導(dǎo)語：如何才能寫好一篇化學(xué)工程與工藝的研究方向，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

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所謂多場分布，就是指發(fā)酵生物反應(yīng)器中受到的多種物理因素影響，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)、產(chǎn)物等在濃度和溫度上發(fā)生改變，從而對反應(yīng)速率產(chǎn)生極大的影響，這些物理因素即為溫度分布、速度分布和濃度分布。以發(fā)酵液中的反應(yīng)為例，其反應(yīng)的最終結(jié)果都與這些多場分布因素有關(guān)，如氧的傳質(zhì)速率、菌絲團以及菌體的內(nèi)反應(yīng)組分傳質(zhì)，還有固定化酶等等，都是主要的影響因素。在很多情況下，這些影響因素在影響反應(yīng)過程的同時，還會起到主導(dǎo)反應(yīng)的作用，即為發(fā)酵罐內(nèi)反應(yīng)的控制環(huán)節(jié)。所以，在發(fā)酵罐中的各項反應(yīng)中，傳遞特性的作用十分關(guān)鍵，它的研究對于發(fā)酵罐內(nèi)化學(xué)工程的研究來說具有良好的現(xiàn)實意義，并且為以后的發(fā)酵過程控制理論的完善奠定了基礎(chǔ)。

2乙醇提純工藝中所涉及的化學(xué)工程問題

乙醇提純的主要工藝方法在進行乙醇的發(fā)酵工藝時，水是反應(yīng)中必須要產(chǎn)生的物質(zhì)之一，于是乙醇的提純工藝就落到了水與乙醇的分離工藝上?；诨瘜W(xué)原理上分析，這種提純工藝可以采用精餾法，可以采用吸附法、共沸精餾、萃取精餾，也可以采用滲透氣化膜分離法等等。一般來說，乙醇在發(fā)酵液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%到12%之間，但是工業(yè)用乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻在90%以上，那么這就給乙醇的提純工藝提出了一定的挑戰(zhàn)，采用傳統(tǒng)的精餾方法已經(jīng)無法滿足工業(yè)的要求。由此，可以將發(fā)酵液中的乙醇混合物分兩步進行提純，首先，利用普通的精餾提純方法得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92.4%的乙醇，然后再利用萃取、共沸、吸附等精餾方法得到高純度的工業(yè)乙醇。精餾這種乙醇提純方法已經(jīng)發(fā)展多年，其工藝與流程也比較成熟，然而在這種精餾過程中由于產(chǎn)生很高的熱量，造成的能耗很高，并且在此過程中對于回流的要求也越來越高，大大增加了精餾成本。綜上，在傳統(tǒng)的乙醇提純工藝上還具有很大的發(fā)展與創(chuàng)新空間，可以從設(shè)備配置、生產(chǎn)效率以及工程理論上進一步研究，得出更適合現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的有效方法。目前，這種工藝方法已經(jīng)有所突破，如分類與反應(yīng)過程耦合的方法，就是創(chuàng)新的代表。在燃料乙醇方面，乙醇的純化可以采用的方法為多塔精餾，同時結(jié)合向乙醇混合液中增加原有體系分離因子的萃取精餾等，也可以利用膜蒸發(fā)分離的辦法，其優(yōu)點是降低能耗，避免污染環(huán)境。此外，吸附的辦法在燃料乙醇純化工藝中還沒有很成熟的使用，需要進一步的探討?，F(xiàn)階段，燃料乙醇生產(chǎn)工藝的研究，主要集中于單一操作過程，如吸附脫水共沸物、滲透蒸發(fā)、萃取精餾等，將這些單一過程組合研究的文章不多。實際的燃料乙醇純化研究中，計算機仿真的應(yīng)用開始不斷增多，它在進行不同單元組合的反應(yīng)規(guī)律研究上十分有利。此外人工智能方面在乙醇純化工程模擬中也有很多的應(yīng)用，對于條件限定后的每個單元操作以及分離流程耦合的篩選等都是工程模擬中的主要內(nèi)容。由此可見，流程組合的研究已經(jīng)上升到計算機時代，不再需要傳統(tǒng)的憑經(jīng)驗進行流程與工藝的確定了。

3生物發(fā)酵反應(yīng)與分離耦合反應(yīng)

就目前的燃料乙醇工藝研究而言，主要為基礎(chǔ)研究工作，如過程放大、生物反應(yīng)與分析過程耦合、流程創(chuàng)新、工藝流程創(chuàng)新等。生物發(fā)酵反應(yīng)與分離耦合。不是兩者的簡單結(jié)合，而是一種流程耦合，屬于一種創(chuàng)新的技術(shù)和理論。如果化學(xué)反應(yīng)結(jié)束后就可以直接得到產(chǎn)品，那么反應(yīng)過程就是相應(yīng)的過程，而在工程上所說的反應(yīng)過程則是綜合性的過程，包括方法、設(shè)備以及問題處理的過程。這其中形成了分離工程，利用能量與物質(zhì)的傳遞、化學(xué)反應(yīng)以及流體力學(xué)等相關(guān)知識，由此說明耦合問題可以進行，并且能夠完成相關(guān)問題的解決，并且可以將生物發(fā)酵看作是耦合過程，用于提高發(fā)酵與分離效率，這種方法大大促進了燃料乙醇工藝的發(fā)展。它利用了工藝改善，采用了創(chuàng)新的方法，實現(xiàn)了工藝過程最優(yōu)化，這是化學(xué)工程發(fā)展的最新契機，多場耦合的研究意義重大，為未來的發(fā)展與進步指明了方向。

4結(jié)語

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關(guān)鍵詞：煤化工 甲醇 合成工藝 技術(shù)特點

目前，我國天然氣、石油供給嚴(yán)重失衡，在未來也必將處于嚴(yán)重短缺狀態(tài)，嚴(yán)重制約國民經(jīng)濟健康發(fā)展，而煤資源則相對豐富，發(fā)展煤化工是應(yīng)對能源短缺、保障國家能源安全的必然舉措。煤制甲醇是煤化氣關(guān)鍵技術(shù)之一，我國百萬噸以下煤制甲醇工藝已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，但技術(shù)水平與國外先進水平仍存在較大差距，存在投資大、能耗高、污染高等不足，已不符合國家戰(zhàn)略需要，為此《十二五規(guī)劃》明確將降低煤制甲醇項目能耗，對現(xiàn)有項目進行改造納入下一個五年規(guī)劃之中[1]。在這種背景下，了解甲醇合成工藝的現(xiàn)狀及其技術(shù)特點非常必要。目前，甲醇合成技術(shù)主要包括ICI、Lurgi、TOPS?E、TEC等，這些技術(shù)各有優(yōu)缺，難以取舍，為此本文對國內(nèi)外甲醇合成工藝進行概述，以把握相關(guān)技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)。

一、常見甲醇合成工藝現(xiàn)狀及其技術(shù)特點

1. 固定床甲醇合成工藝

1.1 軸向反應(yīng)器甲醇合成工藝

軸向反應(yīng)器在全世界仍廣泛應(yīng)用，我國上世紀(jì)70年代后建成投產(chǎn)的甲醇轉(zhuǎn)化設(shè)備多為軸向反應(yīng)器，采用ICI、Lurgi，具有性能穩(wěn)定、對煤質(zhì)適應(yīng)性好等優(yōu)點，近年來，世界各國均積極轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式，加大了對軸向反應(yīng)器的升級改造，以降低能耗、提高生產(chǎn)效益。國內(nèi)最常見的改建方法為增設(shè)冷管式合成塔與復(fù)產(chǎn)蒸汽合成塔，以降低反應(yīng)器床層內(nèi)溫差，增強傳熱效用，增強操作彈性，進而降低能耗，提高煤轉(zhuǎn)化率，提高甲醇產(chǎn)量[1]。我國關(guān)于對軸向反應(yīng)器研究較多，研究方向集中在內(nèi)流場、溫度、內(nèi)壓分析、傳熱、內(nèi)滲、氣體分布等領(lǐng)域。

1.2徑向反應(yīng)器的甲醇合成工藝

徑向反應(yīng)器相對于軸向反應(yīng)器，具有能耗低、甲醇轉(zhuǎn)化率高、產(chǎn)量大等優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、催化劑裝卸困難、管理運行成本較高[2]。近年來，徑向反應(yīng)器大型化逐漸成為熱點，其主要原因有二：①建設(shè)大型徑向反應(yīng)器有利于形成規(guī)模優(yōu)勢，提高產(chǎn)業(yè)綜合效益；②長期以來，我國大型甲醇合成反應(yīng)器都需要進口，不利于行業(yè)的健康發(fā)展。目前，我國關(guān)于徑向反應(yīng)器的研究主要方向為提升徑向反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)與催化劑效能上。

2.漿態(tài)床甲醇合成

漿態(tài)床甲醇合成起源于上世紀(jì)80年代的美國，可操作性強、對合成氣適應(yīng)性好，克服了固態(tài)床在高濃度催化劑與高氣速操作條件下，出產(chǎn)量不足與性能不穩(wěn)定的缺陷[3]。目前，漿態(tài)床甲醇合成技術(shù)在我國已得到初步應(yīng)用，但相關(guān)研究較少。

二、熱點領(lǐng)域與新技術(shù)

1.滴流床甲醇合成工藝

滴流床甲醇反應(yīng)器兼顧固定床、漿態(tài)床的優(yōu)點，可形成固體層，液體自上而下流動、氣體自上而下運動，使液體與氣體在催化劑顆粒中均勻分布，提高產(chǎn)出效率[4]。滴流床甲醇反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率高、溫差小、合成率高，是一種較為理想的甲醇合成工藝。我國關(guān)于滴流床甲醇反應(yīng)器的研究方向主要集中在降壓、加氫、持液量控制等關(guān)鍵環(huán)節(jié)上。

2.超臨界相介質(zhì)工藝

超臨界相介質(zhì)甲醇合成工藝是一種新的甲醇合成技術(shù)，是指在超臨界狀態(tài)下合成甲醇，克服不同性質(zhì)的相間的傳遞阻力，提高反應(yīng)效率與充分性，降低損耗，進而提高甲醇轉(zhuǎn)化率。超臨界相介質(zhì)甲醇合成最大的特點在于可采用有機溶劑，提高催化效率，降低溫度要求，可大大降低能耗。我國開展超臨界相介質(zhì)中甲醇合成研究較早，該技術(shù)最初被應(yīng)用于漿態(tài)床的技術(shù)改進，也積累了一些有益的經(jīng)驗，目前相關(guān)研究集中在氣液性質(zhì)、超臨界流體、超臨界二氧化碳介質(zhì)等領(lǐng)域。

