CN105961569A - 基于活力液的生物体快速冷冻休眠调控方法及调控装置 - Google Patents

基于活力液的生物体快速冷冻休眠调控方法及调控装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于活力液的生物体快速冷冻休眠调控方法及调控装置。其中调控方法包括配置活力液和采用双制冷循环耦合装置对生物体进行低温休眠处理两步骤：活力液包含以下质量百分比的组分：0.01~0.05%的醋酸氯己定，6~18%的氯化钠、5~15%的乙醇、5~10%的甘油、3~5%的甲壳素、1~5%的果糖、1~2%的柠檬酸钠，0.1~0.5%的天冬氨酸转氨甲酰酶，其余为蒸馏水。本发明提供的生物体快速冷冻休眠调控方法及装置，可使得生物体在低温活力液环境处于冷冻休眠状态，实现最理想的生物体冷冻储存。

Description

基于活力液的生物体快速冷冻休眠调控方法及调控装置
技术领域
本发明涉及一项生物体低温冷冻技术，具体涉及的是一种基于活力液的生物体快速冷冻休眠调控方法及装置。
背景技术
生物体在食品加工、粮食运输储存、药物制备等过程中都会涉及到防腐保鲜这一问题。目前最常用的防腐保险技术之一就是低温冷冻技术，即将生物体直接放入冷库中冷冻后进行运输、存储或加工。然而这一过程通常使用空气作为介质对生物进行冷却。由于空气导热系数低，生物体从常温冷却到既定冷冻保存温度需经历长达数个小时。长时间的冷却使得细胞内外浓度压力差增大，并在生物体细胞内产生冰晶，导致细胞壁（膜）破裂，细胞质液溢出。另外，在空气环境中，生物体冷冻过程并不能完全杀死附着在其上面上的细菌。在极低温度的情况下，生物体表面的细菌并不会被完全冻死，只是活力被暂时抑制住了。一旦生物体被从低温环境下取出，细菌就会重新获得有利于其生长的环境。特别是如果生物体进行反复冷冻解冻，细胞内的冰晶会不断长大，并刺破细胞壁（膜），细胞中的液体流出来。这些液体会变成细菌的养分，进一步滋生细菌的繁殖。这样，经历上述冷却后的生物体在冷库中保存超过数月后，会发生细胞死亡并导致生物体腐败变质，造成生物资源的浪费损失。因此，迫切需要发展一种生物体快速冷冻技术，使得生物体在短时间内进入冷冻休眠状态。
我们知道，液体的导热系数比空气大很多，故采用低温液体对生物体进行冷冻能加速生物体的冷冻过程。但是，一般低温液体会使得生物体内组织细胞中的多种成分与低温液体存在较大的渗透压，使得生物体在冷冻过程中细胞组织结构受到破坏。在这种情况下，需要配置一种低温溶液使得其成分尽可能接近生物体细胞组织成分，达到生物体细胞组织结构免受破坏。另外，维持溶液温度处于更低温度水平（例如-60℃）也可加速生物体的冷冻过程。可是采用常规的制冷机组在制冷温度为-20℃情况下制冷效率就很低了。因此，需要引入一种新型的制冷系统保证低温溶液批量冷冻处理生物体过程中，溶液仍然维持在既定低温水平。
发明内容
本发明目的在于改善现有技术中的上述缺陷，提供一种基于活力液的生物体快速冷冻休眠调控方法及装置，利用液体比空气强的传热性能，达到短时间内完成生物体的降温过程，使其进入冷冻休眠状态。同时低温溶液具有与生物体细胞组织相接近的组成成分，其有效成分不仅能实现杀菌功效，还能高效保持生物体活性，实现低温休眠效果。另外，引入新型的制冷系统使得溶液维持在更低温度水平，实现对生物体快速冷冻储存。
技术方案
为了改善传统冷冻技术上的缺陷，本发明采用的技术方案是：
