DE2557871C2

DE2557871C2 - Verfahren zum Tiefgefrieren von flüssigen biologischen Substanzen, bei dem Schutzadditive zugesetzt werden, und Vorrichtung

Info

Publication number: DE2557871C2
Application number: DE2557871A
Authority: DE
Inventors: Horst Dr.-Ing. 7520 Leonberg Chmiel
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1975-12-22
Filing date: 1975-12-22
Publication date: 1985-05-30
Also published as: ATA124876A; FR2338047B3; AU2083176A; DK145965B; DK573876A; DE2557871A1; CH617872A5; GB1509513A; FR2338047A1; DK145965C; US4124992A; NL7614265A; BE849650A; AT351165B; JPS5290618A

Description

Schutzadditiv zerstäubt, bevor die biologische Substanz in Tropfenform eingeleitet wird, besitzt das Schutzadditiv sine größere Kontaktoberfläche, wobei die eiszeinen Tropfen des Schutzadditivs auch im Vergleich zum nichtverdüsten Volumen eine höhere Oberflächenenergie besitzen. Diese Tropfen sind daher bestrebt, sich mit anderen Fluidpartikeln zu verbinden, um ihre Oberflächenenergie zu minimieren. Zusätzlich kann die kinetische Energie des Zerstäubungsstrahles zur Vermischung der beiden Medien ausgenutzt werden.

Als vorteilhaft hat sich erwiesen, daß Schutzadditiv mittels einer Pumpe auf einen hohen Druck von beispielsweise 160 bar eu bringen, anschließend in einer Düse fein zu zerstäuben und die biologische Substanz in die Mitte des Zerstäubungsstrahls einzutropfen. Denn mittels der Pumpe ergibt sich eine gute Dosiermöglichkeit des Schutzadditivs, da mit jedem Arbeitstakt der Pumpe bei gleichbleibender Arbeitsgeschwindigkeit immer eine genau definierte Menge an Schuteadditiv gefördert werden kann. Zudem ermöglicht der mit der Pumpe erzeugte hohe Druck auch eine Verdüsung unter Zerstäubung von zäheren Fiuiden. Dies ist wichtig, da das Schutzadditiv der biologischen Substanz möglichst in hoher Konzentration zugegeben werden soll, damit ein zu hoher Volumenanteil des Schutzadditivs an der biologischen Substanz vermieden werden kann. Des weiteren bedingt eine höhere Konzentration eine niedrigere Oberflächenspannung und somit eine bessere Mischbarkeit der Medien.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgedankens besteht darin, das Schutzadditiv mit Hilfe eines unter Druck stehenden Trägergases zu zerstäuben, da schon ein Gasstrom mit einem relativ geringen Gasdruck von 0,5 bis 1 bar auch zähe Fluide mitreißt Auch ist eine Regulierung der kinetischen Energie des Zerstäubungsstrahles bei einer vorgegebenen Zerstäubungsdüse auf einfache Weise durch ein Zulaufventil möglich. Ein seitliches Eintropfen der biologischen Substanz in den Zerstäubungsstrahl ergibt dann eine gute Vermischung der beiden Medien.

Als Trägergas kann dabei vorteilhaft Stickstoff eingesetzi werden, da dieses Gas weder die chemische Zusammensetzung des Schutzadditivs ändert noch die Bestandteile der biologischen Substanz nachteilig beeinflußt. Wird zusätzlich das Trägergas vor der Verdüsung durch ein Filter, z. B. durch ein Membranfilter, geleitet, kann eine Infizierung der biologischen Substanz durch im Gas enthaltene Keime vermieden werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann vorteilhaft auswechselbare Vorratsbehälter für die biolgoischen Substanzen und für die Schutzadditive sowie eine Verdüsungseinheit aufweisen, wobei die beiden Vorratsbehälter auf einem höheren Niveau als die Verdüsungseinheit stehend jeweils über getrennte Leitungen und Regelorgane mit der Verdüsungseinheit in Verbindung stehen. Damit kann der Zulauf der Schutzadditive und biologischen Substanzen selbständig erfolgen und eine gewünschte Zulaufmenge eingestellt werden. Die Auswechselbarkeit der Vorratsbehälter erlaubt es, sowohl die Schutzadditive als auch die biologischen Substanzen als sterile Einheit zu liefern. Selbstverständlich ist, die gesamte Vorrichtung in einer steril abgeschlossenen Kammer anzuordnen, um die Gefahr einer Infizierung der Substanz zu vermeiden, Dabei kann in die Leitung von dem Vorratsbehälter für das Schutzadditiv zu der Verdüsungseinheit eine Pumpe angeordnet werden, die in dem Schutzadditiv vor der Verdüsung einen hohen Druck erzeugt. Unter Ausnutzung dieses Druckes wird das Schutzadditiv in die Verdüsungseinheit geleitet und zerstäubt. Diese weist dabei vorteilhaft einen Einsatz auf, der nur einen Ringspalt für das Schutzadditiv freiläßt und durch den die biologische Substanz in der Mitte des an dem Ende des Ringspaltes austretenden Zerstäubungsstrahles eingeleitet werden kann.

