Kühleinrichtung für biologische Proben

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für biologische Proben, insbesondere für die Untersuchung, Manipulation und Bearbeitung von Kryoproben, gemäß dem Oberbegriff des An- Spruchs 1.

Es ist im Bereich der Biologie, der Pharmakologie, der Medi¬ zin und der Biotechnologie bekannt, Proben von biologischem Material unter Aufrechterhaltung der Vitalität des Probenma- terials bei Temperaturen flüssigen Stickstoffs einzufrieren. Derartige Proben werden auch als Kryoproben bezeichnet, wobei die Vitalitätserhaltende Lagerung solcher Kryoproben in soge¬ nannten Kryotanks erfolgt, in denen sich flüssiger Stickstoff befindet. Zur Manipulation, Bearbeitung oder Untersuchung der Kryoproben werden diese aus dem Kryotank entnommen und in ei¬ ne Kühleinrichtung eingeführt, die beispielsweise aus einer Wanne bestehen kann, an deren Boden sich flüssiger Stickstoff befindet, der auch als Stickstoffsee bezeichnet wird und langsam verdampft, so dass die in der Wanne befindliche Kry- oprobe weiterhin ausreichend gekühlt wird. Zur Vermeidung ei¬ nes Ausgasens des flüssigen Stickstoffs in die Umgebungsluft kann hierbei eine durchsichtige Schutzglocke auf die Wanne aufgesetzt werden, wobei sich in der Wandung der Schutzglocke Handschuhmanschetten befinden können, über die eine Bedie- nungsperson die in der Wanne befindliche Kryoprobe manipulie¬ ren kann.

Nachteilig an der vorstehend beschriebenen bekannten Kühlein¬ richtung zur Manipulation, Bearbeitung oder Untersuchung von Kryoproben ist die unbefriedigende Temperaturkonstanz und -Verteilung innerhalb der Wanne.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Kühleinrichtung ist die Tatsache, dass die Schutzglocke aufgrund des aus dem Stick¬ stoffsee ausgasenden Stickstoffs beschlagen kann, was die Sichtkontrolle wesentlich erschwert.

Darüber hinaus kann man die Temperatur innerhalb der Wanne bei der bekannten Kühleinrichtung nicht oder nur schwer durch eine Veränderung der in die Wanne eingebrachten Menge flüssi¬ gen Stickstoffs einstellen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die ein- gangs beschriebene Kühleinrichtung entsprechend zu verbes¬ sern.

Eine weiteres Ziel kann darin bestehen, die Temperaturkon¬ stanz in der Kühleinrichtung zu verbessern, die Einstellung der Temperatur zu ermöglichen, die Temperaturverteilung in¬ nerhalb der Kühleinrichtung zu optimieren, ein Beschlagen der Schutzglocke zu vermeiden und die Feuchtigkeit in dem Kühl¬ raum zu minimieren.

Die vorstehend erwähnte Aufgabe wird durch eine Kühleinrich¬ tung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf der technischen Erkenntnis, dass die unbefriedigende Temperaturkonstanz und -Verteilung innerhalb der Kühlwanne bei der bekannten Kühleinrichtung dadurch ver¬ ursacht wird, dass sich der aus dem Stickstoffsee ausgasende Stickstoff innerhalb der Kühleinrichtung Undefiniert verbrei¬ tet, so dass sich die gewünschte Arbeitstemperatur nur schwer erreichen und kaum regeln lässt. Das unkontrollierte Ausgasen von Stickstoff aus dem Stickstoffsee führt darüber hinaus zu dem Beschlagen der aufgesetzten Schutzglocke.

Die Erfindung umfasst deshalb die allgemeine technische Leh- re, einen Stickstoffsee in der Kühleinrichtung zu vermeiden und stattdessen gasförmigen Stickstoff kontrolliert in den Kühlraum einzuleiten.

Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung weist deshalb zur Auf- nähme von Kühlgut einen Kühlraum auf, der von einer Innenwan¬ dung und einer Außenwandung begrenzt wird, wobei sich zwi¬ schen der Innenwandung und der Außenwandung ein Zwischenraum befindet, in den eine Kühlmittelzuleitung mündet. Das Kühl¬ mittel (z.B. flüssiger Stickstoff) wird hierbei also nicht direkt in den Kühlraum eingeleitet, sondern in den Zwischen¬ raum zwischen der Innenwandung und der Außenwandung des Kühl¬ raums, wobei die Innenwandung für das Kühlmittel durchlässig ist, so dass das Kühlmittel aus dem Zwischenraum zwischen der Außenwandung und der Innenwandung durch die Innenwandung hin- durch in den Kühlraum eintritt.

Vorzugsweise ist in dem Zwischenraum zwischen der Innenwan¬ dung und der Außenwandung des Kühlraums ein Puffermaterial angeordnet, welches das in den Zwischenraum eingeleitete Kühlmittel vorübergehend aufnimmt und kontinuierlich durch die Innenwandung hindurch in den Kühlraurα abgibt.

Das Puffermaterial ist deshalb vorzugsweise porös, um bei¬ spielsweise flüssigen Stickstoff Zwischenspeichern zu können.

Die Außenwandung des Kühlraums ist im Gegensatz zu der Innen¬ wandung des Kühlraums vorzugsweise für das Kühlmittel un¬ durchlässig, um ein Austreten des Kühlmittels nach außen in die Umgebung zu verhindern. Darüber hinaus ist die Außenwan- düng vorzugsweise thermisch isolierend, um eine Abkühlung der Umgebung bzw. eine Erwärmung der Kühleinrichtung zu vermei¬ den.

Die Innenwandung des Kühlraums besteht dagegen vorzugsweise aus einem thermisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Metall, um den Wärmeübergang von dem innenliegenden Kühlraum auf das in dem Zwischenraum befindliche Kühlmittel zu verbes¬ sern. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das Material der Innenwandung nicht nur eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist, sondern auch eine hohe spezifische Wärmekapazität hat, so dass die Innenwandung mit ihrer Wärmekapazität als thermischer Puffer unerwünschten Temperaturschwankungen ent¬ gegenwirkt.

In einem bevorzugten Äusführungsbeispiel der Erfindung ist die Innenwandung im Wesentlichen gitterförmig, so -dass das in dem Zwischenraum befindliche Kühlmittel weitgehend ungehin¬ dert in den Kühlraum ausgasen kann.

Weiterhin ist der Kühlraum in einem bevorzugten Ausführungs¬ beispiel der Erfindung wannenförmig und weist an seiner Ober¬ seite einen umlaufenden Rand auf, wobei die Kühlmittelzulei¬ tung vorzugsweise einen Kühlmittelverteiler aufweist, der sich entlang dem umlaufenden Rand des Kühlraums erstreckt und das Kühlmittel über seine Länge verteilt in den Zwischenraum zwischen der Innenwandung und der Außenwandung des Kühlraums einleitet. Das Kühlmittel wird hierbei also gleichmäßig in den Zwischenraum zwischen der Innenwandung und der Außenwan- düng des Kühlraums eingeleitet, was vorteilhaft zu einer gleichmäßigen Temperaturverteilung in dem Kühlraum führt, da der Kühlraum von allen Seiten gleichmäßig gekühlt wird. Darüber hinaus besteht im Rahmen der Erfindung die Möglich¬ keit, dass in dem Kühlraum ein Heizelement angeordnet ist, um den Kühlraum zu erwärmen oder das in dem Kühlraum befindliche Kühlgut zu aufzutauen. Vorzugsweise ist dieses Heizelement unter bzw. in einer Heizplatte angeordnet, wobei die Heiz¬ platte vorzugsweise mehrere Durchlässe aufweist, die eine GasZirkulation ermöglichen.

