化学工程与工艺的研究方向范文
时间：2023-11-20 17:55:38
导语：如何才能写好一篇化学工程与工艺的研究方向，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
所谓多场分布，就是指发酵生物反应器中受到的多种物理因素影响，导致反应器内基质、产物等在浓度和温度上发生改变，从而对反应速率产生极大的影响，这些物理因素即为温度分布、速度分布和浓度分布。以发酵液中的反应为例，其反应的最终结果都与这些多场分布因素有关，如氧的传质速率、菌丝团以及菌体的内反应组分传质，还有固定化酶等等，都是主要的影响因素。在很多情况下，这些影响因素在影响反应过程的同时，还会起到主导反应的作用，即为发酵罐内反应的控制环节。所以，在发酵罐中的各项反应中，传递特性的作用十分关键，它的研究对于发酵罐内化学工程的研究来说具有良好的现实意义，并且为以后的发酵过程控制理论的完善奠定了基础。
2乙醇提纯工艺中所涉及的化学工程问题
乙醇提纯的主要工艺方法在进行乙醇的发酵工艺时，水是反应中必须要产生的物质之一，于是乙醇的提纯工艺就落到了水与乙醇的分离工艺上。基于化学原理上分析，这种提纯工艺可以采用精馏法，可以采用吸附法、共沸精馏、萃取精馏，也可以采用渗透气化膜分离法等等。一般来说，乙醇在发酵液中的质量分数在5%到12%之间，但是工业用乙醇的质量分数却在90%以上，那么这就给乙醇的提纯工艺提出了一定的挑战，采用传统的精馏方法已经无法满足工业的要求。由此，可以将发酵液中的乙醇混合物分两步进行提纯，首先，利用普通的精馏提纯方法得到质量分数为92.4%的乙醇，然后再利用萃取、共沸、吸附等精馏方法得到高纯度的工业乙醇。精馏这种乙醇提纯方法已经发展多年，其工艺与流程也比较成熟，然而在这种精馏过程中由于产生很高的热量，造成的能耗很高，并且在此过程中对于回流的要求也越来越高，大大增加了精馏成本。综上，在传统的乙醇提纯工艺上还具有很大的发展与创新空间，可以从设备配置、生产效率以及工程理论上进一步研究，得出更适合现代工业发展的有效方法。目前，这种工艺方法已经有所突破，如分类与反应过程耦合的方法，就是创新的代表。在燃料乙醇方面，乙醇的纯化可以采用的方法为多塔精馏，同时结合向乙醇混合液中增加原有体系分离因子的萃取精馏等，也可以利用膜蒸发分离的办法，其优点是降低能耗，避免污染环境。此外，吸附的办法在燃料乙醇纯化工艺中还没有很成熟的使用，需要进一步的探讨。现阶段，燃料乙醇生产工艺的研究，主要集中于单一操作过程，如吸附脱水共沸物、渗透蒸发、萃取精馏等，将这些单一过程组合研究的文章不多。实际的燃料乙醇纯化研究中，计算机仿真的应用开始不断增多，它在进行不同单元组合的反应规律研究上十分有利。此外人工智能方面在乙醇纯化工程模拟中也有很多的应用，对于条件限定后的每个单元操作以及分离流程耦合的筛选等都是工程模拟中的主要内容。由此可见，流程组合的研究已经上升到计算机时代，不再需要传统的凭经验进行流程与工艺的确定了。
3生物发酵反应与分离耦合反应
就目前的燃料乙醇工艺研究而言，主要为基础研究工作，如过程放大、生物反应与分析过程耦合、流程创新、工艺流程创新等。生物发酵反应与分离耦合。不是两者的简单结合，而是一种流程耦合，属于一种创新的技术和理论。如果化学反应结束后就可以直接得到产品，那么反应过程就是相应的过程，而在工程上所说的反应过程则是综合性的过程，包括方法、设备以及问题处理的过程。这其中形成了分离工程，利用能量与物质的传递、化学反应以及流体力学等相关知识，由此说明耦合问题可以进行，并且能够完成相关问题的解决，并且可以将生物发酵看作是耦合过程，用于提高发酵与分离效率，这种方法大大促进了燃料乙醇工艺的发展。它利用了工艺改善，采用了创新的方法，实现了工艺过程最优化，这是化学工程发展的最新契机，多场耦合的研究意义重大，为未来的发展与进步指明了方向。
4结语
篇2
关键词：煤化工 甲醇 合成工艺 技术特点
目前，我国天然气、石油供给严重失衡，在未来也必将处于严重短缺状态，严重制约国民经济健康发展，而煤资源则相对丰富，发展煤化工是应对能源短缺、保障国家能源安全的必然举措。煤制甲醇是煤化气关键技术之一，我国百万吨以下煤制甲醇工艺已基本实现国产化，但技术水平与国外先进水平仍存在较大差距，存在投资大、能耗高、污染高等不足，已不符合国家战略需要，为此《十二五规划》明确将降低煤制甲醇项目能耗，对现有项目进行改造纳入下一个五年规划之中[1]。在这种背景下，了解甲醇合成工艺的现状及其技术特点非常必要。目前，甲醇合成技术主要包括ICI、Lurgi、TOPS?E、TEC等，这些技术各有优缺，难以取舍，为此本文对国内外甲醇合成工艺进行概述，以把握相关技术发展脉络。
一、常见甲醇合成工艺现状及其技术特点
1. 固定床甲醇合成工艺
1.1 轴向反应器甲醇合成工艺
轴向反应器在全世界仍广泛应用，我国上世纪70年代后建成投产的甲醇转化设备多为轴向反应器，采用ICI、Lurgi，具有性能稳定、对煤质适应性好等优点，近年来，世界各国均积极转变经济发展方式，加大了对轴向反应器的升级改造，以降低能耗、提高生产效益。国内最常见的改建方法为增设冷管式合成塔与复产蒸汽合成塔，以降低反应器床层内温差，增强传热效用，增强操作弹性，进而降低能耗，提高煤转化率，提高甲醇产量[1]。我国关于对轴向反应器研究较多，研究方向集中在内流场、温度、内压分析、传热、内渗、气体分布等领域。
1.2径向反应器的甲醇合成工艺
径向反应器相对于轴向反应器，具有能耗低、甲醇转化率高、产量大等优点，但结构复杂、催化剂装卸困难、管理运行成本较高[2]。近年来，径向反应器大型化逐渐成为热点，其主要原因有二：①建设大型径向反应器有利于形成规模优势，提高产业综合效益；②长期以来，我国大型甲醇合成反应器都需要进口，不利于行业的健康发展。目前，我国关于径向反应器的研究主要方向为提升径向反应器化学反应与催化剂效能上。
2.浆态床甲醇合成
浆态床甲醇合成起源于上世纪80年代的美国，可操作性强、对合成气适应性好，克服了固态床在高浓度催化剂与高气速操作条件下，出产量不足与性能不稳定的缺陷[3]。目前，浆态床甲醇合成技术在我国已得到初步应用，但相关研究较少。
二、热点领域与新技术
1.滴流床甲醇合成工艺
滴流床甲醇反应器兼顾固定床、浆态床的优点，可形成固体层，液体自上而下流动、气体自上而下运动，使液体与气体在催化剂颗粒中均匀分布，提高产出效率[4]。滴流床甲醇反应器转化率高、温差小、合成率高，是一种较为理想的甲醇合成工艺。我国关于滴流床甲醇反应器的研究方向主要集中在降压、加氢、持液量控制等关键环节上。
2.超临界相介质工艺
超临界相介质甲醇合成工艺是一种新的甲醇合成技术，是指在超临界状态下合成甲醇，克服不同性质的相间的传递阻力，提高反应效率与充分性，降低损耗，进而提高甲醇转化率。超临界相介质甲醇合成最大的特点在于可采用有机溶剂，提高催化效率，降低温度要求，可大大降低能耗。我国开展超临界相介质中甲醇合成研究较早，该技术最初被应用于浆态床的技术改进，也积累了一些有益的经验，目前相关研究集中在气液性质、超临界流体、超临界二氧化碳介质等领域。
3.膜反应工艺
