CN112146363A - 一种用于微载体的预冷冻干燥系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于微载体的预冷冻干燥系统，包括预冷冻干燥箱、液氮储罐、循环泵和预冷冻干燥盘；所述冷冻干燥箱、液氮储罐和循环泵之间通过管道连通，形成液氮循环管路；微载体放置于所述预冷冻干燥盘内，所述预冷冻干燥盘放置于冷冻干燥箱体内，所述管道内流通有液氮，通过液氮的冷冻环境，实现微载体的预冷冻。本发明的用于微载体的预冷冻干燥系统，实现含水微载体的快速预冷冻，尽可能减少预冷冻时间，防止产品微观结构发生变化，同时提高预冷冻和冻干效率，减少产品冻干工序的时间，并防止冻干后粉末状产品飞溅所导致的产品得率下降和对生产环境的污染。

Description

一种用于微载体的预冷冻干燥系统和方法

技术领域

本发明属于微载体的冷冻干燥设备领域，具体涉及一种用于微载体的预冷冻干燥系统。

背景技术

本公司所生产的微载体是一种由药用明胶组成的弹性三维多孔颗粒，孔隙率大于90%，粒径大小介于50到500微米之间，均一度小于等于100微米，用于细胞的3D仿生培养和大规模培养扩增。在微载体生产中，为了在保证微载体颗粒形状不发生改变的同时去除其中所含有的水分，需要对含水的微载体进行冷冻干燥处理。

目前一般的用于粉末状物料的冷冻干燥方法多为使用低温冰箱进行预冷冻，即将待冻干物料置于不锈钢冻干盘中，放入低温冰箱，在-40℃到-80℃温度下进行预冷冻，然后再将冻干盘放入冻干机进行冷冻干燥；但是目前的低温冷冻设备和方法对本公司所生产的微载体的冷冻效果不好，会导致微载体颗粒形状发生变化，影响使用。

因此，有必要建立一整套用于我公司生产的微载体的节能的冷冻干燥设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于微载体的预冷冻干燥系统。本发明的预冷冻干燥系统在预冷冻中能保证迅速冷冻，确保产品微观形状，同时还能缩短冻干时间，最后防止粉末状产品的飞溅，具有较好的使用效果。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于微载体的预冷冻干燥系统，包括预冷冻干燥箱、液氮储罐、循环泵和预冷冻干燥盘；所述冷冻干燥箱、液氮储罐和循环泵之间通过管道连通，形成液氮循环管路；微载体放置于所述预冷冻干燥盘内，所述预冷冻干燥盘放置于冷冻干燥箱体内，所述管道内流通有液氮，通过液氮的冷冻环境，实现微载体的预冷冻；液氮为循环预冷冻介质，并使其浸泡在预冷冻干燥盘周围，可以有效保证冷冻温度，缩短预冷冻时间。

所述预冷冻干燥箱的箱体内设有托板；所述预冷冻干燥盘放置在托板上；所述管道包括进液管道和出液管道，所述进液管道一端与液氮储罐连通，另一端位于预冷冻干燥箱内；所述进液管道上设有出液口，所述出液口位于预冷冻干燥箱的托板上方，且位于预冷冻干燥盘的一侧；所述出液口的出液高度低于预冷冻干燥盘的高度；出液口位置设置的目的是为了保证液氮不会流入预冷冻干燥盘中，影响产品品质。

所述出液管道一端与循环泵连通，另一端位于预冷冻干燥箱内；所述托板上还设有排液口，所述排液口与出液管道连通；

所述进液管道和出液管道上分别设有低温截止阀；低温截止阀主要是为了控制液体在管道内是否流通，从而保证液氮流入托板内的量和时机以及液氮流出托板的量和时机；

所述预冷冻干燥盘的底部为波纹状底部；预冷冻干燥盘底部采用波浪线形设计，增加物料底部与液氮（液氮预冷冻干燥箱中）和冷空气（冻干机中）之间的接触面积，有效缩短预冷冻和冻干时间；所述微载体置于波纹状的凹部中，此设置的目的是保证微载体置于波纹状的凹部中，避免预冷冻干燥箱内的气流引起微载体粉末的飞溅。

作为上述方案的进一步改进：

优选的，所述预冷冻干燥盘上还设有盖体，所述盖体上设有微孔；盖体的微孔结构设计既能保证热量交换，又能进一步防止粉末状微载体物料飞溅；同时盖体也有利于防止液氮溅入预冷冻干燥盘内。

