De ultieme gids voor dewarbewaking en alarmering

Whitepaper, de ultieme gids voor dewarmonitoring en alarmering Centrale vraag: Hoe kunt u op de juiste manier met vloeibare stikstof gevulde dewars monitoren, problemen detecteren en alarmen versturen om schade aan de opgeslagen monsters te voorkomen. WAARSCHUWING: De testen die in dit document worden uitgevoerd en besproken, worden uitgevoerd door getrainde professionals in een gecontroleerde omgeving, met inachtneming van alle noodzakelijke veiligheidsmaatregelen. Werken met vloeibare stikstof is gevaarlijk en brengt een inherent risico op verstikking met zich mee bij gebruik in een slecht geventileerde omgeving. De destructieve testen die in dit document worden uitgevoerd, brengen ook een explosierisico met zich mee door een plotselinge drukopbouw. Herhaal deze testen NIET zonder de hulp en het toezicht van een getrainde professional en zonder alle passende veiligheidsmaatregelen te treffen. Introductie Met vloeibare stikstof gevulde cryogene opslagdewars zijn in veel laboratoria de standaard voor de langdurige opslag van weefsel. De weefsels kunnen variëren van navelstrengbloed tot menselijke eicellen, embryo's of zelfs stamcellen, die allemaal een grote financiële en onvervangbare waarde vertegenwoordigen. Deze monsters moeten op een zeer lage temperatuur worden bewaard om biologische processen te stoppen en de weefsels in wezen in de tijd te bevriezen. De vloeibare stikstof verdampt continu uit de dewars, waardoor het vloeistofniveau in het vat daalt. De dewars worden daarom regelmatig (handmatig) gevuld om te voorkomen dat de vloeistof volledig verdampt. De temperatuur van de dewar blijft alleen laag als er vloeibare stikstof in het vat zit. Nadat de vloeibare stikstof volledig is verdampt, begint de temperatuur snel te stijgen. Als de temperatuur van het opslagvat boven een kritieke temperatuur stijgt, zullen de weefsels binnenin levensvatbaarheidsschade oplopen of gewoonweg verloren gaan. Opslagrisico's Laboratoria die een kwaliteitsmanagementsysteem gebruiken, werken met een risicogebaseerde aanpak. Dit betekent dat de risico's van het gebruik van dewars en vloeibare stikstof in kaart moeten worden gebracht, samen met de gevolgen van deze risico's. Als de risico's groot zijn en de gevolgen ernstig, moet een risicobeperkende maatregel worden geïmplementeerd. Dit whitepaper richt zich op een aantal kernvragen.

Figuur 1: Dewar met ijsvorming op de dop.

Wat kan er misgaan met een dewar vanuit het perspectief van de gebruiker?

Hoe meet u nauwkeurig vloeibare stikstof in een dewar?

Wat kan er misgaan met een dewar vanuit technisch perspectief?

Hoe kunnen al deze risico's met hoge nauwkeurigheid worden gemonitord, zodat de gebruiker tijd heeft om te reageren en schade te voorkomen?

Hoe werkt een dewarvat? Een dewarvat is in wezen een zeer goed geïsoleerde thermosfles. De binnentank bevat de vloeibare stikstof die, in vloeibare vorm, een temperatuur heeft van circa -196°C, afhankelijk van de atmosferische druk. Als de vloeibare stikstof in een niet-geïsoleerd vat zou worden gegoten, zou deze in een mum van tijd verdampen. Daarom is het binnenste dewarvat omwikkeld met vele lagen van een aluminium isolatiemateriaal. Dit geïsoleerde dewarvat wordt vervolgens in een grotere tank geplaatst met afstandshouders om contact tussen de vaten te voorkomen, en met een materiaal dat bedoeld is om verdere warmteoverdracht te verhinderen. Nadat de ruimte tussen de buiten- en binnentank volledig is afgesloten, wordt de buitentank vacuüm getrokken om alle lucht uit de dubbelwandige kamer te verwijderen. Deze laatste stap elimineert lucht die warmte van buiten naar binnen in het dewarvat kan transporteren, wat het verdampingsproces zou versnellen (vacuümisolatie).

