低溫罐：通過去除絕緣真空引發故障後，溫度和體積隨時間損失

　　液氮杜瓦於(yu) 1892年以其發明者詹姆斯·杜瓦的名字命名。如今，該設備最常用的內(nei) 涵是液氮(LN2)罐，在世界上幾乎每個(ge) 生殖(人類和非人類)實驗室都有幾種設計之一。現代hth体会官方网页版的設計源自1956年美國育種者服務局和美國氰胺公司林德分部合資開發的第一個(ge) 實用的胚胎儲(chu) 罐。在此之前，牲畜飼養(yang) 者更常使用新鮮或冷卻的胚胎。在胚胎冷凍保存變得可靠後，冷凍保存的胚胎用幹冰儲(chu) 存——研究人員可用的液氮儲(chu) 存係統不可靠，需要頻繁管理，例如密切監測和頻繁填充。

　　現代hth体会官方网页版的設計與(yu) 林德公司的設計相比沒有太大變化;內(nei) 罐(容納液態氣體(ti) 和冷凍標本)懸掛在外殼內(nei) ，周圍有隔熱層和真空空間。鋁是建造小容量儲(chu) 罐最常用的金屬，鋼用於(yu) 建造大容量儲(chu) 罐。

　　儲(chu) 罐的設計允許液態氣體(ti) 在內(nei) 罐中儲(chu) 存，同時盡量減少熱量暴露;因此，根據氣體(ti) 的不同，氣體(ti) 可以在接近-200°C或更低的溫度下保持液態。液氮的工作溫度約為(wei) -196°C，而幹冰的溫度約為(wei) -79°C。hth体会官方网页版還保持由溫度接近液態的氣體(ti) 蒸氣組成的相對靜態的頂部空間(非液體(ti) )，即使液化氣的體(ti) 積減少。這種設計有助於(yu) 保持氣體(ti) 和氣體(ti) 蒸汽體(ti) 積之間相對穩定的內(nei) 部動態。儲(chu) 罐未加壓，蒸汽通過儲(chu) 罐的聚苯乙烯泡沫塑料蓋/塞損失。這導致液氮緩慢但持續蒸發。液氮儲(chu) 罐的日常維護和填充時間表因實驗室而異，可能涉及每日或每周檢查、監測儲(chu) 罐重量、液化氣液位/體(ti) 積和/或頂部空間蒸汽溫度。維護，例如監測和填充，可以是手動或自動的。過去，罐體(ti) 不需要配備緊急呼叫報警係統。最近，提出了正確驗證新儲(chu) 罐和報警器的指南以及質量控製指南。

　　hth体会官方网页版的設計——尺寸、形狀、建築材料、焊縫和密封劑——並不能絕對防止結構完整性的喪(sang) 失。金屬疲勞和結構應力會(hui) 導致真空逐漸喪(sang) 失，液氮的使用逐漸增加。液氮液位的逐漸變化是正常和預期的，液氮儲(chu) 罐的製造商宣布，最終所有儲(chu) 罐都會(hui) 發生故障。小容量儲(chu) 罐最薄弱的區域之一是將儲(chu) 罐頸部連接到內(nei) 室和外室頂部的焊縫。油箱的全部重量，通常約為(wei) 75至100磅，都由這個(ge) 頸部懸掛。這些頸部焊縫在大容量儲(chu) 罐中沒有發現。

　　MVE 47/11hth体会官方网页版切開視圖。請注意，整個(ge) 油箱的重量由粘在內(nei) 外油箱上的頸部支撐

　　由於(yu) 內(nei) 外容器之間突然出現不可預測的真空損失，儲(chu) 罐發生災難性故障，可能導致液氮迅速損失，隨著液氮的蒸發，儲(chu) 存內(nei) 容物迅速升溫。保持在臨(lin) 界玻璃化轉變溫度(約-130°C)以下的試樣可能會(hui) 暴露在更高的溫度下，對細胞完整性造成不可逆轉的損害，除非采取措施保護試樣。

