Диссертация (Разработка метода расчета рабочих процессов и создание пневмовакуумной установки сепарации ДНК), страница 7

Описание этого процесса сводится к уравнениям движениярабочей среды Навье-Стокса.Следует отметить, что в процессе прохождения рабочей среды черезпористое тело имеет место забивание пор остатками органических соединений,образованных после лизиса клеток, белками, а также различными включениямии примесями. Вследствие этого гидравлическое сопротивление пористых тел40изменяется, и распределение гидродинамических параметров становитсянесколькоиным.экспериментальноеДляучетаданногоисследованиеиэффектанеобходимоопределитьвлияниепровестиизменениягидравлического сопротивления на движение рабочей среды в ячейкахпланшета очистки.Изменение температуры рабочей среды при проведении всего циклапробоподготовки с помощью метода вакуумной сепарации незначительно, таккак не имеется внешнего подвода или отвода тепла, процесс выделения ДНКпроисходит при комнатной температуре и сравнительно низких скоростяхтечения раствора [125,129].

Поэтому различия температуры по всей рабочейобласти УВС не учитываются при составлении математической модели течениярабочей среды. Исследование диффузии ДНК в структуру пористого тела непроводилось, т.к. диффузия органических молекул при контакте сорбента сраствором требует гораздо большего времени по сравнению со временемтечения раствора в пористом теле [35]. Потерей ДНК на диффузиюпренебрегаем. Изменение свойств сопротивления пористого тела из-заприложениягидродинамическойнагрузкивследствиесжимаемостиидеформации зёрен не учитывается.Процессом,обеспечивающимотделениенуклеиновойкислотыотисходного раствора, является осаждение ее на частицах пористого тела.Данный процесс имеет физическо-химическую природу связывания, при этоммогут происходить три основных режима разделения: обращённо-фазовый,нормально-фазовый, ионный обмен.

Обращенно-фазовый режим – экстракциянеполярных соединений из водных образцов за счет Ван-дер-Ваальсовыхвзаимодействий.Нормально-фазовыйрежим–экстракцияполярныхсоединений из неполярных органических растворителей за счет водородныхсвязей, диполь-дипольных и π-π взаимодействий. Ионообменный режим –экстракция заряженных соединений из органических или водных растворов снизкой ионной силой за счет кулоновских взаимодействий [126]. Связиобразуются, когда молекула ДНК подходит к поверхности силики достаточно41близко.

Моделей, описывающих связывание молекулярных соединений наповерхности силики, в открытой печати не имеется. Данный процесс можетбыть приближенно представлен как сорбция молекул ДНК на пористом теле.Существует широкий круг моделей, описывающих сорбцию. Данные моделиоснованы в большей мере на статистических экспериментальных данных,характеризующихсякоэффициентомсорбции.Процесссорбцииможнопредставить в виде статистической модели, основанной на вероятностномописании попадания молекулы ДНК на поверхность пористого тела припрохождении через сеть пор.

Однако данная задача является очень сложнойввиду неоднородности размеров зерен сорбента и вследствие этого структурыобразованных ими канальцев. Считается, что в данном случае происходитповерхностная сорбция, т.к. процесс прохождения раствора через сорбент оченьскоротечен и для проникновения ДНК в объем недостаточно времени. Процесссвязывания ДНК происходит в области сепарации, на пористом теле 2 (Рисунок1.13).

Изменение содержания рабочей среды вследствие удаления из растворачасти материала (имеется сток массы, вызванный связыванием молекул ДНК)не учитывается, т.к. размеры и масса молекул ДНК пренебрежимо малы.Обзор математического описания сорбции показал, что законов сорбции,применительно к молекулам ДНК на поверхности пористого тела насегодняшний день не имеется.

Молекула ДНК очень сложна, связи образуютсямежду отдельными участками ДНК и поверхностью сорбента. При сорбции израстворов одновременно происходит два процесса: сорбция растворенноговещества на поверхности сорбента и сорбция растворителя. Связывание частицзависит не только от скорости прохождения жидкости через поры, но и отмножества внешних условий, например PH добавляемого раствора. Внаправлении изучения процесса связывания ДНК на поверхности сорбентапроводились экспериментальные исследования.

Они заключались в том, чтобыдля различных сорбентов определить условия максимально эффективногосвязывания целевых компонентов (в частности, ДНК). Для максимальнойэффективностисвязываниямолекулДНКнеобходимообеспечить42определенную скорость прохождения раствора через пористое тело, при этоммаксимальное соприкосновение его с сорбентом.1.5.1.