一种基于活力液的生物体快速冷冻休眠调控方法，其特征在于，方法如下：
步骤1、配置活力液：所述活力液包含以下质量百分比的组分：0.01~0.05%的醋酸氯己定，6~18%的氯化钠、5~15%的乙醇、5~10%的甘油、3~5%的甲壳素、1~5%的果糖、1~2%的柠檬酸钠，0.1~0.5%的天冬氨酸转氨甲酰酶，其余为蒸馏水；
步骤2、采用双制冷循环耦合装置对生物体进行低温休眠处理：所述双制冷循环耦合装置包括中温压缩制冷循环系统和低温压缩制冷循环系统，所述中温压缩制冷循环系统由冷凝器、高温压缩机、第一节流阀和蒸发冷凝器组成，所述低温压缩制冷循环系统由所述蒸发冷凝器、第二节流阀、蒸发器以及低温压缩机等组成，所述中温压缩制冷循环系统和所述低温压缩制冷循环系统通过所述蒸发冷凝器耦合；冷冻休眠液池位于低温压缩制冷循环系统的蒸发器中，将所述活力液存放在所述冷冻休眠液池中，依靠双制冷循环耦合装置提供的冷量调控所述活力液在批量冷冻处理生物体过程中处于设定的低温状态，当常温生物体冷冻降温至-25℃到-30℃期间，将生物体从冷冻休眠液池取出放入具有空气环境的冷冻储存仓库中保存。
所述低温压缩机采用变频电机驱动，通过实时监测冷冻休眠液池中的活力液温度调节控制低温压缩机的工作频率，达到维持低温活力液温度处于既定温度水平。
所述中温压缩制冷循环系统采用中温制冷剂，低温压缩制冷循环系统采用低温制冷剂。
所述中温制冷剂为R717、R22或R502，所述低温制冷剂为R13、R14、R23或R503。
所述低温制冷剂工质中加入纳米颗粒，所述纳米颗粒成分为CuO、Al2O3和或Ti2O3中的一种或任意组合。
生物体为禽类肉、畜类肉、种子、水果、中草药以及淡水海水产品。
所述禽类为肉鸡肉、鸭肉或鹅肉；所述畜类肉为猪肉、牛肉或羊肉；所述种子为小麦、大米、大豆、番茄的种子；所述蔬菜为青菜、芹菜或黄瓜，所述水果为苹果、梨或桃子；所述中草药为黄芪、当归或三七；所述淡水海水产品为鱼、虾或鱿鱼。
一种用于生物体快速冷冻休眠的调控装置，该调控装置为双制冷循环耦合装置，包括中温压缩制冷循环系统和低温压缩制冷循环系统，所述中温压缩制冷循环系统由冷凝器、高温压缩机、第一节流阀和蒸发冷凝器组成，所述低温压缩制冷循环系统由所述蒸发冷凝器、第二节流阀、蒸发器以及低温压缩机组成，所述中温压缩制冷循环系统和所述低温压缩制冷循环系统通过所述蒸发冷凝器耦合。
中温压缩制冷循环系统中制冷剂蒸发用于是用于使得低温压缩制冷循环系统中的制冷剂冷凝。这样，采用一个蒸发冷凝器将中温压缩制冷循环系统和低温压缩制冷循环系统耦合起来进行工作，它既是中温压缩制冷循环系统的蒸发器，又是低温压缩制冷循环系统的冷凝器。由于两套独立压缩制冷循环系统的耦合使用，低温压缩制冷循环系统的蒸发器内制冷剂的蒸发温度能达到非常低的水平，使得冷冻休眠液池中的低温活力液在批量冷冻处理生物体过程中，还能维持在快速冷冻休眠的低温水平（例如-80℃）。
为提高低温制冷剂工作性能，在低温制冷剂工质中加入纳米颗粒，降低制冷剂表面张力，从而有利于降低纳米冷却剂的沸腾温度，达到提高制冷效率的目的。另外，在实际运行过程中，生物体冷冻处理过程需要制冷量差异较大（例如虾、贝壳与谷物种子就有较大差异），为适应这一需求，将低温压缩机采用变频电机驱动，通过实时监测冷冻休眠液池中的低温活力液温度调节控制低温压缩机的工作频率，进而达到维持低温活力液温度处于既定温度水平。中温制冷剂为R717、R22和R502，低温制冷剂为R13、R14、R23和R503。
