平板式血浆速冻机系统性能实验研究

艾秋艳，韩乐民，邹晓明，陈焕新，代江勇

( 1.华中科技大学，武汉 430074；2.武汉贝索医疗器械有限公司，武汉 430065 )

平板式血浆速冻机系统性能实验研究

艾秋艳1，韩乐民2，邹晓明2，陈焕新1，代江勇2

( 1.华中科技大学，武汉 430074；2.武汉贝索医疗器械有限公司，武汉 430065 )

为了研究和优化血浆速冻机系统，保证血浆的速冻质量，本文分析了平板式血浆速冻机的特点，设计并搭建了内容积约能容纳36袋200ml血浆的平板式速冻机实验装置，使用R507作为双级压缩制冷循环工质，实现了血浆速冻机达到-60℃的低温条件，并且实验表明了所设计的平板式血浆速冻机在不同的环境温度下都能将血浆的中心温度在40min内由常温速冻到-30℃以下，但是血浆冻结速度还不够均匀，同一批血浆中心温度达到-30℃的时间最大可相差10min。

血浆；速冻机；平板式；环境温度

1 引言

血浆速冻机是一种将新鲜血浆在低温下快速冻结的制冷装置。其冻结速度快，温度低，因此有效的保证了新鲜血浆中不稳定凝血因子的活性，为医院、生物制剂厂等医疗行业提供安全有效的新鲜血浆。我国现有的血浆速冻方法主要有传统低温冰箱法和平板式速冻机法[1]，平板式速冻机法相对传统低温冰箱法具有传热效果好，速冻速度快，速冻后形状规整等优点，因此，平板式速冻机法是一种极具发展前景的新型血浆保存方法。

本研究通过分析平板式血浆速冻机的特点，对现有的血浆速冻机进行了研究分析，设计并搭建了内容积约能容纳36袋200ml血浆的平板式速冻机实验装置，使用R507作为双级压缩制冷循环工质，实现了血浆速冻机达到-60℃的低温条件，并且以实验验证了所设计的平板式血浆速冻机在不同的环境温度下都能满足快速冷冻血浆的要求。为改进和进一步优化血浆速冻机系统奠定了基础，对推动我国血浆速冻产业的发展有着相当重要的意义。

2 平板式血浆速冻的特点

血浆中的冷沉淀是临床常用的血浆成分，沉淀成分主要包括FⅧ、Fg、凝血因子XⅢ、血管性血友病因子以及纤维连接蛋白[2]。据Hellstern[3]等报道认为新鲜血浆制备时间、温度、冻结速度均影响FⅧ活性。因此，血浆冷冻与一般物品的冷冻不同，为保证血浆质量，其不仅对冷冻温度有要求而且对血浆速冻的速度也有相关的要求。我国医疗行业中对血浆速冻时间有着严格的要求，新版《血站技术操作规程(2015版)》3.6.3.4中明确强调和要求[4]：新鲜冰冻血浆和冷沉淀凝血因子应被快速冻结，最好在60min内将血浆的中心温度降至-30℃以下。

平板式血浆速冻机采用水平金属压板直接接触血浆，传热效果好，具有降温速度快、冻结量大、冻结的血浆外观平整以及在常温下便可操作等优点[5]，但其也具有价格昂贵、机组运行时噪音大、散热量大、能耗高等缺点[6]。因此，研究平板式血浆速冻机系统对推动血浆速冻行业的发展具有相当深远的意义。目前，已有不少学者对平板式血浆速冻机的优越性进行了一定的研究，并实验证明了平板式血浆速冻机的优势。郑望春[7]等探讨了新鲜血浆的制备时间和速冻方法对冷沉淀凝血因子质量的影响，并实验证明了平板式速冻机制备的血浆中的冷沉淀FⅧ损耗明显低于传统低温冰箱。李阿中[8]等通过2种不同原理速冻血浆的比较，证明了平板接触式血浆速冻法比强制对流型血浆速冻法速冻血浆使用的时间短、效果好。莫巧频[9]等实验证明了应用速冻机速冻原料血浆和冷沉淀制品，其FⅧ的含量明显高于应用传统低温冰箱直接冻存原料血浆和冷沉淀制品，冷沉淀复融发生纤维蛋白絮状物析出明显减少，速冻的温度和时间是影响FⅧ凝血因子活性及冷沉淀质量的主要因素。宋冬云[10]实验比较了-30℃冰箱和速冻冰箱冰冻的新鲜冰冻血浆Ⅷ因子含量，结果表明速冻机符合血站的血浆、冷沉淀及冰冻血小板的速冻要求。以上研究都证明了平板式血浆速冻机的高效性和可靠性。

