Устройство для программного криозамораживания биообъектов

ОЮЗ СОВЕТСНИХ ОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 119 ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ним и нижним допустимыми уровнямижидкого азота.2. Устройство по п. 1, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что сосудДьюара выполнен в виде двух сообщенных в нижней части отсеков, а узелизменения уровня жидкого азота содержит парофазный усилитель, диод,два дополнительных нагревателя и дварегулируемых клапана сброса давления,при этом держатель для контейнерас укрепленным около него нагревателем,теплопроводный элемент, мешалка,первый дополнительный нагреватель ипервый клапан сброса давления размещеныв одном отсеке, а второйдополнитель- Фный нагревательи второйклапан сбросадавления - в другом отсеке.3, Устройство по пп. 1 и 2, С:отличающееся тем, чтопрямой выход парофазного усилителясоединен с первым доюлнительнымнагревателем и первьклапаном сброса давления, а его инверсный выход -с вторым дополнительным нагревателеми вторым клапаном сброса давления, 4 фпри этом вход парофаэного усилителя СДсоединен с выходом программного,ре- фффгулятора температурыобразца, апрямойвыход парафазногоусилителя-с его инверсным выходомчерез диоди нагреватель, установленный около держателя.4. Устройство по и. 1, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что теплопровод" ффный элемент состоит из коаксиальныхпрофилированных обечаек, а мешалкавыполнена в виде стакана с коаксиальными прс 1 филированными стенками, размещенными с зазором между обечайкамитеплопроводного элемента. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ОПИСАНИЕ ИЗОБР(71) Специальное конструкторское бюро биологического приборостроения АН СССР(54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОГРАММНОГО КРИОЗАМОРАЖИВАНИЯ БИООБЪЕКТОВ, содержащее выполненнуюв виде сосуда Дьюара рабочую камеру, установленный в ней держатель образца, датчик температуры образца, укрепленный около держателя нагреватель, программный регулятор температуры образца, вход которого соединен с датчиком температуры образца, а выход сообщен с нагре-. вателем, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения сохранности биообъектов путем увеличения скорости программируемого их охлаждения и нагрева, устройство. снабжено узлом изменения уровня жидкого азота в рафбочей камере, связанньщ с выходом программмного регулятора температуры образца, мешалкой, установленным на держателе контейнером для размещения образца и теплопроводным элементом, имеющим контакт с контейнером й размещенным между предполагаемыми верх 1)4 Р 25 В 3/10, А 01 И 1/второй регулируемый клапан 27 сброса40давления, второй датчик 28 максимально допустимого уровня 2 б жидкогоазота во внешнем отсеке 5, трубопровод 29 для подкачки жидкого азота всосуд Дьюара 1, укрепленный герме 4тично иа сосуде Дьюара 1, Кроме того,во внутреннем 4 и внешнем 5 отсекеустановлены клапаны 30 аварийногосброса давления. Нагреватели 9, 13и 25, первый 14 и второй 27 регулируемые клапаны сброса давления соединены с блоком 31 управления температурой образца. Датчик 24 минимально4допустимого уровня жидкого азотаво внешнем отсеке 5 связан с индикатором 32 минимального уровня. Датчикфф 28 максимально допустимого уровнякидкого азота во внешнем отсеке 5 а связан с индикатором 33 максимально,го уровня. Изобретение отноеится к устройствам для программного криозамораживания биообъектов и может быть исполь-, зовано в криобоиологии и криомедицине для обеспечения программного ох. лаждения и нагрева образца в широком диапазоне скорости охлаждения и нагрева с целью определения влияния различных режимов замораживания .и оттаиванияна степень сохранения объекта при криоконсервировании, а также в других областях науки и техники, где требуются программное охлаждение и нагрев объекта в широком диапазоне скорОстей охлаждения и нагрева и изотермический режим.