ثلاثة بعدي مطبوعة ميكروفلويديك نظام الصليب لتدفق الترشيح الفائق / ميكن للترشيح النانوي غشاء اختبار الأداء

Summary

ويتجلى تصميم وتصنيع وثلاثة الأبعاد (3-D) المطبوعة ميكروفلويديك النظام عبر تدفق الترشيح. يتم استخدام نظام لاختبار الأداء ومراقبة تلوث من الترشيح الفائق والترشيح الدقيق جدا (رقيقة فيلم مركب) الأغشية.

Abstract

تقليل وإدارة تلوث غشاء يشكل تحديا هائلا في العمليات الصناعية المختلفة وغيرها من الممارسات التي تستخدم تكنولوجيا الأغشية. يمكن فهم عملية قاذورات تؤدي إلى تحسين وزيادة كفاءة الترشيح القائمة على الأغشية. هنا نعرض تصميم وتصنيع و-الأبعاد الثلاثة (3-D) المطبوعة النظام الآلي ميكروفلويديك عبر تدفق الترشيح التي يمكن اختبار ما يصل إلى 4 الأغشية بشكل متواز. تم طبع الخلايا ميكروفلويديك باستخدام فوتوبوليمير متعددة المادي تكنولوجيا الطباعة 3-D، والتي تستخدم البوليمر الصلب الشفاف للجسم الخلية ميكروفلويديك وأدرجت رقيقة طبقة البوليمر مثل المطاط، والذي يمنع التسرب أثناء العملية. تم اختبار أداء الفائق (UF)، والترشيح الدقيق جدا (NF) الأغشية ويمكن ملاحظة تلوث الغشاء مع foulant زلال المصل البقري نموذج (BSA). وأظهرت حلول الأعلاف التي تحتوي على BSA انخفاض تدفق للغشاء. ويمكن تمديد هذا البروتوكولإد لقياس تلوث أو biofouling مع العديد من الحلول العضوية، غير العضوية أو الجرثومية التي تحتوي على أخرى. تصميم ميكروفلويديك هو مفيد خاصة لاختبار المواد التي هي مكلفة أو متاحة فقط في كميات صغيرة، على سبيل المثال السكريات والبروتينات والدهون أو بسبب مساحة صغيرة من الغشاء يجري اختبارها. هذا النظام المرن يمكن أيضا بسهولة توسيعها لاختبار إنتاجية عالية من الأغشية.

Introduction

تكنولوجيا الأغشية جزء لا يتجزأ من العمليات الصناعية وغيرها التي تتطلب فصل المواد المذابة من حل الجزء الأكبر، ومع ذلك، تحشف هو تحد كبير ومستمر. ¹ الأمثلة الشائعة حيث يحدث تحشف تشمل استخدام أغشية الترشيح الفائق للفصل أساس حجم مياه الصرف الصحي، وتشمل ² ورقيقة الأغشية فيلم مركب لفصل الأيونات والأملاح أكبر من المياه قليلة الملوحة أو مياه البحر ³ مؤشرات المميزة للقاذورات زيادة في الضغط عبر الغشاء وانخفاض في تدفق. هذا يقلل من إنتاجية الغشاء ويقصر من عمر البطارية نظرا لبروتوكولات التنظيف الكيميائية أو غيرها. وبالتالي أداء غشاء يعد مؤشرا جيدا لتقييم قاذورات وفهم آليات وآثار قاذورات، biofouling وتشكيل بيوفيلم على الأغشية. أيضا، وتقييم الأداء مهم في تصميم أو تعديل أغشية جديدة.

