автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Диагностика процессов замораживания и отогревамелкодисперсных клеточных суспензий

^ ' НАЦІОНАЛЬНА АНАШІй ИШ УКРАШ 0/4І&ТЮТ ІІРОВШ МШЖ)БУДУВА№М

~ 5 СЕН 1997 '

~ • На правах рукопасу

- Тодрін Олзксавдр їзліксовнч

ДІАГНОСТИКА ПРОЦЕСІВ ЗАМОРОЖУВАННЯ І ВІДІГРІБУ .. ДРІБНОДИСПЕРСШЯ КЛІТЙШШ СУСПЕНЗІЙ . .

Спеціальність 05.14.05 - теоретична теплотехніка .

(• ■ ' ’

ІВГОРВКЗРАТ '

Лісартаціі на здобуття наукового стусони , ■ кандидата технічна* наук .

Харків - 1997

Робота виконана в Інституті проблем крюбіолоп і і крюмв’-дицини Національної Академії наук України. 1

Науковий керівник:

Офіційні опоненти:

Провідна організація:

доктор технічних наук, професор Братута Е.Ґ.

доктор технічних наук, професор Маляренко В.А.;

кандидат технічних наук, с.н.с. Голощапов fi.fi.

Національний науковий центр "Харківський фізико- технічний інститут" НАН України, м. Харків.

Захист відбудеться.» IIй вересня 1997 р. о " ІЗ " годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 02.18.03 при Інституті проблем машинобудування НАН України (310046, м. Харків, вул. Поварського, 2/10;.

З дисертацією мокнз ознайомитися в бібліотеці Інституту проблем машинобудування НАН України. .

Автореферат розіслано «24 р.

Вчений секретар Спеціалізованої ради кандидат технічних наук, с.н.с.

М.Б.Чиркін

■_> - ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА роботи '

■ Актуальність проблеми. Для заморожування і зоарігання рівних вадів оіологічних об'єктів у світі широко застосовується технологічне обладнання 8 використанням рідкого азоту.

Використання низьких температур і-І9ь°С) дозволяв отримати надвисокі швидкості охолодження біооб'єктів, що дає змогу істотно знизити концентрацію кріопротакторгв у клітинних суспензіях, а у деяких випадках і зовеш відмовитись від їх застосування. Проте до останнього часу заморожування великих оо*смів клітинних суспензій з надвисокими швидкостями охолодкення вважалося неможливим. Крім того, біооб'єкти, які заморожені з надвисокими швидкостями охолодкення, повинні й відігріватися з висотам! швидкостями. У зв'язку з цим особливе значення наоувас розробка способів і обладнання для над-швидких охолодаання і нагріву клітинних суспензій. ■

Запропонована робота в одннк ,з етапів дослідження, яке проводилося інститутом цроолем крі об юлогп і кріомедиданк відповідно з координаційними йланаііи Національної Академії наук Україна по овдэтшпе темах: ГР и оі.аа.о овьльг, ГР м оі.87.о 053447< а таноа відповідно з прогремев ГКІЇР СРСР

0.69.14, завдвШшл 02.05И і завданням оз.оі.Т.

Мата роботи. На підставі проведення експериментально-теоретичних досліджень встановити найбільш доцільні рвшгні характеристики процесів замороаування і відігріву дрібнодисперсних кл і тшшах суспензій, а такса запропонувати: нов у технічну реалізацію теплових процесів їх крюконсарвування.

Задачі дослідження. Експериментально- тзорзтйча'і діагностика паракетрів заморожування клітинних суспензій і модельних середовищ при розпиленні їх на охолоджену поверхня ооертовим диском і відігріву гранул, що заморокзні.

На підставі діагностики розрооити спосоои і пристрої для надивидких заморожування і відігріву клітинних суспензій.

Наукова новизна. Отримана можливість заморожувати і відігрівати еритроцити людини з надвисокими швидкостями охолрд-кення і нагріву в оудь яких кількостях, оез застосування крюпротекторів, у стерильних умовах.

Визначено режими надашидких заморожування і відігріву еритроцитів людини і геПатоцитів турів з крюпротекторами різних концентрацій.

З метою розрахунку швидкості охолодження оули отримані емпіричні залежності для визначення форми краплі, яка упала на охолоджену горизонтальну поверхню, від її кінетичної енергії, а також емпіричні залежності поверхневого натягу від температури для плазми крові людини, 10%, 20%, 30% і 40% водних розчинів гліцерину.

Отримано залежності для розрахунку, дисперсності розпилу крові обертовим диском.

Практичне значення, розроолен спосю і створен пристрій для надшвидкого заморожування клітинних суспензій розпиленням на охолоджену поверхню а.С. N 1122869. N 1406855.

N 1597505).

Розроблено методику інженерного розрахунку параметрів теплообмінного пристрою для відігріву гранул, які заморожені.