优选的，所述盖体为筛网。

优选的，所述盖体上的微孔位置与预冷冻干燥盘底部向上凸的部分对应；此处微孔的特殊结构是使气流不直接吹向粉末状微载体物料，可以更好地防止粉末状微载体物料飞溅。

优选的，所述预冷冻干燥盘的底部还设有支撑板，所述托板上设有与所述支撑板对应的凹槽；支撑板的设计可以使预冷冻干燥盘牢稳的卡接在托板上，防止液氮浮力引起的预冷冻干燥盘漂浮等问题；所述支撑板上设有液氮流动口；液氮流动口的设计可以保证液氮畅通地流入预冷冻干燥盘底部，保证预冷效果。

优选的，所述托板的中间位置设有温度传感器，所述预冷冻干燥箱上设有与温度传感器相连的液晶显示屏；支撑板的设计也可以避免预冷冻干燥盘与温度传感器产生摩擦，从而有效保护温度传感器。

优选的，所述进液管道上的低温截止阀位于出液口的上方，所述出液管道上的低温截止阀位于排液口下方。

优选的，所述进液管道和出液管道位于预冷冻干燥箱的保温夹层内；所述低温截止阀的操作手柄位于箱体外；因为液氮环境的温度非常低，对器件的要求非常高，采用自动化的电磁阀很难满足工作需要。

优选的，所述预冷冻干燥盘的材质为金属材质；可采用如铁、铝等传热效果高的金属材料。

本发明还提供了一种用于微载体的预冷冻干燥系统的使用方法，包括以下步骤：

（1）需冻干的泥状微载体置于预冷冻干燥盘的波纹凹槽中，将预冷冻干燥盘均匀放置于预冷冻干燥箱的托板上；

（2）打开循环泵、进液管道管道上的低温截止阀，使液氮流出浸没每个冻干盘波纹状凹槽部分，关闭进液管道管道上的低温截止阀；

（3）维持该高度10分钟，打开出液管道管道上的低温截止阀，使托板的液氮流出，并通过循环泵回收至液氮储罐中；

（4）冻干机提前预冷，使其隔板温度降至-20℃以下；取出预冷冻干燥盘，将其快速放置于冻干机内的隔板上，关上冻干机门，使冻干机完全密闭；持续冻干64小时。

发明原理：

1、我们发现现有技术中造成微载体冷冻效果不好的原因主要是一般的预冷冻方法由于预冷冻温度不够，导致产品预冷冻时间过长，冻干后的微载体颗粒形状由球星变为扁球形，大大影响了生产效率和细胞培养扩增效果。

2、另外由于使用一般的冻干盘的热传递效率较低，导致大大增加了预冷冻和冻干时间，导致产品生产周期变长。

3、由于微载体为粉末状，使用传统冻干盘会产生粉末飞溅，导致产品得率下降，同时也会污染生产环境。

对于问题1，我们采用液氮作为预冷冻介质，并使其浸泡在预冷冻干燥盘周围，可以有效保证冷冻温度，缩短预冷冻时间。

对于问题2，我们采用预冷冻干燥盘为波浪状的形状设计，大大增加与液氮的接触面积，也可以进一步增加换热效果，缩短预冷冻时间；

对于问题3，我们采用预冷冻干燥盘增设盖体的方式，解决粉末飞溅的问题。

有益效果

本发明的用于微载体的预冷冻干燥系统，实现含水微载体的快速预冷冻，尽可能减少预冷冻时间，防止产品微观结构发生变化，同时提高预冷冻和冻干效率，减少产品冻干工序的时间，并防止冻干后粉末状产品飞溅所导致的产品得率下降和对生产环境的污染。

附图说明

图1为本发明预冷冻干燥系统的整体结构示意图；

图2为本发明无盖体的预冷冻干燥盘结构示意图；

图3为本发明有盖体的预冷冻干燥盘结构示意图；

图4为本发明带有支撑板的预冷冻干燥盘结构示意图；

图5为本发明带有支撑板的预冷冻干燥盘结构示意图；

图6为使用现有方法冷冻后的微载体在电子显微镜下的照片；

图7为使用本发明方法冷冻后的微载体在电子显微镜下的照片。

1-预冷冻干燥箱，2-循环泵，3-液氮储罐，4-进液管道，41-出液口，5-出液管道，6-低温截止阀，7-盖体，71-微孔，8-预冷冻干燥盘，81-支撑板，82-液氮流动口，9-温度传感器，10-托板，101-排液口。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

