ITPO20080019A1 - Dispositivo e metodo per la sterilizzazione di azoto liquido in fase liquida mediante radiazione ultravioletta - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

annessa a domanda di brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:

"DISPOSITIVO E METODO PER LA STERILIZZAZIONE DI AZOTO IN FASE LIQUIDA MEDIANTE RADIAZIONE ULTRAVIOLETTA"

La presente invenzione ha per oggetto un dispositivo per la sterilizzazione rapida di azoto allo stato liquido, del tipo utilizzato ad esempio nelle tecniche di crioconservazione di materiale biologico, di crioterapia e nelle procedure di criogastronomia.

Come à ̈ noto, l’azoto allo stato liquido si ottiene per compressione dell’azoto gassoso, molto comune in natura (compone il 79% dell'atmosfera terreste) e che ha un punto di ebollizione molto basso, a -195,82 °C.

Nelle sue applicazioni pratiche, l’azoto liquido viene liberato assorbendo grandi quantità di calore in fase di evaporazione e può così essere efficacemente utilizzato come refrigerante.

Nonostante che l’azoto liquido presenti un basso particolato ed un basso contenuto microbico (in natura sono pochi i microrganismi che sopravvivono a temperature dell’ordine di -195 °C) esiste allo stato attuale il problema di garantire una effettiva sterilità dell’azoto, anche in considerazione delle applicazioni critiche sotto questo punto di vista (ambiente medicale, industria alimentare).

Ad oggi, esistono dei metodi per ottenere azoto liquido sterile al momento della produzione e le aziende che forniscono azoto liquido possono certificare il tipo di purezza dell’azoto liquido fornito. Tuttavia, data la particolare composizione di questo liquido, non à ̈ possibile sigillare i contenitori per il trasporto, e per questo motivo non à ̈ possibile garantire e certificare la sterilità dell’azoto liquido prima dell’impiego da parte dell’utilizzatore finale.

L’azoto liquido infatti viene trasportato dal produttore al consumatore finale (ospedale, laboratorio di criobiologia, centro medico, ecc.) solitamente utilizzando contenitori pressurizzati e viene depositato in specifici criocontenitori che possono essere di varie dimensioni e contenere da pochi litri fino ad vari ettolitri. Spesso tra il produttore di azoto ed il consumatore finale intervengono numerosi intermediari (fornitori di gas in subappalto e/o trasportatori) che espongono ulteriormente la filiera dell’azoto liquido al rischio di contaminazione (travasi dell’azoto in numerosi criocontenitori per il trasporto).

Inoltre, l’azoto può contaminarsi nello stesso ospedale, laboratorio o studio medico in cui si trova il criocontenitore in caso di erronee procedure di sanitizzazione o di sicurezza nella manipolazione di materiale biologico potenzialmente infetto.

Allo stato attuale à ̈ noto l’impiego di radiazioni ultraviolette per la sterilizzazione di materiale chirurgico, di superfici, dell’acqua o altri liquidi.

In particolare l’impiego di radiazioni ultraviolette per la sterilizzazione dei liquidi in genere à ̈ stato descritto nella pubblicazione di brevetto italiano IT1123509, che illustra un collettore d’entrata ed un collettore di convogliamento che sottopongono il liquido ad una pressione costante.

Tuttavia, le caratteristiche di questa soluzione sono applicabili al settore degli impianti per la sterilizzazione di liquidi di composizione simile all’acqua e difficilmente attuabili con un liquido a rapida evaporazione come l’azoto liquido. Il brevetto US2044279 descrive un metodo per la sterilizzazione dell’anidride carbonica mediante radiazione ultravioletta.

Il brevetto US4620962 riguarda la sterilizzazione specificatamente dell’azoto liquido, ma prevede l’ultrafiltrazione e l’irradiamento mediante raggi UV dell’ azoto allo stato gassoso che si ottiene per evaporazione dell’azoto liquido e la successiva compressione dello stesso gas per riportare l’azoto allo stato liquido. E’ pertanto una soluzione complessa e che comunque non prevede una sterilizzazione diretta dell’azoto nella fase liquida.

Di conseguenza, la tecnica nota lascia irrisolto il problema tecnico della contaminazione microbica e virale di campioni biologici stoccati in azoto liquido che sia dovuta ad altri campioni crioconservati nello stesso criocontenitore o allo stesso azoto liquido.

