报 告 正 文

(一)    立项依据与研究内容（4000-8000字）

 1. 项目的立项依据（附主要的参考文献目录）

现代药品大多是热敏性药品，即对温度(主要是高温)比较敏感的药品，如脂质体（liposome）、干扰素(interferon)、组织型纤维蛋白溶酶原激活剂(tissue type plasminogen activator)、白细胞介素(interleukin)、生长激素(human growth hormone)等，还有我国的中草药。在生产热敏性药品时，为防止由于温度过高而使药品变性，影响产品的质量，目前广泛应用的技术是真空冷冻干燥技术(freeze-drying，lyophilization)。

冷冻干燥技术是将含水物质在低温下冻结，然后在真空条件下通过对冻干物料加热使冰升华，再除去物料中部分吸附水，得到干制品。用这种方法制造的药品的特征是：结构稳定，生物活性基本不变；药物中的易挥发性成份和受热易变性成份损失很少；呈多孔状，药效好；排除了95-99%的水分，能在室温下长期保存。^[1，2]

同样，冷冻干燥的食品也具有明显的优点：可保持新鲜食品的色、香、味，避免一般干燥方法易产生的营养成分损失和表面硬化现象；提高其复水性和速溶性；食用简单方便；脱水彻底、重量轻、且能在室温下长期保存等。

冷冻干燥被喻为21世纪的食品加工技术，目前国际市场上冻干食品的价格是速冻食品的7-8倍，是热风干燥食品的4-6倍，经济效益十分可观。^[3，4]

然而冷冻干燥也有其缺点和难点：冷冻干燥过程耗时长、耗能多；冷冻干燥过程对冻干药品和食品的质量有着决定性的影响。冷冻干燥过程包括预冷、一次干燥、二次干燥和储存阶段等，都是相当复杂传热传质过程；而且这些过程与药品、食品、赋形剂、低温保护剂的热物性有密切的关系。因此必须弄清楚影响冷冻干燥过程中传热传质的因素，测定有关材料的热物性，才能制定可靠的程序，采用优化的冷冻干燥过程，生产出高质量的药品和食品；并可达到缩短生产时间、节约能耗、降低成本的目的。^[5-8]

参考文献：

[1]. Crommelin,Daan J.A.,Sindelar,Robert D., Pharmaceutical Biotechnology, Harwood Academic Publishers, Amsterdam, Netherlands,1997

[2]. Oetjen,G.W., Freeze-Drying, Wiley-VCH, Weinheim, Germany,1999

[3]. 华泽钊、李云飞、刘宝林，食品冷冻冷藏原理与设备，机械工业出版社，北京，1999

[4]. 中国制冷学会，第七届全国冷冻干燥学术交流会论文集，上海，2002，11

[5]. 刘占杰、华泽钊, 蛋白质药品冷冻干燥过程中变性机理的研究进展, 中国生化药物杂志,2000,5,263-265

[6]. 刘占杰、华泽钊 等,不同保护剂浓度和降温速率对脂质体玻璃化转变温度的影响,低温工程,2000, 6, 1-5;

[7]. 刘占杰、华泽钊、李保国, 脂质体冷冻干燥过程的实验研究, 化工进展, 2000, 19,11,69-72

[8]. Allison S D,Theodore W R．Effects of drying methods and additives on structure and function of Actin．Archives of Biochemistry and Biophysics, 1998,64(3):171~181

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；

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

本项目的特色：

1．运用目前最先进DSC的仪器和技术，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．探索利用快速关闭通往冷阱系统真空阀，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；

