绿色环保+高效，挚量智控推出全球首台套基于空气膨胀复叠循环的中央制冷式超低温生物样本库

生物资源包括动物资源、植物资源和微生物资源，是人类生存和社会经济可持续发展的战略性资源，也是社会经济发展的重要基础之一。其中，疾病、人群样本库是实现人类精准医疗的必须具备的重要条件，动植物样本库是进行动、植物优良育种的基础，病原菌（毒）种样本库是生物安全的重要保障等。

随着基因科技的快速发展，精准医疗、全民大健康、新型农业、物种多样性、海洋水产、微生物研发应用等领域对生物资源数据需求日益增加，生物样本量以平均每年千万级别的速度增长，客观上促进了以低温保存技术为基础的生物样本库发展的发展，生物样本库及产业链方兴未艾、大有可为。

生物样本主要在4℃以下的低温环境即低温生物样本库中进行存储，绝大部分生物样本中、长期的低温存储温度设定在-86℃（超低温）和-196℃（深低温）两个温区，制冷技术分别采用复叠制冷和液氮制冷。

“传统的制冷剂会对臭氧层造成一定程度的破坏作用，加剧温室效应，采用绿色环保制冷剂势在必行；超低温下的复叠制冷技术的能效水平较低，中长期运行的低温生物样本库的运行能效有待进一步提高；复叠制冷所需降温时间较长，通常需要几个小时才能达到生物样本低温存储的温度要求，样本存取时存储空间温度调节反应较慢，易发生复温滞后现象；系统结构复杂，需要设置专门的除霜设备和冷风风机；制冷关键部件急需国产化升级；存储环境恶劣，压缩机噪声大，室内温度高。同时，生物样本的巨量存储和高频次存取现状迫切需要生物样本低温存储自动化。”挚量智控生物科技有限公司（“挚量智控”）CTO赵军博士介绍说。

2020年9月，我国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标，将其纳入生态文明建设整体布局和经济社会发展全局，这对长期处于运行状态的低温生物样本库的运行能耗同样提出了严苛的要求。“作为当前主流超低温制冷技术的复叠制冷还不是最优选择，超低温制冷运行能效存在很大提升空间。同时，制冷剂的环保要求也必须满足。” 赵军博士说。

2021年4月15日《中华人民共和国生物安全法》正式施行，我国生物安全的重要性和紧迫性显著上升，建设完全拥有自主知识产权的生物样本库也成为其中重要的一环。为响应国家双碳政策、生物安全政策，顺应转化医学和精准医学的需要，2022年，由磐升集团创始人邢志青创办、上海理工大学博士赵军博士任CTO的挚量智控落地山东。

先进技术的诞生往往不是一蹴而就的，必然是长期科学研究的厚积薄发，同时，先进技术也往往是多学科有机融合的产物，是各学科研发团队之间共识-共享-共鸣-共赢的结果。

1989年，上海理工大学科研团队成功实施了人体皮肤和骨髓细胞的低温冻存，这在国内当属首例。“低温储存人体细胞在当时国内几乎没有人做，不仅是技术限制，同时也还不具备非常充分的临床需求。”赵军博士说。

上海理工大学是国内最早开办制冷专业的三所高校之一，为我国的空调制冷行业培养了大量人才，科学研究硕果累累，尤其是新技术研发能力享誉业界。作为国内最早开展航空航天制冷技术研究与应用的研发团队之一，长期以来先后参与了外太空低温环境模拟（-70℃）、航天环境生保系统、航空制冷冰箱等一系列超低温制冷工程，也为以后超低温制冷技术在生物样本低温存储和食品冻存保鲜领域的成功应用打下了坚实的基础。“当时的超低温是采用复叠制冷技术实现的，制冷效率不高，虽然知道空气制冷理论上是最佳选择，但受到压缩-膨胀环节低速低效的掣肘，空气制冷无法实现的理论上的高效性能。”  

作为国内最早设立低温生物学学科的院校，自1989年以来，上海理工大学又先后成功保存了胰岛细胞、器官、组织工程化皮肤、人脐带血、卵母细胞、移植用器官、临床生物样本等，并早在1998年成功研制首台低温显微DSC量热系统，在医工交叉领域做出了突出的成绩。时至今日，生物样本的低温存取和存储关键技术研究虽然在了世界前列，但生物样本超低温制冷存储设备的国产化问题仍然是长期积压的一块心病。

同时，作为国内叶轮机械专业名列前茅的老牌高校，上海理工大学在叶轮机械三元流理论和高效叶轮机械设计研发领域做出过卓越的贡献，先后荣获国家自然科学二等奖（叶轮机气动力学新理论体系的建立与系统性的研究）和国家科技进步二等奖（弯扭叶片关键技术研究及在大型汽轮机中的工程应用）。

作为叶轮机械领域的资深从业者的赵军博士，正赶上叶轮驱动电机转速发生从千转（rpm）向万转（rpm）跃进的革命性时代，高速高效高压（高膨胀）的离心叶轮机械应运而生，长期工作在研发一线所培养出的科研敏锐性激发出了跨学科综合应用的原动力，一条研发思路清晰地呈现在面前：高速高效叶轮机械-高效空气制冷-生物样本低温存储-自动化生物样本库，自此，为了这个共同的目标，由超低温制冷团队、低温非标自动化团队、高速高效叶轮机械团队和低温生物学团队组成了“混合战队”，开始致力于研发以空气制冷技术为核心的生物样本非标自动化低温储存设备，全方位解决当前生物样本低温存储领域的所有痛点。

