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

Московский государственный технический университетимени Н.Э. Баумана____________________________________________________________________На правах рукописиУДК 533.599; 57.088.3Пугачук Александр СергеевичРАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВИ СОЗДАНИЕ ПНЕВМОВАКУУМНОЙУСТАНОВКИ СЕПАРАЦИИ ДНКСпециальность 05.04.06 – Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемыДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительдоктор технических наук,профессорА.В.ЧернышевМосква – 20162ОГЛАВЛЕНИЕСтр.Перечень условных обозначений………………………………………………...5Введение………………………………………………………………………….….8Глава 1.

Состояние вопроса исследования рабочих процессов впневмовакуумных установках сепарации ДНК…………….………….……..181.1. Этап пробоподготовки при молекулярно-биологическихисследованиях методом полимеразной цепной реакции………...………………181.2. Обзор методов выделения ДНК……………………………………………....201.3. Обзор оборудования для пробоподготовки………………………………….281.3.1. Автоматизированные установки пробоподготовки……………………….281.3.2. Неавтоматизированные установки пробоподготовки……….…………….311.4. Основные параметры установок вакуумной сепарации…………………….361.5. Обзор методов расчета рабочих процессов, протекающих вустановках вакуумной сепарации…………………………………………………371.5.1.

Методы расчета течения рабочей среды через ячейки установоквакуумной сепарации………………………………………………………………421.5.2. Методы расчета связывания рабочей среды в ячейках установоквакуумной сепарации………………………………………………………………471.6. Факторы, влияющие на работу установок вакуумной сепарации ДНК……531.6.1. Фактор неравномерности рабочих процессов……………………………..531.6.2. Фактор поверхностных явлений……………………………………………551.7. Методы численного исследования рабочих процессов……………………..561.8.

Постановка цели и задач исследования……………………………………...58Глава 2. Разработка метода расчета и математическоемоделирование рабочих процессов в УВС…………………………………….602.1. Объект исследования………………………………………………………….603Стр.2.2. Математическая модель течения рабочей среды в рабочей областиустановок вакуумной сепарации ДНК…………………………….………………622.2.1. Расчетная область……………………………………………………………632.2.2. Допущения математической модели……………………………………….642.2.3.

Расчетные зависимости распределенных термодинамическихпараметров состояния рабочей среды…………………………………...…….….652.2.4. Начальные и граничные условия…………………………………………...672.2.5. Метод решения………………………………………………………………682.3. Метод расчета рабочих процессов в УВС……………………………………69Глава 3. Экспериментальное исследование рабочих процессов вустановках вакуумной сепарации и определение замыкающихкоэффициентов математической модели………………………………………713.1. Определение коэффициента пористости пористого тела рабочейячейки планшета очистки……………...…………………………………………..713.2.

Определение краевого угла смачивания материала планшетаочистки……………………………………………………………………………...753.3. Определение гидродинамических характеристик пористых телпланшета очистки…………………………………………………………......…....803.3.1. Описание экспериментального стенда……………………………………..803.3.2. Методика проведения эксперимента……………………………………….843.3.3. Исследование характеристик течения рабочей среды…………………….853.3.4. Определение начальных коэффициентов проницаемости пористыхтел рабочих ячеек установки вакуумной сепарации……………………………..983.4. Определение перепада давлений перехода режимов течения в нижнейчасти ячейки между капельным и струйным………………………………....…1073.5. Определение диаметра капли, образуемой в нижней части ячейки………1113.6.

Проверка обоснованности допущений математической модели сучетом полученных экспериментальных данных………………………...…….1123.7. Выводы из главы 3…………………………………………………….……...1134Стр.Глава 4. Численное исследование течения рабочей среды в УВС…..…….1144.1. Оценка адекватности математической модели рабочих процессовв УВС………………………………………………………………………………1144.1.1.