3.膜反應(yīng)工藝

膜反應(yīng)甲醇合成工藝是在膜反應(yīng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，相較于超臨界介質(zhì)工藝，操作性更強。其技術(shù)原理主要包括兩種：①通過置密膜，控制氫氣通過量，提高催化劑作用效率，最終使反應(yīng)器達(dá)到最佳反應(yīng)狀態(tài)，降低損耗，提高產(chǎn)出率；②通過將產(chǎn)物及時轉(zhuǎn)出，以降低產(chǎn)物對反應(yīng)器的影響，維持反應(yīng)器內(nèi)部化學(xué)平衡達(dá)到最佳狀態(tài)，提高產(chǎn)出率[4]。國外關(guān)于膜反應(yīng)甲醇合成工藝實驗研究較多，證實該工藝可提高轉(zhuǎn)化率，可控性好，可提高反應(yīng)速度。我國關(guān)于膜反應(yīng)甲醇合成工藝研究偏向于膜材料的制備與膜反應(yīng)器設(shè)計，該技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用仍有待時日。

4.其它工藝

其它技術(shù)主要包括整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)、多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、放熱反應(yīng)與能源密集型的吸熱反應(yīng)耦合系統(tǒng)、制氣系統(tǒng)與傳統(tǒng)甲醇循環(huán)耦合系統(tǒng)等。從這些技術(shù)可以看出工藝耦合、技術(shù)集成、綠色節(jié)能、巨型化是未來甲醇合成工藝發(fā)展的一個新趨勢[4]。

我國正積極推動煤化工企業(yè)改進現(xiàn)有的甲醇合成工藝，以提高甲醇合成綜合效率，降低能耗、減少污染、提高轉(zhuǎn)化率。主要改進技術(shù)為智能化控制技術(shù)、節(jié)約化補充設(shè)計。智能化設(shè)計是指在舊有的設(shè)備上應(yīng)用計算機、集控等信息技術(shù)進行智能化改造，增強對生產(chǎn)過程的技術(shù)監(jiān)管，實現(xiàn)全程控制，最終實現(xiàn)精確生產(chǎn)，維持反應(yīng)器內(nèi)化學(xué)平衡，降低損耗，提高轉(zhuǎn)化率。節(jié)約化設(shè)計是指盡可能得不斷完善甲醇合成工藝流程，節(jié)約煤炭、電能，降低運行所需能源損耗。

三、小結(jié)

甲醇合成是煤化工關(guān)鍵技術(shù)之一，但設(shè)施設(shè)備更新?lián)Q代緩慢，與國家大力提倡構(gòu)建資源節(jié)約型與環(huán)境友好型社會政策不相適應(yīng)，積極發(fā)展新的甲醇合成工藝、對舊有技術(shù)進行升級改造是甲醇合成工藝主要研究方向。

參考文獻：

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[2]閆晉慧.煤制甲醇工藝研究[J].化工管理，2014，27（3）：246-247

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關(guān)鍵詞：浮法玻璃；表面；理化

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.07.228

0 引言

隨著浮法玻璃的應(yīng)用，其良好的性能逐漸被人們接受。但是在實際生產(chǎn)過程中，受到自身生產(chǎn)工藝過程的影響，導(dǎo)致錫朝著玻璃內(nèi)部進行擴散，這種擴散情況，導(dǎo)致玻璃避免與玻璃本體之間成分變得不同，并且在外界因素的影響下，影響了玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由此可知，與其他普通玻璃相比，浮法玻璃表面具有獨特的物理化學(xué)特征。因此，本文針對浮法玻璃表面理化特征展開論述。

1 錫在浮法玻璃表面層熱擴散特征

在浮化玻璃生產(chǎn)過程中，受到生產(chǎn)工藝的影響，導(dǎo)致錫在玻璃表層會產(chǎn)生一定的熱擴散現(xiàn)象，出現(xiàn)與其他玻璃不同的特征。下面就針對錫在浮法玻璃表面層熱擴散特征展開論述。

第一，滲錫量特征。在實際生產(chǎn)過程中，玻璃溶體就會漂浮在熔融的錫液上，在這種條件下，錫就會通過玻璃的下面進行擴散。并受到錫高溫?fù)]發(fā)的影響，導(dǎo)致玻璃熔體上部的空間錫槽內(nèi)存在一定的氣態(tài)錫，會隨著時間的推移，深入到浮法玻璃的表面。在通常情況下，錫在玻璃下表面擴散深度大約為10微米，受到生產(chǎn)條件的不同，也會存在的不同的差異。在錫擴散到玻璃表面以后，錫液與玻璃液接觸時間越長，就會導(dǎo)致錫槽溫度越高，周圍保護氣體的純度就會越低。

第二，駝峰特征。在距離浮法玻璃表面0.001微米處，就能夠觀察到氧化錫，但是在超過20微米以后，就很難再檢測到錫了，但是在進行檢測過程中，在浮法玻璃表面下4―10微米處，會出現(xiàn)滲錫量的峰值，呈現(xiàn)出駝峰的特征，峰值的出現(xiàn)于錫價態(tài)的變化有著很大的關(guān)系。

第三，在硅酸鹽玻璃生產(chǎn)過程中，Sn2+配位會呈現(xiàn)出四面體的結(jié)構(gòu)形式，3個軌道會分貝和3個氧絡(luò)結(jié)合，而剩余的一對孤對電子占據(jù)第4個軌道。Sn4+配位狀態(tài)呈現(xiàn)為八面體結(jié)構(gòu)。因此，在進行浮法玻璃生產(chǎn)過程中，由于Sn2+占據(jù)多數(shù)，并且內(nèi)部玻璃網(wǎng)絡(luò)具有很好的連接性，需要生產(chǎn)人員結(jié)合實際情況，增加表面的硬度和彈性模量。

2 浮法玻璃表面化學(xué)成分分部特征

在浮法玻璃表面，化學(xué)組成主要在高溫的影響下，有的元素出現(xiàn)了揮況，導(dǎo)致玻璃本體組成出現(xiàn)一定的差異。Na+會從浮法玻璃帶表面出現(xiàn)散失的情r，使得表面層的氧化鈉含量比玻璃本體底。Ca2+也會從玻璃兩個表面散失，導(dǎo)致氧化鈣含量也會比玻璃本體低。但是在實際生產(chǎn)過程中，S會從表面散失量較少，但是留在下表面的S，會轉(zhuǎn)化成硫化物，這是導(dǎo)致浮法玻璃變黃的原因。但是隨著其他元素的蒸發(fā)，就會增加浮法玻璃表面的二氧化硫。

在錫離子的影響下，浮法玻璃要具有熒光特征，在玻璃下表面，隨著錫的擴散，從而形成了一層富錫層，當(dāng)玻璃受到地強度的紫外光線照射時，就會出現(xiàn)黃色熒光，這種特性被應(yīng)用在浮法玻璃判定上。

在通常情況下，檢測人員可以利用X-射線熒光光譜法對浮法玻璃表面進行元素分析和測試。經(jīng)過測試的結(jié)果，浮法玻璃下表面40nm深度內(nèi)錫和鐵的含量和上表面的含量存在很大差距。

3 浮法玻璃表面物理性質(zhì)的變化特征

根據(jù)國外學(xué)者研究，采用納米壓痕法，可以測定2mm浮法玻璃表面的硬度和彈性模量，根據(jù)最終的結(jié)果，玻璃上下硬度和彈性模量出現(xiàn)一定程度的增加。并且在100nm表面層內(nèi)，相應(yīng)的玻璃硬度就會增加10%。因此，就針對浮法玻璃表面物理性質(zhì)的變化特征展開論述。

第一，在實際應(yīng)用過程中，浮法玻璃上下兩個表面強度和缺陷尺寸存在著很大的差異。尤其在下表面具有較大的缺陷尺寸，表面強度比較弱。還有的學(xué)者，詳細(xì)測定了浮法玻璃表面的瑕疵尺寸，發(fā)現(xiàn)浮法玻璃下面的瑕疵長度要比上表面的瑕疵長度要長。在浮法玻璃表面瑕疵深度上，下表面就會比上表面深。這說明在很大程度上，影響浮法玻璃表面狀態(tài)因素很多，具體包括化學(xué)成分、玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。在進行浮法玻璃表面滲錫量與折射率測定過程中，隨著身錫量的增加，相應(yīng)的就會增加玻璃的折射率。

在進行浮法玻耐風(fēng)化性測定過程中，浮法玻璃鈉鈣硅玻璃下表面比上表面更具有耐風(fēng)化性能，并且在離子浸析作用下，鈉離子會隨著時間的推移，出現(xiàn)析出的現(xiàn)象，并且會增加硅和氫的含量，因此，就會在浮法玻璃表面形成一層大約10納米的薄層，在實際過程中，薄層在第一年內(nèi)增加速度較快，隨著時間增加，厚度不會再增加，這種薄層形成以后，就發(fā)揮保護作用，從而避免玻璃內(nèi)部受到風(fēng)化影響。

綜上所述，在實際生產(chǎn)過程中，由于浮法玻璃生產(chǎn)工藝的特殊性，在玻璃表面呈現(xiàn)化學(xué)和物理成分的變化，并且玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)細(xì)微的變動，就會導(dǎo)致浮法玻璃表面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定的變動，影響到玻璃內(nèi)部的折射率、強度、硬度、耐久性以及耐風(fēng)化性等性質(zhì)。因此，為了發(fā)揮浮法玻璃在實際應(yīng)用中的作用，還需要對浮法玻璃表面理化性能特征進行分析，從而提升浮法玻璃性能，滿足實際生產(chǎn)的需要。

參考文獻：

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[4]張浩，王洪濤，侯萍.基于生命周期評價的中國浮法玻璃燃料對比分析[J].化學(xué)工程與裝備，2011（05）：141-143.