膜反应甲醇合成工艺是在膜反应基础上发展起来的，相较于超临界介质工艺，操作性更强。其技术原理主要包括两种：①通过置密膜，控制氢气通过量，提高催化剂作用效率，最终使反应器达到最佳反应状态，降低损耗，提高产出率；②通过将产物及时转出，以降低产物对反应器的影响，维持反应器内部化学平衡达到最佳状态，提高产出率[4]。国外关于膜反应甲醇合成工艺实验研究较多，证实该工艺可提高转化率，可控性好，可提高反应速度。我国关于膜反应甲醇合成工艺研究偏向于膜材料的制备与膜反应器设计，该技术大规模应用仍有待时日。
4.其它工艺
其它技术主要包括整体煤气化联合循环系统、多联产系统、放热反应与能源密集型的吸热反应耦合系统、制气系统与传统甲醇循环耦合系统等。从这些技术可以看出工艺耦合、技术集成、绿色节能、巨型化是未来甲醇合成工艺发展的一个新趋势[4]。
我国正积极推动煤化工企业改进现有的甲醇合成工艺，以提高甲醇合成综合效率，降低能耗、减少污染、提高转化率。主要改进技术为智能化控制技术、节约化补充设计。智能化设计是指在旧有的设备上应用计算机、集控等信息技术进行智能化改造，增强对生产过程的技术监管，实现全程控制，最终实现精确生产，维持反应器内化学平衡，降低损耗，提高转化率。节约化设计是指尽可能得不断完善甲醇合成工艺流程，节约煤炭、电能，降低运行所需能源损耗。
三、小结
甲醇合成是煤化工关键技术之一，但设施设备更新换代缓慢，与国家大力提倡构建资源节约型与环境友好型社会政策不相适应，积极发展新的甲醇合成工艺、对旧有技术进行升级改造是甲醇合成工艺主要研究方向。
参考文献：
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[2]闫晋慧.煤制甲醇工艺研究[J].化工管理，2014，27（3）：246-247
篇3
关键词：浮法玻璃；表面；理化
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.07.228
0 引言
随着浮法玻璃的应用，其良好的性能逐渐被人们接受。但是在实际生产过程中，受到自身生产工艺过程的影响，导致锡朝着玻璃内部进行扩散，这种扩散情况，导致玻璃避免与玻璃本体之间成分变得不同，并且在外界因素的影响下，影响了玻璃的网络结构。由此可知，与其他普通玻璃相比，浮法玻璃表面具有独特的物理化学特征。因此，本文针对浮法玻璃表面理化特征展开论述。
1 锡在浮法玻璃表面层热扩散特征
在浮化玻璃生产过程中，受到生产工艺的影响，导致锡在玻璃表层会产生一定的热扩散现象，出现与其他玻璃不同的特征。下面就针对锡在浮法玻璃表面层热扩散特征展开论述。
第一，渗锡量特征。在实际生产过程中，玻璃溶体就会漂浮在熔融的锡液上，在这种条件下，锡就会通过玻璃的下面进行扩散。并受到锡高温挥发的影响，导致玻璃熔体上部的空间锡槽内存在一定的气态锡，会随着时间的推移，深入到浮法玻璃的表面。在通常情况下，锡在玻璃下表面扩散深度大约为10微米，受到生产条件的不同，也会存在的不同的差异。在锡扩散到玻璃表面以后，锡液与玻璃液接触时间越长，就会导致锡槽温度越高，周围保护气体的纯度就会越低。
第二，驼峰特征。在距离浮法玻璃表面0.001微米处，就能够观察到氧化锡，但是在超过20微米以后，就很难再检测到锡了，但是在进行检测过程中，在浮法玻璃表面下4―10微米处，会出现渗锡量的峰值，呈现出驼峰的特征，峰值的出现于锡价态的变化有着很大的关系。
第三，在硅酸盐玻璃生产过程中，Sn2+配位会呈现出四面体的结构形式，3个轨道会分贝和3个氧络结合，而剩余的一对孤对电子占据第4个轨道。Sn4+配位状态呈现为八面体结构。因此，在进行浮法玻璃生产过程中，由于Sn2+占据多数，并且内部玻璃网络具有很好的连接性，需要生产人员结合实际情况，增加表面的硬度和弹性模量。
2 浮法玻璃表面化学成分分部特征
在浮法玻璃表面，化学组成主要在高温的影响下，有的元素出现了挥况，导致玻璃本体组成出现一定的差异。Na+会从浮法玻璃带表面出现散失的情r，使得表面层的氧化钠含量比玻璃本体底。Ca2+也会从玻璃两个表面散失，导致氧化钙含量也会比玻璃本体低。但是在实际生产过程中，S会从表面散失量较少，但是留在下表面的S，会转化成硫化物，这是导致浮法玻璃变黄的原因。但是随着其他元素的蒸发，就会增加浮法玻璃表面的二氧化硫。
在锡离子的影响下，浮法玻璃要具有荧光特征，在玻璃下表面，随着锡的扩散，从而形成了一层富锡层，当玻璃受到地强度的紫外光线照射时，就会出现黄色荧光，这种特性被应用在浮法玻璃判定上。
在通常情况下，检测人员可以利用X-射线荧光光谱法对浮法玻璃表面进行元素分析和测试。经过测试的结果，浮法玻璃下表面40nm深度内锡和铁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质的变化特征
根据国外学者研究，采用纳米压痕法，可以测定2mm浮法玻璃表面的硬度和弹性模量，根据最终的结果，玻璃上下硬度和弹性模量出现一定程度的增加。并且在100nm表面层内，相应的玻璃硬度就会增加10%。因此，就针对浮法玻璃表面物理性质的变化特征展开论述。
第一，在实际应用过程中，浮法玻璃上下两个表面强度和缺陷尺寸存在着很大的差异。尤其在下表面具有较大的缺陷尺寸，表面强度比较弱。还有的学者，详细测定了浮法玻璃表面的瑕疵尺寸，发现浮法玻璃下面的瑕疵长度要比上表面的瑕疵长度要长。在浮法玻璃表面瑕疵深度上，下表面就会比上表面深。这说明在很大程度上，影响浮法玻璃表面状态因素很多，具体包括化学成分、玻璃内部结构等。在进行浮法玻璃表面渗锡量与折射率测定过程中，随着身锡量的增加，相应的就会增加玻璃的折射率。
在进行浮法玻耐风化性测定过程中，浮法玻璃钠钙硅玻璃下表面比上表面更具有耐风化性能，并且在离子浸析作用下，钠离子会随着时间的推移，出现析出的现象，并且会增加硅和氢的含量，因此，就会在浮法玻璃表面形成一层大约10纳米的薄层，在实际过程中，薄层在第一年内增加速度较快，随着时间增加，厚度不会再增加，这种薄层形成以后，就发挥保护作用，从而避免玻璃内部受到风化影响。
综上所述，在实际生产过程中，由于浮法玻璃生产工艺的特殊性，在玻璃表面呈现化学和物理成分的变化，并且玻璃网络结构也出现细微的变动，就会导致浮法玻璃表面与内部结构出现一定的变动，影响到玻璃内部的折射率、强度、硬度、耐久性以及耐风化性等性质。因此，为了发挥浮法玻璃在实际应用中的作用，还需要对浮法玻璃表面理化性能特征进行分析，从而提升浮法玻璃性能，满足实际生产的需要。
参考文献：
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篇4
关键词：压力容器；常见缺陷；防治措施；焊接缺陷；石油化工工业 文献标识码：A
中图分类号：TH49 文章编号：1009-2374（2016）22-0078-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.22.038
随着工业现代化进程的推进，压力容器已在石油化工工业等国民经济领域中得到广泛运用。压力容器的焊接质量与压力容器的强度、致密性、使用寿命密切相关。同时，在压力容器焊接中经常会出现一些缺陷，这些缺陷对焊接容器的稳定性以及工作均会造成巨大的影响。因此，研究和探讨压力容器焊接常见缺陷及防治措施具有重要的现实意义。本文将对此展开详细探讨。
1 控制压力容器焊接缺陷的重要意义
压力容器是指盛装液体或者气体并承载一定压力的密闭设备。压力容器包括贮运容器、反应容器、换热容器和分离容器等。压力容器主要用于石油化工工业、能源工业、物料贮运、科研、医疗等国民经济生活中。压力容器的制造的总工作量的30%以上与焊接工作有关。同时研究表明压力容器90%的事故与焊接缺陷相关。因此，控制焊接质量是压力容器致密性和强度的保证，有助于压力容器正常、安全工作并提高使用寿命，保障人们的生命财产安全。
