本文選題：Aspen　切入點(diǎn)：Fluent　出處：《東北農(nóng)業(yè)大學(xué)》2014年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：通過(guò)聯(lián)合使用Aspen(?)系列和Fluent(?)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(?)系列仿真平臺(tái)中的穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算軟件Aspen Plus(?)和計(jì)算流體力學(xué)模擬仿真軟件Fluent(?)、 Mixsim(?),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(?)系列仿真平臺(tái)中的動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算軟件Aspen Dynamics(?),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)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Aspen Plus(?)和Fluent(?)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(?)、建模軟件Gambit(?)、攪拌罐專(zhuān)用設(shè)計(jì)軟件Mixsim(?)、計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent(?)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)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,攪拌罐筒體實(shí)際高度3.5m。泵利用Aspen Plus(?)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(?)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(?)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)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(?)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示意圖,通過(guò)Aspen Plus(?)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(?)(EDR)軟件和Aspen Plus(?)軟件來(lái)進(jìn)行再沸器和冷凝器的模擬計(jì)算,得出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�；贏spen Dynamics(?)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(?)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)：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。可以看出,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：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。C,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)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�?從而在光熱法治療癌癥領(lǐng)域有著很大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：R318.08;TS201.21

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本文編號(hào)：1629370