Целью изобретения является повыше ние сохранности биообъектов путем увеличения скорости изменения программируемого их охлаждения и нагреваНа фиг, 1 представлена схема устройства для программного криозамораживания биообъектов; на фиг. 2 - схема управления. Устройство для программногокриозамораживания биообъектов содер- жит рабочую камеру, выполненную в виде сосуда Дьюара 1, заполняемую жидким азотом 2, Сосуд Дьюара 1 разделен перегородкой 3 на два отсека 4 и 5, сообщающихся в нижней части. Во внутреннем отсеке 4 установлен держатель б, на котором укреплен контейнер 7 с образцом (биообъектом). В контейнере 7 установлен датчик 8 температурыобразца, а около держателя б, над ним, установлен нагреватель 9. Причем контейнерсвязан с. теплопроводным элементом 10, состоящим из коаксиальных профилированных цилиндрических обечаек, контактирующих с жидким азотом 2. В теплопровод ном элементе 10 имеются отверстия 11 для протока жидкого азота и его паров. Б держателе б также имеются отверстия 12 для протока паров азота Во внутреннем отсеке 4 установлены также первый дополнительный нагреватель 13, первый регулируемый клапан14 сброса давления и мешалка 15. Причем первый дополнительный нагрева ель 13 установлен в верхней частивнутреннего отсека 4 сосуда Дьюара1 над уровнем жидкого азота 2 при . его крайнем верхнем положении 1 б,Нагреватель 13 может быть такжеустановлен под уровнем жидкого азот2 при его крайнем нижнем положении 17 во внутреннем отсеке 4. Мешалка15 представляет собой стакан с коак-.сиальными профилированными цилиндрическими стаканами 18, установленнымикоаксиально с зазорами между обечайками теплопроводного элемента 10,Причем величина зазоров выбрана значительно больше толщины газовойпленки при пленочном кипении жидкого азота на поверхностях:теплопроводного элемента 10 и мешалка 15 примаксимальной скорости подъема уровняжидкого азота 2. Мешалка 15 установлена на опорном подшипнике 19 и связана магнитами 20 магнитной муфтыс приводом 21 вращения. Вращениемешалки 15 центрируется подшипником22 скольжения. Для полного заполнения объема жидким азотом в мешалке15 и подшипнике 22 скольжения имеются отверстия 23 для протока жидкогоазота, Мешалка 15 выполнена с герметичной внутренней полостью для снижения усилия на опорный подшипник 19 за счет действия выталкивающейсилы на мешалку 15 со стороны жидкого азота 2. В месте протока жидкогоазота 2 из внешнего отсека 5 вовнутренний отсек 4 установлен датчик24 минимально допустимого уровняжидкого азота во внешнем отсеке. Во внешнем отсеке 5 установлены второй дополнительный нагреватель 25, укрепленный, как и первый дополнительный нагреватель 13, в верхней части сосуда Дьюара 1 над максимально допустимым уровнем 2 б жидкого азота во внешнем отсеке 5,122453На трубопроводе 29 установленвентиль 34, связанный с узлом 35управления потоком жидкого азотачерез трубопровод 29.Блок 31 управления температуройобразца (см. фиг. 2) содержит преобразователь 36 сопротивления в напряжение, эадатчик 37 температуры, узел38 сравнения, предусилитель 39,усилитель 40 с парофазным выходом, 1 Одиод 41, При этом датчик 8 температуры образца соединен с входом преобразователя 36, выход которого соединен с входом узла 38 сравнения, друг,гой вход которого соединен с задатчиком 37 темпвратуры, Выход узла 38сравнения соединен с входом предусилителя 39, выход которого соединен свходом парофазного усилителя 40.Причем прямой выход парофазного усилителя 40 соединен с первым дополнительным нагревателем 13 и первымрегулируемым клапаном 14 сброса давления, а инверсный выход парофаэногоусилителя 40 - с вторым дополнительным нагревателем 25 и вторым регулируемым клапаном 27 сброса давления.При этом прямой выход парофаэногоусилителя 40 соединен с инверснымвыходом через диод 41 и нагреватель9, установленный около держателя 6Преобразователь 36 сопротивленияв напряжение, эадатчик 37 температуры, узел 38 сравнения и предусилитель,39 представляют программный регулятор температуры образца.35Парофазный усилитель 40, первый1 Э и второй 25 дополнительные нагре-,ватели, первый 14 и второй 27 регули-.руемые клапаны сброса давления и ди 40од 41 составляют узел изменения уровня жидкого азота.