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關(guān)鍵詞：壓力容器；常見缺陷；防治措施；焊接缺陷；石油化工工業(yè) 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TH49 文章編號：1009-2374（2016）22-0078-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.22.038

隨著工業(yè)現(xiàn)代化進程的推進，壓力容器已在石油化工工業(yè)等國民經(jīng)濟領(lǐng)域中得到廣泛運用。壓力容器的焊接質(zhì)量與壓力容器的強度、致密性、使用壽命密切相關(guān)。同時，在壓力容器焊接中經(jīng)常會出現(xiàn)一些缺陷，這些缺陷對焊接容器的穩(wěn)定性以及工作均會造成巨大的影響。因此，研究和探討壓力容器焊接常見缺陷及防治措施具有重要的現(xiàn)實意義。本文將對此展開詳細(xì)探討。

1 控制壓力容器焊接缺陷的重要意義

壓力容器是指盛裝液體或者氣體并承載一定壓力的密閉設(shè)備。壓力容器包括貯運容器、反應(yīng)容器、換熱容器和分離容器等。壓力容器主要用于石油化工工業(yè)、能源工業(yè)、物料貯運、科研、醫(yī)療等國民經(jīng)濟生活中。壓力容器的制造的總工作量的30%以上與焊接工作有關(guān)。同時研究表明壓力容器90%的事故與焊接缺陷相關(guān)。因此，控制焊接質(zhì)量是壓力容器致密性和強度的保證，有助于壓力容器正常、安全工作并提高使用壽命，保障人們的生命財產(chǎn)安全。

2 壓力容器常見焊接缺陷及產(chǎn)生原因

根據(jù)缺陷分布的位置不同，壓力容器的焊接缺陷可分為外部缺陷和內(nèi)部缺陷，其中外部缺陷通?？梢酝ㄟ^肉眼發(fā)現(xiàn)。常見的焊接外部缺陷有弧坑、焊瘤、焊縫形狀和尺寸不合要求、表面飛濺、咬邊等。內(nèi)部缺陷包括裂紋、夾渣、氣孔、未焊透、未熔合等，其中裂紋是影響壓力容器最致命的缺陷，是必須檢測的重點項目。

2.1 咬邊

咬邊是指焊縫邊緣的凹陷。咬邊通常是由于焊接工藝參數(shù)選擇不正確或者操作不當(dāng)引起。產(chǎn)生咬邊的主要原因有：操作方法不當(dāng)，焊接規(guī)范選擇不對，比如電弧過長、運條方式和角度不當(dāng)、電流過大、坡口兩側(cè)的停留時間不合適等。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，焊絲偏移中心的距離太大會導(dǎo)致熔池停留時間增加而產(chǎn)生咬邊，同時焊速過快會導(dǎo)致收弧后不能填滿弧坑。

2.2 氣孔

氣孔主要是指熔池當(dāng)中的氣泡在出現(xiàn)凝固之前沒有及時散發(fā)出去，而是在焊接的縫隙處殘留，最后形成的空穴。氣孔的產(chǎn)生會使焊縫金屬的致密性受到影響。氣孔產(chǎn)生的根本原因是外界氣體或者焊接過程中產(chǎn)生的氣體進入熔池，在熔池凝固前沒及時逸出而造成的。導(dǎo)致氣孔產(chǎn)生的原因有：坡口邊緣不干凈，有銹跡等；焊條或者焊劑未按照操作規(guī)定烘焙；氣泡無法通過熔渣；焊接速度太快；焊接電壓過高；焊接的環(huán)境比較潮濕等。

2.3 夾渣

夾渣的形成主要是因為在焊縫處殘留了一些熔渣。夾渣的存在具有較大危害，會極大地降低焊縫的強度和致密性。夾渣產(chǎn)生的主要原因有：焊縫的邊緣有氧割或碳弧氣泡殘留的熔渣；焊接時速度太快；焊接時坡口角度選擇不合理；焊接時電流不夠。此外，在選用堿性焊條時，也可能會因為極性不正?；蛘唠娀∵^長而出現(xiàn)夾渣的缺陷。

2.4 未焊透、未熔合

未熔透、未熔合都是比較嚴(yán)重的焊接缺陷，會使焊縫的強度降低，甚至?xí)?dǎo)致裂紋產(chǎn)生，從而發(fā)生事故。其中，在焊接時，當(dāng)接頭根部未完全熔透便會出現(xiàn)未焊透的現(xiàn)象，而當(dāng)焊縫與焊件之間或者焊件與焊縫金屬之間有一些部位沒有溶透時便會出現(xiàn)未熔合的現(xiàn)象。通常造成這些問題出現(xiàn)的原因是電弧過長、焊條的直徑太大、電流過小、坡口表面被氧化和有油污、焊件裝配間隙或者坡口角度過小、封底焊清潔不徹底等。

2.5 焊瘤

在焊接過程中，金屬溢流到加熱不足的母材或前道焊縫上，金屬凝固時，在自身重力作用下金屬形成的微小疙瘩就是焊瘤。焊瘤不能和母材或者前道焊縫熔合。如果焊瘤位于內(nèi)部，會降低強度、減少有效截面積，影響美觀。焊瘤產(chǎn)生的主要原因是運條不均而造成熔池溫度過高，液態(tài)金屬凝固后緩慢下墜而在焊縫表面形成焊瘤。立、仰焊時，焊接電流過大、電弧過長也可能出現(xiàn)焊瘤。

2.6 裂紋

裂紋是指在焊接應(yīng)力及其他致脆因素共同作用使得金屬材料的原子結(jié)構(gòu)被破壞而形成新的界面，從而產(chǎn)生縫隙。壓力容器的焊接裂紋是一種危害性極強的缺陷。壓力容器結(jié)構(gòu)的破壞大多從裂紋處開始。裂紋分為熱裂紋和冷裂紋。

焊縫金屬從液態(tài)到固態(tài)的結(jié)晶過程中產(chǎn)生的裂紋稱熱裂紋。熱裂紋多出現(xiàn)在焊縫。熱裂紋的特點是焊接后立即可見，且多位于焊縫中心位置。熱裂紋產(chǎn)生的原因是焊接熔池中有低熔點雜質(zhì)如FeS等。一般而言，這類雜質(zhì)多是凝固時間長、熔點低、凝固后強度低。因此，當(dāng)受到外界作用到其表面的拘束應(yīng)力足夠大時，且焊接金屬凝固時產(chǎn)生的收縮力，很容易會出現(xiàn)拉開或者在凝固后不久被拉開而形成裂紋。

而冷裂紋的形成則是在焊接金屬冷卻的過程中，又或者是冷卻之后，焊縫交接與母材的熔合線外產(chǎn)生的裂紋，也可能是在母材的熔合線處產(chǎn)生的裂紋。其發(fā)生的位置大多集中在應(yīng)力較為集中的位置，例如咬邊、焊根處。冷裂紋發(fā)生的溫度一般是在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的范圍內(nèi)。冷裂紋的危害極大，一般在焊接后幾小時或更長時間后出現(xiàn)。造成冷裂紋出現(xiàn)的原因主要有三點：（1）接頭處受到較大的拘束應(yīng)力的作用；（2）由于受到焊接熱循環(huán)的作用，在熱影響的區(qū)域內(nèi)形成了淬硬組織；（3）一些過量的擴散氫積聚在焊縫處，并發(fā)生了不斷濃集的現(xiàn)象。

焊縫金屬在冷卻過程中或者冷卻以后，在母材或母材與焊縫交界的熔合線處產(chǎn)生的裂紋稱為冷裂紋。冷裂紋形成的溫度通常在范圍內(nèi)。冷裂紋多發(fā)生在焊根、咬邊等應(yīng)力集中的位置。冷裂紋既可能在焊接后立即出現(xiàn)，也可能在焊接后幾小時甚至更長時間才會出現(xiàn)。冷裂紋對壓力容器的危害程度比熱裂紋的更大。冷裂紋產(chǎn)生的主要原因是：（1）在焊接熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)內(nèi)生成了；（2）焊縫中有過量的擴散氫且存在濃集的條件；（3）接頭承受有較大的拘束應(yīng)力。

裂紋一旦產(chǎn)生，必須徹底清除，然后修補，否則裂紋會影響壓力容器的安全使用。

3 壓力容器焊接缺陷的預(yù)防措施

壓力容器的焊接缺陷會導(dǎo)致壓力容器的強度、致密性等受到影響，使得使用壽命縮短，會對人身安全和財產(chǎn)安全造成不良影響。

通過對焊接缺陷的原因進行分析，可以有針對性地進行解決和預(yù)防，有效提高壓力容器的質(zhì)量和安全水平。企業(yè)可以從以下方面來減少焊接缺陷的產(chǎn)生：

3.1 提高焊工技能

一些焊接缺陷是由于焊接人員的勞動技能不嫻熟或操作不規(guī)范造成的，因此需要提高焊工的勞動素質(zhì)。（1）需要聘用獲得國家承認(rèn)的上崗證的焊工；（2）針對各自企業(yè)的實際情況來培訓(xùn)焊接人員，直至培訓(xùn)考核合格后才能上崗；（3）持續(xù)地對焊接人員的勞動素質(zhì)進行評價，對評價結(jié)果較差或者不穩(wěn)定的加強培訓(xùn)。

3.2 焊接工藝選定及焊接規(guī)范制定

焊接工藝是控制壓力容器焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在焊接前，企業(yè)應(yīng)當(dāng)綜合評估焊接工藝，根據(jù)自身實際情況，對各項工藝參數(shù)進行驗證，不建議直接照搬其他企業(yè)的焊接工藝。

在選定好合適的焊接工藝后，必須依據(jù)相應(yīng)的焊接工藝制定詳細(xì)的焊接規(guī)范，以便于焊接人員操作。焊接規(guī)范應(yīng)當(dāng)根據(jù)壓力容器的設(shè)計要求、焊接工藝來制定。焊接人員必須嚴(yán)格按照操作規(guī)范進行焊接，對焊接的每一道工序負(fù)責(zé)。

3.3 正確選取、保存焊接材料

焊接材料必須選擇有質(zhì)量保障的廠家。同時焊接材料的各個方面質(zhì)量必須符合國家的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。焊條的化學(xué)成分與焊體成分需符合要求。焊材庫人員需遵循《焊條質(zhì)量管理規(guī)程》（JB3223-83）進行管理，保證焊材滿足使用要求。

3.4 焊接過程控制

焊接前應(yīng)當(dāng)確定焊縫的組隊間隙、鈍邊的大小、坡口的清潔等符合要求。在焊接中，注意：（1）盡量不選擇十字焊縫；（2）不允許強力組裝；（3）需焊接臨時吊耳和拉筋的墊板，需將墊板割除后的焊瘤打磨光滑。焊接后，進行無損檢測，包括外觀檢測、無損探傷、耐壓測試及致密性試驗。

4 結(jié)語

壓力容器的質(zhì)量與焊接質(zhì)量密切相關(guān)。企業(yè)應(yīng)當(dāng)根據(jù)自身的實際情況，找出對焊接的不利因素，對勞動者加強培訓(xùn)，對焊接材料、焊接工藝和規(guī)范、焊接過程控制等方面進行質(zhì)量控制，可有效保證壓力容器的焊接質(zhì)量。壓力容器焊接缺陷的防治既要注重從預(yù)防和控制兩個方面入手，也要從工藝的升級以及各項管理制度、工藝規(guī)范的執(zhí)行方面入手。只有把握好各個環(huán)節(jié)，才能保證壓力容器的焊接質(zhì)量。

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[關(guān)鍵詞]QbD； 中藥； 制藥工藝； 設(shè)計空間； 質(zhì)控策略

[Abstract]Quality by design （QbD） concept is an advanced pharmaceutical quality control concept The application of QbD concept in the research and development of pharmaceutical processes of traditional Chinese medicines （TCM） mainly contains five parts， including the definition of critical processes and their evaluation criteria， the determination of critical process parameters and critical material attributes， the establishment of quantitative models， the development of design space， as well as the application and continuous improvement of control strategy In this work， recent research advances in QbD concept implementation methods in the secondary development of Chinese patent medicines were reviewed， and five promising fields of the implementation of QbD concept were pointed out， including the research and development of TCM new drugs and Chinese medicine granules for formulation， modeling of pharmaceutical processes， development of control strategy based on industrial big data， strengthening the research of process amplification rules， and the development of new pharmaceutical equipment

