Sistema de flujo cruzado tridimensionalmente Impreso de microfluidos para la ultrafiltración / Pruebas de rendimiento membrana de nanofiltración

Resumen

Diseño y fabricación de un tridimensionalmente (3-D) impreso microfluidos sistema de filtración de flujo cruzado se demuestra. El sistema se utiliza para probar el rendimiento y observar el ensuciamiento de ultrafiltración y nanofiltración (compuesto de película delgada) membranas.

Resumen

Minimización y gestión de ensuciamiento de la membrana es un reto formidable en diversos procesos industriales y otras prácticas que utilizan la tecnología de membranas. La comprensión del proceso de ensuciamiento podría conducir a una mayor eficiencia y optimización de la filtración a base de membrana. Aquí se muestra el diseño y fabricación de una forma tridimensional sistema automatizado (3-D) impreso microfluídico de flujo transversal de filtración que puede probar hasta 4 membranas en paralelo. Las células de microfluidos se imprimieron utilizando la tecnología de impresión 3-D de múltiples materiales de fotopolímero, que utiliza un polímero duro transparente para el cuerpo de la célula de microfluidos y se incorpora una capa de polímero similar al caucho delgado, que impide las fugas durante el funcionamiento. El rendimiento de ultrafiltración (UF), y las membranas de nanofiltración (NF) se probaron y ensuciamiento de la membrana pudieron observarse con un modelo de albúmina de suero bovino foulant (BSA). Las soluciones de alimentación que contiene BSA mostraron disminución de flujo de la membrana. Este protocolo se puede extendered para medir el ensuciamiento o la contaminación biológica con muchas otras soluciones orgánicas, inorgánicas o microbianos que contiene. El diseño de microfluidos es especialmente ventajosa para materiales de prueba que son costosos o sólo está disponible en pequeñas cantidades, por ejemplo polisacáridos, proteínas o lípidos debido a la pequeña área de superficie de la membrana que se está probando. Este sistema modular también se puede ampliar fácilmente para las pruebas de alto rendimiento de las membranas.

Introducción

La tecnología de membrana es parte integral de los procesos industriales y otras que requieren la separación de solutos de una solución a granel, sin embargo, ensuciamiento de la membrana es un desafío permanente importante. ¹ Ejemplos comunes donde ensuciamiento de la membrana se produce incluir el uso de membranas de ultrafiltración para la separación basada en el tamaño de las aguas residuales, ² y delgadas membranas compuestas de película para la separación de iones y solutos más grandes de agua salobre o agua de mar. ³ indicios característicos de ensuciamiento incluyen un aumento de la presión transmembrana y una disminución en el flujo. Esto disminuye la productividad de la membrana y se acorta su vida útil debido a los protocolos de limpieza químicos u otros. Por lo tanto el rendimiento de la membrana es un buen indicador para evaluar el ensuciamiento y para comprender los mecanismos y efectos de ensuciamiento, la contaminación biológica y la formación de biopelículas en las membranas. Además, la evaluación del desempeño es importante en el diseño o modificación de las membranas.

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El interés en el uso de membranas en dispositivos microfluídicos ha estado creciendo durante la última década. ⁴ Recientemente, se estudió el efecto de los componentes microbianos lipopolisacárido, y glicoesfingolípidos en el ensuciamiento de la superficie de una membrana de nanofiltración, y la posterior susceptibilidad de la superficie acondicionada para microbiana . fijación ⁵ Un dispositivo de flujo cruzado de microfluidos se utilizó para evaluar el rendimiento de las membranas de nanofiltración. Esto permitió el uso de componentes lipídicos especiales no comercial disponibles en pequeñas cantidades para el ensuciamiento superficie de la membrana debido a que el área de superficie de la membrana era pequeña. El tamaño del sistema puede hacer uso eficiente de los materiales de la membrana y los bajos volúmenes de soluciones. En este protocolo, se describe el diseño y la fabricación del dispositivo de microfluidos para las pruebas de rendimiento de la membrana, y el esquema de la incorporación del dispositivo en un sistema de flujo a presión. Demostración de que el dispositivo se muestra por testing el rendimiento de las membranas de ultrafiltración y membranas de nanofiltración utilizando un modelo foulant, BSA ^6,7.

