Name: Sistema de flujo cruzado tridimensionalmente Impreso de microfluidos para la ultrafiltración / Pruebas de rendimiento membrana de nanofiltración (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-02-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 19 s
Description: Aprende a diseñar y operar un sistema microfluídico de flujo cruzado impreso en 3D para evaluar el rendimiento y ensuciamiento de membranas de ultrafiltración y nanofiltración. Este método permite realizar pruebas paralelas con costos mínimos.

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Los autores agradecen a Stratasys (Rehovot, Israel) para la impresión en tres dimensiones del dispositivo. Estamos muy agradecidos a Microdyne-Nadir (Alemania) para las muestras de membrana. Esta investigación fue apoyada por la Fundación de Ciencias de Israel (Grant 1474-1413) a CJA

1. Diseño y fabricación del Sistema de Prueba de microfluidos <ol><li> El diseño de dispositivos de microfluidos como dos partes separadas: una parte superior y la parte inferior (Figura 1) en un programa CAD. </li><li> Empieza a hacer la parte inferior utilizando la herramienta de rectángulo para dibujar unos 40 mm por 60 mm rectángulo. </li><li> En una esquina con la herramienta círculo crear un círculo de 6,2 mm de diámetro centrado 10 mm de los bordes. Con la herramienta de patrón lineal replicar los agujeros a través del rectángulo con 20 mm de separación para un total de 6 agujeros. </li><li> Con la herramienta filete filete los rectángulos con un radio de 1 mm. </li><li> Extruir la parte 10 mm con la herramienta de extrusión. </li><li> En el centro de la cara superior, con la herramienta rectángulo crear un rectángulo de 30 mm por 1 mm y con la herramienta de extrusión, corte, corte de 0,2 mm para el canal de flujo. </li><li> Uso de la herramienta de círculo hacer un círculo de diámetro 1 mm en el extremo del canal de flujo. Luego, con la herramienta de línea de construir un camino que conecta el círculo más próximo a la40 mm por mm de la cara 10, incluyendo un radio de 4 mm realizado con la herramienta de empalme. Hacer un corte a lo largo de este camino con la herramienta de corte de barrido. </li><li> Con la herramienta de círculo crear un círculo de diámetro 3,9 mm en el centro de la trayectoria de flujo y corte 8 mm con la herramienta de extrusión de corte para permitir accesorios. </li><li> Repetir los pasos 1.7 y 1.8 para el lado opuesto del canal de flujo. </li><li> Con la parte superior repita los pasos 1.2-1.5. A continuación, en el centro de la cara superior crear un canal de permeado usando la herramienta de rectángulo para crear un rectángulo de 30 mm x 1 mm y 0,5 mm cortado utilizando la herramienta de extrusión corte. </li><li> Utilice la herramienta de círculo para hacer un círculo 1 mm centrado en el permeado canal 5 mm desde un extremo. Con la herramienta de línea de construir una vía de conexión del círculo a uno de los 1 cm por 6 caras cm, incluyendo un radio de 4 mm hecha con la herramienta de empalme. Hacer un corte a lo largo de la ruta con la herramienta de corte de barrido. </li><li> Con la herramienta de círculo crear círculo adicional de diámetro 3,9 mm, con su centro en el camino de permeado y corte 8 mm con el extrude herramienta de corte. </li><li> En las partes superiores de 40 mm de los bordes, con la herramienta rectángulo, crear rectángulos de 40 mm por 5 mm de la adición de 4 mm radios con la herramienta de empalme. Utilice la herramienta de extrusión para la extrusión de 3 mm a la baja para las manijas. </li><li> piezas de impresión con un multi-material de fotopolímero impresora 3-D utilizando un polímero transparente duro, incluyendo 0,05 mm de recubrimiento con un polímero de caucho suave en la cara de cada parte que contiene el canal. Uso exclusivo del fabricante estándar de protocolo, calibración y ajustes. </li><li> roscas del grifo (M5) en alimentación, retenido y permeado orificios. Use cinta de plomero para conectar accesorios de 1/8 &quot;a la alimentación y retenido y 1/16&quot; accesorios para el permeado. </li><li> Conectar dispositivos de microfluidos para la bomba, válvulas, transductor de presión y válvula de alivio con 1/8 &quot;tubo (Figura 2). </li><li> Conectar 0,45 micras filtros para tubos de entrada. </li><li> Descarga de permeado a fluir metros y vasos de precipitados sobre los saldos con 1/16 &quot;tubo. </li><li&gt; Adjuntar servo rotación continua de contrapresión regulador con tornillos y servo estándar a la válvula de 3 vías con alambre de amarre. </li><li> Conectar los servos y la fuente de alimentación al escudo servo. </li><li> Conectar el transductor de presión, interruptores y el escudo servo para microcontrolador. </li><li> Conectar microcontrolador, saldos, caudalímetro y la bomba a un PC para registro de datos y control del sistema. </li><li> Configurar los saldos para imprimir los datos a su puerto serie. </li></ol> 2. preparar membranas a ensayar <ol><li> Cortar las membranas a 40 mm x 8 mm. </li><li> Remojar las membranas en agua ultrapura (3 x 10 min) con sonicación. </li><li> A continuación, empapar las membranas en 50/50 ultrapura agua / etanol durante 1 h. </li><li> Enjuague las membranas con agua ultrapura y almacenar en agua ultrapura a 4 ° C. 8 </li></ol> 3. Preparar soluciones de la prueba con membranas de nanofiltración <ol><li> Añadir 500 ml de agua ultrapura a un matraz Erlenmeyer. A continuación, añadir 0,04 g de BSA unad 0,29 g de NaCl. </li><li> Añadir 500 ml de agua ultrapura a un matraz Erlenmeyer separado. A continuación, añadir 0,6 g de MgSO4. </li><li> Añadir 500 ml de agua ultrapura a tercera matraz Erlenmeyer. A continuación, añadir 0,29 g de NaCl. </li><li> Insertar agitar barras en cada frasco y colocar los frascos en las placas de revolver. Mezclar durante 5 min a 500 rpm. </li></ol> 4. Llevar a cabo un experimento de nanofiltración ensuciamiento Nota: Realice el experimento a temperatura ambiente (aproximadamente 24 ° C). En primer lugar configurar el sistema para la medición de una sola membrana cerrando las válvulas a las células que no están conectados a la corriente fluya metros. <ol><li> Inserte tubo de entrada de una bomba en el depósito de agua ultrapura y el otro tubo de entrada en la solución de MgSO 4 (Figura 2). </li><li> Utilice una jeringa para extraer agua y solución de MgSO4 a través de tubos a fin de eliminar todas las burbujas de aire en el sistema. </li><li> Inserte una membrana de nanofiltración en la parte inferior de la celda de flujo, con elcara activa hacia el canal de alimentación, y colocar en la parte superior de la celda de flujo. </li><li> Fijar tuercas a mano y luego apriete de manera uniforme con una llave con el fin de minimizar las fugas. </li><li> Seleccionar el agua ultrapura con el selector de depósito. </li><li> Ajuste del caudal de la bomba a 2 ml / min y arrancar la bomba. </li><li> Ajuste el regulador de presión a 4 bar. </li><li> Establecer parámetros experimentales para cambiar reservorios cada 45 minutos a partir de la reserva de agua. </li><li> Ajuste el interruptor de depósito para automóviles, y comenzar el experimento. </li><li> A los 60 min recoger MgSO4 permeado en un tubo para el próximo 30 min. </li><li> En 91 min reemplazar MgSO 4 matraz con el frasco que contiene la solución de BSA y NaCl. </li><li> Detener rápidamente la bomba y utilizar una jeringa para extraer solución de BSA a través del tubo de entrada para eliminar MgSO4 sobrante en la tubería. A continuación, iniciar la bomba de nuevo. </li><li> A 150 min recoger BSA en un tubo de permeado para el próximo 30 min. </li><li> Después de 225 minutos, apagar el sistema y quitar nano<html> membrana de filtración de la celda de flujo. </li><li> Usando una jeringa, enjuagar tubo de entrada de la solución de ensayo con agua ultrapura. </li><li> Repita los pasos 4.1 a 4.15 por cada membrana adicional probado. </li><li> Por NaCl únicas pruebas, repita los pasos 4.1 a 4.10 y 4.14 a 4.16 reemplazar solución