UNIDAD DE CONSERVACIÓN BIOLÓGICA CRIOGÉNICA
Campo Técnico Esta invención se refiere generalmente a la conservación de muestras biológicas y, más particularmente, a la conservación de muestras biológicas a temperaturas criogénicas.
Técnica Anterior Existe una tendencia creciente hacia almacenamiento criogénico de muestras biológicas a temperaturas por debajo de 140K. Esta tendencia se conduce por el hecho de que poca degradación de la muestra a nada ocurre por debajo de la temperatura de transición vitrea de la muestra que es aproximadamente 140K. Las unidades de conservación de muestra biológica criogénica, convencionales que almacenan muestras biológicas a temperaturas por debajo de 140K utilizan nitrógeno líquido para mantener las muestras biológicas frías. Estas unidades típicamente almacenan las muestras dentro de un espacio aislado al vacío arriba de un estanque de nitrógeno líquido o sumergido dentro del estanque de nitrógeno líquido. El nitrógeno líquido necesita rellenarse periódicamente. Esto es costoso, no solamente debido al costo del nitrógeno, sino que también debido a los procedimientos complicados requeridos para manejar el nitrógeno líquido.
Breve Descripción de la Invención Un aspecto de la invención es: Un aparato de conservación biológica criogénica que comprende: (A) una fuente de nitrógeno, un recipiente aislado, y medios para proporcionar nitrógeno gaseoso de la fuente de nitrógeno hacia el recipiente aislado; y (B) un crioenfriador montado en el recipiente aislado, dicho crioenfriador teniendo un índice frío posicionado para proporcionar refrigeración al recipiente aislado. Otro aspecto de la invención es: Un método para operar una unidad de conservación biológica criogénica que comprende: (A) pasar nitrógeno gaseoso de una fuente de nitrógeno hacia un recipiente aislado que contiene al menos una muestra biológica; y (B) proporcionar refrigeración de un crioenfriador al recipiente aislado y condensar algo del nitrógeno gaseoso para formar nitrógeno líquido dentro del recipiente aislado. Como se utiliza en la presente, el término "separador de membrana" significa un aparato construido de tubos de fibra huecos de material de membrana que impregna preferentemente oxígeno sobre nitrógeno. Cuando aire alimentado presurizado se pasa sobre los tubos, una corriente enriquecida con nitrógeno (retenida) como se forma en el lado de alimentación, y una
corriente enriquecida con oxígeno (impregnada) se forma dentro de los tubos de fibra huecos. Como se utiliza en la presente el término "crioenfriador" significa un refrigerador que puede producir refrigeración por debajo de 193K para el propósito de enfriar muestras biológicas. Como se utiliza en la presente, el término "cabezal frío" significa la porción del crioenfriador que contiene el intercambiador de calor frío, enfriador posterior y regenerador. Como se utiliza en la presente, el término "índice frío" significa una porción de un cabezal frío que se configura de manera que el intercambiador de cabezal frío se ubique en un extremo del cabezal frío. El índice frío se refiere a la porción del cabezal frío con esta configuración que, en operación, está a una temperatura por debajo de aquella del enfriador posterior. Como se utiliza en la presente, el término "muestra biológica" significa un material orgánico. Algunos ejemplos de muestras biológicas son proteínas, plaquetas sanguíneas, cartílago y válvulas del corazón. Como se utiliza en la presente el término "aire alimentado" significa una mezcla que comprende principalmente oxígeno y nitrógeno, tal como aire ambiente. Como se utiliza en la presente el término "nitrógeno gaseoso" significa un gas que tiene una concentración de nitrógeno dentro del rango de desde 95 a 99.95 por ciento molar.
Breve Descripción de los Dibujos Figura 1 es una representación transversal de una modalidad preferida del aparato de conservación biológica criogénica de esta invención en donde la fuente de nitrógeno es un separador de membrana. Figura 2 es una representación de un sistema separador de membrana que puede utilizarse en la práctica de la unidad de conservación biológica criogénica de esta invención.