实施例1

一种用于微载体的预冷冻干燥系统如图1所示，包括预冷冻干燥箱1、液氮储罐3、循环泵2和预冷冻干燥盘8；所述冷冻干燥箱、液氮储罐3和循环泵2之间通过管道连通，形成液氮循环管路；微载体放置于所述预冷冻干燥盘8内，所述预冷冻干燥盘8放置于冷冻干燥箱体内，所述管道内流通有液氮，通过液氮的冷冻环境，实现微载体的预冷冻；

所述预冷冻干燥箱1的箱体内设有托板10；所述预冷冻干燥盘8放置在托板10上；所述管道包括进液管道4和出液管道5，所述进液管道4一端与液氮储罐3连通，另一端位于预冷冻干燥箱1内；所述进液管道4上设有出液口41，所述出液口41位于预冷冻干燥箱1的托板10上方，且位于预冷冻干燥盘8的一侧；所述出液口41的出液高度低于预冷冻干燥盘8的高度；出液口41位置设置的目的是为了保证液氮不会流入预冷冻干燥盘8中，影响产品品质。

所述出液管道5一端与循环泵2连通，另一端位于预冷冻干燥箱1内；所述托板10上还设有排液口101，所述排液口101与出液管道5连通；

所述进液管道4和出液管道5上分别设有低温截止阀6；低温截止阀6主要是为了控制液体在管道内是否流通，从而保证液氮流入托板10内的量和时机以及液氮流出托板10的量和时机；

所述预冷冻干燥盘8的底部为波纹状底部，如图2所示；预冷冻干燥盘8底部采用波浪线形设计，增加物料底部与液氮（液氮预冷冻干燥箱1中）和冷空气（冻干机中）之间的接触面积，有效缩短预冷冻和冻干时间；所述微载体置于波纹状的凹部中，此设置的目的是保证微载体置于波纹状的凹部中，避免预冷冻干燥箱1内的气流引起微载体粉末的飞溅。

优选的，所述预冷冻干燥盘8上还设有盖体7，所述盖体7上设有微孔71；盖体7的微孔71结构设计既能保证热量交换，又能进一步防止粉末状微载体物料飞溅；同时盖体7也有利于防止液氮溅入预冷冻干燥盘8内。

优选的，所述盖体7为筛网。

优选的，所述盖体7上的微孔71位置与预冷冻干燥盘8底部向上凸的部分对应，如图3所示；此处微孔71的特殊结构是使气流不直接吹向粉末状微载体物料，可以更好地防止粉末状微载体物料飞溅。

优选的，所述预冷冻干燥盘8的底部还设有支撑板81，所述托板10上设有与所述支撑板81对应的凹槽；支撑板81的设计可以使预冷冻干燥盘8牢稳的卡接在托板10上，防止液氮浮力引起的预冷冻干燥盘8漂浮等问题；所述支撑板81上设有液氮流动口82，液氮流动口的形状可以为方形口如图4所示，或圆形口，如图5所示；液氮流动口82的设计可以保证液氮畅通地流入预冷冻干燥盘8底部，保证预冷效果。

优选的，所述托板10的中间位置设有温度传感器9，所述预冷冻干燥箱1上设有与温度传感器9相连的液晶显示屏；支撑板81的设计也可以避免预冷冻干燥盘8与温度传感器9产生摩擦，从而有效保护温度传感器9。

优选的，所述进液管道4上的低温截止阀6位于出液口41的上方，所述出液管道5上的低温截止阀6位于排液口101下方。

优选的，所述进液管道4和出液管道5位于预冷冻干燥箱1的夹层内；所述低温截止阀6的操作手柄位于箱体外；因为液氮环境的温度非常低，对器件的要求非常高，采用自动化的电磁阀很难满足工作需要。

优选的，所述预冷冻干燥盘8的材质为金属材质；可采用如铁、铝等传热效果高的金属材料。

实施例2

一种用于微载体的预冷冻干燥系统的使用方法，包括以下步骤：

（1）需冻干的泥状微载体置于预冷冻干燥盘8中，厚度约为1cm；将预冷冻干燥盘8均匀放置于预冷冻干燥箱1的托板10上；

（2）打开循环泵2、进液管道4管道上的低温截止阀6，使液氮流出浸没每个冻干盘至高度约2cm，关闭进液管道4管道上的低温截止阀6；

（3）维持该高度10分钟，打开出液管道5管道上的低温截止阀6，使托板10的液氮流出，并通过循环泵2回收至液氮储罐3中；

（4）冻干机提前预冷，使其隔板温度降至-20℃以下；取出预冷冻干燥盘8，将其快速放置于冻干机内的隔板上，关上冻干机门，使冻干机完全密闭；持续冻干64小时。

从图中可以看出，使用一般方法生产出的微载体在电镜下明显呈扁球形如图6，大大减少了它的细胞培养面积，并且其孔隙率低于75%，导致其用于细胞培养时的增殖速度大大降低，无法很好地用于细胞的3D仿生培养和大规模培养扩增。

