新型生物医药实验用低温冻干机的研制.pdf

中国工程热物理学会 ·传热传质学 第十二届学术会议 1 54 编号#063 新型生物医药实验用低温冻干机的研制． 习德成陶乐仁肖鑫陶宏 021 (上海理工大学制冷及低温研究所军工路516号200093 f@163．com) xdchjj 摘要：本课题设计的低温冻干机通过电加热器加热液氮使之气化，通过控制气体的压力，压出液氮作 为冷源。液氮被压出后流入硅油池的换热器同硅油进行充分换热。在硅油池底部布置一个电加热盘， 通过调节加热量，精确控制硅油温度。特制的不锈钢搁板浸入硅油池中进行硅油浴，能够实现良好的’ 传热．测控制系统由上位Pc机与下位可编程控制器和数据采集模块共同组成，在PC机上可设置控制 参数并进行监控，温度曲线可程序控制，数据采集模块能够自动采集、存贮、上传各项数据，数据可 以在PC机上处理。而后以人脐带血全血的冻干实验验证了该设备在冻于生物物科上的优异性能． 关键词：低温冻干机硅油浴低温生物医学玻璃化 1 引言 近年来，将冷冻干燥技术应用予食品的干燥储存，药品制各变得日益广泛。而且尝 试将其用于生物细胞组织的冻干保存也芷成为新的研究热点。低温保存在降温和复温的 过程中生物细胞组织极容易受到溶液冻结、融化以及溶液渗透压力变化等因素的作用而 损伤Ⅲ。关于细胞低温损伤机理，1972年Mazur等人提出两因素假说拉。，认为冷冻损伤 主要是由于胞内冰的形成，以及溶液中水分不断结冰所造成的“溶液损伤”而引起。而 长过程中与细胞相互问的机械作用，可能是造成冷冻损伤的又一个因素。一般来说，减 少细胞组织损伤的最有效途径就是在降温过程使生长的冰晶细小致密和实现溶液中水 分较大份额的玻璃化(完全的玻璃态可以避免结晶引起的各种损伤，但需要极高的降温 速率，由于热传导的原因，实现完全玻璃化几乎是不可能的∞。)。结晶时降温速率越快， 过冷温度越低，所形成的晶核数量就越多，晶粒就越细；而随着结晶过程的进行，溶液 的浓度增大，玻璃化转变温度也随着升高，细胞所受到的损伤就会相应减小。在冻干的 预冷阶段就是要对物科实现较大份额的玻璃化，然后在部分玻璃化的状态下进行升华干 燥；升华过程中要避免温升造成的再结晶对细胞造成损伤，一次干燥温度的控制需要较 为精确控温和宽广的降温范围。但目前市丽上及实验用的冻干机的降温速率普遍是固定 不可调节的，而且降温范围也比较窄；普遍只能降到一45C左右Ⅲ。为了探索冻干技术在 冻干热敏药物、生物细胞等方面上的应用，迫切需要研制_台新型的实验用低温冻干机， 主要是要实现可控的降温速率、较为精确、均匀的控温和实现宽广的降温范围三个目标。 2设备结构及工作原理 该低温冻干机(图l所示)使用液氮作为冷源，通过电加热器加热杜瓦瓶内的液氮使 之汽化，控制气体压力压出液氮。液氮被压出后流入硅油池中的换热器，同硅油进行换 热。硅油池底部的电加热盘(2KW)，由可编程控制器(PLC调节电加热盘的补偿加热量， 从而控制硅油的温度。杜瓦瓶内气体压力的不同对应液氮的流量不同；液氮的供给量不 同，对应的降温速率也各不相同。特制搁板浸入硅油池中，进行硅油浴从而实现均匀传 热。搁板设计成四周可紧密盛放西林瓶的槽柱，中间是平台的形式。冷阱为螺旋盘管， 本研究受上海市教育基金曙光计划(2003)及上海市特色项目(T0503)资助 714 布置在真空室内。 1冻干室2冷骈盘管3积水槽4搁扳5硅油池6硅油池换热器 7加热盘8液氮罐9配电箱lO真空泵llPC机 图I低温冻干机的原理图 2．1冷量供给系统与真空系统