EP0897517B1 - Process and device for freezing of cell suspensions - Google Patents
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- EP0897517B1 EP0897517B1 EP97923876A EP97923876A EP0897517B1 EP 0897517 B1 EP0897517 B1 EP 0897517B1 EP 97923876 A EP97923876 A EP 97923876A EP 97923876 A EP97923876 A EP 97923876A EP 0897517 B1 EP0897517 B1 EP 0897517B1
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- refrigerant
- cooling
- contact surfaces
- chamber
- chambers
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F25D31/00—Other cooling or freezing apparatus
- F25D31/001—Plate freezers
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F25D3/00—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies
- F25D3/10—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies using liquefied gases, e.g. liquid air
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F25D2400/00—General features of, or devices for refrigerators, cold rooms, ice-boxes, or for cooling or freezing apparatus not covered by any other subclass
- F25D2400/30—Quick freezing
Definitions
- the invention relates to a method for freezing cell suspensions as well an apparatus for performing this method.
- the invention relates in particular to human cell suspensions and will described in more detail below with reference to such substrates, although the invention is also applicable to cell suspensions of other origins.
- These suspensions contain living cells, which are usually human blood.
- the aim of the method according to the invention in such embodiments is to freeze such cell suspensions so deeply that on the one hand as possible many vital cells are preserved and on the other hand to avoid their use from preserved blood if necessary to a person's own blood can be used.
- the flat elastic bag becomes an essentially homogeneous plate shape achieved so that on the one hand a large surface / volume ratio is achieved and on the other hand geometric inhomogeneities such as folds or Bulges are avoided, so that an improved heat transfer is achieved is, but at the same time an uncontrolled cooling by geometric Inhomogeneities of the flat bag can be reliably prevented.
- the flat bag to be pressed into a thin, homogeneous plate shape frozen content, which in turn saves space and one rapid reheating permitted if necessary.
- Serve as pressing tools plane-parallel plates, their mutually facing surfaces as cooling surfaces serve that act on the flat sides of the flat container when the press is closed.
- the plate sides opposite the cooling surfaces act directly after immersing the press in the container liquid refrigerant.
- a mechanical system of the press ensures that the pressing pressure Maintain during freezing until the flat bag is removed becomes.
- FR 2 632 391 describes a method for freezing Cell suspensions are known, in which the in a packaging enclosed cell suspensions between contact areas, which are brought to a low temperature, thereby be frozen that the refrigerant packaged the heat Absorbs cell suspensions. From the document mentioned however, no measures are evident by means of which achieved a particularly high and controlled cooling rate could be. In particular, the use of a supercooled Refrigerant not disclosed.
- an object of the invention is a To provide procedures in which one is simple Way controllable and - if desired - very high cooling rate can be achieved, and this under Use of a supercooled refrigerant.
- a device for Implementation of the method described above is known with cooling plates through which a refrigerant flows facing sides serve as contact areas and one Limit the gap in each of which is a cell suspension protrudes.
- the known device has no measures to improve the cooling capacity or the cooling capacity control as well as for easier handling.
- Another object of the present invention is accordingly therein a device for performing the invention Provide process in which the cooling capacity and their control and manageability improved are.
- the invention now takes advantage of the fact that in a band of cooling rates a flat maximum of cell recovery between 150 and about 350 K / min (cell recovery) occurs. It takes into account that the cell survival rate at too high cooling rate decreases again.
- the design is therefore in accordance with the invention the method and a device operating according to this always a special one Cooling process adapted.
- the frozen goods in which one generally assume can only have one type and size of cell suspensions in bags should be frozen (e.g. either erythrocytes or stem cells or Platelets or leukocytes etc.), which are already at the low for the cooling rate bring brought necessary temperature brought contact surfaces, so that only the individually present frozen food with its content of cell suspension needs to be cooled.
- the coolant is supercooled and that Process is carried out so that it is the heat from the frozen goods until boiling picks up over the contact areas, bubbles form in the process Refrigerants which, however, collapse again when they rise in the refrigerant, i.e. recondense.
- the method according to the invention therefore leads to the absorption of heat from the frozen food on the coolant side of the contact surfaces for net vapor formation from the coolant.
