玉家自然科学基金项目申请书 2.项目的研究内容、研究目标以及拟解决的关键问题 (1)项目的研究内容 冷冻干燥的过程对冻干药品和食品的质量会产生极大的影响,而国内外目前在这方 面的研究较少。冷冻干燥过程包括冷冻过程和干燥过程,冷冻过程主要与保护剂及其浓 度、降温速率、玻璃化和反玻璃化有关;而干燥过程与冷冻过程有着密切联系,因此保 护剂及其浓度、降温速率、玻璃化和反玻璃化也将对干燥过程有影响。同时,干燥过程 还与加热温度、冷阱温度、冻干室真空度有关。 本项目以研究冷冻过程和干燥过程的影响因素为主线,为优化冷冻过程和干燥过 程,提髙现代药品和食品的品质,和缩短生产周期、节约能耗,提供理论和技术基础 具体研究内容 1.测量不同药物、食品的玻璃化转变温度; 2.研究药物、食品添加不同保护剂后对玻璃化转变温度的影响,以及药物、食品前预 处理浓度和时间对玻璃化的影响 3.根据上述研究结果,确定样品的冻结过程及最终冻结温度 4.硏究真空度、加热温度、冷阱温度对第一阶段干燥和第二阶段干燥过程的影响」 5.改进升华过程的传热传质方程方程和已干燥部分的扩散方程,从实验与理论分 析两个途经,以求得优化的过程控制 6.寻求不同药品和食品的真空冷冻干燥的优化过程 7.针对一些国内外尚未能实现冻干的活细胞和组织,探索新的冻干方案,以求得到 突破。 (2).研究目标: 1.得到一些前人未见发表的关于药品和食品的热物性数据及其他特性数据 2.发展冻干传热传质分析模型和方程,为新型药品与食品冷冻干燥的热控制提供分 析与控制的理论与技术 3.针对几种社会上最为关心的现代药品和食品,寻找实现成功的冷冻干燥的方案 以得到优质的冻干产品 4.利用研究成果,针对几种药品和食品的冻干过程,进行分析改进,以求缩短冻干 时间,达到提高产量、节省能耗的效果 5.发表论文20篇左右,其中在SCI和EI索引的论文为6篇 6.编著一本关于现代药品与食品真空冷冻干燥理论与技术的书籍 (3).拟解决的关键问题 1.药品和食品材料玻璃化转变温度的测量: 2.最终冻结温度的确定; 3.冻结速率的确定 第6页共18页
国家自然科学基金项目申请书 第 6 页 共 18 页 2. 项目的研究内容、研究目标以及拟解决的关键问题 (1) 项目的研究内容 冷冻干燥的过程对冻干药品和食品的质量会产生极大的影响，而国内外目前在这方 面的研究较少。冷冻干燥过程包括冷冻过程和干燥过程，冷冻过程主要与保护剂及其浓 度、降温速率、玻璃化和反玻璃化有关；而干燥过程与冷冻过程有着密切联系，因此保 护剂及其浓度、降温速率、玻璃化和反玻璃化也将对干燥过程有影响。同时，干燥过程 还与加热温度、冷阱温度、冻干室真空度有关。 本项目以研究冷冻过程和干燥过程的影响因素为主线，为优化冷冻过程和干燥过 程，提高现代药品和食品的品质，和缩短生产周期、节约能耗，提供理论和技术基础。 具体研究内容： 1．测量不同药物、食品的玻璃化转变温度; 2．研究药物、食品添加不同保护剂后对玻璃化转变温度的影响,以及药物、食品前预 处理浓度和时间对玻璃化的影响; 3．根据上述研究结果，确定样品的冻结过程及最终冻结温度; 4．研究真空度、加热温度、冷阱温度对第一阶段干燥和第二阶段干燥过程的影响; 5．改进升华过程的传热传质方程方程和已干燥部分的扩散方程，从实验与理论分 析两个途经，以求得优化的过程控制； 6．寻求不同药品和食品的真空冷冻干燥的优化过程； 7．针对一些国内外尚未能实现冻干的活细胞和组织，探索新的冻干方案，以求得到 突破。 (2). 研究目标： 1．得到一些前人未见发表的关于药品和食品的热物性数据及其他特性数据； 2．发展冻干传热传质分析模型和方程，为新型药品与食品冷冻干燥的热控制提供分 析与控制的理论与技术； 3．针对几种社会上最为关心的现代药品和食品，寻找实现成功的冷冻干燥的方案， 以得到优质的冻干产品； 4．利用研究成果，针对几种药品和食品的冻干过程，进行分析改进，以求缩短冻干 时间，达到提高产量、节省能耗的效果； 5．发表论文20篇左右，其中在SCI和EI索引的论文为6篇； 6．编著一本关于现代药品与食品真空冷冻干燥理论与技术的书籍。 (3). 拟解决的关键问题 1．药品和食品材料玻璃化转变温度的测量； 2．最终冻结温度的确定； 3．冻结速率的确定；
国家自然科学基金项目申请书 4.升华界面的温度测量 5.物料表面塌陷温度的测量与确定,防止产生物料表面塌陷的方法; 6.多组份药品和食品冻结与升华过程传热传质方程的发展; 7.活细胞和组织冷冻干燥的特殊方法。 3.拟采用的研究方案及可行性分析 1).运用最近进口最新型的扫描差示量热仪(美国 PerkinElmer Instruments公司 Pryis Diamond dsC),测定药品和食品的玻璃化转变温度,并研究不同冻干保护 剂对玻璃化转变温度的影响; 2)·降低冻干机的冷阱温度,使样品的最低冻结温度可低于样品的玻璃化转变温度 些现代药品与食品的玻璃化转变温度可能低于-55℃C,而目前国内的或一般 的进口的冻干机,最低冷阱温度为-55C,样品最低冻结温度只能达到-45℃C。