RU2269078C1

RU2269078C1 - Method for freezing of liquid biological substance

Info

Publication number: RU2269078C1
Application number: RU2004110691/12A
Authority: RU
Inventors: дунов Александр Иванович Гр (RU); Александр Иванович Грядунов; дунова Ольга Александровна Гр (RU); Ольга Александровна Грядунова
Original assignee: ЗАО "Удел"
Priority date: 2004-04-09
Filing date: 2004-04-09
Publication date: 2006-01-27

Abstract

FIELD: freezing of liquid biological substance.

SUBSTANCE: the method of freezing of liquid biological substance placed in a sealed reservoir consists in the fact that heat is abstracted from the reservoir to an outer heat-transfer agent, the substance is cooled down to the temperature of phase transition, and the process of solidification of the whole volume of liquid is provided, after that the frozen substance is cooled down to the preset final temperature of storage, in the process of cooling and phase transition the substance inside the reservoir is agitated by force due to the fact that the latter is brought to reciprocating or oscillatory motion at an acceleration periodically varied in value and direction, the frequency of periodic variation of acceleration is provided within 0.5 to 10 Hz.

EFFECT: enhanced values of criterional biological indexes of the biological substance frozen in the scaled reservoir.

2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области морозильной и холодильной техники, а конкретно к способам замораживания растворов биологических веществ, помещенных в герметичные емкости, в частности в полимерные пакеты с компонентами крови, например, с плазмой.The invention relates to the field of freezing and refrigeration, and specifically to methods of freezing solutions of biological substances placed in sealed containers, in particular in plastic bags with blood components, for example, with plasma.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному способу относится способ быстрого замораживания жидких биологических веществ, осуществляемый в быстрозамораживателе, описанном в патенте Российской Федерации №2150933 С1, МПК 7 F 25 D 13/00, 20,06.2000. Герметичные емкости, выполненные, например, из полимерного материала и заполненные биологическим веществом, например кровью или плазмой крови, неподвижно размещают в рабочей камере морозильного аппарата, а процесс замораживания осуществляют путем создания отвода тепла от емкостей на внешний теплоноситель, и обеспечения вследствие этого понижения температуры вещества в емкостях до температуры фазового перехода, реализации процесса отвердевания материала по всему объему емкости и последующего охлаждения замороженного вещества до заданной конечной температуры.The closest in technical essence and the achieved result to the proposed method relates to a method for the rapid freezing of liquid biological substances, carried out in a quick-freezer described in the patent of the Russian Federation No. 2150933 C1, IPC 7 F 25 D 13/00, 20.06.2000. Sealed containers made, for example, of a polymeric material and filled with a biological substance, such as blood or blood plasma, are fixedly placed in the working chamber of the freezer, and the freezing process is carried out by creating heat removal from the tanks to an external coolant, and thereby reducing the temperature of the substance in containers to the phase transition temperature, the implementation of the process of solidification of the material throughout the volume of the container and the subsequent cooling of the frozen substance to Anna final temperature.

Недостаток известного способа, принятого за прототип, состоит в низких значениях критериальных показателей, характеризующих определенные биологические качества замораживаемого биологического вещества, например, в низком содержании фактора VIII в свежезамороженной плазме, ответственного за свертываемость крови, вследствие невозможности обеспечения отвода с постоянной интенсивностью тепла из объема емкости с биологическим веществом и достижения высоких скоростей замораживания.The disadvantage of this method, adopted as a prototype, is the low values of the criteria that characterize certain biological qualities of the frozen biological substance, for example, in the low content of factor VIII in freshly frozen plasma, which is responsible for blood coagulation, due to the inability to ensure removal of constant heat intensity from the tank volume with biological substance and achieving high freezing rates.

Этот недостаток обусловлен следующими причинами.This disadvantage is due to the following reasons.

При замораживании пакетов с жидким биологическим веществом в твердое состояние, в первую очередь, переходит чистая вода.When freezing packages with a liquid biological substance in a solid state, first of all, pure water passes.

Внутри полимерного пакета образуются кластеры чистого водяного льда, а концентрация солей в объеме пакета начинает расти.Clusters of pure water ice are formed inside the polymer bag, and the concentration of salts in the volume of the bag begins to increase.

Интегральное отрицательное воздействие солевого раствора на молекулы, определяющие критериальные биологические показатели замораживаемого биологического вещества, зависит от значения концентрации солей в растворе и длительности акта замораживания.The integral negative effect of saline on the molecules that determine the criterion biological parameters of the frozen biological substance depends on the concentration of salts in the solution and the duration of the freezing act.

