Ultrafiltrasyon / Nanofiltrasyon Membran Performans Testleri için üç boyutlu Baskılı mikroakışkan Çapraz akış Sistemi

Özet

Tasarım ve bir üç boyutlu (3-D) fabrikasyonu basılı mikroakışkan çapraz akışlı süzme sistemi gösterilmektedir. sistem performansını test etmek ve ultrafiltrasyon ve nanofiltrasyon (ince film kompozit) zarlarının kirlenmesinin gözlemlemek için kullanılır.

Özet

En aza indirilmesi ve membran kirlenme yönetimi çeşitli endüstriyel prosesler ve membran teknolojisini kullanan diğer uygulamaları zorlu bir mücadeledir. kirlenme süreci anlamak optimizasyon ve membran bazlı filtrasyon yüksek verimlilik yol açabilir. Burada paralel olarak 4 zarların kadar test edebilirsiniz otomatik üç boyutlu (3-D) baskılı mikroakışkan çapraz akışlı filtrasyon sisteminin tasarımını ve imalat göstermektedir. Mikroakışkan hücreler mikroakışkan hücre vücut için şeffaf sert polimer kullanılan ve operasyon sırasında sızıntılarını önleyen ince bir kauçuk-benzeri polimer tabaka, dahil çoklu malzeme fotopolimer 3-D baskı teknolojisi kullanılarak basılmıştır. ultrafiltrasyon performansı (UF) ve nanofiltrasyon (NF) zarlar test edilmiş ve membran kirlenme modeli tıkayıcı sığır serum albümini (BSA) ile gözlenebilir. BSA içeren Besleme solüsyonları membran akışı düşüş gösterdi. Bu protokol uzanabilirEd diğer organik, organik olmayan veya mikrobik ihtiva eden çözeltiler ile kirlenme ya biyokirliliklerin ölçülür. mikroakışkan tasarımı test edilen nedeniyle membran küçük yüzey alanına, örneğin polisakkaritler, proteinler ya da lipidler için, yüksek maliyetli ve az miktarlarda kullanılabilir olan test malzemeleri için özellikle avantajlıdır. Bu modüler sistem de kolayca membran yüksek verimlilik testleri için genişletilebilir.

Giriş

Membran teknolojisi yığın solüsyonundan eriyiklerin ayrılmasını gerektiren endüstriyel ve diğer işlemler için tamamlayıcı, ancak membran kirlenme büyük bir çabalar sürmektedir. Diyafram birikimi atık boyutu göre ayrılması için ultrafiltrasyon membranları kullanımını içerir oluşur ¹ yaygın örnekleri, acı ya da deniz suyundan iyonları ve daha büyük çözünen ayrılması için ² ve ince film kompozit diyaframlar. kirlilik ³ karakteristik işaretler transmembran basıncında artış ve akı bir düşüş vardır. Bu membranın verimliliğini azaltır ve bağlı kimyasal veya diğer temizlik protokollerine ömrünü kısaltır. Bu nedenle membran performansı kirlenme değerlendirmek ve mekanizmaları ve kirlenme, biyolojik kirliliğe ve membranlar üzerinde biyofilm etkilerini anlamak için iyi bir göstergedir. Ayrıca, performans değerlendirmesi, yeni membranların tasarım veya değişiklik önemlidir.

eft ">

Mikroakışkan cihazlarda membranların kullanımı Faiz son on yılda artan olmuştur. ⁴ Son zamanlarda, biz bir nanofiltrasyon membran yüzeyini kirlenme mikrobiyal bileşenler lipopolisakkarid etkisi ve glikosfıngolipid okudu ve mikrobiyal şartlandırıldık yüzeyin sonraki duyarlılık eki. ^{5 A} mikroakışkan çapraz akışlı cihaz nanofiltrasyon membran performansını değerlendirmek için kullanıldı. membran yüzey alanı küçük olduğundan bu zar yüzey kirlilik için küçük miktarlarda yalnızca özel ticari olmayan lipit bileşenlerinin kullanımını sağladı. Sistem boyutu membran malzeme ve çözümleri düşük hacimli etkin kullanımını sağladı. Bu protokol, biz zar performans testleri için mikroakışkan cihazın tasarım ve imalat tarif ve basınç akış sistemi içine cihazın katılmasını özetlemektedir. Cihazın Gösterme Testi ile gösterilmiştirBir örnek tıkanıklıkları tamamen açan, BSA kullanarak ultrafiltrasyon membranlar ve nanofiltrasyon membran performansı ng. ^6,7