Устройство для программного замораживания биообъектов работает следующим образом.45При изменении температуры образ,ца изменяется температура и датчика8. Изменение температуры датчика 8вызывает изменение его сопротивленияна величину, соответствующую этомуизменению температуры,50Изменение сопротивления термодатчика 8 преобразуется преобразователемЭб в напряжение, которое поступаетна вход узла 38 сравнения. На вход 55узла 38 сравнения поступает такженапряжение с задатчика 37 температуры. Узел 38 сравнения сравнивает 17 4два входных напряжения и выдает на выход разностный сигнал, который поступает затем на вход предусилителя 39. Разностный сигнал усиливается предусилителем 39 и поступает на вход парофазного усилителя 40. Разностный сигнал усиливается парофазным усилителем 40 и в зависимости от фазы сигнал поступает на.прямой. либо на инг версный выход парофазного усилителя 40. Так, например, при охлаждении образца по заданной программе рачностный сигнал, равный разности напряжений с задатчика 37 и датчика 8 температуры образца, - отрицательный. При этом усиленный разностный сигнал поступает на инверсный выход парофазного усилителя 40, а на его прямом выходе в этом случае сигнал равен нулю.Разностный сигнал с инверсного выхода подается на второй дополнитель. ный нагреватель 25, обеспечивая по нему прохождение тока нагрева, и на второй регулируемый клапан 27 сброса давления, изменяя в нем проходное сечение для выхода паров азота из внешнего отсека 5, Так как на прямом выходе сигнал равен нулю, то первый регулируемый клапан 14 сброса давления остается полностью открытым, а на первом 9 и втором 13 нагревателях токи нагрева отсутствуют (на нагревателе 9 ток нагрева отсутствует, так как прохождению тока от инверсного выхода к прямому выходу препятствует диод 41).При подаче разностного сигнала на клапан 27 сброса проходное сечение клапана 27 сброса уменьшается в зависимости от величины сигнала вплоть до полного герметичного его перекрытия, а газ над поверхностью жидкого азота во вншенем отсеке 5 нагревается нагревателем 25Таким образом, над уровнем 26 жидкого азота во внешнем отсеке 5 повышается давление. При этом давление газа над поверхностью жидкого азота во внутреннем отсеке 4 равно атмосферному, так как клапан 14 сброса полностью открыт, а нагреватели 9 и 13 не включены. Создаваемая разность давлений газа над поверхностью жидкого азота между внешним 5 и внутренним 4 отсеками выдавливает жидкий азот из внешнего отсека во внутренний, уменьшая уровень жидкого1 О Величина отводимого от образца теплового потока, а следовательно, и скорость охлаждения, будет зависеть от коэффициента теплоотдачи от теплопроводного элемента 10 к жидкому азоту 2. Охлаждение теплопроводного элемента 1 О осуществляется за счет испарения жидкого азота на его поверхности, что первоначально охлаждает часть теплоцроводного элемента 10, погруженную в жидкий азот, до температуры кипения жидкого азота, после чего часть теплопровод" ного элемента 10, опущенная в жидкий азот, охлаждается жидким азотом до температуры несколько ниже температуры кипения жидкого азота. При испарении жидкого азота на поверхности теплопроводного элемента 10 образуазота во внешнем отсеке 5 и увеличивая уровень жидкого азота во внутреннем отсеке 4,Охлаждение контейнера 7 с образцомв предложенном устройстве обеспечивается теплопередачей от образца(биообъекта) через теплопроводныйэлемент 10, имеющий тепловой контактс контейнером 7 и жидким азотом 2во внутреннем отсеке 4. При этомтепловой поток, отводимый от образца(биообъекта), зависит от геометриитеплопроводного элемента 10, коэффициента температуропроводности материала теплопроводного элемента 10,величины не погруженной в жидкийазот 2 части теплопроводного элемента 10, коэффициента теплоотдачи отэлемента 10 к жидкому азоту 2 и дру Огих факторов, Повышение уровня жидко.го азота во внутреннем отсеке 4уменьшает часть теплопроводногоэлемента 10, расположенную надуровнем жидкого азота, тем самым25уменьшается тепловое сопротивлениемежду образцом и жидким азотом так,что тепловой поток, отводимый отобразца (биообъекта) вместе с датчиком 8 температуры биообъекта, уменьшает их температуру до такой величины, при которой напряжение с датчика8 и преобразователя 36 становитсяравным напряжению с задатчика 37,при этом разностный сигнал становится равным нулю.35Таким образом обеспечиваетсяпрограыЬое охлаждение образца свысокой скоростью. ется пленка газообразного азота(пленочное кипение) с переменнойтолщиной по высоте части теплопровод.