Tridimensionalmente stampato Microfluidic sistema a flusso incrociato per ultrafiltrazione / nanofiltrazione membrana Performance Testing

Riepilogo

Progettazione e fabbricazione di una tridimensionalmente (3-D) stampata sistema di filtrazione tangenziale microfluidico è dimostrata. Il sistema è utilizzato per testare le prestazioni e osservare incrostazioni di ultrafiltrazione e nanofiltrazione (film sottile composito) membrane.

Abstract

Minimizzazione e gestione di sporcamento membrana è una sfida formidabile in diversi processi industriali e altre pratiche che utilizzano la tecnologia a membrana. Capire il processo di formazione di incrostazioni potrebbe portare a ottimizzazione e una maggiore efficienza della filtrazione su membrana. Qui mostriamo la progettazione e la fabbricazione di un-dimensionalmente tre (3-D) sistema automatizzato stampato microfluidica flusso incrociato filtrazione che può testare fino a 4 membrane in parallelo. Le cellule microfluidici sono stati stampati usando multimateriale fotopolimero tecnologia di stampa 3-D, che ha usato un polimero rigido trasparente per il corpo cellulare microfluidica e incorporato un sottile strato di polimero gommoso, che impedisce fuoriuscite durante il funzionamento. Le prestazioni di ultrafiltrazione (UF), e le membrane nanofiltrazione (NF) sono stati testati e sporcamento della membrana potrebbero essere osservate con un modello imbrattante albumina sierica bovina (BSA). Le soluzioni mangimi contenenti BSA hanno mostrato flusso declino della membrana. Questo protocollo può essere estendereEd per misurare incrostazioni o biofouling con molte altre soluzioni organiche, inorganiche o microbici che contiene. Il design microfluidica è particolarmente vantaggioso per i materiali di prova che sono costose o disponibili solo in piccole quantità, per esempio polisaccaridi, proteine ​​o lipidi a causa della piccola superficie della membrana in fase di test. Questo sistema modulare può essere facilmente ampliato per alta test di throughput delle membrane.

Introduzione

Tecnologia a membrana è parte integrante di processi industriali e altri che richiedono la separazione dei soluti da una soluzione in massa, tuttavia, intasamento delle membrane è una sfida continua. ¹ Esempi comuni dove intasamento delle membrane avviene includere l'uso di membrane di ultrafiltrazione per la separazione basata dimensioni delle acque reflue, ² e sottili membrane film composito per la separazione di ioni e soluti più grandi da acqua salmastra o acqua di mare. ³ indicazioni caratteristiche di sporcamento includono un aumento della pressione transmembrana e un calo di flusso. Questo diminuisce la produttività della membrana e riduce la sua vita a causa protocolli di pulizia chimici o altri. Pertanto le prestazioni della membrana è un buon indicatore per valutare incrostazioni e capire i meccanismi e gli effetti di sporcamento, biofouling e formazione di biofilm sulle membrane. Inoltre, la valutazione delle prestazioni è importante nella progettazione o modifica di nuove membrane.

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L'interesse per l'impiego di membrane in dispositivi microfluidici è cresciuta negli ultimi dieci anni. ⁴ Recentemente abbiamo studiato l'effetto dei componenti microbica lipopolisaccaride, e glicosfingolipide sulla sporcamento della superficie di una membrana di nanofiltrazione, e la successiva suscettibilità della superficie condizionato a microbica allegato. ⁵ un dispositivo a flusso incrociato microfluidica è stato utilizzato per valutare le prestazioni delle membrane nanofiltrazione. Questo ha permesso l'uso di componenti speciali lipidici non commerciale disponibile solo in piccole quantità per fouling superficie della membrana poiché la superficie della membrana era piccola. Le dimensioni del sistema ha consentito l'uso efficiente dei materiali di membrana e bassi volumi di soluzioni. In questo protocollo, si descrive la progettazione e la fabbricazione del dispositivo a microfluidi per valutare le prestazioni della membrana, e delineano l'inserimento del dispositivo in un sistema di flusso di pressione. Dimostrazione del dispositivo è indicato da testing le prestazioni delle membrane di ultrafiltrazione e membrane da nanofiltrazione utilizzando un modello imbrattante, BSA. ^6,7