使用本发明的方法生产出的微载体在电镜下明显呈球形如图7，有效地增加了它的细胞培养面积，并且其各个批次的孔隙率都大于90%，从而使其用于细胞培养时的增殖速度显著提升，能够很好地用于细胞的3D仿生培养和大规模培养扩增。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的发明内容。

Claims (10)

1.一种用于微载体的预冷冻干燥系统，其特征是：包括预冷冻干燥箱、液氮储罐、循环泵和预冷冻干燥盘；所述冷冻干燥箱、液氮储罐和循环泵之间通过管道连通，形成液氮循环管路；微载体放置于所述预冷冻干燥盘内，所述预冷冻干燥盘放置于冷冻干燥箱体内，所述管道内流通有液氮，通过液氮的冷冻环境，实现微载体的预冷冻；

所述预冷冻干燥箱的箱体内设有托板；所述预冷冻干燥盘放置在托板上；所述管道包括进液管道和出液管道，所述进液管道一端与液氮储罐连通，另一端位于预冷冻干燥箱内；所述进液管道上设有出液口，所述出液口位于预冷冻干燥箱的托板上方，且位于预冷冻干燥盘的一侧；所述出液口的出液高度低于预冷冻干燥盘的高度；

所述出液管道一端与循环泵连通，另一端位于预冷冻干燥箱内；所述托板上还设有排液口，所述排液口与出液管道连通；

所述进液管道和出液管道上分别设有低温截止阀；

所述预冷冻干燥盘的底部为波纹状底部；所述微载体置于波纹状的凹部中。

2.根据权利要求1所述的一种用于微载体的预冷冻干燥系统，其特征是：所述预冷冻干燥盘上还设有盖体，所述盖体上设有微孔。

3.根据权利要求2所述的一种用于微载体的预冷冻干燥系统，其特征是：所述盖体为筛网。

4.根据权利要求2所述的一种用于微载体的预冷冻干燥系统，其特征是，所述盖体上的微孔位置与预冷冻干燥盘底部向上凸的部分对应。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种用于微载体的预冷冻干燥系统，其特征是，所述预冷冻干燥盘的底部还设有支撑板，所述托板上设有与所述支撑板对应的凹槽；所述支撑板上设有液氮流动口。

6.根据权利要求1所述的一种用于微载体的预冷冻干燥系统，其特征是，所述托板的中间位置设有温度传感器，所述预冷冻干燥箱上设有与温度传感器相连的液晶显示屏。

7.根据权利要求1所述的一种用于微载体的预冷冻干燥系统，其特征是，所述进液管道上的低温截止阀位于出液口的上方，所述出液管道上的低温截止阀位于排液口下方。

8.根据权利要求1所述的一种用于微载体的预冷冻干燥系统，其特征是，所述进液管道和出液管道位于预冷冻干燥箱的保温夹层内；所述低温截止阀的操作手柄位于箱体外。

9.根据权利要求1所述的一种用于微载体的预冷冻干燥系统，其特征是，所述预冷冻干燥盘的材质为金属材质。

10.根据权利要求1所述的一种用于微载体的预冷冻干燥系统的使用方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）需冻干的泥状微载体置于预冷冻干燥盘的波纹凹槽中，将预冷冻干燥盘均匀放置于预冷冻干燥箱的托板上；

（2）打开循环泵、进液管道管道上的低温截止阀，使液氮流出浸没每个冻干盘波纹状凹槽部分，关闭进液管道管道上的低温截止阀；

（3）维持该高度10分钟，打开出液管道管道上的低温截止阀，使托板的液氮流出，并通过循环泵回收至液氮储罐中；

（4）冻干机提前预冷，使其隔板温度降至-20℃以下；取出预冷冻干燥盘，将其快速放置于冻干机内的隔板上，关上冻干机门，使冻干机完全密闭；持续冻干64小时。

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