MgSO4 con solución de NaCl y terminando el experimento después de 90 minutos en lugar de 225 min. </li></ol> 5. Calcular el rechazo de sal de nanofiltración Membranas <ol><li> Enjuagar los electrodos de la celda de ensayo potenciostato con agua ultrapura. </li><li> Con una pipeta, el depósito 5 l de MgSO 4 solución sobre los electrodos de la celda de ensayo. </li><li> registre las resistencias de la solución. </li><li> Repita los pasos 5.1-5.3 cuatro más veces y calcular el valor medio. </li><li> Repetir los pasos 5.1 a 5.4 para las soluciones de BSA / NaCl de NaCl y, así como para cada permeado solución recogida. </li><li> Calcular rechazo de sal con la Ecuación 1: 6eq1.jpg &quot;/&gt; donde Ω s es la resistencia de la solución de ensayo y Ω p es la resistencia del permeado. La resistencia es inversamente proporcional a la conductividad de una solución, que se correlaciona directamente con la concentración de sal. </li></ol> 6. Preparar la solución de la prueba con membranas de ultrafiltración <ol><li> Añadir 1 L de agua ultrapura a un 4 L vaso de precipitados. A continuación, añadir 0,32 g de BSA. </li><li> Inserte una barra de agitación en el vaso y colocar en una placa de agitación. Mezclar durante 5 min a 500 rpm. </li><li> Añadir 3 L adicional de agua ultrapura para vaso de precipitados y mezclar de nuevo durante 5 minutos a 500 rpm. </li></ol> 7. Realizar un experimento ultrafiltración ensuciamiento Nota: Realizar un experimento a TA (ca. 24 ° C). En primer lugar configurar el sistema para medir 4 membranas en paralelo al abrir todas las válvulas a las células de flujo. <ol><li> Coloque el tubo de entrada de una bomba en el depósito de agua ultrapura y otro tubo de entrada al interior THsolución de e BSA (Figura 2). </li><li> Utilice una jeringa para extraer el agua y la solución de BSA a través de la tubería a fin de eliminar todas las burbujas de aire en el sistema. </li><li> Insertar las membranas de ultrafiltración en la parte inferior de las células de flujo, con los lados activos hacia los canales de alimentación, y cerrar las células con las mitades superiores del dispositivo de microfluidos. </li><li> tuercas sujetar con la mano, luego apriete uniformemente con una llave. El apriete incorrecto puede dar lugar a fugas de agua. </li><li> Seleccionar agua ultrapura con el interruptor del depósito. </li><li> Ajuste del caudal de la bomba a 8 ml / min y arrancar la bomba. </li><li> Ajuste el regulador de presión de 0,4 bar. </li><li> Monitorear valores de flujo de las membranas con el software de adquisición de datos según el protocolo del fabricante. </li><li> Ajuste el regulador de presión hasta que el flujo promedio es de 200 LMH ± 10%. </li><li> Vuelva a colocar la membrana de flujo individual si no es 200 LMH ± 20%. </li><li> Introducir parámetros de ejecución experimentales. Primero seleccione la rese agua ultrapurarvoir durante 60 min con un flujo constante de 200 ± 20 LMH. A continuación, seleccione el depósito de BSA durante 420 min con control manual del regulador de presión. Finalmente, seleccione el depósito de agua ultrapura para 15 min con control manual del regulador de presión para el sistema de descarga al final del experimento. </li><li> Ajuste el interruptor de depósito para automóviles, y comenzar el experimento. </li><li> Después de completarse la marcha, el sistema se apague y quitar las membranas de las células de flujo. </li><li> Con una jeringa, tubo de entrada de la bomba de enjuague con agua ultrapura. </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>
<li>Haas, R., Gutman, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Glycosphingolipids+Enhance+Bacterial+Attachment+and+Fouling+of+Nanofiltration+Membranes%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Sci.+Technol.+Lett%22%5BJournal%5D)">Glycosphingolipids Enhance Bacterial Attachment and Fouling of Nanofiltration Membranes.</a> Environ. Sci. Technol. Lett. 2, (2015).</li>
<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>

