EP0897517B1

EP0897517B1 - Verfahren und vorrichtung zum gefrieren von zellsuspensionen

Info

Publication number: EP0897517B1
Application number: EP97923876A
Authority: EP
Inventors: Bernd Mingers
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-05-11
Filing date: 1997-05-12
Publication date: 2001-07-25
Anticipated expiration: 2017-05-12
Also published as: DE59704132D1; DE19619152A1; AU2953597A; WO1997043586A1; EP0897517A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gefrieren von Zellsuspensionen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Humanzellsuspensionen und wird im folgenden anhand solcher Substrate näher beschrieben, obwohl die Erfindung auch auf Zellsuspensionen anderer Herkunft anwendbar ist. Diese Suspensionen enthalten lebende Zellen, wobei es sich in der Regel um menschliches Blut handelt. Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens bei derartigen Ausführungsformen ist es, derartige Zellsuspensionen derart tiefzugefrieren, daß einerseits möglichst viele vitale Zellen erhalten bleiben und andererseits zur Vermeidung des Einsatzes von Fremdblutkonserven gegebenenfalls auf das Eigenblut einer Person zurückgegriffen werden kann.

Es ist bereits bekannt (DE 29 29 278 C2), Zellsuspensionen der genannten Art dadurch einzufrieren, daß man die aus Bestandteilen des menschlichen Blutes und einem Gefrierschutzmittel bestehenden Zellsuspensionen, welche in bestimmten Volumina das Gefriergut in vorzugsweise flexiblen Kunststoffbeuteln bilden, in eine Kammer einführt und in dieser nach einer vorgegebenen Temperatur/Zeitfunktion tiefgefriert. Dabei geht der Stand der Technik davon aus, daß bei derartigen Suspensionen ein funktioneller Zusammenhang zwischen der betreffenden Kühlrate und dem Anteil der nach dem Auftauen in der Suspension noch enthaltenen vitalen Zellen besteht, so daß es darauf ankommt, eine vorher ermittelte Kühlrate über die Zeit möglichst genau einzuhalten. In Vorrichtungen, die nach diesem Verfahren funktionieren sollen, machen indessen die extrem hohen Kühlraten erhebliche Schwierigkeiten, was dazu führt, daß außer im Labormaßstab größere Volumina, wie sie im technischen Maßstab behandelt werden müßten, nicht oder nicht optimal eingefroren werden können.

Tatsächlich werden solche Verfahren bislang (DE 44 37 091 A1) technisch so durchgeführt, daß man die in wäßriger Lösung zumeist unter Zusatz eines Gefrierschutzadditives in suspendierter Form enthaltene Zellsubstanz mit ihren Flachbeuteln aus tieftemperaturbeständigem Kunststoff in einen geschlossenen Behälter oder eine offene Spannvorrichtung einsetzt und anschließend in einen Container taucht, der Gefriermittel für die Tiefkühlung, vorzugsweise flüssigen Stickstoff, enthält. Der Behälter bzw. die Spannvorrichtung stellen in erster Annäherung eine Presse dar, weil sie den Flachbeutel zwischen ihren Deckeln bzw. zwischen Platten mit Hilfe eines mechanischen Getriebes einspannen. Dadurch wird aus dem elastischen Flachbeutel eine im wesentlichen homogene Plattenform erreicht, so daß einerseits ein großes Oberflächen-/Volumenverhältnis erreicht wird und andererseits geometrische Inhomogenitäten wie Falten oder Auswölbungen vermieden werden, so daß ein verbesserter Wärmeübergang erzielt wird, gleichzeitig aber auch ein unkontrolliertes Abkühlen durch geometrische Inhomogenitäten des Flachbeutels zuverlässig verhindert werden. Zudem ermöglicht das Pressen des Flachbeutels eine dünne homogene Plattenform seines tiefgefrorenen Inhaltes, die ihrerseits eine platzsparende Lagerung und ein schnelles Wiedererwärmen im Bedarfsfall gestattet. Als Preßwerkzeuge dienen dabei planparallele Platten, deren einander zugekehrte Flächen als Kühlflächen dienen, die bei geschlossener Presse auf die Flachseiten des Flachbehälters einwirken. Auf die den Kühlflächen gegenüberliegenden Plattenseiten wirkt unmittelbar nach dem Eintauchen der Presse in den Container das darin enthaltene flüssige Kältemittel ein. Eine Mechanik der Presse sorgt dafür, daß der Preßdruck während des Tiefgefrierens bis zur Entnahme des Flachbeutels aufrechterhalten wird.

Diese bekannten Tiefgefriereinrichtungen für Suspensionen lebender Zellen führen in der Praxis jedoch zu einigen Schwierigkeiten. Die Kombination der Flachbeutelpresse mit einem das flüssige Kältemittel enthaltenden Container setzt voraus, daß dieser für das Tauchen und das Herausnehmen aus dem Kältemittel geöffnet ist. Da es sich bei dem Kältemittel in der Regel um flüssigen Stickstoff handelt, entstehen hierbei Risiken. Sie ergeben sich aus der möglichen Stickstoffüberfrachtung der Raumluft und aus der Verletzungsgefahr durch ungewollte Hautberührung an kalten Oberflächen und Flüssigkeiten.

