Tridimensionalmente Impresso Microfluidic Sistema Cross-flow para ultrafiltração / nanofiltração membrana Teste de Desempenho

Resumo

Concepção e fabrico de um modo tridimensional (3-D) de microfluidos impresso sistema de filtração de fluxo cruzado é demonstrada. O sistema é usado para testar a performance e observar a incrustação de ultrafiltração e nanofiltração (compósitos de película fina) membranas.

Resumo

Minimização e gestão de entupimento da membrana é um desafio formidável em diversos processos industriais e outras práticas que utilizam a tecnologia de membrana. Compreender o processo de incrustação poderia levar a otimização e maior eficiência de filtração baseado em uma membrana. Aqui nós mostramos o projeto e fabricação de uma dimensionalmente três (3-D) sistema automatizado impresso microfluídico cross-flow de filtração que pode testar até 4 membranas em paralelo. As células microfluídicos foram impressos usando multi-material de fotopolímero 3-D tecnologia de impressão, que utilizou um polímero duro transparente para o corpo celular microfluídico e incorporada uma camada de polímero semelhante a borracha fina, o que impede fugas durante a operação. O desempenho de ultrafiltração (UF), e membranas de nanofiltração (NF) foram testados e entupimento da membrana pode ser observada com uma albumina de soro bovino a incrustao modelo (BSA). soluções de alimentação contendo BSA mostrou declínio de fluxo da membrana. Este protocolo pode ser estendered para medir a incrustação ou biofouling com muitas outras soluções orgânico, inorgânico ou microbianas contendo. O design de microfluidos é especialmente vantajoso para os materiais de teste que são caros ou apenas disponíveis em pequenas quantidades, por exemplo, polissacáridos, proteínas, lípidos ou devido à pequena área de superfície da membrana a ser testada. Este sistema modular também pode ser facilmente expandido para testes de alto rendimento de membranas.

Introdução

A tecnologia de membrana é essencial para os processos industriais e outros que requerem a separação de solutos a partir de uma solução a granel, no entanto, entupimento da membrana é um grande desafio em curso. ¹ Exemplos comuns onde entupimento da membrana ocorre incluem a utilização de membranas de ultrafiltração para a separação baseada tamanho de águas residuais, ² e finas membranas compostas filme para a separação de íons e solutos maiores de água salobra ou água do mar. ³ indicações características de incrustação incluem um aumento da pressão transmembrana e um declínio no fluxo. Isto diminui a produtividade da membrana e encurta o seu tempo de vida, devido aos protocolos químicos de limpeza ou outros. Portanto desempenho da membrana é um bom indicador para avaliar incrustações e para compreender os mecanismos e os efeitos da incrustação, biofouling e formação de biofilme em membranas. Além disso, a avaliação de desempenho é importante na concepção ou da alteração de membranas.

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O interesse no uso de membranas em dispositivos de microfluidos tem vindo a crescer ao longo da última década. ⁴ Recentemente, foi estudado o efeito de componentes microbianos lipopolissacárido, e glicosfingolípidos de incrustação da superfície de uma membrana de nanofiltração, e a susceptibilidade subsequente da superfície condicionada a microbiana anexo. ⁵ Um dispositivo de microfluidos de fluxo cruzado foi utilizado para avaliar o desempenho das membranas de nanofiltração. Isto permitiu o uso de componentes especiais de lipídios não comercial disponíveis em pequenas quantidades para incrustações da superfície da membrana porque a área de superfície da membrana era pequeno. O tamanho do sistema permitiu o uso eficiente de materiais de membrana e pequenos volumes de soluções. Neste protocolo, descrevemos o projeto e fabricação do dispositivo microfluídico para testes de desempenho de membrana, e delinear a incorporação do dispositivo em um sistema de fluxo de pressão. Demonstração do dispositivo é mostrado por testing do desempenho de membranas de ultrafiltração e as membranas de nanof iltração utilizando um modelo de incrustao, BSA a ^6,7.

