Leitfaden zur Überwachung und Alarmierung von Dewargefäßen

Whitepaper, ultimativer Leitfaden zur Überwachung und Alarmierung von Dewargefäßen Zentrale Fragestellung: Wie lassen sich mit flüssigem Stickstoff gefüllte Dewargefäße ordnungsgemäß überwachen, Probleme erkennen und Alarme versenden, um eine Beschädigung der gelagerten Proben zu verhindern. WARNUNG: Die in diesem Whitepaper durchgeführten und beschriebenen Tests werden von geschultem Fachpersonal in einer kontrollierten Umgebung unter Einhaltung aller notwendigen Sicherheitsvorkehrungen durchgeführt. Der Umgang mit flüssigem Stickstoff ist gefährlich und birgt bei Verwendung in einer schlecht belüfteten Umgebung die Gefahr des Erstickens. Die in diesem Whitepaper durchgeführten zerstörenden Prüfungen bergen zudem die Gefahr einer Explosion durch einen plötzlichen Druckaufbau. Wiederholen Sie diese Tests NICHT ohne die Hilfe und Aufsicht einer geschulten Fachkraft und ohne die Einhaltung aller angemessenen Sicherheitsvorkehrungen. Einleitung Mit flüssigem Stickstoff gefüllte Kryolager-Dewargefäße sind in vielen Laboren der Standard für die Langzeitlagerung von Gewebe. Das Gewebe kann von Nabelschnurblut bis hin zu menschlichen Eizellen, Embryonen oder sogar Stammzellen reichen, die alle einen großen finanziellen sowie unersetzlichen Wert darstellen. Diese Proben müssen bei einer sehr niedrigen Temperatur aufbewahrt werden, um biologische Prozesse zu stoppen und das Gewebe quasi in der Zeit einzufrieren. Der flüssige Stickstoff verdampft kontinuierlich aus den Dewargefäßen, wodurch der Flüssigkeitsstand im Behälter sinkt. Die Dewargefäße werden daher häufig (manuell) befüllt, um ein vollständiges Verdampfen der Flüssigkeit zu verhindern. Die Temperatur des Dewargefäßes bleibt nur dann niedrig, wenn sich flüssiger Stickstoff im Behälter befindet. Nachdem der flüssige Stickstoff vollständig verdampft ist, beginnt die Temperatur schnell anzusteigen. Wenn die Temperatur des Lagerbehälters über eine kritische Temperatur ansteigt, wird das darin befindliche Gewebe in seiner Lebensfähigkeit beeinträchtigt oder geht zugrunde. Lagerrisiken Labore, die ein Qualitätsmanagementsystem verwenden, arbeiten mit einem risikobasierten Ansatz. Das bedeutet, dass die Risiken beim Betrieb von Dewargefäßen und bei der Verwendung von flüssigem Stickstoff zusammen mit den Folgen dieser Risiken erfasst werden müssen. Wenn die Risiken groß und die Folgen schwerwiegend sind, muss eine Maßnahme zur Risikominderung ergriffen werden. Dieses Whitepaper konzentriert sich auf eine Reihe von zentralen Fragen.

Abbildung 1: Dewargefäß mit Eisbildung am Deckel.

Was kann bei einem Dewargefäß aus Anwendersicht schiefgehen? Wie lässt sich flüssiger Stickstoff in einem Dewargefäß genau messen? Was kann bei einem Dewargefäß aus technischer Sicht schiefgehen? Wie können all diese Risiken mit hoher Genauigkeit überwacht werden, sodass der Anwender Zeit hat, zu reagieren und Schäden zu verhindern?

Wie funktioniert ein Dewar? Ein Dewar ist im Wesentlichen eine sehr gut isolierte Thermoskanne. Der Innentank enthält den flüssigen Stickstoff, der in seiner flüssigen Form je nach atmosphärischem Druck eine Temperatur von etwa -196 °C hat. Würde der flüssige Stickstoff in ein ungedämmtes Gefäß gefüllt, würde er in kürzester Zeit verdampfen. Daher ist der innere Dewar mit vielen Schichten eines Aluminium-Isoliermaterials umwickelt. Dieser isolierte Dewar wird dann in einen größeren Tank mit Abstandshaltern eingesetzt, die eine Berührung der beiden Tanks verhindern und aus einem Material bestehen, das eine weitere Wärmeübertragung verhindern soll. Nach dem vollständigen Abdichten des Raumes zwischen Außen- und Innentank wird der Außentank evakuiert, um die gesamte Luft aus der doppelwandigen Kammer zu entfernen. Dieser letzte Schritt entfernt die Luft, die Wärme von außen in das Innere des Dewars leiten könnte, was den Verdampfungsprozess beschleunigen würde (Vakuumisolierung).