تقنية الحرية النفسية ">

الفائدة في استخدام الأغشية في أجهزة ميكروفلويديك تشهد نموا خلال العقد الماضي. ⁴ في الآونة الأخيرة، قمنا بدراسة تأثير مكونات الميكروبية lipopolysaccharide في وglycosphingolipid على قاذورات على سطح غشاء الترشيح الدقيق جدا، وقابلية لاحقة من سطح مكيفة للميكروبات وقد استخدم المرفق. ⁵ جهاز عبر تدفق ميكروفلويديك لتقييم أداء الأغشية الترشيح الدقيق جدا. هذا ما سمح للاستخدام مكونات الدهون غير التجارية الخاصة المتاحة فقط بكميات صغيرة للقاذورات سطح غشاء لأن مساحة سطح غشاء كانت صغيرة. حجم نظام يسمح كفاءة استخدام المواد الغشاء وكميات قليلة من حلول. في هذا البروتوكول، ونحن تصف تصميم وتصنيع جهاز ميكروفلويديك لاختبار أداء غشاء، والخطوط العريضة لتأسيس الجهاز في نظام تدفق الضغط. يظهر مظاهرة من الجهاز عن طريق اختبار الأدوات الكهنانوغرام أداء الأغشية الترشيح الفائق وأغشية الترشيح الدقيق باستخدام foulant نموذج، BSA. ^6،7

Protocol

1. تصميم وتصنيع نظام ميكروفلويديك اختبار

1. تصميم جهاز ميكروفلويديك كما جزأين منفصلين: على الجزء العلوي والجزء السفلي (الشكل 1) في برنامج CAD.
2. البدء في صنع الجزء السفلي باستخدام أداة المستطيل رسم 40 مم 60 مم المستطيل.
3. في زاوية واحدة مع أداة دائرة إنشاء دائرة 6.2 مم تركزت 10 ملم من الحواف. مع أداة النمط الخطي تكرار ثقوب في جميع أنحاء المستطيل مع تباعد 20 مم ليصبح المجموع 6 فتحات.
4. باستخدام أداة شرائح فيليه المستطيلات مع دائرة نصف قطرها 1 مم.
5. بثق مم جزء 10 مع أداة قذف.
6. في وسط الوجه العلوي، مع أداة المستطيل إنشاء مستطيل 30 مم 1 مم ومع أداة قطع قذف قطع 0.2 ملم لقناة التدفق.
7. باستخدام أداة الدائرة جعل دائرة قطرها 1 مم في نهاية قناة التدفق. ثم مع أداة سطر بناء الطريق الذي يربط بين الدائرة إلى أقرب40 مم مم وجه 10، بما في ذلك دائرة نصف قطرها 4 مم مصنوعة من الأداة شرائح. اجراء خفض على طول هذا المسار باستخدام أداة قطع اجتاحت.
8. مع أداة دائرة إنشاء دائرة قطرها 3.9 ملم في وسط الطريق تدفق وقطع 8 ملم مع أداة قطع قذف للسماح التجهيزات.
9. كرر الخطوات من 1.7 و 1.8 بالنسبة للجانب الآخر من قناة التدفق.
10. مع كبار جزء كرر الخطوات من 1.2-1.5. ثم في وسط الوجه العلوي إنشاء قناة تتخلل باستخدام أداة المستطيل لإنشاء مستطيل 30 مم 1 مم وخفض 0.5 ملم باستخدام أداة قطع قذف.
11. استخدام أداة دائرة لجعل دائرة 1 مم تركزت في تتخلل قناة 5 مم من نهايته. مع أداة سطر بناء الطريق الذي يربط بين دائرة واحدة من 1 سم في 6 سم وجوه، بما في ذلك دائرة نصف قطرها 4 مم مصنوعة من الأداة شرائح. اجراء خفض على طول المسار باستخدام أداة قطع اجتاحت.
12. مع أداة دائرة خلق إضافية دائرة قطرها 3.9 ملم مع مركزه على الطريق تتخلل وقطع 8 ملم مع السابقينأداة قطع ترود.
13. في الأجزاء أعلى 40 مم حواف، مع أداة المستطيل، وخلق المستطيلات 40 مم 5 مم مضيفا 4 ملم نصف قطر مع أداة شرائح. استخدام أداة بثق لقذف 3 مم أسفل مقابض.
14. أجزاء طباعة مع فوتوبوليمير متعددة المادي طابعة 3-D باستخدام البوليمر شفافة الصلب، بما في ذلك 0.05 ملم بمعطف إضافي مع البوليمر مطاطي ناعم على وجه كل جزء يحتوي على القناة. استخدام مصنع القياسية البروتوكول والمعايرة والضبط.
15. المواضيع الحنفية (M5) الى علف، retentate وتتخلل فتحات. استخدام الشريط سباك للاتصال 1/8 "تركيبات للتغذية وretentate و1/16" تركيبات لتتخلل.
16. توصيل أجهزة ميكروفلويديك لضخ، والصمامات، محول الضغط ومنظم احداهما مع 1/8 "أنابيب (الشكل 2).
17. ربط 0.45 ميكرون مرشحات إلى مدخل أنابيب.
18. التفريغ تتخلل إلى تدفق متر والأكواب على الأرصدة لدى 1/16 "أنابيب.
إرفاق مستمرة المؤازرة تناوب على احداهما منظم مع مسامير والمؤازرة القياسية إلى 3 في اتجاه وصمام مع ربطة سلك.
19. توصيل الماكينات وإمدادات الطاقة إلى درع المؤازرة.
20. قم بتوصيل محول الضغط، ومفاتيح ودرع المؤازرة للمتحكم.
21. ربط متحكم، أرصدة، تدفق متر ومضخة لجهاز كمبيوتر لتسجيل البيانات ونظام التحكم.
22. تكوين أرصدة لطباعة البيانات إلى موانئها التسلسلي.