Figuur 2: Afbeelding van de interne isolatiematerialen van een dewarvat (bron: https://link.springer.com/article/10.1007/s10815-019-

01597-5#citeas) De aanname van veel laboratoria is dat de temperatuur in het dewarvat overal precies -196°C is (boven- en onderin) en dat de temperatuurverandering gelijk zal zijn met of zonder vloeistof. Dit is niet waar; ten eerste is de temperatuur in het dewarvat niet overal precies -196°C (iets wat we later zullen aantonen). Ten tweede zal de temperatuur in het dewarvat zeer lang stabiel blijven, om vervolgens zeer snel te stijgen nadat alle vloeistof is verdampt. Dit tweede feit wordt vaak over het hoofd gezien bij het zoeken naar een monitoring- en alarmeringsoplossing. Wanneer de vloeibare stikstof op is, is de reactietijd voor de gebruiker vaak zo kort dat, rekening houdend met de vertragingstijden van een alarm en de reistijd naar het lab, men te laat zal zijn om schade aan de levensvatbaarheid van de monsters te voorkomen…….

vloeistof in de dewars een goede mitigatiemethode zou zijn. Het zou echter nog beter zijn om de temperatuur van de dewar op ieder moment te weten.

Figuur 4: Testopstelling in de cryogene ruimte van Cryo Products 2. Hoe kunnen het vloeibare stikstofniveau en de temperatuur in een dewar nauwkeurig worden gemeten? Het detecteren van vloeibare stikstof in een afgesloten dewar is om een aantal redenen een uitdaging. Ten eerste is er zeer weinig ruimte om sensoren te plaatsen. Dit betekent dat de sensor dunne kabels moet hebben en een minimale obstructie moet vormen wanneer men bij de monsters probeert te komen. Ten tweede moeten de sensoren (inclusief dunne bedrading) gedurende een zeer lange tijd bestand zijn tegen de extreem lage temperaturen in de dewar. Omdat monsters in en uit de dewar worden gehaald, ondergaan de sensoren en de bedrading extreme temperatuurverschillen, wat veel spanning op de componenten zet. De volgende meetprincipes

kunnen worden onderscheiden:

NADELEN: Afhankelijk van de grootte, het type en het inventarissysteem van de dewar, duur, log (neemt veel ruimte in beslag), meestal geen verbinding met monitoring op afstand, geen temperatuurmeting van de monsters 2. Differentiële druksensor De daadwerkelijke meting van vloeibare stikstof wordt vaak gedaan met differentiële druk. Het gewicht van de vloeibare stikstof verplaatst lucht in een drukbuis die wordt gemeten door een druksensor. Deze waarde wordt vervolgens vertaald in een niveaumeting voor het vat. VOORDELEN: Betrouwbare indicator van vloeistofniveau, daadwerkelijke niveaumeting

NADELEN: Duur, past niet in kleine dewars, gevoelig voor defecten, meestal geen verbinding met monitoring op afstand, geen temperatuurmeting van de monsters 3. Capacitieve sensoren Een indicatieve meting van vloeibare stikstof wordt ook gedaan door verschillende capacitieve, op temperatuur gebaseerde sensoren. Het niveau kan in stappen worden weergegeven (d.w.z. 25%, 50%, 75%, 100%). VOORDELEN: Indicatieve indicator van vloeistofniveau, daadwerkelijke niveau-indicatie

NADELEN: Duur, past niet in kleine dewars, gevoelig voor defecten, meestal geen monitoring op afstand, geen temperatuurindicatie van de monsters 4. Temperatuur/minimaal niveausensor in de dewar Een nauwkeurige PT100 temperatuursensor wordt in de dewar geïnstalleerd, waarbij de tip van de sensor

op een vooraf bepaald minimumniveau wordt geplaatst. Als het niveau onder de tip van de sensor zakt,

wordt de temperatuurverandering gemeten. Deze sensor fungeert als een gecombineerde temperatuur- en minimaal niveausensor voor

dewars. VOORDELEN: Betrouwbare indicator van vloeistofniveau, meting van het minimumniveau, zeer goedkoop, lange levensduur

NADELEN: geen daadwerkelijke niveaumeting Conclusie Het afwegen van alle voor- en nadelen van oplossingen voor dewar-monitoring levert verschillende problemen op met betrekking tot techniek, ruimtebeperking, kosten en robuustheid. De enige oplossing die zowel relatief goedkoop als robuust is, is de temperatuursensor die ook als minimaal niveausensor kan functioneren. De belangrijkste vraag is of

dit type monitoring is voldoende in staat om een alarm te activeren bij alle waarneembare problemen (zowel door de gebruiker als technisch). 3. Wat kan er technisch misgaan met een dewar? Dewars zijn grote thermosflessen met een hoge isolatiegraad die vloeibare stikstof voor een lange tijd kunnen vasthouden. Kijkend naar het ontwerp van een dewar, zijn er een aantal dingen die met de dewar zelf kunnen gebeuren die een effect zullen hebben op de prestaties van het apparaat. De impact op

de standtijd van de dewar zal groot zijn, maar zonder de juiste metingen is het onduidelijk of temperatuur-/(minimum) niveausensoren in staat zullen zijn om problemen te detecteren en snel genoeg een alarm te versturen om schade te voorkomen.

