Криогенное оборудование в биотехнологии

Жидкий азот — единственный практичный способ сколь угодно долго держать биологический материал ниже точки стеклования, потому что это пассивный, не требующий питания сток тепла: хорошо изолированный сосуд Дьюара неделями удерживает −196 °C, не будучи никуда включён. Все инженерные трудности вытекают из того, что эта жидкость делает помимо того, что она холодная.

Жидкая фаза — это общая ванна

Пробирка, погружённая в жидкий азот, находится в среде, которая касается и всех остальных пробирок. Криопробирки не герметичны надёжно: охлаждение и отогрев прогоняют перепад давления через укупорку, и жидкость может втянуться внутрь через нарушенное уплотнение, а при отогреве быть вытолкнутой наружу. Следствие не выведено теоретически, а показано на практике: вспышка гепатита B среди реципиентов трансплантата костного мозга, описанная в 1995 году, была прослежена до хранения контаминированного материала в общей ванне жидкого азота, где жидкость служила переносчиком. Жидкую фазу применяют и сейчас, но для нестерильного материала или материала без валидированного вторичного барьера это не просто условие хранения, а путь контаминации.

Паровая фаза убирает общую жидкость. Штативы стоят над неглубоким запасом азота и охлаждаются столбом холодного газа, так что образцы связывает только газ. Плата — температурный градиент. Пары азота над жидкостью теплеют с высотой, поэтому верх сосуда заметно теплее дна, и эксплуатационно значимая величина — температура в самой тёплой занятой позиции при открытой крышке, а не температура у поверхности жидкости. Сосуд, спроектированный под паровую фазу, справляется с этим бо́льшим запасом жидкости, малым надливным объёмом, теплопроводными штативами и дисциплиной уровня заполнения, а квалификация сводится к картированию всего рабочего объёма, включая отклонение при открытой крышке.

Испаряемость и статическое время удержания

Удельная теплота парообразования азота мала — около 199 кДж на килограмм, — поэтому даже скромный подвод тепла даёт много газа. Изоляция здесь вакуумная, с многослойным отражающим экранированием, а значимый показатель — статическое время удержания: сколько сосуд держит температуру без дозаправки и без открываний. Каждое открывание крышки и каждый внесённый тёплый предмет запускают этот бюджет заново, и поэтому сухие транспортные сосуды, где азот впитан в пористый вкладыш и не может пролиться в дороге, характеризуют временем удержания, а не вместимостью.

Настоящая опасность — нехватка кислорода

Один объём жидкого азота при комнатной температуре превращается примерно в 700 объёмов газа. Пролив, срабатывание предохранительного клапана или обычная суточная испаряемость в плохо проветриваемом помещении вытесняют воздух, а не отравляют его, и азот при этом не предупреждает ни о чём: он не пахнет и не вызывает дыхательного рефлекса, поэтому потеря сознания способна опередить любое ощущение удушья. Основная мера защиты — контроль содержания кислорода с порогом срабатывания, привязанным к минимуму 19,5 % для безопасной атмосферы, причём датчик должен стоять на высоте дыхания, тогда как холодный тяжёлый газ скапливается внизу. Существенны и два побочных эффекта: хладноломкость обычной углеродистой стали и конденсация атмосферного кислорода, кипящего при −183 °C, в открытый сосуд с более холодным жидким азотом — она обогащает его и создаёт опасность окислителя там, где её не ждали.