Name: Dreidimensional gedruckt Mikrofluidik-Cross-Flow-System für Ultrafiltration / Nanofiltrationsmembran Performance Testing (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-02-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 19 s
Description: Erfahren Sie, wie Sie ein 3D-gedrucktes mikrofluidisches Cross-Flow-System für die Leistungsprüfung von Ultrafiltrations- und Nanofiltrationsmembranen entwerfen und betreiben. Diese kostengünstige Methode ermöglicht parallele Tests mehrerer Membranformulierungen unter kontrollierten Bedingungen.

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Die Autoren danken Stratasys (Rehovot, Israel) für dreidimensionale Drucken des Gerätes. Wir sind dankbar, dass Microdyne-Nadir (Deutschland) für die Membranproben. Diese Forschung wurde von der Israel Science Foundation (Grants 1474-1413) zu CJA unterstützt

1. Aufbau und Herstellung der Mikrofluid-Testsystem <ol><li> Entwerfen Mikrofluidik-Vorrichtung in zwei getrennten Teilen: einem Oberteil und Unterteil (Abbildung 1) in einem CAD-Programm. </li><li> Starten Sie das Unterteil zu machen, indem Sie das Rechteck-Werkzeug ein 40 mm mal 60 mm Rechteck zu zeichnen. </li><li> An einer Ecke mit dem Kreis-Tool erstellen 6,2 mm Durchmesser-Kreis 10 mm von den Rändern zentriert. Mit der linearen Muster Werkzeug, um die Löcher für die Rechteck mit 20 mm Abstand für insgesamt 6 Löcher replizieren. </li><li> Mit dem Filet Werkzeug, um die Rechtecke mit einem Radius von 1 mm abrunden. </li><li> Extrudieren Sie das Teil 10 mm mit dem Extrusionswerkzeug. </li><li> In der Mitte der Oberseite, mit dem Rechteck-Werkzeug ein Rechteck von 30 mm x 1 mm erstellen und mit dem Extrudieren Schnittwerkzeug geschnitten 0,2 mm für den Strömungskanal. </li><li> Mit dem Kreis-Werkzeug machen einen 1 mm Durchmesser-Kreis am Ende des Strömungskanals. Dann mit dem Linienwerkzeug ein Pfad konstruieren, den Kreis zum nächstgelegenen Anschluss40 mm x 10 mm Fläche, darunter ein 4 mm Radius mit dem Filet Werkzeug gemacht. Machen Sie einen Schnitt auf diesem Weg mit dem durchlaufenden Schnittwerkzeug. </li><li> Mit dem Kreis-Werkzeug ein 3,9 mm Durchmesser-Kreis in der Mitte des Strömungswegs erstellen und schneiden 8 mm mit dem Extrudieren Schnittwerkzeug für Armaturen zu ermöglichen. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 1.7 und 1.8 für die gegenüberliegende Seite des Strömungskanals. </li><li> Mit dem oberen Teil wiederholen Sie die Schritte 1,2-1,5. Dann in der Mitte der Oberseite ein Permeat-Kanal zu erstellen Sie das Rechteck-Werkzeug ein Rechteck von 30 mm x 1 mm zu erstellen und schneiden 0,5 mm das Extrudieren-Schnitt-Tool. </li><li> Verwenden Sie die Kreis-Werkzeug, um eine 1 mm Kreis machen im Permeat Kanal 5 mm von einem Ende zentriert. Mit dem Linienwerkzeug ein Weg verbindet den Kreis zu einer der 1 cm mal 6 cm Gesichter, darunter ein 4 mm Radius konstruieren mit dem Filet Werkzeug gemacht. Machen Sie einen Schnitt entlang der Bahn mit dem durchlaufenden Schnittwerkzeug. </li><li> Mit dem Kreis-Werkzeug schaffen zusätzliche 3,9 mm Durchmesser-Kreis mit seinem Mittelpunkt auf dem Weg Permeat und schneiden 8 mm mit dem ExTrude schneiden Werkzeug. </li><li> Auf die Teile 40 mm Kanten oben, mit dem Rechteck-Werkzeug, erstellen Sie Rechtecke 40 mm um 5 mm Zugabe von 4 mm Radien mit dem Filet-Tool. Verwenden Sie das Extrusionswerkzeug zu extrudieren 3 mm nach unten für Griffe. </li><li> Druckteile mit einer Multimaterialphotopolymer 3-D-Drucker ein hartes transparentes Polymer verwenden, einschließlich 0,05 mm Überziehen mit einem weichen gummiartigen Polymer auf der Fläche jedes Teil, das den Kanal enthält. Verwenden