Für die Verdüsung des Schutzadditivs mit einem Trägergas kann an die Verdüsungseinheit eine Stickstoff-

to gasflasche über ein Druckmeßgerät und ein Filter angeschlossen werden. Das Druckmeßgerät ermöglicht die Einstellung eines bestimmten gewünschten Geschwindigkeits- und Durchflußwertes des Trägergases in die Verdüsungseinheit, so daß eine hohe gleichmäßige Strö mungsgeschwindigkeit des Trägergases sichergestellt werden kann.

Aufgrund der Konstruktion der Verdüsungseinheit wird durch diese Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases das zentrisch in die Verdüsungseinheit einge- leitete Schutzadditiv mitgerissen und am Düsenaustritt zerstäubt Da die biologische Substanz in eine seitlich an den aus der Düse austretenden Zerstäubungsstrahl heranführende Zuführungsleitung konstant aus dem Vorratsbehälter eingetropft wird, ergibt sich mit der gleich· mäßigen Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases und dem gleichmäßigen Zulauf des Schutzadditivs in das Trägergas eine gute Vermischung des Schutzadditivs mit der biologischen Substanz unter gleichen Konzentrationsbedingungen.

Eine weitere Ausbildung der Vorrichtung besteht darin, daß sie beispielsweise Klemmbügel zur Befestigung von zunächst oben offenen Kunststoffbeuteln aufweist, so daß diese sackförmig an die Verdüsungseinheit angehängt werden und die Blutkonserve aufnehmen können. Nach dem Füllvorgang werden die Kunststoffbeutel verschweißt und einer Tiefgefriereinrichtung zugeführt.

In den Fig. 1 bis 4 sind Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen

Verfahrens schematisch dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine Vorrichtung zur Vermischung von biologischen Substanzen und Schutzadditiven mit Hilfe einer Pumpe, Fi g. 2 eine Verdüsungseinheit für das mit einer Pum pe auf einen hohen Druck gebrachte Schutzadditiv.

F i g. 3 eine Vorrichtung zur Vermischung von biologischen Substanzen und Schutzadditiven mit Hilfe eines Trägergases, Fig.4 eine entsprechende Verdüsgungseinheit für

so das Schutzadditiv.

In F i g. 1 ist zur Vermischung von biologischen Substanzen mit Schutzadditiven in einem nicht dargestellten steril abgeschlossenen Raum eine Verdüsungseinheit 4 jeweils über getrennte Leitungen mit einem Vor- ratsbehälter 1 für Schutzadditive und einem Vorratsbehälter 2 für biologische Substanzen verbunden. Beide Vorratsbehälter 1 und 2 sind austauschbar und für sich als sterile Einheit lieferbar. In die Leitung von dem Vorratsbehälter 1 für Schutzadditive zu der Verdüsungsein- heit 4 ist eine Pumpe 5 zur Erzeugung eines hohen Druckes in dem Schutzadditiv angeordnet, wobei mit der Pumpe 5 eine genau definierbare Menge an Schutzadditiv in die Verdüsungseinheit 4 gefördert werden kann.

In Fig.2 ist eine dieser Anordnung entsprechende Verdüsungseinheit dargestellt, die eine Düse 6 aufweist, in deren Gehäuse ein an seinem unteren Ende kegelstumpfförmiger Einsatz 7 eingeschraubt ist. Auf der

Mittelachse des Einsatzes 7 verläuft eine an den Vorratsbehälter für die biologische Substanz angeschlossene Leitung 8, die in dem aus der Düse 6 austretenden Zerstäubungsstrahl endet. Der Einsatz 7 ist so bemessen, daß zwischen seinem kegelstumpfförmigen Teil und der Gehäusewand der Düse ein Ringspalt 9 entsteht und daß er kurz vor dem engsten Durchmesser der Düse endet. Über einen Stichkanal to in dem Gehäuse ist der Ringspalt 9 mit dem Vorratsbehälter für Schutzadditive verbunden.