Los autores no tienen nada que revelar.

Este protocolo describe el diseño de un dispositivo de flujo cruzado de microfluidos tridimensionalmente impreso para pruebas de membranas de nanofiltración y ultrafiltración. Recientemente, hemos demostrado el éxito de una variación de este protocolo con membrana de nanofiltración acondicionado y el ensuciamiento con los glicoesfingolípidos y lipopolisacáridos y las diferencias de rendimiento de la membrana con la inyección de cultivo bacteriano posterior. 5 Las aplicaciones futuras que emplean esta técnica ...

<html> La tecnología de membrana es parte integral de los procesos industriales y otras que requieren la separación de solutos de una solución a granel, sin embargo, ensuciamiento de la membrana es un desafío permanente importante. 1 Ejemplos comunes donde ensuciamiento de la membrana se produce incluir el uso de membranas de ultrafiltración para la separación basada en el tamaño de las aguas residuales, 2 y delgadas membranas compuestas de película para la separación de iones y solutos más grandes de agua salobre o agua de mar. 3 indicios característicos de ensuciamiento incluyen un aumento de la presión transmembrana y una disminución en el flujo. Esto disminuye la productividad de la membrana y se acorta su vida útil debido a los protocolos de limpieza químicos u otros. Por lo tanto el rendimiento de la membrana es un buen indicador para evaluar el ensuciamiento y para comprender los mecanismos y efectos de ensuciamiento, la contaminación biológica y la formación de biopelículas en las membranas. Además, la evaluación del desempeño es importante en el diseño o modificación de las membranas. eft &quot;&gt; El interés en el uso de membranas en dispositivos microfluídicos ha estado creciendo durante la última década. 4 Recientemente, se estudió el efecto de los componentes microbianos lipopolisacárido, y glicoesfingolípidos en el ensuciamiento de la superficie de una membrana de nanofiltración, y la posterior susceptibilidad de la superficie acondicionada para microbiana . fijación 5 Un dispositivo de flujo cruzado de microfluidos se utilizó para evaluar el rendimiento de las membranas de nanofiltración. Esto permitió el uso de componentes lipídicos especiales no comercial disponibles en pequeñas cantidades para el ensuciamiento superficie de la membrana debido a que el área de superficie de la membrana era pequeña. El tamaño del sistema puede hacer uso eficiente de los materiales de la membrana y los bajos volúmenes de soluciones. En este protocolo, se describe el diseño y la fabricación del dispositivo de microfluidos para las pruebas de rendimiento de la membrana, y el esquema de la incorporación del dispositivo en un sistema de flujo a presión. Demostración de que el dispositivo se muestra por testing el rendimiento de las membranas de ultrafiltración y membranas de nanofiltración utilizando un modelo foulant, 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>Membrana NF</td><td>Filmtec</td><td>NF200</td><td></td></tr><tr><td>30 kDa Membrana UF</td><td>MICRODYN NADIR</td><td>UH030</td><td></td></tr><tr><td>50 kDa Membrana UF</td><td>MICRODYN NADIR</td><td>UH050</td><td></td></tr><tr><td>Transductor de presión</td><td>Midas</td><td>43006711</td><td></td></tr><tr><td>Válvulas de bola</td><td>AV-RF</td><td>Q91SA-PN6.4</td><td></td></tr><tr><td>Válvula de 3 vías</td><td>iLife Medical Devices</td><td>902.071</td><td></td></tr><tr><td>Regulador de presión</td><td>Swagelok</td><td></td> KCB1G0A2A5P20000 <td></td></tr><tr><td>Caudalímetro</td><td>Bronkhorst</td><td>L01-AGD-99-0-70S</td> Balanzas <td></td></tr><tr><td></td><td>MRC</td><td>BBA-1200</td><td></td></tr><tr><td>Bomba</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-00354-JI</td><td></td></tr><tr><td>Tubería de 1/8"</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-06605-27</td><td></td></tr><tr><td>Tubería de 1/16"</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-06407-41</td><td></td></tr><tr><td>Accesorios de 1/16"</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-30486-70</td><td></td></tr><tr><td>Accesorios de 1/8"</td><td>Microcontrolador Kiowa</td><td>QSM-B-M5-3-20</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Adafruit</td><td>50</td><td>Arduino UNO R3</td></tr><tr><td>Servo de Rotación Continua</td><td>Adafruit</td><td>154</td><td></td></tr><tr><td>Servo Estándar</td><td>Adafruit</td><td>1142</td><td></td></tr><tr><td>Fuente de Alimentación</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>Interruptores</td><td>Piezas Express</td><td>060-376</td><td></td></tr><tr><td>Filtros de 0,45 micras</td><td>EMD Millipore</td><td>SLHV033RS</td><td></td></tr><tr><td>Potenciostato</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 Impresora 3D</td><td>Stratasys</td><td>Objet Connex</td><td></td></tr><tr><td>Veroclear&nbsp;</td><td>Stratasys</td><td>RGD810&nbsp;</td>polímero <td>transparente para impresión de celda de flujo</td></tr><tr>Polímero gomoso suave <td>Tangoblack-plus</td><td>Stratasys</td><td>FLX980</td><td>para capas de juntas en celda de flujo</td></tr></tbody></table>