[Key words]quality by design； Chinese medicine； pharmaceutical engineering； design space； control strategy

|量源于設(shè)計（quality by design，QbD）是美國等發(fā)達(dá)國家藥品監(jiān)管部門為提升藥品質(zhì)量、鼓勵技術(shù)革新和降低監(jiān)管難度而推廣的藥品質(zhì)控理念，在制藥領(lǐng)域產(chǎn)品和工藝開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用[12]。美國食品藥品管理局（US Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）要求從2013年起，所有仿制藥申報材料應(yīng)包括基于QbD的產(chǎn)品和工藝研究內(nèi)容。實際上，最早提出QbD理念是國際著名的質(zhì)量管理大師Juran博士，他在Juran on Quality by Design一書中明確提出了QbD理念，并指明實施QbD的核心技術(shù)工具是實驗設(shè)計。QbD被定義為一種系統(tǒng)開發(fā)方法，它從預(yù)定的目標(biāo)開始，基于科學(xué)和質(zhì)量風(fēng)險管理技術(shù)，強調(diào)理解藥品和生產(chǎn)過程及控制生產(chǎn)過程。根據(jù)QbD理念，在藥品的研發(fā)階段就要考慮最終產(chǎn)品的質(zhì)量，對原輔料性質(zhì)、處方、工藝路線、工藝參數(shù)等各個方面都要進行全面研究，以增強對藥品及其生產(chǎn)過程的理解，建立能夠確保藥品質(zhì)量的生產(chǎn)過程輸入（如物料性質(zhì)）和過程參數(shù)組合的范圍，即設(shè)計空間（design space）[3]。QbD理念的實施必然使藥品質(zhì)控重心前移至原料控制和制藥過程控制，弱化成品檢驗在藥品質(zhì)控中的作用。

中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)是我國擁有資源優(yōu)勢和知識優(yōu)勢的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，但面臨著現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)不強的挑戰(zhàn)。國務(wù)院的《中醫(yī)藥發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要（2016―2030年）》中明確提出要“促進中藥工業(yè)轉(zhuǎn)型升級……加大中成藥二次開發(fā)力度”。目前市售中藥的研發(fā)和生產(chǎn)大多不夠精細(xì)，若能以QbD理念指導(dǎo)中成藥二次開發(fā)，則有助于深入了解生產(chǎn)過程規(guī)律，建立先進過程質(zhì)控策略，提高中藥制藥過程質(zhì)控水平，提升中藥質(zhì)量一致性，從而促進中藥工業(yè)順利實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級。

俞翔等較早將QbD理念應(yīng)用于中藥生產(chǎn)過程質(zhì)量控制，通過深入了解中藥生產(chǎn)過程，提高了質(zhì)量控制水平[4]。根據(jù)中藥生產(chǎn)實際，QbD理念在中藥制藥工藝中實施主要有如下幾個步驟[5]：確定關(guān)鍵工藝及其評價指標(biāo)，辨識關(guān)鍵工藝參數(shù)和關(guān)鍵物料屬性，建立關(guān)鍵工藝單元數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建設(shè)計空間，實施控制策略并不斷改進等。穩(wěn)健可靠的中藥中間體和成品質(zhì)量分析方法是QbD理念順利實施于中藥工業(yè)的重要保障，同時這些分析方法也可以在QbD理念指導(dǎo)下建立。鑒于分析方法對于中藥質(zhì)量控制的重要性，本文在綜述近幾年來基于QbD理念的中藥制藥工藝研究進展的同時，也將綜述基于QbD理念的中藥分析方法開發(fā)研究進展，并提出未來值得發(fā)展的研究方向。

1確定關(guān)鍵工藝及其評價指標(biāo)

為確定中藥生產(chǎn)關(guān)鍵工藝，必須明確各工藝對中藥質(zhì)量可能產(chǎn)生的影響及其大小。結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗開展生產(chǎn)全流程風(fēng)險分析是行之有效的方法之一。利用該方法確定關(guān)鍵工藝的同時，還能明確各工藝所影響的藥品質(zhì)量指標(biāo)。根據(jù)受影響的藥品質(zhì)量指標(biāo)又可以進一步確定關(guān)鍵工藝的評價指標(biāo)。龔行楚等采用該法確定了丹紅注射液生產(chǎn)關(guān)鍵工藝為提取、醇沉及活性炭吸附[6]。陳滕采用失效模式與效應(yīng)分析量化了三七總皂苷主要生產(chǎn)工藝對質(zhì)量指標(biāo)的影響大小，并根據(jù)風(fēng)險優(yōu)先數(shù)（risk priority number，RPN）的數(shù)值確定了最關(guān)鍵的工藝為柱色譜[7]。一般來說，沉淀、色譜和萃取等精制工藝參數(shù)較多，對中藥體系化學(xué)成分影響也大，相比過濾和濃縮等更可能成為關(guān)鍵工藝。

關(guān)鍵工藝的評價主要可以從中間體質(zhì)量和工藝效率等兩方面來考量。中間體質(zhì)量可用物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)或生物活性等表征。其中，較常用的是活性成分或毒害成分在總固體或液體中的含量。工藝效率指標(biāo)包括特定成分或組分的保留率或去除率、單位時間產(chǎn)量、單位設(shè)備產(chǎn)量和單位原材料產(chǎn)量等。其中，較常用的是活性成分的轉(zhuǎn)移率或保留率，毒害成分或其他雜質(zhì)的去除率等。

確定關(guān)鍵工藝評價指標(biāo)后需要設(shè)置其限度。部分指標(biāo)只需要設(shè)置上限，如毒害成分含量。部分指標(biāo)僅需要設(shè)置下限，如單位時間產(chǎn)量。設(shè)定關(guān)鍵工藝評價指標(biāo)的限度可以根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，也可采用嚴(yán)斌俊等提出的回溯法[8]。回溯法根據(jù)最終藥品質(zhì)量指標(biāo)和各工藝的影響反向推算獲得關(guān)鍵工藝評價指標(biāo)的上下限。應(yīng)用該法的前提是獲得各生產(chǎn)工藝物料屬性、工藝參數(shù)和工藝評價指標(biāo)之間的定量關(guān)系[8]。

2辨識關(guān)鍵物料屬性和關(guān)鍵工藝參數(shù)

中藥生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵物料，既包括飲片和輔料等，也包括重要生產(chǎn)單元處理的物料，如提取液和濃縮液等。關(guān)鍵物料屬性是指顯著影響下游工藝品質(zhì)或成品質(zhì)量的物料物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)等。常見的關(guān)鍵物料屬性如醇沉前濃縮液密度、色譜上樣液有效成分含量等。關(guān)鍵物料屬性有時能通過上游工藝控制，有時則不能。以醇沉前濃縮液為例，上游濃縮工藝可以控制濃縮液水含量或密度，卻往往無法改變特定活性成分占總固體百分含量。對于上游工藝無法控制的關(guān)鍵物料屬性，在法規(guī)允許的范圍內(nèi)，可以考慮采用調(diào)配的方法[911]。在固定工藝生產(chǎn)條件下，分析物料性質(zhì)變化時工藝評價指標(biāo)的變化情況，即可辨識出關(guān)鍵物料屬性[1213]。

辨識關(guān)鍵工藝參數(shù)時可以采用風(fēng)險分析、統(tǒng)計分析和機制推斷等方法。

綜合生產(chǎn)經(jīng)驗和現(xiàn)有知識，靈活運用風(fēng)險分析方法即可辨識關(guān)鍵工藝參數(shù)。魚刺圖可用于找到潛在關(guān)鍵工藝參數(shù)。失效模式與效應(yīng)分析能綜合考慮工藝參數(shù)異常發(fā)生的危害程度、發(fā)生的可能性以及可檢測性，量化獲得各工藝參數(shù)的RPN，從而確定關(guān)鍵工藝參數(shù)。目前該法已經(jīng)用于辨識丹參醇沉工藝[14]、三七提取工藝[1516]、三七色譜工藝[17]的關(guān)鍵工藝參數(shù)。

可用于辨識關(guān)鍵工藝參數(shù)的統(tǒng)計分析方法較多，主要有多元線性回歸和標(biāo)準(zhǔn)偏回歸系數(shù)等基于多元線性模型的方法。丹參醇沉工藝[1819]和三七水沉工藝[20]的關(guān)鍵參數(shù)辨識中采用了多元線性回歸法，丹紅注射液醇沉工藝[21]和黨參醇沉工藝[22]關(guān)鍵參數(shù)辨識采用了標(biāo)準(zhǔn)偏回歸系數(shù)法。劉爽悅等比較了上述2種方法和逐步回歸法，認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)偏回歸系數(shù)法能綜合工藝參數(shù)對多個指標(biāo)的影響且易于加權(quán)計算，優(yōu)于其他2種方法；相比多元線性回歸法，逐步回歸法能更`敏地辨識出關(guān)鍵工藝參數(shù)[23]。嚴(yán)斌俊等以近紅外光譜的主成分作為因變量辨識丹紅注射液醇沉工藝關(guān)鍵參數(shù)，可以免去濃度測定步驟[24]。仲懌等辨識五味子醇沉關(guān)鍵工藝參數(shù)時采用了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析法[25]。崔雅華等采用文獻知識組織的方法辨識丹參醇提工藝關(guān)鍵參數(shù)[26]。

機制推斷法是根據(jù)過程機制來推斷關(guān)鍵工藝參數(shù)的方法。葡萄糖、果糖、蔗糖等糖類的溶解度數(shù)據(jù)提示醇沉工藝中加醇和冷藏都能使糖類溶解度下降[2729]。考慮到糖類往往是中草藥水提液的主要成分，所以推斷冷藏溫度是醇沉關(guān)鍵工藝參數(shù)，影響上清液溶劑中乙醇含量的乙醇用量、濃縮液水含量和乙醇濃度等工藝參數(shù)也是醇沉關(guān)鍵工藝參數(shù)。該推斷結(jié)果得到了丹紅醇沉和丹參醇沉等工藝關(guān)鍵參數(shù)辨識結(jié)果的證實[19，21，30]。

如果同時采集了物料屬性、工藝參數(shù)和工藝評價指標(biāo)等數(shù)據(jù)，那么也可以通過逐步回歸等方法同時辨識關(guān)鍵物料屬性和關(guān)鍵工藝參數(shù)。俞翔等采用逐步回歸法研究了丹參醇沉中濃縮液密度、濃縮液用量和乙醇用量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)濃縮液密度及其中丹酚酸A含量是關(guān)鍵物料屬性，乙醇用量是關(guān)鍵工藝參數(shù)[31]。