РозроОлен спосю і створен пристрій для надшвидкого відігріву клітинних суспензій, заморожених у вигляді гранул

іА.С. Н 1732900).

Впровадження. Розроблені на підставі досліджень, які проведені, спосоои і пристрої для■ надивидких заморожування клітинних суспензій розпиленням на охолоджену поверхню і відігріву гранул, які заморожені, впроваджені у відділі низько-

температурної консервації ІШіїН НАН України.

■. Аггоооаці я робота. Наслідки роботи доповідались і оогсзо-

рювались і!а ІІ-Л конференції тгодох вчених ІПКіК НІН Україна "Холод у біологи та ьеетшш", м.Харків. 1984і на 2 Всесоюзній конференції "Механіста кріодоикодкешя і крюзахисту біологічних об'єктів", ы.Харків, 1984і 1-му з'їзді Українського товариства крісбіологп і крюиэдшети. н.Харків, І9&5 р.

Публікації. Основні полоеэння дисертаційної роботи викладені у 4 статтях, і 4 авторській свідоцтвах.

Особиста участь поиукача в роботах, опублікованих у співавторстві, полягає у слідуючому»

1. Розробив католику ексшримакту і технологію крюкон-серзуввння еріітромасн при надвисоких швидкостях охолодазння і нагріву.

з. Розробив схему рзаліааци процесів иадззндких земоро-кування і відігріву ерзтромаси і провів експзрггзгггелшз відпрацювання ретив крюконсзрвузашя,

5. Розробив праотріїї для обігріву трубопроводів постачання клітшшої суспезп на обертовій дяск. .

6. Запропонував і експериментально обгрунтував формулу для розрахунку йввдйосїі руху дискоіюгб розпШйдшча.

7. Заіфопонуйав конструкцій система ігоотаїаїшя іслітнн-ноі суспензії Ііа ОООрТОЕЙ ДЙСК.

иб1 ем робота. ДасзрїацііШЗ робота, йка складена з вступу, 4 глав, шісновків, закінчення, парзліКу посилань, додатку вйслвдзна на 144 сторінках маііщюпйепого тексту. Малюнків 38, тоблшь з. Перелік посилань містять 128 назв.

аміст роботи

У першій главі виконано огляд відомих робіт, які опубліковано у країнах СНД, США,'Великій Британії, ФРН, Японії, де

наведено дані досліджень з кріоконсервування біологічних об'єктів і факторів, впливаючих на збереження кліток,, а також інформація про метода і пристрої для заморожування і відігрі-ву біологічних об'єктів. Еиконано аналіз способів надашидкого охолоджування матеріалів і можливостей надшвидкого заморожування і відігріву клітинних суспензій.

Аналіз цих рооїт дозволив зробити слідуючі висновки.

1. Вважається можливим проводити заморожування малих об'ємів біооб'єктів без застосування крюпротекторів при надвисоких швидкостях охолодження, призводящих до отримання аморфного або дрібнокристалічного і менш ніж 0,05 мкм; внутрішньоклітинного льоду. Перехід внутрішньоклітинного середовища в аморфний стан можливий при швидкостях охолодження порядку 104 К/с, що досягається при заморожуванні зразків, основний характеристичний розмір яких не перевищує 0,3 од.

2. Застосування надвисоких швидкостей охолодження при крюкснсервуванні еритромася можо бути більи перспективним, ніж застосування повільного охолодження. При цьому клітини, г< які заморожені з великими швидкостями охолодження, повинні відігріватися з великими швидкостями нагріву.

3. Традиційні способи заморожування і відігріву біологічних об'єктів при конвективному теплообміні та теплообміні при кипінні кріогенних рідин не дозволяють одержати надвисоких швидкостей охолодження і нагріву. Щонайбільші швидкості охолодження досягаються при заморожуванні тонких шарів біооб'єктів на охолодженій високотеплопровідній поверхні за допомогою контактного теплоооміну.

4. Відсутні відомості про дослідження, які дозволяють визначити форму краплі, яка розтікається по твердій поверхні в умовах твердіння і прогнозувати швидкість її охолодження.

У другій главі зроблено теоретичний аналіз параметрів заморожування клітинних суспензій розпилом на охолодхену поверхню. За основу оуло взято схему пристрою, в якій клітинна суспонзія заморожується шляхом нанесення крапель на охо-

• лодаену високотешюпровідну поверхню за допомогою обертового диска, який виконує зворотньо-поступний рух по осі циліндричного контейнера, розтасованого у рідкому азоті. .

Одним з основних параметрів, вшиваючих на заморонуван-ня рідин при нанесенні крапель на охолоджену поверхню шляхом генерації їх за допомого*) ооертового диска, є діаметр отриманих крапель. Дисперсність крапель при цьому залежить від витрати рідини, п теплофізичних характеристик, діаметра і частота обертання диска. .

Відомо, що існують три режими розпилювання р і дани обертовим диском. Першій і другий реенми характер і зуються відносно однорідними розмірами крапель, тоді як третій рекиї характер ізуеться великою неоднорідністю розмірів.

