2017-12-01超低温冷冻技术 液氮

液氮小 氮即液态氮气，分子量28.013，相对密度0.8081(-195.8℃ )，密度1.2507kg／m3(在0℃，l大气压时)，熔点-209.86℃，沸点-195.8℃，临界温度-147.05℃，临界压力3.39Mpa(33.5大气压)，临界密度0.31公斤／公斤，液态密度0.8l公斤／公斤(沸点)，蒸发潜热161.19千焦耳／公斤，定压比热1.034千焦耳／公斤·℃；热传导率2.28×10-4焦耳／厘米·秒·℃。 为无色透明、无味、无毒之低粘度的透明液体，不导热导电，不自燃助燃，化学性质稳定，不与任何物质起化合作用。1单位体积的液氮可产生约650倍体积的氮气，氮气是空气的主要组成部分，在空气中的含量高达78％(体积)，液氮作为空气液化分离的最大宗产品、工业制氧的副产品， 一般纯度达99．99％。液氮在常温下很容易气化，保存困难，运输携带也较麻烦，在无液氮生产的地区，应用受到限制。 液氮是一个较为方便的冷源，因液氮特有的性质，已逐步受到人们的重视和认可，在畜牧业、医疗事业、食品工业、以及低温研究领域等方面得到越来越普遍的应用。在电子、冶金、航天、机械制造等方面应用不断拓宽和发展。 一、在畜牧业方面的应用1、广泛用于家畜冻配改良技术 在多种家畜中，牛的精液冷冻制备、保存技术最为成功， 自上个世纪五十年代已形成一套完整定型的工艺流程。 牛精液冷冻的冷源普遍应用液氮。颗粒精液在经液氮冷却的氟板(聚四氟乙烯)、铜纱网、铝板上滴冻。要使承接精液的表面与液氮面保持——定的距离(1～2厘米)。在滴冻的过程中，要维持在-80～-120℃的温度。滴冻前将经过平衡的精液充分混匀，并检查精子的活率。滴要迅速，颗粒要均匀，每毫升经过稀释的精液滴10粒左右为宜。滴冻结束后，要停留2～3分钟，待所有颗粒已冻结立即投入液氮。经抽样检查(一般随机抽取2粒) ，解冻活率在0.3以上者，即可装于纱布袋中，经标记后在液氮中保存。每滴冻完一头公牛的精液后，必须更换氟板等用具。 目前，细管的容量分0.25毫升和0.5毫升两种，由无毒塑料(聚氯乙烯)制成。管的一端填有棉塞和聚乙烯粉末，粉末遇水即固化自动封口，输精时又成为推送精液的活塞；另一端在注入精液后，可以聚乙烯粉或钢珠(或塑料珠)封口，要注意在封口处与精液间留有10～13毫米的空间，防止冷冻过程中因膨胀引起细管爆裂。 精液的贮存 牛的冷冻精液是以液氮做冷源进行贮存的，需要时可随时取出。为防止温度变化对精液品质的影响，取放动作要迅速，尽量减少在空气中停留的时间。从贮存容器中提取冷冻精液时，精液不应超过液氮容器的颈基部，避免因温度的回升造成精液解冻活率的下降。牛的冷冻精液已有40多年的历史。试验证明，保存至今的冷冻精液仍具有授精能力。但一般认为牛的冷冻精液随保存时间的延长，精子的活力和授精能力逐渐降低。牛冷冻精液长期保存的确切时限，尚需继续研究和观察。2、家畜及多种动物的胚胎移植中，制备保存胚胎目前多采用胚胎冷冻仪，属智能型冷冻仪。该仪器采用微机控制技术，专用软件，能较准确地控制液氮的施放量，从而保证被冻存的生物制品以适宜的冷冻速率降温冷冻。 3、液氮超低温保藏微生物技术 将菌种保藏在-196℃的液氮长期保藏方法，它的原理是利用微生物在-130℃以下新陈代谢趋于停止而有效地保藏微生物。大型真菌是菌物中的一个重要类群(菌物中形成大型子实体的一类真菌，泛指广义上的蘑菇或蕈菌)，很多种类具有较高的营养价值和药用价值，是目前菌物中最有开发应用前景的一类；此外，一些大型真菌能够分解枯死植物，对维持自然界物质循环、生态平衡有重要的作用，可开发应用于造纸业和环境净化；一些大型真菌能引起树木病害或损害多种木质产品，对此类病原真菌的认识的加强，有利于预防和减少危害的发生。