Abbildung 2: Bild der inneren Isoliermaterialien eines Dewars (Quelle: https://link.springer.com/article/10.1007/s10815-019-

01597-5#citeas) Viele Labore gehen davon aus, dass die Temperatur im Inneren des Dewars im gesamten Dewar (oben und unten) genau -196 °C beträgt und dass die Temperaturänderung mit oder ohne Flüssigkeit gleich ist. Dies ist nicht der Fall. Erstens beträgt die Temperatur im Dewar nicht im gesamten Dewar genau -196 °C (was wir später noch zeigen werden). Zweitens bleibt die Temperatur im Inneren des Dewars sehr lange stabil und steigt erst dann sehr schnell an, wenn die gesamte Flüssigkeit verdampft ist. Diese zweite Tatsache wird bei der Suche nach einer Überwachungs- und Alarmlösung oft übersehen. Wenn der flüssige Stickstoff aufgebraucht ist, ist die Reaktionszeit für den Benutzer oft so kurz, dass er unter Berücksichtigung der Verzögerungszeiten eines Alarms und der Anfahrtszeit zum Labor zu spät kommt, um eine Beeinträchtigung der Lebensfähigkeit der Proben zu verhindern…….

Flüssigkeit in den Dewargefäßen wäre eine gute Abhilfemaßnahme. Die Temperatur des Dewargefäßes zu jedem Zeitpunkt zu kennen, wäre jedoch noch besser.

Abbildung 4: Testaufbau im Kryoraum von Cryo Products 2. Wie man den Flüssigstickstoffstand und die Temperatur in einem Dewargefäß genau misst Die Erfassung von Flüssigstickstoff in einem geschlossenen Dewargefäß ist aus mehreren Gründen anspruchsvoll. Erstens ist nur sehr wenig Platz für die Anbringung von Sensoren vorhanden. Das bedeutet, dass die Sensoren dünne Kabel haben und beim Zugriff auf die Proben nur eine minimale Behinderung darstellen dürfen. Zweitens müssen die Sensoren (einschließlich der dünnen Verkabelung) den extrem niedrigen Temperaturen im Inneren des Dewargefäßes über einen sehr langen Zeitraum standhalten. Da Proben in das und aus dem Dewargefäß bewegt werden, sind die Sensoren und die Verkabelung extremen Temperaturunterschieden ausgesetzt, was die Komponenten stark beansprucht. Die folgenden Messprinzipien

lassen sich ermitteln:

NACHTEILE: Abhängig von Größe, Typ und Inventarsystem des Dewargefäßes, teuer, sperrig (benötigt große Stellfläche), meist keine Anbindung an die Fernüberwachung, keine Temperaturmessung der Proben 2. Differenzdrucksensor Die eigentliche Messung des Flüssigstickstoffs erfolgt oft mittels Differenzdruck. Das Gewicht des Flüssigstickstoffs verschiebt Luft in einem Druckrohr, was von einem Drucksensor gemessen wird. Dieser Wert wird dann in eine Füllstandsmessung für das Gefäß umgerechnet. VORTEILE: Zuverlässiger Indikator für den Flüssigkeitsstand, tatsächliche Füllstandsmessung

NACHTEILE: Teuer, passt nicht in kleine Dewargefäße, bruchanfällig, meist keine Anbindung an die Fernüberwachung, keine Temperaturmessung der Proben 3. Kapazitive Sensoren Eine indikative Messung des Flüssigstickstoffs erfolgt ebenfalls durch mehrere kapazitive, temperaturbasierte Sensoren. Der Füllstand kann in Stufen angezeigt werden (d. h. 25 %, 50 %, 75 %, 100 %). VORTEILE: Indikativer Indikator für den Flüssigkeitsstand, tatsächliche Füllstandsanzeige

NACHTEILE: Teuer, passt nicht in kleine Dewargefäße, bruchanfällig, meist keine Fernüberwachung, keine Temperaturanzeige der Proben 4. Temperatur-/Mindestfüllstandssensor im Dewargefäß Ein präziser PT100-Temperatursensor wird im Dewargefäß installiert, wobei die Spitze des Sensors auf einem vorbestimmten Mindestfüllstand platziert wird. Wenn der Füllstand unter die Spitze des Sensors fällt, wird die Temperaturänderung gemessen. Dieser Sensor fungiert als kombinierter Temperatur- und Mindestfüllstandssensor für Dewargefäße. VORTEILE: Zuverlässiger Indikator für den Flüssigkeitsstand, Messung des Mindestfüllstands, sehr preisgünstig, langlebig

NACHTEILE: keine tatsächliche Füllstandsmessung Fazit Die Abwägung aller Vor- und Nachteile von Überwachungslösungen für Dewargefäße zeigt mehrere Probleme in Bezug auf Technik, Platzbedarf, Kosten und Robustheit auf. Die einzige Lösung, die sowohl relativ preisgünstig als auch robust ist, ist der Temperatursensor, der auch als Mindestfüllstandssensor fungieren kann. Die Hauptfrage ist, ob

diese Art der Überwachung ist in der Lage, bei allen denkbaren Problemen (sowohl benutzer- als auch technikbedingt) einen Alarm auszulösen. 3. Welche technischen Probleme können bei einem Dewar auftreten? Dewars sind große Thermoskannen mit einem hohen Isolationsgrad und können flüssigen Stickstoff für lange Zeit speichern. Betrachtet man die Bauweise eines Dewars, gibt es eine Reihe von Dingen, die dem Dewar selbst zustoßen können und die sich auf die Leistung des Geräts auswirken. Die Auswirkungen auf

die Haltezeit des Dewars werden tiefgreifend sein, aber ohne geeignete Messungen ist es unklar, ob Temperatur-/(Mindest-)Füllstandsensoren in der Lage sein werden, Probleme zu erkennen und schnell genug einen Alarm auszulösen, um Schäden zu verhindern.

