Способ замораживания водных растворов гелеобразующих биологических веществ до аморфного состояния и плавления аморфных образцов этих веществПатент на изобретение №: 2103870 Автор: Серебренников Владимир Леонидович Патентообладатель: Серебренников Владимир Леонидович Дата публикации: 10 Февраля, 1998 Адрес для переписки: подача заявки03.02.1995 публикация патента10.02.1998 Изображения   Способ может быть использован для получения аморфного состояния биологических материалов, в том числе живых клеток. Способ позволяет проводить плавление аморфных образцов без их кристаллизации. Образец в диэлектрическом контейнере помещают в камеру высокого давления с жидкой диэлектрической средой, передающей гидростатическое давление на образец, при температуре ниже температуры кристаллизации Tк. Давление в камере поднимают до 100 атм и прикладывают к образцу вращающееся импульсное электрическое поле. Аморфный образец нагревают до температуры Tк, при которой начинается плавление аморфной структуры образца, при этом вращающееся импульсное электрическое поле препятствует формированию кристаллической структуры льда. При дальнейшем нагревании аморфного образца до положительных температур происходит его плавление без кристаллизации. 3 ил. , , ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУИзобретение относится к технологии замораживания и может быть использовано для получения аморфного состояния биологических материалов, в том числе живых клеток. Известно, что при охлаждении клеточных структур ниже 0oC вода кристаллизуется. Появление льда в клетке вызывает ионный шок и разрушает клетки [1] . Поэтому для сохранения живых клеток необходимо образцы биологических материалов быстро перевести в аморфное состояние, чтобы избежать ионного шока и разрушения клеток. Известно, что при нагревании аморфные вещества кристаллизуются вблизи некоторой температуры Tк [2]. При этой температуре идут одновременно процессы плавления аморфной структуры и образования кристаллической решетки. Известен способ аморфизации веществ, имеющих фазовые P-T диаграммы, подобные водной [3]. Образец в жидкой фазе охлаждается под давлением выше атмосферного до температуры фазового превращения "жидкость-твердое тело", а затем давление уменьшается до атмосферного за время, меньшее, чем время перемещения молекулы вещества на межузельное расстояние в твердой кристаллической фазе. Недостатком этого способа является применение гидростатического давления свыше 1000 атм, что не позволяет аморфизировать живые организмы для хранения их при ультранизких температурах. Этот нижний предел рабочих давлений определяется тем, что температура кристаллизации Tк аморфных образцов водных растворов гелеобразующих веществ, входящих в состав клетки [4], находится вблизи -10oC. На фиг. 1 представлены результаты калориметрических измерений при плавлении аморфных образцов состава: кровь + 4% желатина + 8% глюкозы. Аморфные образцы получены вышеприведенным способом [3]. Общий тепловой эффект превращения 1 равен алгебраической сумме: теплоты плавления аморфной структуры 2, скрытой теплоты кристаллизации аморфной структуры 3 и теплоты плавления кристаллической решетки 4. Видно, что процессы плавления аморфной структуры и кристаллизации начинаются в окрестности -10oC. Для аморфизации указанных выше водных растворов необходимо путем сброса давления до атмосферного получить аморфное состояние с температурой ниже Tк. Таким образом, температура образца в жидкой фазе должна быть не выше -10oC, что соответствует давлению, равному 1000 атм, на линии фазового превращения "вода - лед". Этот способ получения веществ в аморфном состоянии [3] является прототипом изобретения. Изобретение устраняет вышеотмеченные недостатки известного и от его использования может быть следующий технический результат: уменьшение рабочего давления при аморфизации образцов и плавление аморфных образцов без кристаллизации. Указанный технический результат достигается за счет того, что на образец, находящийся под гидростатическим давлением, воздействуют вращающимся импульсным электрическим