CH617872A5

CH617872A5 -

Info

Publication number: CH617872A5
Application number: CH1473576A
Authority: CH
Inventors: Horst Dr Chmiel
Original assignee: Linde Ag
Priority date: 1975-12-22
Filing date: 1976-12-15
Publication date: 1980-06-30
Also published as: DK145965B; DE2557871A1; GB1509513A; DE2557871C2; JPS5290618A; ATA124876A; AT351165B; DK145965C; FR2338047A1; BE849650A; AU2083176A; DK573876A; NL7614265A; US4124992A; FR2338047B3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Tiefgefrieren von flüssigen biologischen Substanzen, wie Blut, Blutbestandteile oder Zellsuspensionen, bei dem die Substanzen vor dem Einfrieren mit Schutzadditiven vermischt werden.

Die Konservierung biologischer Substanzen zur Verhütung irreversibler Zellschädigungen stellt ein schwieriges Problem dar, insbesondere bei der Konservierung von Blut. Seit einiger Zeit werden Blutkonserven neben den konventionellen Aufbewahrungsarten auch durch Tiefgefrieren und Lagern in flüssigem Stickstoff haltbar gemacht, wodurch erst eine Langzeitkonservierung möglich geworden ist. Eine notwendige Voraussetzung bei dem Tiefgefrierverfahren ist, dem Blut ein Schutzadditiv beizumischen, da sonst während des Tieffriervorganges, wenn das Blut durch den Temperaturbereich des Einfrierens geführt wird, die Integrität der Zellmembran der roten Blutkörperchen beschädigt und die Zellen hämolysiert werden können. Damit nach dem Auftauen der Konserve ein Auswaschen der Schutzadditive aus dem Blut vor einer Transfusion, wie es bisher aufgrund der Unverträglichkeit der Schutzadditive für den Organismus notwendig ist, vermieden werden kann, werden heute solche Schutzadditive, wie z. B. HES (Hy-droxyläthylstärke), auf ihre biologische Verträglichkeit untersucht.

Eines der Probleme bei der Vorbereitung der Blutkonserve für den Gefrierprozess besteht darin, Blut und Schutzadditiv möglichst vollständig und schnell zu vermischen, da sich gezeigt hat, dass die Überlebensrate der Zellen um so grösser ist, je grösser die Zufuhrgeschwindigkeit der Schutzadditive in das Blut ist. Dabei steht die Zufuhrgeschwindigkeit in Relation zur Eindring- bzw. Anlagerungsgeschwindigkeit des Schutzadditivs in bzw. an die Zellmembranen. Von entscheidender Bedeutung ist weiterhin, für jede Zelle der Suspension möglichst gleiche Konzentrationsbedingungen an Schutzadditiven zu erreichen. Bisherige Verfahren, die die Vermischung von Blut und Schutzadditiv mittels Schütteln herbeiführen, lassen Mischungsinhomogenitäten auftreten und bewirken damit einen zu hohen Schädigungsanteil der roten Blutkörperchen 45 beim Gefrierprozess.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Vermischen von biologischen Substanzen und Schutzadditiven mit anschliessendem Abpacken zum Tiefgefrieren der erhaltenen Mischung zu entwickeln, mit dem eine Verbesse-50 rung des Mischungsgrades ohne technischen Aufwand unter Zuführung des Schutzadditivs mit sehr hoher Geschwindigkeit und in möglichst gleichbleibender Konzentration erreicht wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Schutzadditive zerstäubt und die biologischen Substanzen in den Zerstäu-55 bungsstrahl eingetropft werden und die so erhaltene Mischung in Behälter abgefüllt und tiefgefroren wird.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei der Vermischung von zwei flüssigen Medien die Vermischungsgeschwindigkeit proportional der Kontaktoberfläche der Medien 60 ist. Das bedeutet, um eine möglichst grosse Oberfläche eines vorgegebenen Volumens zu erhalten, muss das einheitliche Volumen in viele sehr kleine Teilvolumen aufgeteilt werden. Wird demzufolge das Schutzadditiv zerstäubt, bevor die biologische Substanz in Tropfenform eingeleitet wird, besitzt das 65 Schutzadditiv eine grössere Kontaktoberfläche, wobei die einzelnen Tropfen des Schutzadditivs auch im Vergleich zum nichtverdüsten Volumen eine höhere Oberflächenenergie besitzen. Diese Tropfen sind daher bestrebt, sich mit anderen

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Fluidpartikeln zu verbinden, um ihre Oberflächenenergie zu minimieren. Zusätzlich kann die kinetische Energie des Zerstäubungsstrahles zur Vermischung der beiden Medien ausgenutzt werden.