- This new process is compared to the devices that use the flexible frozen food clamp and then immerse in containers with liquid refrigerant, considerably more economical because in particular the repeated cooling and heating the bag chucks and all others with Disadvantages associated with diving the frozen goods are eliminated.
- the new process also enables optimal cooling rates for a maximum Yield of living cells is a prerequisite. This is a consequence of the high Cooling rate, which is a complete removal of the enthalpy of the frozen food and the Flow in the refrigerant during the cooling process allows through the described bubble formation and bubble recondensation occurs in the refrigerant.
- the inventive method the heat transfer from the frozen goods on the contact surfaces and from these to the refrigerant with a high cooling rate enables without the cooling according to an exact cooling protocol needs to be carried out, but also within the framework of the procedure
- the procedure can be carried out at its practical level Usable according to the type of frozen food and according to dimensions of the contact surface to be matched to the cooling rate. Frequently, i.e. especially in the preferably for the invention into consideration upcoming cooling of blood supplies in flexible plastic bags then both the cooling rates and the sizes of the contact areas given. If the method according to the invention is then used, the result is a significantly higher cooling rate than previously.
- the heat transfer can also in optimize the other direction by changing the thickness of the frozen food between the contact areas increased and thereby higher cooling rates, which the invention enables, for this purpose, the previously experimentally determined cooling rates nevertheless to adhere to or even enlarge.
- the cooling rate can be increased because this dissipates larger amounts of heat from the frozen goods into the refrigerant become.
- This can include can be achieved with the features of claim 6.
- the heat transfer into the freezing agent can also be improved, which among other things. is made possible with the features of claim 7.
- the process according to the invention is used on an industrial scale, it also offers the advantage of optimal use of the refrigerant.
- the procedure to be carried out according to claim 5 then in such a way that that of the refrigerant over the contact surfaces Amounts of heat absorbed from the circulating refrigerant be removed by hypothermia before the refrigerant hits the contact surfaces acted upon again.
- Such, essentially closed The coolant circuit then only needs to replace small amounts of refrigerant, which can arise from inevitable losses in the circuit.
- the embodiment of the invention is also suitable for the industrial scale Procedure, as this is the heat of the frozen food and the subsequent installation of the contact surfaces on the in flexible packaging located frozen food uses an even, wrinkle-free deformation of the frozen food to a constant, even layer thickness between to reach the contact areas. This is one of the prerequisites for one even deep-freeze with the highest possible proportion living cell substance after thawing.
- the frozen goods consist of a cell suspension, which is packed in flexible plastic bags 1.
- These bags are by packaging in a plastic film 2 as packaging material without Loss of their tightness deformable and take on their suspension a movable conveyor of a continuous conveyor 3, as in the illustration above 2 shows a teardrop shape in the vertical cross section, because the cell suspension is liquid. Freezing takes place between contact surfaces of chambers 4, 5, the mode of operation of which is explained in detail below becomes.
- the two chambers are essentially the same design and are first described in more detail with reference to the details shown in FIG. 4.
- each chamber 4, 5 is essentially a hollow body 6 semi-cylindrical shape with a rigid outer wall 7, an inner heat-insulating lining 8 and an inner lining 7a.
- each chamber 4, 5 has a flat inside 9. This is closed with a flat cooling plate 10, 11.
- Fig. 2 Device serve the opposite outer sides of the cooling plates as contact surfaces 12, 13.
- each cooling plate 10, 11 is ribbed on the inside.
- the cooling plates are with the inner molded body walls 7a of the chambers screwed and also point in the rib bases 17 a coating 18, which consists of a microporous material.
- the heat transfer surfaces are enlarged further their flow of liquid from the chamber inside 9 Degree of heat transfer increased, and also on the coolant side Contact surfaces 12, 13 germs for the bubble boiling of the coolant are available be put.
- the degree of heat emission are not shown increase in a different way, for example by Surfaces anodized to coolant or color them black.
- the contact surfaces 12, 13 of the cooling plates 10, 11 are good heat conductors executed.
- FIG. 1 Further details of the construction of the chamber are shown in FIG. 1 in Connection with FIGS. 2 and 3. Then everyone is in the interior Chamber an intermediate wall 19 which is substantially up to the height of the contact surfaces or the measures on the cooling surfaces sufficient to enlarge of the heat emissivity can be taken.
