DE3047784A1

DE3047784A1 - Verfahren undvorrichtung zum erwaermen von in einem flachen kunststoffbeutel eingefrorenen suspensionen oder loesungen

Info

Publication number: DE3047784A1
Application number: DE19803047784
Authority: DE
Inventors: Antrag Auf Nichtnennung
Original assignee: Forschungsgesellschaft Fuer Biomedizinische Technik 5100 Aachen; Forschungsgesellschaft fuer Biomedizinische Technik eV
Current assignee: Forschungsgesellschaft Fuer Biomedizinische Technik 5100 Aachen; Forschungsgesellschaft fuer Biomedizinische Technik eV
Priority date: 1980-12-18
Filing date: 1980-12-18
Publication date: 1982-07-01
Also published as: GB2122857B; FR2528723A1; JPH056997B2; SE8203754L; SE453835B; JPS58225019A; GB2122857A; US4473739A; DE3047784C2; FR2528723B1

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erwärmen von
in einem flachen Kunststoffbeutel eingefrorenen Suspensionen oder Lösungen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zum Erwärmen von in einem flachen Kunststoffbeutel eingefrorenen Suspensionen oder Lösungen von lebender Zellsubstanz, wie z.B. menschliche Blutkonserven, die nachstehend als Gefriergut bezeichnet sind.
Bei einem bekannten derartigen Verfahren ist für die rationelle Anwendung von tiefgefrorenen, lebenden Blutzellen bzw. für die rationelle Erstellung von Kryoglobulinen die Verwendung größerer Einheiten von ca.50 -500 g Masse und die Verwendung dünner plattenförmiger Proben üblich, die eine Schichtdicke von ca. 5 - 10 mm aufweisen. Bei Verwendung solcher Platten kann eine einheitliche Temperaturänderungsrate, d.h. Temperaturänderung mit der Zeit, in den Grenzen von ca. 10 % für nahezu die gesamte Probenmasse, außer der Randzone, erhalten werden, Üblicherweise werden die Lösungen, von denen hier die Rede ist, in einen Kunststoffbeutel gefüllt, verschweißt und in an sich bekannter Weise in einem plattenförmigen Halter gefroren.
Der Erwärmungsprozeß sollte von der Temperaturänderungsgeschwindigkeit her in der gleichen Größenordnung wie der Frierprozeß liegen, anzustreben ist jedoch eine deutlich raschere Erwärmung als der Kühlrate entspricht. Dadurch kann verhindert werden, daß eine Devitrifizierung und damit bei Zellen, z.B. intrazelluläres Eis, auftritt.
Damit während des Erwärmungsvorganges kein sich ungünstig auswirkender Temperaturgradient zwischen dem in der geometrischen Mitte der Platte befindlichen Eisblock und der erwärmten Außenzone auftritt, wird bei dem bekannten Verfahren dem Medium im Inneren des Beutels durch Schütteln eine erzwungene Konvektion aufgeprägt. Dadurch wird einerseits der Wärmeübergang an das schmelzende Eis erhöht, andererseits eine Überhitzung wandnaher Teilchen der wäßrigen Lösung vermieden.
Bisher wird zum Erwärmen der Probe wie folgt verfahren: - Einbringen der plattenförmig in einen Beutel eingegefrorenen Probe in ein Wasserbad von z.B. 40° C - Aufrechterhalten der Plattenform der schmelzenden Probe während des Prozesses durch spezielle Halter bzw. Container; - Bewegen der Probe mit einer Frequenz von etwa 4 Hz bei einer Amplitude von ca. 8 cm in longitudinaler Richtung; - Nach Erreichen einer aus experimentellen Befunden bekannten vorgegebenen Zeit Entnahme der Beutel aus dem Wasserbad; - Der Beutel wird, falls die Probe vollständig aufgetaut ist, abgetrocknet und der weiteren Verwendung zugeführt.
Die Nachteile dieser bekannten Art von Erwärmungsverfahren sind folgende 1. Die zum Auftauen erforderliche Verweilzeit im Wasserbad hängt stark von der Masse der Probe ab.
Schon geringe, in der Praxis übliche Schwankungen der Masse um einen festgestellten Mittelwert haben zur Folge, daß die nach dem Tauen gewünschte Temperatur der Probe, z.B. +40C, bedeutend über-oder unterschritten wird. Auch ist häufig eine nicht vollständige Abschmelzung des Eises in der Probe festzustellen, was für die Qualität des Materials empfindliche Einbußen zur Folge haben kann.