Außerdem sind die Leistungen eines mit derartigen Pressen durchgeführten Tiefkühlverfahrens und damit der Ausnutzungsgrad der beschriebenen Baugruppen der vorbekannten Gefriereinrichtungen ungenügend. Da deswegen deren Verwendung auf den Labormaßstab beschränkt ist, sind die Betriebskosten erheblich. Sie ergeben sich nicht nur aus den mit dem Tauchvorgang zwangsläufig verbundenen Verdunstungsverlusten an Kältemittel und die nur eingeschränkt mögliche Wärmeisolation zur Vermeidung von Energieverlusten. Diese Schwierigkeiten führen auch dazu, daß der Einsatz von unterkühltem Kältemittel, insbesondere von unterkühltem Flüssigstickstoff ausgeschlossen ist, obwohl unter bestimmten Randbedingungen hierdurch eine Verbesserung des Wärmeüberganges auf das Gefriergut erzielt werden könnte.

Aus der FR 2 632 391 ist ein Verfahren zum Gefrieren von Zellsuspensionen bekannt, bei dem die in eine Verpackung eingeschlossenen Zellsuspensionen zwischen Kontaktflächen, die auf eine niedrige Temperatur gebracht sind, dadurch tiefgefroren werden, daß das Kältemittel die Wärme der verpackten Zellsuspensionen aufnimmt. Aus dem genannten Dokument sind jedoch keine Maßnahmen ersichtlich, mittels derer eine besonders hohe und kontrollierte Abkühlrate erzielt werden könnte. Insbesondere ist die Verwendung eines unterkühlten Kältemittels nicht offenbart.

Demgegenüber liegt eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem eine auf einfache Weise kontrollierbare und - sofern dies gewünscht wird - sehr hohe Abkühlrate erzielt werden kann, und dies unter Verwendung eines unterkühlten Kältemittels.

Aus der FR 2 632 391 ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens bekannt mit von einem Kältemittel durchflossenen Kühlplatten, deren einander zugekehrte Seiten als Kontaktflächen dienen und einen Spalt begrenzen, in den jeweils eine Zellsuspension ragt. Jedoch weist die bekannte Vorrichtung keine Maßnahmen zur Verbesserung der Kühlleistung bzw. der Kühlleistungskontrolle sowie zur einfacheren Handhabbarkeit auf.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgemäß darin, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitzustellen, bei der die Kühlleistung und deren Kontrolle sowie die Handhabbarkeit verbessert sind.

Die Lösung der genannten Aufgaben erfolgt zum einen mit einem Verfahren gemäß dem Gegenstand des Patentanspruches 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 8.

Weiterhin wird zur Lösung der genannten Aufgaben in Anspruch 9 eine Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens vorgeschlagen. Zweckmäßige Ausgestaltungen dieser Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 10 bis 29.

Die Erfindung geht bei der Kryokonservierung menschlicher roter Blutkörperchen mit Hydroxiethylstärke als Gefrierschutzadditiv von dem nachfolgend dargestellten Zusammenhang zwischen der mittleren Kühlrate B beim Einfrieren und der Zellwiederfindung S (=Stabilität der aufgetauten Zellen in isotoner Kochsalzlösung) wie experimentell ermittelt aus:

Die Erfindung macht es sich nun zunutze, daß in einem Band von Abkühlraten zwischen 150 und etwa 350 K/min ein flaches Maximum der Zellwiederfindung (cell recovery) auftritt. Dabei berücksichtigt sie, daß die Zellüberlebensrate bei zu hoher Kühlrate wieder abnimmt. Erfindungsgemäß wird deswegen die Auslegung des Verfahrens und einer nach dieser arbeitenden Vorrichtung stets einem speziellen Abkühlprozeß angepaßt. Obwohl in der Literatur für die Konservierung einzelner Zellarten Abkühlprotokolle gemäß dem eingangs beschriebenen Stand der Technik veröffentlicht sind, ist im allgemeinen nicht der Abkühlverlauf, sondern nur die einzustellende Kühlrate von Bedeutung. Erythrozyten erfordern hohe Kühlraten, eine Temperaturführung gemäß einem speziellen Einfrierprotokoll ist bei dem Konservierungsverfahren jedoch nicht erforderlich.

Gemäß der Erfindung, wie sie im Anspruch 1 wiedergegeben ist, wird dadurch, daß erfindungsgemäß das Gefriergut, bei dem man im allgemeinen davon ausgehen kann, daß nur eine einzige Art und Größe von Zellsuspensionen in Beuteln tiefgefroren werden soll (z.B. entweder Erythrozyten oder Stammzellen oder Thrombozyten oder Leukozyten etc.), auf die bereits auf die tiefen für die Abkühlrate erforderliche Temperatur gebrachten Kontaktflächen zu bringen ist, so daß nur das jeweils einzeln vorliegende Gefriergut mit seinem Inhalt an Zellsuspension gekühlt zu werden braucht. Dabei stimmt man die Kühlfläche auf die Abkühlrate ab. Da erfindungsgemäß das Kühlmittel unterkühlt ist und das Verfahren so geführt wird, daß es bis zum Siedezustand die Wärme aus dem Gefriergut über die Kontaktflächen aufnimmt, entstehen hierbei zwar Blasen im Kältemittel, die jedoch beim Aufsteigen im Kältemittel wieder kollabieren, d.h. rekondensieren. Das erfindungsgemäße Verfahren führt daher bei der Wärmeaufnahme aus dem Gefriergut auf der Kühlmittelseite der Kontaktflächen nicht zur Nettodampfbildung aus dem Kühlmittel.

