Υπολογιστική ανάλυση ανάμιξης διαλυμάτων βιομορίων σε μικροαναμίκτες - Χατζηγεωργίου, Ανδρέας (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ), 2018)
Τις τελευταίες δυο δεκαετίες υπάρχει ένα μεγάλο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη μικροεργαστηρίων σε ψηφίδα (Lab-on-a-chip, LoC). Το μικροεργαστήριο αποτελεί μια ολοκληρωμένη μορφή ενός συνόλου διεργασιών που μέχρι τώρα πραγματοποιούνταν σε μεγάλη κλίμακα σε συμβατικά εργαστήρια. Τα μικροεργαστήρια αποτελούνται από πολλές μικρορευστονικές διατάξεις οι οποίες υλοποιούν ποικίλες διεργασίες, όπως η μεταφορά ρευστών, η ανάμιξη, ο διαχωρισμός και οι χημικές αντιδράσεις. Τα πλεονεκτήματα των μικροεργαστηρίων σε σχέση με τις συμβατικές συσκευές είναι η μείωση του κόστους, η μικρότερη κατανάλωση αντιδραστηρίων, οι μικρότεροι χρόνοι ανάλυσης και η φορητότητα. Η απόδοση ενός μικροεργαστηρίου σε ψηφίδα εξαρτάται από την επιμέρους απόδοση της κάθε μικρορευστονικής διάταξης. Η συχνότητα εμφάνισης μικροαναναμικτών στα μικροεργαστήρια είναι υψηλή και ο ρόλος τους καθοριστικός. Ένας καλά σχεδιασμένος μικροαναμίκτης μπορεί να αυξήσει την ευαισθησία της ανάλυσης που επιτελεί το μικροεργαστήριο, να μειώσει το αποτύπωμά (διαστάσεις) του και να μειώσει το χρόνο ανάλυσης Ένας μεγάλος τομέας που βρίσκουν εφαρμογές τα μικροεργαστήρια σε ψηφίδα είναι οι βιοαναλύσεις. Οι βιοαναλύσεις είναι μια ιδιαίτερη κατηγορία εξαιτίας του ότι απαιτούν ιδιαίτερη μεταχείριση ευαίσθητων διαλυμάτων. Τα διαλύματα αυτά αποτελούνται από βιομόρια τα οποία συνήθως δεν πρέπει να καταπονούνται ούτε θερμικά ούτε μηχανικά. Επίσης, τα βιομόρια χαρακτηρίζονται από πολύ μικρούς συντελεστές διάχυσης. Οι χαμηλοί συντελεστές διάχυσης κάνουν ακόμα πιο απαιτητική την διεργασία της ανάμιξης ειδικά στην μικροκλίμακα όπου απουσιάζει η τύρβη. Ο σκοπός της εργασίας είναι η υπολογιστική μελέτη του προβλήματος ανάμιξης διαλυμάτων βιομορίων σε μικροαναμίκτη ο οποίος αποτελείται από κανάλι ορθογωνικής διατομής με ανάγλυφο ψαροκόκαλου στον πυθμένα [staggeredherringbonemicromixer (SHM), Whitesidesetal., Science 295, 647 (2002)]. Το ανάγλυφο ψαροκόκαλου δημιουργεί συνιστώσες της ταχύτητας κάθετα στην κύρια κατεύθυνση της ροής προκαλώντας χαοτική συναγωγή και διευκολύνοντας έτσι την ανάμιξη. Η υπολογιστική μελέτη περιλαμβάνει την αριθμητική επίλυση των εξισώσεων Navier-Stokes, συνέχειας και του ισοζυγίου μάζας της διαλυμένης ουσίας (βιομορίων). Οι χαμηλοί συντελεστές διάχυσης των βιομορίων δυσκολεύουν εκτός από την ανάμιξη και την αριθμητική επίλυση του προβλήματος. Πιο συγκεκριμένα, οι υψηλοί αριθμοί Peclet,που προκύπτουν από τους χαμηλούς συντελεστές διάχυσης, σε συνδυασμό με τις απότομες μεταβολές της συγκέντρωσης των βιομοριών (διαλυμένη ουσία) στο μικροαναμίκτη οδηγούν σε ασταθείς λύσεις με έντονες διακυμάνσεις. Για την αντιμετώπιση των ασταθών λύσεων εφαρμόζονται μέθοδοι σταθεροποίησης και αυξάνεται η πυκνότητα του υπολογιστικού πλέγματος. Η επίλυση πραγματοποιείται μετο εμπορικό λογισμικό COMSOLMultiphysicsπου βασίζεται στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (ΜΠΣ)[1]. Όσον αφορά το πρόβλημα υπολογισμού του πεδίου ροής, μελετάται η επίδραση των συναρτήσεων βάσης της ΜΠΣ καθώς και του πλήθους των στοιχείων του υπολογιστικού πλέγματος στην αριθμητική λύση. Η μελέτη αναδεικνύει συμμετρίες και περιοδικότητες στο πεδίο ταχύτητας στο μικροαναμίκτη οι οποίες επιτρέπουν την επίλυση του πεδίου ταχύτητας στα ¾ της δομικής μονάδας του. Το πλήθος των δομικών μονάδων του μικροαναμίκτη που απαιτούνται για την πλήρη ανάμιξη δύο διαλυμάτων διαφορετικής συγκέντρωσης γενικά εξαρτάται από τους αριθμούς Reynoldsκαι Pecletαλλά μπορεί να φτάσει μέχρι μερικές δεκάδες. Όσον αφορά το πρόβλημα υπολογισμού της συγκέντρωσης διαλυμένης ουσίας, χρησιμοποιείται προσαρμοζόμενο πλέγμα και αναπτύσσεται μέσω παραμετρικής ανάλυσης κριτήριο για την έξυπνη πύκνωσή του στις περιοχές του είναι αναγκαίο. Το κριτήριο αυτό εξαρτάται από την ταχύτητα του ρευστού, τη βαθμίδα, τον τελεστή Laplaceτης συγκέντρωσηςκαι το μήκος των στοιχειών του πλέγματος. Τα αποτελέσματα των υπολογισμών συγκρίνονται ικανοποιητικά με πειραματικές μετρήσεις της απόδοσης ανάμιξης. Η απόδοση ανάμιξης συναρτήσει του μήκους του μικροαναμίκτη ανεβαίνει με μεταβαλλόμενο ρυθμό. Για μεγάλους Pecleto ρυθμός αυτός αυξάνεται μέχρι ενός σημείου καμπής και μετά μειώνεται. Προτείνεται μεταβολή στη γεωμετρία του μικροαναμίκτη που θα εξαλείψει το σημείο καμπής. Τέλος, διερευνάται η χρήση της γεωμετρίας του μικροαναμίκτη σαν μικροαντιδραστήρας για τον πολλαπλασιασμό του DNA μέσω της αλυσιδωτής αντίδρασης πολυμεράσης (PolymeraseChainReaction, PCR).