Щоб отримати рівномірні швидкості охолодження необхідно проводити заморожування при однорідних розмірах крапель, тому розрахунок дисперсності , а такон і експерименти проводилися прп першому і другому режимах розпилу. Розрахунок дисперсності проводився за допомогою відомих рівнянь для розпилу ньюто-нівськнх рідан обертовим диском. Результата розрахунків середнього поверхнево- об■ єгяного діаметра краплі крові імкм) наведені у таблиці І. .

На підставі інтегрування .рівняння для швидкості руху краплі я газоподібному середовищі в залежності від відстані та з урахуванням ошру газу були отримані рівняння для визначення миттєвої та середньої швидкостей руху краплі в залежності від діаметра краплі, початкової швидкості та долаємої

в

Таблиця І

параметри • розпилювання Частота ооертання диска, зо/хв

ЗООО 7000 і 2000 19500

і1д=ігі №{ И=і)іЙ; 0=0,1Ь7.1ІГ® «Р/с 1322 447 219 40

і)д=1В Й=1)і2} 0=0.1Ь7*10_6 М^С 1035 321 166 82 .

и^=ів ті е4)і2і 811 245 127 34

ггд=2§ Нкі Н=13іб5 0=0.22И0~б Ш3/Ь 487 188 53 37

відстані. Наттєва швидкість ик визначається із рівняння»

■ - - ^ [ ‘Г- <'3-' «г (

агої^-

,.і/з

У*Г

£]]■

У57

11)

Д9

аі = 6 (и®)

г/з

ьі =

• і Р і>1/3

р В

Дяй визначеная середньої швидкості краплі отримано рівняння для визначеная часу руху краплі в зелекності від долаємо і відстані:

,1.5

і =

М-

[УВ ~Т

+ 2 атоі^і! - 1 -

/В еоі- 1

ДЄ Е =

ач+ ь'

,2/3

2 аго 1^5 /в ео^_ V ],

(2)

*1 “о „г73~

2

аіьі'

Визначивши час і руху краплі із рівняння (2 / і знаючи відстань і, яку вона долає за цей час, знаходимо середню швидкість краплі. .

Виходячи з середньої швгткості руху краплі на підставі відомих рівнянь нестаціонарної теплопровідності при г.у. 3-го роду визначено температурне поле і середня температура краплі у мить потрапляння на поверхню контейнера, а також оула визначена ступінь твердіння краплі, яка рухається в охолодженому

газі. Крім того, розраховано температуру поверхні лиска, що

У

роертаеться в оюлоданій атмосфері контейнера.

Все ца дало можливість визначити обмеження дисперсності розпилу, швидкості руху краплі та відстані, яку вона долає, з метою запооігання можливості оомерзанля краплі до потрапляння на поверхню контейнера, оскільки при цьому значно знижується п швидкість охолодження, що може вплинути на зоерекення клітинних суспензій, які заморонуються. Такон виявлено максимально можливий час находження диска всередеш контейнера, обмежений, можливістю намерзання рідини на поверхні диска.

На підставі наолихеного аналітичного методу вирішення спрякенної задачі Стефана Для кінцевого об'єму, заснованого на можливості введення ортогональної криволінійної системі координат, погодженої з формою дослідкуємого оо'єкту, розраховані миттєва і середня швидкості охолодшшя краплі на поверхні контейнера в залежності від висоти краплі та полошим меаі поділу фаз. При цьому вважалося, йо крапля має форму зрізаного еліпсоїда ооертання. Середня швидкість охолодження знаходиться за допомогою рівнянь, одне з яких дозволяє визначити середню температуру краплі, а інше- час досягнення цієї температури»

Середня швидкість розраховувалась у гаїть досягнення мекою поділу фаз верхівки краплі. Залежність середньої швидкості охолодження краплі від її висоти показана на кал. І.

О)

ЇЛал.1 - Ззлешість серодньої шеіідкості охолодаїшя краши від висоті: кроши

Розроблено методику розрахунку параметрів розмо-рожувача клітинних сус-нгнзій, ліс і замороазш у Еіігляді гранул, головним елементом якого є обертовий теплообмінний стакан, назгаай форму перевернутого зрізаного конуса- На підставі рівновага спл 1відцентрова сила і сала

ТЯЇ5П2ІЯ, СИЛОЮ ТерТЯ К8Х-

туемоі, діючих на гранулу на поверхні теплообмінного стакана при заданому куті а нахилу образукчої конуса, визначаємо радіус нижньої (меньшои основи стакана:

Г0= й а/шг (5)

Далі, з урахуванням швидкості плавлення гранули і швидкості п руху по радіусу конуса, знаходимо радіус г верхньої основи стакана, спочатку завдаючись висотою гранули її:

УЯІ

Ух + '/а'

•■■/а агоібу/^р-

о - Уа

Уа агсЪ

{Ь)

