平板式血漿速凍機系統(tǒng)性能實驗研究

艾秋艷，韓樂民，鄒曉明，陳煥新，代江勇

( 1.華中科技大學(xué)，武漢 430074；2.武漢貝索醫(yī)療器械有限公司，武漢 430065 )

平板式血漿速凍機系統(tǒng)性能實驗研究

艾秋艷1，韓樂民2，鄒曉明2，陳煥新1，代江勇2

( 1.華中科技大學(xué)，武漢 430074；2.武漢貝索醫(yī)療器械有限公司，武漢 430065 )

為了研究和優(yōu)化血漿速凍機系統(tǒng)，保證血漿的速凍質(zhì)量，本文分析了平板式血漿速凍機的特點，設(shè)計并搭建了內(nèi)容積約能容納36袋200ml血漿的平板式速凍機實驗裝置，使用R507作為雙級壓縮制冷循環(huán)工質(zhì)，實現(xiàn)了血漿速凍機達(dá)到-60℃的低溫條件，并且實驗表明了所設(shè)計的平板式血漿速凍機在不同的環(huán)境溫度下都能將血漿的中心溫度在40min內(nèi)由常溫速凍到-30℃以下，但是血漿凍結(jié)速度還不夠均勻，同一批血漿中心溫度達(dá)到-30℃的時間最大可相差10min。

血漿；速凍機；平板式；環(huán)境溫度

1 引言

血漿速凍機是一種將新鮮血漿在低溫下快速凍結(jié)的制冷裝置。其凍結(jié)速度快，溫度低，因此有效的保證了新鮮血漿中不穩(wěn)定凝血因子的活性，為醫(yī)院、生物制劑廠等醫(yī)療行業(yè)提供安全有效的新鮮血漿。我國現(xiàn)有的血漿速凍方法主要有傳統(tǒng)低溫冰箱法和平板式速凍機法[1]，平板式速凍機法相對傳統(tǒng)低溫冰箱法具有傳熱效果好，速凍速度快，速凍后形狀規(guī)整等優(yōu)點，因此，平板式速凍機法是一種極具發(fā)展前景的新型血漿保存方法。

本研究通過分析平板式血漿速凍機的特點，對現(xiàn)有的血漿速凍機進(jìn)行了研究分析，設(shè)計并搭建了內(nèi)容積約能容納36袋200ml血漿的平板式速凍機實驗裝置，使用R507作為雙級壓縮制冷循環(huán)工質(zhì)，實現(xiàn)了血漿速凍機達(dá)到-60℃的低溫條件，并且以實驗驗證了所設(shè)計的平板式血漿速凍機在不同的環(huán)境溫度下都能滿足快速冷凍血漿的要求。為改進(jìn)和進(jìn)一步優(yōu)化血漿速凍機系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，對推動我國血漿速凍產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著相當(dāng)重要的意義。

2 平板式血漿速凍的特點

血漿中的冷沉淀是臨床常用的血漿成分，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纖維連接蛋白[2]。據(jù)Hellstern[3]等報道認(rèn)為新鮮血漿制備時間、溫度、凍結(jié)速度均影響FⅧ活性。因此，血漿冷凍與一般物品的冷凍不同，為保證血漿質(zhì)量，其不僅對冷凍溫度有要求而且對血漿速凍的速度也有相關(guān)的要求。我國醫(yī)療行業(yè)中對血漿速凍時間有著嚴(yán)格的要求，新版《血站技術(shù)操作規(guī)程(2015版)》3.6.3.4中明確強調(diào)和要求[4]：新鮮冰凍血漿和冷沉淀凝血因子應(yīng)被快速凍結(jié)，最好在60min內(nèi)將血漿的中心溫度降至-30℃以下。