Численное исследование стационарного течения рабочей средычерез ячейку планшета очистки под действием перепада давления сприменением частной математической модели…………………….…………..1144.1.2. Сопоставление результатов численного и экспериментальногоисследований течения рабочей среды через ячейку планшетаочистки УВС……………………………………………………..………………..1194.2. Численное исследование нестационарного течения рабочей средычерез ячейки планшета очистки с применением общей математическоймодели………………………………………..……………………………….……1224.2.1. Оценка влияния шага по времени при решении нестационарнойзадачи на точность определения параметров потока…………………………...1224.2.2.

Определение перепада давлений, при котором происходитпереход режимов течения в нижней части рабочих ячеек междукапельным и струйным…………………………………….………………….….1234.2.3. Численное исследование течения рабочей среды в локальнойобласти четырех ячеек и определение диаметра капли………………….……..1254.2.4. Применение разработанной математической модели для расчетарабочих процессов в пневмовакуумной установке сепарации ДНК…………..129Глава 5. Разработка пневмовакуумной установки сепарациирастворов ДНК……………………………………………………..……….……1335.1. Установка вакуумной сепарации и разработка патента на полезнуюмодель нового медицинского оборудования………………..…………………..133Основные результаты и выводы………………………………………………137Список литературы……………………………………………………………...1405ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙAA0AпредbвСcDddоdкdэквffgHHhhкJKkkkаMнMсmn1/ nPSppатмpвакpcQQнасR- Удельная адсорбция, ммоль/г- Равновесная сорбция, ммоль/г- Предельная адсорбция, ммоль/г- Константа адсорбции- Константа равновесия- Равновесная концентрация адсорбата, ммоль/л- Коэффициент Козени- Диаметр большего основания пористого тела, м- Диаметр меньшего основания пористого тела, м- Диаметр основания капли, м- Диаметр отделяющейся капли, м- Эквивалентный диаметр зерна сорбента, м- VOF-функция – относительный объем, занятый фазой- Внешние силы, Н- Ускорение свободного падения, м/с2- Высота пористого тела, м- Координата нижнего уровня жидкости, м- Координата верхнего уровня жидкости, м- Высота капли, м- Функция Леверетта- Константа адсорбцииАбсолютная проницаемость (коэффициент проницаемостипористого тела), м2- Относительная фазовая проницаемость, м2- Константа адсорбционного равновесия- Масса наполненной жидкостью ячейки, кг- Масса сухой ячейки, кг- Коэффициент пористости- Количество капилляров на единицу площади, 1/м2- Константа сорбции- Давление насыщения, Па- Давление, Па- Атмосферное давление, Па- Давление в блоке вакуумной сепарации, Па- Капиллярное давление, Па- Расход рабочей среды, мл/с- Поток рабочей среды, откачиваемый вакуумным насосом, м3/с- Универсальная газовая постоянная, Дж/(мольК)6RRe r S S S0 -T t tk t ,N 1 u uнас -V -Радиус-вектор текущей координатыЧисло РейнольдсаКоордината радиуса в полярной системе координатНасыщенность фазыУдельная поверхность пористой среды к единице объема, 1/мУдельная поверхность, соприкасающаяся с жидкостью к единицеобъема непористого тела, 1/мТемпература, КВремя, сВремя контакта раствора с сорбентом, сКоэффициент СтьюдентаСкорость течения фазы, м/сСкорость потока рабочей среды, создаваемая насосом, м/сОбъем жидкости между делениями устройства измерения расхода,млМольный объем сорбата, мольVмол Vпор - Объем пор пористого тела, м3Vп.т.

