автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Разработка комплекса термопреобразователей для обеспечения многостадийных технологических процессов получения высокополноценных биологических продуктов

5i?

На правах рукописи /

Пащенко Андрей Борисович

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МНОГОСТАДИЙНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПОЛНОЦЕННЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ

Специальность 05.11.17 - «Приборы, системы и изделия медицинского ( назначения»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

о 5 ДЕК 2003

Москва 2008

003456553

Работа выполнена в ФГУ «Всероссийский научно-исследовательский и испытательный институт медицинской техники» Росздравнадзора

Научный руководитель:

кандидат технических наук Невский Дмитрий Ильич

Научный консультант:

доктор технических наук Грядунов Александр Иванович

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Цыганов Дмитрий Игоревич д.т.н. Беняев Негмат Ефремович

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт «Биомедицинской техники» Московского государственного технического университета имени Н.Э.Баумана

Защита состоится «/Ууека^2008г. в /0 часов на заседании диссертационного совета Д 208.001.01 при ФГУ «Всероссийский научно-исследовательский и испытательный институт медицинской техники» Росздравнадзора по адресу: 129301, Москва, ул.Касаткина, д.З

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУ «Всероссийский научно-исследовательский и испытательный институт медицинской техники» Росздравнадзора

Автореферат разослан «. té » НСЛдрЛ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

В настоящее время, в России не существует утвержденных стандартов оснащения учреждений службы крови специализированным медицинским оборудованием, применяемые аппараты не всегда отвечают технологическим требованиям. Наряду с этим, имеется острый недостаток донорской крови: на 1000 человек населения приходится менее 14 доноров, при необходимости в 4 раза больше. В итоге, значительно сокращается количество потенциально пригодных к применению компонентов и препаратов крови.

Кровь, её компоненты и препараты - биологические продукты, необходимые в трансфузионной терапии для коррекции нарушений гомеостаза и управления функциями организма направленным изменением свойств, состава и объема циркулирующей крови внутрисосудистым введением трансфузионных средств, а также трансфузиологическими операциями экстракорпоральной гемокоррекции, физиогемотерапии и искусственного кровообращения.

Получение компонентов и препаратов крови с максимально высокими показателями биологической активности, от которых зависит положительный результат при их применении, является главной задачей учреждений службы крови.

Трансфузия гемотрансфузионных сред сопряжена с высоким риском посттрансфузионных осложнений, что подтверждается данными медицинской статистики как в России, так и за рубежом. По данным Российского НИИ гематологии и трансфузиологии около 30% посттрансфузионных осложнений приводит к летальному исходу. По данным трансфузиологической службы США, технические и организационные факторы стоят на 2-м месте по количеству посттрансфузионных осложнений, что составляет около 25% (рис.1) от общего числа посттрансфузионных осложнений.

ш 1 человеческий

фактор; щ 2 технический

фактор; * 3 бактериальный сепсис;

Рис.1. Причины посттрансфузчонных осложнений поданным SchreiberО. 2001г.

Основной причиной потери биологической полноценности компонентов и препаратов крови является нарушение температурно-временных условий в процессе их получения, начиная от забора крови, её хранения, хранения компонентов и препаратов донорской крови, культивирования компонентов крови, и оканчивая подготовкой к трансфузии.

По данным ряда ученых (Holme S., Moroff S., Krishnan LK, Sulochana P. и др.) установлено влияние температуры на различные компоненты и препараты крови. Известно, что при нестабильности поддержания температуры в допустимых пределах, при хранении компонентов донорской крови, наблюдаются значительные морфологические изменения клеток крови, pH, наблюдается потеря физиологических функций, уменьшаются сроки их хранения, в итоге, значительно меняется их функциональная активность в посттрансфузионный период.

Анализ влияния температурных режимов и точности их поддержания на полноценность компонентов и препаратов крови, в процессе их получения, показал необходимость использования для этих целей прецизионного теплотехнического оборудования.

В области медицинского теплотехнического оборудования для обеспечения температурных условий получения и применения компонентов и препаратов крови, существует множество наработок и производится

большое количество аппаратов, но, как показал анализ, они имеют ряд недостатков, основные среди которых:

- проведение контроля температуры по одному датчику в камере, что не позволяет судить о изотермичности всего рабочего объёма;

- обеспечение контроля температурного режима по датчику в воздухе камеры, а не по температуре компонента крови;

- низкая точность поддержания температурного режима.

Кроме этого, среди производителей часто не соблюдается размерная связь различных по функциональному назначению теплотехнических аппаратов, обеспечивающих необходимые условия определенных технологических этапов, что, в конечном итоге, влияет на температурно-временные показатели всего технологического процесса, а соответственно и на качество, компонентов и препаратов крови.

В связи с этим, необходим комплексный подход к процессу получения и применения компонентов и препаратов крови.

Практическое отсутствие отечественных аппаратов, обеспечивающих оптимальные значения температурно-энергетических и временных факторов при получении компонентов и препаратов крови, высокие цены зарубежных аппаратов, недоступные для широкого круга учреждений различного уровня, наряду с острой потребностью в больших количествах компонентов и препаратов крови с максимально высокой биологической полноценностью, определяют актуальность выполненных в диссертации научно-технических исследований. Конечным итогом и целью работы явилось обеспечение оптимальных условий для получения биологических продуктов с высокими показателями критериальной полноценности. В связи с чем, сформирована совокупность конструкторско-технических решений, реализованных в нескольких принципиально новых модификациях высокоэффективных морозильных аппаратов для высокоскоростного замораживания плазмы, морозильниках, прецизионных изотермических термостатах-холодильниках и термостатах-инкубаторах для хранения и культивирования компонентов

крови, обеспечивающих в итоге максимально высокую биологическую полноценность компонентов и препаратов.

Цель диссертационной работы - разработка совокупности теплотехнических аппаратов для обеспечения оптимальных температурно-энергетических условий на этапах технологических процессов получения компонентов и препаратов крови с высокой степенью критериальной полноценности.

Поставленная цель определила следующие задачи:

1. Исследование влияния на биологическую полноценность компонентов и препаратов крови временных, температурных, энергетических факторов при реализации процессов фазового перехода, хранения, культивирования.

2. Разработка конструкций, электрических и гидравлических схем медицинских термостатов базирующихся на многоканальном регулировании как тепловых мощностей различных направлений, генерируемых тепловоздействующими блоками различной физической природы, так и интенсивности теплообмена.

3. Разработка обобщенных методов расчета и оптимизации тепловоздействующих блоков медицинских термостатов в виде полупроводниковых термомодулей, на основе эффекта Пельтье.

4. Разработка конструкций, электрических и гидравлических схем комплекса термопреобразователей, реализующих процесс фазового перехода, хранения и культивирования в биологическом продукте с заданными температурно-временными показателями.

Научная новизна

1. Посредством использования критериальных уравнений теории подобия выполнен анализ условий теплоотвода при вынужденной циркуляции жидкого или газообразного теплоносителя вдоль внешней поверхности полимерных контейнеров с биологическим продуктом, претерпевающим фазовые превращения, показавший, что для

ускорения процесса фазового перехода целесообразно обеспечивать ламинарный характер движения теплоносителя, а также биологического продукта внутри контейнеров.

2. Разработан метод оптимизации термоэлектрических преобразователей, реализующих эффект Пельтье, учитывающий полную совокупность теплофизических процессов, происходящих в ветвях термоэлементов, динамику изменения термоэлектрических свойств полупроводниковых материалов с изменением температуры, основывающийся на безразмерных уравнениях, определяющих квадратичную зависимость тепловых мощностей от безразмерного тока, и устанавливающих явную связь между температурами внешней среды и рабочего объёма.

3. Разработан метод расчета и оптимизации аэродинамических и теплофизических параметров воздушных плоскорёберных теплообменников, позволяющий определять критерий максимальной тепловой эффективности при заданных габаритно-массовых ограничениях, плотности отводимого теплового потока и известных динамических характеристиках вентилятора.

4. Разработан алгоритм и методика оптимизации гидравлической сети низкотемпературных холодильных агрегатов, применение которых позволяет на (40+45)% уменьшить время выхода морозильных аппаратов на рабочий режим, уменьшить на (20+30)% длительность акта замораживания, обеспечивать температурно-временные параметры этапа «домораживания» криоконсервированного продукта в соответствии с требованиями нормативных документов и надежную работу аппаратов при условии частичной загрузки.