平板式血漿速凍機采用水平金屬壓板直接接觸血漿，傳熱效果好，具有降溫速度快、凍結(jié)量大、凍結(jié)的血漿外觀平整以及在常溫下便可操作等優(yōu)點[5]，但其也具有價格昂貴、機組運行時噪音大、散熱量大、能耗高等缺點[6]。因此，研究平板式血漿速凍機系統(tǒng)對推動血漿速凍行業(yè)的發(fā)展具有相當(dāng)深遠(yuǎn)的意義。目前，已有不少學(xué)者對平板式血漿速凍機的優(yōu)越性進(jìn)行了一定的研究，并實驗證明了平板式血漿速凍機的優(yōu)勢。鄭望春[7]等探討了新鮮血漿的制備時間和速凍方法對冷沉淀凝血因子質(zhì)量的影響，并實驗證明了平板式速凍機制備的血漿中的冷沉淀FⅧ損耗明顯低于傳統(tǒng)低溫冰箱。李阿中[8]等通過2種不同原理速凍血漿的比較，證明了平板接觸式血漿速凍法比強制對流型血漿速凍法速凍血漿使用的時間短、效果好。莫巧頻[9]等實驗證明了應(yīng)用速凍機速凍原料血漿和冷沉淀制品，其FⅧ的含量明顯高于應(yīng)用傳統(tǒng)低溫冰箱直接凍存原料血漿和冷沉淀制品，冷沉淀復(fù)融發(fā)生纖維蛋白絮狀物析出明顯減少，速凍的溫度和時間是影響FⅧ凝血因子活性及冷沉淀質(zhì)量的主要因素。宋冬云[10]實驗比較了-30℃冰箱和速凍冰箱冰凍的新鮮冰凍血漿Ⅷ因子含量，結(jié)果表明速凍機符合血站的血漿、冷沉淀及冰凍血小板的速凍要求。以上研究都證明了平板式血漿速凍機的高效性和可靠性。

雖然平板式血漿速凍機相對于傳統(tǒng)的低溫冰箱具有一定的優(yōu)勢，但是我國的血漿速凍行業(yè)起步較晚，在提高血漿速凍機系統(tǒng)運行效率和保證系統(tǒng)穩(wěn)定性方面有很大的提升空間。

3 實驗裝置

本研究系統(tǒng)主要由室內(nèi)機和室外機兩部分組成，室外機主要由雙級壓縮機、冷凝器、儲液器、中間冷卻器、高壓調(diào)節(jié)閥、差壓調(diào)節(jié)閥等部件組成，安裝在室外，降低室內(nèi)運行噪音，改善血站人員的工作環(huán)境，并有助于冷凝器換熱，而傳統(tǒng)的一體機由于冷凝器在室內(nèi)，運行時會向室內(nèi)空氣散熱，導(dǎo)致室內(nèi)溫度升高，當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度超過35℃時，冷凝器換熱得不到保障，為了保證設(shè)備能夠良好地運行，必需開啟空調(diào)，增大了使用能耗。由于單級壓縮蒸發(fā)制冷循環(huán)壓比的限制以及制冷劑熱物理特性的限制，為獲得-50℃左右的低溫，采用兩級壓縮制冷循環(huán)可以減小壓縮機壓比，提高工作效率[11]，本試驗系統(tǒng)選用雙級壓縮機，其功率為4000W。室內(nèi)機由平板蒸發(fā)器，柔性連接管，節(jié)流閥等部件構(gòu)成，平板蒸發(fā)器的上下冷板通過柔性連接管相連接并可移動，上下冷板夾持血漿袋，采用了壓迫式直接接觸導(dǎo)熱，減小了熱阻，增大了傳熱接觸面積，加快血漿冷凍速度。根據(jù)血漿速凍溫度、速凍時間與制冷量的要求，并按照ODP值與GWP值越小越好的原則[12]，本試驗系統(tǒng)的制冷劑選用R507，其沸點為-46.7℃，不溶于礦物質(zhì)，有良好的制冷性能[11]。平板式血漿速凍機系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

圖1 平板式血漿速凍機原理圖

本實驗研究選用平板式蒸發(fā)器，蒸發(fā)器共有上下兩個冷板，每個冷板的尺寸為1100mm×630mm，可放置36袋200ml的血漿袋。血漿袋被夾持在上下冷板之間，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)流動，通過接觸導(dǎo)熱迅速帶走血漿中的熱量，達(dá)到快速冷凍血漿的效果。本實驗用模擬血漿替代真實的血漿，模擬血漿的傳熱性能與血漿近似。根據(jù)平板蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)特點，在上冷板和下冷板以及其中的五個模擬血漿袋內(nèi)布置溫度測點，模擬血漿袋被夾持在上下兩塊冷板之間，上下冷板的溫度測點分別布置在冷板表面的幾何中心，模擬血漿袋的溫度傳感器放置在血漿袋內(nèi)，溫度測點的具體位置如圖2所示。