Именно этим и определяется главное медико-техническое требование к способу замораживания - обеспечение высокой скорости процесса замораживания, т.е. высокой скорости перехода биологического вещества из жидкого состояния в твердое.This is what determines the main medical and technical requirement for the method of freezing - ensuring a high speed of the freezing process, i.e. high rate of transition of a biological substance from a liquid to a solid state.

Известный способ замораживания биологического вещества реализуется в условиях, когда пакет находится в неподвижном состоянии. В свою очередь это приводит к формированию на внутренней поверхности пакета слоя льда, имеющего относительно невысокий коэффициент теплопроводности (8~2 Вт·м^-1 К^-1, последовательному нарастанию его толщины, и как следствие, к появлению своеобразной теплоизоляции, ограждающей оставшийся в жидком состоянии солевой раствор, повышенной солевой концентрации, от внешнего теплоносителя, омывающего наружную поверхность пакета.The known method of freezing a biological substance is implemented under conditions when the package is stationary. In turn, this leads to the formation of an ice layer on the inner surface of the packet having a relatively low thermal conductivity coefficient (8 ~ 2 W m ^-1 K ^-1 , a sequential increase in its thickness, and as a result, the appearance of a kind of thermal insulation enclosing the remaining in the liquid state of saline, increased salt concentration, from an external coolant washing the outer surface of the package.

Дальнейшее нарастание толщины льда на внутренних стенках пакета приводит к существенному повышению теплового сопротивления между внешним теплоносителем и оставшимися незамерзшими внутренними частями пакета, к резкому уменьшению интенсивности отвода тепла от слоев биологического вещества при постоянно увеличивающейся концентрации солей и, как главное следствие, к возрастанию степени иноактивационного воздействия солевого раствора на молекулы, определяющие биологически активные свойства замораживаемого биологического вещества.A further increase in the ice thickness on the inner walls of the packet leads to a significant increase in thermal resistance between the external coolant and the remaining non-frozen inner parts of the packet, to a sharp decrease in the intensity of heat removal from the layers of the biological substance with an ever-increasing concentration of salts and, as a main consequence, to an increase in the degree of inactive activation saline into molecules that determine the biologically active properties of a frozen biological substance.

Вышеперечисленное определяет, в итоге, предельно возможные значения критериальных биологических показателей, которое можно обеспечивать в биологическом веществе, неподвижно замораживаемом даже при весьма более низких температурах охлаждающего теплоносителя.The above determines, as a result, the maximum possible values of the criterial biological indicators that can be provided in a biological substance that is motionlessly frozen even at very lower temperatures of the coolant.

Задачей изобретения является повышение значений критериальных биологических показателей биологического вещества, замораживаемого в герметичной емкости, путем создания отвода тепла с максимально высокой интенсивностью от всех внутренних слоев жидкого биологического вещества и снижения длительности перехода биологического вещества из жидкого состояния в твердое по всему объему емкости. Указанный технический результат достигается тем, что способ замораживания жидкого биологического вещества, размещенного в, по меньшей мере, одной герметичной емкости, заключается в том, что осуществляют отвод тепла от емкости на внешний теплоноситель, охлаждают вещество до температуры фазового перехода и обеспечивают процесс отвердевания по всему объему емкости, после чего замороженное вещество охлаждают до заданной конечной температуры хранения, при этом в процессе охлаждения и фазового перехода принудительно перемешивают вещество внутри емкости за счет того, что последнюю приводят в возвратно-поступательное или колебательное движение с ускорением, периодически меняющимся по величине и направлению, причем частоту периодического изменения ускорения обеспечивают в диапазоне от 0,5 до 10 Гц. Емкость может быть выполнена из полимерного материала.The objective of the invention is to increase the criteria of biological biological parameters of a biological substance frozen in a sealed container by creating heat removal with the highest possible intensity from all the inner layers of a liquid biological substance and reducing the duration of the transition of a biological substance from a liquid state to a solid throughout the volume of the container. The specified technical result is achieved by the fact that the method of freezing a liquid biological substance, placed in at least one sealed container, is that heat is removed from the tank to an external coolant, the substance is cooled to the phase transition temperature and the solidification process is ensured throughout the volume of the container, after which the frozen substance is cooled to a predetermined final storage temperature, while the substance is forcibly mixed during cooling and phase transition inside the tank due to the fact that the latter is brought into reciprocating or oscillatory motion with acceleration periodically changing in magnitude and direction, and the frequency of the periodic change in acceleration is provided in the range from 0.5 to 10 Hz. The container may be made of polymeric material.