　　人類和動物生殖科學家討論了hth体会官方网页版真空損失的軼事。描述包括儲(chu) 罐外部濕度增加時，儲(chu) 罐突然出現冷點、霜凍和水珠。也有報道稱，從(cong) 儲(chu) 罐中可以看到蒸汽羽流，在某些情況下，還會(hui) 聽到儲(chu) 罐發出的聲音，當然，第二天或幾天後發現儲(chu) 罐中幾乎沒有液氮。甚至有報道稱，試樣周圍的內(nei) 罐內(nei) 爆，使其無法移除。

　　直到最近，文獻中還沒有關(guan) 於(yu) 真空損失以及液氮蒸發速率或儲(chu) 罐內(nei) 腔溫度變化的詳細報告或任何研究。真空故障後，儲(chu) 罐能保持合適的溫度多久，從(cong) 檢測故障到儲(chu) 罐達到臨(lin) 界溫度有多長時間，甚至真空故障對儲(chu) 罐特性的影響都是未知的。

　　本研究是為(wei) 了響應開發可操作數據的呼籲而開展的，這些數據可以(1)通過監測重量和內(nei) 部蒸汽溫度來證明不同設計(小型臨(lin) 床到大型商業(ye) 儲(chu) 存)的儲(chu) 罐中的常規液氮損失，以及(2)記錄由於(yu) 外罐外殼的誘導破裂而導致的重量和內(nei) 部蒸氣溫度的變化，從(cong) 而在每個(ge) 相同的儲(chu) 罐中突然失去真空。

　　這項研究將有助於(yu) 根據儲(chu) 罐尺寸——蒸發率和溫度變化——由儲(chu) 罐重量和懸掛在儲(chu) 罐頸部下方的校準探頭監測——來表征災難性真空損失後的液氮儲(chu) 罐行為(wei) ，並記錄對外部事件的觀察結果，如霜霜、水珠、蒸汽羽流等。此外，目標是提供可操作的數據——氣體(ti) 體(ti) 積損失率、頂部空間溫度變化率——以使每個(ge) 單獨的實驗室能夠完善針對此類事件的應急響應協議。

　　材料和方法

　　本研究是對低溫儲(chu) 罐在常規和真空損失條件下的性能進行的多中心調查。用於(yu) 這項研究的儲(chu) 罐是捐贈的，因為(wei) 使用新的和多個(ge) 儲(chu) 罐是禁止的;本研究中捐贈的任何儲(chu) 罐的使用均不適用納入或排除標準。這些儲(chu) 罐的特性如表所示。

　　沒有人類受試者參與(yu) ，也沒有使用或挖掘患者PHI數據。材料、監測設備和冷凍儲(chu) 罐不會(hui) 直接影響患者護理;因此，沒有征求內(nei) 部審查委員會(hui) 的批準。

　　這項研究的一個(ge) 公認的局限性是，納入了之前可能懷疑或已經證明液氮蒸發增加的儲(chu) 罐。沒有對每個(ge) 儲(chu) 罐進行重複評估，也沒有對低溫儲(chu) 罐性能進行比較統計;數據是描述性的，旨在為(wei) 理解低溫儲(chu) 罐真空故障的性能特征提供基礎數據。

　　所有參與(yu) 者使用相同的研究方案來促進一致性，同時認識到不同的儲(chu) 罐在誘導真空損失前後可能具有不同的性能特征;無法控製的變量包括罐體(ti) 的年齡和每個(ge) 罐體(ti) 的先前性能曆史。

　　該研究由三個(ge) 部分組成，旨在確定(1)滿罐、(2)幾乎空罐和(3)真空度因鑽真空口而受損的幾乎空罐的靜態蒸發率。這些速率與(yu) 製造商公布的速率進行了比較(如有)。每天或每小時監測儲(chu) 罐的總重量和溫度。為(wei) 了在英製和公製以及重量和體(ti) 積之間進行轉換，使用了磅到克的標準轉換(453.6克/磅)，然後使用液氮的密度(0.807克/毫升)轉換為(wei) 體(ti) 積。進行了額外的實驗，以確定在真空損失後對大容量罐和幹燥氮氣托運器做出反應所需的時間。

