Système Croix-flux en trois dimensions Imprimé microfluidique pour les essais d'ultrafiltration / nanofiltration membrane Performance

L’objectif global de cette procédure est de démontrer la conception et le fonctionnement d’une cellule microfluidique à flux croisé imprimée en 3D dans le but de tester les performances et la propension à l’encrassement des membranes polymères. Cette méthode peut aider les chercheurs dans le domaine des membranes à étudier les performances des membranes et la propension à l’encrassement à l’aide de la microfluidique à des pressions élevées et dans des conditions d’écoulement bien définies à des coûts minimaux. Les avantages de cette configuration à petite échelle comprennent la possibilité d’effectuer des séparations de petites quantités de matériaux de grand volume, d’effectuer des études de membrane nécessitant des matériaux de réagence coûteux et de tester plusieurs nouvelles formulations ou modifications de membranes en parallèle.

Commencez par concevoir le dispositif microfluidique en deux parties distinctes à l’aide d’un programme de dessin assisté par ordinateur. Pour créer la couche inférieure, utilisez l’outil rectangle pour dessiner un rectangle de 40 millimètres sur 60 millimètres. À l’un des coins du rectangle, utilisez l’outil cercle pour créer un cercle de 6,2 millimètres de diamètre.

Centrez ce cercle à 10 millimètres du bord gauche et à 10 millimètres du bord inférieur. Ensuite, utilisez l’outil de motif linéaire pour reproduire les trous sur le rectangle avec un espacement de 20 millimètres pour un total de six trous. Ensuite, utilisez l’outil congé pour raccorder les rectangles d’un rayon d’un millimètre.

Ensuite, extrudez la pièce de 10 millimètres à l’aide de l’outil d’extrusion. Au centre de la face supérieure, utilisez l’outil rectangle pour créer un rectangle de 30 millimètres sur un millimètre. Ensuite, utilisez l’outil de coupe d’extrusion pour découper un canal de 0,2 millimètre de profondeur dans la surface.

Ensuite, utilisez l’outil cercle pour faire un cercle d’un millimètre de diamètre à l’extrémité du canal d’écoulement. Ensuite, utilisez l’outil ligne afin de construire un chemin reliant le cercle à la face de 40 millimètres sur 10 millimètres la plus proche, y compris un rayon de quatre millimètres réalisé avec l’outil de congé. À l’aide de l’outil de coupe balayée, faites une coupe le long de ce chemin.

Ensuite, accédez à la vue du plan de droite et utilisez l’outil cercle pour créer un cercle de 3,9 millimètres de diamètre au centre de la trajectoire d’écoulement. Ensuite, utilisez l’outil de coupe d’extrusion pour couper huit millimètres afin de laisser de la place pour les raccords. Répétez ce même processus de l’autre côté du canal rectangulaire afin de créer une image en miroir.

Pour concevoir la couche supérieure du système de test microfluidique, il faut d’abord créer un rectangle avec six trous de vis ayant les mêmes dimensions que la couche inférieure. Ensuite, au centre de la face supérieure, créez un canal de perméat de 30 millimètres sur un millimètre sur 0,5 millimètre à l’aide de l’outil rectangle pour créer d’abord un rectangle de 30 millimètres sur un millimètre. Ensuite, à l’aide de l’outil de découpe d’extrusion, coupez le rectangle de 0,5 millimètre dans la surface supérieure.

Maintenant, utilisez l’outil cercle pour faire un cercle d’un millimètre centré dans le canal de perméat, à cinq millimètres d’une extrémité du canal. Ensuite, comme précédemment, utilisez les outils ligne et congé pour construire un chemin qui comprend une bande de rayon de quatre millimètres pour relier le cercle à l’une des faces d’un centimètre sur six centimètres du rectangle. Utilisez l’outil de coupe balayée pour couper le long du chemin et créer un canal.

Ensuite, utilisez l’outil cercle pour créer un cercle supplémentaire de 3,9 millimètres de diamètre avec son centre sur le chemin de perméat. Et utilisez l’outil de découpe d’extrusion pour couper le cercle de huit millimètres dans la surface. Sur les 40 premiers bords millimétriques de la pièce, à l’aide de l’outil Rectangle, créez des rectangles de 40 millimètres sur cinq millimètres, en ajoutant un rayon de quatre millimètres à l’aide de l’outil Congé.

Utilisez l’outil d’extrusion pour extruder trois millimètres vers le bas pour les poignées. Enfin, imprimez les pièces du haut et du bas à l’aide d’une imprimante 3D photopolymère multi-matériaux, avec un polymère dur et transparent. Inclure une couche de surcouche de 0,05 millimètre avec un polymère souple et caoutchouteux sur la face de chaque pièce contenant le canal, conformément au protocole du fabricant.