полем, которое препятствует образованию гексагональной структуры льда и понижает температуру кристаллизации, что позволяет уменьшить рабочее давление, при этом вращающееся импульсное электрическое поле предотвращает накопление на поверхности образца свободных электрических зарядов, экранирующих внешнее электрическое поле, и повышает электрическую прочность образца; полученные аморфные образцы биологических материалов нагревают и плавят под указанным давлением для предотвращения их кристаллизации. При охлаждении воды ниже 0oC и давлениях менее 2200 атм образуется лед Ih с гексагональной кристаллической структурой [5]. Каждая молекула воды в этой структуре окружена четырьмя молекулами, которые образуют правильный тетраэдр. Молекула H2O может занимать 6 равновероятных положений в центре этого тетраэдра. Под действием локального электрического поля Eс, созданного ближайшими соседними молекулами, формируются водородные связи, которые имеют определенные длины и образуют между собой углы, равные 109o52" [6]. Протон, участвующий в водородной связи, может находиться в одном из двух положений, соответствующих минимумам его потенциальной энергии. Средняя энергия колебательного движения молекулы H2O равна 3kT, где k - постоянная Больцмана и T = 273 K - температура льда. В кристаллической структуре льда молекула воды участвует в трех водородных связях. Значит, на одну водородную связь приходится в среднем энергия kT и глубина потенциальной ямы, в которой находится протон, тоже порядка kT. Молекула воды обладает большим электрическим дипольным моментом p = 0,63 10-31 Кл см [7]. Если создать дополнительное локальное электрическое поле напряженностью Ep, то средняя потенциальная энергия диполя H2O в этом поле будет равна pEp. Таким образом, электрическое поле Ep будет конкурировать с электрическим полем ближайших соседних молекул Ec, формирующим водородную связь. Глубина потенциальной ямы, в которой находится протон, уменьшится в среднем на pEp/3. В жидком состоянии среднее координационное число молекулы H2O равно 4,4 и при температурах около 0oC образуется льдоподобная структура водородных связей [6]. Для того чтобы понизить температуру кристаллизации воды на  T = 10oC, необходимо создать дополнительное локальное электрическое поле напряженностью  Такую напряженность электрического поля на молекуле H2O можно создать в водном растворе веществ, прикладывая внешнее электрическое поле с некоторой напряженностью Eo. Следует отметить, что локальное поле Ep может значительно превышать по величине внешнее электрическое поле Eo. В жидкой фазе водного раствора локальное электрическое поле  , действующее на молекулу H2O, можно представить в виде суммы напряженностей электрических полей:  , где  - внешнее электрическое поле;  - поле нейтральных молекул;  - поле ионов;  - поле свободных электронов;  - поле ближайших соседних молекул, формирующее водородные связи молекулы H2O. Дополнительное локальное электрическое поле  является суммой полей:  Поэтому  В постоянном внешнем электрическом поле  свободные электрические заряды перемещаются к поверхности образца и через некоторое время:  т.е. свободные поверхностные заряды экранируют внешнее электрическое поле и температура кристаллизации воды не изменятся. Электрические подвижности свободных электронов и протонов в водных растворах, рассчитанные из эквивалентных электропроводимостей, приблизительно равны: u  1,5 10 см/Вс. (6) Ионы K+, Na+ и др., находящиеся во внутриклеточной жидкости [4], имеют подвижности в несколько раз меньшие при умеренном внешнем электрическом поле. В сильном электрическом поле подвижности ионов резко возрастают. Если создать вращающееся внешнее электрическое поле  с таким периодом T0, чтобы свободные электроны и ионы, перемещаясь по поверхности образца, не успевали сделать полный оборот за этот промежуток времени, то электроны и ионы уже не будут экранировать внешнее электрическое поле:  где d - диаметр образца; Eo - напряженность внешнего электрического поля; u - подвижности электронов и протонов; n - коэффициент