3．对影响药品和食品冻干过程及冻干品质量的传热传质因素进行较精细、较基础性的研究分析；

4．密切结合现代药品和食品的研制；

5．结合微胶囊化的研究。

本项目的创新之处：

1．研制低温冷冻干燥显微镜，可望能实时观察样品在冷冻干燥各阶段的表面形态变化，测定塌陷温度和塌陷情况；

2．利用细胞和组织低温保存的经验和启发，探索对现在通用的冻结过程作发展（具体方法尚待探索）；

3．根据上述研究结果，建立反映冻干过程实际特征的数理方程；

4．希望能解决几种国内外尚未见报道的现代药品和食品的冷冻干燥问题。

5. 年度研究计划及预期研究结果

第一年：

1.    研究通过测量样品腔内压力变化求得样品升华界面的温度的方法；并以此法判断干燥过程进行情况；

2.    研制低温冷冻干燥显微镜系统，以研究表面塌陷情况，并已经防止物料表面塌陷的方法；

3.    利用扫描差示量热仪（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。

第二年：

1.    对一些具有重要意义的药品和食品，按新思路，进行实验与理论研究,寻找实现成功的冷冻干燥的方案，以得到优质的冻干产品；并缩短冻干时间，达到提高产量、节省能耗的效果；

2．研究多组份药品和食品冻结与升华过程传热传质方程，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．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。

第三年：

1．探索活体细胞和组织冷冻干燥的可能性及其途径；

2．冻结与升华过程传热传质理论和方程的深入研究；

3．撰写较高质量的论文；

3.  完成与总结。

(二)  研究基础与工作条件

1．研究工作基础

1). 有较长期从事细胞的组织低温保存的经验，在低温保存方面曾经获得部级科技进步奖一等奖和国家自然科学奖四等奖。

2). 已研制了一些专业的试验系统和设备：

低温显微镜系统、程序降温仪、液氮冷冻干燥机、过冷液氮超快速冷却系统等。

3）2002年得到上海市教委重点学科建设项目的资助，购置了近百万元的与冷冻干燥有关的设备。（详见“工作条件”）

4). 已发表的有关论文：

[1]. 李云飞，华泽钊，“质量传递控制下的冻干特性研究”，制冷学报，1997，（3）；23-27

[2]. 李云飞，华泽钊，“食品真空冻干节能技术研究”，低温工程，1997，（4）：

51-56

[3]. 李云飞，华泽钊，“真空冷冻干燥中多孔层结构塌陷与玻璃化的关系”，南京林业大学学报，1997，（2）；202-205；

[4]. 刘宝林、华泽钊，“影响蔗糖玻璃化转变温度若干因素的研究”， 华东工业大学学报，1997,19,3,31-35;

[5]. Li, Y. F., Hua, T. C. (华泽钊), "Effect of processing parameters on production rate of freeze-dried colostrum", Proceedings of the International Conference on Cryogenics and Refrigeration, April 21-24, 1998, p.141-144；

[6]. Liu, B. L., Hua, Z.Z. (华泽钊), "The effect of some factors on the glass transition temperature (Tg') of sucrose solutions", Proceedings of the International Conference on Cryogenics and Refrigeration, April 21-24, 1998, 125-128；

[7]. 晏绍庆、华泽钊、刘宝林，”食品玻璃化保存的研究进展及存在的问题”，低温工程，1999,3, 46-50;

[8]. Hua, T.C.（华泽钊）, Xu，J.J., “Quenching boiling in subcooled liquid nitrogen for solidification of aqueous materials”, Materials Science & Engineering A , 292(2000), 169-172

[9]. Zhang, J., Hua, T.C.（华泽钊）, Chen, R.T., “Experimental measurement and theoretical analyses of the freezing-thawing processes around a probe”, Cryo-Letters 21(2000), 245-254

[10]. Liu, B.L., Hua, T.C. （华泽钊）, and Yan, S. Q., “The Experimental Study on Freezing-fracture of Food-materials”, Cryobiology, 2000,No.4,490

[11]. Liu Zhanjie， Hua Zezhao（华泽钊），”The effect of the optimal freeze-drying cycle on the quality of liposome ”, Millennium international Symposium on Thermal and Fluid Sciences, Xi'an, China, September 18-22,2000;

[11]. 晏绍庆、华泽钊、刘宝林、周培根，”玻璃化保存草莓多酚氧化酶和过氧化酶活性变化的实验研究”，食品科学, 2000 ,21, (1),58-62;

[12]. 晏绍庆、刘宝林、华泽钊、周培根，” 冻结速度对苹果片多酚氧化酶和过氧化酶活性影响的研究 ”，食品工业科技，2000. 21, 2, 8-10;