Protocolo

1. Diseño y fabricación del Sistema de Prueba de microfluidos

1. El diseño de dispositivos de microfluidos como dos partes separadas: una parte superior y la parte inferior (Figura 1) en un programa CAD.
2. Empieza a hacer la parte inferior utilizando la herramienta de rectángulo para dibujar unos 40 mm por 60 mm rectángulo.
3. En una esquina con la herramienta círculo crear un círculo de 6,2 mm de diámetro centrado 10 mm de los bordes. Con la herramienta de patrón lineal replicar los agujeros a través del rectángulo con 20 mm de separación para un total de 6 agujeros.
4. Con la herramienta filete filete los rectángulos con un radio de 1 mm.
5. Extruir la parte 10 mm con la herramienta de extrusión.
6. En el centro de la cara superior, con la herramienta rectángulo crear un rectángulo de 30 mm por 1 mm y con la herramienta de extrusión, corte, corte de 0,2 mm para el canal de flujo.
7. Uso de la herramienta de círculo hacer un círculo de diámetro 1 mm en el extremo del canal de flujo. Luego, con la herramienta de línea de construir un camino que conecta el círculo más próximo a la40 mm por mm de la cara 10, incluyendo un radio de 4 mm realizado con la herramienta de empalme. Hacer un corte a lo largo de este camino con la herramienta de corte de barrido.
8. Con la herramienta de círculo crear un círculo de diámetro 3,9 mm en el centro de la trayectoria de flujo y corte 8 mm con la herramienta de extrusión de corte para permitir accesorios.
9. Repetir los pasos 1.7 y 1.8 para el lado opuesto del canal de flujo.
10. Con la parte superior repita los pasos 1.2-1.5. A continuación, en el centro de la cara superior crear un canal de permeado usando la herramienta de rectángulo para crear un rectángulo de 30 mm x 1 mm y 0,5 mm cortado utilizando la herramienta de extrusión corte.
11. Utilice la herramienta de círculo para hacer un círculo 1 mm centrado en el permeado canal 5 mm desde un extremo. Con la herramienta de línea de construir una vía de conexión del círculo a uno de los 1 cm por 6 caras cm, incluyendo un radio de 4 mm hecha con la herramienta de empalme. Hacer un corte a lo largo de la ruta con la herramienta de corte de barrido.
12. Con la herramienta de círculo crear círculo adicional de diámetro 3,9 mm, con su centro en el camino de permeado y corte 8 mm con el extrude herramienta de corte.
13. En las partes superiores de 40 mm de los bordes, con la herramienta rectángulo, crear rectángulos de 40 mm por 5 mm de la adición de 4 mm radios con la herramienta de empalme. Utilice la herramienta de extrusión para la extrusión de 3 mm a la baja para las manijas.
14. piezas de impresión con un multi-material de fotopolímero impresora 3-D utilizando un polímero transparente duro, incluyendo 0,05 mm de recubrimiento con un polímero de caucho suave en la cara de cada parte que contiene el canal. Uso exclusivo del fabricante estándar de protocolo, calibración y ajustes.
15. roscas del grifo (M5) en alimentación, retenido y permeado orificios. Use cinta de plomero para conectar accesorios de 1/8 "a la alimentación y retenido y 1/16" accesorios para el permeado.
16. Conectar dispositivos de microfluidos para la bomba, válvulas, transductor de presión y válvula de alivio con 1/8 "tubo (Figura 2).
17. Conectar 0,45 micras filtros para tubos de entrada.
18. Descarga de permeado a fluir metros y vasos de precipitados sobre los saldos con 1/16 "tubo.
19. Adjuntar servo rotación continua de contrapresión regulador con tornillos y servo estándar a la válvula de 3 vías con alambre de amarre.
20. Conectar los servos y la fuente de alimentación al escudo servo.
21. Conectar el transductor de presión, interruptores y el escudo servo para microcontrolador.
22. Conectar microcontrolador, saldos, caudalímetro y la bomba a un PC para registro de datos y control del sistema.
23. Configurar los saldos para imprimir los datos a su puerto serie.

