Biologische componenten bijna eindeloos bewaren, zonder enige verandering of afbreuk in de cellen. Dat is het doel van sample storage, ofwel cryopreservatie.
Maar wat is sample storage precies? Welke soorten koelsystemen bestaan er en hoe helpt Demaco de medical industry en de pharmaceutical industry aan een veilige toevoer van vloeibare stikstof? Lees verder voor een uitgebreid antwoord op deze vragen.
Wat is sample storage?
Sample storage is het gekoeld bewaren van kleine hoeveelheden biologisch materiaal voor bijvoorbeeld medische procedures, experimenten of de productie van geneesmiddelen. Dit materiaal kan van alles zijn. Denk aan bloed, cellen, sperma, bepaalde vaccinaties of andere materialen die lang en in perfecte staat houdbaar moeten blijven.
Terwijl bijvoorbeeld voeding vaak wordt bewaard in een ‘gangbare’ vriezer van zo’n – 18 °C, zijn voor sample storage andere koelmethoden nodig. Door de relatief hoge temperatuur en ongereguleerde koeling in gangbare vriezers kan ijsvorming plaatsvinden, stroomt er warmte naar binnen en vormen zich kristallen in het materiaal. Deze kristallen beschadigen de cellen en bij ontdooiing hebben deze niet meer dezelfde vorm en kwaliteit als daarvoor.
Hier bieden speciale koelsystemen voor sample storage de oplossing. Door de razendsnelle koeling, extreem lage temperaturen en stabiliteit die deze systemen bieden, wordt beschadiging voorkomen en kan het materiaal een lange tijd in perfecte staat worden bewaard.
Verschillende soorten koelsystemen
Het doel van sample storage is bijna altijd hetzelfde: het vertragen of stoppen van de afbraak van biologisch materiaal. Hoe dit wordt gedaan, verschilt echter flink. Er bestaan diverse typen koelsystemen die allemaal op een eigen manier een materiaal naar een lage temperatuur brengen.
Mechanische koeling
Terwijl bij sample storage meestal aan cryogene technieken wordt gedacht, zijn er ook andere mogelijkheden. Zo bestaan er diverse typen mechanische vriezers die net als cryogene koelsystemen snel relatief lage temperaturen kunnen bereiken.
Vaak halen mechanische koelsystemen voor samples een temperatuur van zo’n -40 tot -80 °C met behulp van een koelmiddel zoals ethaan of propaan.
Mechanische koelsystemen hebben als voordeel dat de rekken met samples goed toegankelijk zijn, door de hoge rechte vorm van het systeem. Wel is het bereik in temperatuur bij deze vriezers beperkt en bestaat er een kans dat samples beschadigen bij technische problemen of stroomuitval.
Koeling met gasvormige stikstof
Een tweede type koelsysteem voor sample storage maakt gebruik van gasvormige stikstof als koelmiddel.
Koeling in stikstofgas vindt meestal plaats in een rond vat, met onderin een toevoer van vloeibare stikstof. Hierboven ontstaat een laag met gasvormige stikstof, waarin de samples worden bewaard.
Het voordeel van deze methode is de lage temperaturen die kunnen worden bereikt en de flexibiliteit in temperatuur. De zelf in te stellen temperatuur van deze vriezers varieert meestal tussen de -135°C en -190°C.
Ook een koelsysteem met stikstof kan technische problemen geven, maar de kans hierop is kleiner dan bij een mechanische vriezer. Het systeem bevat minder technische onderdelen en heeft minder energie nodig, waardoor gebruik kan worden gemaakt van een reserve-batterij om problemen bij een eventuele stroomuitval te voorkomen.
De ronde vaten met stikstof bevatten vaak een draaibaar rek waarin de samples van bovenaf kunnen worden bereikt.
Koeling met vloeibare stikstof
Gasvormige stikstof biedt veel mogelijkheden, maar voor de allerlaagste temperaturen is vloeibare stikstof nodig. Ook dit type koelsysteem zien we daarom in de medical- en pharmaceutical industry regelmatig terug.