2. Die Bedienung kann nur durch speziell geschultes, qualifiziertes Personal erfolgen, da die Positionierung der plattenförmig in einem Beutel eingefrorenen Probe beim Eintauchen in das Wasserbad so schnell wie möglich vorgenommen werden muß, weil der Tauprozeß in diesem Moment bereits mit voller Wirkung einsetzt. Die dann entstehende Flüssigkeit in der Probe deformiert die Probe bei mangelnder Fixierung. Die rasche Positionierung ist auch von Bedeutung, da mit Beginn der Flüssigkeitsbildung bereits die erzwungene Konvektion in der Probe einsetzen muß.
3. Ein spezieller Halter oder Container, der die Probe in der Plattenform hält, ist für die Dauer des Erwärmungsprozesses erforderlich. Dieser Umstand erfordert entweder bereits das Lagern der Probe in entsprechenden Containern, was den Aufwand je Probe beträchtlich erhöht, oder das Einbringen der Probe in einen Container oder Halter erst in der tiefkalten Atmosphäre, was mit den bekannten Schwierigkeiten (Vereisung, ungewollte Erwärmung der Probe, Erfrierungsgefahr für die Hände des Personals), insbesondere bei der im medizinischen Bereich üblichen Lagerung in Flüssigstickstoff, verbunden ist.
4. Die erforderliche Abtrocknung der Probe bringt zusätzlichen Zeitverlust und Arbeitsaufwand. Die Abtrocknung ist unbedingt erforderlich, weil üblicherweise nachfolgende sterile Handhabung vorauszusetzen ist; Wasserreste an entsprechenden Ein- oder Auslaßstutzen machen die Sterilität zunichte.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des bekannten Verfahrens zu vermeiden und ein Verfahren zu schaffen, das das Erwärmen von in einem flachen Kunststoffbeutel eingefrorenen wässrigen Suspensionen oder Lösungen in einfacher, aber doch sicherer Weise ermöglicht . Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch das in dem Patentanspruch gekennzeichnete Verfahren gelöst.
Dieses Verfahren wird in folgender Weise durchgeführt: die plattenförmig je in einem Beutel eingefrorenen Proben werden mit Hilfe elektrischer Wärme durch Wärmeleitung aufgewärmt. Dazu werden die Proben zwischen zwei Metallplatten eingebracht, die durch elektrischen Strom beheizt werden. Die Oberflächentemperatur TOH dieser Heizplatten wird auf einen vorgebbaren Wert eingestellt, der im Bereich von 40 c C oder höher liegen kann. TOH wird mit Hilfe einer geeigneten, an sich bekannten Regelung auf diesem Wert gehalten, wobei eine maximale Abweichung im Bereich von 10C vom eingestell- ten mittleren Temperaturwert zugelassen wird. Während des Aufwärmprozesses wird weiterhin die Oberflächentemperatur TOB außen am Kunststoffbeutel gemessen, die als Indikator für die Temperatur T1 im Beutel verwendet wird. Dazu ist lediglich die Kenntnis der thermischen Eigenschaften der jeweils den Beutel bildenden Kunststoff-Folie notwendig, woraus die Temperaturdifferenz zwischen TI und TOB mit den Gesetzen der Wärmeübertragung berechnet werden kann; die Differenz liegt in der Größenordnung von 5°C. Die Beutel-Oberflächentemperatur T0 wird ebenfalls vorgegeben und für die Beendigung des Aufheizvorganges verwendet: sobald TOB erreicht ist, werden die Heizplatten von der Probe entfernt. Zusätzlich wird dem Gefriergut während des Erwärmungsprozesses eine erzwungene Konvektion aufgeprägt, indem das gesamte System Heizplatte / Gefriergut" mit einer entsprechenden Relativbewegung versehen wird.
Zur Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten an der Phasengrenze eisförmig - flüssig" im teilweise aufgetauten Material wird eine spezielle Bewegung in der Weise aufgeprägt, daß eine Strömung der Flüssigkeit, z.B. vornehmlich parallel zur Eisfront erfolgt. Dazu wird das System Gefriergut - Heizplatte z.B. ellipsenförmig bewegt. Die Bewegungsfrequenz liegt im Bereich 1 - 10/so die Auslenkung bei 5 - 20 cm.
