细胞冷冻装置和方法.pdf

本发明公开一种细胞冷冻装置，用于对分装于料液瓶内的生物活细胞进行冷冻，包括有壳体，壳体表面设有投料口，壳体内设有用于放置料液瓶和填充冷媒介质的反应腔体，所述壳体内还设有电机驱动区，该电机驱动区内设有至少一台旋转驱动电机；所述反应腔体内设有用于放置料液瓶的样品架，所述样品架上可旋转地固定有若干平行排列的支撑轴，所述支撑轴与所述旋转驱动电机之间通过旋转传动机构相连；还包括有若干在工作状态下套设于所述料液瓶外部并置于所述支撑轴上与其同步旋转的料液瓶容置筐。本发明还公开了相应的细胞冷冻方法。本发明不仅可达到快速冷冻的效果，还可保证经过该装置冷冻的料液的均匀性和稳定性、并能达到更好的解冻效果。

权利要求书
1.  一种细胞冷冻装置，用于对分装于料液瓶内的生物活细胞进行冷冻，包 括有壳体，壳体表面设有投料口，壳体内设有用于放置料液瓶和填充冷媒介质 的反应腔体，其特征在于：
所述壳体内还设有电机驱动区，该电机驱动区内设有至少一台旋转驱动电 机；
所述反应腔体内设有用于放置料液瓶的样品架，所述样品架上可旋转地固 定有若干平行排列的支撑轴，所述支撑轴与所述旋转驱动电机之间通过旋转传 动机构相连；
该装置还包括有若干在工作状态下套设于所述料液瓶外部并置于所述支撑 轴上与其同步旋转的料液瓶容置筐。

2.  如权利要求1所述的细胞冷冻装置，其特征在于，所述旋转传动机构包 括有若干组第一齿轮组件、若干组第二齿轮组件和若干组第三齿轮组件，其中， 所述第一齿轮组件与所述旋转驱动电机轴向连接，所述第二齿轮组件与所述第 一齿轮组件同轴连接，所述第三齿轮组件与所述第二齿轮组件啮合连接，而所 述第三齿轮组件和所述支撑轴同轴连接。

3.  如权利要求2所述的细胞冷冻装置，其特征在于，每两根所述支撑轴为 一组，放置一个料液瓶旋转筐，而所述第三齿轮组件的组数与所述支撑轴的根 数一一对应；所述第二齿轮组件的组数与所述支撑轴的组数一一对应，每组第 二齿轮组件带动两组第三齿轮组件；每组第二齿轮组件与一组所述第一齿轮组 件相连。

4.  如权利要求3所述的细胞冷冻装置，其特征在于，所述电机驱动区和反 应腔体相邻设置，所述第一齿轮组件设于所述电机驱动区内，所述第二齿轮组 件和第三齿轮组件设于所述反应腔体内。

5.  如权利要求1-4中任一项所述的细胞冷冻装置，其特征在于，所述反应 腔体通过排气管道连接到排气装置。

6.  如权利要求1-4中任一项所述的细胞冷冻装置，其特征在于，所述料液 瓶容置筐为一端开口的空心圆柱筐体结构，其包括有两个平行设置且大小相当 的圆环，两个圆环之间通过若干根框条固定连接，其中一个圆环内设有底板。

7.  如权利要求6所述的细胞冷冻装置，其特征在于，所述框条的外表面为 外宽内窄的凹槽结构。

8.  如权利要求7所述的细胞冷冻装置，其特征在于，所述料液瓶包括有方 柱形的瓶体和圆柱形的瓶口，所述瓶体的横截面为类正方形结构。

9.  一种细胞冷冻方法，其特征在于，包括有以下步骤：
将浓度为95％以上的酒精加入反应腔体内，并开启旋转驱动电机驱动支撑 轴旋转；
将温度为2～8℃的待冷冻的料液分装入料液瓶后，将所述料液瓶置入料液瓶 旋转筐内待用；
往所述反应腔体内加入干冰；
待反应腔体内温度降至-45～-60℃后，将所述料液瓶旋转筐放入所述反应腔 体内样品架的支撑轴上；
继续往所述反应腔体内加入干冰，并保持所述支撑轴为旋转状态；
待反应腔体内温度上升至接近-45～-60℃时，继续加入干冰，并保持所述支 撑轴为旋转状态，直到温度降至--45～-60℃以下，冷冻完成。

