Witboek - Ultieme gids voor Dewar-monitoring en -alarmering

Centrale vraag: Hoe kunnen de met vloeibare stikstof gevulde dewars goed worden bewaakt, problemen worden opgespoord en alarmmeldingen worden verstuurd om schade aan de opgeslagen monsters te voorkomen.

WAARSCHUWING: De tests die in dit document worden uitgevoerd en besproken, worden uitgevoerd door getrainde professionals in een gecontroleerde omgeving, waarbij alle noodzakelijke veiligheidsmaatregelen worden genomen. Werken met vloeibare stikstof is gevaarlijk en heeft een inherent risico op verstikking bij gebruik in een slecht geventileerde omgeving. De destructieve testen die in dit document worden uitgevoerd, brengen ook het risico van een explosie met zich mee door een plotselinge drukopbouw. Voer deze tests NIET uit zonder de hulp en supervisie van een getrainde professional en met gebruik van alle juiste veiligheidsmaatregelen!

Inleiding

Met vloeibare stikstof gevulde cryo-opslagdewars zijn de standaard voor langdurige weefselopslag in veel laboratoria. 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 bij 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 voortdurend uit de dewar waardoor het vloeistofniveau in het vat daalt. De dewar wordt daarom regelmatig (handmatig) bijgevuld om te voorkomen dat de vloeistof volledig verdampt. De temperatuur van de dewar blijft alleen laag als er zich vloeibare stikstof in het vat bevindt. Nadat de vloeibare stikstof volledig is verdampt, zal de temperatuur snel gaan stijgen. Als de temperatuur van het opslagvat boven een kritische temperatuur stijgt, zullen de weefsels in het opslagvat levensvatbaarheidsschade oplopen of gewoonweg vergaan.

Risico's bij opslag

Laboratoria die een kwaliteitsbeheersysteem gebruiken, werken met een risicogebaseerde aanpak. Dit betekent dat de risico's van het werken met dewars en vloeibare stikstof in kaart moeten worden gebracht, samen met de gevolgen van de risico's. Als de risico's groot zijn en de gevolgen nijpend, moet een risicobeperkende maatregel worden geïmplementeerd. Deze white paper richt zich op een aantal belangrijke vragen.

1. Wat kan er misgaan met een dewar vanuit het oogpunt van de gebruiker?
2. Hoe meet je nauwkeurig vloeibare stikstof in een dewar?
3. Wat kan er technisch gezien misgaan met een dewar?
4. Hoe kunnen al deze risico's met hoge nauwkeurigheid worden bewaakt, zodat de gebruiker tijd heeft om te reageren en schade te voorkomen?

Hoe werkt een dewar?

Een dewar is in wezen een zeer goed geïsoleerde thermosfles. De binnenste tank bevat de vloeibare stikstof die, in vloeibare vorm, een temperatuur heeft van ongeveer -196°C, afhankelijk van de atmosferische druk. Als de vloeibare stikstof in een ongeïsoleerd vat zou worden gegoten, zou het in een mum van tijd verdampen. Daarom wordt de binnenste dewar in vele lagen aluminium isolatiemateriaal gewikkeld. Deze geïsoleerde dewar wordt vervolgens in een grotere tank geplaatst met afstandhouders om te voorkomen dat de twee tanks elkaar raken met een materiaal dat bedoeld is om verdere warmteoverdracht te voorkomen.

Nadat de ruimte tussen de buitenste en binnenste tank volledig is afgedicht, wordt de buitenste tank vacuüm getrokken om alle lucht uit de dubbelwandige kamer te verwijderen. Deze laatste stap elimineert lucht die warmte van buiten naar binnen kan transporteren, wat het verdampingsproces zou versnellen (vacuümisolatie).