Маючи значення г0, г і а, знаходимо висоту теплообмінного стакана:

Н0= (г - г0> otg а. (7)

Після аналізу результатів розрахунків були обрані наступні параметри теплообмінного стакана, який має форму зрізаного перевернутого конуса: кут нахилу образуючої, діаметри

ьганьвої, та оілкпої осцсз, висота, частота осорташш, тєїлпє-

ратура поверглі, матеріал стакана. '

Б третій главі ягводзно результата екегшртазнтальшя досліджень. ’ . . _

Оскільки для іір:;::о.г'іг:!л розрахунків нєооїідно знарі шверакевнії нптяг тшсях ршя, як плазт крові лвдаші І воли розчікл гліцзрліу з аахзпеоті від тзтшаратїра, пєігл аули розроблені кэтодпса і прпстрій, яш дозволяють визначати поверхневій натяг в залежності шд темззрагурд. Псвэрхнэвкй натяг визначався по розмірна лосачої краплі з Ешсорясїашям иодкфіковаказ: таоліщь Езгіморта- Адамса. Екстрзгчеитп, проведеш на оїдкстильопапій ваді, показали, що похибка «зтоду яз пзровврзуа ± Булі отримані значення поверхневого натягу плакл! ігрові дашш, ю;3, 20;5, Зр:: і 40* водах розчзиїв гліцерину та кореляційні ршіпшіп для розрахунку значень поверх-нзвого натягу о в залзпгсеті від їз?.-;г*8ратїфїі длл шх рідші, які мають елгляд:

У таоліщі 2 нзгэдпко зпачэная коо-Зщієнтів А і В для розрахунку повврзтвого натягу дослід'лпкх pi.tr::.

О = -А"2 + В.

Оскільки відомі рівняння для визначення дисперсності розпилу рідин ооортовим диском е ешірячішя і отргггааі для ньвтонівських рідин, а ісров е неншг-ошвсьхса рідавай, то

неоохідно визначити можливість застосування цих рівнянь для розрахунку дисперсності розпилу крові. Були проведені експерименти по розпилу крові, в яких краплі потрапляли на горизонтально встановлене скло з нанесеним на нього тонким шаром трасформаторного масла 1 шд мікроскопом проводилося оомірю-вання їх діаметру. Результати експериментального визначення середнього поверхнево- оо’ємного діаметра краплі крові (мкм; при різних режимах розпилювання наведені у таолиці 3.

Таблиця З

Параметри розпилювання Частота ооертання диска, оо/хв

. 3000 7000 12000 19500

ид=1Й ММ; Н=и,ь; <з=о.іь7-іо-6 іР/с 1132 ± 27 40Ь ± 12 202 ± 13 49 ± 9

Н=0,іі; ' 0=0,167-1СГ6 М3/с 674 ± 21 277 ± 14 148 ± 11 89 ± 10

ид=18 ММі “Н=072і 0=0.5-10“® м°/с 722 ± 19 228 ± 12 112 ± 10 39 ± 7

~1Г^=25 Ші Н=0,3;" 0=0.22-10“б м3/с 428 ± 17 154 ± 11 59 ± 9 43 і 8

Встановлено, що відомі залежності для визначення дисперсності розпилу рідин обертовим диском при першому режимі роз-0 пилювання завищують результати, а при другому режимі - занижують і дають похиоку ±18,3!* для крові. Проведні експерименти по обміру діаметрів крапель дозволили отримати рівняння для розрахунку дисперсності при розпиленні ооертовим диском такої неньютонівської рідини, як кров.

Для розрахунку дисперсності при першому режимі розпилення отримано рівняння:

„О.І6 ,,0,153 ..0,233 , й ,0,27 п Б = 69 -2--------ц ______^______ Г_Е_1 т.ті0-'7

рО.693 ІИН,1.306

Для другого режима розпилення пропонується рівняння:

ІЗ

Залежності (9; і по; дають похибку, яка не перевищує ±6,7$ і можуть оути використані для розрахунку дисперсності розпилення крові людини обертовим диском при слідуючих параметрах розпилу: витрата рідини а = (.0,1 - 0,5)»Ю"бм3/с, діаметр диска сд= 18 - 35 мм. .

При розрахунках швидкості охолодження краплі на поверхні контейнера необхідно знати форму, яку приймає крапля після потрапляння на поверхню. Для вирішення ці а і задачі були розроблені методика експерименту і спеціальний пристрій, дозволяючий генерувати краплі різних розмірів (і,8 - 4 мм>, падаючих з різною пвйдкістю на горизонтальну підкладку, охолоджену до -165 - ~і£Ю°С. Підкладки були виготовлені з різних металів. Температура газу в камері пристрою ^камера була заповне-

• на газоподібним азотом для запобігання конденсування атмос-. ферної вологи на поверхні підкладки) була на 1 - 3°С вище за температуру плавлення досліджуємо! рідини. ІІри дослідженні використовувалися дистильована вода, 10* і 30% водні розчини гліцерину. Після падіння краплі на підкладку здійснювалося її фотографування. У наслідок обміру меридіонального перерізу були отримані дані по висоті краплі, діаметру плямй контакту краплі з підкладкою, площі та периметру перерізу краплі. Оскільки лежача крапля має вигляд еліпсоїду, отриманого шляхом обертання урізаного еліпса відносно вертикальної осі, то визначенню підлягають півосі еліпса. Була визначена слідуюча . система рівнянь, яка дозволяє знайти форму краплі в залежності від її кінетичної енергії та властивостей рідини!