sistema de flujo cruzado tridimensionalmente impreso de microfluidos para la ultrafiltración / pruebas de rendimiento membrana de nanofiltración

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

Minimización y gestión de ensuciamiento de la membrana es un reto formidable en diversos procesos industriales y otras prácticas que utilizan la tecnología de membranas. La comprensión del proceso de ensuciamiento podría conducir a una mayor eficiencia y optimización de la filtración a base de membrana. Aquí se muestra el diseño y fabricación de una forma tridimensional sistema automatizado (3-D) impreso microfluídico de flujo transversal de filtración que puede probar hasta 4 membranas en paralelo. Las células de microfluidos se imprimieron utilizando la tecnología de impresión 3-D de múltiples materiales de fotopolímero, que utiliza un polímero duro transparente para el cuerpo de la célula de microfluidos y se incorpora una capa de polímero similar al caucho delgado, que impide las fugas durante el funcionamiento. El rendimiento de ultrafiltración (UF), y las membranas de nanofiltración (NF) se probaron y ensuciamiento de la membrana pudieron observarse con un modelo de albúmina de suero bovino foulant (BSA). Las soluciones de alimentación que contiene BSA mostraron disminución de flujo de la membrana. Este protocolo se puede extendered para medir el ensuciamiento o la contaminación biológica con muchas otras soluciones orgánicas, inorgánicas o microbianos que contiene. El diseño de microfluidos es especialmente ventajosa para materiales de prueba que son costosos o sólo está disponible en pequeñas cantidades, por ejemplo polisacáridos, proteínas o lípidos debido a la pequeña área de superficie de la membrana que se está probando. Este sistema modular también se puede ampliar fácilmente para las pruebas de alto rendimiento de las membranas.

Las celdas de flujo de microfluidos fueron diseñados utilizando un programa CAD y se imprimen utilizando un fotopolímero de múltiples materiales tridimensional (3-D) de la impresora. Esta célula fue diseñado en dos partes, de manera que las membranas pueden ser fácilmente insertados y retirados desde el dispositivo (Figura 1). Cada parte fue de 1 cm de espesor, impreso a partir de un polímero duro, claro para la integridad estructural, y los lados enfrentados de la membrana se recubre con una capa muy d...