- an intermediate wall 19 which is substantially up to the height of the contact surfaces or the measures on the cooling surfaces sufficient to enlarge of the heat emissivity can be taken.
- a coating 18 made of microporous Material.
- the partition divides an isolated, the refrigerant supply line 20 in the chamber from a space 21, into which the supercooled coolant flows and the associated contact surfaces 12, 13 at the correspondingly low temperature before touching enters with the plastic bag. If this is the case, a bubble boil sets in a, the schematic in the lower part of FIG. 2 with the gas bubbles formed is shown.
- the embodiment of FIG. 1 has the advantage that the cooling rate is also controlled by adding heat to the contact surfaces can be used even though a supercooled coolant is used.
- the contact area 12 can therefore be brought to a higher temperature if necessary.
- It also has a cooling plate which, like the cooling plate 6 shown, has a comparative character has large mass due to its wall thickness, an additional Heat storage capacity that the temperature increase of the cooling plate during freezing of the refrigerated goods.
- the chambers 4, 5 and their individual parts described above are part of one Device (Fig. 5) with which flexible plastic bags in large numbers and especially on an industrial scale, rationally using the described method manipulated to freeze them.
- the manipulator shown serves this purpose 29, the two chambers 4, 5 combined, which are arranged so that their Cooling plates 10, 11 are vertical, so that the contact surfaces 12, 13 in are arranged substantially vertically.
- the chamber 4 is stationary, while the chamber 5 perpendicular to the contact plate 12 using the piston rod 30 of a double-acting working cylinder and a lever gear in is movable in two positions.
- a gap opens in the position shown 32, in which the plastic bag to be frozen finds 1 place. In the other Position closes the gap 32.
- This Position moves the movable chamber 5 after retracting the piston rod 30 in the working cylinder 31.
- the packaged frozen food already has the required layer thickness when inserted into the gap 32, so that from the Share 30 and 31 existing chamber drive only for creating the Contact surfaces 12, 13 to the frozen goods.
- the coolant is circulated through the chambers and a cooler 33, which cools the already liquid refrigerant.
- a pump M promotes the heated Coolant using parallel return lines from the coolant side Compartments 26 and 35 in the cooler 33, from which the supercooled Coolant through parallel feed lines 20 and 36 into the interiors 21 and 37 of the chambers is promoted.
- the fill level control 24 controls a valve 38, which controls the supply of coolant to compensate for coolant loss.
- the coolant is controlled by the fill level control 24 by a Valve 38, which the supply of coolant to balance Coolant loss replaced.
- the coolant vapors pass through parallel Return lines 22 and 39 in a manifold 40, which also is valve-controlled and corresponds functionally to a line 41 which gasifies Coolant discharges from the cooler 33.
- Hoses as line connections between the two chambers allow their relative movement due to their flexibility perpendicular to the main surfaces of the frozen goods.
- the embodiment of a two-chamber manipulator 41 differs from the manipulator designed for larger outputs 29 of FIG. 5 by a simplified management of the coolant for a common feed line 20 in the one-piece interior 43 of the fixed Chamber 4 leads, which in turn via its return line 25 initially connected to the movable chamber 5 or its feed line 36 is.
- the fill level control 24 controls the inflow of the coolant into both Chambers 4, 5, from which only the coolant vapors via the return lines 22 and 39 deducted and replaced by the valve 37 from the feed line become.
- FIG. 7 shows the two-chamber manipulation 43 in a thermally insulated housing 44, which also the continuous conveyor 3rd completely encloses, only necessary for the cooling chamber circuit Lines 45 for feeding the coolant, 46 for return to the subcooler 33 and out to replace the evaporated coolant at 37 are. In this way an optimal use of energy is achieved.
- an entrance lock 47 and an exit gate 48 is provided.
- Locks 49 and 50 are provided while accessing the bicameral manipulator 43 realized by mutually operated sliders 51 and 52 is.