活力液的各种组成成分有如下作用。醋酸氯己定为阳离子表面活性剂，抗菌谱广，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌有较好的杀灭效果。即使因为生物体进行反复冷冻解冻，细胞内的冰晶会不断长大刺破细胞壁（膜），细胞中的液体已有部分流出来。在醋酸氯己定所营造的抗菌环境下，细菌也无法进行繁殖，从而保证了生物体的食品安全性。氯化钠不仅可以降低溶液的凝固点，还可保证活力液的渗透压与生物体处于大致一样的水平，能有效避免细胞破裂，同时氯化钠还具有一定的除菌效果。乙醇加入活力液中，能大幅降低活力液的凝固点，使得活力液在低于-60℃情况下还处于液相状态。甘油是一种重要的低温保护剂，当甘油加入活力液中，甘油可以渗入细胞内，浓缩或结合细胞内水分，而且甘油也有稀释作用，能降低活力液与生物体细胞组织间的渗透压。甲壳素是生物体中的一种常见成分，在甲壳纲动物内含量达58%~85%，有止酸、消炎作用。果糖在大多数水果中均含有，通过自身的渗透作用作为细胞外抗低温保护剂而起作用。柠檬酸钠呈弱碱性，1~2%的柠檬酸钠加入活力液中，可调节活力液的pH值，保证生物体处于适宜的酸碱度环境。天冬氨酸转氨甲酰酶能够根据环境变化调节细胞内的代谢速率。在醋酸氯己定、氯化钠、乙醇、甘油、甲壳素、果糖、柠檬酸钠、天冬氨酸转氨甲酰酶这几种活力液组分的耦合作用下，使得生物体在低温活力液环境下几乎不受到伤害，能处于冷冻休眠的状态，实现最理想的生物体冷冻储存。
有益效果
（1）本发明利用在循环流动过程中低温活力液强制冷效果，对常温生物体进行快速降温处理，免受冰晶伤害，同时在醋酸氯己定、氯化钠、乙醇、甘油、甲壳素、果糖、柠檬酸钠、天冬氨酸转氨甲酰酶这几种活力液组分的耦合作用下，能够平衡渗透压，调节活力液酸碱度，实现在低温状态下对生物体的保护。
（2）采用的双制冷循环耦合装置由中温压缩制冷循环系统和低温压缩制冷循环系统组成，两套独立压缩制冷循环系统的耦合使用能够低温压缩制冷循环系统的蒸发器内制冷剂的蒸发温度能达到非常低的水平。此外，在低温制冷剂工质中加入纳米颗粒，降低制冷剂表面张力，从而有利于降低纳米冷却剂的沸腾温度，达到提高制冷效率的目的。另外，低温压缩机采用变频电机驱动，通过实时监测冷冻休眠液池中的低温活力液温度调节控制低温压缩机的工作频率，进而达到维持低温活力液温度处于既定温度水平。
附图说明
图1双制冷循环耦合装置；
图2鲫鱼低温休眠中和唤醒后对比图；
图3玉米种子发芽生长的对比图（左：低温休眠储藏；右：常温状态下储藏）；
图中：1冷凝器；2高温压缩机；3节流阀；4蒸发冷凝器；5节流阀；6蒸发器；7低温压缩机；8冷冻休眠液池。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图进行更进一步的详细说明：
本发明一种生物体快速冷冻休眠调控方法，采用活力液进行生物体的处理，活力液按照以下质量百分比含量的组分配置：0.01~0.05%的醋酸氯己定，6~18%的氯化钠、5~15%的乙醇、5~10%的甘油、3~5%的甲壳素、1~5%的果糖、1~2%的柠檬酸钠，0.1~0.5%的天冬氨酸转氨甲酰酶，其余为蒸馏水。
