בתלת ממד המודפס Microfluidic מערכת חוצת זרימה עבור Ultrafiltration / nanofiltration ממברנה בדיקות ביצועים

Summary

תכנון ייצור של מערכת סינון microfluidic בתלת ממד (3-D) מודפס חוצת זרימת המודגם. המערכת משמשת כדי לבדוק את הביצועים ולבחון עכירות של אולטרה סינון ו nanofiltration ממברנות (מרוכבים סרט דק).

Abstract

מזעור וניהול של עכירות קרום הנו אתגר משמעותי בתהליכים תעשייתיים מגוונים ושיטות אחרות העושות שימוש בטכנולוגיה הממברנה. הבנת תהליך העכירות יכולה להוביל אופטימיזציה ויעילות גבוהה יותר של סינון מבוסס הממברנה. הנה אנחנו מראים את העיצוב ואת הייצור של אוטומטי בתלת ממד (3-D) מודפסת מערכת microfluidic חוצה זרימה סינון שיכול לבדוק עד 4 ממברנות במקביל. תאי microfluidic הודפסו באמצעות טכנולוגיית הדפסה רבה-חומר photopolymer 3-D, אשר ממשמשים פולימר קשה שקוף עבור גוף תא microfluidic ושלב שכבת פולימרים דקה דמוית גומי, המונעת דליפות במהלך מבצע. המופע של אולטרה סינון (UF), ו nanofiltration (NF) ממברנות נבדקו עכירות הממברנה יכול להיבחן עם אלבומין בסרום שור מודל foulant (BSA). פתרונות עדכונים המכילים BSA הראו ירידת שטף של הממברנה. פרוטוקול זה ניתן להאריךed למדוד עכירות או biofouling עם אורגניים רבים אחרים, אנאורגניות או חיידקים המכילים פתרונות. עיצוב microfluidic במיוחד יתרון לבדיקות חומרים כי הם יקרים או זמינים רק בכמויות קטנות, עבור סוכרים למשל, חלבונים, שומנים או בשל שטח פנים הקטן של הממברנה נבדקת. מערכת מודולרית זו עשויה גם להיות מורחבת בקלות לבדיקת קצב העברת נתונים גבוהה של ממברנות.

Introduction

טכנולוגיית ממברנה היא חלק בלתי נפרדת בתהליכים תעשייתיים, תוך אחרים הדורשות ההפרדה מומס מפתרון בתפזורת, לעומת זאת, עכירות הממברנה היא אתגר מתמשך גדול. ¹ דוגמאות נפוצות שבו עכירות קרום מתרחשות לכלול את השימוש של ממברנות אולטרה סינון עבור פרדה על בסיס הגודל של שפכים, ממברנות מרוכבים הסרט ² ורזה להפרדת יונים מומסים גדול מן מליחים או מי ים. ³ סימנים אופייניים של עכירות כוללים עלייה בלחץ הטרנסממברני וירידה השטף. זה מקטין את הפרודוקטיביות של קרום ומקצר את חייה עקב פרוטוקולי ניקוי כימי או אחר. לכן הביצועים הממברנה הוא אינדיקטור טוב כדי להעריך עכירות ו להבין את המנגנונים ואת ההשפעות של עכירות, biofouling היווצרות ביופילם על ממברנות. כמו כן, הערכת ביצועים חשוב בעיצוב או שינוי של ממברנות חדש.

EFT ">

עניין השימוש של ממברנות במכשירי microfluidic גדל בעשור האחרון. ⁴ לאחרונה חקרנו את השפעת lipopolysaccharide רכיבי חיידקים, ואת glycosphingolipid על עכירות פני שטח של קרום nanofiltration, ואת הרגישות הבאה של המשטח המותנה מיקרוביאלי מצורף. ⁵ מכשיר צולבות זרימה microfluidic שימש כדי להעריך את הביצועים של ממברנות nanofiltration. זה איפשר שימוש ברכיבי השומנים לא מסחרי מיוחד זמין רק בכמויות קטנות עכירות משטח הממברנה בגלל שטח הפנים קרום היה קטן. גודל המערכת אפשר ניצול יעיל של חומרי קרום כמויות נמוכות של פתרונות. בפרוטוקול זה, אנו מתארים את העיצוב ואת ייצור של המכשיר microfluidic לבדיקות ביצועים קרום, ולהתוות את ההתאגדות של המכשיר למערכת זרימת לחץ. הפגנה של מכשיר מוצגת על ידי testing את הביצועים של ממברנות אולטרה סינון וממברנות nanofiltration באמצעות foulant מודל, BSA. ^6,7