2 压力容器常见焊接缺陷及产生原因
根据缺陷分布的位置不同，压力容器的焊接缺陷可分为外部缺陷和内部缺陷，其中外部缺陷通常可以通过肉眼发现。常见的焊接外部缺陷有弧坑、焊瘤、焊缝形状和尺寸不合要求、表面飞溅、咬边等。内部缺陷包括裂纹、夹渣、气孔、未焊透、未熔合等，其中裂纹是影响压力容器最致命的缺陷，是必须检测的重点项目。
2.1 咬边
咬边是指焊缝边缘的凹陷。咬边通常是由于焊接工艺参数选择不正确或者操作不当引起。产生咬边的主要原因有：操作方法不当，焊接规范选择不对，比如电弧过长、运条方式和角度不当、电流过大、坡口两侧的停留时间不合适等。通过实验研究发现，焊丝偏移中心的距离太大会导致熔池停留时间增加而产生咬边，同时焊速过快会导致收弧后不能填满弧坑。
2.2 气孔
气孔主要是指熔池当中的气泡在出现凝固之前没有及时散发出去，而是在焊接的缝隙处残留，最后形成的空穴。气孔的产生会使焊缝金属的致密性受到影响。气孔产生的根本原因是外界气体或者焊接过程中产生的气体进入熔池，在熔池凝固前没及时逸出而造成的。导致气孔产生的原因有：坡口边缘不干净，有锈迹等；焊条或者焊剂未按照操作规定烘焙；气泡无法通过熔渣；焊接速度太快；焊接电压过高；焊接的环境比较潮湿等。
2.3 夹渣
夹渣的形成主要是因为在焊缝处残留了一些熔渣。夹渣的存在具有较大危害，会极大地降低焊缝的强度和致密性。夹渣产生的主要原因有：焊缝的边缘有氧割或碳弧气泡残留的熔渣；焊接时速度太快；焊接时坡口角度选择不合理；焊接时电流不够。此外，在选用碱性焊条时，也可能会因为极性不正常或者电弧过长而出现夹渣的缺陷。
2.4 未焊透、未熔合
未熔透、未熔合都是比较严重的焊接缺陷，会使焊缝的强度降低，甚至会导致裂纹产生，从而发生事故。其中，在焊接时，当接头根部未完全熔透便会出现未焊透的现象，而当焊缝与焊件之间或者焊件与焊缝金属之间有一些部位没有溶透时便会出现未熔合的现象。通常造成这些问题出现的原因是电弧过长、焊条的直径太大、电流过小、坡口表面被氧化和有油污、焊件装配间隙或者坡口角度过小、封底焊清洁不彻底等。
2.5 焊瘤
在焊接过程中，金属溢流到加热不足的母材或前道焊缝上，金属凝固时，在自身重力作用下金属形成的微小疙瘩就是焊瘤。焊瘤不能和母材或者前道焊缝熔合。如果焊瘤位于内部，会降低强度、减少有效截面积，影响美观。焊瘤产生的主要原因是运条不均而造成熔池温度过高，液态金属凝固后缓慢下坠而在焊缝表面形成焊瘤。立、仰焊时，焊接电流过大、电弧过长也可能出现焊瘤。
2.6 裂纹
裂纹是指在焊接应力及其他致脆因素共同作用使得金属材料的原子结构被破坏而形成新的界面，从而产生缝隙。压力容器的焊接裂纹是一种危害性极强的缺陷。压力容器结构的破坏大多从裂纹处开始。裂纹分为热裂纹和冷裂纹。
焊缝金属从液态到固态的结晶过程中产生的裂纹称热裂纹。热裂纹多出现在焊缝。热裂纹的特点是焊接后立即可见，且多位于焊缝中心位置。热裂纹产生的原因是焊接熔池中有低熔点杂质如FeS等。一般而言，这类杂质多是凝固时间长、熔点低、凝固后强度低。因此，当受到外界作用到其表面的拘束应力足够大时，且焊接金属凝固时产生的收缩力，很容易会出现拉开或者在凝固后不久被拉开而形成裂纹。
而冷裂纹的形成则是在焊接金属冷却的过程中，又或者是冷却之后，焊缝交接与母材的熔合线外产生的裂纹，也可能是在母材的熔合线处产生的裂纹。其发生的位置大多集中在应力较为集中的位置，例如咬边、焊根处。冷裂纹发生的温度一般是在马氏体转变温度的范围内。冷裂纹的危害极大，一般在焊接后几小时或更长时间后出现。造成冷裂纹出现的原因主要有三点：（1）接头处受到较大的拘束应力的作用；（2）由于受到焊接热循环的作用，在热影响的区域内形成了淬硬组织；（3）一些过量的扩散氢积聚在焊缝处，并发生了不断浓集的现象。
焊缝金属在冷却过程中或者冷却以后，在母材或母材与焊缝交界的熔合线处产生的裂纹称为冷裂纹。冷裂纹形成的温度通常在范围内。冷裂纹多发生在焊根、咬边等应力集中的位置。冷裂纹既可能在焊接后立即出现，也可能在焊接后几小时甚至更长时间才会出现。冷裂纹对压力容器的危害程度比热裂纹的更大。冷裂纹产生的主要原因是：（1）在焊接热循环作用下，热影响区内生成了；（2）焊缝中有过量的扩散氢且存在浓集的条件；（3）接头承受有较大的拘束应力。
裂纹一旦产生，必须彻底清除，然后修补，否则裂纹会影响压力容器的安全使用。
3 压力容器焊接缺陷的预防措施
压力容器的焊接缺陷会导致压力容器的强度、致密性等受到影响，使得使用寿命缩短，会对人身安全和财产安全造成不良影响。
通过对焊接缺陷的原因进行分析，可以有针对性地进行解决和预防，有效提高压力容器的质量和安全水平。企业可以从以下方面来减少焊接缺陷的产生：
3.1 提高焊工技能
一些焊接缺陷是由于焊接人员的劳动技能不娴熟或操作不规范造成的，因此需要提高焊工的劳动素质。（1）需要聘用获得国家承认的上岗证的焊工；（2）针对各自企业的实际情况来培训焊接人员，直至培训考核合格后才能上岗；（3）持续地对焊接人员的劳动素质进行评价，对评价结果较差或者不稳定的加强培训。
3.2 焊接工艺选定及焊接规范制定
焊接工艺是控制压力容器焊接质量的关键因素。在焊接前，企业应当综合评估焊接工艺，根据自身实际情况，对各项工艺参数进行验证，不建议直接照搬其他企业的焊接工艺。
在选定好合适的焊接工艺后，必须依据相应的焊接工艺制定详细的焊接规范，以便于焊接人员操作。焊接规范应当根据压力容器的设计要求、焊接工艺来制定。焊接人员必须严格按照操作规范进行焊接，对焊接的每一道工序负责。
3.3 正确选取、保存焊接材料
焊接材料必须选择有质量保障的厂家。同时焊接材料的各个方面质量必须符合国家的相应标准。焊条的化学成分与焊体成分需符合要求。焊材库人员需遵循《焊条质量管理规程》（JB3223-83）进行管理，保证焊材满足使用要求。
3.4 焊接过程控制
焊接前应当确定焊缝的组队间隙、钝边的大小、坡口的清洁等符合要求。在焊接中，注意：（1）尽量不选择十字焊缝；（2）不允许强力组装；（3）需焊接临时吊耳和拉筋的垫板，需将垫板割除后的焊瘤打磨光滑。焊接后，进行无损检测，包括外观检测、无损探伤、耐压测试及致密性试验。
4 结语
压力容器的质量与焊接质量密切相关。企业应当根据自身的实际情况，找出对焊接的不利因素，对劳动者加强培训，对焊接材料、焊接工艺和规范、焊接过程控制等方面进行质量控制，可有效保证压力容器的焊接质量。压力容器焊接缺陷的防治既要注重从预防和控制两个方面入手，也要从工艺的升级以及各项管理制度、工艺规范的执行方面入手。只有把握好各个环节，才能保证压力容器的焊接质量。
参考文献
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篇5
[关键词]QbD； 中药； 制药工艺； 设计空间； 质控策略
[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