大型真菌的规范性保藏对于微生物菌种资源的安全、高效保藏及、对长期有效保藏遗传资源、异地保藏生物多样性共享具有重意义4、农业生物基因保存 上海投资4100多万元开始建设中国国内首家农业生物基因综合库。农业界人士说，最具全国市场开发潜力的种子产业，将以这个基因库作为育种材料的来源。总建筑面积超过3300平方米的上海农业生物基因库，设于上海农业科学院内，将保藏植物种子、植物离体材料、动物生殖细胞、微生物菌种和植物基因工程材料五大类农业生物遗传资源。5、保存液氮疫苗 液氮苗是80年代中期逐渐推广应用的，先是使用Ⅲ型-FCl26炎鸡疱疹病毒液氮苗，后来国内外又研制出SBl，301／B、Z4，814等Ⅱ型液氮疫苗，并组合成II+III型二价苗及I+II+III三价苗，应用后都曾一度有效的控制了一些地区的鸡马立克氏病，II+III型二价苗好景不长，1993年马立克氏病又在北美和严态地区出现了较大规模的流行，为有效控制马立克氏病，一些国家开始学习荷兰自1927年使用I型CVl988／Rispens液氮苗后，有效控制马立克氏病的经验，美国、加拿大、巴西、日本、欧洲都先后从荷兰农业渔业部引进了CVl988／Rispens制苗种毒，在各自国家使用不同的工艺技术生产，保存于液氮罐中。6、用液氮治疗奶牛乳头乳孔外口闭合、家畜皮肤瘤子等也较为普通。 二、 在医疗事业应用1、低温医学 我国临床低温医学工作发展迅速，促进了移植医学的发展，特别是在骨髓、造血干细胞、皮肤、角膜、内分泌腺体、以及血管和瓣膜等的冷冻保存和移植应用取得了显著成绩。成功的造血干细胞移植依赖于造血干细胞活力的保存。生物样品在降温冷冻过程中，当由液态向固态变化的相变期内会释放一定热量，使其温度回升，不控制降温速率的冷冻过程将会导致组织细胞死亡。准确地测定生物样品的相变点，用微机编制降温程序，以便在样品相变时加大液氮输入量，克服相变样品温度的回升，使细胞安全而迅速地度过相变期，这是提高被冻样品成活率的关键环节。2、临床医学 液氮是目前冷冻外科中应用最广泛的冷冻剂。是目前为止发现的一种最好的制冷剂，把它注入低温医疗器内，就像手术刀一样，可以做任何手术。冷冻是用低温来破坏病灶组织的一种治疗方法。细胞由于温度的急剧变化，组织内外水晶形成，使细胞脱水、皱缩，以致电解质等发生变化，冷冻还可使局部血流速度变慢，微血管血液瘀滞或栓塞造成细胞缺氧死亡。 据报导液氮冷冻治疗面部增生性及色素性疾病2138例，其中痊愈1 445例，治愈率67.59％；显效329例，有效207例＼总有效率为82.97％。雀斑及脂溢性角化病的治愈率分别为79.23％和84.69％；色痣(包括黑子)52.25％及睑黄瘤41.67％。扁平疣患者冷冻后有新皮疹在皮损处发出，故对于进行期扁平疣不宜采用冷冻治疗，静止期冷冻效果好。2例有黄褐斑的患者色痣治疗后有色素沉着，该2例经有效的治疗后色素恢复正常，提示对有黄褐斑者亦不宜采用冷冻治疗。对色痣的治疗，要根据部位及患者的要求采取相应的治疗方法，黑子及较小的色痣(直径<3mm )可采取液氮冷冻的方法治疗，较大的色痣应以手术切除并行病理检查为佳。 采用液氮冰冻配合中药治疗尖锐湿疣，无毒副作用，痛苦小，治愈率高，复发率低，术后不留疤痕，并发症少，治疗时间短，经济，是治疗尖锐湿疣的理想方法之一 液氮冷冻疗法治疗结节性痒诊、粘液囊肿、多发性寻常疣及神经性皮炎采用的液氮直接喷射法治疗慢性咽炎，将液氮直接喷射在病变表面，降温快、深、面广，并能消灭中间地带，收到满意的近期效果。