Protokol

1. Tasarım ve mikroakışkan Test Sistemi Fabrikasyon

1. Bir üst kısmı ve bir CAD programında alt kısmında (Şekil 1): İki ayrı parçalar olarak mikroakışkan cihaz tasarlayın.
2. 60 mm dikdörtgen bir 40 mm çizmek için dikdörtgen aracını kullanarak alt kısmı yapmaya başlayın.
3. çember aracıyla bir köşesinde bir 6,2 mm çaplı daire kenarlarından 10 mm merkezli oluşturun. doğrusal model aracıyla 6 delik toplam 20 mm aralıkla dikdörtgen karşısında delikleri çoğaltmak.
4. köşe aracını kullanarak, 1 mm bir çapa sahip dikdörtgenler fileto.
5. a'ya aracıyla bölüm 10 mm a'ya.
6. Üst yüzün merkezinde, dikdörtgen aracı ile 1 mm ve a'ya kesme aracı ile bir dikdörtgen 30 mm oluşturmak akış kanalı için 0,2 mm kesti.
7. daire aracını kullanarak akış kanalının sonunda 1 mm çaplı daire yapmak. Sonra satırı aracı ile en yakın daireyi bağlayan bir yol inşafileto aracıyla yapılan 4 mm yarıçaplı dahil 10 mm yüz 40 mm. süpürüldü kesim aracı ile bu yolda bir kesim olun.
8. çember aracıyla akış yolunun merkezinde 3.9 mm çaplı daire oluşturmak ve bağlantı parçaları için izin a'ya kesme aracı ile 8 mm kesti.
9. Tekrarlayın 1.7 ve akış kanalı karşı tarafında 1.8 adımları.
10. üst kısmı tekrar ile 1.2-1.5 adımları tekrarlayın. Sonra üst yüzün ortasında bir dikdörtgen 1 mm 30 mm oluşturmak için dikdörtgen aracını kullanarak bir nüfuz kanal oluşturmak ve a'ya kesme aracını kullanarak 0,5 mm kesti.
11. Bir ucundan nüfuz kanal 5 mm merkezli bir 1 mm daire yapmak için daire aracını kullanın. satırı aracı ile fileto aracı ile yapılan 4 mm yarıçaplı olmak üzere 6 cm yüzleri, 1 cm birine daire bağlayan bir yol inşa. süpürüldü kesim aracı ile yol boyunca bir kesim olun.
12. çember aracıyla eski ile 8 mm nüfuz yolda merkezinde ek 3.9 mm çaplı daire oluşturmak ve kesmeTrude aracı kesti.
13. parça dikdörtgen aracı ile 40 mm kenarları, üst anda, fileto aracıyla 4 mm yarıçapları ekleyerek 5 mm dikdörtgenler 40 mm oluşturun. kolları için aşağı 3 mm a'ya a'ya aracını kullanın.
14. kanalı içeren her parçanın yüzünde yumuşak lastik polimer ile kaplama 0.05 mm olmak üzere sert şeffaf polimer kullanılarak bir çok malzeme fotopolimer 3-D yazıcı ile yazdırma parçaları. üreticinin standart protokol, kalibrasyon ve ayarları kullanın.
15. Dokunun ipler (M5) besleme, retentatında içine ve deliklerini nüfuz. permeat için parçaları "yem ve retentatına ve 1/16 için parçaları" 1/8 bağlamak için tesisatçı bandı kullanın.
16. 1/8 "boru (Şekil 2) ile mikroakışkan pompa cihazları, vanalar, basınç sensörü ve geri basınç regülatörü bağlayın.
17. tüpleri girişine 0.45 mikron filtre takın.
18. akış-ölçer ve beher dengeler üzerinde 1/16 "boru ile nüfuz Deşarj.
19. tie-telle 3-yollu vana vida ve standart servo regülatör backpressure sürekli rotasyon servo takın.
20. Servo kalkanına servolar ve güç kaynağını bağlayın.
21. mikrodenetleyiciye basınç dönüştürücü, anahtarlar ve servo kalkanı takın.
22. veri kaydı ve sistem kontrolü için bir bilgisayara mikro, dengeleri, akış ölçer ve pompa bağlayın.
23. seri bağlantı noktasına veri yazdırmak için dengeleri yapılandırın.