|量源于设计（quality by design，QbD）是美国等发达国家药品监管部门为提升药品质量、鼓励技术革新和降低监管难度而推广的药品质控理念，在制药领域产品和工艺开发中得到广泛应用[12]。美国食品药品管理局（US Food and Drug Administration，FDA）要求从2013年起，所有仿制药申报材料应包括基于QbD的产品和工艺研究内容。实际上，最早提出QbD理念是国际著名的质量管理大师Juran博士，他在Juran on Quality by Design一书中明确提出了QbD理念，并指明实施QbD的核心技术工具是实验设计。QbD被定义为一种系统开发方法，它从预定的目标开始，基于科学和质量风险管理技术，强调理解药品和生产过程及控制生产过程。根据QbD理念，在药品的研发阶段就要考虑最终产品的质量，对原辅料性质、处方、工艺路线、工艺参数等各个方面都要进行全面研究，以增强对药品及其生产过程的理解，建立能够确保药品质量的生产过程输入（如物料性质）和过程参数组合的范围，即设计空间（design space）[3]。QbD理念的实施必然使药品质控重心前移至原料控制和制药过程控制，弱化成品检验在药品质控中的作用。
中医药产业是我国拥有资源优势和知识优势的传统产业，但面临着现代产业基础不强的挑战。国务院的《中医药发展战略规划纲要（2016―2030年）》中明确提出要“促进中药工业转型升级……加大中成药二次开发力度”。目前市售中药的研发和生产大多不够精细，若能以QbD理念指导中成药二次开发，则有助于深入了解生产过程规律，建立先进过程质控策略，提高中药制药过程质控水平，提升中药质量一致性，从而促进中药工业顺利实现转型升级。
俞翔等较早将QbD理念应用于中药生产过程质量控制，通过深入了解中药生产过程，提高了质量控制水平[4]。根据中药生产实际，QbD理念在中药制药工艺中实施主要有如下几个步骤[5]：确定关键工艺及其评价指标，辨识关键工艺参数和关键物料属性，建立关键工艺单元数学模型，构建设计空间，实施控制策略并不断改进等。稳健可靠的中药中间体和成品质量分析方法是QbD理念顺利实施于中药工业的重要保障，同时这些分析方法也可以在QbD理念指导下建立。鉴于分析方法对于中药质量控制的重要性，本文在综述近几年来基于QbD理念的中药制药工艺研究进展的同时，也将综述基于QbD理念的中药分析方法开发研究进展，并提出未来值得发展的研究方向。
1确定关键工艺及其评价指标
为确定中药生产关键工艺，必须明确各工艺对中药质量可能产生的影响及其大小。结合生产经验开展生产全流程风险分析是行之有效的方法之一。利用该方法确定关键工艺的同时，还能明确各工艺所影响的药品质量指标。根据受影响的药品质量指标又可以进一步确定关键工艺的评价指标。龚行楚等采用该法确定了丹红注射液生产关键工艺为提取、醇沉及活性炭吸附[6]。陈滕采用失效模式与效应分析量化了三七总皂苷主要生产工艺对质量指标的影响大小，并根据风险优先数（risk priority number，RPN）的数值确定了最关键的工艺为柱色谱[7]。一般来说，沉淀、色谱和萃取等精制工艺参数较多，对中药体系化学成分影响也大，相比过滤和浓缩等更可能成为关键工艺。
关键工艺的评价主要可以从中间体质量和工艺效率等两方面来考量。中间体质量可用物理性质、化学性质或生物活性等表征。其中，较常用的是活性成分或毒害成分在总固体或液体中的含量。工艺效率指标包括特定成分或组分的保留率或去除率、单位时间产量、单位设备产量和单位原材料产量等。其中，较常用的是活性成分的转移率或保留率，毒害成分或其他杂质的去除率等。
确定关键工艺评价指标后需要设置其限度。部分指标只需要设置上限，如毒害成分含量。部分指标仅需要设置下限，如单位时间产量。设定关键工艺评价指标的限度可以根据生产经验，也可采用严斌俊等提出的回溯法[8]。回溯法根据最终药品质量指标和各工艺的影响反向推算获得关键工艺评价指标的上下限。应用该法的前提是获得各生产工艺物料属性、工艺参数和工艺评价指标之间的定量关系[8]。
2辨识关键物料属性和关键工艺参数
中药生产过程中的关键物料，既包括饮片和辅料等，也包括重要生产单元处理的物料，如提取液和浓缩液等。关键物料属性是指显著影响下游工艺品质或成品质量的物料物理性质或化学性质等。常见的关键物料属性如醇沉前浓缩液密度、色谱上样液有效成分含量等。关键物料属性有时能通过上游工艺控制，有时则不能。以醇沉前浓缩液为例，上游浓缩工艺可以控制浓缩液水含量或密度，却往往无法改变特定活性成分占总固体百分含量。对于上游工艺无法控制的关键物料属性，在法规允许的范围内，可以考虑采用调配的方法[911]。在固定工艺生产条件下，分析物料性质变化时工艺评价指标的变化情况，即可辨识出关键物料属性[1213]。
辨识关键工艺参数时可以采用风险分析、统计分析和机制推断等方法。
综合生产经验和现有知识，灵活运用风险分析方法即可辨识关键工艺参数。鱼刺图可用于找到潜在关键工艺参数。失效模式与效应分析能综合考虑工艺参数异常发生的危害程度、发生的可能性以及可检测性，量化获得各工艺参数的RPN，从而确定关键工艺参数。目前该法已经用于辨识丹参醇沉工艺[14]、三七提取工艺[1516]、三七色谱工艺[17]的关键工艺参数。
可用于辨识关键工艺参数的统计分析方法较多，主要有多元线性回归和标准偏回归系数等基于多元线性模型的方法。丹参醇沉工艺[1819]和三七水沉工艺[20]的关键参数辨识中采用了多元线性回归法，丹红注射液醇沉工艺[21]和党参醇沉工艺[22]关键参数辨识采用了标准偏回归系数法。刘爽悦等比较了上述2种方法和逐步回归法，认为标准偏回归系数法能综合工艺参数对多个指标的影响且易于加权计算，优于其他2种方法；相比多元线性回归法，逐步回归法能更`敏地辨识出关键工艺参数[23]。严斌俊等以近红外光谱的主成分作为因变量辨识丹红注射液醇沉工艺关键参数，可以免去浓度测定步骤[24]。仲怿等辨识五味子醇沉关键工艺参数时采用了贝叶斯网络分析法[25]。崔雅华等采用文献知识组织的方法辨识丹参醇提工艺关键参数[26]。
机制推断法是根据过程机制来推断关键工艺参数的方法。葡萄糖、果糖、蔗糖等糖类的溶解度数据提示醇沉工艺中加醇和冷藏都能使糖类溶解度下降[2729]。考虑到糖类往往是中草药水提液的主要成分，所以推断冷藏温度是醇沉关键工艺参数，影响上清液溶剂中乙醇含量的乙醇用量、浓缩液水含量和乙醇浓度等工艺参数也是醇沉关键工艺参数。该推断结果得到了丹红醇沉和丹参醇沉等工艺关键参数辨识结果的证实[19，21，30]。
如果同时采集了物料属性、工艺参数和工艺评价指标等数据，那么也可以通过逐步回归等方法同时辨识关键物料属性和关键工艺参数。俞翔等采用逐步回归法研究了丹参醇沉中浓缩液密度、浓缩液用量和乙醇用量之间的关系，发现浓缩液密度及其中丹酚酸A含量是关键物料属性，乙醇用量是关键工艺参数[31]。
龚行楚等：基于质量源于设计理念的中成药二次开发研究进展3建立关键工艺单元数学模型
建立关键工艺单元数学模型的本质是用数学关系式描述物料属性、工艺参数和工艺评价指标之间的定量关系。准确可靠的模型是建立生产工艺设计空间，实施前馈和反馈等高级控制的基础。中药制药工艺建模方法很多，可以采用统计建模、半机制建模和机制建模等方法。
统计模型是目前研究中使用最多的模型，经常和中心复合设计或BoxBehnken设计等实验设计方法结合使用，其优点是能在过程机制不清晰的情况下建立定量模型。统计模型中使用最多的是多项式模型，尤其是二阶多项式模型。二阶多项式模型能体现工艺参数的线性作用、非线性作用和交互作用，而且模型建立和结果分析都可利用Design Expert或Minitab等统计软件快速完成。冠心宁注射液醇沉工艺[32]、穿心莲内酯固体脂质纳米粒制备工艺[33]、三七脱色工艺[34]等均采用了二阶多项式模型建模。除多项式模型外，人工神经网络等其他模型也有应用[25，35]。