Protocolo

1. Projeto e Fabricação do Sistema Microfluidic Teste

1. Concepção do dispositivo de microfluidos como duas partes separadas: uma parte de topo e parte de baixo (Figura 1) em um programa de CAD.
2. Comece a fazer a parte do fundo usando a ferramenta de retângulo para desenhar um 40 mm por 60 mm retângulo.
3. Em um canto com a ferramenta círculo criar um círculo 6,2 mm de diâmetro centrado 10 mm de bordas. Com a ferramenta de padrão linear replicar os furos em todo o rectângulo com espaçamento de 20 mm para um total de 6 furos.
4. Usando a ferramenta filé filé os retângulos com um raio de 1 mm.
5. Extrusão da parte 10 mm, com a ferramenta de extrusão.
6. No centro da face de topo, com a ferramenta rectângulo criar um rectângulo de 30 mm até 1 mm e com a ferramenta de corte de extrusão cortar 0,2 milímetros para o canal de fluxo.
7. Usando a ferramenta círculo fazer um círculo de diâmetro de 1 mm na extremidade do canal de fluxo. Depois, com a ferramenta de linha de construir um caminho que liga o círculo para o mais próximo40 mm por 10 mm rosto, incluindo um raio de 4 mm feita com a ferramenta filé. Faça um corte ao longo deste caminho com a ferramenta de corte varrido.
8. Com a ferramenta de círculo criar um círculo de diâmetro 3,9 milímetros no centro do trajecto do fluxo e corte 8 mm, com a ferramenta de corte de extrusão para permitir encaixes.
9. Repita os passos 1.7 e 1.8 para o lado oposto do canal de fluxo.
10. Com o topo parte repita os passos 1,2-1,5. Em seguida, no centro da face superior criar um canal permeado usando a ferramenta de retângulo para criar um retângulo de 30 mm por 1 mm e cortar 0,5 mm utilizando a ferramenta de extrusão de corte.
11. Use a ferramenta círculo para fazer um círculo 1 milímetro centrado no permeado canal 5 mm a partir de um fim. Com a ferramenta de linha de construir um caminho de ligação do círculo para uma das 1 cm por 6 cm, incluindo as faces de um raio de 4 milímetros feita com a ferramenta de filete. Faça um corte ao longo do caminho com a ferramenta de corte varrido.
12. Com a ferramenta círculo criar círculo adicional de diâmetro 3,9 mm com o seu centro no caminho permeado e cortar 8 mm, com a extrude ferramenta de corte.
13. Nas partes Top 40 mm bordas, com a ferramenta retângulo, criar retângulos de 40 mm por 5 mm adição de 4 mm raios com a ferramenta filé. Use a ferramenta de extrusão para extrusão de 3 mm para baixo para os punhos.
14. peças de impressão com uma impressora multi-material de fotopolímero 3-D usando um polímero transparente duro, incluindo 0,05 mm de repintura com um polímero elástico macio na face de cada parte que contém o canal. Use fabricante protocolo padrão, calibração e configurações.
15. Toque em tópicos (M5) para a alimentação, retido e permeiam orifícios. Use fita de encanador para conectar 1/8 "acessórios para a alimentação e retentado e 1/16" acessórios para o permeado.
16. Conectar dispositivos microfluídicos a bomba, válvulas, transdutor de pressão e regulador de contrapressão com 1/8 ​​"tubulação (Figura 2).
17. Ligue 0,45 filtros para entrada de tubos.
18. Descarga de permeado a fluir metros e copos sobre os saldos com 1/16 "tubulação.
19. Anexar servo rotação contínua a contrapressão regulador com parafusos e servo padrão para válvula de 3 vias com tie-wire.
20. Ligue servos e fornecimento de energia para escudo servo.
21. Conectar-se transdutor de pressão, interruptores e escudo servo para o microcontrolador.
22. Ligue microcontrolador, saldos, debitómetro e a bomba a um PC para registro de dados e controle do sistema.
23. Configurar saldos para imprimir dados para a sua porta serial.