Die Vermischungsvorrichtung nach Fig.3 weist im Unterschied zu der Vermischungseinheit nach Fig. 1 zusätzlich eine an die Verdüsungseinheit 11 angeschlossene Gasflasche 3 für ein Trägergas auf, wobei eine Pumpe für das Schutzadditiv entfallen kann. Ein in die Leitung von der Gasflasche 3 zu der Verdüsungseinheit Il angeordnetes Filter 17 verhindert eine Infizierung der biologischen Substanz durch in dem Trägergas enthaltene Keime. Über nicht gezeichnete Regelorgane läßt sich die Zufuhr der biologischen Substanz und des Schutzadditivs in die Verdüsungseinheit 11 regeln, wobei gleichzeitig ein an einem ebenso in der Leitung von der Gasflasche 3 zu der Verdüsungseinheit 11 befindlichem Druckmesser 16 abzulesender Druck die Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases in die Verdüsungseinheit 11 bestimmt. Sind an den Regelorganen und an dem Druckmesser bestimmte Werte eingestellt, wird eine schnelle und gleichmäßige Vermischung der beiden Medien erreicht.

In Fig.4 ist eine dieser Anordnung entsprechende Verdüsungseinheit dargestellt, die im wesentlichen eine konisch zulaufende Düse 12 mit einem zentrisch angeordneten, am Ende ebenso konisch zulaufenden Rohr 14 aufweist, wobei das Rohr 14 kurz vor dem engsten Durchmesser der Düse 12 endet. In die Düse 12 wird über den Anschlußstutzen 13 das Trägergas eingeleitet, während das Rohr 14 mit dem Behälter für das Schutzadditiv verbunden ist. Eine an den an der Düse austretenden Zerstäubungsstrahl seitlich heranführende Zuführungsleitung 15 ermöglicht das Eintropfen von biologischer Substanz in den Zerstäubungsstrahl.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

50

60

Claims

1 2 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Tiefgefrie- Patentansprüche: ren von flüssigen biologischen Substanzen, bei dem diese vor dem Einfrieren mit Schutzadditiven vermischt, in

1. Verfahren zum Tiefgefrieren von flüssigen bio- Behälter abgefüllt und tiefgefroren werden, sowie eine logischen Substanzen, bei dem diese vor dem Bn- 5 Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Beispiefrieren mit Schutzadditiven vermischt, in Behälter Ie für flüssige biologische Substanzen sind Blut. Blutbeabgefüllt und tiefgefroren werden, dadurch ge- standteile oder Zellsuspensionen,
kennzeichnet, daß die Schutzadditive zer- Die Konservierung biologischer Substanzen zur Verstäubt, und die biologischen Substanzen in den Zer- hütung irreversibler Zellschädigungen stellt ein schwiestäubungsstrahl eingetropft werden. io riges Problem dar, insbesondere bei der Konservierung

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- von Blut Seit einiger Zeit werden Blutkonserven neben zeichnet, daß die Schutzadditive mittels einer Pumpe den konventionellen Aufbewahrungsarten auch durch auf einen hohen Druck gebracht und anschließend in Tiefgefrieren und Lagern in flüssigem Stickstoff haltbar einer Düse fein zerstäubt werden, wobei das Ein- gemacht, wodurch erst eine Langzeitkonservierung tropfen der biologischen Substanzen in die Mitte des 15 möglich geworden ist Eine notwendige Voraussetzung Zerstäubungsstrahles erfolgt bei Tiefgefrierverfahren ist es, dem Blut ein Schutzaddi-

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- tiv beizumischen, da sonst während des Tieffriervorganzeichnet, daß die Zerstäubung der Schutzadditive ges, wenn das Blut durch den Temperaturbereich des mit Hilfe eines unter Druck stehenden Trägergases Einfrierens geführt wird, die Integrität der Zellmembran in einer Verdüsungseinheit durchgeführt wird. 20 der roten Blutkörperchen beschädigt und die Zellen hä-

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn- molysiert werden können (Bakker, J. C. Factors Influenzeichnet. daß als Trägergas Stickstoff verwendet cing the Hemolysis of Erythrocytes by the Addition of wird, der durch ein Filter geleitet wird. Glycerol before Freezing, 11th annual meeting of the

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Soc for Cryobiology, Abstr. no. 2, London 1974). Da mit nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen 25 nach dem Auftauen der Konserve ein Auswaschen der Vorratsbehälter (1) für Schutzadditive, einen Vor- Schutzadditive aus dem Blut vor einer Transfusion, wie ratsbehälter (2) für die biologischen Substanzen und es bisher aufgrund der Unverträglichkeit der Schutzadeine Verdüsungseinheit (4), wobei beide Vorratsbe- ditive für den Organismus notwendig ist, vermieden hälter (1,2) jeweils über getrennte Leitungen mit der werden kann, werden heute solche Schutzadditive, wie Verdüsungseinheit (4) in Verbindung stehen und wo- 30 z.B. HES (Hydroxyläthylstärke), auf ihre biologische bei in der Leitung von dem Vorratsbehälter (1) für Verträglichkeit untersucht.