E’ quindi possibile che l’azoto contaminato infetti un campione biologico quando viene a diretto contatto con esso, ad esempio nel caso di congelamento di cellule o tessuti o nel caso di campioni crioconservati in sacche, o altri dispositivi non accuratamente sigillati o danneggiati. Inoltre l’azoto contaminato può venire a diretto contatto con lesioni della pelle durante trattamenti di crioterapia ed infettare direttamente il paziente.

E’ quindi sentita l’esigenza di disporre di un dispositivo e di un metodo di sterilizzazione che consenta di sterilizzare l’azoto in fase liquida immediatamente prima dell’evaporazione.

La presente invenzione trova pertanto applicazione nei settori laboratoristici, medici e gastronomici in cui sia necessario sterilizzare l’azoto liquido immediatamente prima dell’impiego del liquido criogenico. In particolare la presente invenzione finalizzata a sterilizzare rapidamente l’azoto direttamente nel suo stato liquido immediatamente prima dell’impiego, a titolo di esempio, nei seguenti campi:

a) Crioconservazione

Per la sterilizzazione dell’azoto liquido che viene usato per riempire gli appositi criocontenitori (Dewars) per la crioconservazione e lo stoccaggio a lungo termine di cellule e tessuti, anche umani. Per la sterilizzazione dell’azoto liquido impiegato nelle tecniche di raffreddamento ultrarapido delle cellule, in particolare in quelle metodiche in cui l’azoto entra direttamente in contatto con le cellule (vitrificazione con sistema aperto). Per la sterilizzazione di azoto liquido impiegato per crioconservare organi destinati ad un trapianto.

b) Crioterapia

Per la sterilizazione dell’azoto allo stato liquido da impiegare in trattamenti medici: tecniche di crioterapia (per esempio in proctologia o dermatologia). c) Criogastronomia

Per la sterilizzazione dell’azoto liquido da impiegare nelle preparazioni culinarie (criogastronomia o cucina molecolare): à ̈ sempre più diffusa la preparazione di pietanze (per esempio vitrificazione dell’olio d’oliva o del gelato istantaneo) mediante l’immersione diretta dell’alimento in azoto liquido.

Un primo scopo dell’invenzione à ̈ pertanto quello di proporre un metodo di sterilizzazione di azoto che offra la massima garanzia di sterilità dell’azoto in fase liquida all’interno di un contenitore.

A tale scopo si à ̈ pervenuti con un dispositivo ed un metodo di sterilizzazione mediante irradiazione con radiazioni ultraviolette secondo le rivendicazioni principali allegate.

Un primo vantaggio dell’invenzione à ̈ pertanto costituito dalla possibilità di garantire la sterilità del gas prodotto in modo affidabile e relativamente economico rispetto allo stato della tecnica.

Ulteriori scopi e vantaggi tecnici sono ottenuti con un metodo ed un apparato secondo le rivendicazioni secondarie.

In particolare si à ̈ trovato possibile ottenere il congelamento rapido di materiale biologico con elevata sicurezza di sterilità.

Un ancora ulteriore vantaggio à ̈ la possibilità di applicare il dispositivo a contenitori di tipo comunemente in commercio.

Questi ed ulteriori vantaggi saranno meglio compresi da ogni tecnico del ramo dalla descrizione che segue e dagli annessi disegni, dati quale esempio non limitativo, nei quali:

- la fig. 1 mostra uno schema elettrico per il controllo di un dispositivo secondo l’invenzione;

- la fig.2 mostra un dispositivo secondo l’invenzione applicato ad un coperchio di chiusura per contenitori di azoto liquido;

- le figg. 3 e 4 mostrano rispettivamente un coperchio ed una vasca per congelamento di materiale biologico secondo l’invenzione;

- la fig. 5 mostra schematicamente un esempio di contenitori commerciali ai quali poter applicare un dispositivo secondo l’invenzione.

Con riferimento ai disegni, un dispositivo sterilizzatore S secondo l’invenzione comprende una fonte irradiante UVc 2 costituita ad esempio da una lampada germicida alla quale à ̈ associato un sensore 3 di rilevazione della temperatura disposto preferibilmente nelle immediate vicinanze del bulbo 6 della lampada. Il dispositivo S comprende inoltre un temporizzatore 4 collegato ad un controllo 7 di attivazione della lampada 2 e programmato con uno o più tempi di attivazione preimpostati in base a criteri legati alla efficienza del processo di sterilizzazione, ad esempio alla quantità di azoto da sterilizzare ed alle caratteristiche fisiche del sistema in cui viene posto l’azoto.