Abbildung 5: CryoLow Füllstandsensor Um zu testen, ob der Temperatursensor ein ausreichend robustes Instrument zur Überwachung von Dewar-Ausfällen ist, wurde eine Reihe von Tests durchgeführt. Mit Hilfe des Unternehmens Cryo Solutions wurde das XiltriX, Echtzeit-Überwachungs- und Alarmsystem verwendet, um 3 Temperatursensoren zu messen, die in einer Reihe von Testbehältern platziert waren. Die Testbehälter hatten ein Flüssigstickstoffvolumen von 47 l und 10 l. Der 10-l-Dewar ist einer der kleinsten Dewars, die für die Langzeitlagerung von Gewebe verwendet werden. Der kleinste Dewar hat auch das geringste Verhältnis von Oberfläche zu Volumen (A/V-Verhältnis), bei dem die Wärmeleitung einen erhöhten Einfluss auf die Verdunstung hat (Quelle: https://en.wikipedia.org/wiki/Surface-area-to-volume_ratio). Zwei PT100-Temperatursensoren wurden im flüssigen Stickstoff platziert. Ein Sensor wurde an der Außenseite des Dewars angebracht und ein CryoLow-Sensor wurde verwendet, um das Absinken des Flüssigkeitsspiegels zu erkennen Sensor Messprinzip Platzierungshöhe

PT100-Sensor 310 mm Temperatursensor Platziert 10 cm über dem Boden des Dewars

PT100-Sensor 160 mm Temperatursensor Platziert 25 cm über dem Boden des Dewars

CryoLow Füllstanderkennung Temperatur-Füllstandsensor Platziert 10 cm über dem Boden des Dewars

PT100 Oberflächensensor Temperatursensor Platziert auf Höhe des Dewar-Halses

Sensor Messprinzip Platzierungshöhe

PT100-Sensor 310 mm Temperatursensor Platziert 10 cm über dem Boden des Dewars

PT100-Sensor 160 mm Temperatursensor Platziert 25 cm über dem Boden des Dewars

CryoLow Füllstanderkennung Temperatur-Füllstandsensor Platziert 10 cm über dem Boden des Dewars

Abbildung 6: PT100-Temperatursensoren, die innen und außen an einem 10-l-Dewargefäß angebracht sind. TEST 1, Flüssigkeitsstand im Dewargefäß sinkt unter die Spitze des Temperatursensors Um eine Überwachungsbasislinie zu bestimmen, wurden die Temperatursensoren zusammen mit dem CryoLow-Füllstandsmelder im Dewargefäß platziert. Dieses Gerät verwendet einen reaktionsschnellen und empfindlichen Temperatursensor, um festzustellen, wann der Flüssigstickstoffstand unter die Sensorspitze fällt. Dieser Sensor wird neben dem PT100-Temperatursensor auf der gleichen Höhe platziert. Das bedeutet, das erwartete Verhalten ist, dass beide Sensoren einen Abfall des Flüssigstickstoffspiegels zur gleichen Zeit erkennen. Ergebnisse Die Ergebnisse dieses Tests nahmen sehr viel Zeit in Anspruch (mehrere Tage). Dewargefäße sind so konzipiert, dass sie den flüssigen Stickstoff für eine lange Zeit in seiner flüssigen Form halten. Der CryoLow-Füllstandssensor war der erste, der den Abfall des Flüssigstickstoffspiegels feststellte, dicht gefolgt vom PT100-Temperatursensor. Der CryoLow kann einen Alarm ausgeben, wenn er einen niedrigen Füllstand feststellt, hat aber keinen Temperaturausgang, um Temperaturdaten zu liefern. Wenn man in die detaillierte Grafik des PT100-Temperatursensors hineinzoomt, bleibt der Sensor bei etwa -196 °C, bis der Flüssigkeitsstand unter die Spitze des Sensors fällt. Sobald die Spitze des Sensors nicht mehr in den flüssigen Stickstoff eingetaucht ist, steigt die gemessene Temperatur innerhalb von 5 Minuten um etwas mehr als 2,2 °C. Nach dem Temperaturanstieg bleibt die Temperatur wieder für eine lange Zeit stabil. Erst als die gesamte Flüssigkeit verdampft war, stieg die Temperatur weiter an. Um diesen „plötzlichen Temperaturanstieg“ zu bestätigen, wurde der Test mit einem Dewargefäß einer anderen Marke und eines anderen Typs, aber mit der gleichen Größe von 10 l, wiederholt. Außerdem wurde ein anderer Satz von Messhardware und Sensoren verwendet, um die Ergebnisse zu validieren. Es stellte sich heraus, dass die Ergebnisse identisch waren, mit dem gleichen Temperaturanstieg von >2 °C in einem Zeitraum von <10 Minuten.