　　測定完整儲(chu) 罐中液氮(LN2)的靜態蒸發速率

　　每個(ge) 低溫儲(chu) 罐(大容量查特1840型儲(chu) 罐除外，見下文)都配備了一個(ge) 溫度探頭，該探頭連接到Onset Hobo UX100-014M高容量數據記錄器。對於(yu) 小容量罐，探針尖端的放置精確地延伸到塞子內(nei) 表麵下方2英寸，對於(yu) 大容量罐，則延伸到頂部試樣的水平(蓋子底部下方約12厘米)。

　　在填充到邊緣頂部之前，測量了儲(chu) 罐的空重，這樣當插入聚苯乙烯泡沫塑料塞時，多餘(yu) 的液氮就會(hui) 溢出。對裝滿的儲(chu) 罐進行稱重，該數據點變為(wei) t0。為(wei) 了確定滿罐中的靜態日蒸發率，記錄了總共7天的罐重量。隻有一個(ge) 油箱配備了庫存架(油箱3)。其他的是沒有架子的罐體(ti) 。

　　為(wei) 了確定滿罐和幾乎空罐的蒸發率之間是否存在任何差異，通過將液氮移至6英寸的深度並重複重量損失測量進行了比較。值得注意的是，這些儲(chu) 罐是由於(yu) 疑似故障或儲(chu) 罐老化可能即將發生故障而捐贈的。

　　在真空受損的小容量係統中測定液氮的靜態蒸發速率

　　為(wei) 了減少油箱從(cong) 滿到空的時間，對兩(liang) 個(ge) 幾乎空的油箱——一個(ge) MVE 47/11和一個(ge) 舊的、停產(chan) 的聯合碳化物LR-31——進行了真空消耗測量。去除液氮，使每個(ge) 罐中剩餘(yu) 6英寸。與(yu) 之前的實驗一樣，除了在真空密封接頭(VSJ)上鑽一個(ge) 1/8英寸的孔或錘擊一個(ge) 類似大小的釘子穿過VSJ，直到可以聽到空氣進入空隙的聲音，絕緣真空屏障受到了損害外，儲(chu) 存容器的測量方式也是相同的。由於(yu) 蒸發速率隨著真空度的降低而急劇增加，因此每小時記錄一次儲(chu) 罐和液氮內(nei) 容物的重量，直到變空。

　　第三個(ge) 儲(chu) 罐，即儲(chu) 罐3，是一個(ge) 裝有庫存貨架係統的MVE 47/11儲(chu) 罐。這是唯一一個(ge) 在釋放真空後蒸發速率從(cong) 滿到空的罐。

　　在真空受損的大容量係統中測定液氮的蒸發速率

　　在與(yu) 較小的常規儲(chu) 罐類似的過程中，對液氮容量大於(yu) 600升的大容量係統(查特工業(ye) MVE型號1840)在真空損失後的蒸發速率進行了測試。稱量大容量係統存在幾個(ge) 後勤障礙，包括是否有足夠容量的磅秤來測量600升係統的總重量，以及能否將其移入和移出磅秤。除了使用刻度尺手動進行液氮液位監測外，實驗設計與(yu) 較小儲(chu) 罐的設計相似。維薩拉HMT140高容量數據記錄器用於(yu) 記錄溫度。通過將溫度探頭放置在正常監測位置，剛好高於(yu) 之前驗證的最低液位，以產(chan) 生-185°C的溫度，即係統報警閾值，來獲得溫度測量值。儲(chu) 罐中的氮氣液位設置在會(hui) 引起報警的液位附近。一旦溫度警報響起，測量就開始了。

