WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Проведенные расчеты показали, что при отсутствии конвекции Марангони в земных условиях реализуется режим термогравитационной конвекции, конкурирующей с диффузионным массопереносом (рис. 1). При этом конвективные потоки развиваются до половины кристаллизационного объема по высоте. Скорость конвективных потоков в верхней части составляет
~10–5 мм/с. Эти расчеты подтверждают общепринятое представление о доминировании конвекционного переноса над диффузионным при единичной гравитации. В космических же условиях, как показывают расчеты, термогравитационная конвекция значительно ослабляется – скорость конвективных потоков уменьшается до ~10–9 мм/с (рис. 2). Диффузионный массоперенос в таких условиях является преобладающим.

(а) (б) (а) (б)

I. Mn = 0;, мм/с II. Mn 0;, мм/с

Рис. 1. Структура (а) и изолинии (б) скорости конвективных потоков в растворе белка при наличии (II) и отсутствии (I) конвекции Марангони в земных условиях, T = 1°C

(а) (б) (а) (б)

I. Mn = 0;, мм/с II. Mn 0;, мм/с

Рис. 2. Структура (а) и изолинии (б) скорости конвективных потоков в растворе белка при наличии (II) и отсутствии (I) конвекции Марангони в космических условиях, T = 1°C

Совсем другая картина наблюдается при наличии конвекции Марангони. В этом случае даже при небольшом перепаде температур на открытой поверхности раствора существенным образом меняются структура и интенсивность конвективных течений: для значения T = 1°C скорость конвективных потоков существенно возрастает и составляет ~1 мм/с как для земных, так и для космических условий, однако снижаясь до ~10–1 мм/с лишь при понижении перепада температуры до T = 0,1°C. В этих случаях вблизи свободной поверхности раствора наблюдается преобладание конвективного массопереноса.

Для широко применяемого метода лежачей капли проведенные расчеты показали, что при наличии перепада температур (который всегда возможен в этом методе, что вызывает конвекцию Марангони) как для земных, так и для космических условий реализуется режим доминирования конвекции Марангони. Конвективные потоки развиваются по высоте всей капли, придавая кристаллизационному раствору вращательное движение и приводя тем самым к нарушению диффузионного режима массопереноса. Для обычных значений T = 1°C их скорость имеет порядок ~1 мм/с и не зависит от размера капли. При понижении перепада температуры до T = 0,1°C скорость снижается до ~10–1 мм/с, т.е. имеет пропорциональную зависимость от градиента температур, как и для случая объемного раствора. Проведенные расчеты показывают, что для метода лежачей капли конвективный массоперенос в объеме раствора всегда будет преобладать над диффузионным.

Проведенные теоретические расчеты показали существенное влияние нестабильностей температуры и возникающей конвекции Марангони на процессы ТМП при выращивании биоматериалов как в земных, так и в космических условиях. При этом показано, что причиной их возникновения является наличие температурного градиента на свободной поверхности раствора. Полученные результаты доказывают необходимость достижения высокой стабильности тепловых условий при выращивании кристаллов биоматериалов.

Четвертая глава диссертации посвящена исследованиям влияния вибраций на процесс кристаллизации белков, так как энергетические воздействия существенно влияют на стабильность процесса кристаллизации. При этом исследования влияния вибрационных воздействий на процесс кристаллизации биоматериалов основаны на предварительных расчетно-экспериментальных исследованиях влияния вибрационных воздействий на рост неорганических кристаллов. Установлено, что при выращивании кристаллов полупроводников (на примере Ge, легированного Ga) поступательные колебания, осуществляемые вдоль градиента температуры (по нормали к фронту кристаллизации), в широком диапазоне частот (0,5  200 Гц) и амплитуд микроускорений (до 2·10–1 g0) не оказывают влияния на процессы тепломассопереноса в расплаве и, соответственно, на однородность распределения легирующей примеси в кристалле, что согласуется с проведенными теоретическими расчётами. Однако к существенным нарушениям в распределении примеси приводят торсионные колебания (осуществляемые вокруг оси выращиваемого кристалла) при наличии свободной поверхности расплава.

При открытой поверхности расплава (присутствие конвекции Марангони) к образованию в кристаллах микронеоднородности (полосчатости) приводят в области частот (0,5  200 Гц) колебания с уровнем амплитуд
> 10–2g0. При амплитудах < 5·10–3g0 в выращенных кристаллах полосы роста отсутствуют. Очевидно, что возникновение полос роста связано с тем, что при достижении критического уровня вибраций в непосредственной близи от фронта кристаллизации возникают сдвиговые смещения расплава, которые изменяют стационарный характер конвективных течений.