Wie bei der eingangs beschriebenen bekannten Kühleinrichtung besteht auch bei der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung die Möglichkeit, auf den Kühlraum eine abnehmbare Schutzglocke aufzusetzen, um das Eindringen von Feuchtigkeit in den Kühl¬ raum zu vermeiden. Vorzugsweise ist diese Schutzglocke min¬ destens teilweise durchsichtig, um eine Sichtkontrolle des in dem Kühlraum befindlichen Kühlguts zu ermöglichen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Schutzglocke eine Probenschleuse auf, durch die das Kühl¬ gut in den Kühlraum eingeführt bzw. aus dem Kühlraum entnom- men werden kann, wobei die Probenschleuse einen Wärmeaus¬ tausch mit der Umgebung weitgehend verhindert.

Ferner kann an der Unterseite der Schutzglocke und/oder an der Oberseite des Kühlraums ein Kaltgasauslass angeordnet sein, über den Kühlmittel oder Kaltgas aus dem Kühlraum ent¬ weichen kann. Dieser Kaltgasauslass verursacht einen großen Temperaturgradienten in der Höhe des Kaltgasauslasses, wobei die Temperatur oberhalb des Kaltgasauslasses wesentlich höher ist als unterhalb des Kaltgasauslasses. Auf diese Weise wird vorteilhaft ein Beschlagen der Schutzglocke verhindert.

Weiterhin erfolgt im Rahmen der Erfindung vorzugsweise eine Regelung der Temperatur in dem Kühlraum. Hierzu weist die er¬ findungsgemäße Kühleinrichtung vorzugsweise einen in dem Kühlraum angeordneten Temperatursensor auf, um die Temperatur in dem Kühlraum zu messen bzw. zu regulieren. Als Stellglied zur Temperatureinstellung ist dann vorzugsweise ein steuerba¬ res Kühlmittelventil vorgesehen, das die Menge des zugeführ- ten Kühlmittels bzw. den Kühlmittelstrom einstellt. Die ei¬ gentliche Temperaturregelung erfolgt dann durch einen Tempe¬ raturregler, der eingangsseitig mit dem Temperatursensor ver¬ bunden ist und ausgangsseitig das Kühlmittelventil entspre¬ chend einem vorgegebenen Temperatur-Sollwert ansteuert.

Die Ansteuerung des Kühlmittelventils durch den Temperatur¬ regler kann hierbei über einen Taktgeber erfolgen, der das Kühlmittelventil abwechselnd öffnet und schließt, wobei die Öffnungs- und Schließzeiten des Kühlmittelventils von dem Taktgeber vorgegeben und von dem Temperaturregler eingestellt werden. Die Kühlmittelzufuhr erfolgt hierbei also diskontinu¬ ierlich, indem das Kühlmittelventil abwechselnd öffnet und schließt.

Vorzugsweise ist der Temperatursensor zur Erfassung der Tem¬ peratur in dem Kühlraum hierbei auf der Bearbeitungsposition des Kühlraums angeordnet, um die optimale Bearbeitungstempe¬ ratur in dem Kühlraum zu messen bzw. zu regulieren.

Der Temperaturregler regelt die Temperatur in dem Kühlraum deshalb vorzugsweise so, dass sich am Boden des Kühlraums kein Kühlmittelsee bildet.

Ferner ist zu erwähnen, dass es sich bei dem Kühlmittel vor- zugsweise um flüssigen Stickstoff handelt, wobei die Erfin¬ dung jedoch nicht auf Stickstoff als Kühlmittel beschränkt ist, sondern auch mit anderen flüssigen oder gasförmigen Kühlmitteln realisierbar ist, die in den Zwischenraum zwi- sehen der Innenwandung und der Außenwandung des Kühlraums eingeleitet werden können.

Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung kann für verschiedene Temperaturbereiche eingesetzt werden, wie beispielsweise bei Temperaturen von ungefähr -1500C, -1300C, -800C, -400C, +4°C oder +370C, wobei die vorstehend erwähnten Temperaturbereiche beispielsweise eine Bandbreite von +100C, ±5°C oder +2°C um¬ fassen können. Eine Temperatur von 370C ist vorteilhaft, weil die Wachstumstemperatur von biologischen Zellen dann optimal ist. Eine Temperatur von +40C bietet dagegen den Vorteil, dass die physiologischen Prozesse in den Zellen verlangsamt sind. Bei einer Manipulation von Zellen bei einer Temperatur von weniger als 40C ist die Zellschädigung geringer (z.B. mit Tropsia und DMSO) .