Protocollo

1. Progettazione e Realizzazione del Sistema Microfluidic test

1. Progettare dispositivo microfluidico in due parti: una parte superiore e una parte inferiore (Figura 1) in un programma CAD.
2. Iniziare a fare la parte inferiore utilizzando lo strumento rettangolo per disegnare un 40 mm di 60 mm rettangolo.
3. A un angolo con lo strumento cerchio creare un cerchio di 6,2 millimetri di diametro centrato 10 mm dai bordi. Con lo strumento sagoma lineare replicare i fori attraverso il rettangolo con spaziatura 20 mm per un totale di 6 fori.
4. Utilizzando lo strumento filetto di raccordare i rettangoli con un raggio di 1 mm.
5. Estrudere la parte mm 10 con lo strumento Estrusione.
6. Nel centro della faccia superiore, con lo strumento rettangolo creare un rettangolo 30 mm di 1 mm e con lo strumento estrusione cut 0,2 mm per il canale di flusso.
7. Utilizzando lo strumento cerchio un cerchio diametro di 1 mm all'estremità del canale di flusso. Poi, con lo strumento linea costruire un percorso che collega il cerchio al più vicino40 mm di mm faccia 10, tra cui un raggio di 4 mm fornito con lo strumento filetto. Fare un taglio lungo questo percorso con lo strumento di taglio spazzato.
8. Con lo strumento cerchio creare un cerchio di diametro 3,9 millimetri al centro del percorso di flusso e tagliare 8 mm con lo strumento Estrusione taglio per consentire raccordi.
9. Ripetere le fasi 1.7 e 1.8 per il lato opposto del canale di flusso.
10. Con la parte superiore ripetere i passi 1.2-1.5. Poi, nel centro della faccia superiore creare un canale permeato utilizzando lo strumento rettangolo per creare un rettangolo di 30 mm di 1 mm e tagliare 0,5 millimetri utilizzando lo strumento Estrusione taglio.
11. Utilizzare lo strumento cerchio per fare un cerchio 1 mm con centro nel permeato canale 5 mm dal termine. Con lo strumento linea costruire un percorso che collega il cerchio per uno dei 1 cm di 6 cm volti: un raggio di 4 mm in con lo strumento filetto. Fare un taglio lungo il tracciato con lo strumento taglio spazzato.
12. Con lo strumento cerchio creare ulteriore cerchio del diametro di 3,9 millimetri con il suo centro sul percorso permeato e tagliare 8 mm con l'exTrude strumento tagliato.
13. Alle parti primi 40 mm bordi, con lo strumento rettangolo, creare rettangoli di 40 mm di 5 mm l'aggiunta di 4 millimetri raggi con lo strumento di raccordo. Utilizzare lo strumento estrusione per estrudere 3 mm verso il basso per le maniglie.
14. parti con una stampante multi-materiale fotopolimero 3-D utilizzando un polimero trasparente rigido, compresi 0,05 mm ricopertura con un polimero gommoso morbido sulla faccia di ogni parte che contiene il canale. Utilizzare protocollo standard, calibrazione e le impostazioni del produttore.
15. Tap fili (M5) in avanzamento, retentato e permeare orifizi. Utilizzare il nastro idraulico per il collegamento da 1/8 "raccordi al feed e retentato e 1/16" raccordi per il permeato.
16. Collegare i dispositivi microfluidici per pompare, valvole, trasduttori di pressione e regolatore di contropressione con 1/8 "tubi (Figura 2).
17. Collegare 0,45 micron filtri per ingresso tubi.
18. Scarico permeare al flussometro e bicchieri sui saldi con 1/16 "di tubazione.
19. allegare servo a rotazione continua a contropressione regolatore con viti e servo standard per valvola a 3 vie con tie-wire.
20. Collegare servi e alimentazione servo scudo.
21. Collegare trasduttore di pressione, interruttori e servo scudo al microcontrollore.
22. Collegare microcontrollore, saldi, flussometro e la pompa ad un PC per la registrazione dei dati e il controllo del sistema.
23. Configurare i saldi per stampare i dati alla loro porta seriale.