4 實驗研究與數(shù)據(jù)分析

通過優(yōu)化設(shè)計后，根據(jù)優(yōu)化設(shè)計方法搭建平板式血漿速凍機設(shè)備并布置溫度測試點。主要對室外環(huán)境溫度為-5℃、16℃以及40℃時進(jìn)行試驗，并分析數(shù)據(jù)探索平板血漿速凍機的速凍能力。

測試不同環(huán)境溫度時血漿的速凍效果。本實驗分別測試了環(huán)境溫度為-5℃、16℃和40℃的三種工況下的血漿速凍情況，記錄了實驗測點的溫度隨時間的變化。圖3為環(huán)境溫度為-5℃時各測點溫度隨時間的變化曲線、圖4為環(huán)境溫度為16℃時各測點溫度隨時間的變化曲線、圖5為環(huán)境溫度為40℃時各測點溫度隨時間的變化曲線。

圖2 實驗溫度測點位置

圖3 環(huán)境溫度為-5℃時溫度隨時間變化曲線

圖4 環(huán)境溫度為16℃時溫度時間隨變化曲線

圖5 環(huán)境溫度為40℃時溫度隨時間變化曲線

由環(huán)境溫度為-5℃時溫度隨時間的變化曲線可知，平板蒸發(fā)器上下冷板的表面溫度在-50℃上下波動，夾持在上下冷板之間的各模擬血漿袋溫度從20℃降低到-30℃約24min，30min之后模擬血漿袋的溫度可達(dá)-50℃以下；由環(huán)境溫度為16℃時溫度隨時間的變化曲線可知，平板蒸發(fā)器上下冷板的表面溫度在-50℃上下波動，冷板最低可達(dá)-60℃，各模擬血漿袋溫度從10℃降低到-30℃約20min，30min之后模擬血漿袋的溫度可達(dá)-50℃以下；由環(huán)境溫度為40℃時溫度隨時間的變化曲線可知，平板蒸發(fā)器上下冷板的表面溫度由-50℃降低到-60℃，各模擬血漿袋溫度從20℃降低到-30℃最快為24min，最慢為34min，40min之后模擬血漿袋的溫度可達(dá)-50℃以下。以上實驗數(shù)據(jù)圖表明，所設(shè)計使用的分體式平板血漿速凍機在不同的環(huán)境溫度下都能在40min之內(nèi)把血漿的中心溫度由常溫速凍到-30℃以下，完全符合衛(wèi)生部所要求的60min之內(nèi)速降到30℃以內(nèi)，說明機組在不同的環(huán)境溫度下都能很好的滿足血漿速凍的要求。分析每個溫度時間曲線圖還可以發(fā)現(xiàn)，各個測試點的模擬血漿袋中心溫度達(dá)到-30℃的時間不同，尤其是環(huán)境溫度為40℃時，速凍最快的血漿袋與最慢的血漿袋之間相差10min，說明速凍速度還不夠均勻。在平板式血漿速凍機中，血漿袋與上下兩冷板接觸的平整性以及平板蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計都會對血漿速凍的均勻性產(chǎn)生影響。

5 結(jié)論

(1)血漿速凍具有低溫、快速的冷凍特點，本研究設(shè)計并搭建了內(nèi)容積約能容納36袋200ml血漿的平板式血漿速凍機實驗裝置，使用R507作為雙級壓縮制冷循環(huán)工質(zhì)，實現(xiàn)了血漿速凍機達(dá)到-60℃的低溫條件，且平板蒸發(fā)器上下冷板的表面溫度在-50℃上下波動。

(2)在環(huán)境溫度為-5℃、16℃、40℃的條件下都能將血漿的中心溫度在40min內(nèi)由常溫速凍到-30℃以下。

(3)本血漿速凍機系統(tǒng)雖然完全滿足衛(wèi)生部所要求的60min之內(nèi)速降到30℃以內(nèi)的要求，但是血漿凍結(jié)速度還不夠均勻，同一批血漿中心溫度達(dá)到-30℃的時間最大相差10min。對于提高平板式血漿速凍機速凍均勻性的問題還有待下一步研究。

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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

艾秋艷(1991-)，女，碩士研究生，研究方向：制冷與低溫技術(shù)系統(tǒng)研究。

陳煥新，教授。Email：chenhuanxin@tsinghua.org.cn

ISSN1005-9180(2017)02-001-04

TB657 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.02.001