　　真空密閉幹式托運箱中液氮蒸發速率的測定

　　按照製造商建議的方法，將一個(ge) 小型幹式托運人(MVE SC4/3E)裝滿液氮。在測試前兩(liang) 小時，每15分鍾向托運人加滿液氮，以確保其處於(yu) 完全充電狀態。然後，它安裝了兩(liang) 個(ge) 溫度探頭，一個(ge) 距離塞子2英寸，另一個(ge) 距離底部6英寸。每小時測量一次油箱的重量，直到它與(yu) 空油箱的重量相同。接下來，按照上述方法重新填充油箱，並用1/8英寸鑽頭鑽VSJ來釋放真空。每分鍾記錄一次溫度，每小時記錄一次重量，直到油箱達到室溫。

　　結果

　　在真空受損的小容量係統中測定液氮的靜態蒸發速率

　　小型儲(chu) 罐最顯著的結果是，在鑽孔以去除真空後的前6小時內(nei) ，蒸發率從(cong) 每天不到1升上升到每天至少40升(表1)。隨著儲(chu) 罐液氮的耗盡，這一速率緩慢下降。較小的聯合碳化物罐在真空損失後持續不到1天。罐2持續約18小時以完成蒸發，罐3也是如此(約18小時完成蒸發)，盡管罐3中的初始蒸發速率高於(yu) 罐2。儲(chu) 罐2和儲(chu) 罐3之間的區別在於(yu) 儲(chu) 罐3配備了庫存貨架係統。隨著儲(chu) 罐中液氮的耗盡，平均蒸發速率(升/小時)略有變化。蒸發速率開始很高，然後在儲(chu) 罐中的液氮耗盡時降至零。在真空喪(sang) 失3小時內(nei) ，觀察到蓋子附近結霜和水珠。

　　小容量儲(chu) 罐的液氮蒸發速率。製造商聲明的蒸發率為(wei) 0.39L/天。真空失效3小時後，儲(chu) 罐的蒸發率為(wei) 70L/天，失效6小時後達到最大蒸發率90L/天

　　罐體(ti) 故障的最初跡象之一是罐體(ti) 外部結霜和水珠。這張照片是小容量MVE 47/11和大容量MVE 1840

　　溫度探頭放置在頂部附近(2英寸以內(nei) )，靠近大多數儲(chu) 罐中試樣的位置。在最小容量的儲(chu) 罐(LR-31;30 L)中，鑽井後約8小時，下部探頭的臨(lin) 界溫度達到-130°C。在稍大的MVE 47/11中，儲(chu) 罐2在近27.6小時後達到臨(lin) 界溫度，儲(chu) 罐3(帶機架)在20小時後達到，而未鑽井但失效的儲(chu) 罐4則需要35小時以上。

　　與(yu) 氮消耗有關(guan) ，在所有液氮蒸發後不久，臨(lin) 界溫度很快達到。在罐2中，在排空後2小時內(nei) 達到臨(lin) 界溫度。在受損但完好無損的儲(chu) 罐4中，這發生在1小時內(nei) 。

　　上探頭(藍線)和下探頭(紅線)的液氮體(ti) 積(綠線)和溫度圖

　　為(wei) 了了解這些儲(chu) 罐是如何製造的，我們(men) 切開其中一個(ge) 儲(chu) 罐(儲(chu) 罐3)，檢查頸部與(yu) 內(nei) 外儲(chu) 罐的連接(見圖1)。

　　在真空受損的大容量係統中測定液氮的靜態蒸發速率

　　在近700升的大型儲(chu) 罐中，從(cong) 報警到試樣達到-130°C的臨(lin) 界溫度的時間約為(wei) 15小時。從(cong) 報警到液氮耗盡總共花費了近31小時。有趣的是，鑽後蒸發率為(wei) 31.4 L/天，僅(jin) 為(wei) 製造商列出的鑽前蒸發率12.5 L/天的3倍左右。還觀察到儲(chu) 罐蓋上結霜。