2. Preparare Membrane da testare

1. Tagliare membrane a 40 mm x 8 mm.
2. Mettere a bagno in acqua ultrapura membrane (3 x 10 min) con ultrasuoni.
3. Poi immergere le membrane in 50/50 ultrapura acqua / etanolo per 1 ora.
4. Lavare le membrane con acqua ultrapura e conservare in acqua ultrapura a 4 ° C. ⁸

3. Preparare le soluzioni di prova ai nanofiltrazione Membrane

1. Aggiungere 500 ml di acqua ultrapura per una beuta. Quindi aggiungere 0,04 g di BSA und 0,29 g di NaCl.
2. Aggiungere 500 ml di acqua ultrapura per una beuta separata. Quindi aggiungere 0,6 g di MgSO _4.
3. Aggiungere 500 ml di acqua ultrapura per una terza beuta. Quindi aggiungere 0,29 g di NaCl.
4. Inserire mescolare bar in ogni pallone e mettere palloni su lastre mescolare. Mescolare per 5 min a 500 rpm.

4. Eseguire un esperimento nanofiltrazione Incrostazioni

Nota: eseguire l'esperimento a temperatura ambiente (circa 24 ° C). Innanzitutto configurare il sistema per misurare una singola membrana da valvole di chiusura a scorrere cellule non collegate al flussometro.

1. Inserire il tubo di aspirazione di una pompa nel serbatoio acqua ultrapura e l'altro tubo di ingresso nella soluzione ₄ MgSO (Figura 2).
2. Utilizzare una siringa per aspirare acqua e MgSO ₄ soluzione attraverso il tubo in modo da eliminare tutte le bolle d'aria nel sistema.
3. Inserire una membrana di nanofiltrazione sulla parte inferiore della cella di flusso, con illato attivo verso il canale di alimentazione, e posto sulla parte superiore della cella di flusso.
4. Fissare dadi a mano e poi stringere in modo uniforme con una chiave in modo da minimizzare le perdite.
5. Selezionare l'acqua ultrapura con il selettore serbatoio.
6. Impostare portata della pompa a 2 ml / min e avviare la pompa.
7. Regolare il regolatore di pressione a 4 bar.
8. Impostare parametri sperimentali per passare serbatoi ogni 45 minuti a partire dal serbatoio dell'acqua.
9. Impostare l'interruttore serbatoio per l'auto, e iniziare a sperimentare.
10. A 60 min raccogliere MgSO ₄ permeato in un tubo per il prossimo 30 min.
11. A 91 min sostituire MgSO ₄ pallone con pallone contenente la soluzione di BSA e NaCl.
12. Fermare rapidamente pompa e utilizzare una siringa per disegnare soluzione BSA attraverso il tubo di ingresso per rimuovere MgSO ₄ avanzi in tubo. Quindi avviare di nuovo la pompa.
13. A 150 min raccogli BSA permeare in un tubo per il prossimo 30 min.
14. Dopo 225 minuti, spegnere il sistema e rimuovere nano filtrazione a membrana dalla cella di flusso.
15. Utilizzando una siringa, scovare tubo di ingresso soluzione di prova con acqua ultrapura.
16. Ripetere i passaggi 4,1-4,15 per ogni membrana aggiuntiva testata.
17. Per NaCl solo test, ripetere i passaggi 4,1-4,10, e 4,14-4,16 sostituzione soluzione MgSO ₄ con soluzione di NaCl e termina l'esperimento dopo 90 minuti, invece di 225 min.

5. Calcolare Salt Rifiuto di nanofiltrazione Membrane

1. Risciacquare elettrodi della cella di prova potenziostato acqua ultrapura.
2. Con una pipetta, deposito di 5 ml di MgSO ₄ soluzione sulla elettrodi delle celle di prova.
3. Resistenza record della soluzione.
4. Ripetere i passaggi 5.1-5.3 quattro volte di più e calcolare il valore medio.
5. Ripetere i passaggi 5.1-5.4 per il NaCl e soluzioni BSA / NaCl e per ciascun permeano soluzione raccolta.
6. Calcola il rifiuto del sale con l'equazione 1:
   6eq1.jpg "/>
   dove Ω _s è la resistenza della soluzione campione e Ω _p è la resistenza del permeato. La resistenza è inversamente proporzionale alla conducibilità di una soluzione, che è direttamente correlata alla concentrazione del sale.