[13]. 陶乐仁、刘占杰、华泽钊、刘宝林，”苹果冷冻干燥过程的实验研究”，制冷学报，2000, 3, 25-29;

[14]. Yan, S.Q., Hua, T.C.（华泽钊）, Liu, B.L., “ Effects of freezing rate and cold storage condition on the biochemical characteristics of strawberry fruit ”, Cryobiology, 2000,No.6,443

[15]. 刘占杰,华泽钊，陈建明，高申, “药品冷冻干燥过程中的玻璃化作用”, 中国医药工业杂志.2000,8,380-383;

[16]. 刘占杰,华泽钊, “蛋白质药品冷冻干燥过程中变性机理的研究进展”, 中国生化药物杂志,2000,5,263-265;

[17]. 刘占杰,华泽钊，陶乐仁，刘宝林,”不同保护剂浓度和降温速率对脂质体玻璃化转变温度的影响”,低温工程,2000, 6, 1-5;

[18]. 刘占杰,华泽钊,李保国, “脂质体冷冻干燥过程的实验研究”, 化工进展, 2000, 19,11,69-72;

[19]. 刘占杰、肖洪海、苏树强、华泽钊，冷却方式对冻干脂质体药物的粒径和包封率影响的实验研究，工程热物理学报，2002，23（5），599-601；

[20]. 李云飞、华泽钊、傅行军，降温速率对食品材料冻干特性的影响，制冷学报，2002，23（4），10-12

2.   工作条件

A: 已具备一些专业的试验系统和设备：

1）低温显微镜系统

2）程序降温仪

3）液氮冷冻干燥机

4）过冷液氮超快速冷却系统

5）超细颗粒粒度分析仪（我校动力学院颗粒研究所）等。

B: 2002年得到上海市教委的资助，购置一些与冷冻干燥有关的设备和正在研制一些新的实验系统。

已购置的进口设备：

1）.差示扫描量热仪 48万；

美国 PerkinElmer Instruments 公司

Pryis Diamond DSC

2）.低温冷冻干燥机 12万；

美国LABCONCO公司 FreenZone 2.5 升台式冻干机

两级制冷压缩机，冷阱温度达 –84 ⁰C。

3）.全自动小型液氮机 17万；

美国CRYOMECH 公司

LNP10 Liquid Nitrogen Plant

GM 制冷机，35升Dewar

C: 正在研制的实验系统：

1）.超临界二氧化碳快速膨胀制取微胶囊系统(购置+研制)      10万;           

2）.冷冻干燥显微系统                                     8 万；

3）.改进的低温显微系统                                   10万；

4）其他：已购置实验室用实验台、氦气瓶、氮气瓶等          4万。

目前已具备对近代药品与食品冷冻干燥进行深入的的精细研究的基本条件。

D: 已经和复旦大学药学院、解放军第二军医大学药学院等联合进行新药的研制；正和上海市农委等联合进行食品冷冻干燥的研究。

E: 已有4名博士生正在从事药品与食品冷冻干燥的研究。

3.   申请人简历

华泽钊:

1956-1962 清华大学本科；1962-1965清华大学研究生；

1980.12-1983.7 美国麻省理工学院（MIT）访问学者,低温生物医学专业。

主要研究经历：1983年回国后创建低温生物工程研究室。经十余年努力，在低温工程热物理与生物医学相结合的新兴交叉学科—低温生物医学科学方面, 提出了较系统的理论和实施技术；并和医学、生物部门配合，成功地实现了许多重要细胞、组织的低温保存；提出并实施了低温显微DSC、超快速冷却技术；解决了电镜样品制备技术、低温外科手术一些问题。

1986 由讲破格晋升为正教授；国内首批低温工程博士生导师(1986)；1991-1993应邀到纽约州立大学任研究员；并兼任美国低温医学科学公司顾问； 1996年起任英国期刊<Cryo-Letters>、美国期刊《Cell Preservation Technology》编委。

曾以第一完成者获机械部科技进步壹等奖、国家自然科学奖肆等奖、和部省级贰、叁等奖6项。曾获1989年、2001年全国教育系统劳模；1997年上海市劳模。

在本项目申请人和负责人。