Herstellerstandardprotokoll, Kalibrierung und Einstellungen. </li><li> Tippen Gewinde (M5) in Futtermitteln, Retentat und Öffnungen durchdringen. Verwenden Klempner Band 1/8 &quot;-Anschlüsse zum Futter und Retentat und 1/16&quot; Armaturen in das Permeat zu verbinden. </li><li> Verbinden mikrofluidischen Systemen zu pumpen, Ventile, Drucksensoren und Druckregelgerät mit 1/8 &quot;Schlauch (Abbildung 2). </li><li> Verbinden 0,45 um Filter Rohre zum Einlass. </li><li> Entlastung durchdringen zu Durchflussmesser und Becher aus Guthaben bei 1/16 &quot;Schlauch. </li><li&gt; Anhängen kontinuierliche Drehung Servoregler mit Schrauben und Normservo bis 3-Wege-Ventil mit Bindedraht zu Gegendruck. </li><li> Schließen Sie Servos und Stromversorgung Servo Schild. </li><li> Verbinden Druckwandler, Schalter und Servo Schild an den Mikrocontroller. </li><li> Verbinden Mikrocontroller, Bilanzen, Durchflussmesser und Pumpe an einen PC zur Datenerfassung und Systemsteuerung. </li><li> Konfigurieren Salden Daten an ihre serielle Schnittstelle zu drucken. </li></ol> 2. Bereiten Membranen zu test <ol><li> Schneiden Membranen 40 mm x 8 mm. </li><li> Tränken Membranen in ultrareinem Wasser (3 x 10 min) unter Beschallung. </li><li> Dann genießen Sie die Membranen in 50/50 Reinstwasser / Ethanol 1 Stunde. </li><li> Spülen Sie die Membranen mit ultrareinem Wasser und lagern in ultrareinem Wasser bei 4 ° C. 8 </li></ol> 3. Bereiten Sie Lösungen, um mit Nanofiltrationsmembranen getestet <ol><li> In 500 ml hochreines Wasser zu einem Erlenmeyerkolben. Dann fügen 0,04 g BSA eind 0,29 g NaCl. </li><li> In 500 ml hochreinem Wasser in eine separate Erlenmeyerkolben. Dann fügen Sie 0,6 g MgSO 4. </li><li> In 500 ml hochreinem Wasser mit einem dritten Erlenmeyerkolben. Dann 0,29 g NaCl hinzu. </li><li> Legen Rührstäbe in jedem Kolben und Ort Flaschen auf rühren Platten. Mischen für 5 Minuten bei 500 Umdrehungen pro Minute. </li></ol> 4. Führen Sie eine Nanofiltration Fouling Experiment Hinweis: Führen Sie das Experiment bei RT (ca. 24 ° C). Zuerst das System so konfigurieren, um ein einzelnes Messmembran durch Schließen von Ventilen Zellen fließen nicht in die Durchflussmesser verbunden. <ol><li> Ein Pumpeneinlaßrohr in das Reservoir Reinstwasser Einsatz und dem anderen Einlaßrohr in die MgSO 4 -Lösung (Abbildung 2). </li><li> Verwenden Sie eine Spritze Wasser und MgSO 4 Lösung durch das Rohr zu ziehen, um alle Luftblasen in dem System zu entfernen. </li><li> Legen Sie eine Nanofiltrationsmembran auf dem unteren Teil der Durchflusszelle, mit deraktive Seite in Richtung der Zufuhrkanal, und auf den oberen Teil der Durchflusszelle. </li><li> Befestigen Muttern von Hand anziehen und dann gleichmäßig mit einem Schraubenschlüssel, um ein Auslaufen zu minimieren. </li><li> Wählen Sie das Reinstwasser mit dem Reservoir Wahlschalter. </li><li> Stellen Pumpenleistung bis 2 ml / min und die Pumpe starten. </li><li> Passen Druckregler bis 4 bar. </li><li> Stellen experimentellen Parameter Reservoirs mit dem Wasserreservoir Start alle 45 Minuten zu wechseln. </li><li> Stellen Sie Speicherschalter auf Auto, und starten Experiment. </li><li> Bei 60 min sammeln MgSO4 Permeat in einem Rohr der nächsten 30 min. </li><li> Bei 91 min ersetzen MgSO 4 Kolben mit Kolben, der die Lösung von BSA und NaCl enthält. </li><li> Schnell Pumpe stoppen und eine Spritze verwenden BSA-Lösung durch das Einlassrohr zu ziehen MgSO4 Überbleibsel in Rohr zu entfernen. Dann Pumpe wieder starten. </li><li> Bei 150 min sammeln BSA in einem Rohr der nächsten 30 min durchdringen. </li><li> Nach 225 Minuten, das System herunterfahren und Nano entfernen<html> Filtrationsmembran aus der Durchflusszelle. </li><li> Unter Verwendung einer Spritze, spülen Testlösung Einlassrohr mit hochreinem Wasser. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 4,1-4,15 für jede weitere Membran getestet. </li><li> Für NaCl nur Tests, wiederholen Sie die Schritte 4,1-4,10 und 4,14-4,16 MgSO 4 Lösung mit NaCl-Lösung ersetzt und das Experiment nach 90 Minuten anstelle von 225 Minuten beendet. </li></ol> 5. Berechnen Salzrückhaltung von Nanofiltrationsmembranen <ol><li> Spülen Elektroden des Potentiostaten Testzelle mit Reinstwasser. </li><li> Mit einer Pipette, Kaution 5 ul MgSO 4 Lösung auf die Testzelle Elektroden. </li><li> Nehmen Widerstand der Lösung. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 5,1-5,3 vier weitere Male und berechnen den Mittelwert. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 5.1-5.4 für die NaCl und BSA / NaCl-Lösungen sowie jeweils Permeatlösung gesammelt. </li><li> Berechnen Salzrückhaltung mit Gleichung 1: 6eq1.jpg &quot;/&gt; wobei Ω s ist der Widerstand der Testlösung und Ω p ist der Widerstand des Permeats. Der Widerstand ist umgekehrt proportional zur Leitfähigkeit einer Lösung, die Salzkonzentration direkt korreliert. </li></ol> 6. Lösung Bereiten Sie sich mit Ultrafiltrationsmembranen getestet <ol><li> In 1 l Reinstwasser zu einem 4-Liter-Becher. Dann 0,32 g BSA hinzu. </li><li> Legen Rührstab in Becher und auf einer Rührplatte. Mischen für 5 Minuten bei 500 Umdrehungen pro Minute. </li><li> Fügen Sie weitere 3 l Reinstwasser Becherglas und wieder mischen für 5 Minuten bei 500 Umdrehungen pro Minute. </li></ol> 7. Führen Sie eine Ultrafiltration Fouling Experiment Hinweis: Führen Sie ein Experiment, bei RT (ca. 24 ° C). Konfigurieren Sie zunächst das System vier Membranen parallel zu messen, indem alle Ventile öffnen Zellen zu fließen. <ol><li> Legen Sie eine Pumpeneinlassrohr in das ultrareine Wasser-Reservoir und andere Einlassrohr in the BSA-Lösung (Abbildung 2). </li><li> Verwenden Sie eine Spritze mit dem Wasser und der BSA-Lösung durch den Schlauch zu ziehen, um alle Luftblasen in dem System zu entfernen. </li><li> Legen Ultrafiltrationsmembranen auf dem unteren Teil der Durchflusszellen, die mit den aktiven Seiten in Richtung der Zufuhrkanäle und die Zellen mit den oberen Hälften der mikrofluidischen Vorrichtung schließen. </li><li> Befestigen Muttern von Hand anziehen, dann gleichmäßig mit einem Schraubenschlüssel. Ungeeignetes Anziehen kann zu Wasserschäden führen. </li><li> Wählen Reinstwasser mit Speicherschalter. </li><li> Stellen Pumpenleistung bis 8 ml / min und die Pumpe starten. </li><li> Passen Druckregler auf 0,4 bar. </li><li> Überwachen Flusswerte von Membranen mit Datenerfassungssoftware dem Protokoll des Herstellers entsprechend. </li><li> Passen Druckregler bis mittlere Fluss ist 200 LMH ± 10%. </li><li> Ersetzen einzelnen Membran wenn Fluss nicht 200 LMH ± 20% ist. </li><li> Geben Sie experimentellen Laufparameter. Wählen Sie zunächst die Reinstwasser Reservoir für 60 Minuten mit einem konstanten Strom von 200 ± 20 LMH. Wählen Sie dann die BSA Reservoir für 420 min mit manueller Steuerung des Druckreglers. Wählen Sie schließlich das ultrareine Wasser-Reservoir für 15 Minuten mit manueller Steuerung des Druckreglers mit dem Spülsystem am Ende des Experiments. </li><li> Stellen Sie Speicherschalter auf Auto, und starten Experiment. </li><li> Nach dem Hochlauf der Fertigstellung herunter System herunter und entfernen Membranen von Durchflusszellen. </li><li> Mit einer Spritze, bündig Pumpeneinlassrohr mit hochreinem Wasser. </li></ol>