为 此我们已研制了用液氮作冷源的真空冷冻干燥系统,冷阱温度可达-140℃C,样品 最低冻结温度能达到-120℃C。 2000年进口了一台美国 LABCONCO, Freen zone2.5升台式冻干机,冷阱温度可 达-84。 3)探索利用快速关闭通往真空系统真空阀,测量样品腔内压力变化的方法,来求得 样品升华界面的温度。此思路来自 a)Liapis, A.J., Sadikoglu, H, Dynamic pressure rise in the drying chamber as a remote sensing method for monitoring the temperature of the product during the primary stage of freeze drying, Drying Technology, 1998, 16(6): 1153-1171 b)Oetjen, G.W., Freeze-Drying, Wiley-VCH, New York, 1999 对此法,我们已建立了试验系统并进行了初步试验,取得较好的效果。 4)正在硏制低温冷冻干燥显微镜系统,该系统具有长的工作焦距,能够通过光学窗 口直接观察和摄录被冻干样品表面的情况,以研究表面塌陷情况,并研究防止物 料表面塌陷的方法。 5).利用最近几年国外发表的关于冻结过程分析方法的新理论,来分析冻干过程的冻 结阶段。 思路来自 (1).Karlsson, J.O. M, Cryopreservation: freezing and vitrification Science,2002,296:655-656; (2 ). Karlsson, J.O. M. A theoretical model of intracellular devitrification, Cryobiology, 2001, 42, 154-169 6).利用过去我们在细胞和组织低温保存的经验,探索活体细胞和组织冷冻干燥的可 能性及其途径。 4.本项目的特色与创新之处 第7页共18页
国家自然科学基金项目申请书 第 7 页 共 18 页 4．升华界面的温度测量； 5．物料表面塌陷温度的测量与确定，防止产生物料表面塌陷的方法； 6．多组份药品和食品冻结与升华过程传热传质方程的发展； 7．活细胞和组织冷冻干燥的特殊方法。 3. 拟采用的研究方案及可行性分析 1）. 运用最近进口最新型的扫描差示量热仪（美国 PerkinElmer Instruments 公司 Pryis Diamond DSC），测定药品和食品的玻璃化转变温度，并研究不同冻干保护 剂对玻璃化转变温度的影响； 2）．降低冻干机的冷阱温度，使样品的最低冻结温度可低于样品的玻璃化转变温度。 一些现代药品与食品的玻璃化转变温度可能低于-55 0C，而目前国内的或一般 的进口的冻干机，最低冷阱温度为-55 0C, 样品最低冻结温度只能达到 -45 0C。为 此我们已研制了用液氮作冷源的真空冷冻干燥系统，冷阱温度可达-140 0C，样品 最低冻结温度能达到 -120 0C。 2000年进口了一台美国LABCONCO ,Freen Zone 2.5升台式冻干机，冷阱温度可 达 -84 0C。 3） .探索利用快速关闭通往真空系统真空阀，测量样品腔内压力变化的方法，来求得 样品升华界面的温度。此思路来自： a) Liapis,A.J., Sadikoglu,H., Dynamic pressure rise in the drying chamber as a remote sensing method for monitoring the temperature of the product during the primary stage of freeze drying, Drying Technology,1998,16(6):1153-1171 b) Oetjen,G.W., Freeze-Drying, Wiley-VCH, New York, 1999 对此法，我们已建立了试验系统并进行了初步试验，取得较好的效果。 4）.正在研制低温冷冻干燥显微镜系统，该系统具有长的工作焦距，能够通过光学窗 口直接观察和摄录被冻干样品表面的情况，以研究表面塌陷情况，并研究防止物 料表面塌陷的方法。 5）.利用最近几年国外发表的关于冻结过程分析方法的新理论，来分析冻干过程的冻 结阶段。 思路来自： (1).Karlsson,J.O.M.,Cryopreservation: freezing and vitrification, Science,2002,296:655-656; (2). Karlsson,J.O.M. A theoretical model of intracellular devitrification, Cryobiology,2001,42,154-169. 6）.利用过去我们在细胞和组织低温保存的经验，探索活体细胞和组织冷冻干燥的可 能性及其途径。 4. 本项目的特色与创新之处