Методы расчета течения рабочей среды через ячейки установоквакуумной сепарации.Течение рабочей среды в УВС происходит в рабочих ячейках планшетовочистки или отдельных микроколонках (пробирках с сорбентом и отверстием внижней части). После прохождения рабочей среды через планшет илимикроколонку она попадает в вакуумную камеру и удаляется в специальнуюколбу-сборник. Основным рабочим процессом для обеспечения отделенияцелевых компонентов раствора в УВС является течение рабочей среды черезячейки планшета очистки.

Рассмотрим более подробно существующие модели,позволяющие математически описать течение рабочей среды в УВС. Наиболеераспространенный способ описания течения жидкости или газа – описание спомощью уравнений движения рабочей среды Навье-Стокса: 1u  u  u  u  p  f ,(1.1)tгде u – вектор скорости течения рабочей среды, f  – вектор внешних сил.Данные уравнения дополняются уравнением неразрывности потокарабочей среды:div  u  0 (1.2)Такое описание применяется для свободного течения жидкости или газа вобластях с несложной геометрией.Для описания движения двухфазной рабочей среды существует несколькометодов [44]:–метод жидкого объема – Volume of fluid (VOF) [44-47];–метод набора уровней – Level set (LS) [48,49];–комбинированный метод VOF и LS [50,51].На сегодняшний день для решения задач двухфазного течения наиболеечасто применяется метод VOF [50].

По сравнению с другими методами VOF43широкораспространенблагодарясвоимскромнымвычислительнымтребованиям и консервативности (точного выполнения закона сохранениямассы) [44]. Метод VOF сочетает в себе высокую вычислительнуюэффективность и достаточную точность разрешения межфазной границы.Благодаря своей простоте он относительно легко реализуется в рамкахалгоритма расчета несжимаемых течений жидкости, основанного на решениисистемы уравнений Навье-Стокса. К достоинствам метода также стоит отнестиего возможность описывать такое важное для течений со свободнойповерхностью явление, как поверхностное натяжение [128].

Недостаткомметода VOF является схемное диспергирование фазы, которое являетсяследствием размазывания фронта функции VOF из-за схемной вязкости [44]. Взадаче двухфазного течения рабочей среды в ячейках УВС не требуетсястрогого определения границы раздела фаз. Модель в первую очередь должнапозволять определить скоростные характеристики рабочей среды, а точностьопределения границы раздела фаз жидкости и газа имеет второстепеннуюважность.

Метод VOF удовлетворяет требованиям моделируемого рабочегопроцесса и принимается при составлении математической модели.Метод VOF [44] заключается в том, что в каждой расчетной ячейкеимеется функция f , которая равна 1, если ячейка полностью заполнена однойфазой и 0, если ячейка полностью заполнена другой фазой. При неполномзаполнении ячейки имеется свободная поверхность. С помощью градиентафункции f восстанавливается нормаль к свободной поверхности, а с помощьюсамой функции f – ее положение. В методе VOF не требуется вводитьрасчетную область с подвижной границей и требуется определять в ячейкетолько одну переменную.При описании движения рабочей среды в сложных каналах пористых телрешение системы уравнений Навье-Стокса занимает значительное время.Поэтому для описания течения жидкости и газа через область пористого телапроводится обзор методов расчета течений в пористых средах.

Процесс течения44рабочей среды через пористые тела под действием перепада давления подробноизучен [21-30], однако применительно к УВС исследований не имеется.Описание течения жидкости через пористое тело было впервые даноДарси, после проведения им в 1856 году классического эксперимента пофильтрации жидкости [21]. Дарси предложил описывать течение с помощьюлинейной зависимости скорости течения от перепада давления на пористомтеле. При этом учитывается вязкость жидкости, и вводится коэффициентпропорциональности,коэффициентомназванныйпроницаемостьюпроницаемости.пористойПроницаемостьсредысредыилиизмеряетсяэкспериментально.

Закон Дарси для описания течения рабочей среды впористом теле представлен в дифференциальной форме:k   gradp,где(1.3)k - коэффициент проницаемости пористого тела,  - динамическаявязкость рабочей среды,  - вектор скорости фильтрации.Если дополнить эту зависимость уравнением неразрывности потока рабочейсреды, течение может быть полностью описано.Закон Дарси для описания течения рабочей среды в пористых телахмодифицировалсяисследователямиприизучениизависимостеймеждуразличными динамическими свойствами пористых сред. При этом в законДарси вводились дополнительные параметры [21]. Предложены капиллярныемодели течения жидкости через пористую среду.