<ol><li>Guo, W., Ngo, H. -H., Li, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+mini-review+on+membrane+fouling%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresource+technol%22%5BJournal%5D)">A mini-review on membrane fouling.</a> Bioresource technol. 122, 27-34 (2012).</li>
<li>Fane, A. G., Fell, C. J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+review+of+fouling+and+fouling+control+in+ultrafiltration%5BTitle%5D)+AND+%22Desalination%22%5BJournal%5D)">A review of fouling and fouling control in ultrafiltration.</a> Desalination. 62, 117-136 (1987).</li>
<li>Tang, C. Y., Chong, T. H., Fane, A. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Colloidal+interactions+and+fouling+of+NF+and+RO+membranes%3A+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+colloid+interfac%22%5BJournal%5D)">Colloidal interactions and fouling of NF and RO membranes: a review.</a> Adv. colloid interfac. 164 (1-2), 126-143 (2011).</li>
<li>De Jong, J., Lammertink, R. G. H., Wessling, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Membranes+and+microfluidics%3A+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+chip%22%5BJournal%5D)">Membranes and microfluidics: a review.</a> Lab on a chip. 6 (9), 1125-1139 (2006).</li>
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<li>Nabe, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+modification+of+polysulfone+ultrafiltration+membranes+and+fouling+by+BSA+solutions%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Membr.+Sci%22%5BJournal%5D)">Surface modification of polysulfone ultrafiltration membranes and fouling by BSA solutions.</a> J. Membr. Sci. 133 (1), 57-72 (1997).</li>
<li>Ang, W., Elimelech, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Protein+%28BSA%29+fouling+of+reverse+osmosis+membranes%3A+Implications+for+wastewater+reclamation%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Membr.+Sci%22%5BJournal%5D)">Protein (BSA) fouling of reverse osmosis membranes: Implications for wastewater reclamation.</a> J. Membr. Sci. 296 (1-2), 83-92 (2007).</li>
<li>Bernstein, R., Belfer, S., Freger, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+modification+of+dense+membranes+using+radical+graft+polymerization+enhanced+by+monomer+filtration%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Surface modification of dense membranes using radical graft polymerization enhanced by monomer filtration.</a> Langmuir. 26 (14), 12358-12365 (2010).</li>
<li>Kaufman, Y., Kasher, R., Lammertink, R. G. H., Freger, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfluidic+NF%2FRO+separation%3A+Cell+design%2C+performance+and+application%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Membr.+Sci%22%5BJournal%5D)">Microfluidic NF/RO separation: Cell design, performance and application.</a> J. Membr. Sci. 396, 67-73 (2012).</li>
<li>Kaufman, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Towards+supported+bolaamphiphile+membranes+for+water+filtration%3A+Roles+of+lipid+and+substrate%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Membr.+Sci%22%5BJournal%5D)">Towards supported bolaamphiphile membranes for water filtration: Roles of lipid and substrate.</a> J. Membr. Sci. 457, 50-61 (2014).</li>
</ol>

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Dieses Protokoll beschreibt die Konstruktion eines dreidimensional gedruckten Mikrofluidquerstrom-Vorrichtung zum Testen von Nanofiltration und Ultrafiltrationsmembranen. Vor kurzem haben wir den Erfolg einer Variante dieses Protokolls mit Nanofiltrationsmembran Anlage und Bewuchs mit Glycosphingolipide und Lipopolysaccharide und Membranleistungsunterschiede mit anschließender Bakterienkultur Injektion. 5 gezeigt Zukünftige Anwendungen dieser Technik verwendet werden könnte Membranleistung ändert sich mit ver...