半机制建模往往采用多种假设对过程机制进行简化，所以模型形式一般较为简单，模型参数往往也具有明确物理意义。蒋程等采用YoonNelson方程拟合了三七色谱工艺的皂苷穿透曲线[36]。龚行楚等采用指数型方程模拟醇沉上清液中总糖和总固体的含量[37]。
机制建模是根据中药制药工艺中涉及的化学反应、传递现象和平衡规律等建立模型，所涉及的模型参数一般是分子的物化性质参数，如扩散系数、溶解度、反应动力学常数以及其他各种平衡常数等。目前中药成分的物化参数十分缺乏，所以一般需要拟合获得。Lau等以固液相间传质为决速步建立了丹参和葛根提取工艺的动力学模型，并提出考虑药材品质和价格的混批调配方法[38]。Lau等又进一步考虑成分降解和药材混煎的影响完善了提取动力学模型[39]。许永兴等采用普通速率动力学模型模拟了葛根素和大豆苷元的树脂色谱分离过程，模型计算值和实测值符合良好，可用于优化色谱分离条件[40]。Chen等比较了多种等温吸附线对平衡扩散模型预测精度的影响，发现biLangmuir形式的等温吸附线效果最优[41]。龚行楚等考虑溶解平衡和解离平衡建立了丹参注射液碱沉工艺[42]和冠心宁注射液醇沉工艺[37]中上清液酚酸类成分含量的机制模型，但酚酸pKa和酚酸盐溶解度仍由拟合获得。黄世超考虑丹参酚酸类成分的降解反应，建立了丹参水提工艺的机制模型[43]。
建立工艺单元数学模型是理解生产过程必不可少的环节，也是提高药品质量批次一致性的技术核心。化学药成分单一，对其生产过程开展机制建模相对困难较少。而中药化学成分复杂，统计建模是现阶段比较合适的方法。随着对各工艺单元的深入研究，半机制模型和机制模型将发挥更大的作用。
4构建设计空间
设计空间是能保证工艺品质的关键物料属性和工艺参数的范围组合。在设计空间范围内的工艺参数变化不影响药品质量。设计空间的意义在于增加工艺参数设置的灵活性，减少不必要的监管。设计空间可以根据生产经验获得，也可以根据实验或者计算获得。计算获得设计空间的前提是工艺建模准确可靠，目前主要的方法为叠加法（overlapping）和概率法。
叠加法先计算符合各工艺评价指标标准的参数范围，然后求这些范围的交集得到设计空间。张磊等[14]、陈滕等[34]、等[44]和罗赣等[45]分别采用该法获得了丹参醇沉工艺、三七提取物色谱脱色工艺、荷叶醇提工艺、丹参醇提工艺的设计空间。叠加法的优点在于方法简单，可以用Design Expert等软件完成。Rozet等重新解释了设计空间的概念，认为应该采用概率表示设计空间内参数组合能使工艺品质达标的可靠程度[46]。基于达标概率的设计空间计算方法有多种。龚行楚等提出了考虑测量误差的蒙特卡洛法，并以丹红提取工艺为例优化了计算条件[47]。该法也被用于计算丹红醇沉工艺[6]、党参醇沉工艺[22]、三七提取工艺[1516]和三七水沉工艺[20]的概率设计空间。陈滕等以三七色谱工艺为例，优化了考虑预测误差的蒙特卡洛法的计算条件[48]。黄世超以丹参提取工艺为例，优化了考虑工艺参数扰动的蒙特卡洛法的计算条件[43]。除此之外，贝叶斯法也可以用来计算概率设计空间[4951]。陈滕比较了叠加法和概率法所得设计空间的差别，认为叠加法的不足在于设计空间边缘的工艺参数组合能保证所有工艺评价指标均达标的可靠程度偏低[7]。
部分关键工艺参数在实际生产中控制难度较大，或者成本很高，此时可以考虑将其作为一个噪声因素处理，通过优选其他易控关键工艺参数的范围，降低难控关键参数波动对中药生产工艺品质的影响[6]。龚行楚等以丹红注射液醇沉工艺为例对该法进行了阐释[6]，此时构建设计空间的主要工作在于优选易控关键工艺参数的范围。
5实施生产控制策略及不断改进
设计空间给出了工艺参数的操作范围，但是大多数时候设计空间往往并不规则。为操作方便，一个方法是计算得到由多个工艺参数范围组成的多维矩形操作空间[14]。Castagnoli等指出，可以在设计空间内构建多个操作空间，也可以采用电子表单的方法方便实际操作[52]。
严斌俊等提出中药生产工艺的前馈控制方法，并将其用于丹参和丹红的醇沉工艺品质控制[8，53]。该法的基本思想是根据关键物料属性调整工艺参数，充分发挥生产工艺的调节能力，减少物料属性波动对成品品质的影响。
监控生产过程状态是保证工艺品质的基础。过程轨迹是目前监控中药生产过程较为先进的方法[5457]。建立过程轨迹常用的统计量包括主成分得分、Hotelling T2和DModX等[56]。建立过程轨迹可利用生产中常用的检测仪表，如pH计和流量计等，还可以利用在线光谱分析仪等新型检测设备，如应用较多的近红外光谱仪和紫外光谱仪等。
各种控制策略用于中成药生产后，仍需定期进行风险分析，不仅从“人机料法环”等多个方面明确药品质量风险并进行相应改进，也要根据中药临床效果和制药水平不断提升中药标准，最终实现中药质量稳中有升和中药生产绿色高效。
6建立分析方法
QbD理念能用于指导建立稳健的中药生产中间体和成品质量分析方法。建立中药生产中间体的分析方法是优化中药生产工艺参数和建立工艺在线检测方法的前提条件，建立成品质量分析方法是中成药放行的前提条件。以QbD理念指导建立分析方法的步骤包括：明确分析目标，确定分析质量评价指标，辨识关键分析参数，建立关键分析参数与分析质量评价指标之间的定量关系，构建分析参数设计空间，以及分析方法验证[58]。可以看出QbD理念指导的分析方法建立流程和工艺参数优化流程类似。
明确分析目标主要包括以下3个方面[58]：第一，明确分析对象，比如检测的是特定活性成分或是杂质成分；第二，明确分析手段，比如采用HPLCUV、HPLCMS、滴定或者其他方法；第三，确定分析目的，比如是定量检测还是定性检测等。分析质量的评价指标有很多，对于色谱分析，主要包括色谱峰的分离度、定量限、信噪比和分析r间等[59]。对于不同分析方法的关键分析参数不同，以液相色谱分析为例，可能包括：样品前处理方法、色谱柱类型、柱温、流速、流动相组成、流动相酸度、梯度构成等。建立关键分析参数与分析质量评价指标之间定量模型时采用实验设计方法，可以采用二阶多项式模型，也可以采用高阶多项式模型[60 61]。计算分析方法设计空间时同样可以采用重叠法和概率法。
王璐以固相萃取高效液相色V紫外串联蒸发光散射检测法建立参芪扶正注射液的分析方法时，采用风险评估获得样品前处理、色谱分离及分析检测过程中的潜在关键分析参数，然后进一步用PlackettBurman设计确定关键分析参数，再以BoxBehnken 设计建立数学模型，最后以考虑测量误差的蒙特卡洛法计算分析参数设计空间并验证，能够同时定量分析参芪扶正注射液中9种主要化学成分[62]。王璐也以类似思路建立了复方苦参注射液的实时直接分析质谱检测方法，能够测定其中5种生物碱类成分，分析重复性和耐用性都得到显著提高[63]。龚行楚等以流动相梯度为关键分析参数优化了三七提取液中5种皂苷分析条件[64]。Dai等在建立黄连中生物碱成分的液相分析方法时，筛选出流动相溶剂组成、十二烷基磺酸钠浓度和磷酸二氢钾浓度为关键分析参数，并且采用贝叶斯法计算获得了分析参数的设计空间[65]。Dai等在建立三七中皂苷类成分的液相分析方法时，引入了“过程性能指数”来考察分析参数设计空间的可靠性[66]。