每个冻融周期掌握在1min左右，连续4～5个冻融周期。每周仅1次。 三、在食品工业应用 1、液氮在食品速冻中的应用 在众多的保藏法中，冷冻保藏法应用最为广泛，效果也非常显著。而作为冷冻保藏方法之一的液氮速冻早已被食品加工企业所采用，由于它能实现低温深冷的超速冻，也有利于实现冻结食品的部分玻璃化，使食品解冻后能最大限度地恢复到原来的新鲜状态和原有的营养成分，极大提高了冷冻食品的品质，因此在速冻工业中显示出特有的生命力。与其它冷冻方法相比，液氮速冻具有以下明显的优点： ① 冷冻速度快(冻结速度比一般冻结方法约快30-40倍)：采用液氮速冻，可使食品迅速通过0℃～5℃最大冰晶生长带，食品研究人员已在这方面做了有益的尝试。 ②保持食品品质：由于液氮速冻时间短，经液氮速冻的食品可以最大限度地保持加工前的色、香、味及营养价值。段振华等人用液氮对槟榔进行速冻处理，结果表明经液氮处理后的槟榔保持有较高叶绿素含量，风味好。 ③物料干耗小：一般冻结的干耗损失率为3～6％，而液氮速冻可减少到0.25～0.5％。 ④设备与动力费用低，易于实现机械化和自动化流水线，提高生产率。 目前液氮速冻主要有喷淋冻结、浸渍冻结和冷空气冻结三种方式，其中又以喷淋冻结应用最为广泛。2、液氮在饮料加工中的应用 目前，已有不少饮料生产厂家采用氮或氮与C02的混合物取代传统的C02，对饮料进行充气包装。充了氮的高碳酸型饮料，比仅充填二氧化碳的饮料引起的问题要少；氮对于灌装无泡饮料，如酒和果汁也是很理想的。在非充气饮料罐头中加注液氮的好处是，所注入的少量液氮可排除每只罐头顶部空间中的氧气，使贮罐上部空间的气体呈惰性，从而延长了易腐品的贮存期限。3、液氮在果蔬贮存保鲜中的应用 液氮用于果蔬的贮存保鲜具有气调的优点，可调节农副产品旺季和淡季供需方面的矛盾，减少贮存上的损失。气调的功能是提高氮气的浓度，同时控制氮、氧与C02的气体比例，并使其保持在稳定状态，降低果蔬的呼吸强度，延缓后熟过程，从而使果品、蔬菜保持采摘时的新鲜状态和原有营养价值，延长果蔬保鲜期。4、液氮在肉制品加工中的应用 液氮在对原料肉绞制、斩拌或混合等工序中加入，可有效提高产品质量。如在沙拉米型香肠加工中，液氮的使用可提高肉保水性，阻止脂肪氧化，改善切片性和外观质量；用于肉制点心、肉脯等再制肉的加工，不仅可使肉糜混合时加速蛋白质溶解和增强保水性，且对保持产品特有形状尤为有效。另外原料肉经液氮快速冷却，既可在较长时间内保持热肉特性，气又保证了肉品卫生安全；在加工工艺上，无须再担心温度上升对肉质的影响，且加工可不受原料温度、加工时间、季节因素的影响，同时还可使加工过程处于低氧分压，在一定范围延长了产品的货架寿命。5、液氮在食品低温粉碎中的应用 低温粉碎，就是将冷却到脆化点温度的物质，在外力作用下破碎成粉体的过程。食品的低温粉碎是近几年发展起来的一种食品加工新技术，该技术特别适宜于加工含芳香成分多、含脂量高、含糖量多和含胶状物质多的食品。用液氮进行低温粉碎处理，可连原料的骨、皮、肉、壳等一次性全部粉碎，使成品颗料细小并保持其有效营养。如日本将经液氮冻结后的海藻、甲壳素、蔬菜、调味品等，投入粉碎机粉碎，可使成品微细粒度高达100μm以下，且基本保持原有营养价值。此外，用液氮进行低温粉碎，还可粉碎常温下难以粉碎的物料、热敏性及受热易变质，易分解的物质。另外，液氮可以粉碎如脂肪多的肉类、水分多的蔬菜等在常温下难以粉碎的食品原料，并可以制造迄今未曾有过的新加工食品。