Диссертация (Разработка метода расчета рабочих процессов и создание пневмовакуумной установки сепарации ДНК), страница 3

Москва,МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011, 2012, 2013, 2014, 2015 гг.; XIV Всероссийскаявыставка научно-технического творчества молодежи. Москва, ВВЦ, 2014; IXМосковский Фестиваль науки. Москва, Экспоцентр на Красной Пресне, 2014;III Московский международный форум инновационного развития «Открытыеинновации». Москва, ВВЦ, 2014.Порезультатамработыразработанановаяустановкавакуумнойсепарации, получен патент РФ на полезную модель данной установки.Публикации:По результатам проведенных исследований опубликовано 15 научныхработ. Из них 4 работы опубликованы в журналах, рецензируемых ВАК.Положения, выносимые на защиту:Метод расчета рабочих процессов в установках вакуумной сепарацииДНК. Результаты экспериментальных и численных исследований рабочихпроцессов в установках вакуумной сепарации ДНК.Содержание работы:В первой главе рассмотрено состояние вопроса исследования рабочихпроцессов в установках пробоподготовки, приведены общие сведения об15установках пробоподготовки, в частности установках вакуумной сепарацииДНК,иихосновныххарактеристиках.Приведенобзорметодовпробоподготовки и существующих установок вакуумной сепарации ДНК.Подробно рассмотрен вопрос математического описания рабочих процессов,протекающихвУВС,ипредставленыопределяющиеихрасчетныезависимости.

Определены основные факторы, влияющие на рабочие процессы вУВС. Рассмотрены различные методы численного решения математическихмоделей рабочих процессов. В заключение в первой главе проведенапостановка цели и задач исследования.Во второй главе рассматриваются вопросы разработки метода расчетарабочих процессов в установках вакуумной сепарации. Особое вниманиеуделяется разработке математической модели рабочих процессов в УВС –модели двухфазного нестационарного течения рабочей среды в объектеисследованияподдействиемперепададавлениямеждуатмосфернымдавлением и давлением в рабочей полости блока вакуумной сепарации.Приводятсярасчетнаяобластьобъектаисследования,допущенияматематической модели, основные расчетные зависимости, на которых онабазируется, начальные и граничные условия и метод решения полученныхсистем уравнений разработанной математической модели.

Разрабатываетсяструктура метода расчета рабочих процессов с учетом экспериментальныхисследований. Определяются упрощенные математические модели: частная илокальная. В дальнейшем они используются для подтверждения адекватностиразработанной общей математической модели.В третьей главе представлена серия экспериментальных исследованийпротекания основного рабочего процесса – течения рабочей среды через ячейкипланшета очистки УВС под действием перепада давлений.

Одна частьэкспериментальных исследований предназначена для определения неизвестныхкоэффициентов с целью дополнения ими разработанной математическоймодели – замыкания полученных систем дифференциальных уравнений. Втораячасть экспериментальных исследований направлена на изучение влияния16различных факторов и явлений на течение рабочей среды в УВС с цельюопределения рекомендаций к методике эксперимента по определениюгидродинамических характеристик пористых тел ячеек планшета очистки.Третья часть экспериментальных исследований направлена на получениеосновных параметров протекания рабочих процессов с целью сравнения их сданными, полученными с помощью численного исследования разработаннойматематической модели и проверки ее адекватности.В четвертой главе проведено расчетно-теоретическое исследование наоснове нового метода расчета с использованием общей математической модели,а также ее производных – частнойПрименениечастнойи локальной математических моделей.математическоймоделиобусловленоснижениемвременных и вычислительных мощностей при определении расчетных точек –величин расходов рабочей среды через исследуемую ячейку в зависимости отперепада давления между атмосферным давлением и давлением в блокевакуумной сепарации.

Частная модель представляет собой модель однофазногостационарного течения рабочей среды через ячейку планшета очистки УВС.Благодарярезультатамрасчета,полученнымспомощьючастнойматематической модели и сравнению их с экспериментальными данными,подтверждена адекватность общей математической модели в части описаниярасходных характеристик течениярабочей среды. Для подтвержденияадекватности общей математической модели в части описания поверхностныхявлений проводится численное исследование локальной математическоймодели, определенной для локальных участков расчетной области общейматематической модели: области одной ячейки и четырех ячеек.

