Mặc dù cung cấp một môi trường nhiệt trung hòa là điều cần thiết cho phôi trong tháng đầu tiên, chủ yếu là bởi vì mất nhiệt qua bay hơi nhiều do diện tích bề mặt lớn, điều này chỉ có thể
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
MAI ANH TUẤN
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP
ÁP LỰC KHÍ TỰ ĐỘNG CHO TỦ ẤM CO2
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT Y SINH
HÀ NỘI - 2019
Trang 2
MAI ANH TUẤN
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP
ÁP LỰC KHÍ TỰ ĐỘNG CHO TỦ ẤM CO2
Chuyên ngành: KỸ THUẬT Y SINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT Y SINH
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS ĐẶNG QUANG HIẾU
HÀ NỘI - 2019
Trang 3MỤC LỤC
MỤC LỤC i
DANH MỤC HÌNH ẢNH iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU vi
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1
1.1 Giới thiệu chung hệ thống tủ ấm phôi người 2
1.1.1 Điều nhiệt (Kiểm soát nhiệt độ môi trường) và các yếu tố quyết định 2
1.1.2 Sự đánh giá và cơ chế sản sinh và tổn thất nhiệt 5
1.1.3 So sánh giữa máy sưởi bức xạ và tủ ấm 6
1.2 Mục tiêu 9
CHƯƠNG 2 TRIỂN KHAI HỆ THỐNG 10
2.1 Giới thiệu chung 10
2.2 Hệ thống tủ ấm nuôi phôi 10
2.2.1 Lớp lõi 14
2.2.2 Lớp vỏ tế bào 19
2.3 Mô hình tủ ấm 22
2.3.1 Mô hình không gian ấp 22
2.3.2 Mô hình thành (nắp) lồng nuôi 25
2.3.3 Mô hình đệm 29
2.4 Mô hình phần tử gia nhiệt 30
CHƯƠNG 3.PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH SIMULINK VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 35
3.1 Giới thiệu 35
3.2 Khối hệ thống tủ ấm phôi (PLANT) 36
3.2.1 Khoang nội của phôi 38
3.2.2 Khoang vỏ tế bào phôi 42
3.2.3 Khoang không gian tủ ấm 47
3.2.4 Khoang thành tủ ấm 52
3.2.5 Vòng tuần hoàn – ngăn quạt gió (ngăn khí hỗn hợp) 57
Trang 43.3 Hệ thống phản hồi và kiểm soát nhiệt độ 66
3.4 Hệ thống ổn định chung và chức năng chuyển đổi 68
3.5 Điều kiện ban đầu 75
3.6 Kết quả 76
3.6.1 Kết quả chế độ không khí 76
3.6.2 Kết quả chế độ vỏ 80
3.6.3 Kết quả khác 84
CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO
Trang 5DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1 Vùng nhiệt trung hòa ở trạng thái nghỉ [1] 3
Hình 1-2 Môi trường nhiệt trung hòa (Courtesy Fisher và Paykel Health Ltd., Auckland) 3
Hình 1-3 Nhiệt độ trung hòa từ [9], so với khuyến nghị của Hey và Katz [12] 4
Hình 1-4 Các yếu tố ảnh hưởng nhiệt độ [5] 5
Hình 1-5 Biểu đồ chức năng cho các thiết bị sưởi ấm [1-20, 22-24] 5
Hình 1-6 Cơ chế trao đổi nhiệt [1-20, 22-24] 6
Hình 2-1 Tương tác giữa các khối của hệ thống tủ ấm phôi 11
Hình 2-2 Mô hình phôi (A)/ Phân lớp (B) 12
Hình 2-3 (A) / (B) – Sơ đồ khối trao đổi nhiệt 12
Hình 2-4 Đường cong nhiệt độ-áp suất [21] 17
Hình 2-5 Sơ đồ khối của sự trao đổi nhiệt trong không gian tủ ấm 22
Hình 2-6 Chênh lệch nhiệt độ trên tường 25
Hình 2-7 Sơ đồ truyền nhiệt 26
Hình 2-8 Sơ đồ khối sự trao đổi nhiệt qua vách 26
Hình 2-9 Sơ đồ khối của đệm 29
Hình 2-10 Sơ đồ nguyên lý của khoang sưởi ấm 30
Hình 2-11 Sơ đồ khối của quạt 31
Hình 2-12 Sơ đồ khối cho phần tử gia nhiệt 34
Hình 3-1 Sơ đồ khối hồi tiếp 35
Hình 3-2 Mô hình mô phỏng tổng thể 36
Hình 3-3 Mô hình hệ thống 37
Hình 3-4 Khoang nội của phôi 38
Hình 3-5 Hệ thống cung cấp nhiệt 39
Hình 3-6 Hệ thống con dẫn truyền trong ngoài 39
Hình 3-7 Hệ thống con đối lưu máu trong-ngoài cơ thể 40
Hình 3-8 Hệ thống con cảm ứng mất nhiệt cảm nhận được 40
Trang 6Hình 3-11 Khoang vỏ tế bào phôi 42
Hình 3-12 Trao đổi nhiệt đối lưu giữa không khí và da 44
Hình 3-13 Truyền dẫn môi trường nuôi da 44
Hình 3-14 Khả năng bay hơi từ da 45
Hình 3-15 Bức xạ da-thành tủ ấm 46
Hình 3-16 Khối lượng của vỏ tế bào phôi 47
Hình 3-17 Khoang không gian tủ ấm 48
Hình 3-18 Hệ thống cung cấp nhiệt 49
Hình 3-19 Hệ thống con truyền đối lưu thành-không khí tủ ấm 50
Hình 3-20 Hệ thống con về đối lưu môi trường nuôi không khí 50
Hình 3-21 Hệ thống con về khối lượng không gian không khí trong tủ ấm 51
Hình 3-22 Khoang thành tủ ấm 52
Hình 3-23 Hệ thống con đối lưu tự do giữa thành tủ ấm - Môi trường phòng 54
Hình 3-24 Hệ thống con về đối lưu bề mặt ngang của tủ ấm 54
Hình 3-25 Lồng nuôi đối lưu bề mặt tự do thẳng đứng – bên dài 55
Hình 3-26 Lồng nuôi đối lưu bề mặt tự do thẳng đứng – bên ngắn 56
Hình 3-27 Thành tủ ấm – môi trường bức xạ phòng 57
Hình 3-28 Ngăn quạt không khí lưu thông 58
Hình 3-29 Hệ thống con mật độ nitơ 58
Hình 3-30 Hệ thống con mật độ oxy 59
Hình 3-31 Mô hình Simulink không gian xử lý độ ẩm 60
Hình 3-32 Sự biến đổi mật độ không khí ở nhiệt độ không khí nóng 61
Hình 3-33 Sự biến đổi mật độ không khí ở nhiệt độ không khí ẩm 61
Hình 3-34 Áp suất phần hơi nước Tha 62
Hình 3-35 Áp suất riêng phần hơi nước Twet 62
Hình 3-36 Mô hình Simulink hệ thống ẩm khối lượng nước 63
Hình 3-37 Quy trình tạo ẩm mô hình Simulink khối nhôm 63
Trang 7Hình 3-38 Ngăn cung cấp nhiệt độ không khí 64
Hình 3-39 Hệ thống phụ tốc độ không khí ẩm 65
Hình 3-40 Hệ thống con tốc độ dòng chảy không khí khô 65
Hình 3-41 Hệ thống con open-loop 66
Hình 3-42 Mô hình Sisotool trong Simulink – Chế độ da 69
Hình 3-43 Mô hình Sisotool trong Simulink – Chế độ không khí 69
Hình 3-44 SISO Window-Chế độ da/open-loop 70
Hình 3-45 SISO Window- Chế độ không khí/open-loop 70
Hình 3-46 Mô hình Simulink – Các khối LTI – Chế độ da 71
Hình 3-47 Đáp ứng bước – Nhiệt độ da/closed-loop 71
Hình 3-48 Đáp ứng bước – Công suất nhiệt/Chế độ da/closed-loop 72
Hình 3-49 Độ ổn định của hệ thống – Chế độ da/closed-loop 73
Hình 3-50 Mô hình Simulink – Các khối LTI – Chế độ không khí 73