10.  如权利要求9所述的细胞冷冻方法，其特征在于，在所述步骤中，以 重量份记，加入酒精的份量为100份、第一次加入干冰的份量为28份、第二次 加入干冰的份量为14份，且每次加入干冰的份量逐次减少；在每个料液瓶装分 装2.5～2.75份料液；控制所述旋转驱动电机的转速为24-32转/分钟。

说明书细胞冷冻装置和方法
技术领域
本发明涉及生物活细胞冷冻技术，尤其涉及一种细胞冷冻装置和方法。
背景技术
生物制药是指运用微生物学、生物学、医学、生物化学等的研究成果，从 生物体、生物组织、细胞、器官、体液等，综合利用微生物学、化学、生物化 学、生物技术、药学等科学的原理和方法制造出用于预防、治疗和诊断疾病的 生物药物。
随着生物技术的发展，有目的的人工制得的生物原料成为当前生物制药原 料的主要来源。如用免疫法制得的动物原料、改变基因结构制得的微生物或其 它细胞原料等。以人工制得的生物原料为来源生产的生物药物具有药理活性高、 毒副作用小、营养价值高、适合大规模和低成本生产等优点，得到了越来越广 泛的应用。
另一方面，由于生物药物的主要原料和成分是生物活细胞，因而还具有稳 定性较差的特点。以重组基因的乙肝疫苗为例，其在2-8℃的温度下能保存36 个月，但当温度升高后，效力很快降低。在37℃下，很多疫苗只能稳定几天或 者几个小时，非常不利于在室温下运输和保存。
现有技术中，冷冻生物制药活细胞等瓶装料液的方法主要有两种：一种是 将瓶装料液放入以酒精和干冰作为冷媒介质的细胞冷冻装置中冷冻后保存。酒 精的凝固点是-117℃，干冰是固态的二氧化碳，其温度是-78.6℃，二者混合相当 稳定，不会重组生成新的分子，酒精还是液态存在，干冰升华吸热，达到降温 的目的；另一种是直接放入超低温冰柜(如-20℃、-40℃、-86℃)中保存。对 于多数生物制药活细胞等瓶装料液需要在超低温中保存，且冷冻过程需要快速 而均匀。上述两种方法中，第二种方法需要很长时间的冷冻过程；第一种方法 所需要的时间虽然较短，但其冷冻过程是由外到内完成，料液瓶的中心区域比 外部区域需要更长时间完成冻结。因此，通过上述两种方法虽然能进行冷冻， 但所需时间长，不能由外到内均匀快速地完全冻结，特别是不能在短时间内完 成对料液瓶的中心区域料液的完全冻结，从而影响整瓶料液的稳定性。
发明内容
本发明所解决的技术问题是，提供一种细胞冷冻装置，该装置不仅可达到 快速冷冻的效果，还可保证经过该装置冷冻的料液的均匀性和稳定性、并能达 到更好的解冻效果。
本发明进一步所解决的技术问题是，提供一种细胞冷冻方法，该方法不仅 可达到快速冷冻的效果，还可保证其冷冻的料液的均匀性和稳定性、并能达到 更好的解冻效果。
为了解决上述技术问题，本发明公开了以下方案：
一种细胞冷冻装置，用于对分装于料液瓶内的生物活细胞进行冷冻，包括 有壳体，壳体表面设有投料口，壳体内设有用于放置料液瓶和冷媒介质的反应 腔体，且：
所述壳体内还设有电机驱动区，该电机驱动区内设有至少一台旋转驱动电 机；
所述反应腔体内设有用于放置料液瓶的样品架，所述样品架上可旋转地固 定有若干平行排列的支撑轴，所述支撑轴与所述旋转驱动电机之间通过旋转传 动机构相连；
该装置还包括有若干在工作状态下套设于所述料液瓶外部并置于所述支撑 轴上与其同步旋转的料液瓶容置筐。
优选地，所述旋转传动机构包括有若干组第一齿轮组件、若干组第二齿轮 组件和若干组第三齿轮组件，其中，所述第一齿轮组件与所述旋转驱动电机轴 向连接，所述第二齿轮组件与所述第一齿轮组件同轴连接，所述第三齿轮组件 与所述第二齿轮组件啮合连接，而所述第三齿轮组件和所述支撑轴同轴连接。