Pour commencer, configurez la microfluidique, y compris la pompe, les vannes, le transducteur de pression, les servos, le débitmètre, les régulateurs et le microcontrôleur, comme décrit dans le protocole de texte ci-joint. Ensuite, configurez le système pour mesurer quatre membranes en parallèle en ouvrant toutes les vannes des cellules d’écoulement. Placez un tube d’entrée de pompe dans le réservoir d’eau ultra pure et placez l’autre tube d’entrée dans un réservoir contenant 0,08 gramme par litre de solution BSA.

À l’aide d’une seringue, amorcez le tube pour éliminer toutes les bulles d’air dans le système. Ensuite, placez les membranes d’ultrafiltration sur la partie inférieure des cellules d’écoulement de sorte que le côté actif de la membrane soit vers les canaux d’alimentation. Ensuite, fermez les cellules et faites passer les vis à travers les trous de l’appareil.

Fixez d’abord les écrous à la main. Ensuite, à l’aide d’une clé pour les serrer en alternant autour de l’appareil afin qu’il y ait une pression uniforme sur la chambre. Ne serrez pas trop un côté, car un serrage incorrect peut entraîner des fuites d’eau.

Ensuite, sélectionnez l’eau ultra pure à l’aide de l’interrupteur du réservoir. Réglez le débit de la pompe à huit millilitres par minute, puis démarrez la pompe. Avec la pompe en marche, réglez le régulateur de pression à 0,4 bar.

Surveillez les valeurs de flexion des membranes à l’aide d’un logiciel d’acquisition de données et ajustez le régulateur de pression jusqu’à ce qu’un flux moyen compris entre 180 et 220 litres par mètre carré et par heure soit atteint. Remplacez une membrane individuelle avant de lancer l’expérience, si elle n’est pas en mesure de s’approcher à moins de 20 litres par mètre carré et par heure de cette plage. Lorsque vous êtes prêt, mettez en place l’essai en sélectionnant d’abord l’eau ultra pure dans le réservoir un pendant 60 minutes avec un flux constant compris entre 180 et 220 litres par mètre carré et par heure.

Ensuite, sélectionnez le BSA dans le réservoir deux, pendant 420 minutes supplémentaires avec le contrôle manuel du régulateur de pression. Sélectionnez l’eau ultra pure dans le réservoir pour les 15 dernières minutes de l’expérience pour rincer le système. Utilisez la commande manuelle du régulateur de pression au cours de cette étape.

Ensuite, réglez l’interrupteur du réservoir sur auto et démarrez l’expérience. Une fois l’expérience terminée, arrêtez le système et retirez les membranes des cellules d’écoulement. Ensuite, rincez le tube d’entrée BSA en aspirant de l’eau ultra pure à travers celui-ci avec une seringue.

Pour mesurer les performances d’encrassement des membranes de nanofiltration, un débitmètre a été connecté à la ligne pour mesurer le flux de perméat lorsque diverses solutions circulaient dans le système. Tout d’abord, le système a été équilibré avec de l’eau pendant 45 minutes, suivi de 45 minutes de sulfate de magnésium de 10 millimolaires. Le système a ensuite été renvoyé à l’eau pure pendant 45 minutes supplémentaires jusqu’à ce qu’un flux stable soit atteint avant que 0,8 gramme par litre de BSA ne soit injecté dans le système pendant 45 minutes.

Enfin, le système a été retourné à l’eau pure pendant les 45 dernières minutes. La diminution du flux, par rapport au flux d’une membrane de contrôle dans des conditions de NaCl de 10 millimolaires, indiquait un encrassement de la membrane dû à la BSA. Le graphique présenté ici montre l’encrassement des membranes d’ultrafiltration.

Le flux à travers les membranes de 50 kilodaltons est représenté en bleu. Et le flux à travers les membranes de 30 kilodaltons est représenté en rouge. Bien que la membrane de 50 kilodaltons ait eu un flux normalisé plus élevé à la fin de l’expérience, la différence n’était pas significative.

Nous avons constaté que la technologie de base de photopolymérisation à jet d’encre 3D multi-matériaux était essentielle à la production d’une cellule d’écoulement robuste et comprenant une couche d’étanchéité imprimée semblable à du caoutchouc, ce qui était crucial pour sceller la cellule d’écoulement et éviter les fuites. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la conception et de l’exploitation de votre propre cellule microfluidique à flux croisé imprimée en 3D pour les applications d’ultrafiltration ou de nanofiltration membranaire.