Afbeelding 2: Afbeelding van interne isolatiematerialen van een dewar (bron: https://link.springer.com/article/10.1007/s10815-019-
01597-5#citeas)

De aanname van veel laboratoria is dat de temperatuur in de dewar precies -196°C is over de hele dewar (boven en onder) en dat de temperatuurverandering gelijk zal zijn met of zonder vloeistof. Ten eerste is de temperatuur in de dewar niet precies -196°C over de hele dewar (iets wat we later zullen aantonen). Ten tweede zal de temperatuur in de dewar heel lang stabiel blijven, om vervolgens heel snel te stijgen als alle vloeistof verdampt is. Dit tweede feit wordt vaak over het hoofd gezien bij het zoeken naar een bewakings- en alarmoplossing. 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, deze te laat zullen zijn om levensvatbare schade aan de monsters....... te voorkomen.

1. Wat kan er misgaan vanuit het oogpunt van de gebruiker?

Dewars worden vaak opgeslagen in relatief krappe ruimtes met weinig bewegingsruimte waarin zich veel identieke dewars bevinden die handmatig gevuld moeten worden. Afgezien van het feit dat het een tijdrovende en risicovolle taak is, vormt het vergeten te vullen van een of meerdere dewar's een reëel risico. Als een dewar bijvoorbeeld niet elke week wordt gevuld, betekent dat niet dat de monsters erin meteen bederven. De meest gebruikte dewars hebben een statische houdbaarheid tot 2 maanden.

Figuur 3: voorbeeld van een groot aantal identieke dewars op een klein oppervlak.

Hoe kleiner de dewar, hoe korter de statische wachttijd. Hoe vaker de dewar wordt geopend, hoe sneller de vloeibare stikstof verdampt. Nu we hebben vastgesteld dat de temperatuur in een dewar laag blijft zolang er vloeibare stikstof aanwezig is, zou het monitoren van de aanwezigheid van
vloeistof in de dewar een goede beperkingsmethode zijn. Het zou echter nog beter zijn om de temperatuur van de dewar op een bepaald moment te kennen.

Afbeelding 4: Testopstelling in de cryoruimte van Cryo Products

2. Hoe meet je nauwkeurig het niveau en de temperatuur van vloeibare stikstof in een dewar?

Het detecteren van vloeibare stikstof in een afgesloten dewar is om een aantal redenen een uitdaging. Ten eerste is er erg weinig ruimte om sensoren te plaatsen. Dit betekent dat de sensoren dunne kabels moeten hebben en een minimale obstructie moeten vormen om bij de monsters te komen. Ten tweede moeten de sensoren (inclusief dunne bedrading) zeer lang bestand zijn tegen de extreem lage temperaturen in de dewar. Terwijl de monsters in en uit de dewar worden verplaatst, ondergaan de sensoren en bedrading extreme temperatuurverschillen, wat veel stress veroorzaakt op de componenten. De volgende detectieprincipes
kunnen worden vastgesteld:

1. Gewicht

Het vloeibare stikstofniveau in dewar's kan worden gemeten aan de hand van het volle en lege gewicht van de dewar. Door een weegschaal onder elke dewar te plaatsen, is het gewicht van de dewar een betrouwbare indicator van het vloeistofniveau.

PROS: Betrouwbare indicator van vloeistofniveau
CONS: Afhankelijk van de grootte van de dewar, type en inventarissysteem, duur, omvangrijk (neemt veel ruimte in), meestal geen verbinding met bewaking op afstand, geen temperatuurmeting van monsters

2. Drukverschilsensor

Het meten van vloeibare stikstof gebeurt vaak met behulp van drukverschil. Het gewicht van de vloeibare stikstof verplaatst lucht in een drukbuis, gemeten door een druksensor. Deze waarde wordt vervolgens vertaald in een niveaumeting voor het vat.

PRO'S: Betrouwbare indicator van het vloeistofniveau, werkelijke niveaumeting
CONS: Duur, past niet in kleine dewars, breekt snel, meestal geen verbinding met bewaking op afstand, geen temperatuurmeting van monsters.

3. Capacitieve sensoren

Indicatieve meting van vloeibare stikstof wordt ook gedaan door verschillende capacitieve sensoren op basis van temperatuur. Het niveau kan in stappen worden weergegeven (d.w.z. 25% - 50% - 75% - 100%).

PRO'S: Indicatie van vloeistofniveau, werkelijke niveau-indicatie
CONS: Duur, past niet in kleine dewars, breekt snel, meestal geen bewaking op afstand, geen temperatuurindicatie van monsters.