优选地，每两根所述支撑轴为一组，放置一个料液瓶旋转筐，而所述第三 齿轮组件的组数与所述支撑轴的根数一一对应；所述第二齿轮组件的组数与所 述支撑轴的组数一一对应，每组第二齿轮组件带动两组第三齿轮组件；每组第 二齿轮组件与一组所述第一齿轮组件相连。
优选地，所述电机驱动区和反应腔体相邻设置，所述第一齿轮组件设于所 述电机驱动区内，所述第二齿轮组件和第三齿轮组件设于所述反应腔体内。
优选地，所述反应腔体通过排气管道连接到排气装置。
优选地，所述料液瓶容置筐为一端开口的空心圆柱筐体结构，其包括有两 个平行设置且大小相当的圆环，两个圆环之间通过若干根框条固定连接，其中 一个圆环内设有底板。
优选地，所述框条的外表面为外宽内窄的凹槽结构。
优选地，所述料液瓶包括有方柱形的瓶体和圆柱形的瓶口，所述瓶体的横 截面为类正方形结构。
相应地，本发明还公开了一种细胞冷冻方法，包括以下步骤：
将浓度为95％以上的酒精加入反应腔体内，并开启旋转驱动电机驱动支撑 轴旋转；
将温度为2～8℃的待冷冻的料液分装入料液瓶后，将所述料液瓶置入料液瓶 旋转筐内待用；
往所述反应腔体内加入干冰；
待反应腔体内温度降至-45～-60℃后，将所述料液瓶旋转筐放入所述反应腔 体内样品架的支撑轴上；
继续往所述反应腔体内加入干冰，并保持所述支撑轴为旋转状态；
待反应腔体内温度上升至接近-45℃～-60℃时，继续加入干冰，并保持所述 支撑轴为旋转状态，直到温度降至-45～-60℃以下，冷冻完成。
优选地，在上述步骤中，以重量份记，加入酒精的份量为100份、第一次 加入干冰的份量为28份、第二次加入干冰的份量为14份，且每次加入干冰的 份量逐次减少；在每个料液瓶装分装2.5～2.75份料液；控制所述旋转驱动电机 的转速为24-32转/分钟。
本发明的有益效果是：
本发明的实施例通过在冷冻装置的反应腔体内设置旋转驱动机构，在瓶装 料液冷冻的同时对其进行旋转，摇匀料液，使其受热均匀，并使瓶中的料液中 心区域成空心状态，更快地进行冷热交换，从而不但达到了快速冷冻的效果， 还保证了料液的稳定性和均匀性、并达到了更好的解冻效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的旋转冷冻装置一个实施例的外观示意图。
图2是本发明的旋转冷冻装置一个实施例沿反应腔体位置的水平剖视图。
图3是本发明的旋转冷冻装置一个实施例的反应腔体内部的齿轮组件的正 面结构示意图。
图4是本发明的旋转冷冻装置一个实施例中料液瓶的工作状态示意图。
图5是本发明的旋转冷冻装置一个实施例中料液瓶的结构示意图。
图6是本发明的旋转冷冻装置一个实施例中料液瓶旋转筐的结构示意图。
附图标号说明：
10、壳体；20--投料口；30--电机驱动区；40--反应腔体；50--排气管道；60-- 排液口；70--视窗；80--控制柜；90--存物柜；
1--旋转驱动电机；2--料液瓶；3--料液瓶旋转筐；4--样品架；5--支撑轴；6-- 旋转驱动机构；61--第一齿轮组件；62--第二齿轮组件；63--第三齿轮组件。
具体实施方式
下面参考图1-图6详细描述本发明提供的旋转冷冻装置的一个实施例，本 实施例用于对分装于料液瓶内的生物活细胞进行冷冻；如图1-图4所示，本实 施例主要包括有：
壳体10，壳体10表面设有投料口20，壳体10内设有用于放置料液瓶2和 填充冷媒介质的反应腔体40，且：