龔行楚等：基于質(zhì)量源于設(shè)計理念的中成藥二次開發(fā)研究進展3建立關(guān)鍵工藝單元數(shù)學(xué)模型

建立關(guān)鍵工藝單元數(shù)學(xué)模型的本質(zhì)是用數(shù)學(xué)關(guān)系式描述物料屬性、工藝參數(shù)和工藝評價指標(biāo)之間的定量關(guān)系。準(zhǔn)確可靠的模型是建立生產(chǎn)工藝設(shè)計空間，實施前饋和反饋等高級控制的基礎(chǔ)。中藥制藥工藝建模方法很多，可以采用統(tǒng)計建模、半機制建模和機制建模等方法。

統(tǒng)計模型是目前研究中使用最多的模型，經(jīng)常和中心復(fù)合設(shè)計或BoxBehnken設(shè)計等實驗設(shè)計方法結(jié)合使用，其優(yōu)點是能在過程機制不清晰的情況下建立定量模型。統(tǒng)計模型中使用最多的是多項式模型，尤其是二階多項式模型。二階多項式模型能體現(xiàn)工藝參數(shù)的線性作用、非線性作用和交互作用，而且模型建立和結(jié)果分析都可利用Design Expert或Minitab等統(tǒng)計軟件快速完成。冠心寧注射液醇沉工藝[32]、穿心蓮內(nèi)酯固體脂質(zhì)納米粒制備工藝[33]、三七脫色工藝[34]等均采用了二階多項式模型建模。除多項式模型外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等其他模型也有應(yīng)用[25，35]。

半機制建模往往采用多種假設(shè)對過程機制進行簡化，所以模型形式一般較為簡單，模型參數(shù)往往也具有明確物理意義。蔣程等采用YoonNelson方程擬合了三七色譜工藝的皂苷穿透曲線[36]。龔行楚等采用指數(shù)型方程模擬醇沉上清液中總糖和總固體的含量[37]。

機制建模是根據(jù)中藥制藥工藝中涉及的化學(xué)反應(yīng)、傳遞現(xiàn)象和平衡規(guī)律等建立模型，所涉及的模型參數(shù)一般是分子的物化性質(zhì)參數(shù)，如擴散系數(shù)、溶解度、反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)以及其他各種平衡常數(shù)等。目前中藥成分的物化參數(shù)十分缺乏，所以一般需要擬合獲得。Lau等以固液相間傳質(zhì)為決速步建立了丹參和葛根提取工藝的動力學(xué)模型，并提出考慮藥材品質(zhì)和價格的混批調(diào)配方法[38]。Lau等又進一步考慮成分降解和藥材混煎的影響完善了提取動力學(xué)模型[39]。許永興等采用普通速率動力學(xué)模型模擬了葛根素和大豆苷元的樹脂色譜分離過程，模型計算值和實測值符合良好，可用于優(yōu)化色譜分離條件[40]。Chen等比較了多種等溫吸附線對平衡擴散模型預(yù)測精度的影響，發(fā)現(xiàn)biLangmuir形式的等溫吸附線效果最優(yōu)[41]。龔行楚等考慮溶解平衡和解離平衡建立了丹參注射液堿沉工藝[42]和冠心寧注射液醇沉工藝[37]中上清液酚酸類成分含量的機制模型，但酚酸pKa和酚酸鹽溶解度仍由擬合獲得。黃世超考慮丹參酚酸類成分的降解反應(yīng)，建立了丹參水提工藝的機制模型[43]。

建立工藝單元數(shù)學(xué)模型是理解生產(chǎn)過程必不可少的環(huán)節(jié)，也是提高藥品質(zhì)量批次一致性的技術(shù)核心?；瘜W(xué)藥成分單一，對其生產(chǎn)過程開展機制建模相對困難較少。而中藥化學(xué)成分復(fù)雜，統(tǒng)計建模是現(xiàn)階段比較合適的方法。隨著對各工藝單元的深入研究，半機制模型和機制模型將發(fā)揮更大的作用。

4構(gòu)建設(shè)計空間

設(shè)計空間是能保證工藝品質(zhì)的關(guān)鍵物料屬性和工藝參數(shù)的范圍組合。在設(shè)計空間范圍內(nèi)的工藝參數(shù)變化不影響藥品質(zhì)量。設(shè)計空間的意義在于增加工藝參數(shù)設(shè)置的靈活性，減少不必要的監(jiān)管。設(shè)計空間可以根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗獲得，也可以根據(jù)實驗或者計算獲得。計算獲得設(shè)計空間的前提是工藝建模準(zhǔn)確可靠，目前主要的方法為疊加法（overlapping）和概率法。

疊加法先計算符合各工藝評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)范圍，然后求這些范圍的交集得到設(shè)計空間。張磊等[14]、陳滕等[34]、等[44]和羅贛等[45]分別采用該法獲得了丹參醇沉工藝、三七提取物色譜脫色工藝、荷葉醇提工藝、丹參醇提工藝的設(shè)計空間。疊加法的優(yōu)點在于方法簡單，可以用Design Expert等軟件完成。Rozet等重新解釋了設(shè)計空間的概念，認(rèn)為應(yīng)該采用概率表示設(shè)計空間內(nèi)參數(shù)組合能使工藝品質(zhì)達(dá)標(biāo)的可靠程度[46]。基于達(dá)標(biāo)概率的設(shè)計空間計算方法有多種。龔行楚等提出了考慮測量誤差的蒙特卡洛法，并以丹紅提取工藝為例優(yōu)化了計算條件[47]。該法也被用于計算丹紅醇沉工藝[6]、黨參醇沉工藝[22]、三七提取工藝[1516]和三七水沉工藝[20]的概率設(shè)計空間。陳滕等以三七色譜工藝為例，優(yōu)化了考慮預(yù)測誤差的蒙特卡洛法的計算條件[48]。黃世超以丹參提取工藝為例，優(yōu)化了考慮工藝參數(shù)擾動的蒙特卡洛法的計算條件[43]。除此之外，貝葉斯法也可以用來計算概率設(shè)計空間[4951]。陳滕比較了疊加法和概率法所得設(shè)計空間的差別，認(rèn)為疊加法的不足在于設(shè)計空間邊緣的工藝參數(shù)組合能保證所有工藝評價指標(biāo)均達(dá)標(biāo)的可靠程度偏低[7]。

部分關(guān)鍵工藝參數(shù)在實際生產(chǎn)中控制難度較大，或者成本很高，此時可以考慮將其作為一個噪聲因素處理，通過優(yōu)選其他易控關(guān)鍵工藝參數(shù)的范圍，降低難控關(guān)鍵參數(shù)波動對中藥生產(chǎn)工藝品質(zhì)的影響[6]。龔行楚等以丹紅注射液醇沉工藝為例對該法進行了闡釋[6]，此時構(gòu)建設(shè)計空間的主要工作在于優(yōu)選易控關(guān)鍵工藝參數(shù)的范圍。

5實施生產(chǎn)控制策略及不斷改進

設(shè)計空間給出了工藝參數(shù)的操作范圍，但是大多數(shù)時候設(shè)計空間往往并不規(guī)則。為操作方便，一個方法是計算得到由多個工藝參數(shù)范圍組成的多維矩形操作空間[14]。Castagnoli等指出，可以在設(shè)計空間內(nèi)構(gòu)建多個操作空間，也可以采用電子表單的方法方便實際操作[52]。

嚴(yán)斌俊等提出中藥生產(chǎn)工藝的前饋控制方法，并將其用于丹參和丹紅的醇沉工藝品質(zhì)控制[8，53]。該法的基本思想是根據(jù)關(guān)鍵物料屬性調(diào)整工藝參數(shù)，充分發(fā)揮生產(chǎn)工藝的調(diào)節(jié)能力，減少物料屬性波動對成品品質(zhì)的影響。

監(jiān)控生產(chǎn)過程狀態(tài)是保證工藝品質(zhì)的基礎(chǔ)。過程軌跡是目前監(jiān)控中藥生產(chǎn)過程較為先進的方法[5457]。建立過程軌跡常用的統(tǒng)計量包括主成分得分、Hotelling T2和DModX等[56]。建立過程軌跡可利用生產(chǎn)中常用的檢測儀表，如pH計和流量計等，還可以利用在線光譜分析儀等新型檢測設(shè)備，如應(yīng)用較多的近紅外光譜儀和紫外光譜儀等。

各種控制策略用于中成藥生產(chǎn)后，仍需定期進行風(fēng)險分析，不僅從“人機料法環(huán)”等多個方面明確藥品質(zhì)量風(fēng)險并進行相應(yīng)改進，也要根據(jù)中藥臨床效果和制藥水平不斷提升中藥標(biāo)準(zhǔn)，最終實現(xiàn)中藥質(zhì)量穩(wěn)中有升和中藥生產(chǎn)綠色高效。

6建立分析方法

QbD理念能用于指導(dǎo)建立穩(wěn)健的中藥生產(chǎn)中間體和成品質(zhì)量分析方法。建立中藥生產(chǎn)中間體的分析方法是優(yōu)化中藥生產(chǎn)工藝參數(shù)和建立工藝在線檢測方法的前提條件，建立成品質(zhì)量分析方法是中成藥放行的前提條件。以QbD理念指導(dǎo)建立分析方法的步驟包括：明確分析目標(biāo)，確定分析質(zhì)量評價指標(biāo)，辨識關(guān)鍵分析參數(shù)，建立關(guān)鍵分析參數(shù)與分析質(zhì)量評價指標(biāo)之間的定量關(guān)系，構(gòu)建分析參數(shù)設(shè)計空間，以及分析方法驗證[58]?？梢钥闯鯭bD理念指導(dǎo)的分析方法建立流程和工藝參數(shù)優(yōu)化流程類似。

明確分析目標(biāo)主要包括以下3個方面[58]：第一，明確分析對象，比如檢測的是特定活性成分或是雜質(zhì)成分；第二，明確分析手段，比如采用HPLCUV、HPLCMS、滴定或者其他方法；第三，確定分析目的，比如是定量檢測還是定性檢測等。分析質(zhì)量的評價指標(biāo)有很多，對于色譜分析，主要包括色譜峰的分離度、定量限、信噪比和分析r間等[59]。對于不同分析方法的關(guān)鍵分析參數(shù)不同，以液相色譜分析為例，可能包括：樣品前處理方法、色譜柱類型、柱溫、流速、流動相組成、流動相酸度、梯度構(gòu)成等。建立關(guān)鍵分析參數(shù)與分析質(zhì)量評價指標(biāo)之間定量模型時采用實驗設(shè)計方法，可以采用二階多項式模型，也可以采用高階多項式模型[60 61]。計算分析方法設(shè)計空間時同樣可以采用重疊法和概率法。