Diseño y fabricación de un tridimensionalmente (3-D) impreso microfluidos sistema de filtración de flujo cruzado se demuestra. El sistema se utiliza para probar el rendimiento y observar el ensuciamiento de ultrafiltración y nanofiltración (compuesto de película delgada) membranas.

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

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

El objetivo general de este procedimiento es demostrar el diseño y funcionamiento de una celda microfluídica impresa en 3D con flujo cruzado, con el fin de evaluar el rendimiento y la tendencia al ensuciamiento de membranas poliméricas. Este método puede ayudar a los investigadores en el campo de membranas a estudiar el rendimiento y la propensión al ensuciamiento mediante microfluídica, a presiones elevadas y en condiciones de flujo bien definidas, con costos mínimos. Las ventajas de este sistema a pequeña escala incluyen la posibilidad de realizar separaciones de pequeñas cantidades de materiales de alto volumen, llevar a cabo estudios de membranas que requieren reactivos costosos y probar múltiples formulaciones o modificaciones nuevas de membranas en paralelo.Comience por diseñar el dispositivo microfluídico en dos partes separadas utilizando un programa de dibujo asistido por computadora. Para fabricar la capa inferior, utilice la herramienta de rectángulo para dibujar un rectángulo de 40 milímetros por 60 milímetros. En una esquina del rectángulo, utilice la herramienta de círculo para crear un círculo de 6,2 milímetros de diámetro.Centre este círculo a 10 milímetros del borde izquierdo y a 10 milímetros del borde inferior. Luego, utilice la herramienta de patrón lineal para replicar los orificios a lo largo del rectángulo con un espaciado de 20 milímetros, para un total de seis orificios. A continuación, use la herramienta de redondeo para aplicar un chaflán a los rectángulos con un radio de un milímetro.A continuación, extruya la pieza 10 milímetros utilizando la herramienta de extrusión. En el centro de la cara superior, utilice la herramienta de rectángulo para crear un rectángulo de 30 milímetros por un milímetro. Luego, utilice la herramienta de corte por extrusión para tallar un canal de 0,2 milímetros de profundidad en la superficie.A continuación, utilice la herramienta de círculo para hacer un círculo de un milímetro de diámetro al final del canal de flujo. Luego, use la herramienta de línea para construir una trayectoria que conecte el círculo con la cara más cercana de 40 milímetros por 10 milímetros, incluyendo un radio de cuatro milímetros creado con la herramienta de empalme. Utilizando la herramienta de corte barrido, realice un corte a lo largo de esta trayectoria.A continuación, vaya a la vista del plano derecho y utilice la herramienta de círculo para crear un círculo de 3,9 milímetros de diámetro en el centro del recorrido del flujo. Luego, use la herramienta de extrusión de corte para cortar ocho milímetros hacia abajo con el fin de dejar espacio para las conexiones. Repita este mismo proceso en el otro lado del canal rectangular para crear una imagen simétrica.Para diseñar la capa superior del sistema de prueba microfluídico, 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 de rectángulo para crear primero un rectángulo de 30 milímetros por un milímetro. Luego, utilizando la herramienta de corte por extrusión, corte el rectángulo 0,5 milímetros dentro de la superficie superior.Ahora, utilice la herramienta de círculo para hacer un círculo de un milímetro de diámetro centrado en el canal de permeado, a cinco milímetros de uno de los extremos del canal. Luego, como antes, utilice las herramientas de línea y de empalme para construir una trayectoria que incluya una banda de radio de cuatro milímetros para conectar el círculo con una de las caras del rectángulo de un centímetro por seis centímetros. Utilice la herramienta de corte barrido para cortar a lo largo de la trayectoria y crear un canal.Luego, utilice la herramienta de círculo para crear un círculo adicional de 3,9 milímetros de diámetro con su centro en la trayectoria del permeado. Utilice la herramienta de extrusión de corte para cortar el círculo ocho milímetros dentro de la superficie. En los bordes superiores de 40 milímetros de la pieza, con la herramienta de rectángulo, cree rectángulos de 40 milímetros por cinco milímetros, agregando un radio de cuatro milímetros