Автореферат (Разработка метода расчета рабочих процессов и создание пневмовакуумной установки сепарации ДНК)

На правах рукописиУДК 533.599; 57.088.3Пугачук Александр СергеевичРАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВИ СОЗДАНИЕ ПНЕВМОВАКУУМНОЙУСТАНОВКИ СЕПАРАЦИИ ДНКСпециальность 05.04.06 – Вакуумная, компрессорная техника ипневмосистемыАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительдоктор технических наук,профессорА.В.ЧернышевМосква – 2016Работа выполнена в Московском государственномуниверситете имени Н.Э. Баумана (МГТУ им.

Н.Э. Баумана).техническомНаучный руководитель:доктор технических наук, профессорФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э. БауманаЧернышев Андрей ВладимировичОфициальные оппоненты:доктор технических наук, профессорБурмистров Алексей Васильевич,профессор кафедры "Вакуумной техникиэлектрофизическихустановок"ФГБОУ ВО «КНИТУ»кандидат технических наукКрутиков Алексей Александрович,инженер-конструктор 1 кат. АО ОКБ«ГИДРОПРЕСС»Ведущее предприятие:Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии»Защита диссертации состоится «26» _октября__ 2016 г. в 16:30 час. назаседании диссертационного совета Д 212.141.16 при Московскомгосударственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу:105005, Москва, Лефортовская наб., д.1С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО«МГТУ им.

Н.Э. Баумана» и на сайте http://www.bmstu.ru.Ваш отзыв на автореферат в 2 экз., заверенных печатью учреждения, просимнаправлять по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская улица, д.5, стр.1Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.141.16.Автореферат разослан «____» _______________ 2016г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.141.16кандидат технических наук, доцентМ. А. КолосовОбщая характеристика работыАктуальность исследованияНа сегодняшний день в технике широко используются пневмовакуумныеустановки сепарации, в том числе в сфере технологий живых систем.

В этойсфере, в частности в области молекулярной диагностики, требуется получениеинформации, содержащейся в дезоксирибонуклеиновых кислотах (ДНК), чтонеобходимо для выявления видовой принадлежности, идентификации личности, генетических, вирусных заболеваний и др. Вирусные заболевания приводятк отклонениям в структуре ДНК и могут быть обнаружены с помощью молекулярно-генетических исследований. Наиболее распространенным методом проведения молекулярно-генетических исследований является метод полимеразнойцепной реакции (ПЦР).Метод ПЦР имеет высокие показатели эффективности, чувствительностьи специфичность, однако его реализация невозможна без предварительнойочистки биопробы – раствора, содержащего исследуемую ДНК – от примесейдругих органических и неорганических структур.

Очистка и выделение ДНК изпервичного исследуемого раствора проводятся на одном из важнейших этаповисследования – этапе пробоподготовки. Выделение ДНК на этапе пробоподготовки осуществляется различными методами. Одним из наиболее эффективныхявляется сорбционный метод – метод вакуумной сепарации. В данном методе спомощью установок вакуумной сепарации (УВС) реализуется течение пробычерез рабочие ячейки, содержащие порошок диоксида кремния, под действиемперепада давления между атмосферным давлением и давлением ниже атмосферного, созданным внутри рабочей полости. В существующих УВС имеетсяряд недостатков, связанных с неравномерностью протекания рабочих процессов, что приводит к нестабильности качества очистки проб. Для повышенияэффективности выделения ДНК необходима разработка нового оборудования.Разработка пневмовакуумной установки сепарации ДНК – эффективнойустановки вакуумной сепарации ДНК, предназначенной для подготовки проб кмолекулярно-биологическим исследованиям, связана с высокими финансовымии временными затратами.

Проектирование нового оборудования для пробоподготовки требует проведения большого числа экспериментальных исследований.Проведение экспериментальных исследований не позволяет в полной мере получить информацию о рабочих характеристиках, необходимых при разработкеновых установок вакуумной сепарации. Обзор литературы показал, что методырасчета рабочих процессов в УВС ДНК на сегодняшний день отсутствуют.