4. Temperatuur/minimumniveausensor in de dewar

Een nauwkeurige PT100-temperatuursensor wordt in de dewar geïnstalleerd, waarbij de punt van de sensor
op een vooraf bepaald minimumniveau. Als het niveau onder de punt van de sensor zakt, wordt de temperatuurverandering gemeten.
verandering gemeten. Deze sensor werkt als een gecombineerde temperatuur- en minimumniveausensor voor
dewar.

PRO'S: Betrouwbare indicator van het vloeistofniveau, minimale niveaumeting, zeer goedkoop, gaat lang mee
CONS: geen werkelijke niveaumeting

Conclusie

Het afwegen van alle voor- en nadelen van oplossingen voor het bewaken van de dewar levert verschillende technische, ruimtebeperkende, kosten- en robuustheidsproblemen op. De enige oplossing die zowel relatief goedkoop als robuust is, is de temperatuursensor die ook dienst kan doen als sensor voor het minimumniveau. De belangrijkste vraag is of
dit type bewaking voldoende in staat is om een alarm te activeren bij alle waarneembare problemen (zowel door de gebruiker als technisch).

3. Wat kan er technisch gezien misgaan met een dewar?

Dewar's zijn grote thermoskannen met een hoog isolatieniveau, waarin vloeibare stikstof lange tijd kan worden vastgehouden. Als we kijken naar het ontwerp van een dewar, kunnen er een aantal dingen gebeuren met de dewar zelf die invloed hebben op de prestaties van het apparaat. De invloed op
De invloed op de houdbaarheid van de dewar zal groot zijn, maar zonder goede metingen is het onduidelijk of temperatuur-/(minimum)niveausensoren in staat zullen zijn om problemen te detecteren en snel genoeg een alarm af te geven om schade te voorkomen.

Afbeelding 5: CryoLow-niveausensor

Om te testen of de temperatuursensor een voldoende robuust instrument is om defecten in de vaten te monitoren, is een reeks tests opgezet. Met hulp van het bedrijf Cryo Solutions werd het XiltriX - Real-time monitoring & alarmsysteem 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 weefselopslag. De kleinste dewar heeft ook de laagste oppervlakte-volumeverhouding (SA:V), waarbij warmtegeleiding een grotere invloed heeft op 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 vloeistofniveaudalingen te detecteren.

Meetapparaat Meetprincipe Plaatsingsniveau
PT100 sensor 310 mm Temperatuursensor Op 10 cm van de bodem van de vriesruimte geplaatst
PT100-sensor 160 mm Temperatuursensor Op 25 cm van de dewarbodem geplaatst
CryoLage niveaudetectie Temperatuursensor geplaatst op 10 cm van de dewar bodem
PT100 oppervlaktesensor Temperatuursensor geplaatst ter hoogte van de hals van de dewar

Detectieapparaat	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
CryoLage detectie	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 in en aan de buitenkant van een 10L dewar.

TEST 1 - Vloeistofniveau in de dewar daalt tot onder het uiteinde van de temperatuursensor

Om een basislijn voor monitoring te bepalen, werden de temperatuursensoren samen met het CryoLow-niveaudetectieapparaat in de dewar geplaatst. Dit apparaat maakt gebruik van een responsieve en gevoelige temperatuursensor om te bepalen wanneer het niveau van vloeibare stikstof onder de punt van de sensor zakt. Deze sensor is naast de PT100-temperatuursensor op dezelfde hoogte geplaatst. Dit betekent dat het te verwachten gedrag is dat beide sensoren een daling van het vloeibare stikstofniveau op hetzelfde moment detecteren.

Resultaten

De resultaten van deze test duurden erg lang (meerdere dagen). Dewars zijn ontworpen om de vloeibare stikstof lange tijd in vloeibare vorm te houden. De CryoLow-niveausensor detecteerde als eerste de daling van het niveau van de vloeibare stikstof, op de voet gevolgd door de PT100-temperatuursensor.