<html> Membrantechnologie zur industriellen und anderen Prozessen verbunden ist, die Trennung von gelösten Stoffen aus einer Vorratslösung erfordert jedoch Membranverschmutzung ist ein Haupt ständige Herausforderung. 1 Common Beispiele, wo Membranfouling die Verwendung von Ultrafiltrationsmembranen für die Größe basierend Trennung von Abwasser tritt umfassen, 2 und Dünnschicht-Verbundmembranen für die Trennung von Ionen und größer gelöste Stoffe aus Brack- oder Meerwasser. 3 Kenn Hinweise auf Verschmutzung beinhalten eine Zunahme der Transmembrandruck und eine Abnahme im Fluß. Dies verringert die Produktivität der Membran und verkürzt ihre Lebensdauer durch chemische oder andere Reinigungsprotokolle. Daher ist Membranleistung ein guter Indikator Fouling zu bewerten und die Mechanismen und Wirkungen von Fouling, Biofouling und Biofilm-Bildung auf Membranen zu verstehen. Auch Leistungsbewertung ist wichtig bei der Gestaltung oder Änderung neuer Membranen. EFT &quot;&gt; Das Interesse an der Verwendung von Membranen in mikrofluidischen Vorrichtungen hat in den letzten zehn Jahren wächst. 4 Kürzlich untersuchten wir die Wirkung von mikrobiellen Komponenten Lipopolysaccharid und Glycosphingolipid auf die Oberfläche einer Nanofiltrationsmembran Verschmutzung und die anschließende Anfälligkeit der konditionierten Oberfläche mikrobiellen Befestigungs. 5 A mikrofluidischen Querstromvorrichtung wurde verwendet, um die Leistung von Nanofiltrationsmembranen zu bewerten. Dies erlaubt die Verwendung von speziellen nicht-kommerziellen Lipidkomponenten nur in geringen Mengen für Verschmutzung Membranoberfläche, da die Membranoberfläche, war klein. Das System Größe effizienten Einsatz von Membranmaterialien und geringen Mengen von Lösungen erlaubt. In diesem Protokoll beschreiben wir das Design und die Herstellung der mikrofluidischen Vorrichtung zur Membranleistungstests und erläutern den Einbau der Vorrichtung in einem Druckströmungssystem. Demonstration der Vorrichtung wird durch Testi gezeigtenng die Leistung von Ultrafiltrationsmembranen und Nanofiltrationsmembranen ein Modell Fouling Verwendung BSA. 6,7

<table><tbody><tr><td>BSA</td><td>SIGMA-ALDRICH</td><td>A6003</td><td></td></tr><tr><td>NaCl</td><td>DAEJUNG</td><td>7548-4100</td><td></td></tr><tr><td>MgSO4</td><td>EMSURE</td><td>1058861000</td><td></td></tr><tr><td>NF Membran</td><td>Filmtec</td><td>NF200</td><td></td></tr><tr><td>30 kDa UF Membran</td><td>MICRODYN NADIR</td><td>UH030</td><td></td></tr><tr><td>50 kDa UF Membran</td><td>MICRODYN NADIR</td><td>UH050</td><td></td></tr><tr><td>Druckmessumformer</td><td>Midas</td><td>43006711</td><td></td></tr><tr><td>Kugelhähne</td><td>AV-RF</td><td>Q91SA-PN6.4</td><td></td></tr><tr><td>3-Wege-Ventil</td><td>iLife Medical Devices</td><td>902.071</td><td></td></tr><tr><td>Druckregler</td><td>Swagelok</td><td>KCB1G0A2A5P20000</td><td></td></tr><tr><td>Durchflussmesser</td><td>Bronkhorst</td><td>L01-AGD-99-0-70S</td><td></td></tr><tr><td>Waagen</td><td>MRC</td><td>BBA-1200</td><td></td></tr><tr><td>Pumpe</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-00354-JI</td><td></td></tr><tr><td>1/8" Schlauch</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-06605-27</td><td></td></tr><tr><td>1/16" Schlauch</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-06407-41</td><td></td></tr><tr><td>1/16" Verschraubungen</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-30486-70</td><td></td></tr><tr><td>1/8" Verschraubungen</td><td>Kiowa</td><td>QSM-B-M5-3-20</td><td></td></tr><tr><td>Mikrocontroller</td><td>Adafruit</td><td>50</td><td>Arduino UNO R3</td></tr><tr><td>Servo mit kontinuierlicher Rotation</td><td>Adafruit</td><td>154</td><td></td></tr><tr><td>Standard Servo</td><td>Adafruit</td><td>1142</td><td></td></tr><tr><td>Netzteil</td><td>Adafruit</td><td>658</td><td></td></tr><tr><td>Servo Shield</td><td>SainSmart</td><td>20-011-905</td><td></td></tr><tr><td>Schalter</td><td>Ersatzteile Express</td><td>060-376</td><td></td></tr><tr><td>0,45 Mikron Filter</td><td>EMD Millipore</td><td>SLHV033RS</td><td></td></tr><tr><td>Potentiostat</td><td>Gamry</td><td>PCI4</td><td></td></tr><tr><td>Sonicator</td><td>MRC</td><td>DC-150H</td><td></td></tr><tr><td>Connex 3D Drucker</td><td>Stratasys</td><td>Objet Connex</td><td></td></tr><tr><td>Veroclear&nbsp;</td><td>Stratasys</td><td>RGD810&nbsp;</td><td>transparentes Polymer für den Druck von Durchflusszellen</td></tr><tr><td>Tangoblack-plus</td><td>Stratasys</td><td>FLX980</td><td>weiches gummiartiges Polymer für Dichtungsschichten auf Durchflusszellen</td></tr></tbody></table>