由于中药体系复杂，而需要同时定量的成分往往有多个，所以建立中药体系色谱分析方法往往需要优化多个梯度。对于每一个梯度，都存在起始流动相组成、流动相组成变化速率和梯度持续时间等至少2个变量。所以梯度的增加会使需要优化的参数数量快速增加。此时可以考虑采用单因素实验先确定部分因素，再重点针对其他因素进行优化。
7结论及展望
QbD理念是当前国际药品质控先进理念，应用其基本思想有利于提升中药制药技术水平。在中成药二次开发中实施QbD理念的主要步骤包括：确定关键工艺及其评价指标，辨识关键工艺参数和关键物料属性，建立关键工艺单元数学模型，构建设计空间，实施控制策略并不断改进。QbD理念也能用于指导建立中成药和中间体的分析方法。今后，QbD理念指导下的中药制药工艺研究可在以下几个方向上开展。
第一，将QbD理念用于中药新药和中药配方颗粒研发。目前QbD理念多用于指导中药大品种改造，未能完全体现出“质量源于设计”的效果。若能在QbD理念指导下研制中药新药和中药配方颗粒，必能增加中药科技含量，巩固我国在中药领域的领先优势。
第二，从中药工艺机制方面更深入地探讨原料性质、工艺参数与产品质量间的关系，建立科学的生产过程质量控制方法，减少药材质量波动带来的影响。
第三，发展基于工业大数据的质量控制策略。随着数据库技术在中药企业中广泛应用，工业大数据分析必将为增加过程理解提供新路，因此急需发展基于工业大数据的中药质控策略，以进一步提升中药制药技术水平。
第四，加强中药工艺放大规律研究。目前QbD理念指导下的中药工艺研究往往基于小试结果，但小试和大生产之间可能存在明显放大效应，唯有加强工艺放大规律研究，才能真正指导工业生产。
第五，发展新型中药制药设备。中药制药过程质控水平的提升必然体现于制药设备的进步。依靠现有制药设备往往难以施行制药工艺的高级质控策略，因此必须发展新型高效的中药制药设备。
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篇6
关键词 微重力科学，基础物理，流体物理，燃烧学，材料科学，生物技术
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
当一个空间飞行器环绕地球以第一宇宙速度自主飞行时，我们可以选择一个(局部)惯性参考系，其原点位于空间飞行器的质心位置.如果不考虑大气阻力､光辐射压力､质心偏离引起的各种扰动力，则空间飞行器中物体受到的地球引力与运动离心力抵消，物体处于“失重”状态，或者说物体处于微重力水平中.所谓“微重力”是指该处的有效重力水平为地球表面重力水平的10-6.在实际的绕地球飞行器中，有效重力水平与频率相关，低频时达到10-3，高频时优于10-6.除了地面的落塔､抛物线飞行的失重飞机和可达十几分钟的微重力火箭外，用于微重力实验的空间飞行器有返回式卫星和不返回卫星､载人飞船､航天飞机和空间站.各种载人空间飞行器不可避免人的干扰，飞行器中的有效重力很难达到微重力水平;而验证引力理论的高分辨率空间实验需要非常低的飞 (femto，亳微微)重力至阿(atto，微微微)重力环境，一般需要发射专门的基础物理卫星.
随着载人空间活动的发展，人们需要进一步认识微重力环境中的物质运动规律，从而发展了微小重力这种极端环境下的学术领域——微重力科学.在微重力环境中，地球重力的影响极大地减弱，控制地面过程的浮力对流､沉淀和分层以及由重力引起的静压梯度都极大地降低，表面张力和润湿等作用变得突出.从上世纪七八十年代以来，微重力科学主要研究微重力流体物理､微重力燃烧､空间材料科学和空间生物技术.近十余年来，微重力条件提供的高精度物理环境吸引了一批理论物理学家，他们希望利用空间的微重力环境能更好地检验广义相对论和引力理论以及低温原子物理和低温凝聚态物理的许多基础物理前沿问题.这样就形成了微重力科学的一个新领域——空间基础物理.近来，人们常常把这些微重力科学的领域统称为空间的物理学，它是利用微重力环境来研究物理学规律，以区别于在地面重力环境中的物理学.要指出的是，中文的 “空间的物理学”和 “空间物理”是两个不同的概念，后者主要研究太阳系等离子体的运动规律和行星科学，而不涉及基础物理的前沿问题.
2 空间基础物理
2.1 广义相对论验证和引力理论[1]
引力质量mg和惯性质量mi相等的(弱)等效原理是广义相对论爱因斯坦强等效原理假设的基础[12].有文献记载的弱等效原理验证始于牛顿的摆实验，Eotvos的扭称实验更为精确;现代的月-地激光测距实验则检验了强等效原理[12].到目前为止[12]，弱等效原理的实验精度η=2∣mg-mi∣/(mg+mi)已达10-13，在地基实验中已再难提高.现在的一些引力理论认为，将测量精度提高到10-15以上有可能揭示广义相对论的问题，具有很大的学术价值，这只能在空间微重力条件下才能实现[2].国际上蕴酿多年的“等效原理的卫星检验”(STEP)计划，试图将弱等效原理的实验精度提高到10-18.STEP计划一直没有获得美国的立项经费支持，现在的立项经费就更加困难了.目前欧洲一些国家正在争取安排Mini STEP计划，其实验精度为10-15;法国的小型卫星(MicroScope)计划于2010年发射，拟在10-15精度上检验弱等效原理[13].引力探测-乙(Gravity Probe-B， GP-B)计划是美国空间局主持的计划，由美国斯坦福大学GP-B小组负责.该计划的主要任务是验证广义相对论的空间弯曲和拖曳效应，即验证时间和空间因地球大质量物体存在而弯曲(测地效应)，和大质量物体的旋转拖动周围时空结构发生扭曲(惯性系拖曳效应).用4个旋转球体作为陀螺仪，地球引力拖曳会影响球体的转轴.用飞马星座中的一颗恒星校准陀螺自旋轴的方向，用望远镜测量“测地效应”.通过球体转轴进动0.000011度，探测“惯性系拖曳效应”.GP-B卫星于2004年4月发射，2005年9月终止数据采集.原预计2006年夏公布结果，但是，由于电场等因素影响了球体的方位，仍需对其他影响进行研究.现正在加紧分析真正有效的时空信号数据，并尽快宣布观测结论.初步结果显示，较显著的‘测地效应’从数据中完全可见，正在完全证实广义相对论的道路上前进;刚刚看到 “惯性系拖曳效应”的端倪.实验结果似乎验证了广义相对论的理论，人们正在期待着最后宣布的科学结果[3].
引力波是广义相对论理论预言的现象，40年前声称在地面测量到高频引力波，激起引力探测的热潮.低频引力波只能在空间探测.欧洲空间局和美国空间局联合推进空间探测引力波的“激光干涉全球天线”(LISA)计划，它的探测源是108太阳质量的黑洞，相应的频率是10-3—10-1Hz.LISA计划由相距500万公里等边近三角形的三颗卫星组成，每颗卫星分别有2个悬浮的试验质量，位于激光器平台的前端.引力波传到卫星环境中，将引起试验质量微小的位移，通过激光干涉方法测量小于纳米量级的位移，推演出引力波的存在.为了验证LISA计划的关键技术，将于2010年发射LISA Pathfinder卫星，而LISA计划预计在2019年以后发射.引力波探测的成功不仅可以验证广义相对论理论的预言，还将开辟引力波天文学，具有极大的重要性.欧洲空间局将LISA计划列为中､远期的首选项目，美国空间局“超越爱因斯坦”计划两大卫星之一的“大爆炸观测台”卫星也是探讨测量中频(0.1—1.0Hz)引力波.空间引力波探测的学术重要性由此可见一斑.