ного элемента 10, погруженной в жидкий азот. Эта пленка снижает коэффициент теплоотдачи от теплопроводногоэлемента 10 к жидкому азоту,Для .увеличения коэффициента теплоотдачи за счет уменьшения толщиныпленки или ее полного устранения иперехода к пузырьковому кипению,мешалка 15 приводится во вращениеприводом 21 через магниты 20 магнитной муфты, Мешалка 15 вращается наопорном подшипнике 19 и центрируетсяподшипником 22 скольжения. Вращениекоаксиальных цилиндрических стенок18 мешалки 15 приводит во вращенияжидкий азот, заполняющий внутреннийотсек 4, Вращающийся жидкий азотобтекает профилированные цилиндрические обечайки теплопроводного элемен-та 10, расположенные коаксиально инеподвижно относительно стенок 18мешалки 15. Для снижения скоростивращения мешалки 15, при которойразрушается пленочное кипение, поверхность цилиндрического теплопроводного элемента 10 выполнена с вертикальными пазами (или выступами)определенной глубины, ширины и с определенной величиной шага, т.е.количеством выступов на единицудлины окружности (не показаны), Стенки 18 мешалки 15 выполнены со специальными лопастями, установленнымивертикально по образующей и радиально к поверхности (не показаны). Всеэто позволяет получить интенсивноевихреобразование в потоке жидкогоазота, что разрушает пленочное кипение и увеличивает коэффициент теплоотдачи.Таким образом, жидкий азот вовнутреннем отсеке 4 перемещается поотношению к теплопроводному элементу 1 О как вертикально, так и вращательно. Вращательное движение жидкого и газообразного азота по отношению к,теплопроводному элементу 10 обеспечивает равномерное температурное поле по горизонтальному сечению теплопроводника, а следовательно, и по замораживаемому образцу.Приведенное вьппе описание работы предложенного устройства справедливо для случая, когда скорость программного задания охлаждения образца выше, чем скорость его охлаждения за счет теплопередачи по теплопроводному элементу 10 без увеличения уровня жидкого азота 2 и уменьшения термического сопротивления между образцом и жидким азотм, т.е. в этом случае для обесяечения скорости охлаждения образца, равной прог раммируемой скорости охлаждения, требуется увеличение уровня жидкого азота и увеличение коэффициента теплоотдачи.В случае, если скорость програм много задания охлаждения образца меньше, чем скорость его охлаждения за счет теплоотдачи по теплопроводному элементу 10 без увеличения уровня жидкого азота, то уменьшения тер мического сопротивления не требуется и устройство работает следующим образом.В изотермическом режиме, в режиме нагрева или в режиме охлаждения, 25 при котором скорость охлаждения образца за счет теплоотдачи по тепло- проводному элементу 10 без изменения уровня жидкого азота больше, чем скорость программного задания охлаждения, разностный сигнал, равный разности напряжений с задатчика 37 и датчика 8, - положительный. В этом случае усиленный разностный сигнал поступает на прямой выход парофазно" го усилителя 40, а при этом сигнал на его инверсном выходе равен нулю.Усиленный разностный сигнал с прямого вьмода подается на первый дополнительный нагреватель 13, обес печивая ио нему прохождение тока нагрева, на нагреватель 9, обеспечивая по нему прохождение тока нагрева от прямого выхода к инверсному (в этом случае диод 41 не пре пятствует прохождению тока) и на первый регулируемый клапан 14 сброса давления, изменяя в нем проходное сечение для вьмода паров азота из внутреннего отсека 4. Так как на 50 инверсном вьмоде сигнал равен нулю, то второй регулируемый клапан 27 сброса давления остается полностью открытым, а на втором дополнительном нагревателе 25 ток нагрева отсутству"55 ет. При подаче разиостного сигнала на клапан 27 сброса давления проходное сечение последнего уменьшается в зависимости от величины сигнала вплоть до полного герметичного его перекрытия, а газ над поверхностью жидкого азота во внутреннем отсеке 4 нагревается нагревателями 13 и 9.