- the continuous conveyor leads out of the closable with the slides 51 and 52 Interior 53 of the thermally insulated housing 44 into the two lock chambers 47 and 48 and has a rotating conveyor element 54 with a drive and a deflection device 55, 56 and auxiliary guides 57 and 58, which the slip of the conveyor on the drive and deflection devices Avoid 55 and 56 by increasing the wrap angle so that the rotating conveyor can be a rope or chain conveyor on which the Plastic bag 1 can be attached.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gefrieren von Zellsuspensionen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for freezing cell suspensions as well an apparatus for performing this method.
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.The invention relates in particular to human cell suspensions and will described in more detail below with reference to such substrates, although the invention is also applicable to cell suspensions of other origins. These suspensions contain living cells, which are usually human blood. The aim of the method according to the invention in such embodiments is to freeze such cell suspensions so deeply that on the one hand as possible many vital cells are preserved and on the other hand to avoid their use from preserved blood if necessary to a person's own blood can be used.
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. It is already known (DE 29 29 278 C2), cell suspensions of the type mentioned by freezing that from components of human blood and an antifreezing agent existing cell suspensions, which in certain Volumes of the frozen goods in preferably flexible plastic bags form, introduces into a chamber and in this according to a predetermined temperature / time function frozen. The prior art assumes that in such suspensions, a functional relationship between the relevant Cooling rate and the proportion of after thawing in the suspension still contains vital cells, so it depends on one before Comply with the cooling rate determined over time as closely as possible. In devices, the extremely high ones, however, are supposed to work according to this procedure Cooling rates pose significant difficulties, which leads to that except on a laboratory scale larger volumes as they are treated on an industrial scale should not be able to be frozen or not be optimally frozen.
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.In fact, such processes have so far been technically so (DE 44 37 091 A1) carried out that one in aqueous solution mostly with the addition of an anti-freeze additive cell substance contained in suspended form with their Flat bags made of low-temperature resistant plastic in a closed Container or an open jig and then into one Container immerses the freezer for freezing, preferably liquid Nitrogen. The container or the jig make a first approximation a press because it holds the flat bag between its lids or clamp between plates using a mechanical gear. Thereby the flat elastic bag becomes an essentially homogeneous plate shape achieved so that on the one hand a large surface / volume ratio is achieved and on the other hand geometric inhomogeneities such as folds or Bulges are avoided, so that an improved heat transfer is achieved is, but at the same time an uncontrolled cooling by geometric Inhomogeneities of the flat bag can be reliably prevented. In addition allows the flat bag to be pressed into a thin, homogeneous plate shape frozen content, which in turn saves space and one rapid reheating permitted if necessary. Serve as pressing tools plane-parallel plates, their mutually facing surfaces as cooling surfaces serve that act on the flat sides of the flat container when the press is closed. The plate sides opposite the cooling surfaces act directly after immersing the press in the container liquid refrigerant. A mechanical system of the press ensures that the pressing pressure Maintain during freezing until the flat bag is removed becomes.
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.These known freezers for suspensions of living cells in practice, however, lead to some difficulties. The combination of the Flat bag press with a container containing the liquid refrigerant assumes that this is for immersion and removal from the refrigerant is open. Since the refrigerant is usually liquid If nitrogen is involved, risks arise. They result from the possible Nitrogen overload in the room air and from the risk of injury from unwanted Skin contact on cold surfaces and liquids.
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. In addition, the services are performed with such presses Freezing process and thus the degree of utilization of the modules described of the known freezers insufficient. Because of that their use is limited to the laboratory scale, the operating costs considerably. They do not only result from the inevitable with the diving process associated evaporation losses on refrigerant and the only limited possible thermal insulation to avoid energy losses. This Difficulties also lead to the use of supercooled refrigerant, especially excluded from supercooled liquid nitrogen, though this improves the heat transfer under certain boundary conditions could be achieved on the frozen goods.
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.In contrast, an object of the invention is a To provide procedures in which one is simple Way controllable and - if desired - very high cooling rate can be achieved, and this under Use of a supercooled refrigerant.
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.From
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. Another object of the present invention is accordingly therein a device for performing the invention Provide process in which the cooling capacity and their control and manageability improved are.