Практическая значимость

1. Разработан типсряд тсрмсстатпрующпх аппаратов ка основе полупроводниковых тепловоздействующих блоков, использующих эффект Пельтье и обеспечивающих высокую степень объемной изотермичности посредством многоканального регулирования и

контроля температуры в рабочей камере по нескольким датчикам температуры.

2. Разработана принципиально новая гидравлическая схема компрессионных холодильных агрегатов, применяющаяся в медицинских морозильных аппаратах, как при обеспечении высокоскоростных режимов замораживания, так и при хранении криоконсервированных компонентов и препаратов крови, основывающаяся на автоматическом регулировании подачи хладагента и обеспечивающая реализацию нескольких заданных температурно-энергетических уровней.

3. Разработаны прецизионные динамические жидкостные аппараты для размораживания и подогрева криоконсервированных биологических продуктов, обеспечивающие возможность высокоточного поддержания температурного режима в рабочем диапазоне от + 30°С до + 60°С с точностью ±0.1 "С во всем рабочем объеме.

4. Практическим итогом реализации результатов диссертационной работы явилось разработка ряда морозильных аппаратов «Гемотерм» для обеспечения высокоскоростных режимов замораживания и хранения криоконсервированных компонентов и препаратов крови, термостатов «ЭкспОТ» для обеспечения режимных параметров технологических процессов, установленных нормативными документами, при заготовке, хранении, культивировании компонентов и препаратов крови. Разработанные аппараты используются во многих стационарных учреждениях службы крови и на нескольких типах передвижных пунктов заготовки донорской крови.

Положения выносимые на защиту

1. Алгоритм решения критериальных уравнений подобия, определяющих теплообменные процессы в воздушной и жидкой среде, в биологическом веществе при реализации фазового перехода, при термостатировании, механическом перемещении с ускорением,

периодически изменяющемся по величине и направлению.

2. Алгоритм обобщенной оптимизации термоэлектрического преобразователя, основывающийся на безразмерных уравнениях, определяющих квадратичную зависимость тепловых мощностей от безразмерного тока, и устанавливающих явную связь между температурами внешней среды и рабочего объёма.

3. Алгоритм решения задачи оптимизации плоскорёберных воздушных теплообменников, определяющий нахождение критерия наивысшей тепловой эффективности при заданных габаритно-массовых ограничениях, плотности отводимого теплового потока и известных динамических характеристиках вентилятора.

4. Методика расчета многоконтурного холодильного агрегата медицинского морозильного аппарата с несколькими температурно-энергетическими уровнями.

Апробация работы н публикации. Апробация работы проведена на научном семинаре ФГУ «ВНИИИМТ». По теме диссертации опубликовано две научных статьи, получено 3 патента на полезную модель, патент на изобретение, опубликовано 4 научных отчета.

Структура н объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и выводов, библиографического списка, включающего 91 источник, 18 из которых иностранных. Основное содержание работы изложено на 130 страницах, содержит 55 рисунков, 25 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность развития медицинских теплотехнических аппаратов для обеспечения условий получения компонентов и препаратов крови с высоким содержанием биологически активных факторов. Сформулированы цель и задачи диссертационной работы, обоснованы научная новизна и практическая значимость.

9

•г

Донация I

Транспортировка донорской крови при К22±2)°С

Охлаждение донорской крови до t=(22±2)°C

Хранение донорской крови при t=(22±2)°C

Охлаждение донорской крови flot=(4±2)°C

Хранение донорской крови при t=(4±2)°C

Транспортировка донорской крови при t=(4±2)°C

Фракционирование донорской крови на компоненты

Эритроцитная масса

Тромбоконцентрат

Плазма

Охлаждение до t=(4±2)°C

Охлаждение до t=(22±2)°C

Хранение или транспортировка при t=(4±2)°C 28-50 суток

Хранение или транспортировка при t=(22±2)°C и перемешивании 5-7 суток

X

Размораживание до t=(4±2)°C

Хранение размороженной плазмы при t=(4±2)°C не более 1(24) ч.

"Г

Подогрев до£=(37±1)°С

Трансфузия компонента с t=(37±l)°C

Замораживание до t<-30°C за 1 час

Хранение плазмы

t,°C Период,

месяцы

менее

-30 24

-(25-30) 12

Транспортировка при t<-20°C

Производство препаратов плазмы: альбумин, иммуноглобулин, криопреиипитат, физиологические антикоагулянты (антитромбин III, белок С и S); компоненты фибринолитической группы

Рис.2. Схема технологического процесса получения компонентов и препаратов крови

В первой главе выполнен анализ технологических процессов получения компонентов и препаратов крови, способы их осуществления.

При получении компонентов и препаратов крови используются следующие технологические процессы (рис.2):

о высокоскоростное охлаждение крови и её компонентов после акта донации до температур (+22±2)°С или (+4±2)°С, с последующим получением эритроцитсодержащих компонентов, тромбоконцентрата и других компонентов, о разделение донорской крови на фракции и последующее высокоскоростное замораживание компонентов и препаратов крови, таких как плазма, криопреципитат, реализация длительного хранения замороженных компонентов в течение от нескольких месяцев до нескольких лет;

В работе отражены последствия использования компонентов и препаратов крови низкого качества, обусловленные нарушением температурно-временных условий проведения этапов технологических процессов их получения.

Проведен теоретический анализ существующих данных влияния температурных режимов, точности их поддержания, температурно-временных факторов, на критериальные показатели биологической активности донорской крови и её компонентов.

Анализ технологических процессов позволил сформировать комплекс оборудования необходимый для обеспечения температурных условий получения компонентов крови и выделить следующие группы аппаратов: о Экспрессохладители для обеспечения быстрого охлаждения донорской

крови и её компонентов после актов донации. о Термостаты для хранения донорской крови, её компонентов и препаратов.

о Термостаты для культивирования и проведения лабораторных исследований.

о Быстрозамораживатели жидких компонентов и препаратов крови, о Морозильные аппараты для хранения замороженных компонентов и препаратов крови.

о Термостаты для размораживания и подогрева замороженных и

охлажденных компонентов и препаратов крови. Одним из основных элементов прецизионных изотермических термостатов для хранения термочувствительных биологических продуктов, их культивирования, проведения лабораторных исследований и так далее, являются термоэлектрические преобразователи, позволяющие обеспечивать реверсирование тепловых потоков. В связи с чувствительностью термоэлектрических преобразователей к любым изменениям в режиме их работы, неточности теоретического расчета могут свести к нулю преимущества термоэлементов сколь угодно высокого класса. Разработана обобщенная теория расчета, позволяющая оптимизировать параметры термоэлектрических преобразователей и плоскореберных радиаторов с обдувом, что повышает точность обеспечения температурных режимов в рабочей камере термостата.

Во второй главе представлены, приведенные к безразмерному виду обобщенные уравнения расчета параметров полупроводниковых термомодулей медицинских прецизионных изотермических термостатов, предназначенных для культивирования биологических культур, проведения лабораторных исследований, а также для хранения термочувствительных компонентов и препаратов крови.

Приведенные уравнения учитывают полную совокупность теплофизических процессов, происходящих в ветвях термоэлементов, динамику изменения с температурой термоэлектрических свойств полупроводниковых материалов, что необходимо при разработке медицинских прецизионных изотермических термостатов.

Безразмерные уравнения тепловых балансов на спаях реального термоэлектрического преобразователя:

Потребляемая мощность:

Г-Вн

У-Р в[-9\ ф

Безразмерные температуры спаев 90 и термоэлектрического

преобразователя:

Г-В1„.,

(3)

Оборудование с прецизионньм обеспечением температурных режимов, с использованием термомодулей, требует применения воздушных теплообменников с обдувом для усиления теплообмена.

В связи с чем, разработан метод расчета и оптимизации аэродинамических и теплофизических параметров воздушных плоскорёберных теплообменников, позволяющий находить критерий максимальной тепловой эффективности при заданных массогабаритных ограничениях, плотности отводимого теплового потока и известных динамических характеристиках вентилятора.

Разработан метод расчета термоэлектрических термостатов, автоматический регулятор которых, отличается высокой чувствительностью к изменению температуры Т окружающей среды, а также среды, находящейся в тепловом контакте с наружными спаями термобатареи. Величина и характер отклонения <5/ являются сосгавляющими точности поддержания температуры.