Schließlich umfasst die Erfindung nicht nur die vorstehend beschriebene Kühleinrichtung als Gerät, sondern auch die Ver¬ wendung einer solchen Kühleinrichtung zur Untersuchung, Bear- beitung und/oder Manipulation einer Kryoprobe.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusam¬ men mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Perspektivansicht eines bevorzugten Ausfüh¬ rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kühleinrich¬ tung mit einer aufgesetzten Schutzglocke,

Figur 2 eine Perspektivansicht der Schutzglocke aus Figur 1 im abgenommenen Zustand, Figur 3 eine Querschnittsansicht der Wandstruktur des Kühl¬ raums bei der Kühleinrichtung aus Figur 1,

Figur 4 eine vereinfachte perspektivische Darstellung der Kühlmittelzufuhr bei der Kühleinrichtung aus Fi¬ gur 1 sowie

Figur 5 ein regelungstechnisches Ersatzschaltbild der Kühl¬ einrichtung aus Figur 1.

Das in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung 1 dient zur Temperierung eines Kühlraums zur Aufnahme von Kryoproben bei einer Unter¬ suchung, Manipulation und/oder Bearbeitung.

Hierzu weist die Kühleinrichtung 1 eine Kryo-Wanne 2 mit ei¬ nem wannenförmigen, oben offenen Kühlraum 3 auf, wobei auf die Kryo-Wanne 2 eine abnehmbare Schutzglocke 4 aufgesetzt ist, die das Eindringen von Feuchtigkeit aus der Umgebung in den Kühlraum verhindert und detailliert in Figur 2 darge¬ stellt ist.

Die Schutzglocke 4 weist zur Einführung der Kryoproben in den Kühlraum 3 und zur Entnahme der Kryoproben aus dem Kühlraum 3 eine Probenschleuse 5 auf, die seitlich an der Schutzglocke 4 angebracht ist und beim Einführen der Kryoproben bzw. bei der Entnahme der Kryoproben einen Wärmeaustausch mit der Umgebung weitgehend verhindert und die Feuchtigkeit in dem Kühlraum 3 minimiert.

Weiterhin weist die Schutzglocke 4 an ihrer Oberseite eine Lampe 6 auf, um den Kühlraum 3 zu beleuchten und die Manipu¬ lation der in dem Kühlraum 3 befindlichen Kryoproben dadurch zu erleichtern. Die Schutzglocke 4 selbst besteht hierbei aus einem durch¬ sichtigen Material, was eine einfache Sichtkontrolle durch eine Bedienungsperson erlaubt.

An der abgeschrägten Vorderseite der Schutzglocke 4 befinden sich zwei herkömmliche Handschuhmanschetten 1, 8, durch die eine Bedienungsperson die in dem Kühlraum 3 befindlichen Kry- oproben ohne Gasaustausch manipulieren kann.

Ferner befinden sich an der Rückseite der Schutzglocke 4 un¬ ten zwei Öffnungen 9, über die Kaltgas aus der Schutzglocke 4 austreten kann. Die beiden Öffnungen 9 haben zur Folge, dass sich in der Höhe der beiden Öffnungen 9 ein großer Tempera- turgradient einstellt, da Kaltgas aus den beiden Öffnungen 9 nach außen entweicht. Die Atmosphäre in der Schutzglocke 4 oberhalb der Öffnungen 9 ist deshalb wesentlich wärmer als unterhalb der Öffnungen 9, was einem Beschlagen der Innenwän¬ de der Schutzglocke 4 entgegenwirkt.

An der Oberseite der Kryo-Wanne 2 befindet sich an der an der Vorderseite weiterhin ein Bedien- und Anzeigefeld 10, an dem die Temperatur in dem Kühlraum 3 angezeigt und eingestellt werden kann.