Die Vorzüge dieses Verfahrens sind vielfältig und für das angestrebte Ziel der Qualitätsverbesserung und Qualitätsreproduzierbarkeit von ausschlaggebender Bedeutung. Es erfüllt die Forderungen nach definierter Temperatur im aufgewärmten Gut, nach Sicherheit in der Handhabung und nach Unabhängigkeit von der genauen Masse des Gefriergutes.
Eine technische Ausgestaltung kann z.B. in folgender Weise vorgenommen werden: Der Kunststoffbeutel mit dem gefrorenen Gut 1 (Abb.1, 4,5) wird zwischen die auseinandergestellten Heizplatten 2a, 2b gelegt. Dadurch wird ein Kontakt durch eine Lichtschranke oder mechanisch geschlossen, wodurch der Stellmotor 3 über Ritzel 4 und Zahnstange 5 die Heizplatten zusammenfährt. Durch in Richtung des Hubes wirkende Federn 5b wird die Heizplatte definiert auf den Kunststoffbeutel gepreßt. Ein Gelenk 5a am Ende der Zahnstange, als Verbindung zwischen Zahnstange und Heizplatte ausgebildet, ermöglicht die Anpassung der Heizplattenauflagefläche an nicht exakt planparalleles Gefriergut. Anschließend setzt der Schwenkmotor 6 über Drehscheibe und Kurbelstange 7 bzw. Planetenrad 7b und Sonnenrad 7a das Halteelement 14 in Bewegung, wodurch in dem Gefriergut zu Beginn des Schmelzens eine erzwungene Konvektion in der vorstehend beschriebenen Weise erzeugt wird; dabei bewegt sich Halteelement 14 relativ zur Grundplatte 15. Gleichzeitig werden die Heizplatten auf die gewählte Temperatur TOH erwärmt.
Während des Prozesses werden in den Heizplatten 2a und 2b mit Hilfe von Thermofühlern 9, 10 und mechanischen Tastern 11 die Temperaturen der Heizplatten TOH des Gefriergutes außen am Folienbeutel TOB und das fortlaufende Schmelzen des Eises durch den mechanischen Taster in Verbindung mit einer Längenmeßeinrichtung erfaßt. Die Thermoelemente sind aus Kupferkonstantan-Paarungen erstellt. In den Kupferplatten 16 (Abb. 2) sind Fühler zur Messung von TOH 20 eingelötet; zur Messung von TOB sind Oberflächenfühler 21 durch die Heizplatte auf den Kunststoffbeutel durchgeführt und drücken federnd gelagert auf die Meßstellen, um eine weitgehend verfälschungsfreie Messung von TOB zu ermöglichen. Der mechanisch wirkende Taster 22 ist eben- falls federnd auf das Gefriergut geführt, so daß er mit zunehmendem Schmelzen tiefer in die bereits flüssige Lösung eindringt. Ist kein Eis mehr vorhanden, durchmißt der Taster die volle Tiefe des Gefriergutes und betätigt eine akustische und optische Anzeige zum Hinweis auf das Ende des Schmelzprozesses. Der Aufwärmvorgang kann dadurch jetzt schon beendet werden.
Ist die vorgewählte Temperatur TOB als Indikator für die Gefrierguttemperatur erreicht, werden der Hubmotor 3 betätigt, die Platten auseinandergefahren und das Gefriergut gleichzeitig mit einem hochgefahrenen Korb 23 von der unteren Heizplatte abgehoben, um nach erfolgter Abschaltung der Heizplatte einen Nachheizeffekt auf den Beutel auszuschalten. Dann wird der Schwenkmotor 6 abgeschaltet und die Probe ist zur Weiterverarbeitung bereitgestellt.
Die Heizplatten sind zur Vermeidung örtlicher Überhitzungen in folgender Weise aufgebaut (Abb.2) auf eine thermisch und elektrisch isolierende Kunststoffplatte 19 ist die Heizleiterplatte 18 aufgeklebt.
Darüber ist eine dünne Heizleiterplatte 17 aufgebracht.
Der Kontakt zum Gefriergut wird mit der Kupferplatte 16 hergestellt; durch deren extrem hohe Wärmeleitfähigkeit werden örtliche Wärmeübergangsunterschiede ohne nachteilige örtliche Temperaturerhöhungen ausgeglichen.