Из известных зависимостей, описывающих работу термоэлектрического автоматически управляемого модуля можно получить:

где М=^1+|1(Г + Г0);

При изменении наружной температуры можно наблюдать две стадии изменения отклонения. Первая - вызванная изменением разности температур, происходит одновременно с изменением температуры окружающей среды:

т А А N V П ) Я Яп ' У '

где ц - установившийся тепловой поток при температуре Т, ¿>/г -отклонение согласно уравнению (4) после длительной работы термостата при температуре окружающей среды Т.

Вторая стадия изменения <5/ начинается в момент прихода тепловой волны в рабочий объём термостата и прекращается после полной перестройки температурного поля в теплоизоляции:

' А А V 8 / Я Як 1 ' к '

где (|г = Л(Т'-Т0).

При проектировании термостата для оценки величины отклонения температуры удобно использовать графические характеристики (статическую диаграмму термостата, рис. 3). Предложенная диаграмма позволяет оценить точность поддержания температуры в зоне температурного датчика при изменениях температуры окружающей среды Т. Диаграмма на рис.3 построена исходя из использования автоматического пропорционального регулятора, однако на практике часто связь 51 и и не выражается линейной зависимостью.

Построение статической диаграммы несколько видоизменяется (рис.4). В левом квадранте наносится кривая и=/(ё$. Колебания <5/ определяются как на диаграмме рис.3, но с переносом <5/ на ось абсцисс левого квадранта по кривой и=/(80.

Рис.3. График для расчета Рис.4. Пример расчета термостата с

термостатов со статичес- автоматическим регулированием при

ким регулированием и=А(30 непропорциональной зависимости

и=т

и = паТ - пП ~ | [м*К(Т - Г0) - . (7)

В работе, также рассмотрены процессы нестационарной теплопроводности, реализующиеся в веществе биологического продукта при осуществлении фазовых переходов на различных стадиях технологических процессов его получения, что необходимо для выявления влияния совокупности температурных, теплообменных, механических факторов на значения критериальных показателей, определяющих биологическую полноценность исследуемых компонентов и препаратов крови, а также для формирования конкретных рекомендаций по разработке новых аппаратов с более эффективными параметрами по эксплуатационным, медико-биологическим и другим показателям.

Посредством рассмотрения задачи нестационарной теплопроводности для трехслойной модели (рис.5), основывающейся на решении дифференциального уравнения в частных производных и описывающей фазовые переходы в биологическом веществе, выполнены исследования нестационарных процессов теплообмена, реализующихся внутри неподвижного полимерного контейнера с плазмой в статическом режиме:

(с(т) о-, а2 Л,

Рмс. 5. Одномерная теплофизическая модель процесса фазовых переходов свежезамороженной плазмы или криопреципитата

^ ^ 1 \ каи его / л пя

(8)

*=0

где а/ - коэффициент теплоотдачи между внешней поверхностью полимерного контейнера и потоком теплоносителя с температурой циркулирующего в рабочей камере; а2 — коэффициент теплоотдачи между поверхностью ледяной корки переменной толщины 8я (г) и веществом плазмы; пл - плазма; фп - состояние фазового перехода: фп1 - индекс начального состояния фазового перехода; фп2 - индекс конечного состояния фазового перехода; ст - стенка; конт - контейнер; с - удельная теплоемкость; Р- плотность; % - коэффициент теплопроводности; с- коэффициент теплопередачи; Х- удельная теплота; х- толщина плавящегося или затвердевающего слоя; 8 - толщина стенки контейнера; Т - время;

при граничных условиях:

равенство температур в соприкасающихся фазах /ж) = /те), неравенство тепловых потоков на границе раздела фаз те> г цГж>;

и допущениях, при которых рассматриваемая задача сводится к одномерной, т.е. температура в жидкой и твердой фазах биопродукта является функцией одной пространственной координаты, конвективные потоки в жидкой фазе отсутствуют, а тепло в неподвижном веществе передается только теплопроводностью.

Решение полученного дифференциального уравнения, определяет зависимость толщины слоя биологического продукта перешедшего в конечную фазу фп2 от времени и сводится к рассмотрению задачи теплопроводности с подвижной границей раздела фаз, решение которой после применения интегральных преобразований Лапласа преобразуется в обыкновенное дифференциальное уравнение:

где К - толщина контейнера с замороженной плазмой; £ - толщина слоя, перешедшего в конечное состояние фазового перехода; индекс ж - жидкость; те - твердое тело; хл - хладоноситель; л - лед; п - показатель порядка парабол, аппроксимирующих действительные кривые распределения температур по толщине твердой и жидкой фаз. При малых толщинах слоя рабочего вещества, каковым является плазма в полимерных контейнерах, и относительно мало интенсивном подводе тепла с боковой поверхности, распределение температур в твердой фазе при затвердевании и в жидкой фазе при плавлении, близко к линейному. В этом случае показатель степени параболы приближается к п = 1.

Полученные уравнения позволяют получить зависимости от времени толщины слоя биологического продукта перешедшего в конечную фазу фп2

(9)

при различных температурах хладоносителя и интенсивностях теплообмена на внешней поверхности контейнера.

Представлен метод расчета и оптимизации морозильных аппаратов предназначенных для хранения замороженных биологических продуктов. В работе сформулированы требования, которым должны удовлетворять компрессионные холодильные агрегаты для медицинских морозильников, предназначенных для хранения компонентов и препаратов крови.

На холодильные агрегаты в медицинских морозильниках возлагаются две функции:

о обеспечение максимально высоких значений холодильной мощности при реализации первого этапа хранения - быстрого выхода на температурный режим и охлаждения помещенных в медицинскую морозильную камеру замороженных биологических продуктов; о обеспечение высокой экономичности при реализации заданного режима температуры хранения на втором этапе - этапе поддержания низкотемпературного режима.

Для обеспечения многоуровневых температурных режимов работы холодильного агрегата в составе морозильной камеры, были разработаны принципиально новые типы холодильных агрегатов, в которых обеспечивается оптимальное изменение массового расхода хладагента через испаритель при реализации различных температурно-энергетических режимов работы за счет введения автоматически управляемого гидравлического тракта.

Предложена методика оптимизации гидравлического тракта компрессионного холодильного агрегата, обеспечивающего в медицинском морозильном аппарате заданные температурно-энергетические режимы, заключающаяся в расчете основного дроссельного элемента и дополнительного автоматически управляемого дроссельного элемента -капиллярной трубки с соленоидным клапаном, а также расчете испарителя холодильного агрегата.

Проведен анализ влияния теплообменных и температурных факторов на скорость размораживания криоконсервированных компонентов крови, в результате которого выявлено, что скорость размораживания зависит не только от температурного режима, но и от интенсивности теплопередачи через стенку полимерного контейнера от теплоносителя к биологическому продукту.

В третьей главе приведены описания принципиальных электрических и гидравлических схем теплотехнических аппаратов для обеспечения необходимых температурных условий при осуществлении каждого этапа технологического процесса получения высокополноценных биологических продуктов. Рассмотрены общие принципы построения:

• электрических схем высокоэффективных морозильных аппаратов для замораживания компонентов и препаратов крови;

• электрических и гидравлических схем морозильных аппаратов для хранения плазмы и криопреципитата;

• медицинских прецизионных изотермических термостатов, обеспечивающих возможность высокоточного поддержания температурного режима;

• аппаратов для проведения размораживания и подогрева компонентов и препаратов крови.

В частности, представлены разработанные конструкции и электрические схемы аппаратов для осуществления быстрого охлаждения крови и её компонентов, и обеспечения поддержания в рабочем объёме установившегося режима термостатирования, благодаря чему время охлаждения полимерных контейнеров с биологическим продуктом значительно сократилось, введение режима термостатирования с точностью +0,3СС позволило стабилизировать температуру биинродукш и не допустить инерционного охлаждения до температур, ниже допустимых.

В работе также представлены и описаны некоторые модификации конструкций аппаратов, входящих в комплекс оборудования для обеспечения

необходимых условий этапов технологических процессов получения высокополноценных компонентов и препаратов крови. Описаны отличительные особенности предложенных конструкций и схем, влияющих на технические характеристики и возможности аппаратов.

В четвертой главе, на основе выполненного комплекса научно-инженерных исследований, произведена практическая реализация целой совокупности аппаратов для обеспечения заданных температурных условий при производстве и хранении высокоэффективных компонентов и препаратов крови.