Figuur 5: CryoLow niveausensor Om te testen of de temperatuursensor een voldoende robuust instrument is om defecten aan dewars te monitoren, is een reeks testen opgezet. Met hulp van het bedrijf Cryo Solutions werd het XiltriX, Real-time monitoring & alarm system gebruikt om 3 temperatuursensoren te meten die in een set testvaten waren geplaatst. De testvaten hadden een volume vloeibare stikstof van 47L & 10L. De 10L dewar is een van de kleinste dewars die wordt gebruikt voor langdurige opslag van weefsel. De kleinste dewar heeft ook de laagste verhouding tussen oppervlakte en volume (SA:V), waarbij warmtegeleiding een grotere invloed heeft op de verdamping (bron: https://en.wikipedia.org/wiki/Surface-area-to-volume_ratio). Twee PT100 temperatuursensoren werden in de vloeibare stikstof geplaatst. Eén sensor werd aan de buitenkant van de dewar geplaatst en één CryoLow sensor werd gebruikt om dalingen in het vloeistofniveau te detecteren Sensor Meetprincipe Plaatsingsniveau

PT100 sensor 310 mm Temperatuursensor Geplaatst op 10 cm van de bodem van de dewar

PT100 sensor 160 mm Temperatuursensor Geplaatst op 25 cm van de bodem van de dewar

CryoLow niveaudetectie Temperatuurniveausensor Geplaatst op 10 cm van de bodem van de dewar

PT100 oppervlaktesensor Temperatuursensor Geplaatst ter hoogte van de hals van de dewar

Sensor Meetprincipe Plaatsingsniveau

PT100 sensor 310 mm Temperatuursensor Geplaatst op 10 cm van de bodem van de dewar

PT100 sensor 160 mm Temperatuursensor Geplaatst op 25 cm van de bodem van de dewar

CryoLow niveaudetectie Temperatuurniveausensor Geplaatst op 10 cm van de bodem van de dewar

PT100 oppervlaktesensor Temperatuursensor Geplaatst ter hoogte van de hals van de dewar

Figuur 6: PT100-temperatuursensoren geplaatst aan de binnen- en buitenkant van een 10L-dewar. TEST 1, Vloeistofniveau in dewar zakt onder de punt van de temperatuursensor Om een monitoringbasislijn vast te stellen, werden de temperatuursensoren in de dewar geplaatst samen met het CryoLow-niveaudetectieapparaat. Dit apparaat gebruikt een responsieve en gevoelige temperatuursensor om vast te stellen wanneer het vloeibare-stikstofniveau onder de punt van de sensor zakt. Deze sensor is naast de PT100-temperatuursensor op dezelfde hoogte geplaatst. Dit betekent dat het verwachte gedrag is dat beide sensoren tegelijkertijd een daling van het vloeibare-stikstofniveau zouden detecteren. Resultaten De resultaten van deze test lieten erg lang op zich wachten (meerdere dagen). Dewars zijn ontworpen om de vloeibare stikstof lang in vloeibare vorm te houden. De CryoLow-niveaudetectiesensor detecteerde als eerste de daling van het vloeibare-stikstofniveau, op de voet gevolgd door de PT100-temperatuursensor. De CryoLow kan een alarm geven wanneer deze een laag niveau detecteert, maar heeft geen temperatuuruitgang om temperatuurgegevens te leveren. Wanneer wordt ingezoomd op de gedetailleerde grafiek van de PT100-temperatuursensor, blijft de sensor op ongeveer -196 °C totdat het vloeistofniveau onder de punt van de sensor zakt. Zodra de punt van de sensor niet langer in de vloeibare stikstof is ondergedompeld, stijgt de gemeten temperatuur binnen 5 minuten met iets meer dan 2,2 °C. Na deze stapsgewijze temperatuurstijging blijft de temperatuur weer voor een lange periode stabiel. Pas toen alle vloeistof was verdampt, steeg de temperatuur verder. Om deze ‘plotselinge temperatuurstijging’ te bevestigen, werd de test herhaald met een ander merk en type dewar, maar met dezelfde inhoud van 10 liter. Ook werd een andere set meetapparatuur en sensoren gebruikt om de resultaten te valideren. Het bleek dat de resultaten identiek waren, met dezelfde temperatuurstijging van >2 °C in een tijdsbestek van <10 minuten.