Abbildung 7: Ergebnisse aller Temperatursensoren, die während des Haltetests angebracht waren.

Abbildung 8: Temperatursprung, nachdem der Flüssigstickstoffstand unter die Spitze des Temperatursensors gefallen ist.

Abbildung 9: Zahlenwerte, die den schnellen Temperaturanstieg in einem sehr kurzen Zeitrahmen anzeigen. Fazit Sowohl der CryoLow als auch der Temperatursensor können effektiv zur Erfassung des Mindestfüllstands von flüssigem Stickstoff eingesetzt werden. Der CryoLow hat den Vorteil, dass er im Vergleich zum PT100-Temperatursensor etwas schneller auf einen Abfall des Flüssigkeitspegels reagiert, aber er hat keinen Temperaturausgang und benötigt einen Anschluss an das Stromnetz, um funktionsfähig zu bleiben. Der PT100-Temperatursensor ist sehr gut in der Lage, den Abfall des Flüssigkeitspegels zu erfassen, solange

Das verwendete Sensor- und Überwachungssystem ist präzise und reagiert schnell, um den Temperaturanstieg zu erkennen. Der obere Alarmschwellenwert darf nicht höher als -194°C eingestellt werden, damit der Temperatursprung, der einen Alarm auslöst, effektiv erfasst werden kann TEST 2, Vakuumverlust Dewargefäße haben einen doppelwandigen Aufbau, der hochgradig isoliert ist. Die Isoliereigenschaften beruhen sowohl auf der Aluminiumummantelung des inneren Dewargefäßes als auch auf der Vakuumisolierung zwischen dem inneren und äußeren Dewargefäß. Das Vakuum ist nicht absolut und nimmt mit der Zeit ab. Neben der Verschlechterung des Vakuums sind auch physische Schäden oder Korrosion nicht ungewöhnlich. Dies kann ein Durchstich der äußeren Aluminiumhülle oder eine Beschädigung der Kunststoff-Vakuumdichtung (Einwegventil) sein, die zum Absaugen von Restluft verwendet wird. Beide Probleme führen zu einem Vakuumverlust. Wir haben genau gemessen, wie schnell flüssiger Stickstoff verdampft und wie die Temperatur im Inneren des Dewargefäßes ansteigt. Testaufbau

Messfühler Messprinzip Platzierungsebene

PT100-Sensor 310 mm Temperatursensor 10 cm über dem Boden des Dewargefäßes platziert

PT100-Sensor 160 mm Temperatursensor 25 cm über dem Boden des Dewargefäßes platziert

Das 10-Liter-Dewargefäß wurde randvoll mit flüssigem Stickstoff gefüllt, bis zu einem höheren Füllstand, als es Benutzer normalerweise tun würden. Nach dem Befüllen wurden die XiltriX Temperatursensoren zusammen mit der Schaumstoffkappe wieder in das Dewargefäß eingesetzt. Als sich alle Temperaturen stabilisiert hatten, wurde die Außenwand des Dewargefäßes

mit einem ø 6-mm-Bohrer durchstochen. Als die Hülle vollständig durchstochen war, war ein lautes Zischen von in die isolierte Wand einströmender Luft zu hören, unmittelbar gefolgt von einer heftigen Verdampfung des flüssigen Stickstoffs im Inneren des Dewargefäßes. Ein Videoclip ist verfügbar: Was passiert mit einem Dewargefäß, wenn das

Vakuum entfernt wird? Darauf folgte eine heftige Verdampfung des Stickstoffs im Inneren des Dewargefäßes.

Abbildung 10: PT100-Oberflächentemperatursensor, der auf die Außenfläche des Dewargefäßes geklebt ist. Ergebnisse Der Vakuumverlust löst einen starken Energietransfer zwischen der inneren und äußeren Wand des Dewargefäßes aus, was zu aggressivem Sieden führt und gleichzeitig die Temperatur der Außenwand auf knapp unter den Gefrierpunkt bei -2 °C senkt. Die Verdampfung beschleunigt sich und wird zuerst auf der Höhe des Flüssigkeitsspiegels vom 160-mm-PT100-Sensor erfasst, einige Zeit später gefolgt von dem PT100-Sensor, der tiefer im Dewargefäß sitzt Zeit Sensor

11:00 (t=0) Bohren des Lochs in die Hülle

11:33 (33 Min.) Oberflächentemperatursensor erreicht 0 °C

12:16 (1 Std. 16 Min.) 160-mm-PT100-Temperatursensor erreicht -194 °C

15:51 (4 Std. 51 Min.) 160-mm-PT100-Temperatursensor erreicht -180 °C

16:00 (5 Stunden) 310-mm-PT100-Temperatursensor erreicht -194 °C

18:48 (7 Std. 48 Min.) 310-mm-PT100-Temperatursensor erreicht -180 °C

22:25 (11 Std. 25 Min.) Temperatursensoren >0 °C

Abbildung 11: Grafik aller Temperatursensoren bei entferntem Vakuum.

