Исследование процесса консервации биопрепаратов: Методические указания к лабораторной работе № 4 по курсу «Криогенные технологии в медицине и биологии»

 Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский  государственный  университет
 низкотемпературных  и  пищевых  технологий

Кафедра криогенной техники

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА

КОНСЕРВАЦИИ БИОПРЕПАРАТОВ

Методические указания к лабораторной работе №4 по курсу

 «Криогенные технологии в медицине и биологии» для студентов

специальности 140401 факультета заочного обучения и экстерната

Санкт-Петербург

2009

УДК 621.59/09/

Баранов А.Ю., Малышева Т.А.,  Оничкина Л.Е. Исследование процесса криоконсервации биопрепаратов: Методич. указания и контрольные работы по курсу «Криогенные технологии в медицине и биологии» для студентов специальности 140401 факультета заочного обучения и экстерната. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2009. – 29с.

Изложена методика моделирования нестационарной передачи теплоты при замораживании биологических препаратов, направленная на анализ переноса теплоты в пределах объекта хранения и определение хронологии изменения температурных полей.

Рецензент

Доктор техн. наук, проф. А.В. Рыков

Рекомендованы к изданию методической комиссией факультета криогенной техники и кондиционирования

ВВЕДЕНИЕ

Криоконсервация биопрепаратов – это одно из наиболее перспективных направлений прикладной криогенной техники. Техника и технологии криоконсервации  быстро  распространяются в медицинской и биологической практике. Стимулом к развитию является высокая эффективность методов криоконсервации и многообразие медицинских технологий основанных на применении консервированных препаратов.  Нарастающий спрос на продукты криоконсервации формирует потребность в производстве специализированной аппаратуры, которое должно опираться на эффективные и рентабельные технологии. Для разработки таких технологий необходимо подробно изучить процесс замораживания биопрепаратов.

В процессе замораживания биоматериалов необходимо сохранить их прижизненные свойства [7]. Для этого наряду с применением криопротекторов, важно выбрать оптимальную скорость охлаждения препарата, подобрать емкость, в которую фасуется материал перед замораживанием. Разработка криопротекторов – веществ подавляющих кристаллообразование, находится вне компетенции технических специалистов, поэтому основное внимание следует сосредоточить на тепловых процессах.

Считается что, увеличение скорости кристаллизации снижает вероятность криоповреждений клеток. Для оптимизации процесса подготовки биопрепаратов к хранению необходимо изучить и сопоставить возможные варианты замораживания, выбрать ускорения этого процесса.

Специфика исследовательской задачи: малые размеры объекта, быстротечность процесса, необратимые изменения в материале при замораживании, крайне затрудняют постановку физического эксперимента.

Наиболее рациональным методом для выполнения исследований подобного рода является численный эксперимент на математической модели объекта криоконсервации.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНСЕРВАЦИИ БИОПРЕПАРАТОВ

Цель лабораторной работы: исследование процесса замораживания материалов, содержащих ассоциированную воду.

Работа выполняется в несколько этапов:

1. Изучение нестационарного переноса теплоты в объектах содержащих ассоциированную воду.

2. Сопоставление возможных вариантов конвективного охлаждения замораживаемых объектов.

3. Выбор оптимальных параметров технологического процесса.

4. Обоснование оптимальных характеристик охлаждающей среды.

Исследуя процесс замораживания материалов, содержащих ассоциированную воду, учащиеся должны составить собственное представление о возможных вариантах организации основного этапа криоконсервации биопрепаратов – программированного замораживания.

Выбор методики исследования

Исходя из изложенной выше методологии современных способов решения исследовательских задач, поставленные цели лабораторной работы рациональней решать в режиме вычислительного эксперимента.

Постановка такого эксперимента требует описания объекта исследований (создание физической и геометрической моделей), выбор математической модели, создание вычислительного алгоритма, разработку программного обеспечения математической модели. 

Геометрическая модель объекта охлаждения

Геометрическая модель – это упрощенное геометрическое представление существующего физического объекта для определения условий однозначности [1]. Под условиями однозначности предполагается подробное или достоверное физическое, геометрическое описание объекта криогенного воздействия, которое позволит сформировать начальные и граничные условия [4]. Для проведения вычислительного эксперимента объект криоконсервации - ампулу с консервируемым биопрепаратом представляем в виде двухслойного цилиндра. Соотношение слоёв цилиндра иллюстрирует приведённая на рис.1 схема горизонтального сечения цилиндра, в плоскости нормальной его оси симметрии. Контейнер для фасовки препарата – ампула, представляет собой тонкую цилиндрическую оболочку. Объект консервации - цилиндр. Контейнер и объект состоят из разных материалов, которые существенно различаются по физическим свойствам. Более того, объект содержит воду, которая  претерпевает  в ходе охлаждения фазовое превращение, контейнер состоит из материала с высокой теплоемкостью, но не содержащего воду. Их охлаждение рассматривается на отдельных физических моделях. Различие в размерах и физических свойствах слоёв следует учесть на последующих этапах подготовки эксперимента.