用于生物医用材料的大豆蛋白仿真制备研究

发布时间：2018-03-18 11:18

本文选题：Aspen　切入点：Fluent　出处：《东北农业大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：通过联合使用Aspen(?)系列和Fluent(?)系列仿真平台模拟计算反胶束法生产大豆蛋白的工业化流程,将化学工业中的仿真模拟计算方法应用到食品工业中去。利用Aspen(?)系列仿真平台中的稳态模拟计算软件Aspen Plus(?)和计算流体力学模拟仿真软件Fluent(?)、 Mixsim(?),对实际生产中涉及到的主要单元操作进行了设计计算,其中包括搅拌罐、泵、离心机、精馏塔、再沸器和冷凝器等。在稳态模拟计算的基础上,使用Aspen(?)系列仿真平台中的动态模拟计算软件Aspen Dynamics(?),针对模拟仿真流程中的关键设备-精馏塔在实际工业生产中的启动、运行及停止过程期间可能存在的进料流量扰动、进料组成扰动等特殊情况,进行了产品质量纯度的鲁棒性分析和研究,对其抗扰动能力及对异常情况的响应效果等进行了讨论。反胶束法萃取大豆蛋白的同时可以提取大豆毛油,并且萃取溶剂可循环回收使用,因此通过多种仿真平台的联合计算,以期为反胶束法萃取大豆蛋白工业化实际建厂提供相关参数。本文以反胶束法生产出来的大豆蛋白为原料,通过利用层层自组装技术,结合聚赖氨酸,制备出了可生物降解、可磁性操控的大豆蛋白微管,并通过扫描电镜、透射电镜、荧光显微镜、能量色散X射线光谱等技术手段确认了微管的形成、可生物降解、可磁性操控及光热转换属性。大豆蛋白可生物降解微管,作为一种新型的光热治疗剂,尝试了大豆蛋白作为生物医学材料的一种新应用途径,并探索了光热法治疗癌症的新方法和可行性。课题主要得到的研究结果如下：基于Aspen Plus(?)和Fluent(?)等软件模拟的反胶束法萃取大豆蛋白的稳态工业流程分析。使用稳态模拟计算软件Aspen Plus(?)、建模软件Gambit(?)、搅拌罐专用设计软件Mixsim(?)、计算流体力学软件Fluent(?)模拟计算反胶束法萃取大豆蛋白工业生产过程中主要设备的关键参数,绘制出了工业化模拟生产流程图,并得到以下主要设计参数：搅拌罐通过模拟计算对比单层和双层四折叶涡轮搅拌桨不同转速对应的流体区域速度矢量,可以得到：搅拌桨的桨型应选用双层四折叶涡轮搅拌桨：通过对搅拌罐不同桨径比(搅拌桨直径与搅拌罐的内直径比值)的数值模拟计算,可以得到：当搅拌罐的桨径比为1：3时搅拌效果较佳;通过模拟计算搅拌桨不同摆放深度下的湍流能量变化曲线可以看出,y=0.5H实(摆放深度为搅拌罐实际高度一半)时可以达到较好的搅拌效果。在以上条件下进行搅拌,所需搅拌时间为43min,电机功率为4936W,搅拌桨对应的压强云图显示,搅拌桨的叶边承受的压强较大,达到3.92×104Pa(相对压强),相应的搅拌罐参数为：搅拌桨叶轮直径0.65m,叶轮宽度0.11m,桨距搅拌罐罐底高度1.75m,搅拌桨转速160r/min,桨叶数4个,挡板数4个,挡板宽度0.3m,搅拌罐有效体积9m3,搅拌罐内直径1.8m,搅拌罐筒体实际高度3.5m。泵利用Aspen Plus(?)软件来进行泵的选型,计算所用物性方法为PENG-ROB,模拟计算得出：泵-1、泵-2、泵-3和泵-4的扬程需分别满足40.8m、40.8m、32.4m和28.7m,汽蚀余量需分别满足0.91m、0.91m、0.51m和0.43m,泵的轴功率需分别满足6.2kW、6.2kW、5.3kW和4.7kW。利用Gambit(?)软件进行泵体的网格划分,将4个泵体网格化后的模型分别导入Fluent(?)软件中进行泵的速度和压强流场的模拟,得到：泵-1和泵-2蜗壳转弯处流体的均速度较大,泵-3全处压强比较均匀,泵-4整个蜗壳的边缘压强都较大。离心机模拟计算型号采用卧式螺旋卸料沉降式离心机。通过使用Aspen Plus(?)软件中的HyCyc模块来进行离心机-1和离心机-2的参数模拟,得到离心机-1和离心机-2的压力降分别为15kPa和22kPa、机体长度分别为1.8m和2.6m、机体直径分别为0.65m和0.95m、机体入口直径分别为0.24m和0.36m、机体上溢口直径分别为0.21m和0.25m、机体下溢口直径分别为0.08m和0.17m。精馏塔绘制了精馏塔的原理示意图,通过Aspen Plus(?)