Der Regelungsablauf innerhalb des Zusammenwirkens der mechanischen Elemente und des Regelsystemes ist dem Flußdiagramm Abb.3 zu entnehmen.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Anwendung auf zu erwärmende gefrorene wäßrige Lösungen sind 1. Unabhängigkeit des Prozesses von der Probenmasse, da eine geregelte Beheizung und eine geregelte Beendigung des Gesamtaufwärmprozesses erfolgt.
2. Vorgabe einer Guttemperatur und bei Erreichen dieser Temperatur ist die Beendigung des Auftauvorganges möglich. Gerade diese Temperatur ist für die sich anschließende Weiterverarbeitung des Materials in vielen Fällen von entscheidender Bedeutung für die gute Qualität, wie z.B. für den Fall von Konzentraten lebender Blutzellen bekannt ist.
3. Definierte erzwungene Konvektion in der Probe; das sich dadurch ergebende Temperaturfeld in der Probe ist in gewünschter Weise homogen, so daß die schädigende Devitrifizierung oder Rekristallisation mit Sicherheit vermieden werden kann sowie die damit verbundene Schädigung der Zellmembranen.
4. Kosten-, Zeit- und Sicherheitsgewinr, da kein spezieller Container erforderlich ist, der sonst dem Gefriergut die Plattenform während des Aufwärmprozesses erhalten muß.
5. Einlegen des Beutels mit der gefrorenen Lösung in die Aufwärmapparatur innerhalb kürzester Zeit möglich; dadurch wird die Zeit des undefinierten Erwärmens in der Umgebungsatmosphäre durch den Kontakt zur Luft so kurz, daß keine Qualitätseinbuße entsteht.
6. Durchführung des Erwärmungsprozesses durch Hilfskräfte möglich, was in Hinsicht auf größer werdende Personalknappheit im medizinisch-technischen Bereich immer ausschlaggebender für die Durchführbarkeit des Gesamtverfahrens ist.
7. Automatisierter, definierter Erwärmungsprozeß durch Regelung und Erfassung der Gut- und Heizplattentemperatur.
8. Kein Abtrocknen der Probe erforderlich und damit geringere Gefahr der bakteriellen Kontamination.
Aufgrund dieser Vorzüge ist das Erwärmungsverfahren besonders geeignet für empfindliche biologische Zellkonzentrate und für den Herstellungsprozeß von Kryopräzipitat aus Blutplasma oder Blutserum. Beispielsweise werden Konzentrate gefrorener menschlicher Knochenmarkzellen mit der Masse 150 g mit diesem Verfahren in 60 s von 1960 auf +40C erwärmt, wobei der äußere Wärmeübergangskoeffizient im Bereich von 200 -600 W/qm K liegt und eine Heizleistung von 4 kW aufgebracht wird. Analog wird mit menschlichen Lymphozyten, Thrombozyten und Erythrozyten verfahren.
Die bisherige Praxis des Erwärmens unter Verwendung der beschriebenen Wasserbadtechnik ist für eine weitverbreitete Anwendung und zum Erhalt der gewünschten Qualität der betrachteten Substanzen nur bedingt geeignet. Beiden Faktoren wird mit dem erfindungsgemä-Ben Verfahren Rechnung getragen. Berücksichtigt man die wirtschaftliche Bedeutung der Erstellung der Kryoglobuline und die zunehmende Tendenz der Kliniken, Zellkonzentrate aus Blutkonserven pro Zellfraktion getrennt zu lagern und zu verabreichen, dann kann dem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu erzielenden Fortschritt eine weitreichende Bedeutung zugemessen werden.
Zusammenfassend wird noch auf folgendes hingewiesen: Die Langzeitkonservierung wäßriger Suspensionen von biologischen Zellen durch Tieftemperatur-Verfahren hat heute einen festen Platz, insbesondere innerhalb des medizinischen Bereiches, inne. Hier ist nicht nur die Verwendung tiefgefrorener roter Blutkörperchen zu erwähnen, deren Lagerhaltung und Bevorratung aus verschiedensten Gründen, wie Einsatz bei Operationen, Unfällen und Katastrophen, durchgeführt wird, sondern in jüngster Zeit auch aussichtsreiche, völlig neuartige Anwendungen, die sich durch die Eigenspende, d.h.
die Spende aus der Konserve, für sich selbst ergeben.