= 0,07740 У/е + ЗЬО$Ь90 + ^ ^ ,

п ■ р

І) _ ___________0.989311 ____

~ ехрЮ,Оі 6801 (Уо) У?е°*0972Л ‘

■г

охщ0,0380721«їе + 92455/ ї)

ИЗ)

=.Ъ.//'^------^ уЛа2- й2 ] > Кв>4,'

114)

Ь = ~25 /4а2- й2 ] _ йв£4,4

, Серодньоквадратична похиока аалэхностеи ці) - И4) не перевернув ±7,3)5.

Як оачнмо з отриманих рівнянь, форма краплі не залежить від теплофізичних властивостей матеріалу підкладки, а залежить тільки від ввиякості руху, діаметра і.-раплі та властивостей рідини при даній температурі, що поіяїста зоїгаеться З ДЗШїШ 1іайе;)вку <1. 11983 р,).

На мал.и наведено оориси крапель, отримані експериментально' і розраховані за допомогою рівнянь пі) - іі4).

_ Проведено -експерименти для

визначання розподілу температури газу в охолодїіуємсму контеШіері при находженні в ньому оозртово-го диска і різних р^їи,іах розпилу рідтапі.

■ Спочатку проводилися експерименти по визначеній) впливу підсосу теплого повітря в контейнер внаслідок ооорташїя в ньому"роз-шілзачого диска. Диск оуло роз-' тасовано в середній частині відкритого контейнера. В результаті ного перерізів краплі експериментів оуло встановлено,

цо через ЗО с. після початку ооертання диска в контейнері

1

6

------- експеримент

- - - розрахунок а - и=2,3ш, 6'8=9.36

Ъ - І)=2,Й4Ш, «0=1,47 .

ь

температура газу над ним піднялась від -І9ь°С до -70°С, а шд шзл - до -І22°С. По мірі охолодження розпилюючої системі температура газу зшіяувалеся і через 130 с. роботи знизилась па Ю°С. Перепад температури над і під диском оув у меяах 50 -52°С. " .

Після цього були проведеш експерименти при тих ке умовах, ало в повністю затанэпсму контейнері та з заздалегідь охолоднено» системою розпилу. В цьому випадку не спостерігалося будь- якого ємшешш теиюратури. Цэ показує, що ка температуру газу в контейнері основний вплив мас підсос теплого повітря з атмосфери, а тепло, що виділяється при терті в системі "диск- газ" встигає відводитись до рідкого азоту.

Далі оули проведені експерименти прп обертанні та зворотньо- поступному русі диска, але без розпилу рщпзі. Перепад теиператур над і шд диском склав 35 - 45°С, а по висоті контейнера (При вимірюванні іі тільки над чи,під диском; - 15

- І7°С. .

Останньою серією експериментів оули експерименти з розпилом рідшш. В експериментах варіювалися витрата рщши і • потукисть нагрівача, встановленого па труоопроводі подачі рідини до ооэртового диска. Потужність нагрівача не перевищу-

• вала 20 Бт. Експерименти показали, що змінюйання потужності нагрівача при одній і тій еэ витраті рідини слабо впливає па змінювати температури газу в контейнері.' Значно більший вплив справляє змінювання витрати рідини.

Таким чином, для зниження тешератури газу в контейнері необхідно зменшити підсос теплого повітря або зменшити час находаення розпилюючої системи всередені контейнера.

У четвертій главі описано технологію для заморожування і нагріву клітинних суспензій і наведено схемі п реалізації, а

також відображено результати експериментів по заморожуваншо-нагріву еритроцитів людини і гепатоцитів щура.

У відповідності а проведеними дослідженнями оула розроблена нова технологія заморожування клітинних суспензій. Бона полягає в тому, що в циліндричний контейнер, встановлений вертикально в ємкості з рідким азотом, вводиться ооертовий диск, здійснюючий зворотньо- поступний рух вздовж осі контейнера. На ооертовий диск під час його руху догори подається рідина (суспензія клітин), котра під впливом відцентрової сили розпорошується на краплі. Краплі, потрапляючи на поверхню контейнера, замерзають. Потім вони скидаються з поверхні контейнера і потрапляють у спеціальний зоїрник, а процес розпилювання повторюється. Необхідно відмітити, що для запобігання попадання крапель одна на одну на поверхні контейнера диск повинен рухатися зі швидкістю,' яка в і.шов їда є слідуючий нерівності:

V > . 115)

г % іїк іг

де максимальний діаметр краплі на поверхні контейнера,

■ який, відповідає діаметру плями контакту при и'а > 4,4 або великій осі еліпса при Чіе і 4,4.