Als vorteilhaft hat sich erwiesen, das Schutzadditiv mittels einer Pumpe auf einen hohen Druck von beispielsweise 160 bar zu bringen, anschliessend in einer Düse fein zu zerstäuben und die biologische Substanz in die Mitte des Zerstäubungsstrahls einzutropfen. Denn mittels der Pumpe ergibt sich eine gute Dosiermöglichkeit des Schutzadditivs, da mit jedem Arbeitstakt der Pumpe bei gleichbleibender Arbeitsgeschwindigkeit immer eine genaue definierte Menge an Schutzadditiv gefördert werden kann. Zudem ermöglicht der mit der Pumpe erzeugte hohe Druck auch eine Verdüsung und Zerstäubung von zäheren Fluiden. Dies ist wichtig, da das Schutzadditiv der biologischen Substanz möglichst in hoher Konzentration zugegeben werden soll, damit ein zu hoher Volumenanteil des Schutzadditivs an der biologischen Substanz vermieden werden kann. Des weiteren bedingt eine höhere Konzentration eine niedrigere Oberflächenspannung und somit eine bessere Mischbarkeit der Medien.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgedankens besteht darin, das Schutzadditiv mit Hilfe eines unter Druck stehenden Trägergases zu zerstäuben, da schon ein Gasstrom mit einem relativ geringen Gasdruck von 0,5 bis 1 bar auch zähe Fluide mitreisst. Auch ist eine Regulierung der kinetischen Energie des Zerstäubungsstrahles bei einer vorgegebenen Zerstäubungsdüse auf einfache Weise durch ein Zulaufventil möglich. Ein seitliches Eintropfen der biologischen Substanz in den Zerstäubungsstrahl ergibt dann eine gute Vermischung der beiden Medien.

Als Trägergas kann dabei vorteilhaft Stickstoff eingesetzt werden, da dieses Gas weder die chemische Zusammensetzung des Schutzadditivs ändert noch die Bestandteile der biologischen Substanz nachteilig beeinflusst. Wird zusätzlich das Trägergas vor der Verdüsung durch ein Filter, z. B. durch ein Membranfilter, geleitet, kann eine Infizierung der biologischen Substanz durch im Gas enthaltene Keime vermieden werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann vorteilhaft auswechselbare Vorratsbehälter für die biologischen Substanzen und für die Schutzadditive sowie eine Verdüsungseinheit aufweisen, wobei die beiden Vorratsbehälter auf einem höheren Niveau als die Verdüsungseinheit stehend jeweils über getrennte Leitungen und Regelorgane mit der Verdüsungseinheit in Verbindung stehen. Damit kann der Zulauf der Schutzadditive und biologischen Substanzen selbständig erfolgen und eine gewünschte Zulaufmenge eingestellt werden. Die Auswechselbarkeit der Vorratsbehälter erlaubt es, sowohl die Schutzadditive als auch die biologischen Substanzen als sterile Einheit zu liefern. Selbstverständlich ist die gesamte Vorrichtung mit Vorteil in einer steril abgeschlossenen Kammer anzuordnen, um die Gefahr einer Infizierung der Substanz zu vermeiden. Dabei kann in die Leitung von dem Vorratsbehälter für das Schutzadditiv zu der Verdüsungseinheit eine Pumpe angeordnet werden, die in dem Schutzadditiv vor der Verdüsung einen hohen Druck erzeugt. Unter Ausnutzung dieses Druckes wird das Schutzadditiv in die Verdüsungseinheit geleitet und zerstäubt. Diese weist dabei vorteilhaft einen Einsatz auf, der nur einen Ringspalt für das Schutzadditiv freilässt und durch den die biologische Substanz in die Mitte des an dem Ende des Ringspaltes austretenden Zerstäubungsstrahles eingeleitet werden kann.