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.On the one hand, the tasks mentioned are solved with a
Method according to the subject matter of
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. Furthermore, to solve the above-mentioned
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: In the cryopreservation of human red blood cells with hydroxyethyl starch as an anti-freeze additive, the invention proceeds from the relationship between the mean cooling rate B during freezing and cell recovery S (= stability of the thawed cells in isotonic saline solution), as determined experimentally:
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.The invention now takes advantage of the fact that in a band of cooling rates a flat maximum of cell recovery between 150 and about 350 K / min (cell recovery) occurs. It takes into account that the cell survival rate at too high cooling rate decreases again. The design is therefore in accordance with the invention the method and a device operating according to this always a special one Cooling process adapted. Although in the literature for conservation individual cell types cooling protocols according to the status described at the beginning the technology published is generally not the cooling process, but only the cooling rate to be set is important. Erythrocytes require high cooling rates, temperature control according to a special freezing protocol is not required in the preservation process.
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.According to the invention as set out in
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.This new process is compared to the devices that use the flexible frozen food clamp and then immerse in containers with liquid refrigerant, considerably more economical because in particular the repeated cooling and heating the bag chucks and all others with Disadvantages associated with diving the frozen goods are eliminated. The new process also enables optimal cooling rates for a maximum Yield of living cells is a prerequisite. This is a consequence of the high Cooling rate, which is a complete removal of the enthalpy of the frozen food and the Flow in the refrigerant during the cooling process allows through the described bubble formation and bubble recondensation occurs in the refrigerant.
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.Since the inventive method the heat transfer from the frozen goods
on the contact surfaces and from these to the refrigerant with a high cooling rate
enables without the cooling according to an exact cooling protocol
needs to be carried out, but also within the framework of the procedure
The procedure can be carried out at its practical level
Usable according to the type of frozen food and according to
dimensions of the contact surface to be matched to the cooling rate. Frequently,
i.e. especially in the preferably for the invention into consideration
upcoming cooling of blood supplies in flexible plastic bags
then both the cooling rates and the sizes of the contact areas
given. If the method according to the invention is then used, the result is
a significantly higher cooling rate than previously.
On the other hand and according to
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.With the features of
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.If the process according to the invention is used on an industrial scale,
it also offers the advantage of optimal use of the refrigerant. In particular
enables the procedure to be carried out according to
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.The embodiment of the invention is also suitable for the industrial scale Procedure, as this is the heat of the frozen food and the subsequent installation of the contact surfaces on the in flexible packaging located frozen food uses an even, wrinkle-free deformation of the frozen food to a constant, even layer thickness between to reach the contact areas. This is one of the prerequisites for one even deep-freeze with the highest possible proportion living cell substance after thawing.
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.
- Fig. 1
- a first embodiment of a contact surface with its cooling by a liquid refrigerant, in perspective and in broken form,
- Fig. 2
- 1 shows a first embodiment of a device according to the invention in two operating phases shown one above the other, part of the device being shown in section,
- Fig. 3
- a second embodiment of the contact surfaces with their cooling, which is shown essentially in horizontal section,
- Fig. 4
- 3 at the lower edge designated there,
- Fig. 5
- a further embodiment of the invention showing the coolant circuit, the contact surfaces and the parts directly assigned to them being shown in section,
- Fig. 6
- a further embodiment of the device according to the invention, the parts of which, as shown on the left in FIG. 5, are shown, and
- Fig. 7
- a further embodiment of the invention, which is shown in plan view and partially in section.
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.2, the frozen goods consist of a cell suspension,
which is packed in
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.Thereafter, each
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. As shown for example in Fig. 4, these act on the two
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.The options deviating from this, the degree of heat emission, are not shown
increase in a different way, for example by
Surfaces anodized to coolant or color them black. On the other hand
the contact surfaces 12, 13 of the cooling
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.Further details of the construction of the chamber are shown in FIG. 1 in
Connection with FIGS. 2 and 3. Then everyone is in the interior
Chamber an
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.While in the embodiment of the device according to the
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.The
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.The coolant is circulated through the chambers and a cooler 33,
which cools the already liquid refrigerant. A pump M promotes the heated
Coolant using parallel return lines from the coolant side
Compartments 26 and 35 in the cooler 33, from which the supercooled
Coolant through
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.The coolant is controlled by the
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.The embodiment of a two-
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.The embodiment according to FIG. 7 shows the two-
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.In this embodiment, the insertion and removal of the
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.