Abbildung 12: Detailansicht der beiden Temperatursensoren im Inneren der Dewars auf verschiedenen Ebenen.

Abbildung 13: Temperaturdiagramm des Sensors an der Außenhaut des Dewars. Diskussion Der an der Außenseite des Dewars angebrachte PT100-Sensor reagierte am schnellsten auf den Vakuumverlust. Der Test wurde jedoch mit einem plötzlichen und vollständigen Vakuumverlust durchgeführt. Bei einem langsamen Vakuumverlust würden sich die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Temperaturänderung unterscheiden. Die Analyse der Daten zeigt, dass bereits eine Oberflächentemperatur an der Außenseite des Dewars eine gute Methode ist, um ein katastrophales Problem vorherzusagen. Es gibt jedoch keine Möglichkeit vorherzusagen, wie sich die Temperaturmessung in anderen Situationen verändern wird. Aus diesem Grund würde ein externer Temperatursensor allein nicht alle Risiken mindern. Beide im Dewar installierten PT100-Sensoren erkennen die Abnahme des Füllstands wirksam. Der hoch im Dewar-Hals platzierte Sensor (160 mm) erkennt den Füllstandabfall am schnellsten. Der längere Sensor (310 mm) tritt logischerweise zu einem späteren Zeitpunkt aus dem Flüssigkeitsspiegel aus. Verlässt man sich bei der Überwachung wertvoller Proben auf einen einzigen 310 mm langen PT100-Sensor, so ergibt der Temperaturanstieg von -194 °C auf -180 °C für den Bereitschaftsdienst oder den Benutzer eine Reaktionszeit von etwa 2 Stunden und 48 Minuten. Mit einer geeigneten Echtzeit-Überwachungslösung sollte der Bereitschaftsdienst genügend Zeit haben, um zu reagieren und empfindliches Material zu retten. Bei Verwendung eines 160-mm-Sensors, der zur Überwachung weiter oben im Tank platziert ist, verlängert sich die Reaktionszeit auf bis zu 6 Stunden und 30 Minuten. Dies würde bedeuten, dass die Dewars häufiger nachgefüllt werden müssten, um Fehlalarme zu vermeiden, da der Flüssigkeitsstand schneller unter den Schwellenwert fallen würde. TEST 3, Perforation des inneren Dewars auf Halshöhe Durch das Entfernen des Vakuums werden die Isoliereigenschaften eines Dewars drastisch verringert. Dies ist nicht der katastrophalste Ausfall, der bei einem Dewar auftreten kann. Wenn der Innentank des Dewars reißen oder brechen würde, könnte flüssiger Stickstoff in die Außenhaut eindringen, wodurch die für die Wärmeübertragung verfügbare Oberfläche vergrößert würde. Die Schweißnähte am Hals des Dewars sind durch Temperaturschwankungen einer stärkeren Belastung ausgesetzt als die unteren Schweißnähte. Materialermüdung an den Schweißnähten erhöht die Wahrscheinlichkeit von Rissen an dieser Stelle. Der folgende Test zeigt das Verhalten eines Dewars mit einer Perforation der Innenhaut auf Halshöhe. Testaufbau Gerät Messprinzip Ebene

PT100-Sensor 310 mm Temperatursensor Platziert 10 cm vom Dewar-Boden

PT100-Oberflächensensor Temperatursensor In Halshöhe des Dewars platziert

Bitte beachten Sie: Die Außenhaut des Dewars wurde durchbohrt, um einen gefährlichen Druckanstieg im Inneren des Dewars zu verhindern. Ohne diese zusätzlichen Löcher wurde der Test aufgrund der Explosionsgefahr als zu gefährlich eingestuft. Versuchen Sie nicht, diesen Test zu wiederholen, ohne ALLE notwendigen Sicherheitsvorkehrungen zu treffen! Ein 10-Liter-Dewar wurde mit einer Punktion der Innenhaut in Halshöhe vorbereitet. Der Dewar wurde bis zum Rand mit flüssigem Stickstoff gefüllt, auf ein höheres Niveau, als es Benutzer normalerweise tun würden. Nach dem Befüllen wurden die XiltriX-Temperatursensoren zusammen mit der Schaumstoffkappe wieder in den Dewar eingesetzt. Der flüssige Stickstoff konnte teilweise durch das Loch in Hals

höhe abfließen und in den Raum zwischen der inneren und äußeren Haut eindringen. Die vergrößerte Oberfläche ermöglicht eine höhere Wärmeübertragung und

sollte daher zu einer schnelleren Erwärmung des gesamten Dewars führen. Abbildung 14: Position der Halspunktion. Das X markiert die Stelle der Punktion in Halshöhe. Ergebnisse Die Punktion des Halses führte zu einer sehr schnellen Verdampfung des flüssigen Stickstoffs. Die Temperatur des Oberflächentemperatursensors reagierte am schnellsten und fiel rasch auf -27 °C. Der PT100-Sensor hoch im Dewar war wieder der erste, der eine Abnahme des

