低温保存在科学研究、临床医学和民生应用等众多领域都有广泛应用。为了避免细胞在低温保存过程中受到低温损伤,通常需要在保存之前向细胞悬浮液中加入低温保护剂,在复温后,为避免低温保护剂对细胞的毒副作用有需要将低温保护剂分离清除。此外,细胞治疗等领域也常常需要分离去除细胞悬浮液中的多余水分或其他物质。现有的离心式分离方法存在应力损伤大、操作繁琐,以及过程不密闭,易污染等问题。本文基于膜分离原理,研究了一种新细胞悬浮液成分分离置换系统,具体内容包括:(1)设计基于膜分离原理的分离置换系统总体方案,并运用跨膜传质原理建立系统的理论模型,在其基础上针对低温保护剂去除过程进行仿真分析,仿真结果初步证明,该系统能够实现快速、平稳地去除细胞悬浮液内的低温保护剂。(2)基于总体方案和仿真结果,开展了功能样机的详细设计,开发了系统中的摇摆装置、振动装置等关键部件,搭建了基于NI cDAQ的控制平台,并应用Labview编写了控制系统软件,实现了功能样机的集成控制。最后根据产品的工业化需求,对样机的外观结构、电气布线等进行了升级改造,初步达到了医疗器械的应用需求。(3)开展了大量测试实验,以检查主要功能部件的性能;同时基于无细胞溶液开展了一系列模拟实验,以评估系统用于低温保护剂处理的效率和效果。结果表明,主要的功能部件都满足设计要求,系统可在60min内完成1单位(200ml)细胞悬浮液的低温保护剂去除工作,而且处理过程中细胞悬浮液的渗透压变化连续平稳,相对离心法具有较明显优势。本文通过对膜分离式分离置换系统的研究,设计并开发了人机交互友好、处理流程控制精确的功能样机,该样机较好地克服了目前离心式处理设备机械损伤和开放环境污染的缺陷。有望在低温保存、细胞治疗等行业发挥重要作用。