- Opening the
entrance lock 47, which can be triggered by pressing a button; - Inserting the bag with the
closure 49 open; - Closing the
shutter 49 by pressing a button, whereupon the program for the subsequent automatic steps is triggered; - Drying the air contained in the
entrance lock 47 through an air conditioning step to reduce the air humidity in the lock to zero; - Opening the
slide 52, ie access to the two-chamber manipulator; - Transport of the
plastic bag 1 from theentrance lock 47 into the two-chamber manipulator; - Closing the
slide 52 and thus theentrance lock 47; - Alignment of the
plastic bag 1 between the cooling plates of the two chambers; - Pressing the cooling plates in about 0.5 seconds or faster to a preset contact pressure on the flat sides of the
bag 14 and 15; - Dissipation of heat from the bag to cool and freeze the pulp suspension, whereby
- a) either by utilizing the maximum dissipatable heat flow through
container 7 on the refrigerant side of the cooling plates and - b) where necessary, the heat is dissipated with counter-heating of the cooling plates with temperature control according to predetermined cooling curves;
- Loosen the cooling plates when the preset minimum temperature is reached;
- Opening the device-side outlet lock opening by the
slide 51; - Transport of the frozen
plastic bag 1 into theexit lock 48; - Closing the
slide 51 and thus theoutlet lock 48 with respect to the two-chamber manipulator; - Opening the
shutter 50; - manual or mechanical removal of the
frozen bag 1; - Closing the
shutter 50; - Drying the air contained in the
exit lock 48 to reduce the air humidity in the lock to zero.
- 11
- KunststoffbeutelPlastic bag
- 22nd
- KunststoffoliePlastic film
- 33rd
- StetigfördererContinuous conveyor
- 4, 54, 5
- Kammerchamber
- 66
- HohlkörperHollow body
- 77
- AußenwandOuter wall
- 7a7a
- InnenwandInterior wall
- 88th
- WärmeisolierungThermal insulation
- 99
- Innenseiteinside
- 10, 1110, 11
- KühlplattenCooling plates
- 12, 1312, 13
- KontaktflächenContact areas
- 14, 1514, 15
- FlachseitenFlat sides
- 1717th
- RippenRibs
- 1818th
- BeschichtungCoating
- 1919th
- ZwischenwandPartition
- 2020th
- SpeiseleitungFeed line
- 2121
- Innenrauminner space
- 2222
- RückführungsleitungReturn line
- 2323
- OberkanteTop edge
- 2424th
- FüllstandskontrolleLevel control
- 2525th
- RückführungsleitungReturn line
- 2626
- KühlmittelsammelraumCoolant plenum
- 2727
- SpeiseleitungFeed line
- 2828
- HeißgaskanäleHot gas ducts
- 2929
- Vorrichtungcontraption
- 3030th
- KolbenstangePiston rod
- 3131
- ArbeitszylinderWorking cylinder
- 3232
- Spalt gap
- 3333
- Kühlercooler
- 3434
- RückführungsleitungReturn line
- 3535
- KühlmittelsammelraumCoolant plenum
- 3636
- SpeiseleitungFeed line
- 3737
- Innenrauminner space
- 3838
- VentilValve
- 3939
- RückführungsleitungReturn line
- 4040
- VentilValve
- 4141
- ZweikammermanipulatorTwo-chamber manipulator
- 4242
- Innenrauminner space
- 4343
- ZweikammermanipulatorTwo-chamber manipulator
- 4444
- Gehäusecasing
- 4545
- SpeiseleitungFeed line
- 4646
- RückführungsleitungReturn line
- 4747
- EingangsschleuseEntrance lock
- 4848
- AusgangsschleuseExit gate
- 4949
- VerschlußClosure
- 5050
- VerschlußClosure
- 5151
- SchieberSlider
- 5252
- SchieberSlider
- 5353
- Innenrauminner space
- 5454
- umlaufendes Förderorgancirculating funding body
- 5555
- UmlenkeinrichtungDeflection device
- 5656
- UmlenkeinrichtungDeflection device
- 5757
- HilfsvorrichtungAuxiliary device
- 5858
- HilfsvorrichtungAuxiliary device
Claims (29)
- Method for freezing cell suspensions (1), in that the packaged cell suspensions between contact faces (12, 13) are brought to the temperature of a refrigerant and that the suspensions are deep-frozen by the refrigerant absorbing the heat from the packaged suspensions, characterised in that a supercooled refrigerant is applied which absorbs the heat of the packaged suspensions (1) in a not yet boiling condition, and that the method is conducted in such a way that the refrigerant bubbles produced at the onset of nucleate boiling are recondensed in the refrigerant substantially without net vapour formation.
