冷冻干燥产品低温保存中的非平衡热力学研究

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小分子线性多元醇在生物材料的冷冻干燥玻璃化保存中占有重要地位。因其分子结构简单,玻璃形成能力强,玻璃化转变和松弛行为简单典型,常被用作玻璃化转变和焓松弛研究的模型系统。冷冻干燥制品中,玻璃态基质的焓松弛会对其中的活性物质产生明显影响,而玻璃态属于热力学非平衡态,因此,对冷冻干燥产品中的非平衡热力学研究既具有理论指导价值又具有一定的实际意义。另外,描述玻璃焓松弛迄今尚无确切理论,只有一些现象学模型具有较好的普适性。不同模型描述同一种物质玻璃焓松弛效果可能存在差异。因此,考察不同现象学模型对玻璃焓松弛行为的预测力,对制定冻干品的合理保存条件,延长货架寿命具有重要意义。本研究是国家自然基金项目“线性多元醇及其水溶液的玻璃化转变和结构松弛研究(No.20803016)”的重要组成部分,其内容如下:   1.综述玻璃焓松弛的几种现象学模型,给出算法描述,利用Matlab最优化工具箱,采用Nedler-Mead搜索算法编写计算程序。   2.选取木糖醇和山梨醇作为模型系统,利用DSC实验获取经历不同热历史的模型系统升温表观比热容,借此分析两个模型体系的玻璃化现象;通过曲线拟合方法获得山梨醇模型系统的TNM焓松弛参数,并给出热力学和动力学脆度,与己报道的结果作对比。结果表明:TNM模型能很好的重现多元醇玻璃体系经历不同降温速率的比热容曲线,在相同条件下,丙三醇、木糖醇和山梨醇(分子中的碳原子在同一直链上且无侧链)的玻璃化及焓松弛模型参数随碳链的增长,除指前因子A减小以外,玻璃化转变温度Tg、活化焓△h*、非指数参数β、非线性参数x、动力学脆度m和热力学脆度△Cp均呈增加趋势。   3.针对两种线性多元醇模型系统,分析基于AG理论的三种现象学模型(AGV、GR和Hutchinson)参数,并与其他方法(如介电法,粘弹性法)得到的结果做比较,从现象学模型对实验数据拟合的均方差σa和各模型对T2预测能力两方面分析,发现Hutchinson模型对实验数据的预测力优于AGV和GR模型。
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