Figuur 7: Resultaten van alle aangesloten temperatuursensoren tijdens de hold-test.

Figuur 8: Temperatuursprong nadat het vloeibare-stikstofniveau onder de punt van de temperatuursensor zakt.

Figuur 9: Numerieke waarden die de snelle temperatuurstijging in een zeer kort tijdsbestek aangeven. Conclusie Zowel de CryoLow als de temperatuursensor kunnen effectief worden gebruikt voor het detecteren van het minimumniveau van vloeibare stikstof. De CryoLow heeft het voordeel dat deze iets sneller reageert op een daling van het vloeistofniveau in vergelijking met de PT100-temperatuursensor, maar heeft geen temperatuuruitgang en vereist een

aansluiting op het lichtnet om functioneel te blijven. De PT100-temperatuursensor is zeer goed in staat om de daling van het vloeistofniveau te detecteren zolang

het gebruikte sensor- en monitoringsysteem reageert nauwkeurig en snel om de temperatuurstijging te detecteren. De hoge alarmdrempel moet worden ingesteld op niet hoger dan -194°C om de temperatuurstap effectief te kunnen waarnemen, waardoor het een alarm kan genereren Test 2, vacuümverlies Dewars hebben een dubbelwandig ontwerp dat zeer goed geïsoleerd is. De isolerende eigenschappen zijn zowel afkomstig van de aluminium omhulling van de binnenste dewar als van de vacuümisolatie tussen de binnenste en buitenste dewar. Het vacuüm is niet absoluut en zal na verloop van tijd afnemen. Naast de verslechtering van het vacuüm zijn fysieke schade of corrosie niet ongebruikelijk. Dit kan een perforatie van de buitenste aluminium mantel zijn, of schade aan de kunststof vacuümafdichting (eenrichtingsventiel) die wordt gebruikt om restlucht te verwijderen. Beide problemen zullen leiden tot vacuümverlies. We hebben nauwkeurig getimed hoe snel vloeibare stikstof verdampt en de temperatuur in de dewar stijgt. Testopstelling

Meetinstrument Meetprincipe Plaatsingsniveau

PT100-sensor 310 mm Temperatuursensor Geplaatst op 10 cm van de bodem van de dewar

PT100-sensor 160 mm Temperatuursensor Geplaatst op 25 cm van de bodem van de dewar

De 10L dewar werd tot de rand gevuld met vloeibare stikstof, tot een hoger niveau dan gebruikers hem normaal gesproken zouden vullen. Na het vullen werden de XiltriX temperatuursensoren, samen met de schuimdop, terug in de dewar geplaatst. Toen alle temperaturen waren gestabiliseerd, werd de buitenwand van de dewar

doorboord met een ø 6mm boor. Toen de mantel volledig was doorboord, was een luid sissend geluid van lucht die in de geïsoleerde wand stroomde waarneembaar, direct gevolgd door een heftige verdamping van de vloeibare stikstof in de dewar. Er is een videoclip beschikbaar: Wat gebeurt er met een dewar wanneer het

vacuüm wordt verwijderd? Dit werd gevolgd door een heftige verdamping van de stikstof in de dewar.

Figuur 10: PT100-oppervlaktetemperatuursensor die op de buitenkant van het dewaroppervlak is geplakt. Resultaten Het vacuümverlies veroorzaakt een grote energieoverdracht tussen de binnen- en buitenwanden van de dewar, waardoor de inhoud agressief kookt en tegelijkertijd de temperatuur van de buitenwand daalt tot net onder het vriespunt bij -2°C. De verdamping versnelt en wordt het eerst gedetecteerd op het vloeistofniveau voor de 160 mm PT100-sensor, enige tijd later gevolgd door de PT100-sensor die lager in de dewar zit Tijd Sensor

11:00 (t=0) het boren van het gat in de mantel

11:33 (33 min) Oppervlaktetemperatuursensor bereikt 0°C

12:16 (1 uur 16 min) 160 mm PT100-temperatuursensor bereikt -194°C

15:51 (4 uur 51 min) 160 mm PT100-temperatuursensor bereikt -180°C

16:00 (5 uur) 310 mm PT100-temperatuursensor bereikt -194°C

18:48 (7 uur 48 min) 310 mm PT100-temperatuursensor bereikt -180°C

22:25 (11u 25min) Temperatuursensoren >0°C

Figuur 11: Grafiek van alle temperatuursensoren met verwijderd vacuüm.