2. preparar membranas a ensayar

1. Cortar las membranas a 40 mm x 8 mm.
2. Remojar las membranas en agua ultrapura (3 x 10 min) con sonicación.
3. A continuación, empapar las membranas en 50/50 ultrapura agua / etanol durante 1 h.
4. Enjuague las membranas con agua ultrapura y almacenar en agua ultrapura a 4 ° C. ⁸

3. Preparar soluciones de la prueba con membranas de nanofiltración

1. Añadir 500 ml de agua ultrapura a un matraz Erlenmeyer. A continuación, añadir 0,04 g de BSA unad 0,29 g de NaCl.
2. Añadir 500 ml de agua ultrapura a un matraz Erlenmeyer separado. A continuación, añadir 0,6 g de _MgSO4.
3. Añadir 500 ml de agua ultrapura a tercera matraz Erlenmeyer. A continuación, añadir 0,29 g de NaCl.
4. Insertar agitar barras en cada frasco y colocar los frascos en las placas de revolver. Mezclar durante 5 min a 500 rpm.

4. Llevar a cabo un experimento de nanofiltración ensuciamiento

Nota: Realice el experimento a temperatura ambiente (aproximadamente 24 ° C). En primer lugar configurar el sistema para la medición de una sola membrana cerrando las válvulas a las células que no están conectados a la corriente fluya metros.

1. Inserte tubo de entrada de una bomba en el depósito de agua ultrapura y el otro tubo de entrada en la solución de MgSO ₄ (Figura 2).
2. Utilice una jeringa para extraer agua y solución de _MgSO4 a través de tubos a fin de eliminar todas las burbujas de aire en el sistema.
3. Inserte una membrana de nanofiltración en la parte inferior de la celda de flujo, con elcara activa hacia el canal de alimentación, y colocar en la parte superior de la celda de flujo.
4. Fijar tuercas a mano y luego apriete de manera uniforme con una llave con el fin de minimizar las fugas.
5. Seleccionar el agua ultrapura con el selector de depósito.
6. Ajuste del caudal de la bomba a 2 ml / min y arrancar la bomba.
7. Ajuste el regulador de presión a 4 bar.
8. Establecer parámetros experimentales para cambiar reservorios cada 45 minutos a partir de la reserva de agua.
9. Ajuste el interruptor de depósito para automóviles, y comenzar el experimento.
10. A los 60 min recoger _MgSO4 permeado en un tubo para el próximo 30 min.
11. En 91 min reemplazar MgSO ₄ matraz con el frasco que contiene la solución de BSA y NaCl.
12. Detener rápidamente la bomba y utilizar una jeringa para extraer solución de BSA a través del tubo de entrada para eliminar _MgSO4 sobrante en la tubería. A continuación, iniciar la bomba de nuevo.
13. A 150 min recoger BSA en un tubo de permeado para el próximo 30 min.
14. Después de 225 minutos, apagar el sistema y quitar nano membrana de filtración de la celda de flujo.
15. Usando una jeringa, enjuagar tubo de entrada de la solución de ensayo con agua ultrapura.
16. Repita los pasos 4.1 a 4.15 por cada membrana adicional probado.
17. Por NaCl únicas pruebas, repita los pasos 4.1 a 4.10 y 4.14 a 4.16 reemplazar solución _MgSO4 con solución de NaCl y terminando el experimento después de 90 minutos en lugar de 225 min.