De CryoLow kan een alarm geven wanneer hij een laag niveau detecteert, maar heeft geen temperatuuruitgang om temperatuurgegevens te leveren. Als je inzoomt op de gedetailleerde grafiek van de PT100-temperatuursensor, blijft de sensor ongeveer op -196°C totdat het vloeistofniveau onder de punt van de sensor zakt. Zodra het uiteinde van de sensor niet meer ondergedompeld is in de vloeibare stikstof, stijgt de gemeten temperatuur binnen 5 minuten met iets meer dan 2,2°C. Na de temperatuurstap blijft de temperatuur weer lange tijd stabiel. Pas toen alle vloeistof verdampt was, steeg de temperatuur verder.

To confirm this ‘sudden temperature increase’, the test was repeated with a different brand and type of dewar, but of the same 10L size. Also another set of measuring hardware and sensors was used to validate the results. It turned out the results were identical, with the same >2°C temperature rise in a <10 minutes time frame.

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

Figuur 8: Temperatuursprong nadat het niveau van de vloeibare stikstof onder het uiteinde van de temperatuursensor is gezakt.

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 hij iets sneller reageert op een daling van het vloeistofniveau dan de PT100-temperatuursensor, maar hij heeft geen temperatuuruitgang en vereist een
aansluiting op netvoeding nodig om te kunnen blijven functioneren.

De PT100-temperatuursensor is zeer goed in staat om de daling van het vloeistofniveau te detecteren zolang
de gebruikte sensor en het monitoringsysteem nauwkeurig zijn en snel reageren om de temperatuurstijging te detecteren. De hoge alarmdrempel moet niet hoger worden ingesteld dan -194°C om de temperatuurstap effectief te detecteren, zodat er een alarm kan worden gegeven.

TEST 2 - Verlies van vacuüm

Dewars hebben een dubbelwandig ontwerp dat zeer goed isoleert. De isolerende eigenschappen komen zowel van het aluminium omhulsel 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 is fysieke schade of corrosie niet ongewoon. Dit kan een perforatie van de buitenste aluminium huid zijn, of schade aan de plastic vacuümafdichting (eenrichtingsklep) die gebruikt wordt om restlucht af te zuigen. Beide problemen leiden tot vacuümverlies. We hebben nauwkeurig getimed hoe snel vloeibare stikstof verdampt en hoe snel de temperatuur in de dewar stijgt.

Testopstelling

Detectieapparaat	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
PT100 oppervlaktesensor	Temperatuursensor	Geplaatst op nekhoogte van

De 10L dewar werd tot de rand gevuld met vloeibare stikstof, tot een hoger niveau dan gebruikers normaal zouden vullen. Na het vullen werden de XiltriX-temperatuursensoren samen met de schuimkap terug in de dewar geplaatst. Toen alle temperaturen gestabiliseerd waren, werd de buitenwand van de dewar
doorboord met een ø 6mm boor. Toen de wand volledig doorboord was, werd een luid sissend geluid waargenomen van lucht die de geïsoleerde wand binnenstroomde, direct gevolgd door een heftige verdamping van de vloeibare stikstof in de dewar. Er is een filmpje beschikbaar: Wat gebeurt er met een dewar als het
vacuüm wordt verwijderd? Dit werd gevolgd door een gewelddadige verdamping van de stikstof in de dewar.

Afbeelding 10: PT100 oppervlaktetemperatuursensor vastgeplakt aan de buitenkant van het oppervlak van de dewar.

Resultaten

Het wegvallen van het vacuüm brengt veel energieoverdracht op gang tussen de binnen- en buitenwand van de dewar, waardoor de vloeistof agressief gaat koken en tegelijkertijd de temperatuur van de buitenwand verlaagt tot net onder het vriespunt van -2°C. De verdamping versnelt en wordt het eerst gedetecteerd bij het vloeistofniveau voor de PT100-sensor van 160 mm, enige tijd later gevolgd door de PT100-sensor die lager in de dewar zit.