Descripción Detallada La invención se describirá en detalle con referencia a los Dibujos. Refiriéndose ahora a la Figura 1 , se muestra una unidad de conservación biológica criogénica que comprende un recipiente aislado que tiene una pared de recipiente 1 y que tiene aislamiento, típicamente aislamiento al vacío, 3 adyacente al interior de la pared de recipiente 1. La pared de recipiente 1 y aislamiento 3 definen el interior del recipiente o espacio de almacenamiento 2. En la porción inferior del interior del recipiente 2 está un estanque de nitrógeno líquido 4. Dentro del interior del recipiente 2 y preferentemente arriba del estanque de nitrógeno líquido 4 se almacena al menos una muestra biológica. En la Figura 1 se ilustra en forma representativa una pluralidad de muestras biológicas 5 en un sistema de estante. En general, la unidad de conservación biológica criogénica dentro de esta invención tendrá un diámetro
dentro del rango de desde 76.20 a 152.40 cm y una altura dentro del rango de 1 14.30 a 190.50 cm. Dependiendo del tamaño de las muestras biológicas y del tipo de sistema de estante utilizado, la unidad de conservación biológica criogénica de esta invención puede acomodar o almacenar hasta 15,000 a 80,000 muestras biológicas en frascos de plástico de 1 -2 ml. Los artículos grandes tales como bolsas de sangre y órganos también pueden almacenarse. La unidad de conservación biológica criogénica de esta invención tiene una abertura 20 que permite al acceso al interior del recipiente 2 desde afuera del recipiente y a través del cual las muestras biológicas se colocan en y remueven del interior del recipiente. Dentro de la abertura 20 se coloca una tapa 21 que se aisla típicamente utilizando una espuma de celda cerrada tal como poliestireno expandido, y que se coloca en la abertura 20 cuando el acceso al interior del recipiente 2 no se desea. En la modalidad de la invención ilustrada en la Figura 1 , la tapa 20 comprende una porción fija 1 1 y una porción removible 7. La porción removible 7 se remueve de la abertura 20 cuando el acceso al interior del recipiente 2 se desea. Cualquier crioenfriador adecuado puede utilizarse en la práctica de esta invención. Entre tales crioenfríadores uno puede nombrar los crioenfriadores Stirlíng, crioenfriadores Gifford-McMahon y refrigeradores de tubo de impulso. Un refrigerador de tubo de impulso es un sistema de refrigeración cerrado que oscila
un gas de trabajo en un ciclo cerrado y así hace transferencias de una carga de calor de una sección fría a una sección caliente. La frecuencia y fase de las oscilaciones se determina por la configuración del sistema. El conductor o generador de onda de presión puede ser un pistón o algún otro dispositivo de compresión mecánica, o un dispositivo de generación de onda termoacústica o acústica, o cualquier otro dispositivo adecuado para proporcionar un impulso u onda de compresión a un gas de trabajo. Es decir, la el generador de onda de presión suministra energía al gas de trabajo dentro del tubo de impulso causando oscilaciones de velocidad y presión. Helio es el gas de trabajo preferido; sin embargo un gas de trabajo efectivo puede utilizarse en el refrigerador de tubo de impulso y entre tales uno puede nombrar nitrógeno, oxígeno, argón y neón o mezclas que contienen uno o más de los mismos tal como aire. El gas de trabajo oscilante es enfría preferentemente en un enfriador posterior y después en un regenerador a medida que se mueve hacia el extremo frío. La geometría y configuración de impulso en el sistema de refrigeración de tubo de impulso es tal que el gas de trabajo oscilante en el cabezal frío se expande por alguna fracción del ciclo de impulso y el calor se absorbe por el gas de trabajo por intercambio de calor indirecto que proporciona refrigeración al interior del recipiente. Preferentemente el sistema de refrigeración de tubo de impulso emplea un tubo inerte y recipiente para mantener los impulsos de presión y desplazamiento