Hình 3-51 Đáp ứng bước – Nhiệt độ không khí tủ ấm/closed-loop 74
Hình 3-52 Đáp ứng bước – Công suất nhiệt/Chế độ không khí/closed-loop 74
Hình 3-53 Độ ổn định của hệ thống – Chế độ không khí/closed-loop 75
Hình 3-54 Sự thay đổi nhiệt độ không khí trong tủ ấm theo thời gian 77
Hình 3-55 Nhiệu độ hoạt động của Air Shields C-100 dưới sự điều khiển của động cơ Servo không khí (33.8 ± 0.1°C) Mở lồng ấp trong 2 phút (*) sau khi theo dõi trong 3 giờ 77
Hình 3-56 Biến đổi nhiệt độ cơ thể của phôi theo thời gian 78
Hình 3-57 Nhiệt độ trung bình của phôi bình thường trong 8 giờ đầu đời sau sinh [11] 78
Hình 3-58 Biến đổi nhiệt độ vỏ tế bào phôi theo thời gian 79
Hình 3-59 So sánh nhiệt độ trung bình của cơ thể và vỏ tế bào bụng sau khi sinh [11] 80
Hình 3-60 Biến đổi nhiệt độ cơ thể của phôi theo thời gian 81
Hình 3-61 Biến đổi nhiệt độ vỏ tế bào phôi theo thời gian 82
Hình 3-62 Sự thay đổi nhiệt độ không khí của tủ ấm theo thời gian 83
Trang 8DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1 Tốc độ luồng Oxy và nồng độ tương ứng 30
Bảng 3-1 Số lượng các khoang của mô hình mô phỏng 37
Bảng 3-2 Các hệ thống con của khoang nội phôi 38
Bảng 3-3 Các hệ thống con của khoang vỏ tế bào phôi 43
Bảng 3-4 Hệ thống con của không gian tủ ấm 48
Bảng 3-5 Hệ thống phụ của khoang tường ươm 53
Trang 9CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG
Cách đây hơn 30 năm, ngày 25-7-1978, em bé được sinh ra bằng thụ tinh trong ống nghiệm (Vi Intro Fertilization – IVF) đầu tiên trên thế giới đã chào đời tại Anh Ngày nay, thụ tinh trong ống nghiệm đã có thể được tiến hành ở hầu hết các nước trên toàn thế giới Mỗi năm, có khoảng hơn 1.500.000 ca thụ tinh trong ống nghiệm và các kỹ thuật liên quan được thực hiện Thậm chí, ở các nước phát triển, trẻ em được sinh ra từ thụ tinh trong ống nghiệm chiếm từ 2-5% trên tổng số phôi hàng năm
Tại Việt Nam, ngày 30-3-1998, ba em bé từ ba trường hợp thụ tinh trong ống nghiệm thành công đầu tiên ở Việt Nam đã chào đời Đây là một nỗ lực và thành quả rất lớn của ngành y học Việt Nam, khi mà thụ tinh trong ống nghiệm ở Việt Nam được bắt đầu từ nền tảng khoa học và y học còn nhiều thiếu thốn so với khu vực và thế giới Sau khoảng 20 năm phát triển, Việt Nam hiện tại đã có 20 trung tâm thụ tinh trong ống nghiệm được thành lập, và thực hiện hơn 15.000 trường hợp thụ tinh trong ống nghiệm mỗi năm
Không chỉ thu hút bệnh nhân là người Việt Nam, thụ tinh trong ống nghiệm tại Việt Nam còn được xem là một dịch vụ y tế với chất lượng cao, có uy tín được các bệnh nhân ở các nước trong khu vực và thế giới tìm đến chữa trị Đến nay, thống kê ước tính đã có hơn 20.000 trẻ ra đời từ kỹ thuật thụ tinh trong ống nghiệm tại Việt Nam Chi phí thụ tinh trong ống nghiệm tại Việt Nam hiện thuộc loại thấp nhất thế giới, mặc dù với tỉ lệ thành công khá cao
Tủ ấm CO2 là thiết bị được sử dụng phổ biến nhất trong các phòng thí nghiệm chuyên về nuôi cấy tế bào điển hình Đây là một thiết bị hoàn hảo để tạo ra môi trường nuôi cấy tối ưu cho tế bào động vật và người, đặc biệt là các tế bào phôi: 37.0 °C (độ Celsius), 5.0% CO2 (Carbon dioxide) và 85-90% RH (độ ẩm tương đối)
Để có được một hệ thống nuôi cấy phôi tốt nhất cho tạo ra môi trường cho sự phát triển của phôi và đạt được những kết quả hỗ trợ sinh sản tối ưu thì việc giảm thiểu các nhân tố bất lợi từ môi trường bên ngoài là một trong những yếu tố quan trọng nhất Các yếu tố môi trường quan trọng này trong hệ thống nuôi cấy phôi bao gồm chỉ số pH
Trang 10thí nghiệm Tủ ấm CO2 có thể được coi là thiết bị quan trọng nhất trong phòng thí nghiệm, kiểm soát nhiều thông số môi trường và giữ phôi trong phần lớn thời gian chúng được nuôi cấy Do đó, việc lựa chọn và quản lý tủ cấy là rất quan trọng để đảm bảo thành công của một chương trình thụ tinh trong ống nghiệm
Thông thường, phôi người không có khả năng duy trì nhiệt độ cơ thể vì chưa
có hệ thống điều chỉnh nhiệt Điều này có nghĩa là cơ chế sản sinh nhiệt đang trong quá trình phát triển và chúng không đủ năng lượng nhiệt dự trữ Do đó, một số hình thức hỗ trợ điều nhiệt bên ngoài đóng vai trò rất quan trọng
Việc sử dụng thiết bị này đã làm giảm đáng kể tỷ lệ tử vong và tỷ lệ mắc bệnh
ở phôi Mặc dù tủ nuôi phôi mang những ưu điểm rất lớn, nhưng công nghệ hiện tại vẫn có những thiếu sót và còn nhiều cải tiến có thể thực hiện
1.1 Giới thiệu chung hệ thống tủ ấm phôi người
1.1.1 Điều nhiệt (Kiểm soát nhiệt độ môi trường) và các yếu tố quyết định
Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng tỷ lệ sống sót của phôi được nuôi cấy
từ tủ ấm hoặc dưới máy sưởi bức xạ tăng khi môi trường được cung cấp ấm hơn Điều này đặc biệt quan trọng trong tuần đầu tiên của phôi Mặc dù cung cấp một môi trường nhiệt trung hòa là điều cần thiết cho phôi trong tháng đầu tiên, chủ yếu
là bởi vì mất nhiệt qua bay hơi nhiều do diện tích bề mặt lớn, điều này chỉ có thể đạt được ở một phạm vi nhiệt độ rất nhỏ thường trong biên là +1 ° C trong khi nhiệt độ khi nhận vào tủ ấm > 36 ° C [1, 3-13]
Nhiệt độ môi trường thực tế cần thiết để đạt được tính trung hòa nhiệt cho phôi trong những ngày đầu là khoảng 39 °C [1] Nhiệt độ này bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự mất nước không có chủ ý của phôi Ngoài ra, điều đáng chú ý là các phôi được chăm sóc dưới máy sưởi bức xạ có tỷ lệ trao đổi chất cao hơn so với những phôi được chăm sóc trong tủ ấm Điều này có thể do sự không nhất quán trong phân