Figuur 12: Gedetailleerde weergave van de twee temperatuursensoren in de dewars op verschillende niveaus.

Figuur 13: Temperatuurgrafiek van de sensor op de buitenwand van de dewar. Bespreking De PT100-sensor die aan de buitenkant van de dewar was geplaatst, reageerde het snelst op het verlies van vacuüm. De test werd echter uitgevoerd met een plotseling en volledig verlies van vacuüm. Als er een langzaam vacuümverlies zou optreden, zullen de snelheid en de omvang van de temperatuurverandering anders zijn. Analyse van de gegevens toont aan dat alleen een oppervlaktetemperatuur aan de buitenkant van de dewar een goede manier is om een catastrofaal probleem te voorspellen. Er is echter geen manier om te voorspellen hoe de temperatuurmeting in andere situaties zal veranderen. Om deze reden zou een externe temperatuursensor alleen niet alle risico's beperken. Beide PT100-sensoren die in de dewar zijn geïnstalleerd, zijn effectief in het detecteren van de niveaudaling. De sensor die hoog in de hals van de dewar is geplaatst (160 mm), detecteert de niveaudaling het snelst. De langere sensor (310 mm) komt logischerwijs op een later tijdstip boven het vloeistofniveau uit. Als u vertrouwt op een enkele 310 mm lange PT100-sensor voor het monitoren van kostbare monsters, biedt de temperatuurstijging van -194°C tot -180°C de storingsdienst of gebruiker een responstijd van ongeveer 2 uur en 48 minuten. Met een goede realtime monitoringoplossing zou dit de storingsdienst voldoende tijd moeten geven om te reageren en gevoelig materiaal te redden. Bij gebruik van een 160 mm sensor die hoger in het vat is geplaatst voor monitoring, wordt de responstijd verlengd tot 6 uur en 30 minuten. Dit zou betekenen dat dewars vaker moeten worden bijgevuld om valse alarmen te voorkomen, omdat het vloeistofniveau sneller onder het drempelniveau zou dalen. TEST 3, Perforatie van de interne dewar op nekhoogte Door het vacuüm te verwijderen, worden de isolerende eigenschappen van een dewar drastisch verminderd. Dit is niet de meest catastrofale storing die bij een dewar kan optreden. Als de binnentank van de dewar zou barsten of scheuren, zou vloeibare stikstof in de buitenwand kunnen infiltreren, waardoor het voor warmteoverdracht beschikbare oppervlak wordt vergroot. De lasnaden aan de nek van de dewar ondervinden meer extra spanning van temperatuurschommelingen dan de lagere lasnaden. Metaalmoeheid bij de lasnaden verhoogt de kans op scheuren op deze locatie. De volgende test toont het gedrag van een dewar met een perforatie van de binnenwand op nekhoogte. Testopstelling Apparaat Meetprincipe Niveau

PT100-sensor 310 mm Temperatuursensor Geplaatst op 10 cm van de bodem van de dewar

PT100-sensor 160 mm Temperatuursensor Geplaatst op 25 cm van de bodem van de dewar

PT100-oppervlaktesensor Temperatuursensor Geplaatst ter hoogte van de nek van het dewarvat

Let op: In de buitenwand van het dewarvat werden gaten geboord om een gevaarlijke drukopbouw in het dewarvat te voorkomen. Zonder deze extra gaten werd de test als te gevaarlijk beschouwd, vanwege explosiegevaar. Herhaal deze test niet zonder alle noodzakelijke veiligheidsmaatregelen te treffen. Een dewarvat van 10 liter werd geprepareerd met een perforatie van de binnenwand ter hoogte van de nek. Het dewarvat werd tot de rand gevuld met vloeibare stikstof, tot een hoger niveau dan gebruikers het normaal gesproken zouden vullen. Na het vullen werden de XiltriX temperatuursensoren, samen met de schuimrubberen dop, terug in het dewarvat geplaatst. De vloeibare stikstof kon gedeeltelijk weglopen door het gat ter hoogte van de nek

en infiltreerde de ruimte tussen de binnen- en buitenwand. Het vergrote oppervlak maakt een hogere warmteoverdracht mogelijk en

zou daarom moeten resulteren in een snellere opwarming van het gehele dewarvat. Figuur 14: Positie van de perforatie in de nek. X markeert de plek van de perforatie ter hoogte van de nek. Resultaten De perforatie in de nek resulteerde in een zeer snelle verdamping van de vloeibare stikstof. De temperatuur van de oppervlaktesensor reageerde het snelst en daalde snel tot -27°C. De PT100-sensor hoog in het dewarvat was wederom de eerste die een daling van het vloeibare

stikstofniveau aangaf, gevolgd door de lagere sensor op een vergelijkbare manier. Na de volledige verdamping van alle vloeibare stikstof warmde de externe oppervlaktesensor snel weer op. Tijd Sensor