Dieses neue Verfahren ist gegenüber den Vorrichtungen, die das flexible Gefriergut einspannen und dann nachfolgend in Behälter mit flüssigem Kältemittel eintauchen, erheblich wirtschaftlicher, weil insbesondere die wiederholte Abkühlung und Erwärmung der Beuteleinspannvorrichtungen sowie sämtliche anderen mit dem Tauchen des Gefriergutes verbundenen Nachteile entfallen. Das neue Verfahren ermöglicht darüber hinaus optimale Abkühlraten, die für eine maximale Ausbeute an lebenden Zellen Voraussetzung ist. Das ist eine Folge der hohen Kühlrate, die eine restlose Abführung der Enthalpie des Gefriergutes und der Strömung im Kältemittel während des Abkühlprozesses ermöglicht, welche durch die geschilderte Blasenbildung und Blasenrekondensierung im Kältemittel entsteht.

Da das erfindungsgemäße Verfahren den Wärmeübergang aus dem Gefriergut auf die Kontaktflächen und von diesen auf das Kältemittel mit hoher Abkühlrate ermöglicht, ohne daß die Abkühlung nach einem genauen Abkühlprotokoll durchgeführt zu werden braucht, aber im Rahmen des Verfahrens auch durchgeführt werden kann, wird das Verfahren bei seiner praktischen Anwendung zweckmäßig nach der jeweiligen Art des Gefriergutes und nach der auf die Abkühlrate abzustimmenden Kontaktflächengröße dimensioniert. Häufig, d.h. insbesondere bei der vorzugsweise für die Erfindung in Betracht kommenden Abkühlung von Blutkonserven in flexiblen Kunststoffbeuteln sind dann sowohl die Abkühlraten als auch die Größen der Kontaktflächen vorgegeben. Wird dann das erfindungsgemäße Verfahren angewandt, so ergibt sich gemäß Anspruch 2 eine wesentlich höhere Abkühlrate als bislang. Andererseits und nach Anspruch 3 läßt sich der Wärmeübergang aber auch in anderer Richtung optimieren, indem man die Gefriergutschichtdicke zwischen den Kontaktflächen erhöht und dabei höhere Abkühlraten, die die Erfindung ermöglicht, dazu einsetzt, die vorher experimentell ermittelten Abkühlraten dennoch einzuhalten oder gar zu vergrößern.

Mit den Merkmalen des Anspruches 4 läßt sich die Abkühlrate noch erhöhen, da hierdurch größere Wärmemengen aus dem Gefriergut in das Kältemittel abgeführt werden. Dies kann u.a. mit den Merkmalen des Anspruches 6 erreicht werden. Auch läßt sich der Wärmeübergang in das Gefriermittel verbessern, was u.a. mit den Merkmalen des Anspruches 7 ermöglicht wird.

Wenn man das erfindungsgemäße Verfahren im industriellen Maßstab einsetzt, bietet es auch den Vorteil einer optimalen Nutzung des Kältemittels. Insbesondere ermöglicht das die Führung des Verfahrens gemäß dem Anspruch 5. Das geschieht dann in der Weise, daß die von dem Kältemittel über die Kontaktflächen aufgenommenen Wärmemengen aus dem im Kreislauf geführten Kältemittel durch Unterkühlung herausgenommen werden, bevor das Kältemittel die Kontaktflächen wieder beaufschlagt. Ein solcher, im wesentlicher geschlossener Kühlmittelkreislauf bedarf dann nur noch des Ersatzes geringer Kältemittelmengen, welche durch unvermeidliche Verluste im Kreislauf entstehen können.

Für den industriellen Maßstab eignet sich auch die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, da diese die Wärme des fertig eingefrorenen Gefriergutes und die nachfolgende Anlage der Kontaktflächen an das in flexiblen Verpackungen befindliche Gefriergut dazu nutzt, eine gleichmäßige, faltenfreie Verformung des Gefriergutes zu einer konstanten gleichmäßigen Schichtdicke zwischen den Kontaktflächen zu erreichen. Dies ist eine der Voraussetzungen eines gleichmäßig tiefgefrorenen Gefriermittels mit einem möglichst hohen Anteil an lebender Zellsubstanz nach dem Auftauen.

Andere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Durchführung des geschilderten Verfahrens anhand der Figuren in der Zeichnung; es zeigen

Fig. 1: perspektivisch und in abgebrochener Darstellung eine erste Ausführungsform einer Kontaktfläche mit deren Kühlung durch ein flüssiges Kältemittel,
Fig. 2: eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in zwei übereinander dargestellten Betriebsphasen, wobei ein Teil der Vorrichtung im Schnitt wiedergegeben ist,
Fig. 3: eine zweite Ausführungsform der Kontaktflächen mit ihrer Kühlung, die im wesentlichen im Horizontalschnitt wiedergegeben ist,
Fig. 4: eine Einzelheit der Fig. 3 an der dort bezeichneten Unterkante,
Fig. 5: eine weitere Ausführungsform der Erfindung unter Darstellung des Kühlmittelkreislaufes, wobei die Kontaktflächen und die ihnen unmittelbar zugeordneten Teile im Schnitt dargestellt sind,
Fig. 6: eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, deren Teile, wie links in Fig. 5 dargestellt, wiedergegeben sind, und
Fig. 7: eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die in Draufsicht und teilweise im Schnitt wiedergegeben ist.