bố năng lượng bức xạ trên diện tích bề mặt tiếp xúc của tế bào trong đó một số bộ phận của cơ thể nhận được nhiều nhiệt hơn các bộ phận khác khi mà các phần dọc
Trang 11cơ thể có thể vẫn lạnh (không nhận được nhiệt) [5, 8, 13]
Xu hướng hoạt động của các yếu tố điều nhiệt sinh lý như tốc độ trao đổi chất, mất nhiệt bay hơi và lưu lượng máu đối lưu, cho phôi ở vùng nhiệt trung hòa (NTZ)
ở trạng thái nghỉ được minh họa trong Hình 1-1, như một hàm của nhiệt độ môi trường [1]
Nói chung, điều kiện nhiệt tối ưu đạt được khi nhiệt độ tế bào giữ ở phạm vi giữa 36,8 - 37,2 ° C [11, 17] và cả mức tiêu thụ oxy (sản sinh nhiệt) và sự mất nước không chủ ý (mất nhiệt) ở mức tối thiểu Tuy nhiên trong thực tế, không có vùng nhiệt trung hòa thuần túy Điều này được phản ánh ở các tủ ấm và do đó tủ ấm đối lưu có xu hướng cung cấp nhiệt độ gần với lý tưởng hơn so với máy sưởi bức xạ Điều này có thể được quy cho sự biến đổi điều kiện sinh lý của phôi người; và sự đa dạng giữa các phôi khác nhau
Hình 1-1 Vùng nhiệt trung hòa ở trạng thái nghỉ [1]
Hình 1-2 minh họa phạm vi thông thường của nhiệt độ phôi mà ở đó đạt được
sự trung hòa nhiệt [9] Phạm vi nhiệt độ này rất hẹp và nằm trong khoảng 36,5 - 37,5 ° C Do đó, nhiệt độ môi trường (môi trường xung quanh) mà phôi phát triển tốt nhất có thể được coi là nhiệt độ trung tính (nhiệt độ hoạt động)
Hình 1-2 Môi trường nhiệt trung hòa (Courtesy Fisher và Paykel Health Ltd., uckland)
FCOTAL Temp
Trang 12trao đổi cùng một lượng nhiệt bằng bức xạ và đối lưu như trong môi trường mở (môi trường xung quanh) [18] Nó có thể được xác định là trung bình trọng số của nhiệt độ môi trường nuôi và nhiệt độ không khí [5, 9, 19]
Ngoài ra, đối với các giai đoạn nuôi và kích cỡ phôi khác nhau, có các nhiệt
độ hoạt động (trung tính) khác nhau [9, 12], như trong Hình 1-3:
Hình 1-3 Nhiệt độ trung hòa từ [9], so với khuyến nghị của Hey và Katz [12]
Tầm quan trọng của nhiệt độ hoạt động (nhiệt độ trung tính) là, nó có thể được
sử dụng trong giả thuyết để ước tính nhiệt độ cài đặt trong tủ ấm đơn vách (nhiệt độ không khí của tủ ấm đo bằng nhiệt kế bên trong tủ ấm) nếu biết nhiệt độ phòng, thông thường là <27 ° C [12] Giả định này dựa trên thực tế là nhiệt độ vách tủ ấm thường thấp hơn nhiệt độ không khí trong tủ ấm, và do đó nhiệt độ hoạt động trong lồng ấm giảm 1 độ so với nhiệt độ không khí của tủ ấm cho mỗi 7 độ mà nhiệt độ không khí của tủ ấm vượt quá nhiệt độ phòng [12, 20]
Các điều kiện trung hòa có thể được mô tả bằng một biến nhiệt độ duy nhất là Tcontrol [5] Các yếu tố ảnh hưởng nhiệt độ này được xác định trong Hình 1-4, tuy nhiên sự ảnh hưởng tới nhiệt độ này là khác nhau đối với các phôi có trọng lượng và
Trang 13Hình 1-4 Các yếu tố ảnh hưởng nhiệt độ [5]
Nhiệt độ phôi hơn khoảng 0,5 °C so với nhiệt độ của người mẹ, và ngay sau khi hình thành, nhiệt độ của phôi bắt đầu giảm do sự khác biệt trong điều kiện môi trường Điều này gây ra sự mất cân bằng về tính trung hòa nhiệt (hay nói cách khác nhiệt sản sinh không bằng với nhiệt mất đi) Do đó, việc duy trì nhiệt độ của phôi là rất quan trọng trong ngày đầu nuôi cấy, và điều này có thể làm giảm tỷ lệ chết ở phôi người
Hình 1-5 minh họa biểu đồ chức năng của cả hai thiết bị sưởi ấm, tủ ấm được làm nóng đối lưu (C.H.I) và máy sưởi bức xạ hồng ngoại (RW) qua các yếu tố liên quan đến việc sử dụng của từng thiết bị
Hình 1-5 Biểu đồ chức năng cho các thiết bị sưởi ấm [1-20, 22-24]
1.1.2 Sự đánh giá và cơ chế sản sinh và tổn thất nhiệt
Sự sản sinh nhiệt được thể hiện qua lượng oxy tiêu thụ Trong khi sự tổn thất nhiệt đến từ mất nhiệt do bay hơi (nghĩa là sự mất nước không chủ ý) và tổn thất nhiệt không bay hơi (bao gồm cả mất nhiệt do đối lưu và bức xạ) Sự mất nhiệt do
Trang 14các thiết bị sưởi bức xạ
Hình 1-6 Cơ chế trao đổi nhiệt [1-20, 22-24]
Các điều kiện môi trường của tủ ấm phụ thuộc nhiệt độ bên trong tủ ấm và nhiệt độ bên ngoài cũng như tổn thất nhiệt bởi sự dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ và bay hơi Những tổn thất nhiệt đã được đánh giá bằng cách sử dụng một buồng chuyển hóa thực nghiệm mà được kỳ vọng là sẽ tương tự như tủ ấm [12]
Mối quan hệ giữa tổn thất nhiệt do bay hơi và đối lưu là dòng không khí gần tế bào hoạt động như một phương tiện truyền dẫn mà ở đó tổn thất nhiệt do bay hơi (sự mất nước không chủ ý) truyền vào không gian tủ ấm qua các quá trình đối lưu
Do đó, việc giảm tốc độ dòng không khí sẽ làm giảm nhiệt đối lưu và tổn thất nhiệt
do bay hơi tương ứng [1, 5, 8, 14, 16]
1.1.3 So sánh giữa máy sưởi bức xạ và tủ ấm
1.1.3.1 Thiết lập điều khiển nhiệt độ
Các hệ thống kiểm soát nhiệt độ trong tủ ấm có thể được thực hiện bằng cách
sử dụng điều khiển servo bằng vỏ tế bào hoặc điều khiển servo bằng không khí Các nghiên cứu liên tiếp [1, 3, 5, 17], cho thấy lợi thế của việc sử dụng điều khiển servo bằng không khí là giảm sự biến động trong việc điều chỉnh nhiệt độ không khí tủ
ấm Máy sưởi bức xạ chỉ sử dụng điều khiển servo bằng vỏ tế bào do thực tế là khó
đo nhiệt độ môi trường của một khu vực mở [1]
Phạm vi nhiệt độ tối đa mà người ta có thể cài đặt trong tủ ấm thương mại mà
Trang 15tế bào được nuôi dưỡng an toàn là trong khoảng từ 30 đến 35 ° C [12] Ở phạm vi này, có thể được tạo ra được môi trường nhiệt trung hòa tối ưu
Theo Tiêu chuẩn Anh 3061 (1965) [12], nhiệt độ thiết kế của tủ ấm không được vượt quá 35 °C Ở nhiệt độ này, phôi được an toàn khỏi sự tăng thân nhiệt hoặc hạ thân nhiệt Mặt khác, trong trường hợp sử dụng tủ ấm, nhiệt độ phòng phải được giữ ở mức cao ≥ 25 °C, điều này có thể tạo ra một môi trường làm việc không thoải mái trong phòng thí nghiệm [1, 3]
