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

El objetivo general de este procedimiento es demostrar el diseño y el funcionamiento de una celda de flujo cruzado microfluídica impresa en 3D con el fin de probar el rendimiento y la propensión al ensuciamiento de las membranas poliméricas. Este método puede ayudar a los investigadores en el campo de las membranas a estudiar el rendimiento de la membrana y la propensión al ensuciamiento utilizando microfluídica a presiones elevadas y condiciones de flujo bien definidas con costos mínimos. Las ventajas de esta configuración a pequeña escala incluyen la capacidad de realizar separaciones de pequeñas cantidades de materiales de alto volumen, realizar estudios de membranas que requieren materiales de reagenciamiento costosos y probar múltiples formulaciones o modificaciones de membranas nuevas en paralelo.

Comience diseñando el dispositivo microfluídico en dos partes separadas utilizando un programa de dibujo asistido por computadora. Para hacer la capa inferior, usa la herramienta rectángulo para dibujar un rectángulo de 40 milímetros por 60 milímetros. En una esquina del rectángulo, usa la herramienta círculo para crear un círculo de 6,2 milímetros de diámetro.

Centra este círculo a 10 milímetros del borde izquierdo y a 10 milímetros del borde inferior. A continuación, utilice la herramienta de patrón lineal para replicar los agujeros en el rectángulo con un espaciado de 20 milímetros para un total de seis agujeros. A continuación, utilice la herramienta de empalme para redondear los rectángulos con un radio de un milímetro.

A continuación, extruya la pieza 10 milímetros con la herramienta de extrusión. En el centro de la cara superior, usa la herramienta rectángulo para crear un rectángulo de 30 milímetros por un milímetro. A continuación, utilice la herramienta de corte por extrusión para cortar un canal de 0,2 milímetros de profundidad en la superficie.

A continuación, use la herramienta de círculo para hacer un círculo de un milímetro de diámetro al final del canal de flujo. A continuación, utilice la herramienta de línea para construir un trazado que conecte el círculo con la cara más cercana de 40 milímetros por 10 milímetros, incluyendo un radio de cuatro milímetros hecho con la herramienta de empalme. Con la herramienta de corte de barrido, haga un corte a lo largo de este trazado.

A continuación, ve a la vista de plano derecho y utiliza la herramienta círculo para crear un círculo de 3,9 milímetros de diámetro en el centro de la ruta de flujo. A continuación, utilice la herramienta de corte por extrusión para cortar ocho milímetros con el fin de dejar espacio para los accesorios. Repita este mismo proceso en el otro lado del canal rectangular para crear una imagen reflejada.

Para diseñar la capa superior del sistema de prueba microfluídica, primero haga un rectángulo con seis orificios para tornillos que tengan las mismas dimensiones que la capa inferior. A continuación, en el centro de la cara superior, cree un canal de permeado de 30 milímetros por un milímetro por 0,5 milímetros utilizando la herramienta rectángulo para crear primero un rectángulo de 30 milímetros por un milímetro. Y luego, usando la herramienta de corte por extrusión, para cortar el rectángulo 0,5 milímetros en la superficie superior.

Ahora, usa la herramienta del círculo para hacer un círculo de un milímetro centrado en el canal de permeado, a cinco milímetros de un extremo del canal. A continuación, como antes, utilice las herramientas de línea y empalme para construir un trazado que incluya una banda de radio de cuatro milímetros para conectar el círculo con una de las caras de un centímetro por seis centímetros del rectángulo. Utilice la herramienta de corte de barrido para cortar a lo largo del trazado y crear un canal.

A continuación, utilice la herramienta círculo para crear un círculo adicional de 3,9 milímetros de diámetro con su centro en la ruta de permeado. Y use la herramienta de corte de extrusión para cortar el círculo ocho milímetros en la superficie. En los bordes superiores de 40 milímetros de la pieza, con la herramienta rectángulo, cree rectángulos de 40 milímetros por cinco milímetros, añadiendo un radio de cuatro milímetros con la herramienta de empalme.

Utilice la herramienta de extrusión para extruir tres milímetros hacia abajo para los controles. Por último, imprime las piezas superior e inferior con una impresora 3D de fotopolímero multimaterial, con un polímero duro y transparente. Incluya un recubrimiento de 0,05 milímetros con un polímero suave y gomoso en la cara de cada pieza que contiene el canal, de acuerdo con el protocolo del fabricante.