Preferibilmente, a titolo di esempio non limitativo, il controllo 7 fa parte di un circuito C alimentato da rete elettrica 9 attraverso interruttori 13 e fusibili 12 e comprende inoltre una batteria ricaricabile 8.

Con riferimento alla figura 1, il circuito 7 Ã ̈ inoltre collegato ad una sonda di temperatura 3, ad esempio una termocoppia PT100, ad un allarme sonoro 14 e ad un visualizzatore, preferibilmente un LCD 10.

Secondo l’invenzione, il controllo 7 à ̈ predisposto per attivare l’allarme 14 al verificarsi di determinate condizioni, quali ad esempio una diminuzione della temperatura specifica misurata dalla sonda 3 al di sotto di un valore di massima efficienza, e questo per evitare il danneggiamento e per garantire che la temperatura del bulbo 6 della lampada UVc sia alla temperatura di massimo rendimento. Preferibilmente, nell’uso del dispositivo la sonda 3 à ̈ sporgente nell’azoto liquido rispetto al bulbo 6 delle lampade UV di alcuni cm (circa 5 cm) in modo da attivare l’allarme prima che la bassa temperatura riduca l’efficienza della lampada.

Nel funzionamento, il dispositivo S viene disposto in modo che la lampada 2 sia a contatto immediato con l’azoto liquido del contenitore 1.

In queste condizioni, la sonda 3 misura una temperatura che viene elaborata dal controllo 7 e messa in relazione con altri parametri significativi, quali ad esempio la quantità di azoto presente, il materiale del contenitore, la velocità di evaporazione dell’azoto.

In base alla elaborazione eseguita, il controllo 7 tramite il temporizzatore 4 attiva la lampada 2 ad emettere radiazioni per il tempo che serve per erogare la dose minima necessaria per la sterilizzazione dell’azoto liquido.

A titolo di esempio, la lampada o le lampade 2 utilizzate sono lampade UVc calcolate per permettere l’irradiazione di circa 48 microwatt/cm<2>ad 1 mt.

Tale valore di uscita permette infatti di inattivare i microrganismi più resistenti in azoto liquido (ad es. Aspergillus niger) in circa due ore di irradiazione.

Vantaggiosamente, la velocità di inattivazione à ̈ tanto più rapida quanto il contenitore à ̈ piccolo e se lo stesso ha pareti riflettenti (es. acciaio inossidabile). Con riferimento alla figura 2, à ̈ illustrato un dispositivo S applicato ad un coperchio 5 per contenitori per crioconservazione.

Preferibilmente, il coperchio 5 à ̈ di forma prevalentemente cilindrica in modo da poter costituire un “tappo universale sterilizzante†per i criocontenitori in commercio.

Vantaggiosamente, con tale conformazione il dispositivo S può essere applicato sia su “open Dewars†(piccoli criocontenitori che possono contenere fino a 5-6 litri di NL) che su grandi Dewars per il trasporto di azoto e lo stoccaggio dei campioni (criobanche).

Inoltre, il dispositivo S sterilizza sia l’azoto liquido che la parte interna dello stesso contenitore, in modo tale che l’azoto liquido sia pronto per essere impiegato nelle applicazioni, ad esempio, di criobiologia, crioterapia o criogastronomia.

Con riferimento alla figura 3 à ̈ illustrato schematicamente un dispositivo S utilizzato come coperchio 16 per una vasca 15 del tipo impiegato nelle procedure di congelamento ultrarapido (vitrificazione) di materiale biologico. Preferibilmente, il coperchio 16 à ̈ costituito da un supporto di forma prevalentemente rettangolare od ovale equipaggiato con una o più lampade UVc 2 ed à ̈ applicabile ad una vasca 17 di acciaio Inox o di altro materiale (fig.

4) contenente l’azoto liquido A.

Preferibilmente, la vasca 17 può contenere circa 2 -5 Lt di azoto liquido ed à ̈ appositamente progettata per limitare la dispersione di calore e garantire una lenta evaporazione dell’azoto favorendo così il processo di sterilizzazione.

Nell’uso della vasca 17, l’azoto liquido non sterile viene versato nella vasca, la vasca viene chiusa con il coperchio 16 ed il processo di sterilizzazione inizia attivando la lampada UVc 2 come sopra descritto.

