Диссертация (Разработка метода расчета рабочих процессов и создание пневмовакуумной установки сепарации ДНК), страница 9

Сорбция происходит лишь на поверхности макропор.Соответственно, сорбция на микропорах происходит при температуре,достаточной для того, чтобы молекула сорбата преодолела сопротивление порыи проникла в нее. Это явление носит название активированной сорбции. Однакопри значительном повышении температуры физическая сорбция становитсямалоэффективной и ухудшается.

Поэтому имеется экстремум зависимостисорбции органических веществ из жидких растворов от температурырастворителя.Скорость процесса сорбции характеризуется градиентом химическогопотенциала адсорбата. Химическое равновесие при сорбции из растворовнаступает при равенстве химических потенциалов сорбируемого вещества врастворе и на поверхности сорбента. Значительное влияние на процесс сорбцииоказывают внешний массоперенос (течение раствора через поры) и внутренняядиффузия(перемещениемолекуладсорбатавнутризеренсорбента).Исследование скорости сорбции в зависимости от размера зерна сорбентапоказало, что с уменьшением зерна скорость сорбции уменьшается:dA 1~ 1,6 ,dt d эквгде(1.18)dA- скорость удельной сорбции, dэкв - эквивалентный диаметр зернаdtсорбента.На скорость сорбции в начальный промежуток времени контакта раствора ссорбентом ( tk < 10 мин.) более влияет интенсивность внешнего переноса массы– течения раствора.

Далее на скорость сорбции лимитирующее воздействиеоказывает диффузия сорбата в материал пористого тела. При достижении52химического равновесия сорбция достигает равновесного значенияА0 .Зависимость скорости сорбции от степени насыщенности сорбента может бытьописана уравнениями Родзиллера:dA  C  A0  Adt(1.19)  2  dA0dA    A0  A    1 ,dt15dt(1.20)и Глюкауфа:где  ,   – константы сорбции.Описание зависимости сорбции от молекулярного строения сорбируемоговещества усложнено тем фактом, что многие органические молекулы содержатполярнуюинеполярнуюсоставляющие.Такиевеществаявляютсяповерхностно-активными и при адсорбции молекулы адсорбата ориентируютсятаким образом, чтобы их полярная часть была обращена к полярной фазераствора, неполярная часть к неполярной фазе [39].Обзор методов расчета сорбции показал, что математическое описаниесорбции органических молекул из растворов является сложнейшей задачей, т.к.на процесс связывания, например, таких молекул как ДНК влияет множествофакторов, динамически изменяющихся в процессе течения раствора ДНК впорах сорбента.

Вышеописанные методы могут быть применены дляматематического описания сорбции ДНК, однако на сегодняшний день законовдля описания связывания органических соединений на пористых телах при ихвыделении методом сорбционной экстракции не создано. В существующейлабораторнойпрактикеимеютсялишьэкспериментальныенаработки,позволяющие оценить эффективность выделения целевых компонентов изисходных растворов при различных условиях, таких как концентрациякомпонентов раствора, температура, скорость пропускания раствора черезсорбент и др.

Эти экспериментальные данные сведены в таблицы [127],определяющиетипсорбента,типвыделяемогоцелевогокомпонента,нормальные условия выделения и скорость пропускания исходного раствора.53Обзорэкспериментальныхданных,определяющихмаксимальнуюэффективность связывания ДНК на различных сорбентах, позволил определитьдиапазон скоростей потока рабочей среды в УВС, который необходимообеспечить при разработке пневмовакуумной установки сепарации ДНК.Анализ экспериментальных данных института им.

А.Н. Белозерского МГУ им.М.В. Ломоносова и данных, приведенных в [127, 129] показал, что наиболееэффективнопроцесс связывания целевых соединений происходит приобеспечениискоростногорежиматеченияраствора,соответствующегорасходам рабочей среды внутри ячеек планшета очистки от 0,05 до 0,15 мл/с.1.6.Факторы, влияющие на работу установок вакуумной сепарацииДНК.Установки пробоподготовки, принцип действия которых основан наметоде вакуумной сепарации, используются во многих областях хозяйственнойдеятельностичеловека.ОднакомассовомураспространениюУВСвзначительной степени препятствуют несколько факторов.

Основным из нихявляется отсутствие равномерности прохождения растворов ДНК через рабочиеячейки. В некоторых ячейках застаивается и скапливается часть исходногораствора ДНК, таким образом, часть ДНК не попадает в готовую пробу.Каплеобразование в нижней части рабочей ячейки и другие явления, вызванныевоздействием сил поверхностного натяжения, могут привести к перекрестнойконтаминации. Вышеперечисленные факторы негативно сказываются наэффективности пробоподготовки – получении раствора ДНК с наименьшимсодержанием примесей инородных белков и минимальными потерямиисходного ДНК при условии минимальных затрат времени на процессподготовки пробы.1.6.1. Фактор неравномерности рабочих процессов.Проведенные исследования позволили сделать вывод, что течениерастворачерезрабочиеячейкиусуществующихУВСнеравномерно.