软件的灵敏度计算分析模块,可以得出：当减压蒸馏的回流比为0.352,塔顶馏出物流量为3800L/h时,油脂和溶剂的质量纯度分别可以达到98.9%和99.7%,随着精馏塔塔板数的增加,油脂和溶剂的纯度分别增大,并确定了精馏塔理论塔板数为7。再沸器和冷凝器利用Exchanger Design Rating(?)(EDR)软件和Aspen Plus(?)软件来进行再沸器和冷凝器的模拟计算,得出了再沸器和冷凝器的装配平面图和配管图,并核算了再沸器和冷凝器的质量与成本。模拟出了壳程进出口直径和管程进出口直径,以及壳程温度分布和管程温度分布。基于Aspen Dynamics(?)软件模拟的反胶束法萃取大豆蛋白的动态工业流程分析。使用动态模拟计算软件Aspen Dynamics(?)研究了反胶束法生产大豆蛋白工艺流程中关键设备-精馏塔的鲁棒性,并模拟计算了精馏塔的动态稳定性和抗扰动性,得到如下参数：在精馏塔启动过程中,通过计算精馏塔塔顶和塔底产品质量纯度随生产时间变化的关系,可以得出：当精馏塔启动45min后,塔顶和塔底的产品质量纯度均达到目标纯度。当精馏塔进料流量比原进料流量增大20%时,塔顶和塔底的产品质量纯度变化均较大,分别需经过50min和35min后才重新达到稳定；当精馏塔进料流量比原进料流量减少20%时,塔顶和塔底的产品质量纯度变化均不大,分别需经过40min和30min后重新达到稳定,波动幅度很小,波形不明显；当精馏塔进料组成发生+5%扰动时,塔顶和塔底的产品质量纯度变化较大,图形波动明显；当精馏塔进料组成发生-5%扰动时,塔顶和塔底的产品质量纯度变化较小,图形波动不明显。可以看出,进料组成扰动明显比进料流量扰动造成的影响要大,精馏塔启动过程中塔顶和塔底产品质量纯度随时间的增加而逐渐增大。在精馏塔停止过程中,当停止后第10min时,精馏塔塔顶和塔底产品质量纯度开始不符合设计要求,也即精馏塔停止操作后的10min内塔顶和塔底的产品仍是合格产品。精馏塔停止操作过程中塔顶和塔底产品质量纯度随时间的变化而逐渐降低。大豆蛋白可生物降解微管的制备工艺优化。通过静电相互作用,使用反胶束法生产出来的大豆蛋白与聚赖氨酸聚合能制备出可生物降解的大豆蛋白微管。本文以微管制备率为指标,使用Plackett-Burman试验设计、最陡爬坡试验设计和响应曲面Box-Benhnken试验设计来优化微管制备工艺,得到制备大豆蛋白可生物降解微管的最佳工艺参数条件为大豆蛋白浓度：8.52%、聚赖氨酸浓度：6.32%、聚赖氨酸浸入时间：20.2min,制备温度31.4℃。在此工艺条件下,大豆蛋白可生物降解微管的理论制备率可达77.28%。为验证组合设计试验的可靠性,采用上述最优条件进行制备试验,实际测得的制备率为76.82%。因此,将Plackett-Burman试验设计、最陡爬坡试验设计和响应曲面Box-Benhnken试验设计用于大豆蛋白可生物降解微管的制备工艺优化得到的参数准确可靠。大豆蛋白可生物降解微管的磁性操控及光热效应。在大豆蛋白可生物降解微管的外表面上装配Au纳米粒子,在NIR的照射下,Au纳米粒子可以将光能转变成热能；在微管内表面上装配Fe3O4纳米粒子,可以通过外部磁场来进行微管的操控,使微管可以接近于HeLa细胞的附近。光热转换试验可以证明,在NIR的照射下,微管通过光热效应可以提高微管悬浮液的温度超过42。C,而这个温度可以杀死癌细胞,同时通过荧光图像可以看出,微管的光热效应可以有效的杀死HeLa细胞,诱导HeLa细胞的凋亡。光热法杀死HeLa细胞的空白试验可以表明,HeLa细胞是由微管光热效应产生的热而致死的,并随着微管浓度的增加,微管附近的温度不断提升。通过动态光散射试验可以看出微管的粒径分布情况,其中平均粒径以在15-20μm的居多,占78%。另外,由于微管骨架的组成成分是大豆蛋白,能够被蛋白酶处理降解,因此使微管具有可生物降解性。大豆蛋白可生物降解微管因为其具有可生物降解性、易于操控性等属性,从而在光热法治疗癌症领域有着很大的发展潜力和应用前景。
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【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.08;TS201.21

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