2. Prepare-se membranas a ser testado

1. Cortar as membranas a 40 mm x 8 mm.
2. Soak membranas em água ultrapura (3 x 10 min) com sonicação.
3. Em seguida, embeber as membranas em 50/50 ultrapura água / etanol durante 1 h.
4. Lavar as membranas com água ultrapura e armazenar em água ultrapura a 4 ° C. ⁸

3. Preparar soluções a serem testadas com Nanofiltração Membranas

1. Adicionar 500 ml de água ultrapura para um balão de Erlenmeyer. Em seguida, adicionar 0,04 g de um BSAd 0,29 g de NaCl.
2. Adicionar 500 ml de água ultrapura para um balão de Erlenmeyer em separado. Em seguida, adicionar 0,6 g de _MgSO4.
3. Adicionar 500 ml de água ultrapura com um terceiro balão de Erlenmeyer. Em seguida, adicionar 0,29 g de NaCl.
4. Inserir agitar bares para cada balão e colocar frascos em placas de mexer. Misturar durante 5 minutos a 500 rpm.

4. Execute um Experimento de Nanofiltração incrustação

Nota: Realiza a experiência à TA (cerca de 24 ° C). Primeiro configurar o sistema para a medição de uma única membrana, fechando as válvulas de fluxo para as células que não estão ligadas ao medidor de caudal.

1. Inserir um tubo de entrada de bomba para dentro do reservatório de água ultrapura e o outro tubo de entrada para a solução de MgSO ₄ (Figura 2).
2. Utilize uma seringa para extrair a água e _MgSO4 solução através de uma tubagem, de modo a remover todas as bolhas de ar no sistema.
3. Inserir uma membrana de nanofiltração na parte inferior da célula de fluxo, com alado activo para o canal de alimentação, e lugar na parte superior da célula de fluxo.
4. Aperte as porcas com a mão e, em seguida, aperte uniformemente com uma chave de modo a minimizar fugas.
5. Seleccione a água ultrapura com a chave seletora reservatório.
6. Ajustar a taxa de fluxo da bomba de 2 ml / min e ligar a bomba.
7. Ajuste o regulador de pressão para 4 bar.
8. Definir parâmetros experimentais para mudar reservatórios cada 45 min começando com o reservatório de água.
9. Coloque o interruptor de reservatório para auto, e iniciar a experiência.
10. Aos 60 min recolher _MgSO4 permeado em um tubo para o próximo 30 min.
11. Aos 91 min substituir _MgSO4 frasco com frasco contendo a solução de BSA e NaCl.
12. Parar rapidamente bomba e usar uma seringa para desenhar solução BSA através do tubo de entrada para remover _MgSO4 sobra na tubulação. Em seguida, iniciar a bomba novamente.
13. A 150 min recolher BSA permear em um tubo para o próximo 30 min.
14. Após 225 min, desligue o sistema e remova nano membrana de filtração a partir da célula de fluxo.
15. Usando uma seringa, lave o tubo de entrada solução de teste com água ultrapura.
16. Repita os passos 4,1-4,15 para cada membrana adicional testado.
17. Para NaCl apenas testes, repita os passos 4,1-4,10 e 4,14-4,16 substituindo solução MgSO _{4 com} solução de NaCl e terminando o experimento após 90 min em vez de 225 min.

5. Calcule Sal Rejeição de Nanofiltração Membranas

1. Lavar os eléctrodos da célula de teste potenciostato com água ultrapura.
2. Com uma pipeta, 5 ul de depósito _MgSO4 solução para os eléctrodos da célula de teste.
3. resistência registro da solução.
4. Repita os passos 5,1-5,3 mais quatro vezes e calcular o valor médio.
5. Repita os passos de 5,1-5,4 para as soluções BSA / NaCl e NaCl bem como para cada permear solução recolhida.
6. Calcule rejeição de sal com a Equação 1:
   6eq1.jpg "/>
   onde Ω _s é a resistência da solução teste e Ω _{p é} a resistência do permeado. A resistência é inversamente proporcional à condutividade de uma solução, que se correlaciona directamente com a concentração de sal.