увеличения подвижности заряженных частей в сильном электрическом поле. В этом случае частота вращения электрического поля  должна иметь величину  При d = 10 см, Eo = 5105 В/см и n10:  o > 240 Гц. (9) С другой стороны, необходимое для поворота молекулы воды время (время релаксации) составляет  = 210-5 с при 0oC [6]. Поэтому для того чтобы дипольные моменты молекул H2O следовали за внешнем полем  , его частота должна быть o < 5104 Гц. (10) Вращающееся электрическое поле  препятствует накоплению свободных электрических зарядов на поверхности образца. Поэтому уменьшается вероятность инициации разряда в водном растворе жестко зафиксированных неоднородностей на внутренней поверхности контейнера, в котором находится образец. Электрическая прочность водных растворов веществ, т.е. максимальная величина напряженности электрического поля Eпр, при которой происходит пробой, увеличивается с повышением гидростатического давления и понижением температуры образца. Электрическая прочность водных растворов увеличивается в импульсных электрических полях, при этом, чем короче импульс электрического поля, тем выше напряженность пробоя жидкости Eпр. Например, при реальной электропроводимости внутриклеточной жидкости  = 10-2 Омсм электрическая прочность в постоянном поле равна 1,9105 В/см, а в импульсном электрическом поле с длительностью импульса 70 нс электрическая прочность увеличивается до 8,7105 В/см. В импульсных полях с длительностью импульсов tu10 c электрическая прочность внутриклеточной жидкости будет порядка 4105 В/см. Следует отметить, что приведенные выше данные получены в исследованиях электрического пробоя с помощью металлических электродов, имевших контакт с электропроводящей жидкостью. Если изолировать электроды от электропроводящей жидкости, то электрическая прочность ее должна возрасти, поскольку в этом случае исключается эмиссия электронов с электродов в жидкость. Таким образом, применяя вращающееся импульсное электрическое поле, изолированные электроды и гидростатическое давление до 100 атм, можно увеличить напряженность внешнего электрического поля Eo до 6105 В/см без пробоя жидкости. Учитывая, что дополнительное локальное электрическое поле Ep может значительно превосходить по величине поле E, следует ожидать смещения температуры фазового перехода "вода - лед" более чем на 10oC. На фиг. 2 показана схема установки для аморфизации водных растворов гелеобразующих веществ; на фиг.3 - графики зависимостей потенциалов электродов  1 и 2 от времени t. Установка содержит камеру высокого давления 1, две пары взаимно перпендикулярных электродов 2 с потенциалами соответственно 1 и 2 , передающую давление диэлектрическую среду 3, диэлектрический контейнер 4 с водным раствором вещества 5. Вектор напряженности внешнего электрического поля  вращается с угловой частотой  o = 2 o, соответственно вектор напряженности дополнительного локального электрического поля  вращается с той же частотой. Изменения потенциалов со временем представлены в виде прямоугольных импульсов длительностью tu10-6 с и промежутками между ними t  , (11) , где = 210-5 с - время релаксации дипольных электрических моментов молекул H2O при 0oC, т.е. за время t дипольные моменты молекул не успевают вернуться к исходному равновесному состоянию и будут вращаться вместе с внешним электрическим полем  . Последовательность импульсов имеет период повторения  где o - частота вращения электрического поля  . Число N импульсов потенциалов в каждой пачке является четным для того, чтобы разность фаз между потенциалами 1 и 2 взаимно перпендикулярных электродов была точно равна /4 , при этом внешнее электрическое поле будет вращаться с циклической частотой o = 2o . Процесс аморфизации водных растворов гелеобразующих веществ заключается в следующем: а) образец 5 (фиг.2) в диэлектрическом контейнере 4 помещают в камеру высокого давления 1 с жидкой диэлектрической средой 3, передающей гидростатическое давление на образец; б) в камере высокого давления 1 давление повышают до 100 атм и образец охлаждают до 0oC; в) создают вращающееся