Представлены особенности конструкций, электронно-тепловых схем и модификации морозильных аппаратов для высокоскоростного замораживания биологических продуктов «ГЕМОТЕРМ-Е», морозильников для хранения свежезамороженной плазмы или криопреципитата, «ГЕМОТЕРМ» (минус (15+41)°С), рабочий объем: 40-500л.

На основе проведенных исследований разработан широкий ряд модификаций термостатов «ЭкспОТ»:

о Комбинированные экспрессохладители-термостаты «ЭкспОТ», необходимые для уменьшения переходных процессов в донорской крови и её компонентах, сразу после актов донаций, быстрого их охлаждения до температур +4°С или +22°С, с автоматическим переходом в режим термостатирования;

о Низкотемпературные термостаты для хранения компонентов донорской крови, лекарственных и иммунобиологических препаратов, трансплантантов «ЭкспОТ-НТ» (от минус 50 до плюс 10)°С, рабочий объем: 30+3000 л;

о Термостаты-инкубаторы для проведения лабораторных исследований и культивирования биологических продуктов «ЭкспОТ-И» (от 1=1внеш до 100)°С, рабочий объем: 30^700 л;

о Термостаты «ЭкспОТ-НТ.ВТМ» для хранения тепловыделяющих объектов таких как встряхиватели с тромбоконцентратом;

о Термостаты для размораживания, подогрева криоконсервированных и охлажденных биопродуктов «ЭкспОТ-Р».

Разработанные конструкции и технические решения могут лечь в основу создания стандартов оснащения учреждений службы крови.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Посредством интегральных преобразований Лапласа выполнено исследование нестационарных теплофизических процессов, происходящих внутри полимерного контейнера с биологическим продуктом при реализации фазовых переходов, на основе решения системы дифференциальных уравнений в частных производных.

2. Разработан метод оптимизации термоэлектрических преобразователей, реализующих эффект Пельтье, основывающийся на безразмерных уравнениях, учитывающих полную совокупность теплофизических процессов, происходящих в ветвях термоэлементов, динамику изменения с температурой термоэлектрических свойств полупроводниковых материалов, устанавливающих связь между температурами внешней среды и рабочего объёма в виде квадратичной зависимости тепловых мощностей от безразмерного тока.

3. Разработан метод расчета и оптимизации аэродинамических и теплофизических параметров воздушных плоскорёберных теплообменников, позволяющий находить критерий максимальной тепловой эффективности при заданных массогабаритных ограничениях, плотности отводимого теплового потока и известных динамических характеристиках вентилятора.

4. Теоретически и экспериментально установлено, что введение в холодильный агрегат, морозильной камеры, автоматически управляемого дополнительного гпдраплнчссксго тракта, цсишмше! на (40—45)% уменьшить время выхода морозильных аппаратов на рабочий режим, уменьшить на (20-н30)% длительность акта замораживания, обеспечивать температурно-временные параметры этапа «домораживания» криоконсервированного

продукта в соответствии с требованиями нормативных документов и надежную работу аппаратов при условии частичной загрузки.

5. Разработан типоряд модификаций морозильных аппаратов для хранения свежезамороженной плазмы или криопреципитата, «ГЕМОТЕРМ» с температурным диапазоном минус (15+41) °С.

6. Разработана серия модификаций термостатов «ЭкспОТ»:

о Комбинированные экспрессохладители-термостаты компонентов донорской крови, лекарственных и иммунобиологических препаратов «ЭкспОТ»;

о Низкотемпературные термостаты для хранения компонентов донорской крови, лекарственных и иммунобиологических препаратов, трансплантантов «ЭкспОТ-НТ»;

о Термостаты-инкубаторы для проведения лабораторных исследований и культивирования биологических продуктов «ЭкспОТ-И»; о Термостаты «ЭкспОТ-НТ.ВТМ» для хранения встряхивателей с тромбоконцентратом;

о Термостаты для размораживания, подогрева криоконсервированных охлажденных биопродуктов «ЭкспОТ-Р».

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Грядунов А.И., Крылова Л.В., Пащенко А.Б. Патент РФ на изобретение № 2256129. Способ замораживания жидкого биологического вещества.

2. Грядунов А.И., Леонов А.П., Пащенко А.Б. Патент РФ на полезную модель № 40508. Термовлагостат.

3. Грядунов А.И., Пащенко А.Б. Патент РФ на полезную модель № 45017 Холодильный агрегат.

4. Грядунов А.И., Пащенко А.Б., Белозерова Г.П., Будникова Л.Б., Великих Е.И. Патент на полезную модель № 65760. Размораживатель криоконсервированных биологических продуктов.

5. Грядунов А.И., Пащенко А.Б., Невский Д.И. Способы получения свежезамороженной плазмы и морозильные аппараты для их осуществления. // Медицинская техника, №1, Москва, Медицина, 2007, с. 19-23.

6. Пащенко А.Б. и др. Отчет о научно-исследовательской и опытно-конструкторской работе «Разработка инкубационных аппаратов для обеспечения оптимальных температурных и механических условий при хранении контейнеров с тромбоцитной массой» (Шифр: «ЭкспОТ-ВТМ») //ВНТИЦ, per. № 0120.0407564, инв.№ 0220.0505260.

7. Пащенко А.Б. и др. Отчет о научно-исследовательской и опытно-конструкторской работе «Разработка прецизионных изопараметрических климатических камер с многоканальным регулированием температуры и относительной влажности» (Шифр: «ШШптим») //ВНТИЦ, per. № 0120.0506754, инв.№ 0220.0 506086.

8. Пащенко А.Б. и др. Отчет о научно-исследовательской и опытно-конструкторской работе «Разработка типоряда высокоэффективных динамических суховоздушных размораживателей замороженных компонентов крови» //ВНТИЦ, per. № 0120.0603595, инв.№

0220.0800235.

9. Пащенко А.Б. и др. Отчет о научно-исследовательской и опытно-конструкторской работе «Оптимизация модульного построения и разработка передвижных донорских пунктов для заготовки крови в выездных условиях» //ВНТИЦ, per. № 01.2.00706429, инв.№

0220.0800236.

Ю.Пащенко А.Б. Электронно-тепловые схемы прецизионных изотермических термостатов для хранения и культивации биологических придукшв. //' Развитие медицинской техники в России. Юбилейный сборник научных трудов, Москва, ВНИИИМТ, 2006, стр. 187-190.

Условные обозначения

Т0, Г, температуры холодных и горячих спаев термобатареи;

Г0',Г/ температуры рабочих сред, разделяемых термобатареей;

I ток питания; ">Х1+Х2

л т + 1 коэффициент теплопроводности термоэлемента;

/Л Чп

Г

2

удельное электрическое сопротивление термоэлемента;

дд добротность термоэлемента;

сопротивление термоэлемента;

Я= 7л I теплопроводность термоэлемента;

/ высота термоэлемента;

площадь поперечного сечения термоэлемента; ¡1,52 площадь поперечного сечения ветвей разного типа

проводимости;

Я = т + з площадь рабочей поверхности термоэлектрического

преобразователя;

суммарная площадь сечения изоляционных прослоек между термоэлементами;

Х„ коэффициент теплопроводности изоляционного материала;

Лё безразмерный ток питания

У~Т

значение безразмерного тока, при которых К„ и £0 равны нулю; значение безразмерного тока, при котором с0 достигает максимума;

в; _ I

0,1 критерий Био;

N¡1 критерий Нуссельта;

Ее критерий Рейнольдса;

_ Q0z безразмерная холодопроизводительность;

0 пЛ

(¿¡г безразмерная теплопроизводительность;

К! =-

пХ

0О, = гТц, безразмерная температура холодных и горячих спаев

©о, = гГр', безразмерная температура среды, окружающей холодные и горячие спаи термобатареи;

л, г 5

т = —= у = — х га

(тс)0 полная теплоемкость охлаждаемых масс;

(тс), полная теплоемкость нагреваемых масс;

Подп. к печати 12.11.2008 г. Формат издания 60x84 1/16. Бумага офс. № 1. Усл. печ. л. 1,5 Уч.-изд. л. 1,1.Тираж 100 экз. Зак. 111 НПО "Экран"

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Влияние температурно-временных условий на биологические показатели компонентов и препаратов крови при их получении.