con la herramienta de redondeo.Utilice la herramienta de extrusión para extruir tres milímetros hacia abajo para las asas. Finalmente, imprima las piezas superior e inferior utilizando una impresora 3D fotopolimérica de múltiples materiales, con un polímero transparente rígido. Incluya un recubrimiento adicional de 0,05 milímetros con un polímero blando y elástico en la cara de cada pieza que contenga el canal, de acuerdo con el protocolo del fabricante.Para comenzar, configure la microfluídica, incluyendo la bomba, las válvulas, el transductor de presión, los servos, el medidor de flujo, los reguladores y el microcontrolador, tal como se describe en el protocolo de texto adjunto. Luego, configure el sistema para medir cuatro membranas en paralelo abriendo todas las válvulas hacia 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 una solución de BSA a 0,08 gramos por litro.Utilizando una jeringa, purgue 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 quede orientado hacia los canales de alimentación. Luego, cierre las celdas e inserte los tornillos a través de los orificios del dispositivo.Ajuste las tuercas manualmente al principio. Luego, utilice una llave para apretarlas alternando alrededor del dispositivo, de modo que haya una presión uniforme en la cámara. No apriete en exceso ningún lado, ya que un ajuste inadecuado podría provocar fugas de agua.A continuación, seleccione el agua ultrapura utilizando el interruptor del depósito. Establezca el caudal de la bomba en ocho mililitros por minuto y luego encienda la bomba. Con la bomba en funcionamiento, ajuste el regulador de presión a 0,4 bar.Monitore los valores de flujo de las membranas utilizando software de adquisición de datos y ajuste el regulador de presión hasta alcanzar un flujo promedio entre 180 y 220 litros por metro cuadrado por hora. Reemplace una membrana individual antes de realizar el experimento, si no es capaz de alcanzar un valor dentro de 20 litros por metro cuadrado por hora de este rango. Cuando esté listo, configure el experimento seleccionando primero agua ultra pura en el depósito uno durante 60 minutos con un flujo constante entre 180 y 220 litros por metro cuadrado por hora.Luego, seleccione la albúmina sérica bovina en el depósito dos, durante un período adicional de 420 minutos con control manual del regulador de presión. Seleccione el agua ultrapura en el depósito uno durante los últimos 15 minutos del experimento para lavar el sistema. Utilice el control manual del regulador de presión durante este paso.Luego, coloque el interruptor del depósito en la posición automática e inicie el experimento. Una vez finalizada la corrida experimental, apague el sistema y retire las membranas de las celdas de flujo. A continuación, enjuague los tubos de entrada de BSA haciendo pasar agua ultrapura a través de ellos con una jeringa.Para medir el rendimiento en ensuciamiento de las membranas de nanofiltración, se conectó un medidor de flujo a la línea para medir el flujo de permeado mientras se hacían pasar diversas soluciones a través del sistema. Primero, el sistema se equilibró con agua durante 45 minutos, seguido de 45 minutos con sulfato de magnesio 10 milimolar. Luego, el sistema volvió al agua pura durante otros 45 minutos hasta alcanzar un flujo estable, antes de alimentar al sistema con 0,8 gramos por litro de albúmina sérica bovina (BSA) durante 45 minutos.Finalmente, el sistema se devolvió al agua pura durante los últimos 45 minutos. La disminución en el flujo, en comparación con el flujo de una membrana de control en condiciones de NaCl 10 milimolar, indicó el ensuciamiento de la membrana debido a la BSA. La gráfica 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 membranes de 30 kilodalton se muestra en rojo. Aunque la membrana de 50 kilodalton presentó un flujo normalizado más alto al final del experimento, la diferencia no fue significativa.Descubrimos que la tecnología base de fotopolimerización por inyección de tinta 3D con múltiples materiales fue esencial para producir una celda de flujo resistente e incluir una capa impresa de junta similar a goma, lo cual fue crucial para sellar la celda de flujo y prevenir fugas. Después de ver este video, debería 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.

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Bioengineering

Bioingeniería

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