Gemäß der Darstellung der Fig. 2 besteht das Gefriergut aus einer Zellsuspension, welche in flexiblen Kunststoffbeuteln 1 verpackt ist. Diese Beutel sind durch die Verpackung in einer Kunststoffolie 2 als Verpackungsmaterial ohne Verlust ihrer Dichtigkeit verformbar und nehmen bei ihrer Aufhängung an einem beweglichen Förderorgan eines Stetigförderers 3, wie aus der oberen Darstellung der Fig. 2 ersichtlich, im senkrechten Querschnitt eine Tropfenform an, da die Zellsuspension flüssig ist. Das Tiefgefrieren erfolgt zwischen Kontaktflächen von Kammern 4, 5, deren Wirkungsweise weiter unten im einzelnen erläutert wird. Die beiden Kammern sind im wesentlichen gleich ausgebildet und werden zunächst anhand der in Fig. 4 wiedergegebenen Einzelheiten näher beschrieben.

Danach handelt es sich bei jeder Kammer 4, 5 um einen Hohlkörper 6 von im wesentlichen halbzylindrischer Form mit einer formsteifen Außenwand 7, einer inneren wärmedämmenden Auskleidung 8 und einer inneren Verkleidung 7a. In den Ausführungsbeispielen hat jede Kammer 4, 5 eine flache Innenseite 9. Diese ist mit einer ebenen Kühlplatte 10, 11 verschlossen. In der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung dienen die einander gegenüberliegenden Außenseiten der Kühlplatten als Kontaktflächen 12, 13.

Wie beispielsweise in Fig. 4 dargestellt, wirken diese auf die beiden Flachseiten 14, 15 jedes Kunststoffbeutels 2 ein. Gemäß der dargestellten Ausführungsform ist jede Kühlplatte 10, 11 auf ihrer Innenseite berippt. Durch die Mehrzahl dieser Rippen 16 wird die jeweilige Oberfläche der Kühlplatten kühlmittelseitig erheblich vergrößert, wodurch der Wärmeübergang von den Kontaktflächen auf das Kühlmittel optimiert ist. Die Kühlplatten sind mit den inneren Formkörperwänden 7a der Kammern verschraubt und weisen außerdem in den Rippengründen 17 eine Beschichtung 18 auf, welche aus einem mikroporösen Werkstoff besteht. Hierdurch wird bei weiterer Vergrößerung der wärmeübertragenden Flächen auf ihrer von dem flüssigen Kühlmittel angeströmten Kammerinnenseite 9 der Wärmeübergangsgrad gesteigert, wobei außerdem an der Kühlmittelseite der Kontaktflächen 12, 13 Keime für das Blasensieden des Kühlmittels zur Verfügung gestellt werden.

Nicht dargestellt sind die hiervon abweichenden Möglichkeiten, den Wärmeemissionsgrad auf abweichende Weise zu steigern, indem man etwa die von dem Kühlmittel angeströmten Flächen eloxiert oder sie schwarz einfärbt. Andererseits sind die Kontaktflächen 12, 13 der Kühlplatten 10, 11 gut wärmeleitend ausgeführt. Zu diesem Zweck können sie beispielsweise aus einem entsprechenden Werkstoff, z.B. aus Kupfer, gewonnen werden oder einen Überzug erhalten, beides u.a. mit dem Ziel, die Oberflächenrauhigkeit herabzusetzen.

Weitere Einzelheiten des Aufbaus der Kammer ergeben sich aus der Fig. 1 in Verbindung mit den Fig. 2 und 3. Danach befindet sich im Innenraum jeder Kammer eine Zwischenwand 19, die im wesentlichen bis zur Höhe der Kontaktflächen bzw. der Maßnahmen an den Kühlflächen reicht, die zur Vergrößerung des Wärmeemissionsgrades getroffen werden können. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 handelt es sich ausschließlich um eine Beschichtung 18 aus mikroporösem Werkstoff. Die Zwischenwand teilt oberhalb der Mündung einer isolierten, das Kältemittel zuführenden Speiseleitung 20 in der Kammer einen Raum 21 ab, in den das unterkühlte Kühlmittel einströmt und die zugeordneten Kontaktflächen 12, 13 auf der entsprechend tiefen Temperatur hält, bevor die Berührung mit dem Kunststoffbeutel eintritt. Wenn das der Fall ist, setzt ein Blasensieden ein, das schematisch im unteren Teil der Fig. 2 mit den dabei gebildeten Gasblasen dargestellt ist. Diese Gasblasen werden jedoch im wesentlichen ohne Nettodampfbildung rekondensiert, was auf der Unterkühlung des Kühlmittels beruht. Nur ein geringer Teil des Gases tritt nach oben aus und wird von der Mündung einer Gasrückführungsleitung 22 aufgenommen, die bei bestimmten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einen Kreislauf des Kühlmittels zurückführt. Flüssiges Kühlmittel übersteigt bei fortdauernder Zuführung von unterkühltem Kühlmittel durch die Speiseleitung 20 die Oberkante 23 der Zwischenwand, die als Wehr dient. Eine Füllstandskontrolle, die schematisch bei 24 dargestellt ist, hält oberhalb der Mündung eine Rückführungsleitung 25 in einem Kühlmittelsammelraum 26 jeder Kammer eine bestimmte Höhe des ablaufenden Kühlmittels aufrecht. Eine weitere Speiseleitung 27 führt weiteres flüssiges Kühlmittel in den Sammelraum 26 ein, sobald die aus dem Raum 21 abfließende Kühlmittelmenge nicht mehr ausreicht. Auf diese Weise ist ein weitgehend automatischer Betrieb mit gleichbleibender Qualität des Gefriergutes möglich.

