用于生物醫(yī)用材料的大豆蛋白仿真制備研究.pdf

1、通過(guò)聯(lián)合使用Aspen(R)系列和Fluent(R)系列仿真平臺(tái)模擬計(jì)算反膠束法生產(chǎn)大豆蛋白的工業(yè)化流程，將化學(xué)工業(yè)中的仿真模擬計(jì)算方法應(yīng)用到食品工業(yè)中去。利用Aspen(R)系列仿真平臺(tái)中的穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算軟件Aspen Plus(R)和計(jì)算流體力學(xué)模擬仿真軟件Fluent(R)、Mixsim(R)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中涉及到的主要單元操作進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，其中包括攪拌罐、泵、離心機(jī)、精餾塔、再沸器和冷凝器等。在穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，使用Aspen

2、(R)系列仿真平臺(tái)中的動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算軟件Aspen Dynamics(R)，針對(duì)模擬仿真流程中的關(guān)鍵設(shè)備-精餾塔在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的啟動(dòng)、運(yùn)行及停止過(guò)程期間可能存在的進(jìn)料流量擾動(dòng)、進(jìn)料組成擾動(dòng)等特殊情況，進(jìn)行了產(chǎn)品質(zhì)量純度的魯棒性分析和研究，對(duì)其抗擾動(dòng)能力及對(duì)異常情況的響應(yīng)效果等進(jìn)行了討論。反膠束法萃取大豆蛋白的同時(shí)可以提取大豆毛油，并且萃取溶劑可循環(huán)回收使用，因此通過(guò)多種仿真平臺(tái)的聯(lián)合計(jì)算，以期為反膠束法萃取大豆蛋白工業(yè)化實(shí)際建廠(chǎng)提供相關(guān)

3、參數(shù)。本文以反膠束法生產(chǎn)出來(lái)的大豆蛋白為原料，通過(guò)利用層層自組裝技術(shù)，結(jié)合聚賴(lài)氨酸，制備出了可生物降解、可磁性操控的大豆蛋白微管，并通過(guò)掃描電鏡、透射電鏡、熒光顯微鏡、能量色散X射線(xiàn)光譜等技術(shù)手段確認(rèn)了微管的形成、可生物降解、可磁性操控及光熱轉(zhuǎn)換屬性。大豆蛋白可生物降解微管，作為一種新型的光熱治療劑，嘗試了大豆蛋白作為生物醫(yī)學(xué)材料的一種新應(yīng)用途徑，并探索了光熱法治療癌癥的新方法和可行性。課題主要得到的研究結(jié)果如下:
　　基于Asp

4、en Plus(R)和Fluent(R)等軟件模擬的反膠束法萃取大豆蛋白的穩(wěn)態(tài)工業(yè)流程分析。
　　使用穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算軟件Aspen Plus(R)、建模軟件Gambit(R)、攪拌罐專(zhuān)用設(shè)計(jì)軟件Mixsim(R)、計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent(R)模擬計(jì)算反膠束法萃取大豆蛋白工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中主要設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，繪制出了工業(yè)化模擬生產(chǎn)流程圖，并得到以下主要設(shè)計(jì)參數(shù):
　　攪拌罐通過(guò)模擬計(jì)算對(duì)比單層和雙層四折葉渦輪攪拌槳不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)

5、的流體區(qū)域速度矢量，可以得到:攪拌槳的槳型應(yīng)選用雙層四折葉渦輪攪拌槳;通過(guò)對(duì)攪拌罐不同槳徑比（攪拌槳直徑與攪拌罐的內(nèi)直徑比值）的數(shù)值模擬計(jì)算，可以得到:當(dāng)攪拌罐的槳徑比為1∶3時(shí)攪拌效果較佳;通過(guò)模擬計(jì)算攪拌槳不同擺放深度下的湍流能量變化曲線(xiàn)可以看出，y=0.5H實(shí)（擺放深度為攪拌罐實(shí)際高度一半）時(shí)可以達(dá)到較好的攪拌效果。在以上條件下進(jìn)行攪拌，所需攪拌時(shí)間為43min，電機(jī)功率為4936W，攪拌槳對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)云圖顯示，攪拌槳的葉邊承受的壓