импульсное электрическое поле с максимальной напряженностью Eo <E и образец охлаждают до температуры фазового превращения "вода - лед", которая определяется внешними параметрами: напряженностью внешнего импульсного электрического поля Eoи величиной рабочего давления; г) после установления равновесного состояния образца давление уменьшают до атмосферного за время меньшее, чем время перемещения молекулы воды на межузельное расстояние в твердой кристаллической фазе [3]; д) аморфный образец охлаждают для хранения его при ультранизких температурах. Процесс плавления аморфных образцов без кристаллизации проводится следующим образом: а) аморфный образец в диэлектрическом контейнере помещают в камеру высокого давления с диэлектрической жидкой средой при температуре ниже температуры его кристаллизации Tк; б) давление в камере высокого давления поднимают до 100 атм и создают вращающееся импульсное электрическое поле; в) аморфный образец нагревают до температуры Tк, при которой начинается плавление аморфной структуры, при этом вращающееся импульсное электрическое поле препятствует формированию кристаллической структуры льда; г) при дальнейшем нагревании аморфного образца до положительных температур происходит его плавление без кристаллизации. Источники информации 1. Пушкарь Д. Н. , Белоус А.Н. Введение в криобиологию.- Киев: Наукова думка, 1975. 2. Скрипов В.П., Коверда В.П. Спонтанная кристаллизация переохлаждения жидкостей.- М.: Наука, 1984, с.158. 3. Куденко Ю. А. , Серебренников В.Л. Заявка на изобретение N 5009542, CCCР, 1991. 4. Большая медицинская энциклопедия/ Под ред. Петровского Б.В.- М., 3-е изд., 1979, т.10, с.430; т.4, с.315. 5. Калашников Я.А. Физическая химия веществ при высоких давлениях.- М.: Высшая школа, 1987, с.54. 6. Маэно Н. Наука о льде.- М.: Мир, 1988, с. 94,46,115. 7. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела.- М.: Наука, 1978.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯСпособ замораживания водных растворов гелеобразующих биологических веществ до аморфного состояния и плавления аморфных образцов этих веществ путем охлаждения их в жидкой фазе под воздействием гидростатического давления выше атмосферного до температуры фазового превращения "жидкость гексанальный лед", затем уменьшения давления до атмосферного за время меньшее, чем время перемещения молекулы воды на межузельное расстояние в твердой кристаллической фазе, отличающийся тем, что на образцы дополнительно воздействуют вращающимся импульсным электрическим полем, а амфорные образцы этих веществ нагревают и плавят во вращающемся импульсном электрическом поле без их кристаллизации.Популярные патенты: 2259707 Способ озеленения территорий многолетними декоративными древесными растениями ... транспортировку древесных растений и их высадку на месте, причем перед транспортировкой дополнительно осуществляют упаковку древесных растений воздухопроницаемым укрывным материалом, древесные растения высаживают на место с упакованной кроной, при этом упаковку кроны сохраняют в процессе укоренения растений (патент РФ №2170503, МПК А 01 G 23/04, опубл. 20.07.2001).Упаковка крон древесных растений в чехлы из воздухопроницаемого укрывного материала предохраняет кроны древесных растений от механических повреждений при погрузке, разгрузке и посадке, а сами древесные растения предохраняет от обезвоживания в процессе транспортировки и способствует некоторому повышению приживаемости ... 2403705 Способ автоматического управления температурно-световым режимом в теплице ... температуры постоянной в течение всего промежутка времени, отличающийся тем, что измеряют влажность воздуха, температуру воздуха и освещенность в теплице с получением сигналов от датчиков воздуха, температуры и освещенности соответственно, измеряют возраст растений с получением сигнала от счетчика возраста растений, при этом эти данные поступают в компьютерный задатчик, который вычисляет среднее значение ночной температуры, а затем определяет и устанавливает многомерную оптимальную по критерию продуктивности дневную температуру воздуха внутри теплице по формуле: где Т2 - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °С; 1 - длительность фотопериода, ч; ... 