So kann die Tumortherapie durch Knochenmarkszellen roter Lymphozyten und periphere Blutstammzellen entscheidend verbessert werden, Ein noch größerer Bedarf an gefrorenen Einheiten von Blutplättchen, den Thrombozyten, zeichnet sich bei hinreichender Qualität der gefrorenen Konserve ab Ein wirtschaftlich möglicherweise noch bedeutenderer Anwendungsbereich der Tieftemperatur-Verfahren in der Anwendung auf wäßrige Lösungen oder Suspensionen ist die Erstellung von Kryoglobulinen aus dem Blutplasma, d.h.
der zellfreien Flüssigkeit des Blutes, zur rationellen Erstellung von Plasmaeiweißfraktionen, die für immunologische Therapieformen oder zu vorbeugender Behandlung benötigt werden.
Wesentliches Kriterium der Anwendbarkeit sowohl gefrorener Zellkonzentrate wie durch Tieftemperaturbehandlung erstellter Kryoglobuline ist die bei Ende des Prozesses erhaltene Qualität. In den letzten Jahren sind die Einflußgrößen, die es zum Erhalt einer möglichst hohen Ausbeute an lebenden Zellen bzw. purifizierten Globulinen zu optimieren gilt, immer besser bekanntgeworden. Insbesondere kristallisiert sich heraus, daß eine strenge Abhängigkeit von der a) Abkühlrate und der b) Erwärmungsrate des Gefriergutes vorhanden ist. Weitere Faktoren kommen hinzu, wie Zumischungsverfahren von Lösungen zum flüssigen Gut, von das Gefrierverhalten des Gutes beeinflussenden Agenzien, wie z.B. Gefrierschutzmittel und auch Konzentration und Packung der Zellen bzw. Globuline, um die wichtigsten zu nennen. Entscheidenden Einfluß auf die Ausgangsqualität des behandelten Gutes haben jedoch die Parameter a) und b).

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zum Erwärmen von in einem flachen Kunststoffbeutel eingefrorenen wässrigen Suspensionen oder Lösungen von lebender Zellsubstanz (Gefriergut), dadurch gekennzeichnet, a) daß der Kunststoffbeutel mit dem Gefriergut zwischen zwei auseinanderfahrbare Heizplatten gelegt wird, durch die nach deren Zusammendrücken das Gefriergut auf eine vorgewählte Temperatur erwärmt wird, b) daß durch gleichzeitig mit dem Erwärmen bewirkte Schwenkbewegungen der Heizplatten dem Gefriergut eine den Wärmeübergang beim Schmelzen erhöhende Konvektion aufgeprägt wird, c) und daß schließlich die Kunststoffbeutel mit dem geschmolzenen Gefriergut, wenn dieses die vorgewählte Temperatur erreicht hat, zwischen den dann wieder auseinandergefahrenen Heizplatten entnommen wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus zwei wahlweise gegeneinander bewegbaren, zur Aufnahme eines Gefriergut enthaltenden Kunststoffbeutels (1) dienenden Heizplatten (2a, 2b) besteht, deren Heiztemperatur vorwählbar ist und die von einem über einer feststehenden Grundplatte (15) bewegbaren Halteelement (14) getragen werden, das durch eine Schwenkvorrichtung (6, 7) rhythmisch ellipsenförmig schwenkbar ist.
3. Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Vorrichtung MeBeinrichtungen ( 20, 21, 22) vorgesehen sind, die während des Erwärmungsprozesses die Oberflächentemperatur sowohl an den Heizplatten (2a, 2b) als auch außen an dem Kunststoffbeutei (1) ermitteln.
4. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Oberflächentemperatur des Kunststoffbeutels durch die eine Heizplatte (2a) Oberflächenfühler hindurchgeführt sind, die federnd gelagert auf die Oberfläche des Kunststoffbeutels (1) drücken.
5. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mechanisch wirkende Taster (22) vorgesehen sind, die federnd auf den das Gefriergut enthaltenden Kunststoffbeutel (1) drücken und ein Signal auslösen, wenn das Gefriergut vollständig geschmolzen ist.
6. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Meßeinrichtungen vorgesehen sind, die bei Erreichen der vorgewählten Temperatur das Auseinanderfahren der beiden Heizplatten und das Abheben des Gefriergutes von der unteren Heizplatte (2b) veranlassen.
7. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Heizplatte aus einer thermisch und elektrisch isolierenden Kunststoffplatte (19) besteht, auf die eine Heizleiterbahnplatte (18) aufgeklebt ist, auf der zunächst eine dünne Heizleiterplatte (17) und dann noch eine Kupferplatte (16) aufgebracht ist.