Υπολογιστική ανάλυση ανάμιξης διαλυμάτων βιομορίων σε μικροαναμίκτες

Χατζηγεωργίου, Ανδρέας; Chatzigeorgiou, Andreas

dc.contributor.author	Χατζηγεωργίου, Ανδρέας	el
dc.contributor.author	Chatzigeorgiou, Andreas	en
dc.date.accessioned	2018-07-18T11:33:34Z
dc.date.available	2018-07-18T11:33:34Z
dc.date.issued	2018-07-18
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/47341
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15599
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Μικροαναμίκτης	el
dc.subject	Μικροεργαστήριο	el
dc.subject	Μικροαντιδραστήρας	el
dc.subject	Μικροαναμίκτης ανάγλυφο κλιμακωτού ψαροκόκαλου στα τοιχώματα	el
dc.subject	Υπολογιστική ρευστοδυναμική	el
dc.subject	COMSOL Multiphysics	en
dc.subject	Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων	en
dc.subject	Μέθοδοι σταθεροποίησης	en
dc.subject	Ασταθής λύσης	en
dc.subject	Ταλαντωτική συμπεριφορά	el
dc.subject	Micromixer	en
dc.subject	Computational fluid dynamics	en
dc.subject	Lab-on-chip	en
dc.subject	Microreactor	en
dc.subject	Staggered herringbone micromixer	en
dc.subject	Finite elements methods	en
dc.subject	Stabilization methods	en
dc.subject	Unstable solution	en
dc.subject	Wiggles	en
dc.title	Υπολογιστική ανάλυση ανάμιξης διαλυμάτων βιομορίων σε μικροαναμίκτες	el
heal.type	bachelorThesis
heal.secondaryTitle	Computational analysis of biomolecular solution mixing in micromixers	en
heal.classification	Computational mehtods in fluid dynamics	en
heal.classification	Microfluidics	en
heal.classification	Microfluidic devices	en
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/e6ab3f6b562030c0c8396c8ff25de47e482748f3
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh2005000678
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh2005007502
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-07-16
heal.abstract	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).	el
heal.abstract	In the last two decades there has been a great interest in the development of Lab on Chip (LoC) systems. The LoC system integrates a series of processes that until now took place in conventional labs of larger scale. LoC systems are comprised of many microfluidic devices which are capable of carrying out a variety of processes, such as fluid transport, mixing, separation and chemical reactions. Compared to conventional systems, the advantages of LoC systems are lower cost, lower reactant consumption, smaller times of analysis and portability. The efficiency of a LoC system depends on the efficiency of each individual microfluidic device. The frequency of a micromixer’s appearance on LoC systems is high and its role is critical. An excellent micromixer design can increase the sensitivity of the analytical method which is performed on the LoC system and can also reduce the footprint and the time of analysis of the LoC system. LoC systems are used in the field of bio-analysis. This is a very particular field due to the fact that samples are very sensitive and need to be handled with care so that the biomolecules in the sample are not strained thermally or mechanically. Biomolecules are also characterized by low diffusivity which renders the mixing process even more demanding, especially in the microscale where there is absence of turbulence. The purpose of this thesis is the numerical study of the mixing problem of biomolecular solutions in micromixer which is composed of a main orthogonal channel with embossed staggered herringbones on its bottom [staggered herringbone micromixer (SHM), Whitesides et al., Science 295, 647 (2002)]. The embossed herringbones induce a secondary velocity field normal to the main flow direction producinga chaotic advection effect which facilitates the mixing process. The computational study includes the numerical solution of the equations of Navier-Stokes, the continuity and mass balance of the diluted species (biomolecules). The low diffusion coefficients complicate not only the mixing but also the numerical analysis of the problem. More specifically, the high Peclet numbers caused by the low diffusion coefficients along with the sudden changes in the concentration of the biomolecules in the micromixer lead to solution instabilities with intense fluctuations. In order to deal with these instabilities, stabilization methods are used and the density of the computational mesh is increased. The problem is investigated using COMSOL Multiphysics, a commercial software that is based on the finite element method (FEM)[1]. Concerning the problem of the velocity field, the effects of the basis functions as well as the number of the elements of the computational mesh on the numerical solution are investigated. This investigation reveals certain symmetries and periodicities in the velocity field of the micromixer that enable us to fully decipher the velocity field at three quarters of the unit cell of the SHM. The number of unit cells that are needed for the full mixing of two solutions of different concentration depends on the Reynolds and Peclet numbers but it can reach a few dozens. Regarding the calculation of the concentration of the diluted substance, an adaptive mesh is used and, through a parametric analysis, a criterion is developed for the selective refinement of the mesh. This criterion depends on the velocity of the fluid, the gradient as well as the Laplace operator of the concentrationand the length of elements. The results of the computational calculations are adequately compared with experimental measurements of the mixing efficiency. The mixing efficiency as a function of the micromixer’s length increases with a varying rate. In fact, for high Peclet number this rate increases until a turning point after which the rate starts to decrease. A certain modification to the micromixer geometry is suggested for the elimination of the turning point. Finally, the use of the micromixer as a microreactor for DNA amplification through polymerase chain reaction (PCR) is investigated.	en
heal.advisorName	Μπουντουβής, Ανδρέας	el
heal.committeeMemberName	Μπουντουβής, Ανδρέας	el
heal.committeeMemberName	Θεοδώρου, Θεόδωρος	el
heal.committeeMemberName	Ανδρεόπουλος, Ανδρέας	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	171 σ.
heal.fullTextAvailability	true