低温保存技术是一种广泛采用的长时间保存细胞和组织的方法。在许多领域具有重要的应用价值,例如,用低温保存技术贮藏细胞和组织以建立便于临床应用的细胞和组织库,食品的保鲜和贮藏等。在低温保存过程中,在细胞及组织内部,存在复杂的质量传递和热量传递过程,而且是成功冻存成功与否的关键控制步骤。因此,研究细胞及组织在冷冻中的若干问题是优化冷冻方案,理解细胞及组织冻、融机理的关键步骤。本文通过推倒得到了纯水冻结时移动边界问题的解,然后利用流体工程仿真计算软件FLUENT来模拟复杂情况下冻结过程中的热量传递,计算得到冷冻过程中热量传递的情况以及温度和溶液推进的速度分布分布,研究结构对于大尺度组织的冷冻具有指导性的意义。本文还利用微胶珠的多孔结构和可准确测量孔隙率的特点,配制微胶珠悬浮液模拟组织和细胞悬液,实验测定了DMSO在微胶珠内的渗透特性;同时利用图像分析的方法测量了微胶珠的孔隙率。因为在冷冻过程中由于移动边界的存在,迫使保护剂溶液中DMSO溶质进行扩散。如果溶质的扩散速率大于冰晶前锋的推进速率,则在未冻结区域会存在一个浓度分布,反之如果溶质的扩散速率小于冰晶前锋的推进速率,溶质被包埋在冻结区域中并没有梯度存在。本文计算了DMSO在溶液中的扩散系数和温度的关系,并且得到了其在多孔介质内的扩散速率,为进一步研究其冷冻过程中在多孔介质内的输运过程提供了依据。CPA在组织内部的浓度测量一直是组织冷冻过程研究的难题之一。同时本文分别采用了渗透压仪测定不同浓度DMSO溶液的渗透压和色谱仪测量不同浓度DMSO溶液的吸收峰,绘制标准曲线,并进行显著性分析。以此达到间接测量未知DMSO溶液浓度的目的。经过对比分析,实验证明渗透压法是更有效、更方便的检测浓度的方法。对于冷冻过程中使用的其他保护剂都可以使用他们对浓度进行测量。两组实验解决了浓度测量对保护剂溶液性质研究的限制,是值得推荐的方法。本文初步设计和研制了用于大尺度组织低温冷冻保存系统,并使用人工智能调节器对温度和高度进行耦合控制,以此来实现程序降温仪的功能。实验测定了低温冷冻装置内的轴向温度分布,并对比了冷冻容器尺寸对温度分布的影响。实验表明如果容器直径太大,容器内由于自然对流会影响温度分布。由于消除了对流,降温容器内的温度分布更趋近于线性。根据研究结果对新系统进行了改进设计。此装置可以在实验过程中对大块生物组织进行冷冻,以达到快速冷冻的要求。