Füllstands des flüssigen Stickstoffs anzeigte, gefolgt vom unteren Sensor in ähnlicher Weise. Nach der vollständigen Verdampfung des gesamten flüssigen Stickstoffs erwärmte sich der äußere Oberflächentemperatursensor wieder schnell. Zeit Sensor

10:56 (t=0) Befüllen des vorbereiteten Tanks mit flüssigem Stickstoff

10:59 (3 Min.) Oberflächentemperatursensor erreicht 0 °C

13:13 (2 Std. 17 Min.) 160-mm-PT100-Temperatursensor erreicht -194 °C

17:48 (6 Std. 52 Min.) 160-mm-PT100-Temperatursensor erreicht -180 °C

19:03 (8 Std. 7 Min.) 310-mm-PT100-Temperatursensor erreicht -194 °C

20:52 (9 Std. 56 Min.) 310-mm-PT100-Temperatursensor erreicht -180 °C

23:37 (12h 41min) Temperatursensoren >0°C

Abbildung 15: Verhalten eines Dewars mit Punktion der Innenhaut auf Halshöhe.

Abbildung 16: Detailansicht des internen Temperatursensors in einem Dewar mit einer Punktion auf Halshöhe.

Abbildung 17: Verhalten des Oberflächentemperatursensors in einem Dewar mit einer Punktion auf Halshöhe. Diskussion Der an der Außenseite des Dewars angebrachte PT100-Sensor reagierte am schnellsten auf die Punktion im Halsbereich. Der Test wurde jedoch mit einer größeren Punktion im Halsbereich durchgeführt. Bei einer kleineren Punktion wären die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Temperaturänderung anders. Die Analyse der Daten zeigt, dass allein die Oberflächentemperatur an der Außenseite des Dewars eine gute Möglichkeit ist, ein katastrophales Problem vorherzusagen. Es gibt jedoch keine Möglichkeit vorherzusagen, wie sich die Temperaturmessung in anderen Situationen verändern wird. Aus diesem Grund würde ein externer Temperatursensor allein nicht alle Risiken mindern. Beide im Inneren des Dewars platzierten PT100-Sensoren erkennen den Füllstandabfall effektiv. Der hoch oben im Dewar-Hals platzierte Sensor (160 mm) erkennt den Füllstandabfall am schnellsten. Der weiter unten platzierte Sensor (310 mm) benötigt länger, um den Abfall des Flüssigkeitsstandes zu erkennen. Wenn ein Benutzer nur den 310-mm-Sensor zur Überwachung seiner Proben verwenden würde, betrüge die Reaktionszeit vom Erreichen von -194°C bis -180°C 1 Stunde und 49 Minuten. Mit einer geeigneten Echtzeit-Überwachungslösung sollte der Bereitschaftsdienst genügend Zeit haben, um zu reagieren und empfindliches Material zu retten. Bei Verwendung eines zur Überwachung höher im Tank platzierten 160-mm-Sensors verlängert sich die Reaktionszeit auf bis zu 7 Stunden und 39 Minuten. Dies bedeutet jedoch, dass Dewars häufiger nachgefüllt werden müssten, um Fehlalarme zu vermeiden, da der Flüssigkeitsstand schneller unter den Schwellenwert fallen würde. TEST 4, Punktion des Dewars auf Bodenhöhe Durch das Entfernen des Vakuums werden die isolierenden Eigenschaften eines Dewars drastisch verringert. Dies ist nicht der katastrophalste Fehler, der bei einem Dewar auftreten kann. Wenn die Innenhaut des Dewars reißen oder brechen würde, könnte flüssiger Stickstoff in die Außenhaut eindringen, was die für die Wärmeleitfähigkeit verfügbare Oberfläche vergrößern würde. Der Boden des Dewars wäre der kritischste Bereich eines Tanks, der reißen könnte, wobei die Flüssigkeit am schnellsten abfließt. Dieser Test wird das Verhalten eines Dewars mit einer Punktion der Innenhaut auf Bodenhöhe zeigen. Bitte beachten Sie: Die Außenhaut des Dewars wurde angebohrt, um den im Dewar aufgebauten Druck sicher abzulassen. Ohne diese Löcher hätte der Druckaufbau zu einer Explosion führen können. Versuchen Sie nicht, diesen Test zu wiederholen, ohne die notwendigen Sicherheitsvorkehrungen zu treffen! Testaufbau Gerät Messprinzip Position