Während in der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach den Fig. 2 und 3 eine praktisch von der Unterkühlung des Kühlmittels bestimmte Kühlrate erzielt wird, bildet die Ausführungsform nach Fig. 1 den Vorteil, daß die Kühlrate durch Zuführung von Wärme zu den Kontaktflächen auch gesteuert werden kann, obwohl mit einem unterkühlten Kühlmittel gearbeitet wird. Zu diesem Zweck ist die verstärkte Kühlplatte 10 von mäanderförmigen Heißgaskanälen 28 oder bei elektrischer Beheizung von Heizdrähten durchzogen. Die Kontaktfläche 12 läßt sich daher bedarfsweise auf eine höhere Temperatur bringen. Außerdem hat eine Kühlplatte, die, wie die dargestellte Kühlplatte 6 eine vergleichsweise große Masse aufgrund ihrer Wandstärke aufweist, eine zusätzliche Wärmespeicherkapazität, die die Temperaturerhöhung der Kühlplatte während des Gefrierens des Kühlgutes dämpft.

Die Kammern 4, 5 und ihre vorstehend bezeichneten Einzelteile sind Teil einer Vorrichtung (Fig. 5), mit der sich flexible Kunststoffbeutel in größerer Zahl und insbesondere im industriellen Maßstab rationell nach dem geschilderten Verfahren manipulieren lassen, um sie tiefzugefrieren. Dazu dient der darstellte Manipulator 29, der zwei Kammern 4, 5 vereinigt, die so angeordnet sind, daß ihre Kühlplatten 10, 11 senkrecht stehen, so daß auch die Kontaktflächen 12, 13 im wesentlichen senkrecht angeordnet sind. Die Kammer 4 ist stationär aufgebaut, während die Kammer 5 senkrecht zur Kontaktplatte 12 mit Hilfe der Kolbenstange 30 eines doppelt wirkenden Arbeitszylinders und eines Hebelgetriebes in zwei Stellungen beweglich ist. In der dargestellten Stellung öffnet sich ein Spalt 32, in dem der zu gefrierende Kunststoffbeutel 1 Platz findet. In der anderen Stellung schließt sich der Spalt 32. Befindet sich ein flexibler Kunststoffbeutel zwischen den Kontaktplatten 12, 13, so wird dieser bis zu einer bestimmten, d.h. vorgegebenen Schichtdicke zusammengepreßt und erst dann tiefgefroren. Diese Stellung nimmt die bewegliche Kammer 5 nach Einfahren der Kolbenstange 30 in den Arbeitszylinder 31 ein. Hat jedoch das verpackte Gefriergut bereits die erforderliche Schichtdicke beim Einführen in den Spalt 32, so dient der aus den Teilen 30 und 31 bestehende Kammerantrieb nur zum Anlegen der Kontaktflächen 12, 13 an das Gefriergut.

Das Kühlmittel wird im Kreis durch die Kammern und einen Kühler 33 geführt, der das bereits flüssige Kältemittel unterkühlt. Eine Pumpe M fördert das erwärmte Kühlmittel mit Hilfe paralleler Rückführungsleitungen aus den kühlmittelseitigen Abteilen 26 und 35 in den Kühler 33, aus dem das unterkühlte Kühlmittel durch parallele Speiseleitungen 20 und 36 in die Innenräume 21 und 37 der Kammern gefördert wird. Die Füllstandskontrolle 24 steuert ein Ventil 38, welches die Zufuhr von Kühlmittel zum Ausgleich von Kühlmittelverlusten steuert.

Die Kühlmittelsteuerung durch die Füllstandskontrolle 24 erfolgt durch ein Ventil 38, welches die Zufuhr von Kühlmittel zum Ausgleich von Kühlmittelverlusten ersetzt. Die Kühlmitteldämpfe gelangen durch parallele Rückführungsleitungen 22 und 39 in eine Sammelleitung 40, welche ebenfalls ventilgesteuert ist und funktionell einer Leitung 41 entspricht, welche vergastes Kühlmittel aus dem Kühler 33 abführt. Schläuche als Leitungsverbindungen zwischen den beiden Kammern ermöglichen deren Relativbewegung aufgrund ihrer Flexibilität senkrecht zu den Hauptflächen des Gefriergutes.