2. إعداد الأغشية لفحصها

1. قطع الأغشية إلى 40 ملم × 8 ملم.
2. نقع الأغشية في الماء عالى النقاء (3 × 10 دقيقة) مع صوتنة.
3. ثم نقع الأغشية في 50/50 عالى النقاء المياه / الايثانول لمدة 1 ساعة.
4. شطف الأغشية مع الماء عالى النقاء وتخزينها في الماء عالى النقاء في 4 درجات مئوية. ⁸

3. إعداد حلول لفحصها مع ميكن للترشيح النانوي الأغشية

1. إضافة 500 مل من الماء عالى النقاء إلى دورق مخروطي. ثم إضافة 0.04 غرام من BSA لد 0.29 غرام من كلوريد الصوديوم.
2. إضافة 500 مل من الماء عالى النقاء إلى دورق مخروطي منفصلة. ثم إضافة 0.6 غرام من MgSO _4.
3. إضافة 500 مل من الماء عالى النقاء إلى دورق مخروطي الثالثة. ثم إضافة 0.29 غرام من كلوريد الصوديوم.
4. إدراج يحرك الحانات في كل قارورة ومكان قوارير على لوحات ضجة. مزيج لمدة 5 دقائق في 500 دورة في الدقيقة.

4. إجراء تجربة ميكن للترشيح النانوي الإفساد

ملاحظة: إجراء التجربة في RT (حوالي 24 درجة مئوية). أولا تكوين نظام لقياس غشاء واحد عن طريق إغلاق الصمامات لتدفق خلايا لا علاقة لتدفق متر.