dreidimensional gedruckt mikrofluidik-cross-flow-system für ultrafiltration / nanofiltrationsmembran performance testing

Three-Dimensionally Printed Microfluidic Cross-flow System for Ultrafiltration/Nanofiltration Membrane Performance Testing

Minimierung und Management von Membranverschmutzung ist eine große Herausforderung in den unterschiedlichsten Industrieprozesse und andere Praktiken, die Membran-Technologie nutzen. die Verschmutzung Prozessverständnis könnte Optimierung und höhere Effizienz der Membran basierend Filtration führen. Hier zeigen wir die Konstruktion und Herstellung eines automatisierten dreidimensional (3-D) gedruckt mikrofluidischen Querstromfiltrationssystem, das bis zu 4 Membranen parallel testen kann. Die Mikrofluidik-Zellen wurden unter Verwendung von Multi-Material-Photopolymer 3-D Drucktechnik gedruckt, die ein transparentes hartes Polymer zur mikrofluidischen Zellkörper verwendet und eine dünne kautschukartige Polymerschicht eingebracht, die Leckagen im Betrieb verhindert. Die Leistung der Ultrafiltration (UF) und Nanofiltration (NF) Membranen wurden getestet und Membranfouling könnte mit einem Modell Fouling Rinderserumalbumin (BSA) beobachtet werden. Feed-Lösungen BSA enthielten, zeigten Fluss Rückgang der Membran. Dieses Protokoll kann erweiterned Fouling oder Biofouling mit vielen anderen organischen, anorganischen oder mikrobiellen haltigen Lösungen zu messen. Die mikrofluidische Konstruktion ist besonders vorteilhaft für Testmaterialien, die teuer sind und nur in geringen Mengen, beispielsweise Polysaccharide, Proteine, Lipide oder aufgrund der kleinen Fläche der Membran getestet. Dieses modulare System auch für Hochdurchsatz-Untersuchung von Membranen leicht erweitert werden kann.

Verwendung einer Multi-Material-Photopolymer dreidimensionale (3-D) Drucker der mikrofluidischen Durchflusszellen wurden mit einem CAD-Programm entworfen und gedruckt. Diese Zelle wurde in zwei Teilen ausgebildet, so dass Membranen leicht eingesetzt und aus der Vorrichtung (1) entfernt werden konnte. Jeder Teil war 1 cm dick, gedruckt von einem harten, klaren Polymer für die strukturelle Integrität und die Seiten der Membran zugewandten wurden mit einer sehr dünnen 50 um Schicht von gummiartigen Polymer...

Konstruktion und Herstellung eines dreidimensional (3-D) gedruckt mikrofluidischen Querstromfiltrationssystem wird demonstriert. Das System wird verwendet, Leistung zu testen und Verschmutzung der Ultrafiltration und Nanofiltration (thin film composite) Membranen beobachten.

Dreidimensional gedruckt Mikrofluidik-Cross-Flow-System für Ultrafiltration / Nanofiltrationsmembran Performance Testing

Minimization and management of membrane fouling is a formidable challenge in diverse industrial processes and other practices that utilize membrane ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die Konstruktion und den Betrieb einer 3D-gedruckten mikrofluidischen Cross-Flow-Zelle zur Untersuchung der Leistung und Neigung zur Verunreinigung von Polymermembranen zu demonstrieren. Diese Methode kann Forschern auf dem Membranbereich helfen, die Membranleistung und die Neigung zur Verunreinigung mithilfe von Mikrofluidik bei erhöhten Drücken und gut definierten Strömungsbedingungen mit minimalen Kosten zu untersuchen. Zu den Vorteilen dieser kleinen Versuchsanordnung zählt die Möglichkeit, Trennungen geringer Mengen von hochpreisigen Materialien durchzuführen, Membranuntersuchungen durchzuführen, die kostspielige Reagenzien erfordern, sowie mehrere neue Membranformulierungen oder -modifikationen parallel zu testen.Beginnen Sie mit der Konstruktion der mikrofluidischen Vorrichtung in zwei separaten Teilen mithilfe eines computergestützten Zeichenprogramms. Verwenden Sie zum Erstellen der unteren Schicht das Rechteck-Werkzeug, um ein Rechteck mit 40 Millimeter