Die Ausführungsform eines Zweikammermanipulators 41, die in Fig. 6 wiedergegeben ist, unterscheidet sich von dem für größere Leistungen ausgelegten Manipulator 29 der Fig. 5 durch eine vereinfachte Führung des Kühlmittels, für das eine gemeinsame Speiseleitung 20 in den einteiligen Innenraum 43 der feststehenden Kammer 4 führt, die ihrerseits über ihre Rückführungsleitung 25 zunächst mit der beweglichen Kammer 5 bzw. deren Speiseleitung 36 verbunden ist. Die Füllstandskontrolle 24 steuert den Zulauf des Kühlmittels in beide Kammern 4, 5, aus denen lediglich die Kühlmitteldämpfe über die Rücklaufleitungen 22 und 39 abgezogen und durch das Ventil 37 aus der Speiseleitung ersetzt werden.

Die Ausführungsform nach Fig. 7 zeigt den Zweikammermanipulatur 43 in einem thermisch isolierten Gehäuse 44, welches außerdem den Stetigförderer 3 vollständig umschließt, wobei lediglich für den Kühlkammerkreislauf notwendige Leitungen 45 zum Einspeisen des Kühlmittels, 46 zur Rückführung in den Unterkühler 33 und zum Ersatz des verdampften Kühlmittels bei 37 nach außen geführt sind. Hierdurch wird eine optimale Energieausnutzung erzielt.

Bei dieser Ausführungsform sind für das Einbringen und das Entnehmen der Kunststoffbeutel 1, die die Zellsuspensin enthalten, eine Eingangsschleuse 47 und eine Ausgangsschleuse 48 vorgesehen. Nach außen sind diese Schleusen mit Verschlüssen 49 und 50 versehen, während der Zugang zu dem Zweikammermanipulator 43 durch wechselseitig zu betätigende Schieber 51 und 52 realisiert ist. Der Stetigförderer führt aus dem mit den Schiebern 51 und 52 verschließbaren Innenraum 53 des thermisch isolierten Gehäuses 44 in die beiden Schleusenkammern 47 und 48 und hat ein umlaufendes Förderorgan 54 mit einer Antriebs- und einer Umlenkeinrichtung 55, 56 sowie Hilfsführungen 57 und 58, welche den Schlupf des Förderorgans auf den Antriebs- und Umlenkeinrichtungen 55 und 56 durch Vergrößerung des Umschlingungswinkels vermeiden, so daß das umlaufende Förderorgan ein Seil- oder Kettenförderer sein kann, an dem die Kunststoffbeutel 1 angehängt werden.

Dieser Zweikammermanipulator führt folgende Verfahrensschritte aus:

Öffnen der Eintrittsschleuse 47, was durch einen Knopfdruck ausgelöst werden kann;
Einlegen des Beutels bei geöffnetem Verschluß 49;
Schließen des Verschlusses 49 durch Knopfdruck, worauf das Programm für die nachfolgenden automatisch ablaufenden Schritte ausgelöst wird;
Trocknen der in der Eintrittsschleuse 47 enthaltenen Luft durch einen Klimatisierungsschritt zur Reduzierung der Luftfeuchte in der Schleuse auf Null;
Öffnen des Schiebers 52, d.h. das Zugangs zum Zweikammermanipulator;
Transport des Kunststoffbeutels 1 aus der Eintrittsschleuse 47 in den Zweikammermanipulator;
Schließen des Schiebers 52 und damit der Eintrittsschleuse 47;
Ausrichtung des Kunststoffbeutels 1 zwischen den Kühlplatten der beiden Kammern;
Anpressen der Kühlplatten in ca. 0,5 Sekunden oder schneller auf einen voreingestellten Anpreßdruck an den Beutelflachseiten 14 und 15;
Wärmeabfuhr aus dem Beutel zum Abkühlen und Gefrieren der Zellstoffsuspension, wobei
a) entweder unter Ausnutzung des maximal abführbaren Wärmestromes durch Behälter 7 auf der Kältemittelseite der Kühlplatten und
b) wo erforderlich unter Gegenbeheizung der Kühlplatten bei Temperaturführung gemäß vorbestimmten Abkühlkurven die Wärmeabfuhr erfolgt;
Lösen der Kühlplatten bei Erreichen der voreingestellten Mindesttemperatur;
Öffnen der geräteseitigen Austrittsschleusenöffnung durch den Schieber 51;
Transport des tiefgefrorenen Kunststoffbeutels 1 in die Austrittsschleuse 48;
Schließen des Schiebers 51 und damit der Austrittsschleuse 48 gegenüber dem Zweikammermanipulator;
Öffnen des Verschlusses 50;
manuelle oder mechanische Entnahme des tiefgefrorenen Beutels 1;
Schließen des Verschlusses 50;
Trocknen der in der Austrittsschleuse 48 enthaltenen Luft zur Reduzierung der Luftfeuchte in der Schleuse auf Null.