10:56 (t=0) Vullen van het geprepareerde vat met vloeibare stikstof

10:59 (3 min) Oppervlaktetemperatuursensor bereikt 0°C

13:13 (2 u 17 min) 160 mm PT100-temperatuursensor bereikt -194°C

17:48 (6 u 52 min) 160 mm PT100-temperatuursensor bereikt -180°C

19:03 (8 u 7 min) 310 mm PT100-temperatuursensor bereikt -194°C

20:52 (9 u 56 min) 310 mm PT100-temperatuursensor bereikt -180°C

23:37 (12u 41min) Temperatuursensoren >0°C

Figuur 15:: Gedrag van een dewarvat met een punctie van de binnenwand ter hoogte van de hals.

Figuur 16: Gedetailleerd beeld van de interne temperatuursensor in een dewarvat met een punctie ter hoogte van de hals.

Figuur 17:  Gedrag van de oppervlaktetemperatuursensor in een dewarvat met een punctie ter hoogte van de hals. Discussie De PT100-sensor die aan de buitenkant van het dewarvat was geplaatst, reageerde het snelst op de punctie ter hoogte van de hals. De test werd echter uitgevoerd met een grotere punctie ter hoogte van de hals. Als er een kleinere punctie zou optreden, zullen de snelheid en de omvang van de temperatuurverandering anders zijn. Analyse van de gegevens toont aan dat alleen een oppervlaktetemperatuur aan de buitenkant van het dewarvat een goede manier is om een catastrofaal probleem te voorspellen. Er is echter geen manier om te voorspellen hoe de temperatuurmeting in andere situaties zal veranderen. Om deze reden zou een externe temperatuursensor alleen niet alle risico's beperken. Beide PT100-sensoren die in het dewarvat zijn geplaatst, zijn effectief in het detecteren van de niveaudaling. De sensor die hoog in de hals van het dewarvat is geplaatst (160 mm), detecteert de niveaudaling het snelst. De sensor die lager is geplaatst (310 mm) heeft meer tijd nodig om de daling van het vloeistofniveau waar te nemen. Als een gebruiker alleen de 310 mm sensor zou gebruiken om hun monsters te bewaken, zou de responstijd van het bereiken van -194 °C tot -180 °C 1 uur en 49 minuten bedragen. Met een correcte real-time monitoringoplossing zou dit de oproepdienst voldoende tijd moeten geven om te reageren en gevoelig materiaal te redden. Bij gebruik van een 160 mm sensor die hoger in het vat is geplaatst voor monitoring, wordt de responstijd verlengd tot 7 uur en 39 minuten. Dit betekent wel dat dewarvaten vaker moeten worden bijgevuld om valse alarmen te voorkomen, omdat het vloeistofniveau sneller onder de drempelwaarde zou dalen. TEST 4, Punctie van het dewarvat op bodemniveau Door het vacuüm te verwijderen, nemen de isolerende eigenschappen van een dewarvat drastisch af. Dit is niet de meest catastrofale storing die bij een dewarvat kan optreden. Als de binnenwand van het dewarvat zou barsten of scheuren, zou vloeibare stikstof in de buitenwand kunnen infiltreren, waardoor het voor warmtegeleiding beschikbare oppervlak wordt vergroot. De bodem van het dewarvat zou het meest kritieke gebied van een vat zijn om te scheuren, waarbij vloeistof met de hoogste snelheid wegloopt. Deze test toont het gedrag van een dewarvat met een punctie van de binnenwand op bodemniveau. Let op: De buitenwand van het dewarvat werd doorboord om de opgebouwde druk in het dewarvat veilig te laten ontsnappen. Zonder deze gaten had de drukopbouw tot een explosie kunnen leiden. Probeer deze test niet na te bootsen zonder de nodige veiligheidsmaatregelen te treffen. Testopstelling Apparaat Meetprincipe Niveau

PT100-sensor 310 mm Temperatuursensor Geplaatst op 10 cm van de bodem van het dewarvat

PT100-sensor 160 mm Temperatuursensor Geplaatst op 25 cm van de bodem van het dewarvat