Die Kühlung des Kühlraums 3 erfolgt hierbei durch flüssigen Stickstoff, der aus einem Stickstofftank (z.B. einem Apollo- Behälter) über eine Stickstoffleitung 11 zugeführt wird, wo¬ bei die Stickstoffleitung 11 nicht direkt in den Kühlraum 3 mündet, um die Bildung eines Stickstoffsees am Boden des Kühlraums 3 zu vermeiden. Stattdessen mündet die Stickstoff- leitung 11 über ein elektrisch steuerbares Kühlmittelventil 12 in eine Kühlmittelzuleitung 13, wobei sich die Kühlmittel¬ zuleitung 13 entlang dem umlaufenden Rand des wannenförmigen Kühlraums 3 erstreckt und den flüssigen Stickstoff über die Länge verteilt abgibt.

Der Kühlraum 3 ist hierbei von einer aus Metall bestehenden,. gitterförmigen Innenwandung 14 begrenzt, die von einer Außen¬ wandung 15 umschlossen wird, wobei die Innenwandung 14 und die Außenwandung 15 einen Zwischenraum einschließen, in dem ein Puffermaterial 16 angeordnet ist. Die Kühlmittelzuleitung 13 ist in seitlicher Richtung zwischen der Innenwandung 14 und der Außenwandung 15 oberhalb des Puffermaterials 16 ange¬ ordnet und weist nach unten gerichtete Austrittsöffnungen auf, durch die flüssiger Stickstoff aus dem Inneren der Kühl¬ mittelzuleitung 13 in das Puffermaterial 16 abgegeben wird. Das Puffermaterial 16 absorbiert den flüssigen Stickstoff und gibt diesen kontinuierlich durch die gitterförmige Innenwan¬ dung 14 hindurch in den Kühlraum 3 ab.

Das Kühlmittelventil 12 arbeitet hierbei diskontinuierlich, indem das Kühlmittelventil 12 entweder schließt oder öffnet.

Die Ansteuerung des Kühlmittelventils 12 erfolgt hierbei durch einen Taktgeber 17, wobei die Öffnungszeit TauF und die Schließzeit Tzü für das Kühlmittelventil 12 von einem Regler 18 vorgegeben werden, um das Kühlmittel zu dosieren.

Die Regelung erfolgt hierbei in Abhängigkeit von der Tempera¬ tur in dem Kühlraum 3, die von einem Temperatursensor 19 ge¬ messen wird, wobei der Temperatursensor 19 an der Bearbei¬ tungsposition des Kühlraums 3 angeordnet ist.

Der Temperatursensor 19 misst deshalb eine Temperatur TiST und liefert diese an einen Subtrahierer 20 weiter, der als weite¬ re Eingangsgröße einen Sollwert TSOLL für die Temperatur in dem Kύhlraum 3 erhalt und eine Soll-Ist-Abweichung ΔT be¬ rechnet.

Der Regler 18 stellt die Öffnungszeit TaüF und die Schließzeit Tzü für das Kuhlmittelventxl 12 dann so ein, dass die ge¬ wünschte Temperatur (z.B. -1300C) in dem Kuhlraum 3 herrscht, ohne dass sich am Boden des Kuhlraums 3 ein Stickstoffsee bildet.

Weiterhin ist auf dem Boden des Kuhlraums 3 eine Heizplatte 21 angeordnet, die eine Beheizung der Kryoprobe und des Kuhl¬ raums 3 ermöglicht.

In der Heizplatte 21 sind hierbei zahlreiche senkrecht durch- gehende Durchlasse 22 angeordnet, die eine Gaszirkulation er¬ möglichen.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Aus¬ fuhrungsbeispiel beschrankt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Er¬ findungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbe¬ reich fallen. Bezugszeichenliste:

1 Kühleinrichtung 2 Kryo-Wanne 3 Kühlraum 4 Schutzglocke 5 Probenschleuse 6 Lampe 1 ( ' I '3 Handschuhmanschetten 9 Offnungen 10 Bedien- und Anzeigefeld 11 StickstoffIeitung 12 Kühlmittelventil 13 KühlmittelZuleitung 14 Innenwandung 15 Außenwandung 16 Puffermaterial 17 Taktgeber 18 Regler 19 Temperatursensor 0 Subtrahierer 1 Heizplatte 2 Durchlässe * * * * *