Сущность изобретения поясняется чертежами быстрозамораживателя, реализующего предложенный способ замораживания биологического вещества.The invention is illustrated by drawings of a quick-freezer that implements the proposed method of freezing a biological substance.

На фиг.1 схематично представлен быстрозамораживатель, в котором блок фиксации ложементов, выполненный в виде полого параллелепипеда, установлен на платформе с роликами; на фиг.2 представлен вид А на фиг.1; на фиг.3 представлен быстрозамораживатель с блоком фиксации, выполненном в виде полого параллелепипеда с втулками, размещенными в подшипниках, установленных на рабочей камере; на фиг.4 представлен вид В на фиг.3; на фиг.5 представлен блок фиксации ложемента, содержащий вертикально ориентированную втулку, размещенную в подшипнике, установленном в рабочей камере.Figure 1 schematically shows a quick-freezer, in which the lodgment fixing unit, made in the form of a hollow parallelepiped, is mounted on a platform with rollers; figure 2 presents a view of figure 1; figure 3 presents a quick-freezer with a locking unit made in the form of a hollow parallelepiped with bushings placed in bearings mounted on the working chamber; figure 4 presents a view In figure 3; figure 5 presents the block fixing the lodgement containing a vertically oriented sleeve placed in a bearing mounted in the working chamber.

Быстрозамораживатель, реализующий предложенный способ, содержит корпус 1 с дверью (крышкой) 2, рабочую камеру 3, отделенную от корпуса 1 теплоизолирующим ограждением 4, холодильный агрегат, включающий в свою очередь в себя холодильный компрессор 5 и два теплообменника, первый из которых - конденсатор 6, так же как и компрессор 5, размещен в нижней части корпуса 1 и обеспечивает вместе с вентилятором 7 отвод тепла от холодильного агрегата во внешнюю среду, второй - теплообменник-испаритель 8, размещенный в рабочей камере 3, нагнетатель 9 для обеспечения циркуляции газообразного или жидкого теплоносителя в замкнутой гидравлической цепи, сформированной в рабочей камере 3, ложементы 10 герметичных емкостей 11 (в конкретном случае - полимерных пакетов) с биологическим веществом 12, блоки фиксации ложементов, которые в зависимости от варианта конструктивного исполнения аппарата могут быть выполнены в виде:A quick-freezer that implements the proposed method comprises a housing 1 with a door (cover) 2, a working chamber 3, separated from the housing 1 by an insulating fence 4, a refrigeration unit, which in turn includes a refrigeration compressor 5 and two heat exchangers, the first of which is a condenser 6 , like the compressor 5, is located in the lower part of the housing 1 and together with the fan 7 provides heat removal from the refrigeration unit to the external environment, the second - heat exchanger-evaporator 8, located in the working chamber 3, a supercharger 9 to provide circulation of a gaseous or liquid coolant in a closed hydraulic circuit formed in the working chamber 3, lodgements 10 of hermetic containers 11 (in the particular case, polymer bags) with biological substance 12, blocks for fixing lodgements, which, depending on the design of the apparatus, can be made as:

тела с полостью, например, в виде полого прямоугольного параллелепипеда 13, в стенках которого, ориентированных перпендикулярно потоку теплоносителя, выполнены отверстия 14 для протекания потока циркулирующего теплоносителя, создаваемого нагнетателем 9 (фиг.1, 2, 3, 4), в объеме которого может размещаться несколько ложементов 10;body with a cavity, for example, in the form of a hollow rectangular parallelepiped 13, in the walls of which, oriented perpendicular to the flow of the coolant, holes 14 are made for the flow of the circulating coolant created by the supercharger 9 (Figs. 1, 2, 3, 4), in the volume of which placed several lodges 10;

захвата 15 для размещения при замораживании одного ложемента (фиг.5).capture 15 for placement when freezing one lodgement (figure 5).

В состав быстрозамораживателя входят также узлы перемещения блоков фиксации, которые в зависимости от конструктивного исполнения аппарата могут быть выполнены в виде:The quick-freezer also includes nodes for moving the fixing blocks, which, depending on the design of the device, can be made in the form of:

каретки 16, на которой установлен блок фиксации в виде полого параллелепипеда 13, с роликами 17 на направляющих 18, установленных на рабочей камере 3 (фиг.1 и 2);the carriage 16, on which the fixing block is installed in the form of a hollow parallelepiped 13, with rollers 17 on the guides 18 mounted on the working chamber 3 (Figs. 1 and 2);

совокупности сопрягающихся между собой элементов - втулок 19 и подшипников 20.a set of mating elements - bushings 19 and bearings 20.