1. إدراج مضخة واحدة أنبوب مدخل إلى خزان للمياه عالى النقاء وغيرها من أنبوب مدخل إلى ₄ حل MgSO (الشكل 2).
2. استخدام حقنة لسحب المياه وMgSO ₄ الحل من خلال أنابيب وذلك لإزالة جميع فقاعات الهواء في النظام.
3. اضافة الى وجود غشاء الترشيح الدقيق جدا على الجزء السفلي من الخلية التدفق، معالجانب النشط تجاه قناة الأعلاف، ومكان على الجزء العلوي من الخلية التدفق.
4. ربط المكسرات باليد ثم تشديد بالتساوي مع وجع وذلك للحد من التسرب.
5. حدد الماء عالى النقاء مع التبديل خزان محدد.
6. تعيين معدل تدفق المضخة إلى 2 مل / دقيقة وبدء ضخ.
7. ضبط منظم ضغط على 4 بار.
8. تعيين المعلمات التجريبية للتبديل خزانات كل 45 دقيقة بدءا من خزان المياه.
9. تعيين رمز التبديل المكمن لصناعة السيارات، وبدء التجربة.
10. في 60 دقيقة جمع MgSO ₄ تتخلل في أنبوب للدقيقة 30 المقبل.
11. في 91 دقيقة استبدال MgSO ₄ قارورة مع قارورة تحتوي على حل جيش صرب البوسنة وكلوريد الصوديوم.
12. وقف بسرعة المضخة واستخدام حقنة لرسم حل جيش صرب البوسنة خلال أنبوب مدخل لإزالة MgSO ₄ بقايا في الأنابيب. ثم بدء ضخ مرة أخرى.
13. في 150 دقيقة جمع BSA تتخلل في أنبوب للدقيقة 30 المقبل.
14. بعد 225 دقيقة، إيقاف تشغيل النظام وإزالة نانو غشاء الترشيح من الخلية التدفق.
15. باستخدام حقنة، اخراج حل أنبوب اختبار مدخل مع الماء عالى النقاء.
16. كرر الخطوات من 4،1 حتي 4،15 لكل غشاء إضافي اختبارها.
17. لكلوريد الصوديوم الاختبارات فقط، كرر الخطوات من 4،1-4،10، و4،14-4،16 استبدال MgSO ₄ الحل مع حل كلوريد الصوديوم وإنهاء التجربة بعد 90 دقيقة بدلا من 225 دقيقة.

5. حساب السلط رفض ميكن للترشيح النانوي الأغشية

1. شطف أقطاب الخلية اختبار potentiostat مع الماء عالى النقاء.
2. مع ماصة، إيداع 5 ميكرولتر من MgSO ₄ الحل على أقطاب الخلية الاختبار.
3. المقاومة سجل من الحل.
4. كرر الخطوات من 5،1-5،3 أربع مرات، وحساب متوسط ​​قيمة.
5. كرر الخطوات من 5،1-5،4 لكلوريد الصوديوم والحلول BSA / كلوريد الصوديوم فضلا عن كل تتخلل حل والتي تم جمعها.
6. حساب رفض الملح مع المعادلة 1:
   6eq1.jpg "/>
   حيث Ω _الصورة هي المقاومة من حل الاختبار وΩ _{p غير} مقاومة تتخلل. المقاومة تتناسب عكسيا مع الموصلية من الحل، والذي يرتبط مباشرة إلى تركيز الملح.

6. إعداد الحلول لفحصها مع الترشيح الفائق الأغشية

1. إضافة 1 لتر من الماء عالى النقاء إلى دورق 4 لتر. ثم يضيف للمؤشر 0.32 غرام من جيش صرب البوسنة.
2. إدراج بقضيب في كوب ومكان على طبق من ضجة. مزيج لمدة 5 دقائق في 500 دورة في الدقيقة.
3. إضافة إضافي 3 لتر من الماء عالى النقاء إلى الكأس وتخلط مرة أخرى لمدة 5 دقائق في 500 دورة في الدقيقة.

7. قم بإجراء تجربة الترشيح الفائق الإفساد

ملاحظة: إجراء تجربة على RT (حوالي 24 درجة مئوية). أولا تكوين نظام لقياس 4 الأغشية بالتوازي من خلال فتح جميع الصمامات ليتدفق الخلايا.