　　鑽探以釋放真空的大容量MVE 1840的液氮使用量(藍線)和溫度(紅線)

　　真空密閉幹式托運器中液氮的靜態蒸發速率

　　幹式托運人的數據。在沒有真空的情況下，罐的蒸發速率從(cong) 0.15升/天增加到超過11升/天。靜態保持時間從(cong) 22.5天縮短到不到1天。故障發生約6小時後，儲(chu) 罐溫度高於(yu) 臨(lin) 界溫度。

　　幹燥托運箱的溫度(藍線)和液氮使用量(橙線)，通過鑽真空口釋放真空

　　討論

　　最近，液氮儲(chu) 罐發生了兩(liang) 起廣為(wei) 人知的故障，促使那些儲(chu) 存人體(ti) 組織的人重新審視這些組織在表麵上是為(wei) 儲(chu) 存公牛胚胎而設計的儲(chu) 罐中的安全性。鑒於(yu) 這些失敗，考慮設施在進行低溫儲(chu) 存時麵臨(lin) 的責任程度也是明智的[7]。迄今為(wei) 止，幾乎沒有關(guan) 於(yu) 氮氣儲(chu) 罐故障原因或故障時性能變化的報道。在這項研究中，通過在真空端口鑽孔並允許真空逸出，捐贈儲(chu) 罐的真空隔熱性能被破壞。在三種類型的罐中測量了真空去除前後液氮的蒸發率：小容量儲(chu) 存、大容量儲(chu) 存和幹式托運。

　　這項研究存在公認的局限性，包括捐贈的儲(chu) 罐因年齡而異，其中包括一些預先存在較高液氮蒸發率的儲(chu) 罐，這些儲(chu) 罐被歸類為(wei) 故障儲(chu) 罐。作者還認識到，本研究可能無法證明或反駁軼事觀察或猜測;但事實證明，這些軼事中有許多是真的;液氮的快速和不可預測的損失、儲(chu) 罐的個(ge) 體(ti) 性能特征以及外部故障指標，例如霜凍、水珠、空氣通過損壞部位的聲音運動等。

　　無論如何，這項研究提供的數據是獨一無二的，應該保守地看待，在情況允許的情況下，作為(wei) 個(ge) 別診所進一步探索的基礎數據。

　　除大容量托運人外，所有儲(chu) 罐的初始製造商蒸發率均低於(yu) 每天1升。當將實際蒸發率與(yu) 製造商的蒸發率進行比較時，所有儲(chu) 罐的蒸發率都略高。這很可能是因為(wei) 這些儲(chu) 罐要麽(me) 已經使用了多年，要麽(me) 由於(yu) 液氮蒸發率隨時間的推移而逐漸增加，預計儲(chu) 罐會(hui) 發生故障。在通過鑽出真空端口釋放真空後，液氮蒸發速率在小型和大型儲(chu) 罐中急劇增加到每天30至40升，在相當小的氮氣運輸船中增加到超過12升。這種蒸發速率意味著，在真空損失發生後，小型hth体会官方网页版將容納氮氣24小時多一點，而在幹燥的托運人中則不到6小時。

　　值得注意的是，兩(liang) 個(ge) 非常相似的儲(chu) 罐(儲(chu) 罐2和儲(chu) 罐3)在故障後的蒸發率存在差異。儲(chu) 罐3的平均蒸發速率要高得多(見表)。這兩(liang) 個(ge) 罐體(ti) 都是MVE 47/11型，但請注意，罐體(ti) 3配備了完整的存儲(chu) 架係統：罐子、手杖和高腳杯，以模擬完整的庫存。該儲(chu) 罐(空)的基重為(wei) 33.6磅和44.8磅(帶機架係統)，液氮填充後為(wei) 122.8磅;該罐在誘導真空故障之前被描述為(wei) 功能齊全，並於(yu) 1990年製造(5)。機架係統的額外質量以及隨之而來的液氮的位移有效地減少了儲(chu) 罐3中的液氮量，並可能影響了儲(chu) 罐3的初始和平均蒸發速率。這是一個(ge) 關(guan) 鍵的發現和推測，需要更多的測試，盡管儲(chu) 罐3中液氮完全耗盡的時間與(yu) 儲(chu) 罐2相似。