Bezugszeichenliste

1: Kunststoffbeutel
2: Kunststoffolie
3: Stetigförderer
4, 5: Kammer
6: Hohlkörper
7: Außenwand
7a: Innenwand
8: Wärmeisolierung
9: Innenseite
10, 11: Kühlplatten
12, 13: Kontaktflächen
14, 15: Flachseiten
17: Rippen
18: Beschichtung
19: Zwischenwand
20: Speiseleitung
21: Innenraum
22: Rückführungsleitung
23: Oberkante
24: Füllstandskontrolle
25: Rückführungsleitung
26: Kühlmittelsammelraum
27: Speiseleitung
28: Heißgaskanäle
29: Vorrichtung
30: Kolbenstange
31: Arbeitszylinder
32: Spalt
33: Kühler
34: Rückführungsleitung
35: Kühlmittelsammelraum
36: Speiseleitung
37: Innenraum
38: Ventil
39: Rückführungsleitung
40: Ventil
41: Zweikammermanipulator
42: Innenraum
43: Zweikammermanipulator
44: Gehäuse
45: Speiseleitung
46: Rückführungsleitung
47: Eingangsschleuse
48: Ausgangsschleuse
49: Verschluß
50: Verschluß
51: Schieber
52: Schieber
53: Innenraum
54: umlaufendes Förderorgan
55: Umlenkeinrichtung
56: Umlenkeinrichtung
57: Hilfsvorrichtung
58: Hilfsvorrichtung

Claims

Verfahren zum Gefrieren von Zellsuspensionen (1), bei dem die verpackten Zellsuspensionen zwischen Kontakhtflächen (12, 13), die auf die Temperatur eines Kältemittels gebracht sind, dadurch tiefgefroren werden, daß das Kältemittel die Wärme der verpackten Zellsuspensionen aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß ein unterkühltes Kältemittel verwendet wird, das die Wärme der verpackten Zellsuspensionen (1) im noch nicht siedenden Zustand aufnimmt, und daß das Verfahren so geführt wird, daß die bei einsetzendem Blasensieden entstehenden Kältemittelblasen im wesentlichen ohne Nettodampfbildung im Kältemittel rekondensiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter Berücksichtigung der Wärmekapazität der Kontaktflächen die Dicke der verpackten Zellsuspension zwischen den Kontaktflächen so gewählt wird, daß eine maximale Kühlrate eintritt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der verpackten Zellsuspensionen (1) zwischen den Kontaktflächen (12, 13) einer gegebenen Kühlrate angepaßt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübergang von dem Kältemittel auf die Kontaktflächen durch Vergrößerung der kältemittelseitigen Wärmeübergangsflächen optimiert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel im flüssigen Zustand im Kreislauf zwangsgeführt wird, wobei eine Unterkühlung des Kältemittels vorgesehen ist, deren Kälteleistung derart auf die Fördermenge des Kältemittelkreislaufes abgestimmt ist, daß das Kältemittel gegen Ende des Einfriervorganges seine Siedetemperatur nicht erreicht.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (12, 13) zur Vergrößerung ihrer Wärmeleitfähigkeit mit einer geringen Oberflächenrauhigkeit versehen werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer vergrößerten kältemittelseitigen Oberfläche der Kontaktflächenkeime für das Auslösen des Blasensiedens zur Verfügung gestellt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verpackungen mit der eingeschlossenen Zellsuspension einzeln zwischen den Kontaktflächen eingeschlossen, durch Pressen auf eine gleichmäßige Schichtdicke gebracht und nach Erreichen einer vorgegebenen Mindesttemperatur freigegeben werden, worauf die Kontaktflächen für einen erneuten Einfriervorgang freigegeben werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche mit zwei von einem Kältemittel durchflossenen Kühlkammern (4, 5), deren einander zugekehrte Seiten als Kontaktflächen (12, 13) dienen und einen Spalt (32) begrenzen, in den eine verpackte Zellsuspension (1) ragt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Zweikammermanipulator (29, 41, 43) aufweist, dessen Kammern (4, 5) auf ihren einander zugekehrten Außenseiten im wesentlichen senkrecht angeordnete Kühlplatten (10, 11) aufweisen, deren einander zugekehrte Seiten die Kontaktflächen (12, 13) bilden und den Spalt (32) begrenzen, in den jeweils die verpackte Zellsuspension (1) ragt, welche über dem Spalt (32) aufgehängt ist, wobei die Kühlkammern (4, 5) mit einem Unterkühler (33) des Kältemittels zusammenwirken, der das Kältemittel unter seine Siedetemperatur abkühlt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlplatten (10, 11) die Innenseiten (9) der Kammern (4, 5) begrenzen, wobei das unter seine Siedetemperatur abgekühlte Kältemittel durch eine Speiseleitung (27, 36) aus dem Unterkühler (33) der Kammern (4, 5) in unmittelbarer Nähe der Kühlplatten (10, 11) zugeführt wird und über ein bis zur Oberkante der Kontaktflächen (12, 13) jeder Kühlkammer (4, 5) reichendes Wehr (19) steigt, hinter dem das Kältemittel den Gegenstrom bis zu einer Abströmleitung (25, 34) absteigt, die zum Eingang des Unterkühlers (33) führt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die identisch ausgebildeten Kammern (4, 5) eine Kaltgase abführende Leitung (29, 39, 40) und eine zusätzliche Speiseleitung (37) aufweisen, durch die Kühlmittel zum Ersatz von Verdampfungsverlusten einschleusbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlplatten auf ihrer von dem flüssigen Kältemittel angeströmten Kammerinnenseite (9) einen gesteigerten Wärmeemissionsgrad durch Metallrippen (16) und/oder einen Überzug aus mikroporösem Werkstoff (18), der die von dem Kältemittel angeströmte Kühlplattenflächen (9) wenigstens teilweise überdeckt oder durch Eloxierung oder Schwarzfärbung aufweisen.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (12, 13) der Kühlplatten (10, 11) mit einem glättenden, korrosionsgeschützten, gut wärmeleitenden Überzug versehen sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweikammermanipulator (29) als Backenpresse für flexibel verpackte Zellsuspensionen (9) ausgebildet ist, dessen Backenspalt (32) im geschlossenen Zustand auf eine gleichmäßige Dicke der verpackten Zellsuspension eingestellt ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (12, 13) eben oder der Form der gefüllten Verpackungen (9) der Zellstoffsuspension durch sphärische Krümmungen angepaßt sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (12, 13) zur Steuerung der Abkühlrate beheizbar sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Abkühlrate in den Kühlplatten (10, 11) heißgasdurchströmte Kanäle (28) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlplatten (10, 11) mit einer Elektroheizung versehen sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweikammermanipulator (29) in einem thermisch isolierten Gehäuse (44) eingeschlossen ist, welches für das Einbringen und Entnehmen der verpackten Zellstoffsuspensionen Schleusen (47, 48) aufweist, die welchselseitig zu öffnen und zu verschließen sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für das Ein- und Ausschleusen ein Stetigförderer (3) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Vorrichtung zur Reduzierung der Luftfeuchtigkeit in den Schleusenkammern (47, 48) vorgesehen ist, die mit dem Öffnen und Schließen der Schleusen synchronisiert ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von Bewegungsenergie zu der Kammer (4, 5) des Zweikammermanipulators (29, 41, 49) zwischen aufeinanderfolgenden Gefriervorgängen einen Leerhub ausführt, bei dem die Kontaktflächen (12, 13) bis zur gegenseitigen Berührung einander angenähert werden.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (12, 13) zwischen aufeinanderfolgenden Gefriervorgängen selbsttätig auf Raumtemperatur beheizbar sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Gegenheizung eine zwischen die Kontaktflächen (12, 13) einbringbare Heizplatte dient.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Manipulator (29, 41, 43) eine feststehende Kammer (4) und eine zum Öffnen und Schließen des Spaltes (32) der Kontaktflächen dienende bewegliche Kammer (5) aufweist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelkreislauf durch parallele Leitungszweige (20, 36) aus einer gemeinsamen Speiseleitung (45) in die inneren Räume (37) der Kammern (4, 5) und durch eine Pumpe M durch Leitungszweige (25, 34) in eine zum Unterkühler (33) führende Leitung (46) führt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisung des unterkühlten Kältemittels aus seiner Kammer (4) unmittelbar in die andere Kammer (5) erfolgt und die Kühlmittelverdampfungsverluste durch zwei Leitungen (29, 39) aus den Kammern (4, 5) abführbar sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Programmsteuerung aufweist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte der Programmsteuerung beim Einfrieren von in flexible Kunststofffolien (2) verpackten Zellstoffsuspensionen:

