicht werden, daß die ansonsten sehr voluminösen Metallplatten der Kühleinrichtung deutlich verkleinert werden können.
Eine erste vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Aufrechterhalten eines kontinuierlichen Flüssiggasstromes durch die Hohlräume vorgesehen sind. Äußerst einfach sind dabei nebeneinanderliegende Kanäle realisierbar.
Dadurch, daß die Hohlräume mit porösen Einlagen, vorzugsweise mit Granulat, füllbar sind, können Durchströmungsturbulenzen zur Verbesserung des Wärmeüberganges in den Durchströmungskühlkanälen realisiert werden und durch die Masse des Granulats wird das Wärmespeichervermögen des Wärmetauschersystems zusätzlich erhöht.
Dadurch, daß mittels Verdampfen des zuvor komprimierten Flüssiggases, vorzugsweise in einem dafür vorgesehenen Expansionskanal, eine zusätzliche Kühlung bewirkbar ist, tritt ein zusätzlicher Kühleffekt durch Ausnutzung der Verdampfungsenthalpie des Kühlmediums auf.
Dadurch, daß jeweils zwei an ihrem Fußpunkt gelenkig verbundene Metallplatten beidseitig in eine jeweilige Kassette anlegbar sind, ergibt sich ein äußerst großflächiger Wärmeübergang, wobei der Anpreßdruck leicht justierbar ist.
In diesem Zusammenhang erweist es sich als günstig, daß der Bereich des Fußpunktes unterhalb des Flüssigkeitsspiegels des Flüssiggases befindlich ist. Damit kann ein Teilwärmenmengenentzug über den Fußteil des Apparates direkt im Flüssiggas-Vorratsbad erfolgen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung der Erfindung in einer ersten Ansicht und
2 eine dazu ergänzende Seitenansicht.
In der Darstellung gemäß 1 ist eine Kassette K, die als metallische Klappkassette ausgebildet ist und in der sich beispielsweise ein Beutel mit zu gefrierendem Blut befinden möge, in einer Tiefgefriereinrichtung, d. h. einer Schockeinfriereinrichtung gezeigt. Diese besteht aus einem Behälter B, der mit Kühlmittel KM, beispielsweise flüssiger Stickstoff, befüllt ist. Die Kassette K befindet sich zwischen zwei Wärmetauschern W1 und W2, die jeweils aus zwei mit Kanälen miteinander verbundenen Platten P11 und P12 bzw. P21 und P22 bestehen mögen.
Die beiden Wärmetauscher W1 und W2 sind mit einem Gelenk G im Bereich ihrer Fußteile F1 und F2 miteinander verbunden. Die Fußteile F1 und F2 befinden sich im Bad des Kühlmittels KM innerhalb des Behälters B. Im Bereich der Fußteile F1 und F2 ist ein Druckpumpensystem, bestehend aus zwei Pumpen PU1 und PU2 zum Ansaugen des Kühlmittels KM und Einpressen des Kühlmittels KM in die Hohlräume zwischen den Platten P11 und P12 bzw. P21 und P22 vorgesehen. Angetrieben werden die Pumpen PU1 und PU2 durch Antriebe A1 und A2, die sich außerhalb des Behälters B, der mit einer Abdeckung AB geschlossen sein möge, befinden. Das unter Druck stehende Kühlmittel KM innerhalb der Wärmetauscher W1 und W2, verläßt die Hohlräume über einstellbare Überdruckventile V11 und V21, durch welche ein definierbarer Überdruck innerhalb der Wärmetauscher W1 und W2 einstellbar ist. Das unter Druck stehende Kühlmittel KM fließt entspannt durch Kanäle K1 und K2. Die dabei auftretende Verdampfungsenthalpie bewirkt einen zusätzlichen Kühleffekt für das schnelle Abkühlen der Kassette K mit dem darin befindlichen Gut, d. h. dem biologischen Material.
In der Darstellung gemäß 2 ist eine Seitenansicht gezeigt, welche die flächige Ausdehnung des Wärmetauschers W1 verdeutlicht und zeigt, daß an der Oberseite des Wärmetauschers W1 mehrere gleichartige Überdruckventile V11 bis V14 vorgesehen sein können. Ferner ist die Hohlraumgestaltung durch die gestrichelt angedeuteten Kanäle verdeutlicht. Die übrigen bezeichneten Elemente werden bereits im Zusammenhang mit 1 beschrieben.

Claims

Schockeinfriereinrichtung für insbesondere biologische Materialien, wobei jeweils mindestens eine, mittels tiefblauem Flüssiggas temperierte Metallplatte zur Kühlung an das vorzugsweise in einer metallischen Kassette befindliche zu gefrierende Material mit geringem Wärmewiderstand anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das tiefkalte Flüssiggas (KM) auf einen einstellbaren Überdruck komprimiert in Hohlräume (H1, H2) der jeweiligen Metallplatte (P11, P12 bzw. P21, P22) einbringbar ist.
Schockeinfriereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (A1, A2) zum Aufrechterhalten eines kontinuierlichen Flüssiggasstromes durch die Hohlräume (H1, H2) vorgesehen sind.
Schockeinfriereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (H1, H2) mit porösen Einlagen, vorzugsweise mit Granulat, fühlbar sind.
Schockeinfriereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Verdampfen des zuvor komprimierten Flüssiggases (KM), vorzugsweise in einem dafür vorgesehenen Expansionskanal (K1, K2) eine zusätzliche Kühlung bewirkter ist.
Schockeinfriereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei an ihrem Fußpunkt (G) gelenkig verbundene Metallplatten (P11, P12 bzw. P21, P22) beidseitig gegen eine jeweilige Kassette (K) anlegbar sind.
Schockeinfriereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des Fußpunktes (G) unterhalb des Flüssigkeitsspiegels des Flüssiggases (KM) befindlich ist.