Vantaggiosamente, alla fine della procedura di sterilizzazione sarà possibile eseguire la procedura di vitrificazione direttamente nella vasca. L’azoto che entra in diretto contatto con la cellula à ̈ sterile ed rende sicure anche le procedure di vitrificazione di cellule umane (ovociti ed embrioni) impiegando supporti aperti (ad. esempio Cryotops o Cryoleaf) senza nessun rischio di contaminazione del campione.

Secondo il metodo dell’invenzione, à ̈ previsto un calcolo del tempo minimo di irradiazione necessario per inattivare i microrganismi più resistenti in azoto liquido, calcolo che viene eseguito tenendo conto che la velocità di inattivazione dei microrganismi (sterilizzazione) à ̈ direttamente proporzionale alla quantità di azoto liquido da sterilizzare e dipende dalle caratteristiche fisiche del contenitore in cui l’azoto liquido à ̈ posto.

Con il metodo dell’invenzione si à ̈ inoltre considerato che l’azoto liquido liberato in un contenitore, assorbe grandi quantità di calore ed evapora, e che risulta vantaggioso calcolare tempi di irradiazione in modo da irradiare prima della completa evaporazione dell’azoto.

Dal momento che la velocità di inattivazione dei microrganismi dipende dall’efficienza del sistema di irradiazione UVc che a sua volta à ̈ inversamente proporzionale alla temperatura nel quale il sistema di irradiazione si trova a lavorare, si à ̈ inoltre pensato di attuare una fase di controllo dell’efficienza del sistema tramite rilevazione della temperatura nei pressi del bulbo, allo scopo di poter conservare la massima efficienza anche in presenza dell’effetto fortemente refrigerante indotto all’evaporazione dell’azoto liquido.

Il presente metodo per la sterilizzazione di azoto liquido si basa quindi sull’erogazione di una dose minima di radiazione UV che determina l’inattivazione dei microrganismi capaci di sopravvivere alla temperatura di ebollizione dell’azoto (-195,82 °C) che viene preferibilmente irradiata in un intervallo temporale rapido, onde evitare la completa evaporazione dell’azoto liquido e la diminuzione di efficienza della lampada.

La presente invenzione à ̈ stata descritta secondo forme preferite di realizzazione ma varianti equivalenti possono essere concepite senza uscire dall'ambito di protezione dell'invenzione.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per la sterilizzazione rapida di azoto allo stato liquido contenuto in un contenitore (1 ) mediante radiazione ultravioletta, caratterizzato dal fatto di comprendere: - una lampada di radiazione UV (2) irradiante all’interno di detto contenitore, - un sensore (3) di monitoraggio della temperatura del bulbo della lampada, - un temporizzatore (4) per la misura di un tempo di irraggiamento, - mezzi di comando operativamente connessi a detto sensore e a detta lampada per comandare la lampada (2) ad irradiare per un tempo determinato in base alla temperatura rilevata dal sensore (3).
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, comprendente mezzi (5) per chiudere detto contenitore, in cui detta lampada à ̈ associata a detti mezzi di chiusura.
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2 in cui detta lampada à ̈ una lampada UVc che irradia a 253,7 nm.
4. 4. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di chiusura sono costituiti da un tappo per criocontenitori “Dewars†di qualsivoglia forma e dimensione.
5. 5. Contenitore per crioconservazione comprendente un dispositivo secondo una delle rivendicazioni 1-4.
6. 6. Contenitore secondo la rivendicazione 5, avente una capacità compresa tra 0.01 e 100 lt.
7. 7. Metodo per la sterilizzazione mediante irradiazione con una lampada UV dell’azoto immagazzinato allo stato liquido in un contenitore (1) caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi: - determinare una dose minima UV necessaria per inattivare i microrganismi contenuti nel contenitore o nell’azoto liquido, - la temperatura in prossimità del bulbo della lampada, - calcolare un tempo di irradiamento in funzione della temperatura rilevata e della dose minima determinata, - irradiare l’azoto liquido per il tempo di irradiamento calcolato.
8. 8. Metodo secondo la rivendicazione 7, in cui detto tempo di irradiamento della dose minima à ̈ calcolato in funzione della velocità di evaporazione dell’azoto liquido contenuto nel contenitore (1).
9. 9. Procedimento di congelamento rapido di materiale biologico mediante azoto liquido immagazzinato in un contenitore (1), comprendente un metodo preliminare di sterilizzazione secondo la rivendicazione 7 o 8.
10. 10. Vasca per il congelamento rapido di materiale biologico comprendente un dispositivo di sterilizzazione secondo una delle rivendicazioni 1-4.