6、液氮在食品包装中的应用 英国伦敦一家公司开发出一种简单实用的食品保鲜包装方法，就是在给食品进行包装时，往包装袋内加入几滴液氮。当液氮蒸发转化成气体时它的体积迅速扩大，在包装袋内快速取代原有的大部分气体，减少食品因氧化而造成的变质，从而大大延长食品的保鲜期。7、液氮在食品冷藏运输中的应用 冷藏运输是食品工业中很重要的一部分。开发液氮制冷技术，发展液氮冷藏火车、冷藏汽车及冷藏集装箱是现今国际上的共同发展趋势。经济发达国家多年的应用实践表明，液氮制冷系统是唯一在商业上可与机械制冷系统相竞争的冷藏保鲜技术，也是食品冷藏运输的发展方向。8、液氮在食品工业中的其它应用 由于液氮的制冷作用，蛋汁、液体调味品、酱油能够加工成可自由流动并能倒出的颗粒状冷冻食品，这些食品可随时使用并且很容易配制。在研磨香料和吸水的食物添加剂，如糖的替代品和卵磷脂时，液氮被注入到研磨机中来保护有价值的成分，同时也增加了研磨产量。周顺华等人研究证明，利用液氮淬冷协同高温解冻进行花粉破壁具有效果好、破壁率高、速度快及花粉生理活性保持稳定、不受污染等特点。 四、在电子工业中应用1、超导技术 超导体得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体，使超导技术走向大规模开发应用，认为是2 0世纪科学上最伟大的发现之一。 超导磁悬浮技术的基础是由钇钡铜氧(YBCO)构成的超导陶瓷，当这种超导材料被冷却到液氮温度(78K，相当于-196~C)时，就从正常态转变为超导态。由屏蔽电流产生的磁场与轨道磁场相互排斥，如果排斥力大于列车的重量，车体就可以悬浮在空中。同时，在冷却过程中，由于超导体的磁通钉扎效应，一部分磁场被俘获在超导体内。这一俘获磁场与轨道磁场相互吸引，由于斥力和吸引力的同时存在，车体得以稳定地悬浮在轨道上方。与常规磁铁之间同性相斥，异性相吸的作用不同，超导体和外磁场之间的这种既排斥又相吸的相互作用，使超导体或永久磁铁都可以克服自身重力，悬浮或倒挂在对方的下面。2、电子元件制造与检测 环境应力筛选就是选择若干典型环境因素，将适量的环境应力作用于组件或整机，把元器件工艺缺陷，即生产和装配过程中的缺陷激发出来，给予修正或更换。环境应力筛选采用温度循环和随机振动较为有效。温度循环试验是采用高的变温率、大的热应力，使那些不同材料组成的元器件，因结合不良、材料本身的不均匀性、工艺中缺陷等所造成的隐患而迅速失效，采用变温率为5℃／分；极限温度为-40℃，+60℃；循环次数为8次。这样的环境参数组合使得虚焊、夹伤部位、元器件本身缺陷的暴露较明显。对于大批量的温度循环试验，可以考虑采用二箱法。在这种情况下，应当在级进行筛选。 液氮是一种更快和更有效的屏蔽和测试电子元器、电路板的方法。3、低温球磨技术 低温行星式球磨机是将液氮气体源源不断地输入装有保温罩的行星式球磨机中，这些冷气将高速旋转的球磨罐产生的热量及时吸收，使装有物料、磨球的球磨罐始终处于一定的低温环境中．在低温环境中混合、细磨、新产品研制和小批量生产高新技术材料的必备装置。该产品体积小、功能全、效率高、噪声低，广泛应用于医药、化工、环保、轻工、建材、冶金、陶瓷、矿产等部门。 ．4、绿色切削加工技术 低温切削是利用低温流体如液态氮、液态二氧化碳和冷风等喷向加 工系统的切削区域，造成切削区的局部低温或超低温状态，利用工件在低 温条件下产生的低温脆性，提高工件的切削加工性、刀具寿命和工件表面 质量。根据冷却介质的不同，低温切削可分为冷风切削和液氮冷却切削。 低温冷风切削法是通过向刀尖的加工部位喷-20℃～-30℃ (甚至更低)的低温气流，并混入微量的植物性润滑剂(每小时10~20m 1)，从而起到降温、排屑、润滑的作用。