Згідно цьому процесу був розроолен і виготовлен пристрій для' заморокування клітинних суспензій розпилом на охолоджену поверхню, схема реалізації цього процесу наведена на мал.З.

Оскільки біологічні об'єкти, які заморожені з надвисокими швидкостями охолодження, повинні й відігріватися зі швидкостями того ж порядку, наш сула запропонована технологія, яка дозволяє розморожувати з надвисокими швидкостями нагріву клітинні суспензії, що заморожені у вигляді гранул.

Сущність запропанованого процесу полягає в тому, що ві-

Мал.3, Схема реалізації процесу, заморожування . клітлйних суспензій.

І- контейнер* 2- є:,®їсть з рідким азотом» з- корпус* 4- роз-шшовач; 5- преривач; 6,7- дозатора; в- змішувач; 9,10,13, 14- трубопроводи; II - прйстрій для зіісму гранул? 12 - гра-нулозоірнпк; 15 - система цодайаїжя холодоагенту; 16,17-патруоюі; І«- дйэрело УФ вйпрсшнювання. ,

дігрівається не весь об'єм замороженого матеріалу одноразово, а кожна гранула окремо. Для цього гранула дрібнім порціями висшоються в обертовйй нагрівавшій теплообмінний стакан, маючий форму зрізаного перевернутого конуса. Потрапляя на поверхня цього стакана, гранула притискується до його стінки відцентровою силою, рухається по Ній догори і плавиться. Розморожений матеріал під впливом відцентрової сили усувається з поверхні стакана. Згідно цьому способу і на підставі проведеного розрахунку нами- був розробляй і вйготовлен пристрій для розморовування гранул на теплій поверхні під дією відцентрової сили. Схема реалізації цього процесу наведена на мал.4.

Для відпрацювання режимів заморожування- відігріву аут

кал.4. Схема реалізації процесу розморожування гранул.

І- тешіооом і ший стекан; 2- канавка,- а- зоїрник; 4- електродвигун; Ь- нагрівач; 6- відоизач: 7- оункер; б- корпус; 9-система подавання гранул; Іи,І2.ІЗ- труоопроводи; ІГ- система подавання холодоагента; 14- ємкість для розмороженого матеріалу.

оорані еритроцити людини і гепатоцити щура, які можливо отримати у неоохідній кількості .

У всіх проведейах експериментах параметри відігріву залишалися постійними: витрата гранул - 0,3 сі^/с; частота ооертання теплооомінного стакана - 500 оо/хв:. температура поверхні теплооомінного стакана - 40°0.

Варіювання швидкостей охолодження здійснювалося змінен-ням розміру краплі та швидкості її руху в мить потрапляння на поверхню коитейнора. Це досягалося шляхом змінення частоти обертання розпилюючого диска, діаметрів диска і контейнера і витрати рідини, що розпилюється. Цілісність клітин визнача-

лась по відносному гемолізу спектрометричним способом. Для заморожування еритроцитів як позаклітинні рідини застосовувались плазма крові людини, ізотонічний і гіпертонічний водні розчини Наоі, а такси шп суміші з різниш крюпротекторами: сахарозою, поліетиленоксидом з молекулярною масою 1500 (ПЕО-1500), полівінілпіролідоном м.м. 12500 (ПВП). Результати екс-

периментів наведено у таблиці 4.

• . Таблиця 4

иовн1шньоклIТЕННЄ СЄЮ9Д0ВЇЕІЄ иоказшШ гематоетіту.й иеЬеДНЯ ЕЕИДКІСТЬ охолодження.К/с "ШШіЗТ %

Кріітроконцентрат . «а ььио 41- Ь± ‘і

Плазма ' оооос ІІЬШ 5700 5600 . : 10700 115000 52,5± 4 28,5- 3 29,7± 2,1 43.2± 4.3 70± 7

0,9% ИаОІ . по 20 20 ' 20 2800 6400 10250 112000 47,4± 3,7 29.2± 1.7 43.2± 3.6 81 ,7±, 5.3

1 .гГНаіЛ 20 1Ш00 24± к

З'.г о,у;-ь наш: 1,5Н сахарози 3:2 0,9» НаСІ! 1.5Н сахатюзп 20 20 25800 9500 11± 1,2 16,5± 2,5

ю» ІІЕо- ії>оо 15* І1Е0- 1500 ЗО* ПЕО- 1500 Зо . зо зо ' бЬОО, "" 14500 16000 25± 2 17.3± 1,7 3± 1

ТоЯ ІІШ зо . а4оо 14.3= 1,3

Як бачимо з результатів експериментів, ми отримали мак-

симум цілості еритроцитів, звморогепих без крюпротектора, при швидкостях охолодження на рівні 6000 К/с.,