1.1. Анализ схем технологических процессов получения. компонентов и препаратов крови.

1.2. Влияние температурно-временных параметров режима замораживания плазмы на её биологическую эффективность.

1.3. Анализ деградации биологического качества компонентов и препаратов крови при нарушении установленных нормативными документами температурных условий при хранении и культивировании.

1.4. Влияние температурно-временных параметров режимов размораживания и подогрева на биологические показатели криоконсервированных компонентов крови.

1.5. Лабораторные исследования в технологических процессах получения крови и её компонентов.

1.6. Комплекс оборудования для обеспечения условий технологических процессов получения биологических продуктов.

1.7. Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2. Теоретический анализ теплофизических процессов на технологических этапах получения компонентов крови и методы расчета и оптимизации узлов аппаратов для их осуществления.

2.1. Влияние внешних температурных и теплообменных факторов на механизм теплофизических процессов, происходящих в биологическом веществе при реализации фазовых превращений.

2.2. Алгоритм решения критериальных уравнений теории подобия, описывающих теплообменные процессы реализации процессов фазового перехода в статических и динамических режимах.

2.2.1. Теплопередача через стенку полимерного контейнера при фазовых переходах плазмы.

2.2.2. Теплоотдача при обтекании поверхности полимерного контейнера с плазмой воздухом.

2.2.3. Теплоотдача при обтекании наружной поверхности полимерного контейнера жидком теплоносителем.

2.2.4. Особенности теплоотдачи на внутренней поверхности стенки контейнера при динамическом режиме фазовых переходов плазмы.

2.2.5. Теплопередача при оребрении поверхности ложементов.

2.3. Обобщенные методы расчета и оптимизации полупроводниковых тепловоздействующих блоков для медицинских термостатов.

2.4. Алгоритм поиска критерия максимальной тепловой эффективности плоскореберных воздушных теплообменников, применяющихся в тепловоздействующих блоках медицинских термостатов.

2.5. Методика расчета медицинских термостатов для хранения и культивирования биологических веществ.

2.6. Методика расчета многоконтурной гидравлической сети компрессионного охлаждающего агрегата для высокоэффективных медицинских термопреобразователей.

2.6.1. Методика оптимизации гидравлической сети компрессионного холодильного агрегата медицинских морозильников для хранения замороженной плазмы и криопреципитата.

2.6.2. Алгоритм расчета многоконтурного холодильного агрегата медицинского морозильника, для хранения замороженной плазмы и криопреципитата, с несколькими температурно-энергетическими уровнями.

2.6.3. Расчет гидравлического тракта компрессионного холодильного агрегата медицинского морозильника.

2.6.3.1. Методика расчета дроссельного элемента.

2.6.3.2. Методика расчета испарителя холодильного агрегата.

2.7. Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. Принципы построения электронно-тепловых схем прецизионных изопараметрических медицинских термопреобразователей.

3.1. Прецизионные изопараметрические медицинские термопреобразователи с многоконтурным регулированием критериальных параметров.

3.1.1 Термостаты с многоканальным регулированием, с многоконтурной принудительной вентиляцией, с охлаэюдением и нагревателями.

3.1.2 Термостаты с автономной системой обеспечения температурного режима.

3.2. Двухканальная электронная схема прецизионного медицинского термостата-холодильника на основе независимого регулирования тепловых мощностей холодильного агрегата и компенсационного нагревателя.

3.3. Электронно-гидравлическая схема медицинского термостата на основе регулирования интенсивности теплообмена на радиаторной поверхности тепловоздействующего блока.

3.3.1 Термостаты с высокой степенью прецизинности и изотермичности.

3.4. Методы оптимизационного построения, электронно-тепловые схемы и особенности функционирования медицинских морозильников для хранения замороженной плазмы.

3.4.1. Общие медико-технические требования медицинских морозильных аппаратов для хранения замороженных биопродуктов:.

3.4.2. Морозильные аппараты для карантинизации и длительного хранения замороженных биологических продуктов.

3.4.3. Морозильные аппараты для краткосрочных периодов хранения замороженных биопродуктов.

3.5. Электронно-тепловые схемы термопреобразователей для обеспечения заданных температурно-энергетических параметров при реализации фазовых превращений в биологическом веществе.

3.5.1. Термопреобразователи, реализующие процесс фазового перехода в при замораживании.

3.5.2. Термопреобразователи для реализации процесса фазового перехода в криоконсервированных биопродуктах при размораживании.

3.6. Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. Комплекс теплотехнического оборудования для обеспечения температурных условий технологических процессов при производстве и хранении высокоэффективных компонентов и препаратов крови.

4.1 .Морозильные аппараты «Гемотерм-Z» для высокоскоростного замораживания плазмы крови.

4.2.Медицинские морозильники «ГЕМОТЕРМ» для хранения замороженных компонентов донорской крови.

4.3.Медицинские термостаты «ЭкспОТ» для хранения компонентов донорской крови лекарственных и иммунобиологических препаратов.

4.3.1. Модификации медицинских термостатов ЭкспОТ.

4.3.2. Малогабаритные низкотемпературные термостаты.

ЭкспОТ-НТ.Ш.2.

4.3.3. Суховоздушные медицинские термостаты ЭкспОТ-НТ.Ш. 1.

4.3.4. Транспортные термостаты ЭкспОТ-НТ.Л.

4.3.5. Медицинские термостаты-инкубаторы «ЭкспОТ-И» для культивирования биологических веществ.

4.3. б. Термостаты «ЭкспОТ-НТ.ВТМ» для хранения тромбоконцентрата.

4.3.7. Термостаты «ЭкспОТ-Р» для размораживания криоконсервированных компонентов крови.

4.4. Выводы к главе 4.

В настоящее время, в России не существует утвержденных стандартов оснащения учреждений службы крови специализированным медицинским оборудованием, применяемые аппараты не всегда отвечают технологическим требованиям.

Наряду с этим, как всем известно, на сегодня существует проблема острого дефицита донорской крови и её компонентов, которая относится к разряду государственно-важных для отечественного здравоохранения. Её решение определяет возможность качественного оказания высокотехнологичной медицинской помощи в мирное время, и особенно в чрезвычайных ситуациях.

Кровь и её компоненты — очень востребованные биологические продукты, которые являются базовым материалом для трансфузионной терапии. В официальных документах ВОЗ и Совета Европы предусмотрено более 20 наименований компонентов и препаратов крови, используемых для гемотрансфузии в рамках трансфузионной терапии.

Количество доноров за последние 10 лет сократилось более чем в два раза [11,21,22,23,37,42, 46,63,68], а доля, связанная с потерей качества крови и её компонентов, вызванная нарушением температурных условий при их заготовке, хранении и применении не уменьшилась. В итоге, значительно сократилось общее количество полученных доз пригодных к использованию.

Компоненты и препараты крови используются в инфузионно -трансфузионной терапии, являющемся важнейшим компонентом лечебно -профилактических мероприятий, особенно в медицине критических состояний. Трансфузионная терапия - метод коррекции нарушений гомеостаза и управления функциями организма направленным изменением свойств, состава и объема циркулирующей крови внутрисосудистым введением трансфузионных средств, а также трансфузиологическими операциями экстракорпоральной гемокоррекции, физиогемотерапии и искусственного кровообращения [21].

Целью трансфузионной терапии является коррекция нарушений гомеостаза [21], которыми являются реологические, онкотические, кислотно-основные, газотранспортные и защитные свойства крови, количество форменных элементов крови и компонентов плазмы, а также объем циркулирующей крови. Благодаря транскапиллярному обмену, изменения составляющих циркулирующей крови вторично влияют на свойства, состав и объем внесосудистых жидких сред.

Интегральным показателем реологических свойств крови является ее вязкость, которая зависит от гематокрита (в норме у мужчин - 40-48%, у женщин - 38-42%), концентрации крупномолекулярных белков - глобулинов, фибриногена и др., агрегационной способности и деформируемости эритроцитов. В норме относительная (относительно воды) вязкость крови равна 4-5, а плазмы - около 1,5. При ее повышении вследствие увеличения гематокрита, уровня глобулинов или появления парапротеинов (миеломных белков и др.), возрастания агрегационных свойств эритроцитов или снижения их деформируемости (при повышении жесткости мембраны) резко ухудшается микроциркуляция (тканевое кровообращение) и может развиться системная тканевая гипоксия [22,37,61].