2. Test Edilecek Membranlar hazırlayın

1. x 8 mm 40 mm membranlar kesti.
2. sese tabi tutularak, aşırı saf su (3 x 10 dakika) membranlan bekletin.
3. Daha sonra 1 saat boyunca 50/50 ultra saf su / etanol içinde membranlar ıslatın.
4. 4 ° C'de ultra saf su içinde, aşırı saf su ve mağaza ile membranlar durulayın. ⁸

3. hazırlayın Çözümler Nanofiltrasyon Membranları ile test edilecek

1. Bir Erlenmeyer şişesine ultra saf su 500 ml ekleyin. Sonra BSA An 0.04 gNaCI D 0.29 g.
2. Ayrı bir Erlenmeyer şişesine ultra saf su 500 ml ekleyin. Daha sonra MgSO ₄ 0.6 g ekleyin.
3. Üçüncü bir Erlenmeyer şişesine ultra saf su 500 ml ekleyin. Daha sonra NaCI 0.29 g ekleyin.
4. Ekle heyecan plakalar üzerinde her şişesi ve yer şişeler içine barlar karıştırın. 500 rpm'de 5 dakika boyunca karıştırın.

4. Bir Nanofiltrasyon Kirlenme Experiment gerçekleştirin

Not: R, (yaklaşık 24 ° C) 'de deney yapın. İlk akış ölçere bağlı olmayan hücreleri akış vanaları kapatarak, tek bir zar ölçmek için sistemi yapılandırmak.

1. Ultra saf su deposu ve MgSO ₄ çözüm içine diğer giriş borusu (Şekil 2) içine bir pompa giriş hortumunu takın.
2. Sistemdeki tüm hava kabarcıklarını çıkarmak amacıyla boru yoluyla su ve MgSO ₄ çözüm çizmek için bir şırınga kullanın.
3. ile, akış hücresinin alt kısmında bir nanofiltrasyon membran eklemeakış hücresinin üst kısmında besleme kanalı ve yere doğru aktif tarafı.
4. elle fındık bağlayın ve kaçağı en aza indirecek şekilde daha sonra bir anahtar ile eşit sıkın.
5. rezervuar seçim anahtarı ile ultra saf su seçin.
6. 2 ml / dakika pompa akış hızını ayarlamak ve pompayı çalıştırın.
7. 4 bar basınç regülatörü ayarlayın.
8. Rezervuarlar su deposu ile başlayan her 45 dakikada bir geçiş deneysel parametreleri ayarlayın.
9. auto rezervuar anahtarını ayarlayın ve deney başlar.
10. 60 dk Sonraki 30 dakika bir tüp içinde MgSO ₄ süzüntünün toplanması.
11. 91 dakikada şişesi BSA ve NaCl çözeltisi içeren MgSO ₄ şişeyi değiştirin.
12. Hızla pompayı durdurun ve tüp MgSO ₄ leftover kaldırmak için giriş tüp aracılığıyla BSA çözüm çizmek için bir şırınga kullanın. Sonra tekrar pompayı başlatın.
13. 150 dakika BSA Sonraki 30 dakika boyunca bir tüp içinde nüfuz toplar.
14. 225 dakika sonra, sistemi kapatın ve nano kaldırmak akış hücresinden filtrasyon membran.
15. bir şırınga kullanılarak, ultra saf su ile test çözümü giriş borusunu çalkalayın.
16. Tekrarlayın test edilen her ek membranın için 4,1-4,15 adımları.
17. NaCI sadece testler için, tekrar 4.1-4.10 ve 4.14-4.16 NaCl çözeltisi ile MgSO ₄ çözüm değiştirilmesi ve 90 dakika yerine 225 dakika sonra deney sona adımları.

Nanofiltrasyon membran 5. Hesapla Tuz Reddi

1. ultra saf su ile potansiyostat test hücresinin elektrodları yıkayın.
2. Bir pipet, test hücresi elektrotları üzerine MgSO ₄ çözümün mevduat 5 ul.
3. çözümün rekor direnci.
4. Tekrarlayın 5,1-5,3 dört kez daha adımları ve ortalama değerini hesaplamak.
5. Yineleyin her çözüm toplanan nüfuz NaCl ve BSA / NaCl çözümleri için yanı sıra 5.1-5.4 adımları.
6. Denklem 1 ile bir tuz reddi hesaplayın:
   6eq1.jpg "/>
   burada Ω _s Test çözeltisinin direnci ve Ω _s sızmasının direncidir. direnci doğrudan tuz konsantrasyonuna karşı gelir, bir çözelti, iletkenliği ile ters orantılıdır.