PT100-oppervlaksensor temperatuursensor geplaatst op nekniveau van het dewarvat Een dewarvat van 10 liter werd geprepareerd met een perforatie van de binnenwand aan de onderkant. Het dewarvat werd tot de rand gevuld met vloeibare stikstof, tot een hoger niveau dan gebruikers het normaal zouden vullen. Na het vullen werden de XiltriX-temperatuursensoren, samen met de schuimdop, terug in het dewarvat geplaatst. De vloeibare stikstof kon gedeeltelijk weglopen door het gat aan de onderkant en infiltreerde de ruimte tussen de binnen- en buitenwand. Het grotere oppervlak zorgt voor een snellere warmteoverdracht en zou daardoor moeten resulteren in een snellere opwarming van het gehele dewarvat. Een clip van het vullen kan hier worden bekeken: XiltriX, Filling a dewar with puncture of the inner skin. Resultaten De perforatie van de nek resulteert in een zeer snelle verdamping van de vloeibare stikstof. De temperatuur van de oppervlaktetemperatuursensor reageerde het snelst en daalde snel tot -127 °C. De PT100-sensor hoog in het dewarvat was wederom de eerste die een daling van het vloeibare-stikstofniveau aangaf, op een vergelijkbare manier gevolgd door de lagere sensor. Nadat alle vloeibare stikstof volledig was verdampt, warmde de oppervlaktetemperatuursensor aan de buitenkant snel weer op. Tijd Sensor

13:20 (t=0) Vullen van het geprepareerde vat met vloeibare stikstof

13:21 (1 min) Oppervlaktetemperatuursensor bereikt 0 °C

13:26 (6 min) 160 mm PT100-temperatuursensor bereikt -194 °C

13:29 (8 min) 160 mm PT100-temperatuursensor bereikt -180 °C

13:50 (29 min) 310 mm PT100-temperatuursensor bereikt -194 °C

14:20 (60 min) Alle vloeibare stikstof is verdampt

18:16 (4 uur en 56 min) Temperatuursensoren >0 °C

Figuur 18: Test van dewarvat met een perforatie van de binnenwand aan de onderkant.

Figuur 19: gedetailleerde weergave van interne temperatuursensoren in een dewarvat met een perforatie aan de onderkant.

Figuur 20: grafiek van de oppervlaktetemperatuur voor een dewarvat met een perforatie van de binnenwand aan de onderkant. Discussie De PT100-sensor die aan de buitenkant van het dewarvat was geplaatst, reageerde het snelst op de perforatie aan de onderkant. De test werd echter uitgevoerd met een grote perforatie aan de onderkant. Als er een kleinere perforatie zou optreden, zullen de snelheid en de omvang van de temperatuurverandering anders zijn. Analyse van de gegevens toont aan dat een oppervlaktetemperatuursensor aan de buitenkant van het dewarvat een goede manier is om een catastrofaal probleem te voorspellen. Er is echter geen manier om te voorspellen hoe de temperatuurmeting in andere situaties zal veranderen. Om deze reden zou een externe temperatuursensor alleen niet alle risico's mitigeren. Beide PT100-sensoren die in het dewarvat zijn geplaatst, zijn effectief in het detecteren van de niveaudaling. De sensor die hoog in de nek van het dewarvat is geplaatst (160 mm) detecteert de niveaudaling het snelst. De sensor die lager is geplaatst (310 mm) heeft meer tijd nodig om de daling van het vloeistofniveau waar te nemen. Indien een gebruiker alleen de

Met een 310 mm sensor om uw monsters te bewaken, bedraagt de responstijd vanaf het bereiken van -194 °C tot -180 °C 1 uur en 16 minuten. Met een adequate real-time monitoringoplossing zou dit de medewerker met consignatiedienst voldoende tijd moeten geven om te reageren en gevoelig materiaal te redden. Bij gebruik van een 160 mm sensor die hoger in het vat is geplaatst voor de bewaking, wordt de responstijd verlengd tot 1 uur en 40 minuten. Dit betekent wel dat dewars vaker bijgevuld moeten worden om valse alarmen te voorkomen, omdat het vloeistofniveau sneller onder de drempelwaarde zou dalen. Eindconclusie De uitgevoerde tests waren bedoeld om te bepalen of het gebruik van temperatuursensoren als een vorm van detectie van het minimumniveau een robuuste oplossing zou zijn voor het bewaken van dewars. De resultaten liepen sterk uiteen, zowel wat betreft het temperatuurgedrag als de tijd die u zou hebben om effectief schade te voorkomen als er midden in de nacht een probleem zou optreden zonder dat er iemand in de faciliteit aanwezig is. Alle temperatuursensoren zijn effectief in het signaleren van catastrofale storingen van dewars in verschillende vormen. De temperatuursensor die aan de buitenkant van de dewar-wand is geplaatst, reageert altijd het snelst. Deze sensor geeft het snelste alarm wanneer deze is aangesloten op bewaking op afstand