Таким образом, над уровнем 16 жидкогоазота во внутреннем отсеке 4 повышается давление. При этом давление газа над поверхностью жидкого азота во внешнем отсеке 5 равно атмосферному, так как клапан 27 сброса полностью открыт, а нагреватель 25 не включенСоздаваемая разность давлений газа над поверхностью жидкого азота между внутренним отсеком 4 ивнешним отсеком 5 выдавливает жидкий азот из внутреннего отсека 4 во внешний отсек 5, уменьшая уровень жидкого азота во внутреннем отсеке 4 и увеличивая уровень азота во внешнем отсеке 5. При этом расстояние между образцом и уровнем жидкого азота увеличивается. Снижение уровня жидкого азота во внутреннем отсеке 4 увеличивает часть теплопроводного элемента 10, расположенную над уровнем жидкого азота, тем самым увеличивается тепловое сопротивление между образцом в контейнере 7 и жидким азотом 2, а следовательно, уменьшает"я тепловой поток, отводимый от образца по теплопроводному элементу 10, что снижает скорость охлаждения образца в контейнере 7. Нагреватель 9 дополнительно нагревает образец (биообъект)вместе с датчиком 8 до такой температуры, при которой напряжение с датчика 8 и преобразователя 36 становится равным напряжению с задатчика 37, при этом разностный сигнал становится равным нулю. Таким образом, обеспечиваются изотермический режим, программный нагрев образца,а также программное охлаждение образца со скоростью меньшей, чем скорость охлаждения образца за счет теплопередачи по теплопроводному элементу 10при постоянном либо уменьшающемсяуровне жидкого азота во внутреннемотсеке 4.При испарении жидкого азота в про-, цессе работы во внешнем отсеке 5 до минимально допустимого уровня срабатывает датчик 24, включая индикатор 32. Это служит сигналом для добавления жидкого азота во внешний отсек 5 сосуда Дьюара 1. Для этого узлом 35 управленйя потоком жидкого азота от9 1224517 крывают вентиль 34 и заполняют через в трубопровод 29 внешний отсек 5 жидким а азотом 2 до верхнего максимального в уровня 26 жидкого азота 2. 0 достиже- с нии уровнем жидкого азота во внешнеме отсеке 5 максимально допустимого а значения 26 сигнализирует датчик 28, е который при срабатывании включает н индикатор 33, после чего узлом 35 п управления герметично перекрывают 10 ш вентиль 34. Устройство готово к про- у должению работы. Процесс добавления н жидкого азота может быть. автоматизи- п рован; в этом случае он происходит ч при работе устройства и не влияет на 1 в рабочий режим. 10 В предложенном варианте койструкции устройства. первый и второй дополнительные нагреватели 13 и 25 расположены в верхней части соответствующих отсеков 4 и 5 над уровнем жидкого азота, т.е. в газовой Фазе. Так как эти нагреватели расположены в верх.ней части отсеков, то при их нагре ве нагреваются прилегающие к ним слои газа. Удельный вес нагретого газа меньше удельного веса холодного газа, поэтому нагретый газ собирается в верхней части отсеков, т,е. конвекции между нагревателями и поверхностью жидкого азота нет, .а следовательно, нет дополнительного подода тепла на испарение жидкого зота. Между нагревателями и поерхностью жидкого азота находится лой холодного газа, который уменьшат испарение с поверхности жидкого зота, Создаваемое давление передатся от нагретого слоя газа к холодому, а от холодного слоя газа - на оверхность жидкого азота, что уменьает его испарение (так как при величении давления скорость испареия уменьшается), Таким образом, расоложение нагревателей в верхней асти отсека снижает расход азотапредложенном устройстве.Применение изобретения обеспечивает широкий диапазон скоростей программируемого охлаждения - от изотермического режима 0 град/мин) до 500-1000 град/мин при теплоемкости образца выше 80 Дж против 130 град150 град/мин при теплоемкости образца до 10Джв известном устройстградве, а также программируемый нагрев.КроМе того, в предложенном устройстве отсутствует локальное заморажи-вание объекта ввиде неравномерного теплоотвода от образца.Все это позволяет повысить сохранность биообъектов нри криозамораживании.1224517 али оставитель И. Ш ехред Н,Бонкало рректор С. Черн Редакт Веселовская раз 482 Подписинного комитета СССРний и открытий, Раушская наб д. 4/5 аказ 1910/ Про Ти ВНИИПИ Государств по делам изобрет 13035, Москва, Ж-З