用于生物醫(yī)用材料的大豆蛋白仿真制備研究.pdf

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

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

3、參數(shù)。本文以反膠束法生產(chǎn)出來的大豆蛋白為原料，通過利用層層自組裝技術(shù)，結(jié)合聚賴氨酸，制備出了可生物降解、可磁性操控的大豆蛋白微管，并通過掃描電鏡、透射電鏡、熒光顯微鏡、能量色散X射線光譜等技術(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)模擬計算軟件Aspen Plus(R)、建模軟件Gambit(R)、攪拌罐專用設(shè)計軟件Mixsim(R)、計算流體力學(xué)軟件Fluent(R)模擬計算反膠束法萃取大豆蛋白工業(yè)生產(chǎn)過程中主要設(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)計參數(shù):
　　攪拌罐通過模擬計算對比單層和雙層四折葉渦輪攪拌槳不同轉(zhuǎn)速對應(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;通過對攪拌罐不同槳徑比（攪拌槳直徑與攪拌罐的內(nèi)直徑比值）的數(shù)值模擬計算，可以得到:當(dāng)攪拌罐的槳徑比為1∶3時攪拌效果較佳;通過模擬計算攪拌槳不同擺放深度下的湍流能量變化曲線可以看出，y=0.5H實（擺放深度為攪拌罐實際高度一半）時可以達到較好的攪拌效果。在以上條件下進行攪拌，所需攪拌時間為43min，電機功率為4936W，攪拌槳對應(yīng)的壓強云圖顯示，攪拌槳的葉邊承受的壓

6、強較大，達到3.92×104Pa(相對壓強)，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，擋板數(shù)4個，擋板寬度0.3m，攪拌罐有效體積9m3，攪拌罐內(nèi)直徑1.8m，攪拌罐簡體實際高度3.5m。
　　泵利用Aspen Plus(R)軟件來進行泵的選型，計算所用物性方法為PENG-ROB，模擬計算得出:泵-1、泵-2、泵-3和泵-4的揚程需分別

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

8、模擬計算型號采用臥式螺旋卸料沉降式離心機。通過使用Aspen Plus(R)軟件中的HyCyc模塊來進行離心機-1和離心機-2的參數(shù)模擬，得到離心機-1和離心機-2的壓力降分別為15kPa和22kPa、機體長度分別為1.8m和2.6m、機體直徑分別為0.65m和0.95m、機體入口直徑分別為0.24m和0.36m、機體上溢口直徑分別為0.21m和0.25m、機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Aspen Plus(R)軟件的靈敏度計算分析模塊，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，油脂和溶劑的質(zhì)量純度分別可以達到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)軟件來進行再沸器和冷凝器的模擬計算，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。模擬出了殼程進出口直徑和管程進出口直徑，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態(tài)工業(yè)流程分析。
　　使用動態(tài)模擬計算軟件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，并模擬計算了精餾塔的動態(tài)穩(wěn)定性和抗擾動性，得到如下參數(shù):
　

11、　在精餾塔啟動過程中，通過計算精餾塔塔頂和塔底產(chǎn)品質(zhì)量純度隨生產(chǎn)時間變化的關(guān)系，可以得出:當(dāng)精餾塔啟動45min后，塔頂和塔底的產(chǎn)品質(zhì)量純度均達到目標(biāo)純度。當(dāng)精餾塔進料流量比原進料流量增大20％時，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50min和35min后才重新達到穩(wěn)定;當(dāng)精餾塔進料流量比原進料流量減少20％時，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40min和30min后重新達到穩(wěn)定，波動幅度很小，波形不明顯;當(dāng)精

12、餾塔進料組成發(fā)生+5％擾動時，塔頂和塔底的產(chǎn)品質(zhì)量純度變化較大，圖形波動明顯;當(dāng)精餾塔進料組成發(fā)生-5％擾動時，塔頂和塔底的產(chǎn)品質(zhì)量純度變化較小，圖形波動不明顯。可以看出，進料組成擾動明顯比進料流量擾動造成的影響要大，精餾塔啟動過程中塔頂和塔底產(chǎn)品質(zhì)量純度隨時間的增加而逐漸增大。
　　在精餾塔停止過程中，當(dāng)停止后第10min時，精餾塔塔頂和塔底產(chǎn)品質(zhì)量純度開始不符合設(shè)計要求，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。精餾塔停止操作過程中塔頂和塔底產(chǎn)品質(zhì)量純度隨時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。
　　通過靜電相互作用，使用反膠束法生產(chǎn)出來的大豆蛋白與聚賴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試驗設(shè)計、最陡爬坡試驗設(shè)計和響應(yīng)曲面Box-Benhnken試驗設(shè)計來優(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％、聚賴氨酸濃度:6.32％、聚賴氨酸浸入時間: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77.28％。為驗證組合設(shè)計試驗的可靠性，采用上述最優(yōu)條件進行制備試驗，實際測得的制備率為76.82％。因此，將Plackett-Burman試驗設(shè)計、最陡爬坡試驗設(shè)計和響應(yīng)曲面Box-Benhnken試驗設(shè)計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，可以通過外部磁場來進行微管的操控，使微管可以接近于HeLa細(xì)胞的附近。光熱轉(zhuǎn)換試驗可以證明，在NIR的照射下，微管通過光熱效應(yīng)可以提高微管懸浮液的溫度超過42℃，而這個溫度可以殺死癌細(xì)胞，同時通過熒光圖像可以看出，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。通過動態(tài)光散射試驗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為其具有可生物降解性、易于操控性等屬性，從而在光熱法治療癌癥領(lǐng)域有著很