Шо стосується еритроцитів заморожених з крюпротекто-ром, то мокна пооачпти, по максимальний захисний вплив на клітини при надвисоких евядкостях охолодження виявляє ПЕО-

■ 1500 з початковою концентрацією ЗОЯ. При цьому треба заува-ялти, що при наведених ееидкостях охолодгення ШП з початкової) концентрацією ІЩ виявився оільп ефективним, НІН 10% розчин ПЕ0-І500. -

Експерименти по заморожуванню- відігріву гепатоцитів

проводишся на ізольованих гепатоцитах щурів. Швидкість охо-лодкення змінювалася тим ш чином, що і в експериментах з еритроцитами. Оцінку життєздатності клітин проводили з використовуванням методу інкубації клітин у флуорнсцеїндіацетаті, тршіановому синьому і по прилипанню клітин у культурі з наступним підрахунком кількості клітин. Заморожування гепато-цитів проводилось у присутності водних розчинів 1,2-пропандюла кінцевою концентрацією ібя з 2,біб сахарози.

Результати експериментів.

І.При заморожуванні гепатощшв зі швидкістю охолодкен-ия І1500 К/с воеріглася 10±2% клітин не профароованих трипа-новим синім, утримуючих флуорасциїн і приліплених до підкладки.

Збільшення швидкості охолодження у 6,5 разів (71000К/С) приводило до зоїльщеВнЯ ЦІЛІСНОСТІ клітин після ааморокування- відіґріву. Кількість «иттсздатщіх клітин досягала 50±4%.

3. Иослідуюче збільшення швидкості охолодження до 122000 К/с приводило До зменвення цілісності клітин. Кількість киттездатних клітин не перевищувала '!%.

Висновки.

1. Розрахункова;,і шляхом визначено параметри розпилу клітинних суспензій обертовим диском: середній поверхнево-

оо*ємний діаметр краплі, швидкість руху і температура краплі у мить потрапляння на поверхню контейнера.

2. На підставі проведених експериментів отримані рівняная для розрахунку дисперсності розпилу обертовим диском такої неньютонівської рідини, як кров.

3. Розраховано локальна і середня швидкості охолодження

аі

краплі на поверхні контейнера в залежності від товщини краплі та положення межі поділу фаз.

4. З метою розрахунку швидкості охолодження були отри-

мані емпіричні залежності для визначення форми краплі, яка упала на охолоджену горизонтальну поверхню, від П кінетичної енергії* а також емпіричні залежності поверхневого натягу від температури для плазми крові людини, 1056, 20%, 3056 і 4036 водних розчинів гліцерину. ’

5. Досліджено розподіл температури газу в охолодженому

циліндричному контейнері при находженні в ньому обертового диска і різних режимах розпилу рідини. Показано, що для запобігання підвищення температури газу в контейнері вище температури розсклування води вдоохідно обмежити час знаходження в ньому системи, яка розпилює. '

6.Розроблено методику інженерного розрахунку параметрів теплообмінного гіристрою для розморожування клітинних суспензій, які заморожені у вигляді гранул.

7. На підставі проведення експериментально- теоретичної діагностики параметрів, впливаючих на заморожування і відігрів дрібнодисперсних клітинних суспензій розроблено технологію для надшвидкого заморожування клітинних суспензій шляхом розпилу їх за допомого» ооертового диска на охолоджену поверхня і для надшвидкого відігріву клітинних суспензій, які заморожені у вигляді гранул, а також схеми реалізації цих процесів.

а. отримана можливість заморожувати і відігрівати еритроцити людини з надвисокими швидкостями охолодження і нагріву без застосування кріоітротекторів у будь яких кількостях у стерильних умовах.

9. Експериментально відпрацьована технологія надаидких

аг

заморожування і в їдігріву еритроцитів людини і гепатоцитів щура з різними каншнтраціями крюпротекторів.

Позначення: аІ- температуропровідність льоду; а,ь- півосі елшса; ир^,- теплоємність льоду; іь діаметр краплі; ик-діаметр контейнера; сі- діаметр плями контакту; и- об'ємна витрата рідини; ^ прискорення вільного падіння; ь- висота краплі; йН- прихована теплота плавлення; ь- відношення координати фронту твердіння до висоти кращії; і- відстань, яку долає краплею; Р- атмосферний тиск; к- радіус диска; т- температура; ф£- температура плавлення; температура стінки;

и0= 0,5сЛ)д- початкова швидкість краплі; кінцева швидкість

краплі; (і - динамічна в'язкість; V- кінематична в’язкість; р~ щільність; о- поверхневий натяг; аь кутова швидкість ооертан-

ня; Р1=40/і>- тиск Лапласа; Р= Рх/Р- відносний тиск Лапласа;

Р и? І> 4 а. і

Ие = .—--------критерій Вебера; Ро -----------------число Фур’є;

• 1 г о 1°«5 С

Р = [ -2~Н'р" ] ~ радіус кільця на окрайці диска;

ір= оорді2- критерій Лапласа; лепд 'бирДі- критерій Рейнольдса

• о ззз 1

для плівки; о = ' - товщина шару рідани на даску;

и= ї.й&ж - швидкість руху шару рідини у мить зриву з диска; А,^/ш2; в=огё а; о,=со оіпа; С==-^||—^-^е3іРь;ра^°'25;

РеіМі) = ЗРП/(Э+Р)г5/бД Ріг = Тг]г|; х = Уг + А17Б~; х0 =/г0 + а,/ В аг= АИі+вЕі [Д0 формули <ь) ].