王璐以固相萃取高效液相色V紫外串聯(lián)蒸發(fā)光散射檢測法建立參芪扶正注射液的分析方法時，采用風(fēng)險評估獲得樣品前處理、色譜分離及分析檢測過程中的潛在關(guān)鍵分析參數(shù)，然后進一步用PlackettBurman設(shè)計確定關(guān)鍵分析參數(shù)，再以BoxBehnken 設(shè)計建立數(shù)學(xué)模型，最后以考慮測量誤差的蒙特卡洛法計算分析參數(shù)設(shè)計空間并驗證，能夠同時定量分析參芪扶正注射液中9種主要化學(xué)成分[62]。王璐也以類似思路建立了復(fù)方苦參注射液的實時直接分析質(zhì)譜檢測方法，能夠測定其中5種生物堿類成分，分析重復(fù)性和耐用性都得到顯著提高[63]。龔行楚等以流動相梯度為關(guān)鍵分析參數(shù)優(yōu)化了三七提取液中5種皂苷分析條件[64]。Dai等在建立黃連中生物堿成分的液相分析方法時，篩選出流動相溶劑組成、十二烷基磺酸鈉濃度和磷酸二氫鉀濃度為關(guān)鍵分析參數(shù)，并且采用貝葉斯法計算獲得了分析參數(shù)的設(shè)計空間[65]。Dai等在建立三七中皂苷類成分的液相分析方法時，引入了“過程性能指數(shù)”來考察分析參數(shù)設(shè)計空間的可靠性[66]。

由于中藥體系復(fù)雜，而需要同時定量的成分往往有多個，所以建立中藥體系色譜分析方法往往需要優(yōu)化多個梯度。對于每一個梯度，都存在起始流動相組成、流動相組成變化速率和梯度持續(xù)時間等至少2個變量。所以梯度的增加會使需要優(yōu)化的參數(shù)數(shù)量快速增加。此時可以考慮采用單因素實驗先確定部分因素，再重點針對其他因素進行優(yōu)化。

7結(jié)論及展望

QbD理念是當(dāng)前國際藥品質(zhì)控先進理念，應(yīng)用其基本思想有利于提升中藥制藥技術(shù)水平。在中成藥二次開發(fā)中實施QbD理念的主要步驟包括：確定關(guān)鍵工藝及其評價指標(biāo)，辨識關(guān)鍵工藝參數(shù)和關(guān)鍵物料屬性，建立關(guān)鍵工藝單元數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建設(shè)計空間，實施控制策略并不斷改進。QbD理念也能用于指導(dǎo)建立中成藥和中間體的分析方法。今后，QbD理念指導(dǎo)下的中藥制藥工藝研究可在以下幾個方向上開展。

第一，將QbD理念用于中藥新藥和中藥配方顆粒研發(fā)。目前QbD理念多用于指導(dǎo)中藥大品種改造，未能完全體現(xiàn)出“質(zhì)量源于設(shè)計”的效果。若能在QbD理念指導(dǎo)下研制中藥新藥和中藥配方顆粒，必能增加中藥科技含量，鞏固我國在中藥領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢。

第二，從中藥工藝機制方面更深入地探討原料性質(zhì)、工藝參數(shù)與產(chǎn)品質(zhì)量間的關(guān)系，建立科學(xué)的生產(chǎn)過程質(zhì)量控制方法，減少藥材質(zhì)量波動帶來的影響。

第三，發(fā)展基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制策略。隨著數(shù)據(jù)庫技術(shù)在中藥企業(yè)中廣泛應(yīng)用，工業(yè)大數(shù)據(jù)分析必將為增加過程理解提供新路，因此急需發(fā)展基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的中藥質(zhì)控策略，以進一步提升中藥制藥技術(shù)水平。

第四，加強中藥工藝放大規(guī)律研究。目前QbD理念指導(dǎo)下的中藥工藝研究往往基于小試結(jié)果，但小試和大生產(chǎn)之間可能存在明顯放大效應(yīng)，唯有加強工藝放大規(guī)律研究，才能真正指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)。

第五，發(fā)展新型中藥制藥設(shè)備。中藥制藥過程質(zhì)控水平的提升必然體現(xiàn)于制藥設(shè)備的進步。依靠現(xiàn)有制藥設(shè)備往往難以施行制藥工藝的高級質(zhì)控策略，因此必須發(fā)展新型高效的中藥制藥設(shè)備。

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篇6

關(guān)鍵詞 微重力科學(xué)，基礎(chǔ)物理，流體物理，燃燒學(xué)，材料科學(xué)，生物技術(shù)

Abstract In recent years fundamental physics in a microgravity environment has attracted much attention from theoreticians in the international community， and has been given the name of fundamental physics in space. Furthermore， microgravity science has gradually become known as physics in space amongst the space agencies of the chief space countries. However， physics in space has not changed the contents of microgravity science. As the International Space Station nears completion， its member countries are working hard to schedule the microgravity science missions， and important results should be obtained before 2016. On the other hand， plans for space tests on the theories of gravity and general relativity on board special satellites are under way. After the GP-B satellite experiment by NASA， the LISA program for space measurement of gravitational waves aroused broad interest. Physics in space will certainly make great strides in both promoting important scientific achievements and in developing high technology for applications.

Keywords microgravity science， fundamental physics， fluid physics， combustion， materials sciences， biotechnology

1 引言

當(dāng)一個空間飛行器環(huán)繞地球以第一宇宙速度自主飛行時，我們可以選擇一個(局部)慣性參考系，其原點位于空間飛行器的質(zhì)心位置.如果不考慮大氣阻力?光輻射壓力?質(zhì)心偏離引起的各種擾動力，則空間飛行器中物體受到的地球引力與運動離心力抵消，物體處于“失重”狀態(tài)，或者說物體處于微重力水平中.所謂“微重力”是指該處的有效重力水平為地球表面重力水平的10-6.在實際的繞地球飛行器中，有效重力水平與頻率相關(guān)，低頻時達(dá)到10-3，高頻時優(yōu)于10-6.除了地面的落塔?拋物線飛行的失重飛機和可達(dá)十幾分鐘的微重力火箭外，用于微重力實驗的空間飛行器有返回式衛(wèi)星和不返回衛(wèi)星?載人飛船?航天飛機和空間站.各種載人空間飛行器不可避免人的干擾，飛行器中的有效重力很難達(dá)到微重力水平;而驗證引力理論的高分辨率空間實驗需要非常低的飛 (femto，亳微微)重力至阿(atto，微微微)重力環(huán)境，一般需要發(fā)射專門的基礎(chǔ)物理衛(wèi)星.

隨著載人空間活動的發(fā)展，人們需要進一步認(rèn)識微重力環(huán)境中的物質(zhì)運動規(guī)律，從而發(fā)展了微小重力這種極端環(huán)境下的學(xué)術(shù)領(lǐng)域——微重力科學(xué).在微重力環(huán)境中，地球重力的影響極大地減弱，控制地面過程的浮力對流?沉淀和分層以及由重力引起的靜壓梯度都極大地降低，表面張力和潤濕等作用變得突出.從上世紀(jì)七八十年代以來，微重力科學(xué)主要研究微重力流體物理?微重力燃燒?空間材料科學(xué)和空間生物技術(shù).近十余年來，微重力條件提供的高精度物理環(huán)境吸引了一批理論物理學(xué)家，他們希望利用空間的微重力環(huán)境能更好地檢驗廣義相對論和引力理論以及低溫原子物理和低溫凝聚態(tài)物理的許多基礎(chǔ)物理前沿問題.這樣就形成了微重力科學(xué)的一個新領(lǐng)域——空間基礎(chǔ)物理.近來，人們常常把這些微重力科學(xué)的領(lǐng)域統(tǒng)稱為空間的物理學(xué)，它是利用微重力環(huán)境來研究物理學(xué)規(guī)律，以區(qū)別于在地面重力環(huán)境中的物理學(xué).要指出的是，中文的 “空間的物理學(xué)”和 “空間物理”是兩個不同的概念，后者主要研究太陽系等離子體的運動規(guī)律和行星科學(xué)，而不涉及基礎(chǔ)物理的前沿問題.

2 空間基礎(chǔ)物理

2.1 廣義相對論驗證和引力理論[1]

引力質(zhì)量mg和慣性質(zhì)量mi相等的(弱)等效原理是廣義相對論愛因斯坦強等效原理假設(shè)的基礎(chǔ)[12].有文獻記載的弱等效原理驗證始于牛頓的擺實驗，Eotvos的扭稱實驗更為精確;現(xiàn)代的月-地激光測距實驗則檢驗了強等效原理[12].到目前為止[12]，弱等效原理的實驗精度η=2∣mg-mi∣/(mg+mi)已達(dá)10-13，在地基實驗中已再難提高.現(xiàn)在的一些引力理論認(rèn)為，將測量精度提高到10-15以上有可能揭示廣義相對論的問題，具有很大的學(xué)術(shù)價值，這只能在空間微重力條件下才能實現(xiàn)[2].國際上蘊釀多年的“等效原理的衛(wèi)星檢驗”(STEP)計劃，試圖將弱等效原理的實驗精度提高到10-18.STEP計劃一直沒有獲得美國的立項經(jīng)費支持，現(xiàn)在的立項經(jīng)費就更加困難了.目前歐洲一些國家正在爭取安排Mini STEP計劃，其實驗精度為10-15;法國的小型衛(wèi)星(MicroScope)計劃于2010年發(fā)射，擬在10-15精度上檢驗弱等效原理[13].引力探測-乙(Gravity Probe-B， GP-B)計劃是美國空間局主持的計劃，由美國斯坦福大學(xué)GP-B小組負(fù)責(zé).該計劃的主要任務(wù)是驗證廣義相對論的空間彎曲和拖曳效應(yīng)，即驗證時間和空間因地球大質(zhì)量物體存在而彎曲(測地效應(yīng))，和大質(zhì)量物體的旋轉(zhuǎn)拖動周圍時空結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲(慣性系拖曳效應(yīng)).用4個旋轉(zhuǎn)球體作為陀螺儀，地球引力拖曳會影響球體的轉(zhuǎn)軸.用飛馬星座中的一顆恒星校準(zhǔn)陀螺自旋軸的方向，用望遠(yuǎn)鏡測量“測地效應(yīng)”.通過球體轉(zhuǎn)軸進動0.000011度，探測“慣性系拖曳效應(yīng)”.GP-B衛(wèi)星于2004年4月發(fā)射，2005年9月終止數(shù)據(jù)采集.原預(yù)計2006年夏公布結(jié)果，但是，由于電場等因素影響了球體的方位，仍需對其他影響進行研究.現(xiàn)正在加緊分析真正有效的時空信號數(shù)據(jù)，并盡快宣布觀測結(jié)論.初步結(jié)果顯示，較顯著的‘測地效應(yīng)’從數(shù)據(jù)中完全可見，正在完全證實廣義相對論的道路上前進;剛剛看到 “慣性系拖曳效應(yīng)”的端倪.實驗結(jié)果似乎驗證了廣義相對論的理論，人們正在期待著最后宣布的科學(xué)結(jié)果[3].