　　我們(men) 還觀察到，隻要罐中有一些液氮，組織附近的溫度就會(hui) 保持在約-130°C的臨(lin) 界玻璃化轉變溫度以下。一旦液氮消失，溫度將在大約90分鍾內(nei) 迅速升至室溫)。甚至在真空破裂後，儲(chu) 罐頂部附近的溫度變化也非常緩慢。這對於(yu) 如何設置觸發警報的探測器具有至關(guan) 重要的意義(yi) 。至少有一家製造商銷售用於(yu) 低溫罐的溫度報警探頭，該探頭被編程為(wei) 在探頭達到-150°C的溫度時報警。我們(men) 的研究表明，對於(yu) 這種報警器的大多數應用，它放置在聚苯乙烯泡沫塑料塞下方約2英寸處，在試樣有失透危險之前，報警器隻會(hui) 在大約1.1小時內(nei) 發出聲音。對於(yu) 許多診所來說，這可能沒有足夠的時間開車去實驗室搶救標本。

　　盡管本研究中未對液位報警或其他機製進行評估，例如監測儲(chu) 罐的重量，可能比溫度報警更有效，但應徹底測試任何報警係統是否發生故障，以確保它為(wei) 發生故障的儲(chu) 罐提供足夠的響應時間。我們(men) 的研究表明，如果可以通過氮氣液位報警器或可以測量儲(chu) 罐重量的設備檢測到氮氣蒸發的早期增加，那麽(me) 響應時間大約為(wei) 18小時——隻要有一個(ge) 裝有液氮的備用儲(chu) 罐可用，就足以處理大多數緊急情況。應使用至少一個(ge) 位於(yu) 實際試樣深度附近的溫度探頭，以便能夠證明試樣沒有暴露在允許失透的次優(you) 溫度下。

　　同樣重要的是要注意，由於(yu) 幹燥托運人儲(chu) 存的液氮體(ti) 積較小(約3.4升)，他們(men) 的等待時間相對較短。這些容器中的真空損失可能會(hui) 導致整個(ge) 水箱在5或6小時內(nei) 變幹。其中一位作者(KP)觀察到一個(ge) 事件，一個(ge) 全新的幹燥托運人將組織運送到幾百英裏外的另一家診所。罐體(ti) 到達時，天氣溫暖幹燥。水箱失靈了，珍貴的組織無法存活。當測試這個(ge) 新罐時，發現它的氮氣蒸發率過高，很可能是由於(yu) 製造不善。

　　總之，當一個(ge) 滿的小容量水箱發生泄漏時，人們(men) 有大約18小時的時間來檢測故障並搶救組織。這假設正在對儲(chu) 罐進行監測，以便它們(men) 可以檢測到前3小時內(nei) 發生的蒸發率增加。位於(yu) 儲(chu) 罐頂部附近的溫度探頭似乎不足以快速檢測出發生故障的儲(chu) 罐。人們(men) 需要一個(ge) 係統來檢測蒸發速率的這種快速變化或氮消耗的這種快速增加[8]。無論如何，整個(ge) 係統——儲(chu) 罐、探頭和報警器——都應該進行故障測試，以確定並確保足夠的響應時間。小容量油箱非常有效。隻要罐中還有液氮，它們(men) 就可以將溫度保持在玻璃化轉變溫度的臨(lin) 界溫度以下。希望這項研究將提供急需的數據，以幫助製造商生產(chan) 更安全的儲(chu) 罐，並改進工作實驗室協議，從(cong) 而避免類似的胚胎和卵子丟(diu) 失事件。