Tijd Sensor
11:00 (t=0) boren van het gat in de huid
11:33 (33 min) Oppervlaktetemperatuursensor bereikt 0°C
12:16 (1u 16 min) 160 mm PT100 temperatuursensor bereikt -194°C
15:51 (4u 51 min) 160 mm PT100 temperatuursensor bereikt -180°C
16:00 (5 uur) 310 mm PT100 temperatuursensor bereikt -194°C
18:48 (7u 48 min) 310 mm PT100 temperatuursensor bereikt -180°C
19:50 (8u 50 min) Alle vloeibare stikstof is verdampt
22:25 (11u 25 min) Temperatuursensoren >0°C

Figuur 11: Grafiek van alle temperatuursensoren met het vacuüm verwijderd.

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

Figuur 13: Temperatuurgrafiek van de sensor op de buitenwand van de dewar.

Discussie

De PT100-sensor aan de buitenkant van de dewar reageerde het snelst op vacuümverlies. De test werd echter uitgevoerd met een plotseling en volledig vacuümverlies. Als het vacuüm langzaam wegvalt, zullen de snelheid en de mate van temperatuurverandering anders zijn. Analyse van de gegevens laat zien dat alleen al de 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. Daarom zou een externe temperatuursensor alleen niet alle risico's beperken.

Beide PT100-sensoren die in de dewar zijn geïnstalleerd, detecteren de daling van het niveau effectief. 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 later uit het vloeistofniveau. Vertrouwend op één enkele 310 mm lange PT100-sensor die kostbare monsters bewaakt, levert de temperatuurstijging van -194 °C naar -180 °C de oproepkracht of gebruiker ruwweg 2 uur en 48 minuten responstijd op. Met een goede oplossing voor real-time bewaking zou dit de oproepkracht ruim de tijd moeten geven om te reageren en gevoelig materiaal te redden.

Bij gebruik van een sensor van 160 mm die hoger in de tank wordt geplaatst voor bewaking, wordt de reactietijd verlengd tot 6 uur en 30 minuten. Dit betekent dat er vaker moet worden bijgevuld om vals alarm te voorkomen, omdat het vloeistofniveau sneller onder de drempelwaarde zakt.

TEST 3 - Doorboren van de interne dewar ter hoogte van de hals

Door het vacuüm te verwijderen wordt de isolerende werking van een dewar drastisch verminderd. Dit is niet het meest catastrofale defect dat een dewar kan overkomen. Als de interne tank van de dewar zou barsten of scheuren, zou vloeibare stikstof de buitenste huid binnendringen, waardoor het beschikbare oppervlak voor warmteoverdracht zou toenemen. De lasnaden aan de hals van de dewar ondervinden meer stress van temperatuurschommelingen dan de lager gelegen lasnaden. Metaalmoeheid bij de lassen verhoogt de kans op scheuren op deze locatie. De volgende test toont het gedrag van een dewar met een doorboring van de binnenhuid ter hoogte van de hals.

Testopstelling

Apparatuur Meetprincipe Niveau
PT100-sensor 310 mm Temperatuursensor Op 10 cm van de bodem van de vriesruimte geplaatst
PT100 sensor 160 mm Temperatuursensor Geplaatst op 25 cm van de bodem van de dewar
PT100 oppervlaktesensor Temperatuursensor Geplaatst op halsniveau van dewar

Opmerking: De buitenwand van de dewar werd doorboord om een gevaarlijke drukverhoging binnenin de dewar te voorkomen. Zonder deze extra gaten werd de test te gevaarlijk geacht vanwege explosiegevaar. Probeer deze test niet na te doen zonder ALLE noodzakelijke veiligheidsmaatregelen te nemen!

Er werd een 10L dewar voorbereid met een doorboring van de binnenhuid ter hoogte van de nek. De dewar werd tot de rand gevuld met vloeistof

stikstof, tot een hoger niveau dan gebruikers normaal zouden vullen. Na het vullen worden de XiltriX-temperatuursensoren samen met de

schuimdop, werden terug in de dewar geplaatst. De vloeibare stikstof kon gedeeltelijk weglopen door de opening ter hoogte van de nek
infiltreren in de ruimte tussen de binnen- en buitenhuid. Het grotere oppervlak zorgt voor een hogere warmteoverdracht en
zou daarom moeten resulteren in een snellere opwarming van de hele dewar.