de gas en fases apropiadas. El tamaño del recipiente es suficientemente largo de manera que esencialmente oscilación de muy poca presión ocurre en él durante el flujo oscilante. Los componentes del crioenfriador 10 incluyen el equipo de compresión mecánica (generador de onda de presión), el tubo inerte y recipiente, el sistema de rechazo de calor final y los componentes eléctricos requeridos para conducir y controlar el crioenfriador. La energía eléctrica se convierte principalmente en energía acústica en el generador de onda de presión. Esta energía acústica se transfiere por el gas de trabajo oscilante al cabezal frío 8 a través del tubo de transferencia 9. El tubo de transferencia 9 conecta el generador de onda de presión al enfriador posterior ubicado en el extremo caliente del cabezal frío 8, donde el calor se remueve como se descpbe previamente. El crioenfriador puede controlarse para proporcionar cantidades variables de refrigeración al extremo frío del índice frío 6 dependiendo de las condiciones en el interior del recipiente 2 de la unidad de conservación biológica criogénica. Esto se realiza al modular la salida de energía acústica del generador de onda de presión al variar el voltaje y de esta manera la energía eléctrica suministrada. El crioenfriador preferentemente se controlaría en base a la temperatura del interior del recipiente 2 de la unidad de conservación biológica criogénica. En la modalidad de la invención ¡lustrada en la Figura 1 , el índice frío 6 penetra en el interior del recipiente 2 y proporciona
refrigeración directamente al interior del recipiente. La refrigeración enfría y condensa vapor de nitrógeno dentro de la porción superior del interior del recipiente 2 como se describirá más completamente abajo, eliminando así la necesidad de rellenar el nitrógeno líquido desde el exterior la unidad y minimizar así los sistemas y procedimientos de manejo de nitrógeno líquido complicados y costosos. El nitrógeno condensado cae por gravedad al estanque de nitrógeno líquido 4 en la porción inferior del interior de recipiente. La temperatura en el nivel más bajo del almacenamiento de muestra dentro del interior del recipiente puede ser tan baja como 77K y está generalmente dentro del rango de desde 80 a 95K. Sin embargo, la temperatura normal en los niveles superiores del almacenamiento de muestra puede estar dentro del rango de desde 95 a 140K sin el uso del crioenfriador integrado de esta invención. Las muestras en los estantes superiores de unidades de conservación biológica criogénica convencionales podrían exceder la temperatura de transición vitrea de las muestras biológicas cuando la tapa se remueve para acceso al interior. Por esta razón, el almacenamiento de muestras biológicas en la porción superior de unidades de conservación biológica criogénica convencionales con frecuencia se evita. Sin embargo, con la unidad de conservación biológica criogénica de esta invención que proporciona refrigeración del crioenfriador a la parte superior del interior de recipiente, las muestras biológicas pueden almacenarse
en la porción superior del interior de recipiente sin miedo de degradación debido a temperatura elevada. Esto incrementa la capacidad efectiva de la unidad que es otra ventaja de la unidad de conservación biológica criogénica de esta invención sobre sistemas convencionales. En la práctica de esta invención, el crioenfriador continuamente condensará todo o la mayoría del nitrógeno vaporizado debido al derrame de calor en el recipiente. El crioenfriador también condensará algo de nitrógeno gaseoso introducido en el recipiente para hacer pérdidas de nitrógeno. La velocidad perdida típicamente estará dentro del rango de desde 9.07 a 181.44 kg por año con el crioenfriador operando. En la modalidad de la invención ilustrada en la Figura 1 la fuente de nitrógeno es un separador de membrana, que es la fuente de nitrógeno preferida en la práctica de esta invención. Otras fuentes de nitrógeno, tal como un cilindro de gas de nitrógeno o contenedor de nitrógeno líquido, también pueden utilizarse en la práctica de esta invención. Refiriéndose de nuevo a la Figura 1 , el aire alimentado 14, a una presión generalmente dentro del rango de desde 4.9 a 8.44 kg por calibre de centímetro cuadrado (psig) y típicamente aproximadamente 7.03 psig, y libre de cualquier aerosol húmedo, se pasa a través de la válvula de suministro 18 y como corriente 30 hacia sistema de separador de membrana 12. La válvula de liberación de presión 17 se utiliza para evitar la sobrepresurización destructiva del separador de membrana. Dentro del sistema separador de membrana 12 el aire