Морфологический и биохимический состав циркулирующей крови можно корректировать в двух направлениях: устранение дефицита или удаление избытка тех или иных компонентов крови.

Переливание донорской крови оправдано лишь при массивной кровопотере (в объеме более 30-40% ОЦК), заменой гемотрансфузии при отсутствии необходимых компонентов и препаратов крови [2,22,37,61].

Дефицит эритроцитов, тромбоцитов и гранулоцитов восполняется соответствующими гемокомпонентами: плазменных белков — белковыми препаратами крови; плазменных прокоагулянтов и первичных физиологических антикоагулянтов (антитромбина III, протеинов С и 8) — соответствующими препаратами этих факторов или свежезамороженной плазмой. Несмотря на разработанные мероприятия, позволяющие еще более максимально ограничить применение аллогемотрансфузии или обойтись без нее: система сбережения крови, включающая применение аутогемотрансфузий и реинфузий, стимуляторов эритропоэза, мер по уменьшению операционной кровопотери, проблема острого дефицита донорской крови и её компонентов остаётся.

Доля непригодной для применения крови и её компонентов, связанная с потерей их качества, вызванная нарушением температурных условий при их получении, имеет значительный вес и, в случае использования, является одной из наиболее частых причин посттрансфузионных осложнений, что составляет около 25% [23,81,82,83] , и приводит к серьёзным последствиям, вплоть до летального исхода [21,22,49,81].

Кроме того, общую картину дополняет значительная доля доноров, кровь которых бракуется уже после донации в связи с обнаружением её биологической зараженности, что напрямую зависит от методов и используемого лабораторного оборудования, в том числе и теплотехнического.

Решение такой госудаственно-значимой проблемы возможно только при комплексном к ней подходе:

- для увеличения объёмов донорской крови необходимо: организация и проведение различных мероприятий, направленных на привлечение большего числа доноров; ■ создание специализированных передвижных пунктов по заготовке донорской крови в выездных условиях;

- получение и использование крови, её компонентов и препаратов с максимально высокими показателями биологической активности.

Тем не менее, получение высокополноценной крови, её компонентов и препаратов с максимально высокими показателями биологической активности - главная задача учреждений службы крови.

Обеспечение оптимальных условий при реализации всех технологических процессов заготовки крови, начиная сбором, хранением, транспортировкой и оканчивая подготовкой к применению, определяющих последующую биологическую эффективность её компонентов, требует комплексного подхода и решения. Нарушение температурно-энергетических условий хотя бы одного из этапов технологических процессов, в конечном итоге приводит к ухудшению качества получаемого биологического продукта вплоть до уровня, неприемлемого к использованию. В итоге, значительно сокращается количество потенциально пригодных к применению компонентов и препаратов крови.

В настоящее время в России нет ни одного производителя выпускающего полный комплект целого типоряда термопреобразователей для обеспечения оптимальных условий каждого из этапов многостадийных технологических процессов получения высокополноценных биологических продуктов. Наблюдается узкая специализация производителей на выпуске термопреобразующего оборудования, обеспечивающего определенные условия одного из этапов получения донорской крови и её компонентов. Многие < производители, заявляя о точности поддержания температурного режима по всему объёму рабочей камеры теплопреобразующего оборудования, оценку ■ температуры осуществляют лишь по одному датчику, расположенному, как правило, в центре симметрии задней стенки, что заставляет сомневаться в , технических характеристиках таких аппаратов и качестве обеспечиваемых ими условий.

По отдельным позициям вообще наблюдается отсутствие отечественных термопреобразователей, отвечающих требованиям технологических процессов.

Таким образом, с одной стороны, практическое отсутствие отечественного оборудования для службы крови, обеспечивающего получение донорской крови и её компонентов с максимально высокими показателями биологической активности и несоответствие требованиям технологических процессов получения крови, её компонентов и препаратов, а с другой стороны, острая потребность в больших количествах биологически высокополноценных компонентов донорской крови определяет актуальность диссертационной работы и выполненных научно-инженерных исследований. Конечным итогом и целью диссертации явилось обеспечение оптимальных условий для получения биологических продуктов с высокими показателями критериальной полноценности. В связи с чем, сформирована совокупность конструкторско-технических решений, реализованных в нескольких принципиально новых модификациях высокоэффективных термопреобразователей, а также разработан ряд технологических рекомендаций, определяющих оптимальные способы обеспечения максимально высокой биологической полноценности таких биологических продуктов, как свежезамороженная плазма (СЗП), криопреципитат, эритроцитная масса (ЭМ) и тромбоконцентрат (ТК).

Целью диссертационной работы является разработка совокупности теплотехнических аппаратов для обеспечения оптимальных температурно-энергетических условий на этапах технологических процессов получения компонентов и препаратов крови с высокой степенью критериальной полноценности.

Поставленная цель определила следующие задачи: Задачи работы:

1. Исследование влияния на биологическую полноценность компонентов и препаратов крови временных, температурных, энергетических факторов при реализации процессов фазового перехода, хранения, культивирования.

2. Разработка конструкций, электрических и гидравлических схем медицинских термостатов базирующихся на многоканальном регулировании как тепловых мощностей различных направлений, генерируемых тепловоздействующими блоками различной физической природы, так и интенсивности теплообмена.

3. Разработка обобщенных методов расчета и оптимизации тепловоздействующих блоков медицинских термостатов в виде полупроводниковых термомодулей, на основе эффекта Пельтье.

4. Разработка конструкций, электрических и гидравлических схем комплекса термопреобразователей, реализующих процесс фазового перехода, хранения и культивирования в биологическом продукте с заданными температурно-временными показателями.

Научная новизна

1. Посредством использования критериальных уравнений теории подобия выполнен анализ условий теплоотвода при вынужденной циркуляции жидкого или газообразного теплоносителя вдоль внешней поверхности полимерных контейнеров с биологическим продуктом, претерпевающим фазовые превращения, показавший, что для ускорения процесса фазового перехода целесообразно обеспечивать ламинарный характер движения теплоносителя, а также биологического продукта внутри контейнеров.

2. Разработан метод оптимизации термоэлектрических преобразователей, реализующих эффект Пельтье, учитывающий полную совокупность теплофизических процессов, происходящих в ветвях термоэлементов, динамику изменения термоэлектрических свойств полупроводниковых материалов с изменением температуры, основывающийся на безразмерных уравнениях, определяющих квадратичную зависимость тепловых мощностей от безразмерного тока, и устанавливающих явную связь между температурами внешней среды и рабочего объёма.

3. Разработан метод расчета и оптимизации аэродинамических и теплофизических параметров воздушных плоскорёберных теплообменников, позволяющий определять критерий максимальной тепловой . эффективности при заданных габаритно-массовых ограничениях, плотности отводимого теплового потока и известных динамических характеристиках вентилятора.

4. Разработан алгоритм и методика оптимизации гидравлической сети низкотемпературных холодильных агрегатов, применение которых позволяет на (4(К45)% уменьшить время выхода морозильных аппаратов на рабочий режим, уменьшить на (2СН-30)% длительность акта замораживания, обеспечивать температурно-временные параметры этапа «домораживания» криоконсервированного продукта в соответствии с требованиями нормативных документов и надежную работу аппаратов при условии частичной загрузки.

Практическая значимость

1. Разработан типоряд термостатирующих аппаратов на основе полупроводниковых тепловоздействующих блоков, реализующих эффект Пельтье и обеспечивающих высокую степень объемной изотермичности посредством многоканального регулирования и контроля температуры в рабочей камере по нескольким датчикам температуры.

2. Разработана принципиально новая гидравлическая схема компрессионных холодильных агрегатов, применяющаяся в медицинских морозильных аппаратах, как при обеспечении высокоскоростных режимов замораживания, так и при хранении криоконсервированных компонентов и препаратов крови, основывающаяся на автоматическом регулировании подачи хладагента и обеспечивающая реализацию нескольких заданных температурно-энергетических уровней.

3. Разработаны прецизионные динамические жидкостные аппараты для размораживания и подогрева криоконсервированных биологических продуктов, обеспечивающие возможность высокоточного поддержания температурного режима в рабочем диапазоне от + 30°С до + 60°С с точностью ±0.1 °С во всем рабочем объеме.