所述壳体10内还设有电机驱动区30，该电机驱动区30内设有至少一台旋 转驱动电机1；
所述反应腔体20内设有用于放置料液瓶2的样品架4，所述样品架4上可 旋转地固定有若干平行排列的支撑轴5，所述支撑轴6与所述旋转驱动电机1之 间通过旋转传动机构6相连。
另外，本实施例还包括有若干在工作状态下套设于所述料液瓶2外部并置 于所述支撑轴4上与其同步旋转的料液瓶容置筐3。
具体实现时，所述旋转传动机构6可具体包括有若干组第一齿轮组件61、 若干组第二齿轮组件62和若干组第三齿轮组件63，其中，所述第一齿轮组件 61与所述旋转驱动电机1轴向连接，所述第二齿轮组件62与所述第一齿轮组件 61同轴连接，所述第三齿轮组件63与所述第二齿轮组件62啮合连接，而所述 第三齿轮组件63和所述支撑轴5同轴连接。
其中，每两根所述支撑轴5为一组，放置一个料液瓶旋转筐3，而所述第三 齿轮组件63的组数与所述支撑轴5的根数一一对应；所述第二齿轮组件62的 组数与所述支撑轴5的组数一一对应，每组第二齿轮组件62带动两组第三齿轮 组件63；每组第二齿轮组件62与一组所述第一齿轮组件61相连。本实施例中， 旋转驱动电机1的数量可设置为两个，每个旋转驱动电机1可带动第一齿轮组 件61数量的一半。具体实现时，旋转驱动电机1的数量还可根据实际功率需要 具体设置；第一齿轮组件的数量也可根据旋转驱动电机1的数量适当设置。
进一步地，所述电机驱动区30和反应腔体40可相邻设置，所述第一齿轮 组件61可设于所述电机驱动区30内，而所述第二齿轮组件62和第三齿轮组件 63则可设于所述反应腔体40内。
更进一步地，为了达到更好的保温效果考虑，所述反应腔体40可设置为双 层保温结构。
另外，本实施例中，所述反应腔体40还通过排气管道50连接到排气装置 (图中未示出)。具体实现时，所述排气装置可采用离心通风机，保证高度的 安全性能。
具体实现时，如图4-图6所示，所述料液瓶容置筐3可设置为一端开口的 空心圆柱筐体结构，其包括有两个平行设置且大小相当的圆环31，两个圆环之 间通过若干根框条32固定连接，其中一个圆环内设有底板33。
进一步地，所述框条32的外表面可设置为外宽内窄的凹槽结构。
作为本实施例的一个优选实施方式，所述料液瓶2可具体包括有方柱形的 瓶体21和圆柱形的瓶口22，所述瓶体21的横截面可设置为类正方形结构。
所述样品架4可设置为垂直于所述支撑轴5的两根平行排列的横梁。
另外，本实施例中，为了方便排出冷冻过程中产生的废液考虑，在所述反 应腔体40的底部还可设置排液口60。
另外，本实施例中，为了便于观察反应腔体40内部冷冻情况考虑，在所述 壳体10表面还可设置视窗70。
另外，本实施例中，为了方便和准确地控制反应腔体40内的温度、旋转驱 动电机1及离心通风机的转速等系统状态考虑，在所述壳体10的一个外侧面还 设可设置控制柜80，用于控制系统的工作状态。
另外，为了方便存放料液瓶旋转筐3等物料和反应腔体40排放出的废液等 原因考虑，在所述反应腔体6的下方还可设置存物柜90。
本实施例中，所述料液瓶2的瓶口22直径可设置为2.5cm左右，高度可设 置为30cm左右，瓶体21的长×宽度可设置为14×14cm左右；所述料液瓶容置 筐3的内径可设置为15.5cm左右，略大于所述瓶体21的长/宽尺寸，外径可设 置为18cm左右，高度可设置为21cm左右，略短于所述瓶体21的高度尺寸； 同组支撑轴5中的两根支撑轴之间的间距可设置为9.5cm左右，而每组支撑轴5 之间的间距可设置为12.0cm左右。工作时，每组支撑轴5的两根支撑轴之间放 置一个料液瓶旋转筐3。