mal 60 Millimeter zu zeichnen. Nutzen Sie an einer Ecke des Rechtecks das Kreis-Werkzeug, um einen Kreis mit einem Durchmesser von 6,2 Millimetern zu erstellen.Zentrieren Sie diesen Kreis 10 Millimeter vom linken Rand und 10 Millimeter vom unteren Rand. Verwenden Sie anschließend das lineare Mustertool, um die Löcher mit einem Abstand von 20 Millimetern über das Rechteck zu vervielfältigen, insgesamt sechs Löcher. Verwenden Sie danach das Abrundungswerkzeug, um die Rechtecke mit einem Radius von einem Millimeter abzurunden.Extrudieren Sie anschließend das Teil um 10 Millimeter mithilfe des Extrusionswerkzeugs. Erstellen Sie in der Mitte der oberen Fläche mit dem Rechteckwerkzeug ein Rechteck mit einer Größe von 30 Millimeter mal einem Millimeter. Anschließend verwenden Sie das Extrusions-Schnittwerkzeug, um einen 0,2 Millimeter tiefen Kanal in die Oberfläche einzuschneiden.Verwenden Sie anschließend das Kreis-Werkzeug, um einen Kreis mit einem Durchmesser von einem Millimeter am Ende des Strömungskanals zu erstellen. Nutzen Sie dann das Linien-Werkzeug, um einen Pfad zu zeichnen, der den Kreis mit der nächstgelegenen 40 Millimeter mal 10 Millimeter großen Fläche verbindet, wobei ein Radius von vier Millimetern mithilfe des Abrundungs-Werkzeugs eingefügt wird. Führen Sie mit dem Auszugsschnitt-Werkzeug einen Schnitt entlang dieses Pfads durch.Nächster Schritt: Wechseln Sie zur rechten Ebenenansicht und verwenden Sie das Kreiswerkzeug, um einen Kreis mit einem Durchmesser von 3,9 Millimetern in der Mitte des Strömungswegs zu erstellen. Verwenden Sie anschließend das Extrusions-Schnittwerkzeug, um acht Millimeter nach unten abzutragen, um Platz für Anschlüsse zu schaffen. Wiederholen Sie denselben Vorgang auf der anderen Seite des rechteckigen Kanals, um ein gespiegeltes Abbild zu erzeugen.Um die obere Schicht des mikrofluidischen Prüfsystems zu entwerfen, erstellen Sie zunächst ein Rechteck mit sechs Schraublöchern, das die gleichen Abmessungen wie die untere Schicht aufweist. Erzeugen Sie anschließend in der Mitte der oberen Fläche einen 30 Millimeter mal ein Millimeter mal 0,5 Millimeter großen Permeatkanal, indem Sie mit dem Rechteckwerkzeug zunächst ein 30 Millimeter mal ein Millimeter großes Rechteck erstellen. Danach schneiden Sie mithilfe des Extrusions-Schnittwerkzeugs das Rechteck um 0,5 Millimeter in die obere Oberfläche ein.Verwenden Sie nun das Kreis-Werkzeug, um einen ein Millimeter durchmessenden Kreis zu erstellen, der in der Mitte des Permeatkanals liegt und fünf Millimeter von einem Ende des Kanals entfernt ist. Verwenden Sie anschließend wie zuvor die Linien- und Abrundungswerkzeuge, um einen Pfad zu konstruieren, der einen Bogen mit vier Millimeter Radius enthält, um den Kreis mit einer der ein Zentimeter mal sechs Zentimeter großen Flächen des Rechtecks zu verbinden. Nutzen Sie das Auszugsschnitt-Werkzeug, um entlang des Pfads zu schneiden und einen Kanal zu erzeugen.Verwenden Sie anschließend das Kreis-Werkzeug, um einen zusätzlichen Kreis mit einem Durchmesser von 3,9 Millimetern zu erstellen, dessen Mittelpunkt auf dem Permeatkanal liegt. Nutzen Sie dann das Extrusions-Schnitt-Werkzeug, um den Kreis acht Millimeter tief in die Oberfläche einzuschneiden. An den oberen 40-Millimeter-Kanten des Bauteils erstellen Sie mit dem Rechteck-Werkzeug Rechtecke von 40 Millimetern Länge und fünf Millimetern Breite und fügen mit dem Abrundungs-Werkzeug einen Radius von vier Millimetern hinzu.Verwenden Sie das Extrusionswerkzeug, um die Griffe um drei Millimeter nach unten zu extrudieren. Drucken Sie abschließend die oberen und unteren Teile mit einem Mehrmaterial-Photopolymer-3D-Drucker unter Verwendung eines harten, transparenten Polymers. Tragen Sie gemäß der Herstelleranleitung auf die Fläche jedes Bauteils, die den Kanal enthält, eine 0,05 Millimeter dicke Überzugsschicht aus einem weichen, gummiartigen Polymer auf.Stellen Sie zunächst die Mikrofluidik ein, einschließlich der Pumpe, der Ventile, des Drucktransducers, der Servos, des Durchflussmessgeräts, der Regler und des Mikrocontrollers, wie in dem begleitenden textbasierten Protokoll beschrieben. Konfigurieren Sie anschließend das System zur parallelen Messung von vier