我国空间科学的发展需要研讨引力理论，研究卫星实验的方案，大家正在集思广益.中国科学院理论物理研究所张元仲及其他专家联合提出TEPO计划，建议在10-16精度内验证弱等效原理和在10-14精度内验证新型的二维等效原理;华中科技大学罗俊等人提出TISS计划，希望利用高精度空间静电悬浮加速度计将检验牛顿引力的反比定律精度提高3个数量级.中国科学院紫金山天文台倪维斗的计划是希望探测低频(5×10-6 — 5×10-3Hz)引力波;中国科学院应用数学研究所刘润球则关注空间的中频(10-2 — 100Hz)引力波探测.这些方案都还在蕴酿过程中.
2.2 空间冷原子物理和原子钟研究
激光冷却和玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)曾分别于1997年和2001年获得诺贝尔物理学奖，它们是当代物理学最活跃的前沿领域之一.BEC有时也称为物质的第五态，它是1925年爱因斯坦预言的物质状态，即当气体温度低于其极限温度时，所有冷原子都聚集在最低量子能态上，表现出玻色子的特证.作为一种新的物质状态，它包含着许多新的基本物理规律，等待人们去探索，诸如物质波及其相干性､低温极限(10-15 K)､量子相变等.另一方面，它蕴育着许多重大的应用前景，诸如原子激光､高精度时标等.微重力环境可以更好地降低气体的温度，改进谱线的宽度和稳定性，提高系统的信噪比，从而为研究提供更好的条件.欧洲空间局的空间BEC研究也正在安排当中.
作为该领域的一个重要应用项目，空间冷气体原子钟的研制受到重视.地面通过激光冷却和冷原子喷泉效应，可以使冷气体原子钟的精度达到10-16.而在微重力环境中，则可以使冷气体原子钟的精度提高一个数量级，从而在军事和民用上产生极大的价值.欧洲空间局和美国国家航空和空间署都将空间冷原子钟研究作为国际空间站的重要研究项目.
中国科学院上海光学精密机械研究所王育竹在地基的BEC研究中取得很好的成果[4]，正在准备研制空间的超高精度冷原子微波钟，精度可达10-17;华东师范大学马龙生提出进行空间高精度光钟研究的建议，精度可达10-18.
2.3 低温凝聚态物理
凝聚态物质在极低温条件下会表现出许多特异的性质，成为物理学的新热点.微重力条件可以实现极小的静压梯度，可以提供更高精度的物理学实验条件，从而在更高精度下验证理论和揭示新的规律.美国喷气推进实验室在航天飞机上完成了液氦在临界温度附近(纳度的精度内)的比热奇异性实验，初步验证了二阶相变的重整化群理论[1].科学家们提出了一批空间实验课题，诸如超流氦相变动力学，连续相变的普适性，气-液临界点的尺度规律，约束于不同几何形状和尺度的液氦性质，相图特殊点附近氦混合物的性质，约束和边界效应，非平衡相变，分形结构和图样形式，临界现象，超流体的流体动力学，量子固体等.这些课题大都需要超低温条件，因而需要空间大型制冷设备，耗资巨大.美国已暂停这方面的研究，中国在短期内还难于安排相关的空间实验条件.
3 微重力流体物理
微重力流体物理是微重力科学的重要领域，它是微重力应用和工程的基础，人类空间探索过程中的许多难题的解决需要借助于流体物理的研究.在基础研究方面，微重力环境为研究新力学体系内的运动规律提供了极好的条件，诸如非浮力的自然对流，多尺度的耦合过程，表面力驱动的流动，失重条件下的多相流和沸腾传热，以及复杂流体力学等.可以引入静Bond数Bo=ρgl2/σ或动Bond数Bd=ρg l2 /(∣σ′T∣ ΔT)来分析重力作用和表向张力作用的相对重要性，其中 ρ，σ， g， l 分别是流体密度､界面的表面张力､有效重力加速度和特证尺度，∣σ′T∣和ΔT分别是表面张力梯度和特征温差.Bond数小于1时，表面张力的作用会大于重力的作用，这要求小的尺度､或小的重力加速度､或小的密度差，对应于小尺度过程､微重力过程､或中性悬浮过程[5].
3.1 简单流体的对流和传热
具有界面的流体体系普遍存在于自然科学和工程应用中.研究热毛细对流的规律，对于空间材料加工､生物技术､燃烧等过程中热毛细对流控制都有重要意义，并对地面电子装置的热控制，食品加工过程，化学工程微电子机械系统(MEMS)，薄膜等小尺度的流动问题也有指导作用.微重力环境中流体的晃动､流体的运动与固体结构的相互耦合是航天工程中经常遇到的问题.对微重力环境中简单流体的传热和传质过程，人们主要研究毛细系统中临界现象和浸润现象，热毛细对流的转捩过程和振荡机理，液滴热毛细迁移及相互作用规律等方面.流体管理研究也是微重力工程中的重要课题.
3.2 多相流的传质和传热
微重力气/液两相流动与传热研究的主要对象包括两相流动的流型､沸腾与冷凝传热､混合与分离等现象，对我国载人航天技术(如航天器热与流体管理系统､空间站与深空探测器等大型航天器动力系统､载人航天器环控生保系统以及空间材料制备与空间生物技术实验等)的发展有直接的应用价值.在微重力环境中，重力作用被极大地抑制甚至完全消除，更能凸显气､液､固相间的传递机制，便于更深刻地揭示其流动与传热机理.借助于微重力气液两相流动与传热的深入研究，对我国实现能源战略需求和地面常重力环境中的石油､化工､制造等相关技术开发与应用也有重要指导意义.3.3 复杂流体
复杂流体是一种分散体系，它指的是具有一种或几种分散相的物质体系，也有人称之为软物质.在重力条件下，复杂流体的许多行为特征会受对流､沉降､分层等干扰，而微重力条件则有助于研究在地面上被重力作用所掩盖的过程，特别是分子间的相互作用力.微重力复杂流体研究包括:胶体的聚集和相变研究;悬浮液和乳状液的稳定性研究;复杂等离子体的结晶研究;气溶胶的稳定性和聚集行为研究;对颗粒体系本征运动行为的研究;临界点现象的研究;以及材料制备､石油开采和生物流体的相关问题研究.随着人类深空探测活动的展开，对不同重力场中分散体系物质的操作与输运的要求，以及对其运动规律认知的需求十分迫切.空间科学实验不仅能够使我们获得新的科学知识，而且其科学成果对于地面材料及器件制备工艺的创新具有重要指导意义.对复杂流动现象的研究在材料设计中起到了切实的作用，如对复杂流体自组织现象的研究成果已经应用于纳米结构材料和器件的研制.近年来，复杂流体(软物质)的力学和物理学，接触角､接触线和浸润现象等与物理化学密切相关的领域也越来越受到关注[6].
3.4 近期的空间实验
随着国际空间站的逐步安装，国外微重力空间实验的项目将逐步进行.目前己经纳入计划中的项目有:
毛细流动:不同形状､介质､浸润性､流体管理;
热毛细对流;
流体的梯度涨落;
Soret 系数测量;
近临界和超临界流体;
蒸发和冷凝过程:流体的热管理;
沸腾传热;
颗粒材料行为;
胶体和乳剂聚集和稳定性;
泡沫稳定性.
“十一·五”期间，国家安排了进行空间微重力科学和空间生命科学研究的“实践-10”卫星，将完成10项微重力科学的空间实验.这些实验包括空间热毛细对流､具有蒸发界面的对流､颗粒材料物理､沸腾传热､复杂流体的结晶等流体物理空间实验项目.同对，在载人航天工程第二阶段中，还要安排半浮区液桥､多液滴相互作用､复杂流体稳定性､多相流传热等空间实验项目.我国的微重力流体物理已有较好基础，将会做出较大贡献.