1.1.3.2 Vỏ chắn nhiệt cho môi trường nuôi phôi
Để giảm nhiệt tổn thất do bay hơi từ vỏ tế bào, Baumgart và cộng sự [13] đề nghị một tấm chăn nhựa mỏng như một lá chắn hiệu quả để giảm nhiệt tổn thất do bay hơi dưới máy sưởi bức xạ Leblanc [13] đã chỉ ra rằng vật liệu làm lớp vỏ chắn nhiệt phải là được làm bằng polyetylen chứ không phải polystyren vì chỉ polyetylen truyền năng lượng bước sóng dài của nhiệt bức xạ Do đó, polyetylen đã được chọn
là vật liệu trong sản xuất vỏ nuôi phôi trong tủ ấm
Việc một môi trường nuôi phôi hoàn chỉnh có trọng lượng rất thấp ngay sau
đã giảm đáng kể sự tiêu thụ oxy (sản sinh nhiệt) và lượng nước tổn thất do không chủ ý (tổn thất nhiệt) Theo đó, có sự giảm đáng kể lượng năng lượng bức xạ cần thiết để duy trì nhiệt độ phôi Cuối cùng, việc này ổn định nhiệt độ môi trường
và đạt được tính trung hòa nhiệt [1, 5, 13, 16] Tấm chăn bằng polyetylen cũng làm giảm vận tốc của dòng không khí phía trên phôi qua đó giảm mất nhiệt do đối lưu [8, 13]
Một cách khác để thiết kế tấm chắn nhiệt dưới máy sưởi bức xạ là đặt các tấm nhựa xung quanh buồng Điều này làm giảm nhiệt tổn thất do bay hơi và đối lưu, nhưng không đạt được đến mức như với một lớp vỏ Đối với trẻ được nuôi dưỡng trong tủ ấm đối lưu, việc sử dụng các tấm nhựa làm giảm sự mất nước không chủ ý
có hiệu quả tỷ lệ nghịch với trọng lượng cơ thể Rõ ràng không có thay đổi đáng kể trong việc tiêu thụ oxy cho phôi thuộc nhóm này [1, 3, 5,7, 8, 14]
1.1.3.3 Khả năng tiếp cận việc chăm sóc
Mặc dù các tủ ấm đối lưu có thể cung cấp một mức áp suất hơi nước nhất định
Trang 16máy sưởi bức xạ cho phép công việc chăm sóc nhiều hướng tiếp cận hơn (vì nó là một môi trường mở), nó không duy trì mức độ ẩm tương đối cần thiết
1.1.3.4 Độ ẩm và sự mất nước không chủ ý
Độ ẩm tương đối thấp của tủ ấm (điều khiển bằng servo) dẫn đến tăng nhiệt độ của nó và lượng tiêu thụ oxy của phôi người Điều này gây ra sự gia tăng nước nước tổn thất không chủ ý Ngoài ra, phôi người với trọng lượng nhỏ hoặc tình trạng sức khỏe kém dễ bị các sự cố bất lợi [10] Tuy nhiên, lượng nước tổn thất không chủ ý dưới máy sưởi bức xạ cao hơn loại tủ ấm thông thường [3, 7]
Tiêu thụ oxy cũng đã đạt được mức tổi thiểu dưới máy sưởi bức xạ bất kể sự mất nước không chủ ý vẫn diễn ra Những tổn thất này thông qua sự bốc hơi có thể được cân bằng bằng cách giảm sự mất nhiệt qua các con đường khác (tổn thất nhiệt không qua bay hơi) hoặc bằng cách tăng lượng nhiệt bức xạ từ máy sưởi vượt qua lượng nhiệt mất bởi bức xạ Điều này tạo ra sự tăng nhiệt dưới máy sưởi mà không tăng tổng lượng tiêu thụ năng lượng, do đó tính trung hòa nhiệt có thể được tạo ra dưới một máy sưởi bức xạ
Rõ ràng, những thay đổi nhỏ về độ ẩm tương đối bên trong tủ ấm không ảnh hưởng đến sự mất nước không chủ ý; tuy nhiên biến động đáng kể trong độ ẩm tương đối sẽ thay đổi lượng nước tổn thất không chủ ý Vài nghiên cứu [15, 20] đã chỉ ra rằng trọng lượng cơ thể và lượng nước mất không chủ ý tỷ lệ nghịch với lượng nước tổn thất
Về cơ bản, năng lượng bức xạ không ion hóa chuyển thành nhiệt bên trong phôi qua phản ứng quang hóa và tương tác với hệ thống sinh học Lượng nước tổn thất không chủ ý thu được dưới máy sưởi bức xạ với đèn hồng ngoại là lớn trong so sánh với các nguồn năng lượng bức xạ khác (ví dụ dây nichrom và carbon tấm chắn nhiệt) Khi tế bào phôi nhận được liệu pháp quang trong tủ ấm, lượng tổn nước thất không chủ
ý của chúng tăng gấp đôi hoặc gấp ba Điều này cho là do cho nguồn nhiệt được đặt bên trong tủ ấm cho mục đích quang trị liệu Nó cũng có thể là được quy cho thời gian
Trang 17trễ cần đến khi hiệu quả của các quá trình quang trị liệu đạt được
Hơn nữa, khi phôi người được chăm sóc dưới máy sưởi bức xạ và nhận được trị liệu bằng liệu pháp quang một cách đồng thời, lượng nước tổn thất không chủ ý của chúng tăng lên đến tối thiểu phải là 44% Trong một máy sưởi bức xạ, sự tiếp xúc với năng lượng bức xạ không ion hóa gây nên một số thay đổi ở phôi mà cần phải điều trị bằng liệu pháp quang (chẳng hạn như thay đổi nhiệt độ cơ thể, lượng nước mất không chủ ý cao hơn và nạp chất lỏng Mặc dù có thể cần thiết phải sử dụng máy sưởi bức xạ để chăm sóc phôi người với cân nặng thấp thay vì tủ ấm, điều này gây ra sự gia tăng lượng nước tổn thất không chủ ý Như vậy, tế bào phôi càng nhỏ (trọng lượng cơ thể càng nhỏ) thì lượng nước mất càng lớn và lượng chất lỏng cần nạp càng nhiều
Hơn nữa, tỷ lệ diện tích bề mặt vỏ tế bào so với trọng lượng cơ thể của phôi lớn hơn bốn lần so với phôi, điều này có nghĩa là tỷ lệ diện tích bề mặt vỏ tế bào so với trọng lượng cơ thể tăng khi trọng lượng cơ thể giảm Do đó, năng lượng bức xạ cần thiết để duy trì nhiệt độ cơ thể tăng khi cân nặng giảm Tỷ lệ diện tích bề mặt cơ thể và trọng lượng của tế bào phôi có thể là một trong những lý do cho sự gia tăng lượng nước tổn thất không chủ ý dưới máy sưởi bức xạ Điều này có thể được quy cho phương pháp hồi sức Các điều kiện làm việc của các phương pháp này trong thông gió đường thở có thể tăng lượng nước mất không chủ ý thay vì giảm Tuy nhiên, người ta có thể kết luận rằng cả năng lượng bức xạ và lượng nước tổn thất không chủ ý phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích bề mặt và trọng lượng cơ thể
1.2 Mục tiêu
Nghiên cứu này nhằm mục đích sử dụng dữ liệu vật lý, toán và sinh học để:
1 Phát triển mô hình mô phỏng toàn diện cho hệ thống tủ ấm nuôi phôi để điều tra mối quan hệ của các biến trao đổi nhiệt và các yếu tố ảnh hưởng môi trường nhiệt tổng thể của tế bào phôi người
2 Xây dựng mô hình tủ ấm đơn vách gia nhiệt đối lưu được sử dụng để chăm sóc phôi người
3 Sử dụng dữ liệu có sẵn để xác nhận mô hình trên
Trang 18CHƯƠNG 2 TRIỂN KHAI HỆ THỐNG 2.1 Giới thiệu chung
Một trong những mối quan tâm lớn trong điều dưỡng phôi đặc biệt là phôi người sau khi cấy, là cung cấp cho chúng môi trường trung hòa nhiệt thích hợp để
có thể duy trì nhiệt độ cơ thể của họ ở mức bình thường 36,5-37,5 ° C (Hình 1-2) Điều này chỉ có thể được thực hiện bằng cách đặt những phôi này trong các thiết bị
có thể điều chỉnh nhiệt độ, còn được gọi là tủ nuôi phôi
Để cung cấp nhiệt độ và độ ẩm cần thiết cho phôi người ngay sau sinh, có hai loại máy sưởi ấm được sử dụng, đó là máy sưởi bức xạ và tủ ấm đối lưu
Trong chương này, một mô hình toán học cho tủ ấm đối lưu sẽ được phát triển Mô hình chủ yếu dựa trên định luật bảo toàn nhiệt và khối lượng
2.2 Hệ thống tủ ấm nuôi phôi
Một hệ thống tủ ấm bao gồm một phôi và tủ ấm Mô hình đề xuất dự định phát triển và nghiên cứu mối quan hệ trao đổi nhiệt giữa phôi, tủ ấm và môi trường Trong chương này, một mô hình toán học của hệ thống tủ ấm phôi sẽ được phát triển với tất cả các tuyến trao đổi nhiệt kết hợp Các tuyến trao đổi này bao gồm dẫn, đối lưu, bay hơi, bức xạ và nhiệt sinh ra từ phôi về mặt tỷ lệ trao đổi chất Các giả định phù hợp được đưa ra khi cần thiết để đơn giản hóa mô hình Cũng như vậy, một số mối quan hệ thực nghiệm (như ước tính diện tích bề mặt của phôi thai ứng với trọng lượng [18]) được sử dụng trong mô hình để đơn giản hóa hơn nữa các phương trình
Mặc dù các mô hình đơn giản hóa khác đã từng được phát triển, mô hình hiện tại cung cấp độ chính xác tốt hơn và toàn diện hơn Nó cũng xem xét hệ thống phần tạo ẩm/độ ẩm không có ở trong các mô hình khác Hình 2-1 minh họa tất cả các tương tác trong hệ thống tủ ấm phôi bao gồm cả phôi và các lớp vỏ, môi trường nuôi, không gian tủ ấm, tường tủ ấm, và phần tạo ẩm/độ ẩm Tất cả các tương tác này được xem xét trong phát triển hiện tại
Trang 19Hình 2-1 Tương tác giữa các khối của hệ thống tủ ấm phôi
Oxy tinh khiết (100% O2) được cung cấp cho tủ ấm với mục đích hồi sức thông qua một chai kết nối với một van tiết lưu được đặt ở phía sau của tủ ấm Van này điều chỉnh tốc độ dòng oxy vào hệ thống dựa trên nồng độ oxy (O2 %) cần thiết phụ thuộc vào tình trạng của phôi Mức độ tập trung là được xác định bởi một bác sĩ
y tế (nhân viên) Tuy nhiên, thực tế hiện tại họ không có xu hướng sử dụng phần này và thay vào đó dựa vào các thiết bị hồi sức khác như thiết bị nCPAP (Áp suất không khí liên tục qua mũi) để cung cấp oxy cho phôi bị bệnh
Do đó, cơ chế thay đổi không khí trong tủ ấm này có thể được giải thích như sau: kích thước (thể tích) của nắp lồng đối với kích thước của phôi là lớn đáng kể,
vì lý do này, không gian tủ ấm không thay đổi tỷ lệ phần trăm của oxy và nitơ đáng
kể trong môi trường của nó (nghĩa là 21% O2 và 79% N2) Ngoài ra, một điều cần cân nhắc rằng trong quá trình chăm sóc, không khí trong tủ ấm sẽ thay đổi khi cửa
tủ ấm được mở và điều này thường xảy ra cứ sau 2 giờ hoặc ít hơn [3]
Có hai phương pháp cung cấp phản hồi cho tủ ấm này: điều khiển servo bằng
vỏ tế bào và điều khiển servo bằng không khí Chương trình làm việc phản hồi thường hoạt động bằng cách quạt của tủ ấm duy trì sự lưu thông của không khí nóng bên trong tủ ấm mọi lúc bất kể sự thay đổi trong nhiệt độ cài đặt Do đó, toàn hệ thống trải qua trao đổi nhiệt trong một mô hình đối lưu cưỡng bức Tuy nhiên các thành phần sưởi ấm thay đổi công suất của nó để đáp ứng với sự thay đổi trong điều khiển nhiệt độ (tức là nhiệt độ điều khiển bằng vỏ tế bào hoặc nhiệt độ điều khiển bằng không khí)
Trang 20mô hình như một khối hoặc như bốn khối đại diện cho đầu, thân, chi trên và chi dưới Mô hình thứ hai có lợi thế trong việc chứng minh rằng có sự chênh lệch nhiệt
độ giữa các phần phôi và sự chênh lệch nhiệt độ này được quy cho việc phân bố sản nơi sinh nhiệt và nơi tổn thất nhiệt ở mỗi phần Tuy nhiên Rojas cho thấy rằng sự chênh lệch nhiệt độ này thường không đáng kể
Cả hai mô hình công thức đều xem xét phôi có hai lớp: lõi và vỏ (Hình 2-2) Như vậy trong mô hình một khối, có hai ngăn cộng với ngăn máu ở trung tâm, trong khi với mô hình bốn khối, có tổng cộng chín ngăn
Hình 2-2 Mô hình phôi (A)/ Phân lớp (B)
Cả hai mô hình sử dụng cùng một kỹ thuật để mô tả các quá trình trao đổi nhiệt trong phôi Do đó, các phương trình toán học của chúng tương tự nhau không phụ thuộc vào hướng của dòng nhiệt Mô hình A và B trong Hình 2-3 minh họa sự trao đổi nhiệt giữa lõi và vỏ tế bào trong phôi tương tự như mô hình một cục và bốn cục
Hai mô hình này có thể được mô tả như sau:
Hình 2-3 (A) / (B) – Sơ đồ khối trao đổi nhiệt
Trang 21Mô hình A dựa trên mô hình Simon [29], mô hình B dựa trên mô hình Rojas (Hình 2-5 A/B) Từ hình 2.5, lõi tăng nhiệt thông qua:
Đối lưu với máu của lõi,
Trong khi các tuyến tổn thất nhiệt thông qua:
Dẫn nhiệt qua vỏ tế bào
Tương tự, lớp vỏ tế bào tăng nhiệt thông qua sự truyền dẫn với lõi, nhưng mất nhiệt qua:
Dẫn nhiệt qua môi trường nuôi,
Dẫn nhiệt qua không gian tủ ấm, , và với máu,
Tổn thất bức xạ vào thành tủ ấm,
Và cuối cùng là tổn thất do sự bay hơi của vỏ phôi,
Trong mô hình Simon [29] và Rojas , tỷ lệ nhiệt dẫn giữa môi trường nuôi và lò ấp được coi là không đáng kể