Für die Verdüsung des Schutzadditivs mit einem Trägergas kann an die Verdüsungseinheit eine Stickstoffgasflasche über ein Druckmessgerät und ein Filter angeschlossen werden. Das Druckmessgerät ermöglicht die Einstellung eines bestimmten gewünschten Geschwindigkeits- und Durchflusswertes des Trägergases in die Verdüsungseinheit, so dass eine hohe gleichmässige Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases sichergestellt werden kann.

Aufgrund der Konstruktion der Verdüsungseinheit wird durch diese Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases das zentrisch in die Verdüsungseinheit eingeleitete Schutzadditiv mitgerissen und am Düsenaustritt zerstäubt. Da die biologische Substanz zweckmässig in eine seitlich an den aus der Düse austretenden Zerstäubungsstrahl heranführende Zuführungsleitung konstant aus dem Vorratsbehälter eingetropft wird, ergibt sich mit der gleichmässigen Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases und dem gleichmässigen Zulauf des Schutzadditivs in das Trägergas eine gute Vermischung des Schutzadditivs mit der biologischen Substanz unter gleichen Konzentrationsbedingungen.

Eine weitere zweckmässige Ausbildung der Vorrichtung besteht darin, dass sie beispielsweise Klemmbügel zur Befestigung von zunächst oben offenen Kunststoffbeuteln aufweist, so dass diese sackförmig an die Verdüsungseinheit angehängt werden und die Blutkonserve aufnehmen können. Nach dem Füllvorgang können die Kunststoffbeutel verschweisst und einer Tiefgefriereinrichtung zugeführt werden.

In den Fig. 1 bis 4 sind Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens schematisch dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Vermischung von biologischen Substanzen und Schutzadditiven mit Hilfe einer Pumpe,

Fig. 2 eine Verdüsungseinheit für das mit einer Pumpe auf einen hohen Druck gebrachte Schutzadditiv,

Fig. 3 eine Vorrichtung zur Vermischung von biologischen Substanzen und Schutzadditiven mit Hilfe eines Trägergases,

Fig. 4 eine entsprechende Verdüsungseinheit für das Schutzadditiv.

In Fig. 1 ist zur Vermischung von biologischen Substanzen mit Schutzadditiven in einem nichtdargestellten steril abgeschlossenen Raum eine Verdüsungseinheit 4 jeweils über getrennte Leitungen mit einem Vorratsbehälter 1 für Schutzadditive und einem Vorratsbehälter 2 für biologische Substanzen verbunden. Beide Vorratsbehälter 1 und 2 sind austauschbar und für sich als sterile Einheit lieferbar. In die Leitung von dem Vorratsbehälter 1 für Schutzadditive zu der Verdüsungseinheit 4 ist eine Pumpe 5 zur Erzeugung eines hohen Druckes in dem Schutzadditiv angeordnet, wobei mit der Pumpe 5 eine genau definierbare Menge an Schutzadditiv in die Verdüsungseinheit 4 gefördert werden kann.

In Fig. 2 ist eine dieser Anordnung entsprechende Verdüsungseinheit dargestellt, die eine Düse 6 aufweist, in deren Gehäuse ein an seinem unteren Ende kegelstumpfförmiger Einsatz 7 eingeschraubt ist. Auf der Mittelachse des Einsatzes 7 verläuft eine an den Vorratsbehälter für die biologische Substanz angeschlossene Leitung 8, die in dem aus der Düse 6 austretenden Zerstäubungsstrahl endet. Der Einsatz 7 ist so bemessen, dass zwischen seinem kegelstumpfförmigen Teil und der Gehäusewand der Düse ein Ringspalt 9 entsteht und dass er kurz vor dem engsten Durchmesser der Düse endet. Über einen Stichkanal 10 in dem Gehäuse ist der Ringspalt 9 mit dem Vorratsbehälter für Schutzadditive verbunden.

Die Vermischungsvorrichtung nach Fig. 3 weist im Unterschied zu der Vermischungseinheit nach Fig.l zusätzlich eine an die Verdüsungseinheit 11 angeschlossene Gasflasche 3 für ein Trägergas auf, wobei eine Pumpe für das Schutzadditiv entfallen kann. Ein in die Leitung von der Gasflasche 3 zu der Verdüsungseinheit 11 angeordnetes Filter 17 verhindert eine Infizierung der biologischen Substanz durch in dem Trägergas enthaltene Keime. Uber nicht gezeichnete Regelorgane lässt sich die Zufuhr der biologischen Substanz und des Schutzadditivs in die Verdüsungseinheit 11 regeln, wobei gleichzeitig ein

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an einem ebenso in der Leitung von der Gasflasche 3 zu der Verdüsungseinheit 11 befindlichem Druckmesser 16 abzulesender Druck die Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases in die Verdüsungseinheit 11 bestimmt. Sind an den Regelorganen und an dem Druckmesser bestimmte Werte eingestellt, 5 wird eine schnelle und gleichmässige Vermischung der beiden Medien erreicht.