“-196℃的深低温存储采用液氮制冷，制冷技术成熟，需要重点解决的是低温环境下材料变形对自动化精准运行所产生的影响，以及设备结霜等问题。而对于超低温生物样本库，需要采用空气制冷将温度控制在-86℃，实现理论上最高的制冷效率，同时解决当前超低温生物样本库存在的主要问题。”赵军博士说。据介绍，空气膨胀制冷最为关键的技术体现在压缩-膨胀组件，一是要达到压缩比和膨胀比的要求，另外还要保证合理地回收膨胀功。

“研发团队长期参与国家航空航天和军事领域的叶轮机械、空气循环装置等的设计研发，积累了丰富的经验，并在空气制冷高速高压的叶轮机械的设计上得到了充分的应用，取得了良好的效果。”赵军博士补充到，“由于整个制冷系统是一个封闭的空间，任何一个组件工况的变化都会对系统内的其它组件的运行产生影响，制冷团队在长期研发经验积累的基础上，通过系统运行仿真，制定了快速精准的详尽控制策略，使系统始终在最佳工况保持动态平衡，高效运转。”

“针对当前超低温生物样本库使用中出现的压缩机散热严重、噪声大等突出问题，我们设计了中央制冷式超低温生物样本库，将噪声源和热源置于室外，采用自主研发的先进的动态真空管道技术，将冷量输送到各个生物样本库，进一步简化了设备结构，扩大了有效存储空间。”

赵军博士便带领研发团队，攻坚克难，创造性地将空气制冷技术成功应用于生物样本低温保藏领域，实现了低温生物样本库的完全国产化。据了解，与目前主流的超低温制冷技术相比，空气制冷剂完全环保，随处可取；制冷系统综合能效提高一倍；样本库降温时间缩短75%；样本有效存储空间增加30%。另外，设备结构也更加简单，无需外加除霜设备；系统工作压力降低，运行更加安全可靠，同时兼具极致性价比。

技术成熟外，还有很多种因素影响着成果转化。“在空气制冷技术上，我们可能很早就具备了成果转化的条件，但一直在等待市场等其他因素成熟。”赵军博士说。

近年来，随着精准医疗与转化医学的发展，生物医疗低温存储需求不断增加，市场也就随之扩大。据沙利文数据，2017年全球生物医疗低温存储市场规模约为8.04亿美元，预计到2025年为20.95亿美元，GAGR为12.72%。考虑到全国公共卫生体系建设力度加大以及新冠大流行冲击的影响，东吴证券研究所认为，目前的市场规模约为200亿元。

在市场、政策等多种因素已趋向确定的情况下，与磐升集团创始人邢志青达成共识也成为情理之中的故事。磐升集团聚焦皮肤组织器官再生领域，这与超低温保存技术紧密相关。“细胞疗法和再生医学产品拥有非常独特的产业链，在整个产业链上，细胞必须保持活力和功能。超低温保存就成为再生医学产品物流过程和供应链的重要组成部分。”赵军博士说。

一拍即合之下，挚量智控顺利落地山东。目前，挚量智控具有多条产品线，包括由赵军博士主持研发的单机版自动化低温生物样本库、国内首台套桁机版液氮罐群生物样本大库、自动降温、复温仪等生物样本低温自动化存储取全系列产品，以及即将推出的全球首台套空冷系列超低温生物样本库。

在以液氮制冷技术为核心的深低温存储中，挚量智控具备可实现全自动单管或整盒存取的单机版气相液氮自动化存储系统，以及通过串联多台存储气相罐全自动深低温挑管机、三轴桁架机器人、全自动传递窗，实现全自动样本出入库、全自动挑管、碎片整理的液氮罐群生物样本库。据介绍，该液氮罐群生物样本库存储量达到50万份（2ml），并可按需扩展，其存储温度达﹣185℃以下，提升温度﹣130℃，挑管温度﹣150℃，转移温度﹣150℃，可保持样本全程深度低温。

桁机版生物样本大库 图源：挚量智控

而以空气制冷技术为核心、即将推出的全球首台套空冷系列超低温生物样本库彻底摆脱了非环保制冷剂对环境的影响，采用天然制冷剂-空气，更安全、环保、成本低且随处可取；低温温度场更加均匀；制冷效率大幅度提高；与现有超低温技术相比降温速率提高一个量级；可实现一套制冷机组同时带动数十台存储设备，更适用于生物样本大库的使用场景需求。

空冷系列超低温生物样本库 图源：挚量智控

“伴随着社会发展和科技进步，超/深低温制冷技术应用从航空，至民用，一路延伸到医疗领域，而无论是随着社会老龄化进程而带来的再生医疗需求，还是人们对生活品质要求的提高，未来必然具有更加广阔的应用空间。”赵军博士说，“研发团队已经着手携空冷技术助力万亿市场规模的预制菜领域。”

作为高校教师，赵军博士对成果转化也有自己的心得。“工科必须与业界保持密切的深度交融，各个领域的先进技术随时跨界组合优化升级为新领域的先进技术去满足医疗、食品、以及社会各个层面的需求，这是做科研转化的内在驱动力，也是科研人员的社会责任心。”