4. Практическим итогом реализации результатов диссертационной работы явилось разработка ряда морозильных аппаратов «Гемотерм» для обеспечения высокоскоростных режимов замораживания и хранения криоконсервированных компонентов и препаратов крови, термостатов «ЭкспОТ» для обеспечения режимных параметров технологических процессов, установленных нормативными документами, при заготовке, хранении, культивировании компонентов и препаратов крови. Разработанные аппараты используются во многих стационарных учреждениях службы крови и на нескольких типах передвижных пунктов заготовки донорской крови.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Посредством интегральных преобразований Лапласа выполнено исследование нестационарных теплофизических процессов, происходящих внутри полимерного контейнера с биологическим продуктом при реализации фазовых переходов, на основе решения системы дифференциальных уравнений в частных производных.

2. Разработан метод оптимизации термоэлектрических преобразователей, реализующих эффект Пельтье, основывающийся на безразмерных уравнениях, учитывающих полную совокупность теплофизических процессов, происходящих в ветвях термоэлементов, динамику изменения с температурой термоэлектрических свойств полупроводниковых материалов, устанавливающих связь между температурами внешней среды и рабочего объёма в виде квадратичной зависимости тепловых мощностей от безразмерного тока.

3. Разработан метод расчета и оптимизации аэродинамических и теплофизических параметров воздушных плоскорёберных теплообменников, позволяющий находить критерий максимальной тепловой эффективности при заданных массогабаритных ограничениях, плотности отводимого теплового потока и известных динамических характеристиках вентилятора.

4. Теоретически и экспериментально установлено, что введение в холодильный агрегат, морозильной камеры, автоматически управляемого дополнительного гидравлического тракта, позволяет на (4(Н45)% уменьшить время выхода морозильных аппаратов на рабочий режим, уменьшить на (20-К30)% длительность акта замораживания, обеспечивать температурно-временные параметры этапа «домораживания» криоконсервированного продукта в соответствии с требованиями нормативных документов и надежную работу аппаратов при условии частичной загрузки.

5. Разработан типоряд модификаций морозильных аппаратов для хранения свежезамороженной плазмы или криопреципитата, «ГЕМОТЕРМ» с температурным диапазоном минус (15+41) °С. 6. Разработана серия модификаций термостатов «ЭкспОТ»:

Комбинированные экспрессохладители-термостаты компонентов донорской крови «ЭкспОТ»;

2) Низкотемпературные термостаты для хранения компонентов и препаратовдонорской крови «ЭкспОТ-НТ»;

3) Термостаты-инкубаторы для выращивания биологических продуктов «ЭкспОТ-И»;

4) Термостаты «ЭкспОТ-НТ.ВТМ» для хранения встряхивателей с тромбоконцентратом;

5) Термостаты для размораживания, подогрева криоконсервированных и охлажденных биологических продуктов «ЭкспОТ-Р».

1. Алексеев В.А. Верба М.И. Светозарова Г.И. Численное решение задачи теплопроводности в теплообменных устройствах при наличии фазового перехода. - «Изв.ВУЗов. Серия энергетика», 1970, с.73-80.

2. Афанасьев Б.В., Тиранова С.А., Кулибаба Т.Г., Клонирование кроветворных клеток человека в системе агаровая капля-жидкая среда. Терапевтический архив, 1983, № 8, с.114-21.

3. Бараненко A.B., Бухарин H.H., Пекарев В.И., Тимофеевский JI.C. Холодильные машины: Учебник для студентов втузов специальности «Техника и физика низких температур». -Спб.: Политехника, 2006, 944с.

4. Будрин Д.В., Суханов Е.А. Регуляризация температурных полей тел простой формы. -ИФЖ, 1959, т.П, № 1, с.79-83.

5. Ваничев А.П. Приближенный метод решения задач теплопроводности при переменных константах. Изд. АН СССР, ОТН, № 12, 1946.

6. Вихреев Г.А., Наер В.А. Влияние теплоотдачи на характеристики полупроводниковых термобатарей для холодильников и тепловых насосов. «Физика твердого тела», т.6, 1961.

7. Волков В.Н., Кузнецова З.Н. О применении интегральных методов к задачам плавления и отвердевания тел. В кн.: Исследования по теплопроводности. - Минск, 1967, с.298-303.

8. Гарманов А. Принципы электросовместимости приборов. // Автоматизация и производство. — 2008. №1. — с.32-35.

9. Гольдфарб Э.М. Объединение решений уравнения теплопроводности для плиты, цилиндра и шара. Научные доклады высшей школы. -«Металлургия», 1958, № 3, 129 с.

10. Гольдфарб Э.М. Теплотехника металлургических процессов. М.: «Металлургия», 1967, 440 с.

11. Городецкий В. Клиническое применение переливаний свежезамороженной плазмы. // Врач. 2003. - №2. - с.21-24.

12. Гоштенар В.Ф. и др. Малогабаритный центробежный вентиляторе приводом от электродвигателя с внешним ротором. // Вопросы радиоэлектроники. Сер.ТРТО. 1975. - №1.- с.33-38.

13. Грядунов А.И., Грядунова О. А., Патент РФ на изобретение № 2269078. Способ замораживания жидкого биологического вещества.

14. Грядунов А.И., Крылова Л.В., Пащенко А.Б. Патент РФ на изобретение № 2256129. Способ замораживания жидкого биологического вещества.

15. Грядунов А.И., Леонов А.П., Пащенко А.Б. Патент РФ на полезную модель № 40508. Термовлагостат.

16. Грядунов А.И., Пащенко А.Б. Патент РФ на полезную модель № 45017 Холодильный агрегат.

17. Грядунов А.И., Пащенко А.Б., Белозерова Г.П., Будникова Л.Б., Великих Е.И. Патент на полезную модель № 65760. Размораживатель криоконсервированных биологических продуктов.

18. Грядунов А.И., Пащенко А.Б., Невский Д.И. Способы получения свежезамороженной плазмы и морозильные аппараты для их осуществления. // Медицинская техника, №1, Москва, Медицина, 2007, с. 19-23.

19. Дейч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа. — Физматгиз, 1958.

20. Дорранс В., Дор Ф. Влияние подачи массы на поверхностное трение и теплопередачу в сжимаемом турбулентном пограничном слое. Сб. переводов «Механика» № 3. -Изд-во «Мир», 1955.

21. Дуткевич И.Г. Достижения и актуальные проблемы трансфузиологии. -СПб: МАЛО, 1998.-20 с.

22. Жибурт Е.Б. Принципы безопасной трансфузии или как правильно подготовить инфузионно-трансфузионные среды к переливанию. Учебно-методическое пособие, Москва, 2005. 38с.

23. Захаров В.В., Афонин Н.И. Безопасность гемотрансфузионной терапии. //Вестник службы крови России.- 2006. №3.- с.6 -12.

24. Инструкция по применению компонентов крови утв. приказом Минздрава РФ от 25 ноября 2002 г. № 363.

25. Иоффе А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы. — М., АН СССР, 1956. -188с.

26. Иоффе А.Ф., Стильбанс JI.C., Иорданашвили Е.К., Ставицкая Т.С. Термоэлектрическое охлаждение, М., АН СССР, 1956. 168с.

27. Иоффе И. А. Влияние электрического сопротивления коммутационных пластин на эффективность термоэлектрического охлаждения. //Сборник трудов по агрофизике, №13, «Колос», 1966. -с.43-46.

28. Исаченко В.П. Агабабов С.Г., Галин Н.М. Теплообмен и гидравлическое сопротивление. — «Труды МЭИ», 1965, вып. 63.

29. Исаченко В.П. Солодов А.П., Тирунараянан М.А. Теплообмен и гидравлическое сопротивление. «Труды МЭИ».- вып. 63. - 1965.

30. Каганов М. А., Привин М. Р. Термоэлектрические тепловые насосы, Л.: «Энергия», 1970. 176с.

31. Калинушкин М.П. Гидравлические машины и холодильные установки — М.: «Высшая школа», 1973. 213с.

32. Карташов Э.М. Аналитичекие методы в теории теплопроводности твердых тел. — М.: «Высшая школа», 2001. — 550с.

33. Кастров М.Ю., Лазученков A.A. Новые разработки импульсных источников электропитания для российских производителей электронного оборудования компании ЗАО «ММП ИРБИС». // Электроника: НТБ. - 2004. - №1. - с. 12-14.

34. Каталог медицинского оборудования производства ЗАО «Удел». М., 2006. -С.58.