С помощьюлокальной модели проводится исследование капельно-струйного режиматечения рабочей среды в ячейках планшета очистки УВС, определяютсязначения расходов рабочей среды, перепада давления, при котором происходитсмена режима течения между капельным и струйным и диаметр отделяемой отисследуемой ячейки капли. В заключение четвертой главы проводитсячисленноеисследованиерабочейобластиУВСспомощьюобщей17математической модели и определение конструктивных и функциональныхпараметров разрабатываемой пневмовакуумной установки сепарации ДНК.В пятой главе речь идет о создании новой установки вакуумнойсепарации–пневмовакуумнойустановкисепарацииДНК.Благодаряприменению разработанного метода расчета рабочих процессов в УВС иполучениюконструктивныхобеспечивающихэффективностьифункциональныхпротеканияпроцессахарактеристик,пробоподготовки,разработана новая конструкция пневмовакуумной установки сепарации ДНК.Получен патент Российской Федерации на полезную модель данногомедицинского оборудования.В заключении представлены основные результаты исследования согласнопоставленным в работе целям и задачам.18ГЛАВА 1.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧИХПРОЦЕССОВ В ПНЕВМОВАКУУМНЫХ УСТАНОВКАХ СЕПАРАЦИИДНК.1.1.Этап пробоподготовки при молекулярно-биологическихисследованиях методом полимеразной цепной реакции.Пневмовакуумные установки сепарации ДНК принадлежит к классуустановок вакуумной сепарации и используются при проведении этапапробоподготовкивмолекулярно-биологическихисследованиях.Проектирование нового оборудования для пробоподготовки связаносисследованием рабочих процессов, протекающих в рабочей полости установок.В настоящее время исследование рабочих процессов в установках вакуумнойсепарации носит экспериментальный характер и в открытых источниках печатине имеется строгого математического описания рабочих процессов.Этап пробоподготовки является одним из важнейших и играет ключевуюроль в структуре всего молекулярно-биологического исследования. Приизучении молекул ДНК в общем случае проводят следующие мероприятия:пробовыделение (отбор пробы, транспортировка, хранение, грубая очистка,предварительное разрушение клеточной структуры), пробоподготовку и анализвыделенной ДНК.

Подготовительный этап занимает значительное время посравнению с остальными мероприятиями, а также оказывает существенноевлияние на эффективность и точность исследования.Для сепарации ДНК на этапе пробоподготовки используют несколькометодов: разделение в гравитационном поле; выделение с помощью осажденияна пористом теле при перемещении раствора ДНК под действием перепададавления (метод вакуумной сепарации); сепарацию на магнитных частицах ит.п.19Метод вакуумной сепарации (МВС) является эффективным и в то жевремя достаточно простым.

Он основан на том, что при нанесении исходногораствора ДНК и различных примесей на подложку со специальным пористымматериалом и добавлении раствора хаотропных (способствующих повышениюэнтропии) солей молекулы ДНК вследствие нерастворимости осаждаются исвязываются этим материалом. Процесс связывания ДНК подобен сорбции,однако имеет более сложную природу. При снижении высокой концентрациисолей растворимость молекул ДНК повышается, они высвобождаются ипереходят в раствор.

Таким образом, в то время как искомые нуклеиновыекислоты связаны с пористым материалом, другие белки и ингибиторы ПЦРрастворяются и удаляются. Основной рабочий процесс – перемещениерастворов через пористую подложку с частицами связывающего ДНКматериала (промывка). Он осуществляется при помощи создания перепададавления с использованием вакуумной системы.

МВС может быть примененкак в полевых, так и в лабораторных условиях.Существуют различные установки, обеспечивающие процесс сепарацииДНК. На сегодняшний день имеется целый ряд производителелей установокпробоподготовки,работающихнаметодевакуумнойсепарации.Этозарубежные компании, такие как Applied Biosystems, Abbott Molecular (США),Tecan (Швейцария-Австрия), Eppendorf, Whatman, Qiagen (Германия) и др.Однако рабочие процессы, протекающие в данной установке, мало изучены иполного их математического описания в открытой печати не имеется.

По этойпричине разработка и совершенствование систем пробовыделения, основанныхна МВС, затруднены. Потребители данного вида биомедицинской техникисталкиваются с проблемами в работе и технологическими особенностямипроведения пробоподготовки.Необходимо выделить следующие наиболее важные аспекты, реализациякоторых необходима при проведении этапа пробоподготовки:–высокое качество очищенного раствора – характеризуется низкимколичеством ингибиторов ПЦР в готовом растворе (чувствительность анализа20зависит от качества проведения этапа подготовки пробы, чем меньшеингибиторов тем выше чувствительность);–снижениепотерьисходногоматериала,которыеопределяютсяколичеством получаемого ДНК-материала по сравнению с имеющимся висходном растворе (проблема необратимого связывания ДНК и удаления ДНКс промывочными растворами);–использование различных типов проб (не каждым методом выделенияпредставляется возможным подготовить любую пробу);–быстрота анализа (зависит от времени осаждения ДНК и других рабочихи подготовительных операций);–точность анализа (ошибки, возникающие на этапе пробоподготовки,приводят в среднем к 70–95 % погрешности при анализе)Кпробоподготовкенекачественнаяпредъявляютсяпробоподготовкавысокиеприводитктребования,ложнымт.к.результатамисследования и, соответственно, серьезным последствиям.