Figuur 14: Positie van de nekpunctie. X

markeert de plek van de nekdoorboring.

Resultaten

Het doorprikken van de hals resulteerde in een zeer snelle verdamping van de vloeibare stikstof. De temperatuur van de oppervlaktetemperatuursensor reageerde het snelst en daalde snel naar -27°C. De PT100-sensor hoog in de dewar vertoonde opnieuw als eerste een daling van het vloeibare stikstofniveau.
niveau van de vloeibare stikstof, gevolgd door de lagere sensor op een vergelijkbare manier. Na de volledige verdamping van alle vloeibare stikstof warmde de sensor voor de buitentemperatuur aan het oppervlak weer snel op.

Tijdsensor
10:56 (t=0) Vullen van de voorbereide tank met vloeibare stikstof
10:59 (3 min) Oppervlakte temperatuursensor bereikt 0°C
13:13 (2u 17 min) 160 mm PT100 temperatuursensor bereikt -194°C
17:48 (6u 52 min) 160 mm PT100 temperatuursensor bereikt -180°C
19:03 (8u 7 min) 310 mm PT100 temperatuursensor bereikt -194°C
20:52 (9u 56 min) 310 mm PT100 temperatuursensor bereikt -180°C
20:55 (9h 58 min) Alle vloeibare stikstof is verdampt.
23:37 (12u 41 min) Temperatuursensoren >0°C

Figuur 15: : Gedrag van een dewar met doorboring van de binnenhuid ter hoogte van de nek.

Afbeelding 16: Detailopname van de interne temperatuursensor in een dewar met een doorboring ter hoogte van de hals.

Figuur 17: Gedrag van de oppervlaktetemperatuursensor in een dewar met een lek ter hoogte van de hals.

Discussie

De PT100-sensor aan de buitenkant van de dewar reageerde het snelst op de doorboring ter hoogte van de hals. De test is echter uitgevoerd met een grotere doorboring ter hoogte van de hals. Bij een kleinere doorboring zullen de snelheid en de omvang van de temperatuurverandering anders zijn. Analyse van de gegevens laat zien dat alleen al de 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. Daarom zou een externe temperatuursensor alleen niet alle risico's beperken.

Beide PT100-sensoren in de dewar detecteren de niveaudaling effectief. De sensor die hoog in de hals van de dewar is geplaatst (160 mm) detecteert de niveaudaling het snelst. De lager geplaatste sensor (310 mm) doet er langer over om de vloeistofniveaudaling te detecteren. Als een gebruiker alleen de 310 mm sensor zou gebruiken om zijn monsters te monitoren, zou de reactietijd van het bereiken van -194°C tot -180°C 1 uur en 49 minuten bedragen. Met een goede real-time bewakingsoplossing zou dit de dienstdoende ruimschoots de tijd moeten geven om te reageren en gevoelig materiaal te redden.

Bij gebruik van een sensor van 160 mm die hoger in de tank wordt geplaatst voor bewaking, wordt de reactietijd verlengd tot 7 uur en 39 minuten. Dit betekent wel dat er vaker moet worden bijgevuld om vals alarm te voorkomen, omdat het vloeistofniveau sneller onder de drempelwaarde zakt.

TEST 4 - Doorboren van de houder op bodemniveau

Door het vacuüm te verwijderen, worden de isolerende eigenschappen van een dewar drastisch verminderd. Dit is niet de meest catastrofale storing die een dewar kan overkomen. Als de binnenwand van de dewar zou barsten of scheuren, zou vloeibare stikstof de buitenwand binnendringen, waardoor het oppervlak dat beschikbaar is voor warmtegeleiding zou toenemen. De bodem van de dewar zou het meest kritieke gebied van een tank zijn om te barsten, waar de vloeistof met de hoogste snelheid wegstroomt. Deze test toont het gedrag van een dewar met een doorboring van de binnenwand op bodemniveau.

Let op: De buitenhuid van de dewar is geboord om de druk die in de dewar was opgebouwd veilig af te voeren. Zonder deze gaten had de drukopbouw tot een explosie kunnen leiden. Probeer deze test niet na te doen zonder de nodige veiligheidsmaatregelen te nemen!