- Method according to Claim 1, characterised in that, while taking account of the heat capacity of the contact surfaces, the thickness of the packaged cell suspension between the contact surfaces is selected in such a way that a maximum cooling rate occurs.
- Method according to Claim 1, characterised in that the thickness of the packaged cell suspension (1) between the contact surfaces (12, 13) is chosen for a given cooling rate.
- Method according to any one of the preceding claims, characterised in that the heat transfer from the refrigerant to the contact surfaces is optimised by increasing the heat transfer surfaces on the refrigerant side.
- Method according to any one of the preceding claims, characterised in that the refrigerant undergoes forced circulation in the liquid state in the circuit, a system for supercooling the refrigerant being provided whose cooling power is matched to the delivery capacity of the refrigerant circuit in such a way that, towards the end of the freezing process, the refrigerant does not reach its boiling temperature.
- Method according to any one of the preceding claims, characterised in that, in order to increase their thermal conductivity, the contact surfaces (12, 13) are provided with minor surface roughness.
- Method according to any one of the preceding claims, characterised in that on the contact-surfaces nucleation sites for initiating the nucleate boiling are made available with the aid of an increased surface area on the refrigerant side.
- Method according to any one of the preceding claims, characterised in that the packages with the cell suspension which they contain are placed individually between the contact surfaces, brought to a uniform thickness by pressure and released after a predetermined minimum temperature has been reached, upon which the contact surfaces are released for a new freezing process.
- Device for carrying out the method according to any one of the preceding claims with two cooling chambers (4, 5) through which a refrigerant flows, whose mutually facing outer sides serve as contact surfaces (12, 13) and delimit a gap (32), into which a packaged cell suspension (1) protrudes, characterised in that the device is provided with a two-chamber manipulator (29, 41, 43), whose chambers (4, 5) have essentially perpendicularly arranged cooling plates on their mutually facing outer sides, the mutually facing sides of which serve as contact surfaces (12, 13) and delimit a gap (32) into which a packaged cell suspension (1) suspended over the gap respectively protrudes, the cooling chambers (4, 5) interacting with a supercooler (33) for the refrigerant, which cools the refrigerant to below its boiling temperature.
- Device according to Claim 9, characterised in that the cooling plates (10, 11) delimit the inner sides (9) of the chambers (4, 5), the refrigerant cooled to below its boiling temperature being fed through a feed line (27, 36) from the supercooler (33) to the chambers (4, 5) in immediate proximity to the cooling plates (10, 11) and passes over a sill (19) which extends as far as the upper edge of the contact surfaces (12, 13) of each cooling chamber (4, 5) and behind which the refrigerant passes down the counter-flow to a discharge line (25, 34) which leads to the inlet of the supercooler (33).
- Device according to any one of the preceding claims, characterised in that the identically designed chambers (4, 5) have a line which discharges cold gases (29, 39, 40) and an additional feed line (37) through which refrigerant for replacing evaporation losses can be introduced.
- Device according to any one of the preceding claims, characterised in that, on their chamber inner side (9) past which the liquid refrigerant flows, the cooling plates have an increased degree of thermal emission due to metal fins (16) and/or a coating of microporous material (18) which at least partially covers the cooling plate surfaces (9) past which the refrigerant flows, or due to anodic oxidation, or have black coloration.
- Device according to any one of the preceding claims, characterised in that the contact surfaces (12, 13) of the cooling plates (10, 11) are provided with a smooth corrosion-protected coating with high thermal conductivity.