Để đơn giản quá mô hình, các giá thiết sau đây được đưa ra:
1 Lồng nuôi hình chữ nhật một vách với một thành phía trước nghiêng, hệ thống sưởi ấm trung tâm và một hệ thông tạo độ ẩm
2 Các vật liệu mỗi ngăn là đồng nhất
3 Luồng khí là đều trong toàn hệ thống
Trang 22trao đổi chất khi trẻ nghỉ ngơi,
5 Đối với mục đích xây dựng mô hình, phôi được coi là một khối hình trụ tối màu
6 Phôi người khỏe mạnh và không có thiết bị hồi sức nào được sử dụng như thiết bị CPAP (Máy áp lực khí dương liên tục) hoặc dung dịch truyền vào được đưa ra để điều trị mất nước
7 Các hệ thống tự điều nhiệt của phôi không được bao gồm trong mô hình
8 Nhiệt dẫn giữa môi trường nuôi và lò ấp, , bị bỏ qua
9 Can nhiễu loạn duy nhất xảy ra với mô hình thông qua cửa cổng và/hoặc bảng điều khiển phía trước là để cho mục đích chăm sóc
10 Môi trường nuôi được coi là một khối, cũng không có môi trường nào khác được thêm vào
11 Tủ ấm nuôi phôi được đặt trong phòng điều chỉnh nhiệt và vận tốc của dòng không khí là tối thiểu Như vậy chỉ đối lưu tự do bên ngoài là cho phép
Mỗi phương trình mô tả sự thay đổi nhiệt độ của từng ngăn theo thời gian (tức
là nhiệt độ tức thời)
Mỗi ngăn của mô hình phải tuân theo định luật nhiệt động lực học thứ nhất (định luật bảo toàn năng lượng), cụ thể là trong khoảng thời gian dt, sự cân bằng nhiệt được tính toán bởi:
2.2.1 Lớp lõi
Xét một sơ đồ khối trao đổi nhiệt của phôi như trong Hình 2-3 Trong một
khoảng thời gian dt, sự cân bằng nhiệt của lõi có thể được viết là:
(2.2)
Vì thế, nhiệt độ tức thời của lõi có thể được viết là:
Trang 23(2.3)
Sử dụng toán tử vi phân D = d/dt phương trình (2.3) được viết là:
(2.4)
Công thức (2.4) mô tả tốc độ của tất cả dòng nhiệt ảnh hưởng tới các mối quan
hệ truyền nhiệt liên quan đến lõi phôi Mỗi một thuật ngữ trong phương trình này được xác định theo danh pháp và có thể được xác định như sau:
2.2.1.1 Nhiệt sinh bên trong phôi,
Tổng lượng nhiệt sinh ra bên trong lõi phôi được tính bởi
(2.5)
Với là hệ số trao đổi năng lượng khi nghỉ ngơi, trái với hệ số trao đổi cơ bản và là diện tích bề mặt phôi Hàm số thể hiện trọng lượng của phôi và có thể được xác định bằng cách sử dụng một công thức thực nghiệm được trình bày sau chương này Giá trị ước tính cho là 24.80 Con số này được đo đạc tại vùng trung hòa nhiệt trong tuần nuôi cấy đầu tiên
2.2.1.2 Mất nhiệt trong phôi
Lõi phôi bị mất nhiệt trong quá trình hô hấp dưới dạng nhiệt đối lưu dưới dạng
do làm nóng không khí khi hít vào và gây ra bởi sự chênh lệch áp suất giữa không khí khi hô hấp Về tốc độ hô hấp và thể tích khí lưu thông, phương trình tổn thất hô hấp:
(2.6)
Trang 24Phương trình (2.6) và (2.7) sẽ được sửa đổi về mặt thể tích phút lấy mẫu là 200ml/kg khối lượng phôi Giá trị này biểu diễn cho tổng thể tích của không khí hít vào và thở ra trong một phút trên mỗi gam khối lượng của phôi thai
Phương trình (2.6) và (2.7) được viết lại thành:
(2.8)
(2.9)
với thể tích không khí lấy mẫu, IV, bằng 3.33 ml/kg khối lượng của phôi/giây
Phương trình (2.8) và (2.9) được viết dưới dạng khối lượng phôi m hoặc khối lượng của từng toàn phôi và thể tích không khí lấy mẫu (IV) Chúng đáng tin cậy
hơn so với các phương trình Simon, đặc biệt vì nhịp hô hấp và thể tích khí lưu thông của phôi không được chứng minh rõ ràng Trong mô hình đề xuất, các phương trình (2.8) và (2.9) sẽ được sử dụng Để có kết quả chính xác hơn, được lấy bằng
Hệ số độ ẩm của không khí thở ra được xác định bởi:
Trang 25(2.12)
Với là áp suất khí quyển và là áp suất bão hòa không khí được nhắc tới trong các quyển sách về truyền nhiệt Psat là một hàm của nhiệt độ không khí và cho mục đích mô phỏng, công thức hàm mũ được phát triển qua Hình 2-4 [21]:
Hình 2-4 Đường cong nhiệt độ-áp suất [21]
Như vậy, mối quan hệ giữa và T có thể được viết là:
(2.13)
Công thức trên được tính cho phạm vi nhiệt độ 0,01-60 °C và được sử dụng để ước tính áp suất bão hòa ở bất kỳ nhiệt độ nào trong phạm vi đó Độ ẩm tương đối của không khí thở ra RH% ở nhiệt độ bên trong cơ thể 37 ºC cũng được giả định là 100%
Lõi cũng mất nhiệt thông qua dẫn truyền qua lớp vỏ tế bào Như vậy tốc độ dẫn có thể được xác định bởi:
(2.14)
trong đó tất cả các tham số trong phương trình (2.14) được định nghĩa theo danh pháp Nhiệt mất do đối lưu qua máu trong cơ thể được xác định bởi:
Trang 26Lượng máu trong phương trình (2.15) được xác định trực tiếp từ khối lượng của lớp phôi sử dụng:
Với tính bằng và khối lượng tính bằng kg
Trong phương trình (2.20), diện tích bề mặt của phôi được coi là hàm của khối
Trang 27lượng, phù hợp với xu hướng của mô hình này
2.2.2 Lớp vỏ tế bào
Xét lớp vỏ tế bào trên hình 2-3 Trong khoảng thời gian dt, phương trình cân
bằng nhiệt được viết như sau:
(2.24)
Nhiệt độ trung bình của môi trường nuôi được lấy ở giữa độ dày của môi trường nuôi Vì thế độ dày của nêm bị giảm một nửa Diện tích tiếp xúc của vỏ
tế bào với môi trường nuôi cho phôi hoặc toàn phôi ước tính là 10% tổng diển tỉnh
bề mặt của phôi (đơn vị ) là:
(2.25)
Ngoài ra, nhiệt độ mất đi của vỏ tế bào trong quá trình đối lưu không khí được tính bằng:
Trang 28Vì diện tích bề mặt tiếp xúc với môi trường nuôi là 10% tổng diện tích nên diện tích bề mặt tiếp xúc với không khí là 10%, do đó, được viết là:
(2.27)
Trong phương trình 2.26, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức phụ thuộc vào
tư thế của phôi và là một hàm của hàm số Nusselt và Reynolds Số Nusselt được định nghĩa bằng:
Trang 29của hơi nước Tốc đọ bay hơi Qse (tính bằng Watt) được xác định bởi:
(2.32)