Membranen, indem Sie alle Ventile zu den Durchflusszellen öffnen. Stecken Sie ein Pumpeneinlassrohr in das Reservoir mit ultrareinem Wasser und das andere Einlassrohr in ein Reservoir, das eine BSA-Lösung mit 0,08 Gramm pro Liter enthält.Unter Verwendung einer Spritze das Tubing entlüften, um alle Luftblasen aus dem System zu entfernen. Anschließend die Ultrafiltrationsmembranen auf den unteren Teil der Flusszellen platzieren, sodass die aktive Seite der Membran zu den Zulaufkanälen zeigt. Danach die Zellen schließen und die Schrauben durch die Löcher im Gerät führen.Befestigen Sie die Muttern zunächst von Hand. Anschließend ziehen Sie sie mit einem Schraubenschlüssel gleichmäßig im Wechsel um das Gerät herum fest, um einen gleichmäßigen Druck auf die Kammer auszuüben. Überdrehen Sie keine Seite, da eine unsachgemäße Befestigung zu Wasserleckagen führen kann.Wählen Sie als Nächstes das ultrareine Wasser mithilfe des Reservoir-Schalters aus. Stellen Sie die Pumpenflussrate auf acht Milliliter pro Minute ein und starten Sie dann die Pumpe. Während die Pumpe läuft, stellen Sie den Druckregler auf 0,4 bar ein.Überwachen Sie die Durchflusswerte der Membranen mithilfe einer Datenerfassungssoftware und stellen Sie den Druckregler so ein, bis ein mittlerer Durchfluss zwischen 180 und 220 Litern pro Quadratmeter pro Stunde erreicht ist. Ersetzen Sie eine einzelne Membran vor Beginn des Experiments, falls sie nicht innerhalb von 20 Litern pro Quadratmeter pro Stunde an diesen Bereich herankommt. Wenn alles bereit ist, starten Sie den Versuchslauf, indem Sie zunächst 60 Minuten lang ultra-reines Wasser aus Behälter eins bei einem konstanten Durchfluss zwischen 180 und 220 Litern pro Quadratmeter pro Stunde verwenden.Danach BSA im Reservoir zwei für zusätzliche 420 Minuten unter manueller Steuerung des Druckreglers auswählen. Für die letzten 15 Minuten des Experiments ultra-reines Wasser im Reservoir eins auswählen, um das System zu spülen. Verwenden Sie während dieses Schritts die manuelle Steuerung des Druckreglers.Danach den Reservoir-Schalter auf „Auto“ stellen und das Experiment starten. Nach Abschluss des experimentellen Durchlaufs das System herunterfahren und die Membranen aus den Durchflusszellen entfernen. Anschließend das BSA-Zulaufrohr ausspülen, indem mit einer Spritze ultrareines Wasser hindurchgezogen wird.Um die Leistung der Nanofiltrationsmembranen hinsichtlich der Verunreinigung zu messen, wurde ein Durchflussmesser an die Leitung angeschlossen, um den Permeatfluss zu bestimmen, während verschiedene Lösungen durch das System geleitet wurden. Zunächst wurde das System 45 Minuten lang mit Wasser equilibriert, gefolgt von 45 Minuten mit 10 Millimolar Magnesiumsulfat. Anschließend wurde das System wieder auf reines Wasser umgestellt und weitere 45 Minuten betrieben, bis ein stabiler Fluss erreicht war, bevor 0,8 Gramm pro Liter BSA für 45 Minuten in das System eingespeist wurden.Schließlich wurde das System für die letzten 45 Minuten auf reines Wasser zurückgestellt. Die Abnahme des Flusses im Vergleich zum Fluss einer Kontrollmembran unter den Bedingungen von 10 Millimolar NaCl wies auf eine Membranverunreinigung aufgrund von BSA hin. Der hier gezeigte Graph veranschaulicht die Verunreinigung von Ultrafiltrationsmembranen.Der Fluss durch die 50-Kilodalton-Membranen ist in blau dargestellt. Und der Fluss durch die 30-Kilodalton-Membranen ist in rot dargestellt. Obwohl die 50-Kilodalton-Membran am Ende des Experiments einen höheren normalisierten Fluss aufwies, war der Unterschied nicht signifikant.Wir stellten fest, dass die Mehrmaterial-3D-Tintenstrahl-Photopolymerisationstechnologie entscheidend war, um eine robuste Flusszelle herzustellen, die eine gedruckte gummiartige Dichtungsschicht enthielt, die für die Abdichtung der Flusszelle und zur Vermeidung von Leckagen unerlässlich war. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie Ihre eigene benutzerdefinierte, 3D-gedruckte mikrofluidische Cross-Flow-Zelle für Anwendungen in der Ultrafiltration oder Nanofiltration von Membranen entwerfen und betreiben können.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Bioengineering

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