6、強(qiáng)較大，達(dá)到3.92×104Pa(相對(duì)壓強(qiáng))，相應(yīng)的攪拌罐參數(shù)為:攪拌槳葉輪直徑0.65m，葉輪寬度0.11m，槳距攪拌罐罐底高度1.75m，攪拌槳轉(zhuǎn)速160r/min，槳葉數(shù)4個(gè)，擋板數(shù)4個(gè)，擋板寬度0.3m，攪拌罐有效體積9m3，攪拌罐內(nèi)直徑1.8m，攪拌罐簡(jiǎn)體實(shí)際高度3.5m。
　　泵利用Aspen Plus(R)軟件來(lái)進(jìn)行泵的選型，計(jì)算所用物性方法為PENG-ROB，模擬計(jì)算得出:泵-1、泵-2、泵-3和泵-4的揚(yáng)程需分別

7、滿(mǎn)足40.8m、40.8m、32.4m和28.7m，汽蝕余量需分別滿(mǎn)足0.91m、0.91m、0.51m和0.43m，泵的軸功率需分別滿(mǎn)足6.2kW、6.2kW、5.3kW和4.7kW。利用Gambit(R)軟件進(jìn)行泵體的網(wǎng)格劃分，將4個(gè)泵體網(wǎng)格化后的模型分別導(dǎo)入Fluent(R)軟件中進(jìn)行泵的速度和壓強(qiáng)流場(chǎng)的模擬，得到:泵-1和泵-2蝸殼轉(zhuǎn)彎處流體的均速度較大，泵-3全處壓強(qiáng)比較均勻，泵-4整個(gè)蝸殼的邊緣壓強(qiáng)都較大。
　　離心機(jī)

8、模擬計(jì)算型號(hào)采用臥式螺旋卸料沉降式離心機(jī)。通過(guò)使用Aspen Plus(R)軟件中的HyCyc模塊來(lái)進(jìn)行離心機(jī)-1和離心機(jī)-2的參數(shù)模擬，得到離心機(jī)-1和離心機(jī)-2的壓力降分別為15kPa和22kPa、機(jī)體長(zhǎng)度分別為1.8m和2.6m、機(jī)體直徑分別為0.65m和0.95m、機(jī)體入口直徑分別為0.24m和0.36m、機(jī)體上溢口直徑分別為0.21m和0.25m、機(jī)體下溢口直徑分別為0.08m和0.17m。
　　精餾塔繪制了精餾塔的原理

9、示意圖，通過(guò)Aspen Plus(R)軟件的靈敏度計(jì)算分析模塊，可以得出:當(dāng)減壓蒸餾的回流比為0.352，塔頂餾出物流量為3800L/h時(shí)，油脂和溶劑的質(zhì)量純度分別可以達(dá)到98.9％和99.7％，隨著精餾塔塔板數(shù)的增加，油脂和溶劑的純度分別增大，并確定了精餾塔理論塔板數(shù)為7。
　　再沸器和冷凝器利用Exchanger Design Rating(R)(EDR)軟件和Aspen Plus(R)軟件來(lái)進(jìn)行再沸器和冷凝器的模擬計(jì)算，得出

10、了再沸器和冷凝器的裝配平面圖和配管圖，并核算了再沸器和冷凝器的質(zhì)量與成本。模擬出了殼程進(jìn)出口直徑和管程進(jìn)出口直徑，以及殼程溫度分布和管程溫度分布。
　　基于Aspen Dynamics(R)軟件模擬的反膠束法萃取大豆蛋白的動(dòng)態(tài)工業(yè)流程分析。
　　使用動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算軟件Aspen Dynamics(R)研究了反膠束法生產(chǎn)大豆蛋白工藝流程中關(guān)鍵設(shè)備-精餾塔的魯棒性，并模擬計(jì)算了精餾塔的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和抗擾動(dòng)性，得到如下參數(shù):
　

11、　在精餾塔啟動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算精餾塔塔頂和塔底產(chǎn)品質(zhì)量純度隨生產(chǎn)時(shí)間變化的關(guān)系，可以得出:當(dāng)精餾塔啟動(dòng)45min后，塔頂和塔底的產(chǎn)品質(zhì)量純度均達(dá)到目標(biāo)純度。當(dāng)精餾塔進(jìn)料流量比原進(jìn)料流量增大20％時(shí)，塔頂和塔底的產(chǎn)品質(zhì)量純度變化均較大，分別需經(jīng)過(guò)50min和35min后才重新達(dá)到穩(wěn)定;當(dāng)精餾塔進(jìn)料流量比原進(jìn)料流量減少20％時(shí)，塔頂和塔底的產(chǎn)品質(zhì)量純度變化均不大，分別需經(jīng)過(guò)40min和30min后重新達(dá)到穩(wěn)定，波動(dòng)幅度很小，波形不明顯;當(dāng)精