Данный факт связан со следующими явлениями:происходит54–Неравномерное загрязнение ячеек. Пористое тело в ячейке загрязняетсяразличнымичастицами-примесями(крупнымиорганическимиинеорганическими соединениями) и сопротивление прохождению рабочей средыувеличивается.–Вымывание ячеек. Пористое тело, представляющее собой порошоксорбента, постепенно вымывается, загрязнения могут также вымываться.

Этоявление приводит к уменьшению гидравлического сопротивления ячейки иснижает эффективность связывания ДНК в ячейке, размер пор становитсябольше и вероятность соприкосновения молекул ДНК и сорбента снижается.–Сорбция растворителя. Материал пористого тела – чаще всего диоксидкремния – во время рабочего процесса течения раствора сорбируетрастворитель и размер пор постепенно уменьшается, что является причиноймонотонного увеличения гидравлического сопротивления. Это может привестик полному закупориванию ячейки и движение раствора в ней прекратится дажепри высоком перепаде давления.–Неравномерность поля давлений. В установках вакуумной сепарацииимеются различные типы вакуумных систем, которые обеспечивают перепаддавления между атмосферным давлением и давлением под срезом каждойячейки.

Уровень перепадов давления в УВС соответствует диапазону 50…100кПа . Давление может быть неодинаково в разных точках вакуумной камерыпод рабочим планшетом очистки. Силы, действующие на раствор в разныхячейках, становятся различными, что может привести к неравномерностидвижения рабочей среды в ячейках УВС.–Неравномерная заполненность ячеек сорбентом.

При производстве,транспортировке и других перемещениях планшетов очистки пористое теломожет изменить свою структуру, геометрические размеры. В результате этогоячейки будут иметь разные гидравлические сопротивления течению рабочейсреды.Совместноевоздействиевышеописанныхявленийприводиткпостоянному изменению гидравлического сопротивления ячеек в ходе работы55установоквакуумнойсепарацииДНК.Этоприводиткснижениюэффективности и сложности автоматизации процесса пробоподготовки,основанного на методе вакуумной сепарации.1.6.2.

Фактор поверхностных явлений.Поверхностное натяжение жидкостей является общеизвестным фактом,его действие проявляется и в органических растворах, таких как растворы ДНК.Силы поверхностного натяжения являются причиной взаимодействия растворакак с поверхностью газа (воздуха), так и с поверхностью твердого тела (стенокпланшета очистки). В результате воздействия сил поверхностного натяжениявозникают следующие явления, оказывающие влияние на рабочие процессы вУВС:–Каплеобразование.

В нижней части каждой рабочей ячейки при низкомперепаде давления и, соответственно, низкой скорости течения раствораструйное течение сменяется капельным. На срезе каждой ячейки образуютсякапли, объем которых нарастает и, таким образом, при большом количестверядом расположенных ячеек, как например в 384-луночном планшете очистки,возможно объединение капель, что приведет к попаданию биологическоговещества из одной ячейки в другую (контаминации). Это недопустимо, т.к.может привести в случае применения УВС в области медицинской диагностикик ложному диагнозу и негативным последствиям для пациентов.–Растекание раствора. Взаимодействие раствора ДНК с материаломпланшета очистки приводит к растеканию рабочей жидкости по внутреннимстенкам планшета.

Данный фактор также может привести к контаминации.–Неполное удаление раствора из ячеек. В результате взаимодействиямолекул раствора с твердыми телами в ячейке, стенками ячейки, действиякапиллярного эффекта после финальной стадии очистки внутри ячейкизадерживается часть исходного количества раствора. Из-за этого молекулыДНК частично остаются в планшете очистки внутри капель непрошедшего56через ячейки раствора. Это может привести к ложноотрицательному результатуанализа с помощью ПЦР.В целях повышения эффективности подготовки проб с помощью УВСнеобходимопровестиэкспериментальноеирасчетно-теоретическоеисследование рабочих процессов, протекающих в ячейках блока вакуумнойсепарации.1.7.Методы численного исследования рабочих процессов.Решение системы уравнений математической модели дополненныхначальными и граничными условиями проводится с применением различныхрасчетных методов.

Математическое моделирование таких процессов кактечение газовых и жидкостных сред через пористые области является оченьтрудоемким и связано со сложнейшими системами дифференциальныхуравнений. Решение таких систем уравнений не может быть полученоаналитическими методами. Поэтому для их решения используются численныеметоды.Применениедифференциальныечисленныхуравнениявметодовчастныхзаключаетсяпроизводных,втом,чтосоставляющиематематическую модель преобразуются в систему алгебраических уравненийдлядискретныхобластейсоставляющихрасчетнуюобластьмодели.Проводится так называемая дискретизация расчетной области – определениедискретныханалоговдифференциальныхуравнений,записанныхдляподобластей расчетной области.