Testopstelling

Apparatuur Meetprincipe Niveau
PT100-sensor 310 mm Temperatuursensor Op 10 cm van de bodem van de vriesruimte geplaatst
PT100 sensor 160 mm Temperatuursensor Geplaatst op 25 cm van de bodem van de dewar
PT100 oppervlaktesensor Temperatuursensor Geplaatst op halsniveau van dewar

Een 10L dewar werd voorbereid met een doorboring van de binnenhuid op het bodemniveau. De dewar werd tot de rand gevuld met vloeibare stikstof, tot een hoger niveau dan gebruikers normaal zouden vullen. Na het vullen werden de XiltriX-temperatuursensoren samen met de schuimrubberen kap teruggeplaatst in de dewar.
dewar. De vloeibare stikstof kon gedeeltelijk weglopen door het gat op de bodem en infiltreerde in de ruimte tussen de binnen- en buitenhuid. Het grotere oppervlak zorgt voor een snellere warmteoverdracht en zou daarom moeten resulteren in een snellere opwarming van de hele dewar. Een filmpje van het vullen kan hier bekeken worden: XiltriX - Vullen van een dewar met doorprikken van de binnenhuid.

Resultaten

Het doorprikken van de hals 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 de dewar vertoonde opnieuw als eerste een daling van het vloeibare stikstofniveau, gevolgd door de lagere sensor op vergelijkbare wijze. Na de volledige verdamping van alle vloeibare stikstof warmde de sensor voor de buitenoppervlaktetemperatuur weer snel op.

Tijdsensor
13:20 (t=0) Vullen van de voorbereide tank met vloeibare stikstof
13:21 (1 min) Oppervlakte temperatuursensor 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.
15:06 (1u 45 min) 310 mm PT100 temperatuursensor bereikt -180°C
18:16 (4u 56 min) Temperatuursensoren >0°C

Figuur 18: Test van de dewar met een doorboring van de binnenhuid op bodemniveau.

Figuur 19: detailweergave van de interne temperatuursensoren in een dewar met een gat op de bodem.

Figuur 20: Grafiek oppervlaktetemperatuur voor dewar met een doorboring van de binnenhuid op bodemniveau.

Discussie

De PT100-sensor aan de buitenkant van de dewar reageerde het snelst op het gat op de bodem. De test werd echter uitgevoerd met een grote doorboring op de bodem. Bij een kleinere doorboring zal de snelheid en de mate van temperatuurverandering anders zijn. Analyse van de gegevens laat zien dat alleen al de 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. Daarom zou een externe temperatuursensor alleen niet alle risico's beperken.

Beide PT100-sensoren in de dewar detecteren de niveaudaling effectief. De sensor die hoog in de hals van de dewar is geplaatst (160 mm) detecteert de niveaudaling het snelst. De lager geplaatste sensor (310 mm) doet er langer over om de vloeistofniveaudaling te detecteren. Als een gebruiker alleen de
310 mm sensor zou gebruiken om zijn monsters te monitoren, dan zou de reactietijd van het bereiken van -194°C tot -180°C 1 uur en 16 minuten zijn. Met een goede real-time bewakingsoplossing zou dit de dienstdoende ruimschoots de tijd moeten geven om te reageren en gevoelig materiaal te redden.

Bij gebruik van een sensor van 160 mm die hoger in de tank wordt geplaatst voor bewaking, wordt de reactietijd verlengd tot 1 uur en 40 minuten. Dit betekent wel dat er vaker moet worden bijgevuld om vals alarm te voorkomen, omdat het vloeistofniveau sneller onder de drempelwaarde zakt.

Eindconclusie

De tests waren bedoeld om vast te stellen of het gebruik van temperatuursensoren als een vorm van minimale niveaudetectie een robuuste oplossing zou zijn voor het bewaken van dewars. De resultaten liepen sterk uiteen, zowel wat betreft het temperatuurgedrag als de tijd die een gebruiker 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 was.