PT100-Sensor 310 mm Temperatursensor 10 cm vom Dewar-Boden entfernt platziert

Pt100-Oberflächensensor, Temperatursensor auf Höhe des Dewar-Halses platziert Ein 10-Liter-Dewar wurde mit einer Perforation der Innenhaut am Boden vorbereitet. Der Dewar wurde bis zum Rand mit flüssigem Stickstoff gefüllt, auf ein höheres Niveau, als es Benutzer normalerweise tun würden. Nach dem Befüllen wurden die XiltriX-Temperatursensoren zusammen mit der Schaumstoffkappe wieder in den Dewar eingesetzt. Der flüssige Stickstoff konnte teilweise durch das Loch am Boden abfließen und in den Raum zwischen der inneren und äußeren Haut eindringen. Die größere Oberfläche ermöglicht eine schnellere Wärmeübertragung und sollte daher zu einer schnelleren Erwärmung des gesamten Dewars führen. Ein Clip der Befüllung kann hier angesehen werden: XiltriX, Filling a dewar with puncture of the inner skin. Ergebnisse Die Perforation des Halses führt zu einer sehr schnellen Verdampfung des flüssigen Stickstoffs. Die Temperatur des Oberflächensensors reagierte am schnellsten und fiel rasch auf -127 °C ab. Der hoch im Dewar platzierte PT100-Sensor zeigte wiederum als erster einen Rückgang des Flüssigstickstoffspiegels an, gefolgt vom unteren Sensor in ähnlicher Weise. Nach der vollständigen Verdampfung des gesamten flüssigen Stickstoffs erwärmte sich der äußere Oberflächensensor schnell wieder. Zeit Sensor

13:20 (t=0) Befüllen des vorbereiteten Tanks mit flüssigem Stickstoff

13:21 (1 Min.) Oberflächensensor erreicht 0 °C

13:26 (6 Min.) 160-mm-PT100-Temperatursensor erreicht -194 °C

13:29 (8 Min.) 160-mm-PT100-Temperatursensor erreicht -180 °C

13:50 (29 Min.) 310-mm-PT100-Temperatursensor erreicht -194 °C

14:20 (60 Min.) Der gesamte flüssige Stickstoff ist verdampft

18:16 (4 Std. 56 Min.) Temperatursensoren >0 °C

Abbildung 18: Test eines Dewars mit einer Perforation der Innenhaut am Boden.

Abbildung 19: Detailansicht der internen Temperatursensoren in einem Dewar mit einer Perforation am Boden.

Abbildung 20: Diagramm der Oberflächentemperatur für einen Dewar mit einer Perforation der Innenhaut am Boden. Diskussion Der an der Außenseite des Dewars angebrachte PT100-Sensor reagierte am schnellsten auf die Perforation am Boden. Der Test wurde jedoch mit einer großen Perforation am Boden durchgeführt. Sollte eine kleinere Perforation auftreten, werden die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Temperaturänderung anders sein. Die Analyse der Daten zeigt, dass allein eine Oberflächentemperatur an der Außenseite des Dewars eine gute Methode ist, um ein katastrophales Problem vorherzusagen. Es gibt jedoch keine Möglichkeit vorherzusagen, wie sich die Temperaturmessung in anderen Situationen verändern wird. Aus diesem Grund würde ein externer Temperatursensor allein nicht alle Risiken mindern. Beide im Dewar platzierten PT100-Sensoren sind bei der Erkennung des Füllstandabfalls wirksam. Der hoch im Dewar-Hals platzierte Sensor (160 mm) erkennt den Füllstandabfall am schnellsten. Der tiefer platzierte Sensor (310 mm) benötigt länger, um den Abfall des Flüssigkeitsspiegels zu erkennen. Wenn ein Benutzer nur den

Bei der Verwendung eines 310-mm-Sensors zur Überwachung Ihrer Proben würde die Reaktionszeit vom Erreichen der -194 °C bis -180 °C 1 Stunde und 16 Minuten betragen. Mit einer geeigneten Echtzeit-Überwachungslösung sollte dies dem Bereitschaftsdienst ausreichend Zeit geben, um zu reagieren und empfindliches Material zu retten. Bei der Verwendung eines 160-mm-Sensors, der zur Überwachung weiter oben im Tank platziert ist, verlängert sich die Reaktionszeit auf bis zu 1 Stunde und 40 Minuten. Dies bedeutet jedoch, dass Dewargefäße häufiger nachgefüllt werden müssten, um Fehlalarme zu vermeiden, da der Flüssigkeitsstand schneller unter den Schwellenwert sinken würde. Abschließende Schlussfolgerung Die durchgeführten Tests sollten feststellen, ob die Verwendung von Temperatursensoren als eine Form der Mindestfüllstandserkennung eine robuste Lösung für die Überwachung von Dewargefäßen wäre. Die Ergebnisse waren sehr unterschiedlich, sowohl in Bezug auf das Temperaturverhalten als auch auf die Zeit, die ein Benutzer hätte, um Schäden wirksam zu verhindern, wenn mitten in der Nacht ein Problem auftreten würde, ohne dass sich jemand in der Einrichtung befindet. Alle Temperatursensoren zeigen katastrophale Ausfälle von Dewargefäßen in verschiedenen Formen wirksam an. Der an der Außenhaut des Dewargefäßes angebrachte Temperatursensor reagiert immer am schnellsten. Dieser Sensor liefert den schnellsten Alarm, wenn er mit einer Fernüberwachung verbunden ist