虽然平板式血浆速冻机相对于传统的低温冰箱具有一定的优势，但是我国的血浆速冻行业起步较晚，在提高血浆速冻机系统运行效率和保证系统稳定性方面有很大的提升空间。

3 实验装置

本研究系统主要由室内机和室外机两部分组成，室外机主要由双级压缩机、冷凝器、储液器、中间冷却器、高压调节阀、差压调节阀等部件组成，安装在室外，降低室内运行噪音，改善血站人员的工作环境，并有助于冷凝器换热，而传统的一体机由于冷凝器在室内，运行时会向室内空气散热，导致室内温度升高，当室内环境温度超过35℃时，冷凝器换热得不到保障，为了保证设备能够良好地运行，必需开启空调，增大了使用能耗。由于单级压缩蒸发制冷循环压比的限制以及制冷剂热物理特性的限制，为获得-50℃左右的低温，采用两级压缩制冷循环可以减小压缩机压比，提高工作效率[11]，本试验系统选用双级压缩机，其功率为4000W。室内机由平板蒸发器，柔性连接管，节流阀等部件构成，平板蒸发器的上下冷板通过柔性连接管相连接并可移动，上下冷板夹持血浆袋，采用了压迫式直接接触导热，减小了热阻，增大了传热接触面积，加快血浆冷冻速度。根据血浆速冻温度、速冻时间与制冷量的要求，并按照ODP值与GWP值越小越好的原则[12]，本试验系统的制冷剂选用R507，其沸点为-46.7℃，不溶于矿物质，有良好的制冷性能[11]。平板式血浆速冻机系统的原理图如图1所示。

图1 平板式血浆速冻机原理图

本实验研究选用平板式蒸发器，蒸发器共有上下两个冷板，每个冷板的尺寸为1100mm×630mm，可放置36袋200ml的血浆袋。血浆袋被夹持在上下冷板之间，制冷剂在蒸发器内流动，通过接触导热迅速带走血浆中的热量，达到快速冷冻血浆的效果。本实验用模拟血浆替代真实的血浆，模拟血浆的传热性能与血浆近似。根据平板蒸发器的结构特点，在上冷板和下冷板以及其中的五个模拟血浆袋内布置温度测点，模拟血浆袋被夹持在上下两块冷板之间，上下冷板的温度测点分别布置在冷板表面的几何中心，模拟血浆袋的温度传感器放置在血浆袋内，温度测点的具体位置如图2所示。

4 实验研究与数据分析

通过优化设计后，根据优化设计方法搭建平板式血浆速冻机设备并布置温度测试点。主要对室外环境温度为-5℃、16℃以及40℃时进行试验，并分析数据探索平板血浆速冻机的速冻能力。

测试不同环境温度时血浆的速冻效果。本实验分别测试了环境温度为-5℃、16℃和40℃的三种工况下的血浆速冻情况，记录了实验测点的温度随时间的变化。图3为环境温度为-5℃时各测点温度随时间的变化曲线、图4为环境温度为16℃时各测点温度随时间的变化曲线、图5为环境温度为40℃时各测点温度随时间的变化曲线。

图2 实验温度测点位置

图3 环境温度为-5℃时温度随时间变化曲线

图4 环境温度为16℃时温度时间随变化曲线

图5 环境温度为40℃时温度随时间变化曲线

由环境温度为-5℃时温度随时间的变化曲线可知，平板蒸发器上下冷板的表面温度在-50℃上下波动，夹持在上下冷板之间的各模拟血浆袋温度从20℃降低到-30℃约24min，30min之后模拟血浆袋的温度可达-50℃以下；由环境温度为16℃时温度随时间的变化曲线可知，平板蒸发器上下冷板的表面温度在-50℃上下波动，冷板最低可达-60℃，各模拟血浆袋温度从10℃降低到-30℃约20min，30min之后模拟血浆袋的温度可达-50℃以下；由环境温度为40℃时温度随时间的变化曲线可知，平板蒸发器上下冷板的表面温度由-50℃降低到-60℃，各模拟血浆袋温度从20℃降低到-30℃最快为24min，最慢为34min，40min之后模拟血浆袋的温度可达-50℃以下。以上实验数据图表明，所设计使用的分体式平板血浆速冻机在不同的环境温度下都能在40min之内把血浆的中心温度由常温速冻到-30℃以下，完全符合卫生部所要求的60min之内速降到30℃以内，说明机组在不同的环境温度下都能很好的满足血浆速冻的要求。分析每个温度时间曲线图还可以发现，各个测试点的模拟血浆袋中心温度达到-30℃的时间不同，尤其是环境温度为40℃时，速冻最快的血浆袋与最慢的血浆袋之间相差10min，说明速冻速度还不够均匀。在平板式血浆速冻机中，血浆袋与上下两冷板接触的平整性以及平板蒸发器的结构设计都会对血浆速冻的均匀性产生影响。