Матеріали дисертації опубліковано у слідуючих рооотах.

1. Пушкарь Н.С., 'Годрин А.Ф. Криоконсервирование эритроцитов, заморожених оез криопротектора.// Доклады НАН Украины - 1995, И 9-С. 126-128.

2. Тодрин А.Ф. О форме капли, замороженой на твердой поверхности.// Проблема криооиологии,- 1995, М2.- С. 26-29.

3. Пушкарь Н.С., Тодрин А.Ф. Исследование сверхбыстрых ааибракивания и отогрева эритромассы// Проблемы криобиологии

- 1996 - N з- о. 22- 2ь.

4. Тодрин А.Ф. ио измерении поверхностного натяжения

из

водных растворов глицерина и плазмы крови// Моделирование криооиологических процессов.- Харьков: йн-т проблем криобиологии И Крисмедицины АН УССР, 1988.- 0.142- 145.

5. л.с. N 1122869 МКИ F 25 D э/1о. Спосоо замораживания жидких биологических осъектов и устройство для его осуществления / Геращенко О.А., Грищенко т.Г., Печеный М.Л., Рудько Ю.М., Тодрин А.Ф. (СССР)- N 3549031: Заявлено 7.02.1983: Опубл. 7.11.84. Вюл. 1$1.

в. А.с. N 1406855 МКИ Р 25 D 3/10. Способ замораживания эритромассы / Печеный М.Л., Рудько Ю.М., Тодрин А.Ф. (СССР)-N 4088039: Заявлено'9.07.1986: ДСП.

7. A.c.N 1597505 МКИ У 25 и з/ю. Устройство для замо-

раживания эритромассы./ Тодрин А.Ф., Рудько Ю.М., Космодемьянский К).В. (СССР)- М 4607258: Заявлено 21.11.88.: Опубл.

7.Ю.90. Бюл.-N 37. .

8. А.с. н 1732900 ШИ А 01 и 1/00 Способ размораживания клеточных суспонзий и устройство для его осуществления / ■ Тодрин А.Ф. (СССР)- n 4699476: Заявлено 31.05.89.: Опубл. 15.05.92. Бюл.Н 18.

Тодрин А.Ф. "Диагностика процессов замораживания и отогрева мелкодисперсных клеточных суспензий". Диссертация является рукописью, представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.05 - теоретическая теплотехника ИПМаш НАН Украины, г.Харьков, 1997 г.

■ Представлены результаты экспериментально- теоретической диагностики параметров, влияющих на замораживание клеточных суспензий при напылении их на охлажденную высокотеплопроводную поверхность с помощью вращающегося диска, а также на отогрев замороженных гранул на высокотеплопроводной поверхности; Описаны способы и устройства для сверхбыстрых замораживания и отогрева клеточных суспензий. Представлены результаты экспериментов по замораживанию и отогреву эритроцитов и гепатоцитов с различны?™ концентрациями криопротекторов и без них.

Todrin А.P. "Diagnostics of freezing and thawing processes of fine dispersive oell suspensions". Manusoript of the3is for obtaining scientific degree of the candidate of technical science on the speciality of 05.14.05 - theoretical thermotechnics of Institute for Problems of Machinebuilding of National Academy of Science of tne Ukraine, Kharkov, 1997.

- The results of experimental- theoretical diagnostics of parameters, whioh influence on freezing of cell suspensions under its spraying on cooled high-thermooonducting surface using rotatable dleic and thawing of freezing granules on the high-thermoconduc ting surface are presented. £he methods and eauipment for the ultrarapid freezing and thawing of cell suspensions are disoribsd. The experimental data on the freezing and thawing of erythrocytes and hepatocytes with or without oryoprotaotante of several concentrations are presented. ,

Ключові слова: діагностика, тешгаоомін, замороку ваша, відігрів, клітинна суспензія, ооертовий диск, розпилення,

. дисперсність', крапля, високотеплопровідна поверхня.

... Відповідальний за випуск - доктор оюл. наук..&.0,Гордієнко

Підписано до друку 16.07.97. Умови.-друк. арк. І. 8ам. 414*7 Тирак 100 екз. Ротапринт ФТІКТ НАН України, м. Харків. Безкоштовно