Koelsystemen voor sample storage in vloeibare stikstof zijn vaak rond en lijken erg op die voor gasvormige stikstof. Het enige verschil is dat de samples direct in de vloeistof worden geplaatst, in plaats van in het gas.
Het grote voordeel van koeling in vloeibare stikstof is de ultiem lage en stabiele temperatuur van -196 °C, die zorgt voor de allerbeste bescherming van de gekoelde materialen. Op deze temperatuur wordt de celactiviteit volledig stilgelegd en zou een sample in theorie eindeloos houdbaar moeten zijn.
Wel heeft het werken met vloeibare stikstof één nadeel: bij het openen van het vat spelen enkele veiligheidsrisico’s een rol en verdampt een deel van de vloeistof. Deze oplossing is dan ook voornamelijk ideaal voor samples die een langere tijd onaangetast bewaard of vervoerd worden.
Is regelmatige toegang tot de samples nodig, dan wordt meestal gekozen voor koeling in een mechanisch systeem of in gasvormige stikstof.
Automatische sample storage
Last but not least, misschien wel dé oplossing voor veilige grootschalige sample storage: automatische sample storage.
Koelsystemen voor automatische sample storage zijn relatief groot en bevatten een met gasvormige stikstof gekoelde ruimte waarin de samples bewaard én behandeld kan worden.
Deze werkwijze heeft onder meer de volgende voordelen:
- Het systeem bevat geavanceerde ingebouwde software waarmee de samples automatisch worden geregistreerd. Hiermee is real-time tracking mogelijk en is de kans aanzienlijk kleiner dat samples kwijtraken of verwisseld worden.
- De samples worden door een robot in het systeem geplaatst en wanneer nodig weer verwijderd of bewerkt. Het systeem blijft hierdoor gesloten en de temperatuur zeer stabiel.
- Tests tonen aan dat samples ongeveer vier keer sneller opwarmen en ongeveer twee keer langer worden blootgesteld aan temperaturen boven Tg in een handmatig proces dan in een geautomatiseerd proces.De automatische behandeling van de samples bespaart arbeidskosten en is zeer veilig. Medewerkers komen niet direct met cryogene vloeistoffen in contact, wat de kans op ongelukken verkleint.
Varianten en aanvullende applicaties
Uiteraard zijn de bovenste systemen niet de enige applicaties en oplossingen die bijdragen aan succesvolle sample storage.
Ook de volgende applicaties en producten zijn te vinden in de biobanken van verschillende farmaceutische laboratoria of medische instellingen:
- Koelsystemen die koelen met gasvormige stikstof én vloeibare stikstof.
- Sommige biologische materialen beschadigen wanneer ze direct in vloeibare stikstof worden geplaatst. Door ze eerst in stikstofgas te koelen en daarna in vloeibare stikstof te plaatsen wordt dit probleem opgelost.
- Zogenaamde controlled-rate freezers (mechanisch of cryogeen) die in één systeem de temperatuur gecontroleerd omlaag brengen, op een manier die een specifiek materiaal zo goed mogelijk in stand houdt.
- Speciale dewars in diverse formaten voor het transport van samples.
- Vulstations die speciaal zijn ontworpen voor het opvullen van de bovenstaande dewars of draagbare koelsystemen voor sample storage.
- Software en displays voor het beheren en registreren van de samples.
- Alle benodigde buisjes en rekken voor het opslaan van de samples.
- Kwaliteitsverbeterende producten voor vloeibare stikstof van de beste kwaliteit.
- Cryogene infrastructuren om stikstof vanaf een opslagtank naar een koelsysteem of dewar voor sample storage te leiden.
Demaco en sample storage
Welke vorm een cryogeen koelsysteem ook heeft, er is een toevoer van vloeibare stikstof nodig. Om dit efficiënt en veilig in te richten, zijn de juiste cryogene infrastructuren essentieel.
Demaco helpt instellingen in de pharmaceutical- en medical industry met de cryogene applicaties en transferleidingen die de toevoer van vloeibare stikstof regelen.
We leveren complete vacuüm geïsoleerde transferleidingen en alle aanvullende (kwaliteitsverbeterende) producten die nodig zijn voor een optimaal gebruik van vloeibare stikstof.