systeem. De temperatuur daalt snel tot een laag niveau, maar het is moeilijk te voorspellen wat dat niveau zal zijn. Het correct instellen van deze sensor (zowel positie als alarmlimieten) zal met vallen en opstaan gebeuren en het is onmogelijk om voor elke omstandigheid te testen. Het is niet te voorspellen tot welk niveau de temperatuur zal dalen als er een storing optreedt. Opmerkelijk is dat de omgevingstemperatuur van de ruimte invloed heeft op de temperatuurmeting, waardoor de kans op valse alarmen relatief groot is. Bovendien is de aan de buitenkant geplaatste sensor veel meer blootgesteld en daardoor gevoelig voor schade die wordt veroorzaakt door het verplaatsen van dewars. Omdat de sensor niet bij de eigenlijke monsters is geplaatst, heeft deze geen toegevoegde waarde voor de temperatuurmeting. Het zou niet aan te raden zijn om alleen dit type sensor te gebruiken voor de bewaking van dewars, maar het kan een gunstig effect hebben op de responstijd bij een catastrofale storing. Het gebruik van intern geplaatste temperatuursensoren als sensoren voor het minimale vloeistofniveau resulteert altijd in een betrouwbare meting en alarmgebeurtenis. De interne sensoren worden niet beïnvloed door omgevingsomstandigheden en hun gedrag is daardoor veel gemakkelijker te voorspellen. Door een alarmlimiet van -194°C te gebruiken hebben gebruikers voldoende tijd om op een alarm te reageren als het bewakings- en alarmsysteem in real-time meet en alarmeert. In het geval van een grote catastrofale storing van een dewar kan de responstijd slechts 1 uur en 16 minuten bedragen voordat de onderste monsters een opslagtemperatuur van boven de -180°C bereiken. Deze temperatuur wordt beschouwd als een kritische temperatuur voor de opslag van menselijke eicellen. Deze testen tonen aan hoe kritische storingen van dewars een catastrofaal effect kunnen hebben op de temperatuurcondities van de opgeslagen monsters. Het bewijst ook het belang van het gebruik van een goed real-time bewakings- en alarmsysteem in cryogene opslagfaciliteiten, bijvoorbeeld IVF-laboratoria die menselijk sperma, eicellen en embryo's opslaan. Het gebruik van een niet-real-time bewakingssysteem (bijvoorbeeld dataloggers) zal resulteren in een verlies van responstijd dat het risico op schade aan bijvoorbeeld embryo's drastisch zal verhogen. Naast het meten van de temperaturen, moeten alarmvertragingen op een flexibele manier worden ingesteld. Tijdens kantooruren zijn langere vertragingstijden nodig om valse alarmen te voorkomen. Buiten kantooruren zorgen kortere vertragingstijden voor extra responstijd voor de gebruiker. En tot slot moeten alarmmeldingen een agressief escalatiemechanisme met actieve bevestiging mogelijk maken. Een systeem dat voor dit doel geschikt is, is het XiltriX real-time bewakings- en alarmsysteem. Al meer dan twee decennia beveiligt XiltriX met succes onvervangbare monsters in cryogene opslagfaciliteiten over de hele wereld. Download de ultieme gids voor dewarbewaking en alarmering ***Dankwoord:***Ik wil graag mijn dank uitspreken aan de mensen vanCryo Solutionsin Rosmalen, Nederland. Allereerst wil ikDavid Vaessenbedanken voor zijn hulp en kennis bij het opzetten en uitvoeren van deze testen. Zonder u was dit artikel niet mogelijk geweest. Ten tweede wil ikRichard van Woerdenbedanken dat we uw bedrijf, cryo-ruimte en dewars mochten gebruiken om deze testen uit te voeren. Tot slot, maar zeker niet minder belangrijk, dank uDr Christine Allenvoor uw hulp bij het bespreken van wetenschappelijke ideeën. Het toevoegen van de nekperforatietest maakte dit stuk compleet. We hopen dat onze informatie zal helpen om de langdurige cryo-opslag in dewars iets veiliger te maken en onnodig verlies van weefsel of zelfs leven te voorkomen.