微重力流体物理所涉及的许多过程与微尺度流动中的过程有许多相似性，引起人们的兴趣.以中国科学院力学研究所国家微重力实验室为主的流体物理研究有不少建树，获得国际同行的好评.
4 燃烧科学
燃烧是一门古老的学科，而地面的燃烧过程都是和浮力对流密切耦合在一起的，给模型化研究增加了难度.微重力条件下基本上没有浮力对流的影响，为研究燃烧的化学反应过程提供了极好的机遇.1957年，东京大学Kumagai教授的0.5s落塔实验研究了乙醇棉球的微重力燃烧过程，开创了微重力燃烧的实验研究和利用落塔进行微重力实验的时代.落塔设施己成为进行微重力燃烧实验的有力工具.
微重力燃烧涉及了地面燃烧学的主要领域，美国国家航空和空间署将微重力燃烧作为重要的研究方向，欧洲和日本空间局也十分重视.几乎地面主要的燃烧过程都进行了空间微重力实验，诸如预混气体燃烧､气体扩散燃烧､液滴燃烧､颗粒和粉尘燃烧等，并研究了典型气体环境中燃料表面的点火和传播，流动过程与燃烧的耦合等，发现了一些新现象，例如燃烧的分散球状分布等.在许多微重力燃烧过程中，除了通常的吹熄极限，还有辐射损失引起的冷熄极限，这只能在微重力环境中才能观测到.微重力燃烧的研究除了具有重大的机理意义以外，还在于:利用对燃烧过程的深刻理解，改进地面燃烧过程的效益;利用对燃烧产物的进一步分析，改进地面燃烧产物污染环境.中国的能源将在较长时间内以煤作为主要燃料，应加强微重力煤燃烧的研究[7].
载人飞行器的安全防火是微重力燃烧的重大课题，自从阿波罗1号飞船在地面着火，烧死3名宇航员后，美国国家航空和空间署就把防火安全作为载人航天的首要问题.特别是今后的长期载人飞行任务，使防火任务更加严重.需要研究典型气体氛围下沿固体表面的着火条件､火焰传播过程和熄火条件;还要研究闷烧的各种条件.除进行相应的模拟研究外，还要进行大量的落塔实验，对逐个上天的非金属材料和某些金属材料进行典型气体环境下的燃烧实验.同时，还需要制订载人飞行器的防火规范.美国和俄罗斯各自建立了他们的载人航天材料筛选和防火规范，但载人航天器中的着火事件仍有发生.因为载人航天器内存在着火的条件，问题不可能完全解决.特别是在载人探索火星等长时间飞行任务中，防火规范还是一个需要进一步探讨和研究的课题[8].
中国科学院工程热物理研究所和力学研究所进行了一些微重力燃烧的研究工作.近年来，清华大学和华中科技大学等煤燃烧重点实验室开始关注微重力的煤燃烧研究.在“十一·五”期间，非金属材科燃烧､导线的烧燃､煤的燃烧等项目己列入空间实验计划，应能取得好的结果.
5 材料科学
空间材料科学曾是微重力科学中耗资最大的领域，材料科学各分支领域的学者都希望在空间微重力环境中去研究凝固过程的机理和制备高质量的材科.空间微重力环境是制备､研究多元均匀块体材料的最佳场所，其主要特征就是消除了因重力而产生的沉降､浮力对流和静压力梯度.由于浮力减弱，密度分层效应的消失，可以使不同密度的介质均匀地混合.由于空间微重力环境中静压力梯度几乎趋于零，因而能提供更加均匀的热力学状态.这种条件更有利于研究物质的热力学本质和流体力学本质，探索､研制新型的材料和发现材料的新功能.目前空间材料科学研究的重点是利用空间实验的成果改进地面材料制备技术，以及利用空间微重力环境测量高温熔体的输运系数.在国际空间站的欧洲､美国和日本压力舱中，都有材料研究的专柜.
利用微重力环境进行材料科学研究，不仅可以发展材料科学理论，还可以发展新型材料和新型加工工艺.微重力环境可以制备出一些比地面更好的高品质材料，空间材料科学的进展及空间材料制备的技术可以改进空间和地面的材料加工，特别是为地面的晶体生长和铸造技术提供帮助.空间材料科学涉及的领域有金属材料､半导体材料､光学晶体材料､纳米材料和高分子与生物医学材料等[9].
我国空间材料科学目前面临相当大的困难.克服这些困难，目前一方面可充分利用国际合作(俄罗斯､日本)，另一方面，我们需要面对现实，以地基实验为主，在加强国际合作的同时，扩大该领域的研究团队，同时该学科需要进一步凝炼学科方向和科学问题，今后应该创造条件开展空间材料科学研究.我国空间材料科学在林兰英先生的倡导和指导下，一批学者积极参与，取得了重要学术成果.“十一·五”期间，我国的SJ-10卫星计划和载人航天工程(第二阶段)计划中都分别安排了多功位材料实验炉的空间实验，应能做出一批较好结果.
6 生物技术
空间生物技术促进了生物技术的定量化和模型化研究，促进了新的实验方法和仪器设备的发展，具有重要学科意义.另一方面，空间生物技术有很强的应用背景，可以改善人类的健康和发展生物产业，是空间商业计划的新方向.目前，空间生物技术的主要研究方向是蛋白质单晶生长和细胞/组织的三维培养.
晶体衍射法仍然是当今研究生物大分子结构和功能的主要方法，获得高质量的大尺寸蛋白质单晶就是一项艰难的任务.溶液法生长蛋白质晶体受到许多因素的影响，微重力环境可以更有效地提供扩散为主的输运环境以及实现失重条件下的无容器过程和较好的界面控制，使空间的蛋白质单晶生长显示出许多优点.各国空间局都安排了大量的空间蛋白质单晶生长实验，而且取得很大进展.但并不是所有空间实验都取得好结果，也有不少不成功的实验.机理研究表明，蛋白质晶体生长过程取决于溶质的输运过程和非线性的界面动力学过程;对于不同的生长条件，可以从实验和理论上具体分析这两个过程的作用.由于蛋白质晶体生长过程的复杂性，重力因素只是生长过程中诸多因素之一，机理研究还有待进一步完善.国际上有人认为液/液体系较好，也有人认为液/气体系较好.大家都在争取更多的空间实验，以取得更多的积累.空间蛋白质单晶生长己成为有重要应用前景的商业计划项目[10].在微重力环境中实现了三维的细胞/组织培养，开创了一片新天地.地球表面的重力作用，使细胞培养器中的附壁效应十分显著，一般都需要外加旋转效应.旋转效应引起的剪切力作用于被培养的细胞，将改变其性能，使被培养细胞或组织的性能发生较大变化.人们在地面利用三维旋转器来模拟某些微重力效应的同时，还进行了大量空间细胞/组织培养的实验，包括从细菌到哺乳动植物广泛类群的细胞.空间的生物反应器实验的结果表明，失重条件下的三维细胞培养极大地改善了地面细胞的培养条件，并己获得了一些很好的成果.随着空间生物反应器实验工作的进展，空间细胞/组识培养己经显示出重要的商业应用前景[11].
中国科学院生物物理研究所是我国从事空间蛋白质单晶生长研究的主要单位，动物研究所和力学研究所在细胞三维培养方面做了许多研究工作.
目前，国际空间活动正在调整探索方向，微重力研究遇到经费紧缺的困难.今后十余年的基础物理大型探测集中于LISA计划，一些中､小型计划正在考虑之中.国际空间站将于2010年完全建成，欧洲空间局的哥伦布舱和日本的希望舱段己分别与国际空间站主体对接.今后十年将是国际空间站出成果的时期，预计会完成一大批空间微重力实验.我国空间科学规划将微重力科学列为持续发展领域;我国载人航天工程第二步将建空间实验室，第三步将建空间站.今后15年将是我国微重力科学发展的好时期，我们要抓紧机遇，安排好计划，努力做出好成绩.
参考文献
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[11] 丰美福.空间科学学报，1999，19(增刊):17[Feng M F. Chin. J. Space Sci.， 1999，19(supplement):9(in Chinese)]