5 结论

(1)血浆速冻具有低温、快速的冷冻特点，本研究设计并搭建了内容积约能容纳36袋200ml血浆的平板式血浆速冻机实验装置，使用R507作为双级压缩制冷循环工质，实现了血浆速冻机达到-60℃的低温条件，且平板蒸发器上下冷板的表面温度在-50℃上下波动。

(2)在环境温度为-5℃、16℃、40℃的条件下都能将血浆的中心温度在40min内由常温速冻到-30℃以下。

(3)本血浆速冻机系统虽然完全满足卫生部所要求的60min之内速降到30℃以内的要求，但是血浆冻结速度还不够均匀，同一批血浆中心温度达到-30℃的时间最大相差10min。对于提高平板式血浆速冻机速冻均匀性的问题还有待下一步研究。

[1] 郑望春，叶有玩，王艳春，等.血浆制备时间和速冻方法对冷沉淀凝血因子质量的影响[J].临床和实验医学杂志，2013，(10)：734-736

[2] 杨孝顺，安梅，阮光萍，等.冷沉淀在临床外科手术中的应用[J].中国输血杂志，2005，(03)：255-257

[3] P H，J B，H H.The impact of the intensity of serial automated plasmapheresis and the speed of deep-freezing on the quality of plasma[J].Transfusion.2001(1601-1605)

[4] 中华人民共和国卫生部.血站技术操作规程(2015版)[S].2015

[5] 陈兴智，韦常健，梁智刚.2种速冻技术在新鲜冰冻血浆制备中的应用[J].临床血液学杂志(输血与检验版)，2011，(06)：702-704

[6] 杜英芬，王宗礼，张亮.流态化速冻装置的节能应用研究[J].冷藏技术，2010，(03)：22-27

[7] 郑望春，叶有玩，王艳春，等.血浆制备时间和速冻方法对冷沉淀凝血因子质量的影响[J].临床和实验医学杂志，2013，(10)：734-736

[8] 李阿中，周华平.2种血浆速冻方法的比较[J].中国输血杂志，2013，(09)：913-914

[9] 莫巧频，李交.MBF21型血浆速冻机对冷沉淀质量的影响[J].检验医学与临床，2010，(12)：1211-1212

[10] 宋冬云.血浆速冻冰箱在血站的应用探讨[J].国际检验医学杂志，2009，(02)：209

[11] 郑贤德.制冷原理与装置[M].北京：机械工业出版社，2008

[12] 李云飞，刘宝林，华泽钊.食品冷冻冷藏原理与设备[M].北京：机械工业出版社，2004

Experimental Study on the System Performance of Flat Plate Plasma Freezer

AI Qiuyan1，HAN Lemin2，ZOU Xiaoming2，CHEN Huanxin1，DAI Jiangyong2

( 1.Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074 China；2.Wuhan beisuo Medical Devices Co.，Wuhan 430065 China )

In order to study and optimize the plasma quick freezing machine system and guarantee the quality of frozen plasma，this paper analyzes the characteristics of the flat plate plasma freezer and design and set up an experimental device of a plate freezer which can hold 36 bags of 200ml plasma.The cryogen of two stage compression refrigeration cycle system is R507.The plasma freezer can reach the low temperature of -60.The result of experiment shows that the central temperature of the plasma can reach -30 degrees Celsius from normal atmospheric temperature in 40min.But the plasma freeze is not uniform enough.The same batch of plasma center temperature reached -30 degrees Celsius，the maximum can be a difference of 10min.

Plasma;Quick freezing machine;Plate type;Ambient temperature

2016-10-27

艾秋艳(1991-)，女，硕士研究生，研究方向：制冷与低温技术系统研究。

陈焕新，教授。Email：chenhuanxin@tsinghua.org.cn

ISSN1005-9180(2017)02-001-04

TB657 文献标示码：A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.02.001