低温冷风切削与传统切削相比，能够提高加工 效率，改善工件表面质量，而且对环境几乎无污染。日本安田工业公司的 加工中心采用在电机轴、刀杆轴的中心插入绝热风管的结构，使用-30℃ 的低温冷风直接通向刀刃。该结构大大改善了切削条件，有利于低温冷风 切削加工工艺的实施。横川和彦对车削和铣削中的冷风冷却进行了研究。在铣削试验中，分别采用水基切削液、常温风（+10℃）和冷风(-30℃ )三种条件进行比较，结果表明，采用冷风切削时刀具耐用度显著提高。在车削试验中，冷风(-20℃ )切削时刀具磨损率比常温风(+20℃ )切削时显著下降。 液氮冷却切削主要有两种应用形式，一种是利用瓶装压力将液氮像切削液一样直接喷射到切削区；另一种是利用液氮受热蒸发循环来间接冷却 刀具或工件。目前低温切削加工主要应用于钛合金、高锰钢、淬硬钢等难 加工材料的加工中。KPRaijurkar采用H13A硬质合金刀具、并用液氮循环冷却刀具的方法对钛合金进行了低温切削加工试验，试验结果表明，与传统的切削方法相比，刀具磨损明显减少，切削温度降低30％，工件表面加工质量得到很大改善。万光民采用间接冷却方法对高锰钢进行了低温切 削加工试验，结果表明，采用间接冷却方法低温加工高锰钢时，刀具所受冲击力减少，刀具磨损减小，加工硬化现象得到改善，工件表面质量也有所提高。王连鹏等人采用液氮喷淋的方法在数控机床上低温切削加工45淬硬钢，试验结果表明，采用液氮喷淋式低温加工45淬硬钢可以提高刀具耐用度，改善工件表面质量。 在液氮冷却加工状态下，硬质合金材料能保持其抗弯强度、断裂韧性和耐冲击强度，其硬度随温度的降低而增大，因此硬质合金刀具材料在液氮冷却中能够保持其优良的切削性能，并且和在常温下一样，其性能决定于粘结相的数量。对于高速钢，随温度的降低，其硬度增大而抗冲击强度降低，但总体上能保持较好的切削性能。他对一些材料在低温下提高其切削加工性进行了研究，选用了低碳钢AISll010、高碳钢AISl070、轴承钢AISIE52100、钛合金Ti-6A 1-4V、铸造铝合金A390五种材料，实验研究表明：由于低碳钢表现出良好的低温脆性，低温切削可获得理想的加工效果；对于高碳钢和轴承钢，应用液氮冷却可抑制切削区温升和刀具磨损速度；在切削铸造铝合金时，应用低温冷却可提高刀具硬度和刀具抗硅相磨粒磨损能力，在加工钛合金时，同时低温冷却刀具和工件，可有效地降低切削温度和减少钛和刀具材料之间的化学亲和力。 五、其它领域 酒泉卫星发射中心特燃站生产液氮，它是火箭燃料的推送剂，大量的液氮用高压把火箭燃料推向燃烧室。应用于高温超导电力电缆开发；应用于紧急维修中对液体管道进行冻结；应用于物质的低温稳定和低温淬火；液氮冷装配技术(热胀冷缩现象在工业中的应用)也广泛使用；液氮人工增雨技术；液氮排液技术及时降液诱喷，正在不断深入研究。 采用氮气井下灭火，火势被迅速扑灭，同时又消除了瓦斯爆炸危险等。 为什么选择液氮：因为比其它方法冷却得更快，并且不与其它物质起化学反应，大大地节省空间，提供了干燥的气氛，它是环保的（液氮使用后直接挥发成气体返回大气中，不会留下任何污染），它用起来简单方便。

超低温保存基本程序是选择适宜年龄与生长状态的材料，对其进行预处理后装入冻存管，在冰浴条件下加入0℃预冷的冰冻保护剂，放置一段时间，采用不同的降温方式投入液氮冰冻，材料在液氮中存留的时间在理论上是不受限制的。

在液氮冷冻前，需要先降低种子含水量。然后直接放置在冻存管中浸入液氮即可。解冻时采用37℃~42℃左右热水解冻。

好难哦--