System. Sie fällt schnell auf ein niedriges Temperaturniveau, aber es ist schwer vorherzusagen, welches Niveau das sein wird. Die korrekte Einrichtung dieses Sensors (sowohl Position als auch Alarmgrenzen) erfolgt nach dem Versuch-und-Irrtum-Prinzip und es ist unmöglich, für alle Umstände zu testen. Es kann nicht vorhergesagt werden, auf welches Niveau die Temperatur bei einem Ausfall sinken wird. Bemerkenswert ist, dass die Umgebungstemperatur des Raumes einen Einfluss auf die Temperaturmessung hat, sodass die Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen relativ hoch ist. Darüber hinaus ist der außen angebrachte Sensor viel exponierter und daher anfällig für Beschädigungen, die durch das Bewegen von Dewars verursacht werden. Da der Sensor nicht bei den eigentlichen Proben platziert ist, hat er keinen Mehrwert für die Temperaturmessung. Es wäre nicht empfehlenswert, nur diesen Sensortyp für die Dewar-Überwachung zu verwenden, aber er kann sich positiv auf die Reaktionszeit bei einem katastrophalen Ausfall auswirken. Die Verwendung von intern platzierten Temperatursensoren als Sensoren für den minimalen Flüssigkeitsstand führt immer zu einer zuverlässigen Messung und einem zuverlässigen Alarmereignis. Die internen Sensoren werden nicht von den Umgebungsbedingungen beeinflusst und ihr Verhalten ist daher viel leichter vorherzusagen. Bei Verwendung einer Alarmgrenze von -194°C haben Benutzer genügend Zeit, auf einen Alarm zu reagieren, wenn das Überwachungs- und Alarmsystem in Echtzeit misst und alarmiert. Im Falle eines größeren katastrophalen Ausfalls eines Dewars kann die Reaktionszeit nur 1 Stunde und 16 Minuten betragen, bevor die unteren Proben eine Lagertemperatur über -180°C erreichen. Diese Temperatur wird als kritische Temperatur für die Lagerung von menschlichen Eizellen angesehen. Diese Tests zeigen, wie kritische Ausfälle von Dewars einen katastrophalen Effekt auf die Temperaturbedingungen der gelagerten Proben haben können. Es beweist auch die Wichtigkeit der Verwendung eines geeigneten Echtzeit-Überwachungs- und Alarmsystems in kryogenen Lagereinrichtungen, zum Beispiel in IVF-Laboren, die menschliche Spermien, Eizellen und Embryonen lagern. Die Verwendung eines nicht in Echtzeit arbeitenden Überwachungssystems (zum Beispiel Datenlogger) führt zu einem Verlust an Reaktionszeit, der das Risiko von Schäden an z.B. Embryonen drastisch erhöht. Neben der Messung der Temperaturen sollten Alarmverzögerungen flexibel eingestellt werden. Während der Geschäftszeiten sind längere Verzögerungszeiten erforderlich, um Fehlalarme zu vermeiden. Außerhalb der Geschäftszeiten bieten kürzere Verzögerungszeiten dem Benutzer zusätzliche Reaktionszeit. Und schließlich sollten Alarmbenachrichtigungen einen aggressiven Kaskadierungsmechanismus mit aktiver Bestätigung ermöglichen. Ein für diesen Zweck geeignetes System ist das XiltriX Echtzeit-Überwachungs- und Alarmsystem. Seit über zwei Jahrzehnten sichert XiltriX erfolgreich unersetzliche Proben in kryogenen Lagereinrichtungen auf der ganzen Welt. Laden Sie den ultimativen Leitfaden zur Dewar-Überwachung und -Alarmierung herunter Danksagung: Ich möchte den freundlichen Mitarbeitern von Cryo Solutions in Rosmalen, Niederlande, meine Dankbarkeit aussprechen. Zunächst möchte ich David Vaessen für seine Hilfe und sein Wissen bei der Einrichtung und Durchführung dieser Tests danken. Ohne Sie wäre diese Arbeit nicht möglich gewesen. Zweitens möchte ich Richard van Woerden dafür danken, dass wir Ihr Unternehmen, Ihren Kryoraum und Ihre Dewars für die Durchführung dieser Tests nutzen durften. Schließlich, aber nicht minder wichtig, danke ich Dr. Christine Allen, die mir geholfen hat, wissenschaftliche Ideen zu diskutieren. Die Hinzufügung des Halspunktionstests hat diesen Beitrag vervollständigt. Wir hoffen, dass unsere Informationen dazu beitragen, die Langzeit-Kryolagerung in Dewars ein wenig sicherer zu machen und den unnötigen Verlust von Gewebe oder sogar Leben zu verhindern.