6. Çözüm hazırlayın Ultrafiltrasyon Membranları ile test edilecek

1. 4 L'lik bir deney şişesine, aşırı saf su 1 ilave edin. Daha sonra BSA 0.32 g ekleyin.
2. bir heyecan plaka üzerinde beher ve yerine karıştırma çubuğu yerleştirin. 500 rpm'de 5 dakika boyunca karıştırın.
3. kapta 500 rpm'de 5 dakika için daha karıştırın ultra saf su ilave 3 ilave edin.

7. Bir Ultrafiltrasyon Kirlenme Deneyi gerçekleştirin

Not: R, (yaklaşık 24 ° C) bir deney yapın. İlk hücreleri akmaya tüm vanaları açarak paralel olarak 4 membranlar ölçmek için sistemi yapılandırmak.

1. th içine ultra saf su deposu ve diğer giriş tüpünün içine bir pompa giriş tüpü yerleştirine BSA çözeltisi (Şekil 2).
2. sistemdeki tüm hava kabarcıklarını çıkarmak amacıyla tüp aracılığıyla su ve BSA çözüm çizmek için bir şırınga kullanın.
3. besleme kanalları karşı aktif kenarları, akış hücreleri alt kısmına ultrafiltrasyon membranlar yerleştirin ve mikroakışkan cihazın üst yarısı hücreleri kapatın.
4. Sabitleyin fındık elle, daha sonra bir anahtar ile eşit sıkın. Yanlış sıkma su sızıntısı neden olabilir.
5. rezervuar anahtarı ile ultra saf su seçin.
6. 8 ml / dak pompa akış hızını ayarlamak ve pompayı çalıştırın.
7. 0.4 bar basınç regülatörü ayarlayın.
8. üreticinin protokolüne uygun olarak veri toplama yazılımı ile membran akı değerleri izleme.
9. Ortalama akı ± 10% 200 LMH kadar basınç regülatörü ayarlayın.
10. akı ±% 20 200 LMH değilse bireysel membran değiştirin.
11. Deneysel çalışma parametreleri girin. İlk ultra saf su rese seçin200 ± 20 LMH kadar sabit bir akımı ile 60 dakika süre ile rvoir. Sonra, basınç regülatörünün manuel kontrol ile 420 dakika boyunca BSA rezervuar seçin. Son olarak, deney sonunda yıkama sistemine basınç regülatörünün manuel kontrol, 15 dakika boyunca Ultra saf su haznesini seçin.
12. auto rezervuar anahtarını ayarlayın ve deney başlar.
13. Çalışma tamamlandıktan sonra, sistemi kapatmak ve akış hücreleri zarlarını çıkarın.
14. ultra saf su ile bir şırınga, floş pompa giriş borusu ile.

Sonuçlar

mikroakışkan akış hücreleri çok malzeme foto-polimeri üç boyutlu (3-D) yazıcı kullanarak bir CAD programı kullanılarak tasarlandı ve basıldı. Membranlar kolayca (Şekil 1) eklenen ve cihazdan çıkarılabilir böylece bu hücre, iki parça halinde tasarlanmıştır. Her bölüm, yapısal bütünlüğü için bir sert, açık bir polimerden basılmış 1 cm kalınlığında, ve membran bakan taraf kauçuk-benzeri polimer çok ince 50 um tabaka ile üstten kaplanmıştır. atma su sızınt?...

Tartışmalar

Bu protokol, nanofiltrasyon ve ultrafiltrasyon membranları test edilmesi için bir üç boyutlu baskılı mikroakışkan çapraz akışlı cihazın tasarımını tarif eder. Son zamanlarda, nanofiltrasyon membran klima ile bu protokolün bir varyasyon başarısını göstermiştir ve sonraki bakteri kültürü enjeksiyonu ile glikosfingolipidlerin ve lipopolisakkaridinin ve membran performans farklılıkları ile kirlenme var. Bu tekniği kullanan ⁵ Gelecekteki uygulamalar farklı foulantlar ile membran perf...

Malzemeler

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