In Fig. 4 ist eine dieser Anordnung entsprechende Verdüsungseinheit dargestellt, die im wesentlichen eine konisch zulaufende Düse 12 mit einem zentrisch angeordneten, am Ende ebenso konisch zulaufenden Rohr 14 aufweist, wobei das Rohr 14 kurz vor dem engsten Durchmesser der Düse 12 endet. In die Düse 12 wird über den Anschlussstutzen 13 das Trägergas eingeleitet, während das Rohr 14 mit dem Behälter für das Schutzadditiv verbunden ist. Eine an den an der Düse austretenden Zerstäubungsstrahl seitlich heranführende Zuführungsleitung 15 ermöglicht das Eintropfen von biologischer Substanz in den Zerstäubungsstrahl.

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Tiefgefrieren von flüssigen biologischen Substanzen, wie Blut, Blutbestandteile oder Zellsuspensionen, bei dem die Substanzen vor dem Einfrieren mit Schutzadditiven vermischt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die 5 Schutzadditive zerstäubt und die biologischen Substanzen in den Zerstäubungsstrahl eingetropft werden und die so erhaltene Mischung in Behälter abgefüllt und tiefgefroren wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass die Schutzadditive mittels einer Pumpe auf einen hohen 10 Druck gebracht und anschliessend in einer Düse fein zerstäubt werden, wobei das Eintropfen der biologischen Substanzen in die Mitte des Zerstäubungsstrahles erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass die Schutzadditive mittels Ultraschall zerstäubt werden, 15 wobei das Eintropfen der biologischen Substanzen in die Mitte des Zerstäubungsstrahles erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass die Zerstäubung der Schutzadditive mit Hilfe eines unter Druck stehenden Trägergases in einer Verdüsungseinheit durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

dass als Trägergas Stickstoff verwendet wird, der durch einen Filter geleitet wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Vorratsbehälter (1) für die Schutzadditive, einen Vorratsbehälter (2) für die biologischen Substanzen und eine Verdüsungseinheit (4,11), wobei beide Vorratsbehälter (1, 2) jeweils über getrennte Leitungen mit der Verdüsungseinheit (4,11) in Verbindung stehen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung von dem Vorratsbehälter (1) für die

Schutzadditive zur Verdüsungseinheit (4) eine Pumpe (5) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdüsungseinheit (4) eine Düse (6) aufweist, in deren Gehäuse zentrisch ein an seinem unteren Ende kegelstumpf-förmiger Einsatz (7) eingeschraubt ist, der eine auf der Mittelachse verlaufende, an den Vorratsbehälter (2) für die biologischen Substanzen angeschlossene Leitung (8) aufweist und der so bemesser ist, dass zwischen der konisch zulaufenden Gehäusewand der Düse (6) und dem kegelstumpfförmigen Teil des Einsatzes (7) ein Ringspalt (9) entsteht, der mit dem Vorratsbehälter (1) für Schutzadditive über einen Stichkanal (10) in dem Gehäuse verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Vorratsbehälter (3) für Trägergas, der mit der Verdüsungseinheit (11) über eine weitere Leitung in Verbindung steht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdüsungseinheit (11) eine konisch zulaufende Düse (12) mit einem Anschlussstutzen (13) für das Trägergas aufweist, in die zentrisch ein kurz vor dem engsten Durchmesser der Düse endendes Rohr (14) mit Anschluss an den Vorratsbehälter (1) für die Schutzadditive angeordnet ist und die eine seitliche, an den Zerstäubungsstrahl heranführende Zuleitung (15) für die biologischen Substanzen aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung von dem Vorratsbehälter (3) für das Trägergas zu der Verdüsungseinheit (11) ein Druckmessgerät (16) und ein Filter (17) angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdüsungseinheit (4,11) Klemmbügel zur Befestigung von Kunststoffbeuteln aufweist.

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