alimentado se filtra y separa en gas de desperdicio y nitrógeno gaseoso. Figura 2 ¡lustra una modalidad preferida de un sistema separador de membrana que puede utilizarse en la práctica de esta invención. Los números en la Figura 2 son los mismos que aquellos de la Figura 1 para los elementos comunes. Refiriéndose ahora a la Figura 2, el aire alimentado presurizado 30 se alimenta en el sistema separador de membrana 12 que comprende prefiltro 31 , filtro de retiro de aceite 32 y separador de membrana 33. El prefiltro 31 sirve para remover las partículas tan pequeñas como aproximadamente 1 micrón y el filtro de retiro de aceite 32 sirve para remover aceite para producir aire alimentado que está esencialmente libre de aceite y materia particulada. El aire alimentado se separa en el separador de membrana 33 en gas de desperdicio 15 que se ventila y en nitrógeno gaseoso que se remueve del separador de membrana 33 en corriente 34. El nitrógeno gaseoso preferentemente tiene una concentración de nitrógeno dentro del rango de desde 99.5 a 99.95 por ciento molar, típicamente aproximadamente 99.9 por ciento molar, y tiene un punto de rocío atmosférico dentro del rango de desde -45.55 a -101.1 1 °C, típicamente aproximadamente -73.33°C. El nitrógeno gaseoso se pasa a la válvula de control 13 y de válvula de control 13 en el conducto 16 hacia el espacio interior 2 del recipiente aislado. Preferentemente, como se ilustra en la Figura 1 , el nitrógeno gaseoso se proporciona hacia el recipiente
aislado en el estanque de nitrógeno líquido 4. Alternativamente, el nitrógeno gaseoso líquido puede proporcionarse en el recipiente aislado arriba de la superficie del estanque de nitrógeno líquido de manera que la corriente de nitrógeno gaseoso impregna la superficie del estanque de nitrógeno líquido. La válvula de control 13 controla y mide el flujo de nitrógeno gaseoso hacia el recipiente aislado a través de la entrada 16 durante cualquier periodo de tiempo deseado. La válvula de control 13 se ajusta automáticamente en base a la señal obtenida de un sensor de nivel líquido (no mostrado). Esta válvula de control tendrá un tamaño de orificio de asiento para limitar el flujo de nitrógeno gaseoso hacia el recipiente aislado suficientemente para no abrumar el crioenfriador y elevar la temperatura del espacio de almacenamiento 2. La velocidad de flujo de nitrógeno gaseoso introducido en el recipiente aislado a través de la válvula de control 13 y entrada 16 varía, pero es suficiente para mantener o formar el nivel líquido dentro del recipiente. La válvula 18 se cierra automáticamente cuando la unidad de separador de membrana no está en operación y también se utilizará para limitar el flujo de aire alimentado comprimido en la unidad de separador de membrana según se requiera. El nitrógeno gaseoso introducido en el recipiente aislado a través de la entrada 16 está a una temperatura más alta que el nitrógeno líquido en el interior del recipiente. El calor sensible del nitrógeno introducido se remueve pri ncipalmente por la
transferencia de calor directa del burbujeo de vapor a través de o impregnado en la superficie del estanque de nitrógeno líquido 4. El calentamiento del estanque de nitrógeno líquido 4 causa que vapor saturado adicional se produzca a medida que el estanque de nitrógeno líquido acepta calor del nitrógeno gaseoso de entrada. El vapor de nitrógeno introducido y el vapor adicional generado se calientan por convección en el espacio de almacenamiento y predominantemente se licúan en el intercambiador de calor frío del índice frío 6. El líquido generado en el intercambiador de calor frío se regresa entonces por gravedad al estanque de nitrógeno líquido 4. Cualquier porción del vapor que no se condensa pasará por la tapa 21 y se ventilará. El críoenfriador 8, 9, 10, el separador de membrana 12 y válvula de control 13 pueden controlarse para formar o mantener el nivel líquido en el recipiente aislado sin fuente de líquido externa. Los mecanismos de control empleados para estos artículos suponen la detección del nivel líquido, espacio de almacenamiento contra diferencial de presión ambiente, y la temperatura del espacio de almacenamiento, pero emplean uno, dos o todos de estos medios de detección. Aunque la invención se ha descrito en detalle con referencia a ciertas modalidades preferidas, aquellos expertos en la materia reconocerán que hay otras modalidades de la invención dentro del espíritu y alcance de las reivindicaciones. Por ejemplo, el prefiltro y/o el filtro de retiro de aceite mostrado en la Figura 2 no necesitan emplearse o pueden emplearse en otras ubicaciones.