Влияние вибраций на процесс кристаллизации биоматериалов исследован для двух случаев вибрационных воздействий, характерных для условий роста белков в космосе на Международной космической станции (МКС) (g/g0 > 10–6): вибрационные возмущения, перпендикулярные градиентам концентрации белка и соли, и параллельные к градиентам концентрации.

Расчеты для земных условий показали, что если эксперимент проводить в гелевой среде, то вибрации не оказывают влияния на характер массопереноса в растворе, и процесс идет в режиме диффузионного массопереноса.

В условиях же микрогравитации действуют периодические, высокочастотные возмущения (10–6 < g/g0 < 10–2; 0,1 – 300 Гц по данным цитируемой работы), практически определенные при реализации экспериментов по кристаллизации модельного белка лизоцима на МКС.

Расчеты для первого случая показали, что при кристаллизации из-за образования градиентов концентрации соли и белка в белковой камере при вибрационных возмущениях, перпендикулярных градиентам концентрации, возникают конвекционные участки. Для второго случая установлено, что при вибрационных возмущениях, параллельных градиентам концентрации, возникновение таких участков строго ограничено зонами, в которых происходит зародышеобразование или осаждение образовавшихся кристаллов. Область, подверженная конвекции при наличии таких вибрационных возмущений, перемещается с фронтом зародышеобразования, тогда как в оставшейся части белковой камеры конвекции нет, поэтому в ней следует ожидать улучшения качества кристаллов.

В обоих случаях (при росте неорганических и органических кристаллов) установлено существенное влияние вибрационных воздействий на процессы массопереноса и, соответственно, совершенство получаемых кристаллов в определенном диапазоне частот и амплитуд микроускорений. Однако при этом влияние вибрационных воздействий на процесс кристаллизации биоматериалов носит более сложный характер.

В пятой главе диссертации исследована возможность и показано преимущество использования температуры как средства управления кристаллизацией белков и представлен разработанный метод управления процессом кристаллизации. Показано, что в качестве регулирующих параметров могут использоваться концентрация и разные типы осадителей, внесение или изначальное присутствие нейтральных добавок (буферы, гели, масла), затравливание (в т.ч. материалами с особыми свойствами), наложение электрических и магнитных полей. Однако для практической реализации управляемого выращивания биокристаллов необходимо было выбрать пригодный для физического моделирования параметр. Исследована возможность раздельного управления кристаллизацией белка в капилляре с помощью температуры: отвод тепла в одной точке раствора () с термостатированием всего объема () (рис. 3).


Рис. 3. Схематическое изображение кристаллизационной ячейки с капилляром

В этом методе становится возможным разделить зародышеобразование и непосредственно рост путем повышения пересыщения ( –концентрация белка) в конкретном месте капилляра для стимулирования зародышеобразования () и, после образования единичных центров кристаллизации, понижения пересыщения в этом месте до оптимального для роста ().

Для описания температурно-управляемого процесса кристаллизации белка была разработана математическая модель, включающая в себя уравнения неразрывности, количества движения и переноса концентрации белка, решаемые в естественных переменных. Для описания встраивания белковых молекул в кристалл потребовалась специфическая постановка граничных условий – сток массы белка, вызываемый только изменением. Отметим, что влияние осуществляется через зависимость кривой растворимости на левой границе, зародышеобразование на которой наиболее вероятно.

Система уравнений имеет следующий вид:

, (1)

где – плотность раствора, – скорость, – время, – координата,
– давление, – динамическая вязкость белка, – концентрация белка, – плотность белка, – коэффициент диффузии белка.

Граничные условия. При ставятся следующие условия:

для скорости (2)

если, то, иначе ; (3)

; (4)

где – скорость вывода массы белка в кристалл, – плотность воды; – плотность белка, соответствующая насыщению при данной температуре; – температура на левом конце, значение может поддерживаться или меняться по линейному закону. При и ;.

В расчетах использовались реальные размеры капилляра: 30 мм,  1,5 мм (в таких капиллярах проводился процесс кристаллизации). В связи с наличием преобладающего размера () была рассмотрена одномерная модель гидродинамики.

Начальные условия. При концентрация белка в растворе 50 мг/мл,. Используемая для вычислений зависимость растворимости модельного белка лизоцима от показана на рис. 4.

Рис. 4. График аппроксимированной зависимости растворимости лизоцима, использованный для вычислений

Проводились расчеты процессов ТМП при кристаллизации белка лизоцима с наложением градиента температуры на ячейку капиллярного типа (рис. 3). Предварительно методом математического моделирования процессов ТМП было установлено, что при таких температурных условиях тепловая конвекция в капилляре отсутствует.