Para comenzar, configure la microfluídica, incluida la bomba, las válvulas, el transductor de presión, los servos, el medidor de flujo, los reguladores y el microcontrolador como se describe en el protocolo de texto adjunto. A continuación, configure el sistema para medir cuatro membranas en paralelo abriendo todas las válvulas a las celdas de flujo. Coloque un tubo de entrada de la bomba en el depósito de agua ultrapura y coloque el otro tubo de entrada en un depósito que contenga 0,08 gramos por litro de solución BSA.

Con una jeringa, cebe el tubo para eliminar todas las burbujas de aire del sistema. A continuación, coloque las membranas de ultrafiltración en la parte inferior de las celdas de flujo de modo que el lado activo de la membrana esté hacia los canales de alimentación. A continuación, cierre las celdas y pase los tornillos a través de los orificios del dispositivo.

Fije las tuercas a mano inicialmente. Luego, usando una llave para apretarlos alternando alrededor del dispositivo para que haya una presión uniforme sobre la cámara. No apriete demasiado ningún lado, ya que un apriete incorrecto puede provocar fugas de agua.

A continuación, seleccione el agua ultrapura usando el interruptor del depósito. Ajuste el caudal de la bomba a ocho mililitros por minuto y luego encienda la bomba. Con la bomba en marcha, ajuste el regulador de presión a 0,4 bar.

Monitoree los valores de flexión de las membranas mediante un software de adquisición de datos y ajuste el regulador de presión hasta lograr un flujo promedio de entre 180 y 220 litros por metro cuadrado por hora. Reemplace una membrana individual antes de ejecutar el experimento, si no puede acercarse a menos de 20 litros por metro cuadrado por hora de este rango. Cuando esté listo, configure el recorrido experimental seleccionando primero el agua ultrapura en el depósito uno durante 60 minutos con un flujo constante de entre 180 y 220 litros por metro cuadrado por hora.

A continuación, seleccione el BSA en el depósito dos, durante 420 minutos adicionales con control manual del regulador de presión. Seleccione el agua ultrapura en el depósito uno durante los últimos 15 minutos del experimento para enjuagar el sistema. Utilice el control manual del regulador de presión durante este paso.

A continuación, coloque el interruptor del depósito en automático e inicie el experimento. Una vez finalizada la ejecución experimental, apague el sistema y retire las membranas de las celdas de flujo. Luego, enjuague el tubo de entrada BSA aspirando agua ultrapura a través de él con una jeringa.

Para medir el rendimiento en el ensuciamiento de las membranas de nanofiltración, se conectó un medidor de flujo a la línea para medir el flujo de permeado a medida que fluían varias soluciones a través del sistema. Primero, el sistema se equilibró con agua durante 45 minutos, seguido de 45 minutos de sulfato de magnesio de 10 milimolares. A continuación, el sistema se devolvió a agua pura durante 45 minutos adicionales hasta que se alcanzó un flujo estable antes de que se introdujeran 0,8 gramos por litro de BSA en el sistema durante 45 minutos.

Finalmente, el sistema volvió a ser de agua pura durante los últimos 45 minutos. La disminución del flujo, en comparación con el flujo de una membrana de control en condiciones de NaCl de 10 milimolares, indicó ensuciamiento de la membrana debido a BSA. El gráfico que se muestra aquí muestra el ensuciamiento de las membranas de ultrafiltración.

El flujo a través de las membranas de 50 kilodalton se muestra en azul. Y el flujo a través de las membranas de 30 kilodalton se muestra en rojo. Si bien la membrana de 50 kilodalton tenía un flujo normalizado más alto al final del experimento, la diferencia no fue significativa.

Descubrimos que la tecnología de base de fotopolimerización de inyección de tinta 3D multimaterial era esencial para producir una celda de flujo que fuera robusta e incluyera una capa de junta impresa similar al caucho, que era crucial para sellar la celda de flujo y evitar fugas. Después de ver este video, debe tener una buena comprensión de cómo diseñar y operar su propia celda de flujo cruzado microfluídica impresa en 3D personalizada para aplicaciones de membranas de ultrafiltración o nanofiltración.