Кроме того, в состав аппарата входят механизм привода 21, тяга 22, соединяющая узел перемещения в той или иной конструктивной модификации с механизмом привода 21.In addition, the apparatus includes a drive mechanism 21, a thrust 22 connecting the displacement unit in one design or another with the drive mechanism 21.

При включении быстрозамораживателя в сеть электропитания, хладагент, циркуляцию которого в гидравлической цепи холодильного агрегата и изменение агрегатного состояния обеспечивает компрессор 5, начинает кипеть при низком давлении в испарителе 8, понижая его температуру.When the quick-freezer is turned on in the power supply network, the refrigerant, whose circulation in the hydraulic circuit of the refrigeration unit and the change in the aggregate state is provided by the compressor 5, begins to boil at low pressure in the evaporator 8, lowering its temperature.

В компрессоре 5 отсасываемый из испарителя 8 хладагент сжимается, переводится в жидкое состояние и при высоком давлении поступает в конденсатор 6, где от него посредством потока теплоносителя (воздуха), создаваемого вентилятором 7, производится отвод тепла во внешнюю среду.In the compressor 5, the refrigerant sucked from the evaporator 8 is compressed, converted to a liquid state and, at high pressure, enters the condenser 6, where heat is removed from it by the heat carrier (air) created by the fan 7 to the external environment.

Поток теплоносителя, в конкретном случае - воздуха, циркуляция которого в рабочей камере 3 создается посредством нагнетателя 9, в конкретном случае - вентилятором, протекая через испаритель 8, охлаждается и далее, поступая в рабочую камеру 3, обеспечивает охлаждение как всего объема камеры 3, так и всех находящихся в нем элементов и узлов быстрозамораживателя - блоков фиксации, узлов перемещения и т.д.The flow of heat carrier, in the particular case of air, the circulation of which in the working chamber 3 is created by means of a supercharger 9, in the specific case by a fan, flowing through the evaporator 8, is cooled and then, entering the working chamber 3, provides cooling of the entire volume of the chamber 3, so and all the elements and units of the quick-freezer inside it - fixing blocks, displacement units, etc.

При достижении в рабочей камере температуры, соответствующей режиму замораживания, открывают дверь 2 рабочей камеры 3 и размещают в блоках фиксации 13 ложементы 10 с емкостями 11, в конкретном случае, полимерными пакетами с биологическим веществом 12, предназначенным к замораживанию.Upon reaching the temperature in the working chamber corresponding to the freezing mode, open the door 2 of the working chamber 3 and place lodging 10 with containers 11 in the fixation blocks 13, in particular, with polymer bags with biological substance 12 intended for freezing.

При включении механизма привода 21 возвратно-поступательное или колебательное движение его исполнительного элемента посредством тяги 22 передается узлу перемещения, который приводит блоки фиксации ложементов 10 с размещенными в нем емкостями 11 с биологическим веществом 12 в движение с ускорением, периодически меняющемся по величине и направлению в диапазоне от 0,5 до 10 Гц (выявлено экспериментально).When the drive mechanism 21 is turned on, the reciprocating or oscillatory movement of its actuating element by means of a thrust 22 is transmitted to the displacement unit, which drives the lodgment fixing blocks 10 with the containers 11 with biological substance 12 into motion with acceleration periodically varying in magnitude and direction in the range from 0.5 to 10 Hz (detected experimentally).

Поток теплоносителя, проходя через отверстия 14, поступает в полость прямоугольного параллелепипеда 13, обеспечивает понижение температуры биологического вещества 12 в емкостях (пакетах) 11 до температуры фазового перехода в твердое состояние.The heat carrier flow, passing through the holes 14, enters the cavity of the rectangular parallelepiped 13, provides a decrease in the temperature of the biological substance 12 in the containers (packages) 11 to the temperature of the phase transition to the solid state.