Với Evap là hệ số bay hơi từ vỏ tế bào của phôi qua môi trường (tính bằng
Ml/kg/ngày), và có thể được xác định từ phương trình được phát triển bởi LeBlanc
[18] như sau:
(2.33)
Với được xác định ở phương trình 2.13
Vỏ tế bào cũng mất nhiệt vào thành của tủ ấm bằng bức xạ Như vậy hệ số tổn thất
nhiệt bức xạ có thể được xác định bởi:
(2.34)
Diện tích bề mặt của phôi trực giao với các vách của tủ ấm , là một phần diện tích
bề mặt phôi tiếp xúc với không khí, , và đối với các bộ phận khác nhau của phôi
được định nghĩa là:
1 30% tổng diện tích bề mặt là các đối tượng ngay phía trên phôi nằm
2 17% tổng diện tích bề mặt được trao cho các bên
3 8,5% tổng diện tích bề mặt cho phía trên đầu hoặc dưới bàn chân
Phương trình (2.2 - 2.34) mô tả sự trao đổi nhiệt của mô hình phôi như một khối
Tuy nhiên, đối với mô hình bốn khối, mỗi phân đoạn nên được xử lý riêng tương tự
như mô hình một khối Cùng một bộ phương trình được mô tả ở trên có thể được sử
dụng với điều khiện sau:
1 Các tổn thất hô hấp từ lõi cho các phân đoạn cơ thể (4 phân đoạn) được giả
định là tỷ lệ phần trăm của tổng tổn thất nhiệt do hô hấp cho đầu và mình,
trong khi đối với các chi là bằng 0 Tuy nhiên, phương trình (2.8) và (2.9)
Trang 302 Lượng nhiệt sinh ra ở lõi cho mỗi phân đoạn được nhân với một hệ số, ,
là tỷ lệ phần trăm của tổng lượng nhiệt của lõi phôi Ví dụ, lượng nhiệt cho lõi của đầu chiếm 70% tổng sản lượng nhiệt ở phôi, lõi thân 24%, lõi chi trên 2% và lõi chi dưới 6% Trong khi đối với mô hình phôi một khối, mri, bằng 100% là lõi của phôi được coi là một khối
Đối với mô hình bốn khối, phương trình (2.5) có thể được sửa đổi như sau:
3 Môi trường nuôi
2.3.1 Mô hình không gian ấp
Không gian tủ ấm trao đổi nhiệt với tất cả các ngăn của hệ thống tủ ấm phôi, chủ yếu bằng đối lưu, một phần bằng cách truyền nhiệt và tích tụ (bản gốc Mass) thông qua hô hấp và bay hơi Hình 2-5 minh họa tất cả các mức tăng và giảm nhiệt trong khoang không gian
Hình 2-5 Sơ đồ khối của sự trao đổi nhiệt trong không gian tủ ấm
Trang 31Xét trong khoảng thời gian dt, phương trình cân bằng nhiệt cho không gian tủ ấm có thể viết từ phương trình 2.1 như sau:
Không gian tủ ấm tăng nhiệt bằng cách đối lưu từ vỏ tế bào phôi, , có thể được
xác định bằng phương trình (2.26) và từ khoang làm nóng / làm ẩm, , sẽ được xác định trong quá trình mô hình hóa khoang làm ẩm Ước tính khối lượng không gian tủ ấm, , sẽ được mô tả chi tiết trong mô hình của quạt không khí lưu thông Ngoài ra, tổn thất nước từ vỏ tế bào xảy ra thông qua sự bốc hơi vào không gian và năng lượng bốc hơi này được xác định bởi , và có thể được xác định bằng phương trình (2.32)
Ngoài ra, có sự truyền nhiệt và tích tụ liên quan đến hô hấp phôi Sự truyền nhiệt ở dạng nhiệt hợp lý, , do làm ấm không khí hít vào, có thể được xác định theo phương trình (2.8) Sự truyền khối ở dạng nhiệt ẩn, , do sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước giữa không khí hít vào và thở ra, và có thể được xác định theo phương trình (2.9)
Ngược lại, khoang không gian mất một phần nhiệt của nó vào các bức tường của lò
Trang 32(2.39)
Hệ số truyền nhiệt đối lưu, hacv, phụ thuộc vào hình dạng của lồng nuôi và chế độ của luồng không khí bên trong lồng Nó cũng là một hàm của số Nusselt và Reynold theo phương trình (2.28) và (2.29)
Vì tốc độ không khí đã cho bên trong lồng không cao (khoảng 10 cm/giây, do nhà sản xuất cung cấp), số Reynold cho vận tốc như vậy là 4970,6 Do đó, mô hình của chế độ luồng không khí là hỗn loạn đối với dòng chuyển tiếp [21] Tính toán này được thực hiện bằng cách giả sử hình dạng của nắp lồng là hình chữ nhật chứ không phải với mặt trước nghiêng, như sau:
Đường kính thủy lực tương đương của lò ấp Dh, có thể được xác định bằng:
Trang 33(2.43)
Trong phương trình (2.43), hệ số truyền nhiệt đối lưu hacv, có thể được xác định bằng phương trình (2.41) Trong diện tích thực của môi trường nuôi không được bao phủ bởi phôi Anet có thể dễ dàng được xác định bằng cách sử dụng:
mm Do đó, độ chênh nhiệt độ trong độ dày như vậy là không đáng kể và điện trở dẫn của tường là không đáng kể
Các giả thiết sau đây được thực hiện để đơn giản hóa mô hình:
1 Các vật liệu của tường là đồng nhất và thống nhất
2 Có sự phân bố nhiệt độ đồng đều trong và trên các bề mặt bên trong và bên ngoài của bức tường
Hình 2-6 Chênh lệch nhiệt độ trên tường
Hình 2-6 cho thấy độ dốc nhiệt độ dự đoán giữa bên trong tủ ấm (Ta) và môi trường bên ngoài (Te) Do chỉ có không khí tiếp xúc với bề mặt bên trong và bên ngoài, do
đó tổn thất nhiệt là ở dạng đối lưu và bức xạ như trong Hình 2-7
Trang 34Trong Hình 2-7, R 2r và R 2c đặc trưng cho mức tăng nhiệt đối lưu và chiếu xạ tới bề
mặt trên trong của các vách tương ứng Tương tự, R 1r và R 1c tượng trưng cho thất
thoát nhiệt từ vách bên ngoài đến môi trường bằng bức xạ và đối lưu tương ứng Rw
đặc trưng cho sự truyền nhiệt giữa bề mặt trên trong và bên ngoài của vách, trong trường hợp này được coi là không đáng kể Hình 2-8 minh họa sự truyền nhiệt trong vách
Hình 2-8 Sơ đồ khối sự trao đổi nhiệt qua vách
Dựa vào Hình 2-8, trong một khoảng thời gian dt, các phương trình cân bằng nhiệt
cho lồng nuôi có thể được miêu tả bằng các sử dụng phương trình (2.1) như sau:
Từ đó, nhiệt độ tức thời của vách có thể được biểu diễn như sau:
Trang 35Sử dụng toán tử vi phân, nhiệt độ của vách được viết thành:
Nhiệt độ bề mặt bên trong của lồng nuôi tăng lên bởi sự đối lưu không khí bên trong
lồng, Q acv , được xác định bởi biểu thức (2.39) Vách cũng tăng nhiệt độ bởi sự bức