12、餾塔進(jìn)料組成發(fā)生+5％擾動(dòng)時(shí)，塔頂和塔底的產(chǎn)品質(zhì)量純度變化較大，圖形波動(dòng)明顯;當(dāng)精餾塔進(jìn)料組成發(fā)生-5％擾動(dòng)時(shí)，塔頂和塔底的產(chǎn)品質(zhì)量純度變化較小，圖形波動(dòng)不明顯?？梢钥闯?，進(jìn)料組成擾動(dòng)明顯比進(jìn)料流量擾動(dòng)造成的影響要大，精餾塔啟動(dòng)過(guò)程中塔頂和塔底產(chǎn)品質(zhì)量純度隨時(shí)間的增加而逐漸增大。
　　在精餾塔停止過(guò)程中，當(dāng)停止后第10min時(shí)，精餾塔塔頂和塔底產(chǎn)品質(zhì)量純度開(kāi)始不符合設(shè)計(jì)要求，也即精餾塔停止操作后的10min內(nèi)塔頂和塔底的產(chǎn)品仍是合

13、格產(chǎn)品。精餾塔停止操作過(guò)程中塔頂和塔底產(chǎn)品質(zhì)量純度隨時(shí)間的變化而逐漸降低。
　　大豆蛋白可生物降解微管的制備工藝優(yōu)化。
　　通過(guò)靜電相互作用，使用反膠束法生產(chǎn)出來(lái)的大豆蛋白與聚賴(lài)氨酸聚合能制備出可生物降解的大豆蛋白微管。本文以微管制備率為指標(biāo)，使用Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)、最陡爬坡試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)曲面Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化微管制備工藝，得到制備大豆蛋白可生物降解微管的最佳工藝參數(shù)條件為大豆蛋白濃度

14、:8.52％、聚賴(lài)氨酸濃度:6.32％、聚賴(lài)氨酸浸入時(shí)間:20.2min，制備溫度31.4℃。在此工藝條件下，大豆蛋白可生物降解微管的理論制備率可達(dá)77.28％。為驗(yàn)證組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)的可靠性，采用上述最優(yōu)條件進(jìn)行制備試驗(yàn)，實(shí)際測(cè)得的制備率為76.82％。因此，將Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)、最陡爬坡試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)曲面Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)用于大豆蛋白可生物降解微管的制備工藝優(yōu)化得到的參數(shù)準(zhǔn)確可靠。
　　大豆蛋白可

15、生物降解微管的磁性操控及光熱效應(yīng)。
　　在大豆蛋白可生物降解微管的外表面上裝配Au納米粒子，在NIR的照射下，Au納米粒子可以將光能轉(zhuǎn)變成熱能;在微管內(nèi)表面上裝配Fe3O4納米粒子，可以通過(guò)外部磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行微管的操控，使微管可以接近于HeLa細(xì)胞的附近。光熱轉(zhuǎn)換試驗(yàn)可以證明，在NIR的照射下，微管通過(guò)光熱效應(yīng)可以提高微管懸浮液的溫度超過(guò)42℃，而這個(gè)溫度可以殺死癌細(xì)胞，同時(shí)通過(guò)熒光圖像可以看出，微管的光熱效應(yīng)可以有效的殺死HeLa細(xì)

16、胞，誘導(dǎo)HeLa細(xì)胞的凋亡。光熱法殺死HeLa細(xì)胞的空白試驗(yàn)可以表明，HeLa細(xì)胞是由微管光熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱而致死的，并隨著微管濃度的增加，微管附近的溫度不斷提升。通過(guò)動(dòng)態(tài)光散射試驗(yàn)可以看出微管的粒徑分布情況，其中平均粒徑以在15-20μm的居多，占78％。另外，由于微管骨架的組成成分是大豆蛋白，能夠被蛋白酶處理降解，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?yàn)槠渚哂锌缮锝到庑?、易于操控性等屬性，從而在光熱法治療癌癥領(lǐng)域有著很