Вследствие создаваемого при охлаждении емкостей (пакетов) 11 движения с ускорением, периодически меняющимся по величине и направлению, внутри них возникает перемешивание слоев: холодные слои биологического вещества и находящиеся вблизи внутренних поверхностей передвигаются внутрь, а их место занимают более теплые слои из средних частей емкостей 11.Due to the movement created during cooling of the containers (packages) 11 with acceleration periodically changing in magnitude and direction, layer mixing occurs inside them: the cold layers of the biological substance and those located near the inner surfaces move inward, and their place is taken by the warmer layers from the middle parts of the containers 11 .

Таким образом, перенос тепла внутри емкости 11 осуществляется не только теплопроводностью, но и конвективным образом, что в свою очередь обеспечивает как более быстрое охлаждение всей жидкости, так и высокую степень изотермичности по объему.Thus, heat transfer inside the tank 11 is carried out not only by thermal conductivity, but also in a convective manner, which in turn provides both faster cooling of the entire liquid and a high degree of volume isothermality.

При достижении температуры, соответствующей температуре отвердевания, на внутренних поверхностях емкости (пакета) 11 начинают формироваться кластеры льда. Вследствие создаваемого при замораживании биологического вещества движения с ускорением, периодически меняющемся по величине и направлению, кластеры льда отрываются от внутренней поверхности и равномерно распределяются в объеме биологического вещества 12. Т.е., в предложенном способе замораживания созданы условия для отвердевания жидкого биологического вещества по всему объему герметичной емкости 11.Upon reaching the temperature corresponding to the solidification temperature, ice clusters begin to form on the inner surfaces of the container (package) 11. Due to the movement created during freezing of a biological substance with acceleration periodically changing in magnitude and direction, ice clusters break away from the inner surface and are evenly distributed in the volume of biological substance 12. That is, the conditions for solidification of a liquid biological substance are created in the proposed freezing method throughout the volume of the sealed container 11.

В зависимости от конструктивного исполнения быстрозамораживателя необходимое для осуществления способа приведение ложементов с емкостями (пакетами) 11 в движение с ускорением, периодически меняющимся по величине и направлению, может быть реализовано в виде: возвратно-поступательного движения на каретке 16 с роликами 17 по направляющим 18; колебательного движения на втулках 19 в подшипниках 20; возвратно-вращательного движения захвата 15, втулки 19 которого размещены в подшипниках 20.Depending on the design of the quick-freezer, it is necessary to bring the lodgements with containers (packages) 11 into motion with acceleration periodically changing in magnitude and direction, which can be implemented in the form of: reciprocating movement on the carriage 16 with rollers 17 along the guides 18; oscillatory motion on the bushings 19 in the bearings 20; the reciprocating motion of the capture 15, the sleeve 19 of which is placed in the bearings 20.

В быстрозамораживателях, реализующих предложенный способ замораживания, благодаря создаваемому при замораживании биологического вещества 12 движению ложементов 10 с ускорением, периодически меняющимся по величине и направлению, и реализуемому при этом перемешиванию жидкого биологического вещества 12 внутри емкостей 11, обеспечивается поддержание высокой интенсивности теплоотвода из всего объема емкостей 11 в течение всего акта замораживания и, как следствие, достижение высокой скорости замораживания, существенно превышающей скорости замораживания, достигаемые в аппаратах, в которых пакеты находятся в неподвижном состоянии, при одинаковых температурах замораживания. В свою очередь это обеспечивает получение биологических веществ с максимально возможным содержанием компонентов, определяющих критериальные биологические показатели.In quick-freezers that implement the proposed method of freezing, due to the movement of lodgements 10 created during freezing of biological substance 12 with acceleration periodically changing in magnitude and direction, and the mixing of liquid biological substance 12 inside containers 11 is ensured, high heat dissipation is maintained from the entire volume of containers 11 during the entire act of freezing and, as a result, achieving a high freezing rate significantly exceeding the speed amorazhivaniya achieved in the apparatuses in which the packages are stationary, at the same temperatures freezing. In turn, this ensures the production of biological substances with the highest possible content of components that determine the criteria for biological indicators.

Claims

1. The method of freezing a liquid biological substance, placed in at least one sealed container, which consists in the fact that they carry out heat removal from the tank to an external coolant, cool the substance to a phase transition temperature and provide a solidification process throughout the volume of the tank, after which the frozen substance is cooled to a predetermined final storage temperature, while during cooling and phase transition the substance is forcedly mixed inside the container due to the fact that the last drive into a reciprocating or oscillating motion with acceleration, periodically varying in magnitude and direction, the frequency of periodic change of acceleration is provided in the range of from 0.5 to 10 Hz.

2. The method according to claim 2, characterized in that the container is made of a polymeric material.