Таким образом, разработка и обоснование метода расчета рабочих процессов вУВС, проведение расчетно-теоретических исследований и создание на их основе пневмовакуумной установки сепарации ДНК являются актуальными задачами научного исследования.Объектом исследования является установка вакуумной сепарации ДНК.Предметом исследования являются рабочие процессы, протекающие врабочей полости УВС, и определяющие их технические и эксплуатационныехарактеристики.1Цель работы:Разработка метода расчета рабочих процессов, протекающих в УВС, и создание пневмовакуумной установки сепарации ДНКЗадачи исследования:1.

Разработка метода расчета и математической модели рабочих процессовв установках вакуумной сепарации ДНК.2. Создание методики проведения эксперимента, экспериментальногостенда и проведение исследований рабочих процессов в установках вакуумной сепарации.3. Проведение численных исследований рабочих процессов в УВС и проверка адекватности математической модели.4. Проведение расчетно-теоретических исследований рабочих процессов вУВС на основе разработанной математической модели.5.

Разработка пневмовакуумной установки сепарации ДНК.Научная новизна1. Впервые применительно к установкам вакуумной сепарации разработанметод расчета рабочих процессов, включающий математическую модель двухфазного течения рабочей среды через пористое тело, с учетомраспределенных параметров в рабочей полости блока вакуумной сепарации. Разработанный метод расчета позволил провести детальный анализ рабочих процессов в УВС при различных режимах работы, что невозможно реализовать с использованием экспериментальных методовисследования.2. Впервые получены расходные характеристики движения рабочей средыпри течении ее через ячейки типового 96-луночного планшета очисткии определен статистический разброс гидравлических сопротивлений(коэффициентов проницаемости) пористых тел внутри ячеек.3.

Впервые определены гидродинамические параметры взаимодействиярабочей среды с элементами типового 96-луночного планшета очистки:коэффициенты проницаемости материала пористого тела ячеек, коэффициент пористости материала пористого тела и краевой угол смачивания материала планшета очистки.4. Впервые проведено расчетно-теоретическое исследование рабочих процессов в блоке вакуумной сепарации, позволившее получить картиныраспределения основных определяющих параметров течения, оценитьнеравномерность поля давлений в рабочей полости установки и перепаддавления, при котором происходит смена режима течения в областикаплеобразования под рабочей ячейкой между капельным и струйным.5.

Предложена новая конструкция пневмовакуумной установки сепарациирастворов ДНК, параметры которой получены на основе численного исследования рабочих процессов, позволившего повысить эффективностьее работы.2Практическая ценность1. Разработан метод расчета рабочих процессов в установках вакуумнойсепарации ДНК, позволяющий сделать разработку новых установок более эффективной, снизить затраты времени и средств на разработкублагодаря проведению численного исследования на начальных этапахпроектирования. Разработанный метод расчета позволяет проектировать новые более эффективные установки вакуумной сепарации иустройства для повышения стабильности качества очистки проб.2.

Разработана новая пневмовакуумная установка сепарации ДНК для молекулярно-биологических лабораторных исследований.3. Результаты работы использованы при выполнении НИР «Созданиенаучной базы разработки вакуумного и пневмоэлектромеханическогооборудования с применением методов быстрого прототипирования»(Шифр ГБ3301сп) и НИР «Расчетно-теоретические и экспериментальные исследования рабочих процессов в устройствах систем пробоподготовки для анализа ДНК методом ПЦР» (Шифр ГЭ3302сп) в МГТУим. Н.Э.

Баумана, Москва.4. Работа проводилась при поддержке центра развития инновационнойинфраструктуры и молодежного предпринимательства МГТУ им. Н.Э.Баумана. Благодаря научным результатам работы получены грант Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научнотехнической сфере, стипендия Правительства РФ, стипендия Президента РФ.

Работа получила развитие с помощью программы “ФормулаБиотех 2016”, организованной в Научном Парке МГУ им. М.В. Ломоносова.5. Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ЗАО«Синтол», г. Москва в процессе проведения научно-исследовательскойи опытно-конструкторской работы по разработке роботизированногокомплекса для молекулярно-генетических исследований и внедрены вучебный процесс ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э.