- Объем пористого тела, м3 - Скорость фильтрации, м/сW0 - Суммарный мольный объем микропор, мольz - Координата высоты в полярной системе координат - Инерционное сопротивление пор, кг/м4 - Вязкостное сопротивление пор, кг/(м3с)  - Константа сорбцииГ - Величина адсорбции, 1/см2Г М - Величина максимальной адсорбции, 1/см2Гизб - Величина избыточной адсорбции, 1/см2  - Константа сорбцииpпер - Перепад давления на ячейке при смене режимов течения, Па - Диаметр капилляра, м - Краевой угол смачивания, рад  - Фактор ориентацииrУгловая координата в полярной системе координат - Динамическая вязкость, Пас - Кинематическая вязкость, м2/с - Плотность, кг/м3 - Коэффициент поверхностного натяжения - Тензор вязких напряжений - Функция, описывающая поверхность раздела фаз7Подстрочные индексы:aiswxyz вх вых -Индекс более смачивающей фазыИндекс фазыИндекс в состоянии насыщенияИндекс менее смачивающей фазыИндекс проекции на ось X декартовой системы координатИндекс проекции на ось Y декартовой системы координатИндекс проекции на ось Z декартовой системы координатИндекс входного сеченияИндекс выходного сеченияСокращения:БЭТДНКНКПЦРПТРНКСШАУВСУИРХСLSpHVOF-Теория Брунауэра, Эммета и ТеллераДезоксирибонуклеиновая кислотаНуклеиновая кислотаПолимеразная цепная реакцияПористое телоРибонуклеиновая кислотаСоединенные Штаты АмерикиУстановка вакуумной сепарацииУстройство измерения расходаХаотропные солиLevel set (метод набора уровней)pondus Hydrogenii (водородный показатель)Volume of fluid (метод жидкого объема)8ВВЕДЕНИЕНаучный прогресс в области молекулярной биологии и биохимииприводиткширочайшемураспространениютехническихсредств,предназначенных для различного рода исследований микробиологическихструктур.Втожевремяповышаютсятребованияктехническимхарактеристикам, функциональности, надежности данных устройств и точностирезультатов исследований.

Одной из важнейших областей применениябиотехнологических установок является анализ проб, содержащих структурыдезоксирибонуклеиновых (ДНК) и рибонуклеиновых кислот (РНК). Цельюисследования нуклеиновых кислот (НК) является определение наличия искомойбиоструктурыврассматриваемомобразце(пробе),идентификацияопределенных участков ДНК, определение первичной последовательностинуклеотидов НК. Анализ микробиологических структур стал доступен за счетизобретенияираспространенияпрактическихметодовмолекулярно-биологических исследований генома человека, животных, растений, бактерийи вирусов (методов ДНК-исследований).

Данные методы активно применяютсяпри ранней диагностике различных заболеваний, позволяют выявить опасныеинфекции и своевременно назначить эффективный курс лечения. Они особонеобходимы при диагностике наследственных заболеваний, т.к. позволяютосуществить геномную дактилоскопию.На сегодняшний день разработано несколько методов ДНК-исследований.Они могут быть разделены на две основные группы: генное зондирование(гибридизационныйанализ)иамплификация.Гибридизационный анализоснован на том, что нуклеиновые кислоты способны в определенных условияхсвязываться с НК, имеющими комплементарные участки (последовательностинуклеотидов).

Метод обнаружения возбудителей инфекциис помощьюгибридизационного анализа ДНК является крайне трудоемким, занимает долгое9время и требует немалые средства в реализации. Метод амплификации являетсяболее простым и производительным. Данный метод использует природнуюспособность репликации (копирования) ДНК и производится в искусственныхусловиях(invitro).Существуетмножестворазличныхтехнологийамплификации, но наиболее широко распространен метод, основанный наполимеразной цепной реакции (ПЦР) [1;2].ПЦР представляет собойсовокупность взаимодействий между цепочкой исходной ДНК и свободныминуклеотидами (праймерами) в присутствии различных ферментов, благодарякоторым происходит воссоздание вторичной ДНК – полной копии первичной.Данная реакция возможна при определенных условиях чистоты (отсутствияингибиторов) раствора, в котором она проводится.