6. Preparare la soluzione da testare con membrane di ultrafiltrazione

1. Aggiungere 1 L di acqua ultrapura a 4 L becher. Quindi aggiungere 0,32 g di BSA.
2. Inserire ancoretta in bicchiere e posto su un piatto mescolare. Mescolare per 5 min a 500 rpm.
3. Aggiungere ulteriore 3 L di acqua ultrapura al bicchiere e mescolare ancora per 5 min a 500 giri al minuto.

7. Eseguire un esperimento ultrafiltrazione Incrostazioni

Nota: eseguire un esperimento a temperatura ambiente (circa 24 ° C). In primo luogo configurare il sistema per misurare 4 membrane in parallelo con l'apertura di tutte le valvole a scorrere le cellule.

1. Mettere tubo di ingresso una pompa nel serbatoio acqua ultrapura e altri tubo di ingresso in thsoluzione e BSA (Figura 2).
2. Utilizzare una siringa per aspirare l'acqua e la soluzione BSA attraverso il tubo in modo da eliminare tutte le bolle d'aria nel sistema.
3. Inserire membrane di ultrafiltrazione sulla parte inferiore delle celle di flusso, con i lati attivi verso canali di alimentazione, e chiudere le celle con i migliori metà del dispositivo microfluidico.
4. noci Fissare a mano, poi stringere in modo uniforme con una chiave. serraggio improprio può portare a perdite di acqua.
5. Selezionare acqua ultrapura con interruttore serbatoio.
6. Impostare portata della pompa di 8 ml / min e avviare la pompa.
7. Regolare il regolatore di pressione di 0,4 bar.
8. Monitorare i valori di flusso di membrane con software di acquisizione dati secondo il protocollo del produttore.
9. Regolare il regolatore di pressione fino a quando il flusso medio è di 200 LMH ± 10%.
10. Sostituire membrana individuale se il flusso non è 200 LMH ± 20%.
11. Immettere i parametri run sperimentali. In primo luogo selezionare il RESE acqua ultrapurarvoir per 60 minuti con un flusso costante di 200 ± 20 LMH. Quindi, selezionare il serbatoio BSA per 420 min con comando manuale del regolatore di pressione. Infine, selezionare il serbatoio di acqua ultrapura per 15 min con comando manuale del regolatore di pressione per il sistema a filo alla fine dell'esperimento.
12. Impostare l'interruttore serbatoio per l'auto, e iniziare a sperimentare.
13. Dopo il completamento di esecuzione, spegnere il sistema e rimuovere le membrane da celle di flusso.
14. Con una siringa, tubo di ingresso della pompa a filo con acqua ultrapura.

Risultati

Le celle di flusso microfluidica stati progettati utilizzando un programma CAD e stampato usando un fotopolimero multimateriale tridimensionale (3-D) della stampante. Questa cella è stata progettata in due parti, in modo che le membrane possono essere facilmente inseriti e rimossi dal dispositivo (Figura 1). Ogni parte era 1 cm di spessore, stampata da un disco, chiara polimero per l'integrità strutturale, ei lati verso la membrana fosse ricoperto con uno strato molto sottile 50 micron di polimero...

Discussione

Questo protocollo descrive la progettazione di un dispositivo a flusso incrociato microfluidica tridimensionalmente stampato per il test di membrane nanofiltrazione e ultrafiltrazione. Recentemente, abbiamo dimostrato il successo di una variante di questo protocollo con membrana di nanofiltrazione condizionata e incrostazioni con glicosfingolipidi e lipopolisaccaridi e le differenze di prestazioni membrana con successiva iniezione di coltura batterica. ⁵ Le future applicazioni che impiegano questa tecnica pot...

Materiali

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