活力液存放于双制冷循环耦合装置所提供的冷冻休眠液池中。中温压缩制冷循环系统和低温压缩制冷循环系统组成了双制冷循环耦合装置，两个系统耦合使用，低温压缩制冷循环系统的蒸发器内制冷剂的蒸发温度就能达到非常低的水平，使得冷冻休眠液池中的低温活力液在批量冷冻处理生物体过程中，还能维持在快速冷冻休眠的低温水平。将生物体放入冷冻休眠液池中后，利用在循环流动过程中低温活力液强制冷效果，对常温生物体进行快速降温处理。同时，低温压缩机采用变频电机驱动，通过实时监测冷冻休眠液池中的低温活力液温度调节控制低温压缩机的工作频率，进而达到维持低温活力液温度处于既定温度水平，从而满足不同生物体冷冻处理过程需要制冷量差异较大的需求。当常温生物体冷冻降温至-25℃到-30℃期间，即可将生物体从冷冻休眠液池取出放入具有空气环境的冷冻储存仓库中保存。冷冻储存仓库内的空气温度维持在-20℃左右。
如图1所示，双制冷循环耦合装置由2套独立的压缩制冷循环系统，分别为中温压缩制冷循环系统和低温压缩制冷循环系统。中温压缩制冷循环系统由冷凝器1、高温压缩机2、节流阀3、蒸发冷凝器4组成。低温压缩制冷循环系统由蒸发冷凝器4、节流阀5、蒸发器6、低温压缩机7等组成。在低温压缩制冷循环系统的蒸发器配置有冷冻休眠液池8。采用一个蒸发冷凝器将中温压缩制冷循环系统和低温压缩制冷循环系统耦合起来进行工作，它既是中温压缩制冷循环系统的蒸发器，又是低温压缩制冷循环系统的冷凝器。
实施例1
将事先按照配方同时考虑鱼类特点配好的活力液导入冷冻休眠液池。活力液成分为：0.01%的醋酸氯己定，6%的氯化钠、15%的乙醇、10%的甘油、3%的甲壳素、5%的果糖、2%的柠檬酸钠，0.1%的天冬氨酸转氨甲酰酶，其余为蒸馏水。开启双制冷循环耦合装置，根据鱼类的细胞特性，控制低温压缩机的工作频率，设定冷冻休眠液池中的活力液温度为-60℃。随后将两条鲜活的鲫鱼放入低温池中。利用生物体与活力液之间温差大和活力液传热性能优越大的特点，只需约15分钟后，原本处于常温的鲫鱼就被冷冻降温至-20℃。此时，两条鲫鱼已处于低温休眠状态期间。随后将两条放入冷冻舱储藏8小时，取出两条鲫鱼放入常温的水中解冻，大约20分钟后，处于低温休眠状态中的两条鲫鱼逐渐苏醒过来，如图2所示，表明该发明提供的活力液能够使得鱼类等动物进入快速冷冻休眠状态，实现最理想的生物体冷冻储存。
实施例2
将事先按照配方同时考虑鱼类特点配好的活力液导入冷冻休眠液池。活力液成分为：0.05%的醋酸氯己定，18%的氯化钠、5%的乙醇、5%的甘油、5%的甲壳素、1%的果糖、1%的柠檬酸钠，0.5%的天冬氨酸转氨甲酰酶，其余为蒸馏水。开启双制冷循环耦合装置，根据鱼类的细胞特性，控制低温压缩机的工作频率，设定冷冻休眠液池中的活力液温度为-60℃。随后将两条鲜活的鲫鱼放入低温池中。经历约15分钟后，鲫鱼就被冷冻降温至-20℃。此时，两条鲫鱼已处于低温休眠状态期间。随后将两条放入冷冻舱储藏8小时，取出两条鲫鱼放入常温的水中解冻，大约20分钟后，处于低温休眠状态中的两条鲫鱼逐渐苏醒过来。同样表明该发明提供的活力液能够使得鱼类等动物进入快速冷冻休眠状态。
实施例3
将事先按照配方同时考虑蔬果类特点配好的活力液导入冷冻休眠液池。活力液组分配置：0.01%的醋酸氯己定，8%的氯化钠、15%的乙醇、6%的甘油、3%的甲壳素、5%的果糖、1%的柠檬酸钠，0.2%的天冬氨酸转氨甲酰酶，其余为蒸馏水。开启双制冷循环耦合装置，根据植物细胞特性，控制低温压缩机的工作频率，设定冷冻休眠液池中的活力液为-35℃。随后将番茄种子放入低温池中。利用生物体与活力液之间温差大和活力液传热性能优越的特点，只需约4分钟后，原本处于常温的番茄种子就被冷冻降温至-18℃。此时，番茄种子已处于低温休眠状态期间。随后将番茄种子放入-18℃的冷冻舱储藏150天。将此番茄种子进行种植，观察番茄种子发芽及成熟结果情况。番茄种子发芽状况良好，长势较强，叶色浓绿，叶片肥厚，果皮、果肉厚，口感沙甜，如图3所示。表明该发明提供的活力液能够保证番茄种子长时间冷冻储存，并对种植结果有较好的促进作用。