35. Кирпичев М.В. Теория подобия. М.: Изд-во АН СССР, 1953.-c.238.

36. Козлов A.A. Медицинская технология «Метод определения активности фактора VIII в плазме крови человека и в антигемофильных препаратах ». //Вестник службы крови России. 2006. - №3. — с.35 — 40.

37. Константинов Б.А., Рагимов A.A., Дадвани С.А. Трансфузиология в хирургии. -М.: Издательство «Аир-Арт», 2000. 528с.

38. Краслоу X. С. Теория теплопроводности. — Гостехиздат, 1947.

39. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Турбулентный пограничный слой сжимаемого газа. Новосибирск: Изд-во АН СССР, 1962. (41)

40. Лабунцов ДА. Теплофизика высоких температур. 1967, т.5, № 4.

41. Левин И., Русанов В.М. Служба крови и препараты плазмы. Международный аналитический обзор. М.: ИД «МЕДПРАКТИКА-М», 2007.-316 с.

42. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.

43. Мейерманов A.M. Задача Стефана. Новосибирск: Наука, 1986. - с.240.

44. Мазур Л.С. Техническая термодинамика и теплотехника: Учебник. М.: ГЭОТАР-МЕД, 2003. -С. 352.

45. Максимов В.А., Лаптев В.В., Служба крови на пути возрождения. //Вестник службы крови России. 2006. - №3. — с.29 — 31.

46. Малащенко А. Реле — определение и классификация. // Электронные компоненты. 2004. - №9. - С.47-53.

47. Мигунов В.Н. Совершенствование технологического процесса производства альбумина. // Новое в трансфузиологии.- 1997, вып. 20.- С. 17-22.

48. Микеладзе Ш.У. Численные методы интегрирования дифференциальных уравнений с частными производными. — Изд. АН СССР, 1936.

49. Михайлов М.Д. Нестационарный тепло- и массоперенос в одномерных телах. Минск: «Наука и техника», 1969; Intern. J. Heat Mass Transfer, 1969, vol. 12, p. 1015.

50. Михеев М.А. Основы теплопередачи. Госэнергоиздат, 1956.

51. Наер В. А. Влияние контактных электрических и тепловых сопротивлений на характеристики полупроводниковых батарей. // Сборник «Холодильная техника и технология», Киев. №1. - 1965. — с.9-15.

52. Пащенко А.Б. и др. Отчет о научно-исследовательской и опытно-конструкторской работе «Разработка типоряда высокоэффективных динамических суховоздушных размораживателей замороженных компонентов крови» //ВНТИЦ, per. № 0120.0603595, инв.№0220.0800235.

53. Пащенко А.Б. и др. Отчет о научно-исследовательской и опытно-конструкторской работе «Оптимизация модульного построения и разработка передвижных донорских пунктов для заготовки крови в выездных условиях» //ВНТИЦ, per. № 01.2.00706429, инв.№0220.0800236.

54. Пащенко А.Б. Электронно-тепловые схемы прецизионных изотермических термостатов для хранения и культивации биологических продуктов. // Развитие медицинской техники в России. Юбилейный сборник научных трудов, Москва, ВНИИИМТ, 2006.- с. 187-190.

55. Приказ Минздрава РФ от 7 мая ноября 2003 г. № 193 «О внедрении в практику работы службы крови в Российской Федерации метода карантинизации свежезамороженной плазмы крови».

56. Ратхор Т.С. Цифровые измерения. Методы и схемотехника. — М.: Техносфера, 2004. 376с.

57. Руководство Совета Европы по приготовлению, использованию и обеспечению качества компонентов крови. М.: СИ-ЛАБ Фертрибстех.м.б.х., 1996. 149с.

58. Румянцев А.Г., Аграненко В.А. Гемотрансфузионная терапия в педиатрии и неонатологии: Руководство для врачей. — М.: МАКС Пресс, 2002. — 644с.

59. Русанов В.М., Скобелев Л.И. Фракционирование белков плазмы в производстве препаратов крови.- М.: Медицина, 1983. 223с.

60. Русанов В.М., Суханов Ю.С. Система обеспечения качества и стандартизации производственных процессов получения плазмы за рубежом и состояние проблемы в Российской Федерации. //Вестник службы крови России. 1999. - №3. -с.6-12.

61. Самарский A.A., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. М.: Едиториал УРСС, 2003. - 784 с.

62. Сивухин Д.В. Общий курс физики: Учеб. Пособие: для вузов. В 5 т. Т. И. Термодинамика и молекулярная физика. — 5-е изд., испр. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 544 с.

63. Тетерев А. Решение проблем теплоотвода. Материалы компании BERGQUIST. // Электроника:НТБ. 2004. - №2. - с.24-26.

64. Цимерман Г. Система мониторинга сушки крахмала. // Автоматизация и производство. 2008. - №1 - с.24-25.

65. Чанчиев 3. М., Чаленко В. В. Переливание крови в историческом аспекте. //Гематология и трансфузиология. 2003. - №1. — с. 11-15.

66. Чечеткин A.B., Пугина Н.В., Кононенко С.Н., Касьянов А.Д., Ващенко В.И., Лаптев В.В., Данилова A.B. Влияние лейкофильтрации на качествоэритроцитных гемокомпонентов. //Вестник службы крови России. 2006. - №3. - с.45 -48.

67. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. — Изд-во иностранной литературы, 1967. -389 с.

68. Шнейдер П. Инженерные проблемы теплопроводности. М.: ИЛ, 1960. -345 с.

69. Biomedical Equipment Catalogue 2005-2006 ф.SANYO Япония.

70. Farren Т. W., Lofting T.A., Dulay G.S. et al. The effect of storage at +4 oC for 5 days on coagulation factors in FFP// Vox Sang.- 2004.- Vol.87, Suppl.3.-p.l 19.

71. Gbarrondo L.J. The effect of finite hot and finite cold junction fins on the performance of a thermoelectric heat pump. Solid State Electronics, 1963, v.6, N 4.

72. Guide to the preparation use and quality assurance of blood components. New edition. Concil of Europe Press, 1995. - p.69.

73. Hartnett J.P., Eckert E.R.G. Mass transfer cooling in laminar boundary layer with constant fluid properties, Recent Advances in Heat and Mass Transfer, McGraw Hill Book Company, New York, 1961. p. 132.

74. Hogman C., Knutson F., Loof H. Storage of whole blood before separation: the effect of temperature on red cell 2,3-DPG and the accumulation of lactate. // Transfusion. 1999. -№39, 5 -p.492-497.

75. Kilkson H., et al. Platelet metabolism during storage of platelet concentrates at 220C. //Blood. 1984. - №64. -p.406- 414.

76. Linden J. V. et al. Transfusion errors: causes and effects. //Transfusion. Med. Rev. 1994. - №8. - p. 169-183.

77. McCarty L.J., Danielson C., Rothenberger S. et al. Required for blood donations, USA 1999 // Transfusion today. 2001. - № 46. - p. 8.

78. Murphy S. What's so bad about old platelets? // Transfusion. 2002. -№42, 7 -p.809-811.

79. Nivia I. Santiago, Allan Zipf, Arun K.Bhunia. Influence of temperature and growth phase on expression of a 104-Kilodalton Listeria Adhesion Protein in Listeria monocytogenes.// Applied and environmental microbiology. 1999. -№6.-p. 2765-2769.

80. O'Neill E., Rowby J., Hansson-Wicher M. Effect of 24-hour whole-blood storage on plasma clotting factors.// Transfusion. 1999. -№39, 5 -p.488-491.

81. Ratkowsky D.A., June Olley, McMeekin T.A., Ball A. Relationship Between Temperature and Growth Rate of Bacterial Cultures.// Journal of bacteriology. — 1982. №1. -p. 1-5.

82. Rock G., Berger R., Lange J., et al. A novel, automated method of temperature cycling to produce cryoprecipitate.// Transfusion. 2001. -№41, 2 — p.232-235.

83. Rossi U. Overview of national differences in transfusion medicine. // NATO civil-military blood conference. Washington, 2000.

84. Standards for blood banks and transfusion service (project). — 21st edition. -USA: AABB, 2001,83 p.

85. The Blood Cold Chai: guide to the selection and procurement of equipment andaccessories. Department of Blood Safety and Clinical Technology. World Health Organization. November,2002. p.64.