xạ nhiệt từ vỏ tế bào của phôi Tốc độ truyền nhiệt bức xạ Q sr được xác định tại mục
(2.34)
Do độ dốc nhiệt giữa môi trường bên trong lò ấp và môi trường ngoài, vách của lò
bị thất thoát nhiệt ra môi trường (phòng) dưới dạng bức xạ và đối lưu
Đối với sự tổn thất nhiệt do đối lưu, đối lưu tự nhiên xảy ra từ các bức vách ra môi trường Do đó, tổn hao nhiệt do đối lưu là một hàm số của số Nusselt và Prandtl, có
thể được xác định bởi [21]:
Trong đó G rL là số Grashof được xác định bởi [21]:
Và Ra L là số Rayleigh được xác định bởi [21]:
Các thuộc tính của chất lưu liên quan tới các phương trình trên được đánh giá ở nhiệt độ trung bình của bên trong vách và nhiệt độ phòng theo [21]:
Do lồng nuôi có các bề mặt được coi gần đúng là nằm theo chiều ngang và dọc, số Nusselt sẽ được xác định theo [21]:
Trang 36Đối với số Grashof trong phương trình (2.49), L c cũng được xác định theo [21]:
Dựa theo phương trình (2.52) và (2.53), ta xác định được hai giá trị hệ số truyền nhiệt đối lưu tương ứng Sử dụng các hệ số này, tốc độ truyền nhiệt đối lưu được xác định bởi:
Tổng lượng nhiệt tổn hao do đối lưu từ 4 mặt đứng của của lồng Q cvt (gồm 2 mặt dài
và 2 mặt ngắn) được cộng lại cho ra kết quả:
Với tổn hao do bức xạ, tốc độ truyền nhiệt bức xạ từ vách của lồng ra ngoài môi trường cũng được xác định theo [21]:
Khối lượng của các bức vách của lồng, M w, được xác định dựa theo:
Trang 37Trong đó ρ w , th w và A wi lần lượt là khối lượng riêng của vật liệu làm vách (đơn vị kg/m3), độ dày của vách (tính bằng mét) và diện tích bề mặt vách của lồng nuôi (tính bằng mét vuông)
2.3.3 Mô hình đệm
Nhiệt độ của đệm tăng lên do sự dẫn truyền nhiệt từ vỏ tế bào của phôi, đồng thời bị làm nóng lên do sự đối lưu của không khí bên trong không gian lồng Nhờ có 2 tấm
đỡ mỏng đỡ cho đệm với diện tích tiếp xúc được coi là nhỏ, sự truyền nhiệt từ đệm
sang lồng, Q ic, là không đáng kể và có thể bỏ qua
Hình 2-9 Sơ đồ khối của đệm
Theo Hình 2-9, trong một khoảng thời gian dt, phương trình cân bằng nhiệt của đệm
có thể được viết bằng cách sử dụng phương trình (2.1) như sau:
Từ đó, nhiệt độ tức thời của đệm được tính như sau:
Sử dụng toán tử vi phân, nhiệt độ của đệm T m được tính theo công thức:
Q mc và Q mat được tính lần lượt theo phương trình (2.24) và (2.43)
Tương tự, ứng với 4 giai đoạn phát triển của phôi, các tham số có liên quan tới
phương trình mô hình hóa của lò ấp từ (2.36) đến (2.61) được đánh chỉ số i tương
Trang 38Hình 2-10 minh họa các bộ phần của khoang sưởi ấm Một số giả định được đưa ra
để đơn giản hóa mô hình của khoang này như sau:
1 Vật liệu chế tạo được coi là đồng nhất với các đặc tính không đổi, chẳng hạn như
nhiệt dung riêng C p¸diện tích mặt cắt của cuộn dây và khoảng hở giữa các cuộn dây
2 Sự phân bố nhiệt là đồng đều
3 Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí nóng C tương đương không khí thường
Hình 2-10 Sơ đồ nguyên lý của khoang sưởi ấm
Tốc độ của dòng khí Oxy chảy vào lồng nuôi phụ thuộc vào nồng độ Oxy cần cung cấp (nồng độ phần trăm Oxy) và được nhà sản xuất đưa ra trong Bảng 2-1:
Bảng 2-1 Tốc độ luồng Oxy và nồng độ tương ứng
Nồng độ Oxy này đạt được trong vòng 20-30 phút Lược đồ nồng độ Oxy trên cho thấy không khí bên trong lò ấp bao gồm ít nhất 28% Oxy và 72% Nito Do đó không khí này có thể coi gần đúng là không khí thường với 21% Oxy và 79% Nito
Bỏ qua cơ năng của động cơ (W motor = 0) và xem cả quá trình là đoạn nhiệt (nghĩa là không có nhiệt được thêm vào hệ thống), phương trình cần bằng nhiệt cho quạt được viết dựa vào phương trình (2.1) như sau:
Trang 39Hình 2-11 Sơ đồ khối của quạt
Điều này được minh họa như trong Hình 2-11 Sử dụng phương trình (2.62), nhiệt
độ của hỗn hợp khí xác định bởi:
Tốc độ của luồng hỗn hợp khí, mx, là tổng của không khí quay trở lại cộng với tốc
độ của dòng Oxy thêm vào Xét về lưu lượng không khí và tốc độ luồng Oxy,
phương trình (2.61) có thể được viết lại thành:
Do phạm vi biến đổi của nhiệt độ không khí lồng nuôi là 25 - 40oC, nhiệt dung riêng
của hỗn hợp khí C Pmx , được đặt là C Pa , và C Pa = 1007 J/kg.oC [21]
Tốc độ của luồng hỗn hợp khí, mx, phụ thuộc vào khối lượng riêng sau cùng của khí trong lồng nuôi, đó là đại lượng phụ thuộc vào nồng độ Oxy thêm vào lồng cũng
như sự biến đổi nhiệt độ của luồng khí tuần hoàn trở lại T a [21]
Không khí trong lồng được coi là một loại khí hoàn hảo, và khối lượng của hỗn hợp
khí này, mx, được xác định theo [21] như sau:
Khối lượng riêng sau cùng của không khí trong lồng nuôi được tính trên cơ sở nồng
độ sau cùng của cả khí Nito và Oxy Vì không khí trong lồng được xác định bao gồm 21% Oxy và 79% Nito, do vậy nồng độ sau cùng của 2 khí có thể được xác định dễ dàng [21]:
Trang 40Khối lượng riêng của từng khí được tính trên cơ sở mỗi mol và sử dụng định luật khí hoàn hảo [21]:
Trong đó N t là tổng số mol, R u là hằng số khí lí tưởng (8.31447 kJ/kmol.K), V inc là
thể tích khí trong lồng và P t là áp suất khí quyển
Vì không khí được cho là lí tưởng, phương trình (2.67) có thể biểu diễn theo phần
trăm của nồng độ mỗi loại khí Y gas% [21]:
Do đó, nồng độ mol C đối với mỗi loại khí (tính bằng kmol trên một đơn vị thể tích)
được xác định theo [21]:
Cuối cùng, khối lượng riêng của mỗi loại khí tính theo khối lượng mol M và nồng
độ C được tính theo [21]:
Khối lượng mol của Oxy và Nito lần lượt là 32 và 28 kg/kmol [21] Phương trình
(2.68) được sử dụng để ước tính khối lượng của hỗn hợp khí trong lồng, M a, đã