Claims (8)

1.一种基于活力液的生物体快速冷冻休眠调控方法，其特征在于，方法如下：
步骤1、配置活力液：所述活力液包含以下质量百分比的组分：0.01~0.05%的醋酸氯己定，6~18%的氯化钠、5~15%的乙醇、5~10%的甘油、3~5%的甲壳素、1~5%的果糖、1~2%的柠檬酸钠，0.1~0.5%的天冬氨酸转氨甲酰酶，其余为蒸馏水；
步骤2、采用双制冷循环耦合装置对生物体进行低温休眠处理：所述双制冷循环耦合装置包括中温压缩制冷循环系统和低温压缩制冷循环系统，所述中温压缩制冷循环系统由冷凝器、高温压缩机、第一节流阀和蒸发冷凝器组成，所述低温压缩制冷循环系统由所述蒸发冷凝器、第二节流阀、蒸发器以及低温压缩机等组成，所述中温压缩制冷循环系统和所述低温压缩制冷循环系统通过所述蒸发冷凝器耦合；冷冻休眠液池位于低温压缩制冷循环系统的蒸发器中，将所述活力液存放在所述冷冻休眠液池中，依靠双制冷循环耦合装置提供的冷量调控所述活力液在批量冷冻处理生物体过程中处于设定的低温状态，当常温生物体冷冻降温至-25℃到-30℃期间，将生物体从冷冻休眠液池取出放入具有空气环境的冷冻储存仓库中保存。
2.根据权利要求1所述的基于活力液的生物体快速冷冻休眠调控方法，其特征在于，所述低温压缩机采用变频电机驱动，通过实时监测冷冻休眠液池中的低温活力液温度调节控制低温压缩机的工作频率，达到维持低温活力液温度处于既定温度水平。
3.根据权利要求1所述的基于活力液的生物体快速冷冻休眠调控方法，其特征在于，所述中温压缩制冷循环系统采用中温制冷剂，低温压缩制冷循环系统采用低温制冷剂。
4.根据权利要求3所述的基于活力液的生物体快速冷冻休眠调控方法，其特征在于，所述中温制冷剂为R717、R22或R502，所述低温制冷剂为R13、R14、R23或R503。
5.根据权利要求4所述的基于活力液的生物体快速冷冻休眠调控方法，其特征在于，所述低温制冷剂工质中加入纳米颗粒，所述纳米颗粒成分为CuO、Al2O3和或Ti2O3中的一种或任意组合。
6.根据权利要求1所述的基于活力液的生物体快速冷冻休眠调控方法，其特征在于，生物体为禽类肉、畜类肉、种子、水果、中草药以及淡水海水产品。
7.根据权利要求6所述的基于活力液的生物体快速冷冻休眠调控方法，其特征在于，所述禽类为肉鸡肉、鸭肉或鹅肉；所述畜类肉为猪肉、牛肉或羊肉；所述种子为小麦、大米、大豆或番茄的种子；所述蔬菜为青菜、芹菜或黄瓜，所述水果为苹果、梨或桃子；所述中草药为黄芪、当归或三七；所述淡水海水产品为鱼、虾或鱿鱼。
8.一种用于权利要求1所述基于活力液的生物体快速冷冻休眠调控方法的调控装置，其特征在于：所述调控装置为双制冷循环耦合装置，所述双制冷循环耦合装置包括中温压缩制冷循环系统和低温压缩制冷循环系统，所述中温压缩制冷循环系统由冷凝器、高温压缩机、第一节流阀和蒸发冷凝器组成，所述低温压缩制冷循环系统由所述蒸发冷凝器、第二节流阀、蒸发器以及低温压缩机组成，所述中温压缩制冷循环系统和所述低温压缩制冷循环系统通过所述蒸发冷凝器耦合。
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