Schutzadditive zu der Verdüsungseinheit (4) eine Eines der Probleme bei der Vorbereitung der Blut-Pumpe (5) angeordnet ist. konserve für den Gefrierprozeß besteht darin. Blut und

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn- Schutzadditiv möglichst vollständig und schnell zu verzeichnet, daß die Verdüsungseinheit (4) eine Düse (6) 35 mischen, da sich gezeigt hat, daß die Überlebensrate der aufweist, in deren Gehäuse zentrisch ein an seinem Zellen umso größer ist, je größer die Zufuhrgeschwinunteren Ende kegelstumpfförmiger Einsatz (7) ein- digkeit der Schutzadditive in das Blut ist. Dabei steht die geschraubt ist, der eine auf der Mittelachse verlau- Zufuhrgeschwindigkeit in Relation zur Eindring- bzw. fende, an den Vorratsbehälter (2) für die biologi- Anlagerungsgeschwindigkeit des Schutzadditivs in bzw. sehen Substanzen angeschlossene Leitung (8) auf- 40 an die Zellmembranen. Von entscheidender Bedeutung weist und der so bemessen ist, daß zwischen der ist weiterhin, für jede Zelle der Suspension möglichst konisch zulaufenden Gehäusewand der Düse (6) und gleiche Konzentrationsbedingungen an Schutzadditiven dem kegelstumpfförmigen Teil des Einsatzes (7) ein zu erreichen. Bisherige Verfahren, die die Vermischung Ringspalt (9) entsteht, der mit dem Vorratsbehälter von Blut und Schutzadditiv mittels Schütteln herbeifüh-(1) für Schutzadditive über einen Stichkanal (10) in 45 ren, lassen Mischungsinhomogenitäten auftreten und dem Gehäuse verbunden ist. bewirken damit einen zu hohen Schädigungsanteil der

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens roten Blutkörperchen beim Gefrierprozeß.

nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ein-Vorratsbehälter (1) für Schutzadditive, einen Vor- gangs beschriebenes Verfahren zum Tiefgefrieren von ratsbehälter (2) für die biologischen Substanzen, ei- 50 flüssigen biologischen Substanzen sowie eine Vorrichnen Vorratsbehälter (3) für das Trägergas und eine tung zur Durchführung des Verfahrens so auszugestal-Verdüsungseinheit (11), wobei die Vorratsbehälter ten,daß vordem Einfrieren eine gute Vermischung zwi-(1, 2, 3) mit der Verdüsungseinheit (11) jeweils über sehen Schutzadditiv und biologischer Substanz ohne begetrennte Leitungen in Verbindung stehen, sonderen technischen Aufwand unter Zuführung des

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn- 55 Schutzadditivs mit sehr hoher Geschwindigkeit und in zeichnet, daß die Verdüsungseinheit (11) eine ko- möglichst gleichbleibender Konzentration erreicht nisch zulaufende Düse (12) mit einem Anschlußstut- wird.

zen (13) für das Trägergas aufweist, in die zentrisch Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

ein kurz vor dem engsten Durchmesser der Düse daß die Schutzadditive zerstäubt und die biologischen

endendes Rohr (14) mit Anschluß an den Vorratsbe- 60 Substanzen in den Zerstäubungsstrah! eingetropft wer-

IjI hälter (1) für Schutzadditive angeordnet ist und die den.

|ii! eine seitliche an den Zerstäubungsstrahl heranfüh- Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei der

rende Zuleitung (15) für die biologischen Substanzen Vermischung von zwei flüssigen Medien die Vermi-

': aufweist. schungsgeschwindigkeit proportional der Kontaktober-

.,I₁ 65 fläche der Medien ist. Das bedeutet, um eine möglichst

,1 große Oberfläche eines vorgegebenen Volumens zu er-

!>' halten, muß das einheitliche Volumen in viele sehr kleine

ι ill Teilvolumen aufgeteilt werden. Wird demzufolge das