1. وضع مضخة واحدة أنبوب مدخل إلى خزان للمياه عالى النقاء وغيرها من أنبوب مدخل إلى عشرحل البريد BSA (الشكل 2).
2. استخدام حقنة لرسم الماء وحل جيش صرب البوسنة خلال الأنبوب وذلك لإزالة جميع فقاعات الهواء في النظام.
3. إدراج أغشية الترشيح الفائق على الجزء السفلي من تدفق الخلايا، مع الجانبين النشطة نحو القنوات الأعلاف، وإغلاق الخلايا التي تحتوي على أعلى نصفي الجهاز ميكروفلويديك.
4. المكسرات ربط باليد، ثم تشديد بالتساوي مع وجع. تشديد غير لائق قد يؤدي إلى تسرب المياه.
5. تحديد الماء عالى النقاء مع تبديل الخزان.
6. تعيين معدل تدفق المضخة إلى 8 مل / دقيقة وبدء ضخ.
7. ضبط منظم الضغط إلى 0.4 بار.
8. مراقبة القيم تدفق الأغشية مع برنامج الحصول على البيانات وفقا لبروتوكول الشركة المصنعة.
9. ضبط منظم ضغط حتى متوسط ​​تدفق 200 LMH ± 10٪.
10. استبدال غشاء فردي إذا تدفق ليس 200 LMH ± 20٪.
11. أدخل المعلمات المدى التجريبية. أولا حدد عزاء الماء عالى النقاءrvoir لمدة 60 دقيقة مع تدفق مستمر من 200 ± 20 LMH. ثم حدد خزان BSA ل 420 دقيقة مع تحكم يدوي من منظم الضغط. وأخيرا، حدد خزان الماء عالى النقاء لمدة 15 دقيقة مع تحكم يدوي من منظم الضغط على النظام دافق في نهاية التجربة.
12. تعيين رمز التبديل المكمن لصناعة السيارات، وبدء التجربة.
13. بعد الانتهاء المدى، وأغلقت النظام باستمرار وإزالة الأغشية من تدفق الخلايا.
14. مع حقنة، تدفق مضخة أنبوب مدخل مع الماء عالى النقاء.

النتائج

تم تصميم خلايا تدفق الموائع الدقيقة باستخدام برنامج CAD وطباعتها باستخدام فوتوبوليمير متعددة المادي ثلاثية الأبعاد (3-D) الطابعة. وقد تم تصميم هذه الخلية في جزأين، بحيث الأغشية يمكن إدراجها بسهولة وإزالتها من الجهاز (الشكل 1). كان كل جزء 1 سم سميكة، وطبع من البو?...

Discussion

يصف هذا البروتوكول تصميم جهاز عبر تدفق ميكروفلويديك المطبوعة ثلاثة الأبعاد لاختبار الترشيح الدقيق والترشيح الفائق الأغشية. مؤخرا، لقد أظهرنا نجاح الاختلاف من هذا البروتوكول مع تكييف غشاء الترشيح الدقيق جدا وقاذورات مع الشحميات السفنغولية السكرية وعديدات سكر شحمي...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
BSA	SIGMA-ALDRICH	A6003
NaCl	DAEJUNG	7548-4100
MgSO4	EMSURE	1058861000
NF Membrane	Filmtec	NF200
30 kDa UF Membrane	MICRODYN NADIR	UH030
50 kDa UF Membrane	MICRODYN NADIR	UH050
Pressure Transducer	Midas	43006711
Ball Valves	AV-RF	Q91SA-PN6.4
3-way Valve	iLife Medical Devices	902.071
Pressure Regulator	Swagelok	KCB1G0A2A5P20000
Flow-meter	Bronkhorst	L01-AGD-99-0-70S
Balances	MRC	BBA-1200
Pump	Cole-Parmer	EW-00354-JI
1/8" Tubing	Cole-Parmer	EW-06605-27
1/16" Tubing	Cole-Parmer	EW-06407-41
1/16" Fittings	Cole-Parmer	EW-30486-70
1/8" Fittings	Kiowa	QSM-B-M5-3-20
Microcontroller	Adafruit	50	Arduino UNO R3
Continuous Rotation Servo	Adafruit	154
Standard Servo	Adafruit	1142
Power Supply	Adafruit	658
Servo Shield	SainSmart	20-011-905
Switches	Parts Express	060-376
0.45 Micron Filters	EMD Millipore	SLHV033RS
Potentiostat	Gamry	PCI4
Sonicator	MRC	DC-150H
Connex 3D Printer	Stratasys	Objet Connex
Veroclear	Stratasys	RGD810	transparent polymer for printing flow cell
Tangoblack-plus	Stratasys	FLX980	soft rubbery polymer for gasket layers on flow cell