引力波是廣義相對論理論預(yù)言的現(xiàn)象，40年前聲稱在地面測量到高頻引力波，激起引力探測的熱潮.低頻引力波只能在空間探測.歐洲空間局和美國空間局聯(lián)合推進空間探測引力波的“激光干涉全球天線”(LISA)計劃，它的探測源是108太陽質(zhì)量的黑洞，相應(yīng)的頻率是10-3—10-1Hz.LISA計劃由相距500萬公里等邊近三角形的三顆衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)星分別有2個懸浮的試驗質(zhì)量，位于激光器平臺的前端.引力波傳到衛(wèi)星環(huán)境中，將引起試驗質(zhì)量微小的位移，通過激光干涉方法測量小于納米量級的位移，推演出引力波的存在.為了驗證LISA計劃的關(guān)鍵技術(shù)，將于2010年發(fā)射LISA Pathfinder衛(wèi)星，而LISA計劃預(yù)計在2019年以后發(fā)射.引力波探測的成功不僅可以驗證廣義相對論理論的預(yù)言，還將開辟引力波天文學(xué)，具有極大的重要性.歐洲空間局將LISA計劃列為中?遠(yuǎn)期的首選項目，美國空間局“超越愛因斯坦”計劃兩大衛(wèi)星之一的“大爆炸觀測臺”衛(wèi)星也是探討測量中頻(0.1—1.0Hz)引力波.空間引力波探測的學(xué)術(shù)重要性由此可見一斑.

我國空間科學(xué)的發(fā)展需要研討引力理論，研究衛(wèi)星實驗的方案，大家正在集思廣益.中國科學(xué)院理論物理研究所張元仲及其他專家聯(lián)合提出TEPO計劃，建議在10-16精度內(nèi)驗證弱等效原理和在10-14精度內(nèi)驗證新型的二維等效原理;華中科技大學(xué)羅俊等人提出TISS計劃，希望利用高精度空間靜電懸浮加速度計將檢驗牛頓引力的反比定律精度提高3個數(shù)量級.中國科學(xué)院紫金山天文臺倪維斗的計劃是希望探測低頻(5×10-6 — 5×10-3Hz)引力波;中國科學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所劉潤球則關(guān)注空間的中頻(10-2 — 100Hz)引力波探測.這些方案都還在蘊釀過程中.

2.2 空間冷原子物理和原子鐘研究

激光冷卻和玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)曾分別于1997年和2001年獲得諾貝爾物理學(xué)獎，它們是當(dāng)代物理學(xué)最活躍的前沿領(lǐng)域之一.BEC有時也稱為物質(zhì)的第五態(tài)，它是1925年愛因斯坦預(yù)言的物質(zhì)狀態(tài)，即當(dāng)氣體溫度低于其極限溫度時，所有冷原子都聚集在最低量子能態(tài)上，表現(xiàn)出玻色子的特證.作為一種新的物質(zhì)狀態(tài)，它包含著許多新的基本物理規(guī)律，等待人們?nèi)ヌ剿?，諸如物質(zhì)波及其相干性?低溫極限(10-15 K)?量子相變等.另一方面，它蘊育著許多重大的應(yīng)用前景，諸如原子激光?高精度時標(biāo)等.微重力環(huán)境可以更好地降低氣體的溫度，改進譜線的寬度和穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的信噪比，從而為研究提供更好的條件.歐洲空間局的空間BEC研究也正在安排當(dāng)中.

作為該領(lǐng)域的一個重要應(yīng)用項目，空間冷氣體原子鐘的研制受到重視.地面通過激光冷卻和冷原子噴泉效應(yīng)，可以使冷氣體原子鐘的精度達(dá)到10-16.而在微重力環(huán)境中，則可以使冷氣體原子鐘的精度提高一個數(shù)量級，從而在軍事和民用上產(chǎn)生極大的價值.歐洲空間局和美國國家航空和空間署都將空間冷原子鐘研究作為國際空間站的重要研究項目.

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所王育竹在地基的BEC研究中取得很好的成果[4]，正在準(zhǔn)備研制空間的超高精度冷原子微波鐘，精度可達(dá)10-17;華東師范大學(xué)馬龍生提出進行空間高精度光鐘研究的建議，精度可達(dá)10-18.

2.3 低溫凝聚態(tài)物理

凝聚態(tài)物質(zhì)在極低溫條件下會表現(xiàn)出許多特異的性質(zhì)，成為物理學(xué)的新熱點.微重力條件可以實現(xiàn)極小的靜壓梯度，可以提供更高精度的物理學(xué)實驗條件，從而在更高精度下驗證理論和揭示新的規(guī)律.美國噴氣推進實驗室在航天飛機上完成了液氦在臨界溫度附近(納度的精度內(nèi))的比熱奇異性實驗，初步驗證了二階相變的重整化群理論[1].科學(xué)家們提出了一批空間實驗課題，諸如超流氦相變動力學(xué)，連續(xù)相變的普適性，氣-液臨界點的尺度規(guī)律，約束于不同幾何形狀和尺度的液氦性質(zhì)，相圖特殊點附近氦混合物的性質(zhì)，約束和邊界效應(yīng)，非平衡相變，分形結(jié)構(gòu)和圖樣形式，臨界現(xiàn)象，超流體的流體動力學(xué)，量子固體等.這些課題大都需要超低溫條件，因而需要空間大型制冷設(shè)備，耗資巨大.美國已暫停這方面的研究，中國在短期內(nèi)還難于安排相關(guān)的空間實驗條件.

3 微重力流體物理

微重力流體物理是微重力科學(xué)的重要領(lǐng)域，它是微重力應(yīng)用和工程的基礎(chǔ)，人類空間探索過程中的許多難題的解決需要借助于流體物理的研究.在基礎(chǔ)研究方面，微重力環(huán)境為研究新力學(xué)體系內(nèi)的運動規(guī)律提供了極好的條件，諸如非浮力的自然對流，多尺度的耦合過程，表面力驅(qū)動的流動，失重條件下的多相流和沸騰傳熱，以及復(fù)雜流體力學(xué)等.可以引入靜Bond數(shù)Bo=ρgl2/σ或動Bond數(shù)Bd=ρg l2 /(∣σ′T∣ ΔT)來分析重力作用和表向張力作用的相對重要性，其中 ρ，σ， g， l 分別是流體密度?界面的表面張力?有效重力加速度和特證尺度，∣σ′T∣和ΔT分別是表面張力梯度和特征溫差.Bond數(shù)小于1時，表面張力的作用會大于重力的作用，這要求小的尺度?或小的重力加速度?或小的密度差，對應(yīng)于小尺度過程?微重力過程?或中性懸浮過程[5].

3.1 簡單流體的對流和傳熱

具有界面的流體體系普遍存在于自然科學(xué)和工程應(yīng)用中.研究熱毛細(xì)對流的規(guī)律，對于空間材料加工?生物技術(shù)?燃燒等過程中熱毛細(xì)對流控制都有重要意義，并對地面電子裝置的熱控制，食品加工過程，化學(xué)工程微電子機械系統(tǒng)(MEMS)，薄膜等小尺度的流動問題也有指導(dǎo)作用.微重力環(huán)境中流體的晃動?流體的運動與固體結(jié)構(gòu)的相互耦合是航天工程中經(jīng)常遇到的問題.對微重力環(huán)境中簡單流體的傳熱和傳質(zhì)過程，人們主要研究毛細(xì)系統(tǒng)中臨界現(xiàn)象和浸潤現(xiàn)象，熱毛細(xì)對流的轉(zhuǎn)捩過程和振蕩機理，液滴熱毛細(xì)遷移及相互作用規(guī)律等方面.流體管理研究也是微重力工程中的重要課題.

3.2 多相流的傳質(zhì)和傳熱

微重力氣/液兩相流動與傳熱研究的主要對象包括兩相流動的流型?沸騰與冷凝傳熱?混合與分離等現(xiàn)象，對我國載人航天技術(shù)(如航天器熱與流體管理系統(tǒng)?空間站與深空探測器等大型航天器動力系統(tǒng)?載人航天器環(huán)控生保系統(tǒng)以及空間材料制備與空間生物技術(shù)實驗等)的發(fā)展有直接的應(yīng)用價值.在微重力環(huán)境中，重力作用被極大地抑制甚至完全消除，更能凸顯氣?液?固相間的傳遞機制，便于更深刻地揭示其流動與傳熱機理.借助于微重力氣液兩相流動與傳熱的深入研究，對我國實現(xiàn)能源戰(zhàn)略需求和地面常重力環(huán)境中的石油?化工?制造等相關(guān)技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用也有重要指導(dǎo)意義.3.3 復(fù)雜流體

復(fù)雜流體是一種分散體系，它指的是具有一種或幾種分散相的物質(zhì)體系，也有人稱之為軟物質(zhì).在重力條件下，復(fù)雜流體的許多行為特征會受對流?沉降?分層等干擾，而微重力條件則有助于研究在地面上被重力作用所掩蓋的過程，特別是分子間的相互作用力.微重力復(fù)雜流體研究包括:膠體的聚集和相變研究;懸浮液和乳狀液的穩(wěn)定性研究;復(fù)雜等離子體的結(jié)晶研究;氣溶膠的穩(wěn)定性和聚集行為研究;對顆粒體系本征運動行為的研究;臨界點現(xiàn)象的研究;以及材料制備?石油開采和生物流體的相關(guān)問題研究.隨著人類深空探測活動的展開，對不同重力場中分散體系物質(zhì)的操作與輸運的要求，以及對其運動規(guī)律認(rèn)知的需求十分迫切.空間科學(xué)實驗不僅能夠使我們獲得新的科學(xué)知識，而且其科學(xué)成果對于地面材料及器件制備工藝的創(chuàng)新具有重要指導(dǎo)意義.對復(fù)雜流動現(xiàn)象的研究在材料設(shè)計中起到了切實的作用，如對復(fù)雜流體自組織現(xiàn)象的研究成果已經(jīng)應(yīng)用于納米結(jié)構(gòu)材料和器件的研制.近年來，復(fù)雜流體(軟物質(zhì))的力學(xué)和物理學(xué)，接觸角?接觸線和浸潤現(xiàn)象等與物理化學(xué)密切相關(guān)的領(lǐng)域也越來越受到關(guān)注[6].

3.4 近期的空間實驗

隨著國際空間站的逐步安裝，國外微重力空間實驗的項目將逐步進行.目前己經(jīng)納入計劃中的項目有:

毛細(xì)流動:不同形狀?介質(zhì)?浸潤性?流體管理;

熱毛細(xì)對流;

流體的梯度漲落;

Soret 系數(shù)測量;

近臨界和超臨界流體;

蒸發(fā)和冷凝過程:流體的熱管理;

沸騰傳熱;

顆粒材料行為;

膠體和乳劑聚集和穩(wěn)定性;

泡沫穩(wěn)定性.