2076583 Способ выращивания растений в теплице и устройство для его осуществления ... с групповой тягой 13. Групповая тяга 13 механизма 7 перемещения источников излучения 5 вдоль вегетационных лотков 2 соединена с ближайшим к ней держателем 6 первой группы, а групповая тяга 13 механизма 8 перемещения источников излучения поперек лотков 2 связана с держателем второй группы источников излучения 5. Блок управления состоит из двух контроллеров 14,15, а узел облучения растений снабжен блоком контроля освещенности, содержащим две секции идентично установленных датчиков 16 плотности облучения для идентичной установки на уровне средней части растений вдоль и поперек одного из вегетационных лотков 2 в средней части теплицы 1. Выходы датчиков 16 в каждой секции объединены ... 2254705 Способ уплотнения и герметизации консервируемых кормов в рулонах ... 4.На всех стояках фиксаторы 7 с опорами 9 поднимают вверх (в рабочее положение) и в них устанавливают уплотняющие втулки 17. Рулон погрузчиком захватывают с площадки и поворачивают на 90° (в вертикальное положение). По разметочным линиям площадки погрузчик подъезжает к платформе и опускает рулон на стояк (фиг.4) до касания с опорой 9. Благодаря разметочным линиям (не показаны) облегчается совмещение центра рулона с осью стояка, при этом допускается несовмещение до 0,1 диаметра рулона.На рулон надевают колпак 10, края его закручивают и герметично затягивают зажимом 25 (фиг.5). Затем открывают кран 14, из рулона вакуум-насосом 23 отсасывают воздух и под колпаком через 1,5...2 ... 2051971 Способ определения биологической активности -эндотоксинов различных патотипов bacileus thuringiensis ... активности -эндотоксинов различных патотипов bacileus thuringiensis, патент № 2051971" SRC="/images/patents/421/2051145/948.gif" >-эндотоксинов B.thuringiensis патотипов А и С, благодаря тому, что -эндотоксинов различных патотипов bacileus thuringiensis, патент № 2051971" SRC="/images/patents/421/2051145/948.gif" >-эндотоксины влияют на клетки микроорганизмов не с такой высокой специфичностью, как на клетки насекомых, хотя природа действия-эндотоксинов различных патотипов bacileus thuringiensis, патент № 2051971" SRC="/images/patents/421/2051145/948.gif" > -эндотоксинов на клетки разных тест-объектов одинакова (4, 5). Метод удобно и выгодно применять при контроле ... |
Еще из этого раздела: 2248687 Способ весеннего боронования озимых культур и зубовая борона для его осуществления 2175833 Охладитель молока с аккумулятором холода 2115638 Способ переработки органических отходов животного происхождения в кормовой белок и биогумус 2420945 Гидравлическая система сельхозмашины 2010519 Способ биологической борьбы с вредителями растений 2197082 Установка для охлаждения молока с использованием естественного холода 2195102 Устройство для отделения грунта и земли от корней и корневищ солодки в качестве лакричного сырья 2162635 Устройство для аэрозольного распыления (варианты) 2115304 Доильный аппарат 2423042 Электронно-оптический способ регулирования технологии производства агропродукции |
Изобретения в сельском хозяйстве
Обработка почвы в сельском и лесном хозяйствах
Посадка, посев, удобрение
Уборка урожая, жатва
Обработка и хранение продуктов полеводства и садоводства
Садоводство, разведение овощей, цветов, риса, фруктов, винограда, лесное хозяйство
Новые виды растений или способы их выращивания
Производство молочных продуктов
Животноводство, разведение и содержание птицы, рыбы, насекомых, рыбоводство, рыболовство
Поимка, отлов или отпугивание животных
Консервирование туш животных, или растений или их частей
Биоцидная, репеллентная, аттрактантная или регулирующая рост растений активность химических соединений или препаратов
Хлебопекарные печи, машины и прочее оборудование для хлебопечения
Машины или оборудование для приготовления или обработки теста
Обработка муки или теста для выпечки, способы выпечки, мучные изделия
|
|
||