- Device according to any one of the preceding claims, characterised in that the two-chamber manipulator (29) is designed as a jaw press for flexibly packaged cell suspensions (9), the gap (32) between, whose jaws when closed is adjusted to a uniform thickness of the packaged cell suspension.
- Device according to any one of the preceding claims, characterised in that the contact surfaces (12, 13) are flat or matched to the shape of cell material suspension by surfaces the filled packages (9) spherical curvatures.
- Device according to any one of the preceding claims, characterised in that the contact can be heated in order to control the surfaces (12, 13) cooling rate.
- Device according to any one of the preceding claims, characterised in that channels (28) through which hat gas flows, are provided in the cooling plates (10, 11) in order to provide the cooling rate.
- Device according to any one of the preceding claims, characterised in that the cooling plates (10, 11) are provided with an electrical heating system.
- Device according to any one of the preceding claims, characterised in that the two-chamber-manipulator (29) is contained in a thermally insulated housing (44) which, for introducing and withdrawing of the packaged cell material suspensions, has locks (47, 48) which are to be opened and closed alternately.
- Device according to any one of the preceding claims, characterised in that a continuous conveyor (3) is provided for introduction and extraction.
- Device according to any one of the preceding claims, characterised in that each of the lock chambers (47, 48) is provided with a device for reducing air humidity, which is synchronised with the opening and closing of the locks.
- Device according to any one of the preceding claims, characterised in that the supply of mementum to the chambers (4, 5) of the two-chamber-manipulator (29, 41, 43) between successive freezing processes achieves an unloaded excursion in which the contact surfaces (12, 13) are brought together until they touch one another.
- Device according to any one of the preceding claims, characterised in that the contact surfaces (12, 13) can be heated automatically to room temperature between successive freezing processes.
- Device according to any one of the preceding claims, characterised in that a heating plate which can be brought between the contact surfaces (12, 13) is used for compensatory heating.
- Device according to any one of the preceding claims, characterised in that the manipulator (29, 41, 43) has a stationary chamber (4) and a moveable chamber (5) used to open and close the gap (32) between the contact surfaces.
- Device according to any one of the preceding claims, characterised in that the refrigerant circuit leads through parallel line branches (20, 36) from a common feed line (45) into the internal spaces (37) of the chambers (4, 5) and, via a pump M, through line branches (25, 34) into a line (46) leading to the supercooler (33).
- Device according to any one of the preceding claims, characterised in that the supercooled refrigerant is fed from its chamber (4) directly into the other chamber (5), and the refrigerant evaporation losses can be discharged from the chambers (4, 5) through two lines (29, 39).
- Device according to any one of the preceding claims, characterised in that it has a programmed control system.
- Device according to any one of the preceding claims, characterised by the following steps in the programmed control during the freezing of cell material suspensions packaged in flexible plastic sheets (2):1. Opening the inlet lock (47) by external button depression;2. Manually fastening the bag (1) to the continuous conveyor (3);3. Closing the seal (49) of the inlet lock (47) by button depression and starting the deep-freezing programme for the steps which subsequently take place automatically;4. Drying the inlet lock (47) using air conditioning to reduce the air humidity in the inlet lock to zero;5. Opening the slider (52) leading to the two-chamber-manipulator (43);6. Transporting the bag out of the inlet lock (47);7. Closing the slider lock (52);8. Aligning the bag (1) between the cooling plates (10, 11);9. Exerting the pre-set application pressure on the cooling plates;10. Withdrawing heat from the item to be frozen (cooling and freezing the cell material suspension)a) by utilising the maximum achievable heat flow through the container (7) on the refrigerant side of the cooling plates (10, 11);b) when necessary, with compensatory heating of the cooling plates for temperature control according to predetermined cooling curves;11. Releasing the cooling plates (10, 11) when the pre-set minimum temperature is reached;12. Opening the slider leading to the outlet lock (48);13. Transporting the bag (1) into the outlet lock (48);14. Closing the slider (51) of the outlet lock (48);15. Opening the seal (50) of the outlet lock (48),16. Manually or mechanically withdrawing the bag (1) from the outlet lock (48);17. Closing the seal (50) of the outlet lock (48);18. Drying the outlet lock (48) by air-conditioned reduction of the air humidity in the outlet lock to zero.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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