Alle temperatuursensoren zijn effectief in het signaleren van catastrofale defecten aan de dewar in verschillende vormen. De temperatuursensor aan de buitenkant van de dewarhuid reageert altijd het snelst. Deze sensor geeft het snelste alarm als hij is aangesloten op een extern bewakingssysteem.
systeem. Hij daalt snel naar een laag temperatuurniveau, maar het is moeilijk te voorspellen wat dat niveau zal zijn. Het correct instellen van deze sensor (zowel de positie als de alarmgrenzen) zal met vallen en opstaan gebeuren en het is onmogelijk om voor elke omstandigheid te testen. Er kan niet worden voorspeld 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, dus de kans op vals alarm is relatief groot. Bovendien is de sensor die aan de buitenkant is geplaatst veel meer blootgesteld en dus vatbaar voor schade door het verplaatsen van de dauwvaten. Omdat de sensor niet tussen de monsters is geplaatst, heeft hij geen toegevoegde waarde voor de temperatuurmeting. Het is niet aan te raden om dit type sensor alleen te gebruiken voor de bewaking van de dewar, maar het kan wel een gunstig effect hebben op de reactietijd bij een catastrofale storing.

Het gebruik van intern geplaatste temperatuursensoren als minimale vloeistofniveausensoren resulteert altijd in een betrouwbare meting en alarmgebeurtenis. De interne sensoren worden niet beïnvloed door omgevingscondities en hun gedrag is daarom veel gemakkelijker te voorspellen. Door een alarmgrens bij -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. Bij een grote catastrofale storing van een dewar kan de tijd om te reageren zo kort zijn als 1 uur en 16 minuten voordat de onderste monsters een opslagtemperatuur boven -180°C bereiken. Deze temperatuur wordt beschouwd als een kritieke temperatuur voor de opslag van menselijke eieren.

Deze test toont aan hoe kritieke defecten in de dewar een catastrofaal effectkunnen hebben op de temperatuurvan de opgeslagen monsters. Het bewijst ook hoe belangrijk het is om een goed realtime bewakings- en alarmsysteem te gebruiken in cryogene opslagfaciliteiten, bijvoorbeeld IVF-laboratoria waar menselijke zaadcellen, eicellen en embryo's worden opgeslagen. Het gebruik van een niet-realtime bewakingssysteem (bijvoorbeeld dataloggers) zal resulteren in een verlies aan reactietijd waardoor het risico op schade aan bijvoorbeeld embryo's drastisch toeneemt. Naast het meten van de temperaturen moeten alarmvertragingen op een flexibele manier ingesteld worden. Tijdens kantooruren zijn langere vertragingstijden nodig om vals alarm te voorkomen. Buiten kantooruren zorgen kortere vertragingstijden voor extra reactietijd voor de gebruiker. En tot slot moeten alarmmeldingen een agressief cascaderingsmechanisme met actieve bevestiging mogelijk maken.

Een systeem dat hiervoor geschikt is, is het XiltriX real-time bewakings- en alarmsysteem. Al meer dan twintig jaar beveiligt XiltriX met succes onvervangbare monsters in cryogene opslagfaciliteiten over de hele wereld.

Ultieme gids voor Dewar-monitoring en alarm downloaden

Een volledige versie van dit artikel kan worden gedownload via DEZE DOWNLOAD LINK. Of klik op de link naast dit artikel.

Dankbetuigingen: Ik wil mijn dank uitspreken aan de goede mensen van Cryo Solutions in Rosmalen, Nederland. Allereerst wil ik graag bedanken David Vaessen voor zijn hulp en kennis bij het opzetten en uitvoeren van deze tests. Zonder jou was dit artikel niet mogelijk geweest. Ten tweede wil ik graag Richard van Woerden voor het mogen gebruiken van jouw bedrijf, cryokamer en dewars om deze tests uit te voeren. Als laatste, maar daarom niet minder belangrijk, dank ik Dr. Christine Allen voor haar hulp bij het bespreken van wetenschappelijke ideeën. Het toevoegen van de nekpriktest maakte dit stuk compleet.

We hopen dat onze informatie zal helpen om langdurige cryo-opslag in dewars een beetje veiliger te maken en onnodig verlies van weefsel of zelfs leven te voorkomen.

Han Weerdesteyn, CCO, XiltriX België