5. Calcular el rechazo de sal de nanofiltración Membranas

1. Enjuagar los electrodos de la celda de ensayo potenciostato con agua ultrapura.
2. Con una pipeta, el depósito 5 l de MgSO ₄ solución sobre los electrodos de la celda de ensayo.
3. registre las resistencias de la solución.
4. Repita los pasos 5.1-5.3 cuatro más veces y calcular el valor medio.
5. Repetir los pasos 5.1 a 5.4 para las soluciones de BSA / NaCl de NaCl y, así como para cada permeado solución recogida.
6. Calcular rechazo de sal con la Ecuación 1:
   6eq1.jpg "/>
   donde Ω _s es la resistencia de la solución de ensayo y Ω _p es la resistencia del permeado. La resistencia es inversamente proporcional a la conductividad de una solución, que se correlaciona directamente con la concentración de sal.

6. Preparar la solución de la prueba con membranas de ultrafiltración

1. Añadir 1 L de agua ultrapura a un 4 L vaso de precipitados. A continuación, añadir 0,32 g de BSA.
2. Inserte una barra de agitación en el vaso y colocar en una placa de agitación. Mezclar durante 5 min a 500 rpm.
3. Añadir 3 L adicional de agua ultrapura para vaso de precipitados y mezclar de nuevo durante 5 minutos a 500 rpm.

7. Realizar un experimento ultrafiltración ensuciamiento

Nota: Realizar un experimento a TA (ca. 24 ° C). En primer lugar configurar el sistema para medir 4 membranas en paralelo al abrir todas las válvulas a las células de flujo.

1. Coloque el tubo de entrada de una bomba en el depósito de agua ultrapura y otro tubo de entrada al interior THsolución de e BSA (Figura 2).
2. Utilice una jeringa para extraer el agua y la solución de BSA a través de la tubería a fin de eliminar todas las burbujas de aire en el sistema.
3. Insertar las membranas de ultrafiltración en la parte inferior de las células de flujo, con los lados activos hacia los canales de alimentación, y cerrar las células con las mitades superiores del dispositivo de microfluidos.
4. tuercas sujetar con la mano, luego apriete uniformemente con una llave. El apriete incorrecto puede dar lugar a fugas de agua.
5. Seleccionar agua ultrapura con el interruptor del depósito.
6. Ajuste del caudal de la bomba a 8 ml / min y arrancar la bomba.
7. Ajuste el regulador de presión de 0,4 bar.
8. Monitorear valores de flujo de las membranas con el software de adquisición de datos según el protocolo del fabricante.
9. Ajuste el regulador de presión hasta que el flujo promedio es de 200 LMH ± 10%.
10. Vuelva a colocar la membrana de flujo individual si no es 200 LMH ± 20%.
11. Introducir parámetros de ejecución experimentales. Primero seleccione la rese agua ultrapurarvoir durante 60 min con un flujo constante de 200 ± 20 LMH. A continuación, seleccione el depósito de BSA durante 420 min con control manual del regulador de presión. Finalmente, seleccione el depósito de agua ultrapura para 15 min con control manual del regulador de presión para el sistema de descarga al final del experimento.
12. Ajuste el interruptor de depósito para automóviles, y comenzar el experimento.
13. Después de completarse la marcha, el sistema se apague y quitar las membranas de las células de flujo.
14. Con una jeringa, tubo de entrada de la bomba de enjuague con agua ultrapura.

Resultados

Las celdas de flujo de microfluidos fueron diseñados utilizando un programa CAD y se imprimen utilizando un fotopolímero de múltiples materiales tridimensional (3-D) de la impresora. Esta célula fue diseñado en dos partes, de manera que las membranas pueden ser fácilmente insertados y retirados desde el dispositivo (Figura 1). Cada parte fue de 1 cm de espesor, impreso a partir de un polímero duro, claro para la integridad estructural, y los lados enfrentados de la membrana se recubre con una cap...

Discusión

Este protocolo describe el diseño de un dispositivo de flujo cruzado de microfluidos tridimensionalmente impreso para pruebas de membranas de nanofiltración y ultrafiltración. Recientemente, hemos demostrado el éxito de una variación de este protocolo con membrana de nanofiltración acondicionado y el ensuciamiento con los glicoesfingolípidos y lipopolisacáridos y las diferencias de rendimiento de la membrana con la inyección de cultivo bacteriano posterior. ⁵ Las aplicaciones futuras que emplean esta...

Materiales

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