“十一·五”期間，國家安排了進行空間微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)研究的“實踐-10”衛(wèi)星，將完成10項微重力科學(xué)的空間實驗.這些實驗包括空間熱毛細(xì)對流?具有蒸發(fā)界面的對流?顆粒材料物理?沸騰傳熱?復(fù)雜流體的結(jié)晶等流體物理空間實驗項目.同對，在載人航天工程第二階段中，還要安排半浮區(qū)液橋?多液滴相互作用?復(fù)雜流體穩(wěn)定性?多相流傳熱等空間實驗項目.我國的微重力流體物理已有較好基礎(chǔ)，將會做出較大貢獻.

微重力流體物理所涉及的許多過程與微尺度流動中的過程有許多相似性，引起人們的興趣.以中國科學(xué)院力學(xué)研究所國家微重力實驗室為主的流體物理研究有不少建樹，獲得國際同行的好評.

4 燃燒科學(xué)

燃燒是一門古老的學(xué)科，而地面的燃燒過程都是和浮力對流密切耦合在一起的，給模型化研究增加了難度.微重力條件下基本上沒有浮力對流的影響，為研究燃燒的化學(xué)反應(yīng)過程提供了極好的機遇.1957年，東京大學(xué)Kumagai教授的0.5s落塔實驗研究了乙醇棉球的微重力燃燒過程，開創(chuàng)了微重力燃燒的實驗研究和利用落塔進行微重力實驗的時代.落塔設(shè)施己成為進行微重力燃燒實驗的有力工具.

微重力燃燒涉及了地面燃燒學(xué)的主要領(lǐng)域，美國國家航空和空間署將微重力燃燒作為重要的研究方向，歐洲和日本空間局也十分重視.幾乎地面主要的燃燒過程都進行了空間微重力實驗，諸如預(yù)混氣體燃燒?氣體擴散燃燒?液滴燃燒?顆粒和粉塵燃燒等，并研究了典型氣體環(huán)境中燃料表面的點火和傳播，流動過程與燃燒的耦合等，發(fā)現(xiàn)了一些新現(xiàn)象，例如燃燒的分散球狀分布等.在許多微重力燃燒過程中，除了通常的吹熄極限，還有輻射損失引起的冷熄極限，這只能在微重力環(huán)境中才能觀測到.微重力燃燒的研究除了具有重大的機理意義以外，還在于:利用對燃燒過程的深刻理解，改進地面燃燒過程的效益;利用對燃燒產(chǎn)物的進一步分析，改進地面燃燒產(chǎn)物污染環(huán)境.中國的能源將在較長時間內(nèi)以煤作為主要燃料，應(yīng)加強微重力煤燃燒的研究[7].

載人飛行器的安全防火是微重力燃燒的重大課題，自從阿波羅1號飛船在地面著火，燒死3名宇航員后，美國國家航空和空間署就把防火安全作為載人航天的首要問題.特別是今后的長期載人飛行任務(wù)，使防火任務(wù)更加嚴(yán)重.需要研究典型氣體氛圍下沿固體表面的著火條件?火焰?zhèn)鞑ミ^程和熄火條件;還要研究悶燒的各種條件.除進行相應(yīng)的模擬研究外，還要進行大量的落塔實驗，對逐個上天的非金屬材料和某些金屬材料進行典型氣體環(huán)境下的燃燒實驗.同時，還需要制訂載人飛行器的防火規(guī)范.美國和俄羅斯各自建立了他們的載人航天材料篩選和防火規(guī)范，但載人航天器中的著火事件仍有發(fā)生.因為載人航天器內(nèi)存在著火的條件，問題不可能完全解決.特別是在載人探索火星等長時間飛行任務(wù)中，防火規(guī)范還是一個需要進一步探討和研究的課題[8].

中國科學(xué)院工程熱物理研究所和力學(xué)研究所進行了一些微重力燃燒的研究工作.近年來，清華大學(xué)和華中科技大學(xué)等煤燃燒重點實驗室開始關(guān)注微重力的煤燃燒研究.在“十一·五”期間，非金屬材科燃燒?導(dǎo)線的燒燃?煤的燃燒等項目己列入空間實驗計劃，應(yīng)能取得好的結(jié)果.

5 材料科學(xué)

空間材料科學(xué)曾是微重力科學(xué)中耗資最大的領(lǐng)域，材料科學(xué)各分支領(lǐng)域的學(xué)者都希望在空間微重力環(huán)境中去研究凝固過程的機理和制備高質(zhì)量的材科.空間微重力環(huán)境是制備?研究多元均勻塊體材料的最佳場所，其主要特征就是消除了因重力而產(chǎn)生的沉降?浮力對流和靜壓力梯度.由于浮力減弱，密度分層效應(yīng)的消失，可以使不同密度的介質(zhì)均勻地混合.由于空間微重力環(huán)境中靜壓力梯度幾乎趨于零，因而能提供更加均勻的熱力學(xué)狀態(tài).這種條件更有利于研究物質(zhì)的熱力學(xué)本質(zhì)和流體力學(xué)本質(zhì)，探索?研制新型的材料和發(fā)現(xiàn)材料的新功能.目前空間材料科學(xué)研究的重點是利用空間實驗的成果改進地面材料制備技術(shù)，以及利用空間微重力環(huán)境測量高溫熔體的輸運系數(shù).在國際空間站的歐洲?美國和日本壓力艙中，都有材料研究的專柜.

利用微重力環(huán)境進行材料科學(xué)研究，不僅可以發(fā)展材料科學(xué)理論，還可以發(fā)展新型材料和新型加工工藝.微重力環(huán)境可以制備出一些比地面更好的高品質(zhì)材料，空間材料科學(xué)的進展及空間材料制備的技術(shù)可以改進空間和地面的材料加工，特別是為地面的晶體生長和鑄造技術(shù)提供幫助.空間材料科學(xué)涉及的領(lǐng)域有金屬材料?半導(dǎo)體材料?光學(xué)晶體材料?納米材料和高分子與生物醫(yī)學(xué)材料等[9].

我國空間材料科學(xué)目前面臨相當(dāng)大的困難.克服這些困難，目前一方面可充分利用國際合作(俄羅斯?日本)，另一方面，我們需要面對現(xiàn)實，以地基實驗為主，在加強國際合作的同時，擴大該領(lǐng)域的研究團隊，同時該學(xué)科需要進一步凝煉學(xué)科方向和科學(xué)問題，今后應(yīng)該創(chuàng)造條件開展空間材料科學(xué)研究.我國空間材料科學(xué)在林蘭英先生的倡導(dǎo)和指導(dǎo)下，一批學(xué)者積極參與，取得了重要學(xué)術(shù)成果.“十一·五”期間，我國的SJ-10衛(wèi)星計劃和載人航天工程(第二階段)計劃中都分別安排了多功位材料實驗爐的空間實驗，應(yīng)能做出一批較好結(jié)果.

6 生物技術(shù)

空間生物技術(shù)促進了生物技術(shù)的定量化和模型化研究，促進了新的實驗方法和儀器設(shè)備的發(fā)展，具有重要學(xué)科意義.另一方面，空間生物技術(shù)有很強的應(yīng)用背景，可以改善人類的健康和發(fā)展生物產(chǎn)業(yè)，是空間商業(yè)計劃的新方向.目前，空間生物技術(shù)的主要研究方向是蛋白質(zhì)單晶生長和細(xì)胞/組織的三維培養(yǎng).

晶體衍射法仍然是當(dāng)今研究生物大分子結(jié)構(gòu)和功能的主要方法，獲得高質(zhì)量的大尺寸蛋白質(zhì)單晶就是一項艱難的任務(wù).溶液法生長蛋白質(zhì)晶體受到許多因素的影響，微重力環(huán)境可以更有效地提供擴散為主的輸運環(huán)境以及實現(xiàn)失重條件下的無容器過程和較好的界面控制，使空間的蛋白質(zhì)單晶生長顯示出許多優(yōu)點.各國空間局都安排了大量的空間蛋白質(zhì)單晶生長實驗，而且取得很大進展.但并不是所有空間實驗都取得好結(jié)果，也有不少不成功的實驗.機理研究表明，蛋白質(zhì)晶體生長過程取決于溶質(zhì)的輸運過程和非線性的界面動力學(xué)過程;對于不同的生長條件，可以從實驗和理論上具體分析這兩個過程的作用.由于蛋白質(zhì)晶體生長過程的復(fù)雜性，重力因素只是生長過程中諸多因素之一，機理研究還有待進一步完善.國際上有人認(rèn)為液/液體系較好，也有人認(rèn)為液/氣體系較好.大家都在爭取更多的空間實驗，以取得更多的積累.空間蛋白質(zhì)單晶生長己成為有重要應(yīng)用前景的商業(yè)計劃項目[10].在微重力環(huán)境中實現(xiàn)了三維的細(xì)胞/組織培養(yǎng)，開創(chuàng)了一片新天地.地球表面的重力作用，使細(xì)胞培養(yǎng)器中的附壁效應(yīng)十分顯著，一般都需要外加旋轉(zhuǎn)效應(yīng).旋轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的剪切力作用于被培養(yǎng)的細(xì)胞，將改變其性能，使被培養(yǎng)細(xì)胞或組織的性能發(fā)生較大變化.人們在地面利用三維旋轉(zhuǎn)器來模擬某些微重力效應(yīng)的同時，還進行了大量空間細(xì)胞/組織培養(yǎng)的實驗，包括從細(xì)菌到哺乳動植物廣泛類群的細(xì)胞.空間的生物反應(yīng)器實驗的結(jié)果表明，失重條件下的三維細(xì)胞培養(yǎng)極大地改善了地面細(xì)胞的培養(yǎng)條件，并己獲得了一些很好的成果.隨著空間生物反應(yīng)器實驗工作的進展，空間細(xì)胞/組識培養(yǎng)己經(jīng)顯示出重要的商業(yè)應(yīng)用前景[11].

中國科學(xué)院生物物理研究所是我國從事空間蛋白質(zhì)單晶生長研究的主要單位，動物研究所和力學(xué)研究所在細(xì)胞三維培養(yǎng)方面做了許多研究工作.

目前，國際空間活動正在調(diào)整探索方向，微重力研究遇到經(jīng)費緊缺的困難.今后十余年的基礎(chǔ)物理大型探測集中于LISA計劃，一些中?小型計劃正在考慮之中.國際空間站將于2010年完全建成，歐洲空間局的哥倫布艙和日本的希望艙段己分別與國際空間站主體對接.今后十年將是國際空間站出成果的時期，預(yù)計會完成一大批空間微重力實驗.我國空間科學(xué)規(guī)劃將微重力科學(xué)列為持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域;我國載人航天工程第二步將建空間實驗室，第三步將建空間站.今后15年將是我國微重力科學(xué)發(fā)展的好時期，我們要抓緊機遇，安排好計劃，努力做出好成績.

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