6. Prepare-se solução a ser testada com Ultrafiltração Membranas

1. Adicionar 1 L de água ultrapura com uma proveta de 4 L. Em seguida, adicionar 0,32 g de BSA.
2. Inserir barra de agitação no copo e coloque em uma placa de agitação. Misturar durante 5 minutos a 500 rpm.
3. Adicionar adicional de 3 L de água ultrapura ao balão e misturar outra vez durante 5 minutos a 500 rpm.

7. realizam um experimento Ultrafiltração incrustação

Nota: Execute um experimento à temperatura ambiente (cerca de 24 ° C). Primeiro, configure o sistema para medir 4 membranas em paralelo através da abertura de todas as válvulas a fluir células.

1. Coloque tubo de entrada de uma bomba dentro do reservatório de água ultrapura e outro tubo de entrada em the solução de BSA (Figura 2).
2. Utilize uma seringa para puxar a água e a solução de BSA através da tubagem de modo a remover todas as bolhas de ar no sistema.
3. Inserir membranas de ultrafiltração sobre a parte inferior das células de fluxo, com os lados activo para os canais de alimentação, e fechar as células com as metades superiores do dispositivo de microfluidos.
4. porcas prenda à mão, em seguida, aperte uniformemente com uma chave. aperto inadequado pode levar a vazamento de água.
5. Escolha água ultrapura com interruptor reservatório.
6. Ajustar a taxa de fluxo da bomba a 8 ml / min e ligar a bomba.
7. Ajuste o regulador de pressão para 0,4 bar.
8. Monitorar valores de fluxo de membranas com software de aquisição de dados de acordo com o protocolo do fabricante.
9. Ajuste o regulador de pressão até que o fluxo médio é de 200 LMH ± 10%.
10. Substitua a membrana individual, se o fluxo não é 200 LMH ± 20%.
11. Digite parâmetros de execução experimentais. Primeiro selecione a rese água ultrapurarvoir durante 60 min com um fluxo constante de 200 ± 20 LMH. Em seguida, selecione o reservatório BSA para 420 min com o controle manual do regulador de pressão. Finalmente, seleccionar o reservatório de água ultrapura durante 15 min, com comando manual do regulador de pressão para o sistema de descarga no fim da experiência.
12. Coloque o interruptor de reservatório para auto, e iniciar a experiência.
13. Depois de completa, sistema de desligar e remover as membranas de células de fluxo.
14. Com uma seringa, tubo de entrada da bomba lave com água ultrapura.

Resultados

As células de fluxo de microfluidos foram desenhados usando um programa de CAD e impresso usando um fotopolímero multi-material de tridimensional (3-D) da impressora. Esta célula foi concebido em duas partes, de modo que as membranas podem ser facilmente inserido e removido do dispositivo (Figura 1). Cada parte foi de 1 cm de espessura, impressa a partir de um polímero duro, claro para a integridade estrutural, e os lados virados para a membrana foram revestidas com uma camada de 50 um muito fina de...

Discussão

Este protocolo descreve a concepção de um dispositivo de fluxo cruzado de microfluidos tridimensionalmente impresso para testes de nanofiltração e ultrafiltração membranas. Recentemente, demonstrámos o sucesso de uma variação deste protocolo com membrana de nanofiltração condicionado e incrustações com glicoesfingolípidos e lipopolissacarídeos e as diferenças de desempenho da membrana, com subsequente injecção de cultura bacteriana. ⁵ As aplicações futuras que empregam esta técnica poderi...

Materiais

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