а

б

в

Рис. 5. Временные зависимости выведенной в кристалл массы белка (, мг, ) и создаваемого при этом в растворе пересыщения (, ) от значений температуры в точке отвода тепла (, °С, ) и в объеме (, °С, )

Рис. 6. Временные зависимости создаваемого в растворе пересыщения :
пунктирная линия (а) – неуправляемый эксперимент с разностью температур;
точечная линия (б) – эксперимент без разности температур;
сплошная линия (в) – эксперимент с управлением температурой

Расчетная область описывает только жидкую фазу, процесс кристаллизации характеризуется значением пересыщения на границе и количеством выведенной в кристалл массы белка. Сетка из 60 точек, равномерная. Шаг по времени 1 с.

В результате проведенных расчетов были получены временные зависимости выведенной в кристалл массы белка и создаваемого при этом в растворе пересыщения (для характеризации процесса кристаллизации). Меняющимся параметром в расчетах являлась температура в точке отвода тепла при стабилизации температуры объема раствора. В первом случае она поддерживалась постоянной и достаточной для зародышеобразования и кристаллизации, вызываемой разностью температур ( 19°С), во втором – равной температуре объема раствора, что недостаточно для зародышеобразования и кристаллизации ( 32°С), в третьем же – менялась по линейному закону со скоростью 1,5°С/час (0,025°С/мин), начиная с расчетного момента зародышеобразования (). Отметим, что т.к. требуется снижение пересыщения до, необходимо повышение растворимости, и, соответственно, температуры.

На рис. 5 представлены результаты расчетов для трех различных типов экспериментов, а рис. 6 резюмирует расчетные значения пересыщения для этих случаев. Проведенные расчеты показывают, что в первом случае (рис. 5а), (рис. 6а) кристаллизация имеет место, но пересыщение возрастает до, что является избыточным и будет приводить к массовому зародышеобразованию. Во втором случае (рис. 5б), (рис. 6б) пересыщение не достигает значения, и зародышеобразования не происходит. В третьем же случае (рис. 5в), (рис. 6в) управление температурой по заданному закону на определенном этапе, после образования единичных зародышей, позволяет предотвратить дальнейшее возрастание пересыщения и плавно понизить его до значения, необходимого для роста образовавшихся зародышей. При этом показано, что расчетное значение выведенной в кристалл массы белка  0,18 мг соответствовало размерам (0,8 мм  0,9 мм  0,5 мм) образовавшегося в реальных экспериментах кристалла лизоцима. При таком варианте проведения эксперимента (с введением теплового управления) следует ожидать улучшения совершенства образующегося кристалла.

Полученные результаты теоретически доказали возможность управления с помощью температуры процессом кристаллизации биоматериалов в земных и, соответственно, в космических условиях при создании локального градиента температуры в растворе. На их основе была поставлена и реализована задача создания кристаллизационной ячейки для выращивания в капиллярах кристаллов биоматериалов с помощью управления температурой.

В шестой главе диссертации представлены результаты разработки метода и кристаллизационной аппаратуры для выращивания высокосовершенных кристаллов биоматериалов. Рассматривается методика получения биокристаллов с управляемым процессом кристаллизации. Приводятся результаты экспериментов по кристаллизации модельного белка лизоцима.

Описывается конструкция экспериментальной аппаратуры, которая применяется для температурного управления процессом кристаллизации. Она способна поддерживать и управлять температурой в пределах 440°C с точностью ±0,1°C. Запечатанный капилляр, содержащий кристаллизационный раствор, находится в одной части термостатированного корпуса, а в другой части располагается управляющая электроника. Капилляр в определенном месте контактирует с термоуправляемым конусом, создающим перепад температуры в заданной точке. Управляющими параметрами в процессе кристаллизации являются две температуры: всего корпуса-термостата и конуса, которые могут быть установлены в заданных пределах с шагом 0,1°C. При практических экспериментах корпус работает как термостат, поддерживая температуру в капилляре с общим объемом раствора 1020 мкл с точностью ±0,1°C, а конус исполняет роль источника или стока тепла в зависимости от режима работы. Процесс зародышеобразования и кристаллизации наблюдается через микроскоп, для чего объем раствора подсвечивается светодиодом. Это позволяет на определенном этапе обнаружить появление единичных зародышей вблизи точки контакта и своевременно начать изменение температуры конуса (и, соответственно, пересыщения в растворе), предотвращая дальнейшее массовое зародышеобразование.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»