1. Öffnen der Eintrittsschleuse (47) durch Knopfdruck von außen;

2. Manuelles Befestigen des Beutels (1) am Stetigförderer (3);

3. Schließen des Verschlusses (49) der Eintrittsschleuse (47) auf Knopfdruck und Starten des Tiefkühlprogrammes für die nachfolgend automatisch ablaufenden Schritte;

4. Trocknen der Eintrittsschleuse durch Klimatisierung zur Reduzierung der Luftfeuchte in der Eintrittsschleuse (47) auf Null;

5. Öffnen des Schiebers (52) zum Zweikammermanipulator (43);

6. Transport des Beutels aus der Eintrittsschleuse (47);

7. Schließen des Schiebers (52) und damit der Eintrittsschleuse (47);

8. Ausrichtung des Beutels (1) zwischen den Kühlplatten (10, 11);

9. Anpressen der Kühlplatten auf den voreingestellten Anpreßdruck;

10. Wärmeabfuhr aus dem Gefriergut (Abkühlen und Gefrieren der Zellstoffsuspension)

a) unter Ausnutzung des maximal ausführbaren Wärmestroms durch Behälter (7) auf der Kältemittelseite der Kühlplatten (10, 11),

b) wo erforderlich unter Gegenbeheizung der Kühlplatten bei Temperaturführung gemäß vorbestimmter Abkühlkurven;

11. Lösen der Kühlplatten (10, 11) bei Erreichen der voreingestellten Mindesttemperatur;

12. Öffnen des Schiebers zur Austrittsschleuse (48);

13. Transport des Beutels (1) in die Austrittsschleuse (48);

14. Schließen des Schiebers (51) der Austrittsschleuse (48);

15. Öffnen des Verschlusses (50) der Austrittsschleuse (48);

16. Manuelles oder mechanisches Entnehmen des Beutels (1) aus der Austrittsschleuse (48);

17. Schließen des Verschlusses (50) der Austrittsschleuse (48);

18. Trocknen der Austrittsschleuse (48) durch Klimatisierungsreduzierung der Luftfeuchte in der Austrittsschleuse (48) auf Null.