具体实现时，所述冷媒介质主要可采用酒精+干冰。料液瓶旋转筐3可采用 不锈钢材质。
与现有技术相比，本实施例可对生物制药的活细胞等瓶装料液进行快速完 全冻结，使瓶装料液的中心区域成空心状态，从而解决现有技术的不能对中心 区域的料液短时间内完全冻结的问题，保证料液的稳定性和均匀性，并料液在 解冻的过程中，能达到更好的解冻效果。
下面详细描述本发明提供的细胞冷冻方法的一个实施例；本实施例实现一 次细胞冷冻流程主要包括以下步骤：
将浓度为95％以上的酒精通过投料口加入反应腔体后，通过控制柜开启旋 转驱动电机，通过旋转传动机构驱动支撑轴旋转；
将温度为2～8℃的待冷冻的料液分装入料液瓶后，将所述料液瓶置入料液瓶 旋转筐内待用；
通过投料口往所述反应腔体内加入干冰；
待反应腔体内温度降至-45～-60℃、优选为-50℃后，将所述料液瓶旋转筐通 过投料口放入所述反应腔体内样品架上每组支撑轴的两根支撑轴之间；
继续通过投料口往所述反应腔体内加入干冰，并保持支撑轴为旋转状态；
待反应腔体内温度上升至接近-45℃～-60℃、优选为-50℃左右时，继续通过 投料口加入干冰，至保持所述支撑轴为旋转状态20～30分钟后，温度降至 -45～-60℃以下、优选为-50℃以下时，冷冻完成。
具体实现时，在上述过程中保持所述支撑轴旋转的同时，还可开启排气装 置，通过排气管道进行排气，使得反应腔体内部为负压状态。
进一步地，在上述步骤中，以重量份记，加入酒精的份量可为100份、第 一次加入干冰的份量可为28份、第二次加入干冰的份量为14份，且每次加入 干冰的份量逐次减少；在每个料液瓶装分装2.5～2.75份料液；并可通过控制柜 控制所述旋转驱动电机的转速为24-32转/分钟；所述排气装置(离心通风机) 的风压为230pa，流量为2510m3/h；还可通过控制柜监测反应腔体温度和内压等 系统状态；还可通过视窗观察反应腔体内部反应情况。
作为本实施例的一个优选实施方式，可采用前述实施例描述的装置来实施 本实施例的方法。
具体实现时，根据料液瓶旋转速度的不同，使其达到完全冷冻所需要的时 间也相应不同，下表1示出了若干转速与冷冻时间的对应关系。
表1、旋转驱动电机转速与冷冻时间对应表

从表1可以看出，当旋转驱动电机的转速为28转/分时，对料液达到完全冷 冻所需要的时间最短。
将本实施例的旋转驱动电机的转速设定为28转/分钟，经过多次试验，本实 施例与现有技术相比，所需要的冷冻时间如下表2。
表2、本实施例与现有技术的冷冻所需时间对照表


从表2可以看出，与现有技术相比，采用本实施例的方法对瓶装料液进行 冷冻所需要的时间缩短了一半以上。
分别将采用本实施例的方法冷冻后保存在-70℃冰柜中的料液和采用现有技 术的方法冷冻后保存在-70℃冰柜中的料液取出后，在28±2℃水浴锅中进行完 全解冻，并比较其解冻时间，结果如下表3。
表3、本实施例与现有技术的解冻效果对照表

从表3可以看出，与现有技术相比，采用本实施例的方法冷冻后保存的料 液，解冻时间缩短了一半以上。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不 能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替 换，都应当视为属于本发明的保护范围。