Protocol

תכנון ייצור 1. של מערכת הבדיקה Microfluidic

1. עיצוב מכשיר microfluidic כמו שני חלקים נפרדים: חלק עליון חלק תחתון (איור 1) בתכנית CAD.
2. להתחיל לעשות את החלק התחתון על ידי שימוש באפשרות מלבן לצייר 40 מ"מ על 60 מ"מ מלבן.
3. בפינה אחת באמצעות כלי המעגל ליצור מעגל 6.2 מ"מ קוטר מרוכז 10 מ"מ מן הקצוות. בעזרת הכלי דפוס ליניארי לשכפל החורים ברחבי מלבן עם ריווח 20 מ"מ עבור סכום כולל של 6 חורים.
4. באמצעות כלי הפילה המלבן עם רדיוס של 1 מ"מ.
5. Extrude את מ"מ חלק 10 עם כלי extrude.
6. במרכז של הפאה העליונה, עם כלי מלבן ליצור מלבן 30 מ"מ על 1 מ"מ ועם כלי לחתוך extrude לחתוך 0.2 מ"מ עבור ערוץ הזרימה.
7. באמצעות כלי המעגל עושה עיגול בקוטר 1 מ"מ בסוף ערוץ הזרימה. אז עם כלי השורה לבנות נתיב חיבור המעגל הקרוב40 מ"מ על פני 10 מ"מ, כולל 4 מ"מ רדיוס עשה עם כלי פילה. ביצוע חתך לאורך המסלול הזה עם כלי לחתוך נסחף.
8. באמצעות כלי המעגל ליצור מעגל בקוטר 3.9 מ"מ במרכז את נתיב הזרימה וחותכים 8 מ"מ עם כלי לחתוך extrude לאפשר למדידות.
9. חזרו על שלבים 1.7 ו -1.8 עבור הצד השני של ערוץ הזרימה.
10. עם החזרה החלק העליון צעדים 1.2-1.5. לאחר מכן, בשנת במרכז הפאה העליונה ליצור ערוץ לפעפע שימוש באפשרות מלבן ליצור מלבן 30 מ"מ על 1 מ"מ וחותכים 0.5 מ"מ שימוש באפשרות extrude לחתוך.
11. השתמש בכלי המעגל כדי ליצור מעגל 1 מ"מ מרוכז בתוך מ"מ 5 ערוץ לפעפע מן התכלית. בעזרת הכלי קו לבנות נתיב חיבור המעגל לאחד 1 ס"מ על 6 פרצופים ס"מ, כולל 4 מ"מ רדיוס עשה עם כלי פילה. ביצוע חתך לאורך הנתיב עם כלי לחתוך נסחף.
12. באמצעות כלי המעגל ליצור מעגל בקוטר 3.9 מ"מ נוסף עם במרכזו על שביל לפעפע וחותכים 8 מ"מ עם האקסטרוד לחתוך כלי.
13. יחד עם חלקי דף 40 מ"מ בקצוות, עם הכלי המלבן, ליצור מלבנים 40 מ"מ על 5 מ"מ הוספת רדיוס 4 מ"מ עם כלי הפילה. השתמש בכלי extrude כדי למתוח 3 מ"מ כלפי מטה עבור ידיות.
14. חלקי הדפסה עם מדפסת 3-D photopolymer רב חומר בעזרת פולימר שקוף קשיח, כולל 0.05 מ"מ overcoating עם פולימר גומי רך על פני כל חלק המכיל את הערוץ. השתמש הפרוטוקול הסטנדרטי של יצרן, כיול והגדרות.
15. אשכולות קש (M5) להזנה, retentate ויחלחלו נקבים. השתמשו קלטת של השרברב להתחבר 1/8 "אבזרים כדי להאכיל את retentate ו 1/16" אבזרים כדי לפעפע.
16. חבר תקני microfluidic לשאוב, שסתום, מתמר לחץ רגולטור backpressure עם 1/8 "צינורות (איור 2).
17. חבר 0.45 מיקרומטר מסננים מפרצון צינורות.
18. פריקה לחלחל לזרום מטר כוסות על יתרות עם 1/16 "צינורות.
19. צרף סרוו סיבוב רציף backpressure רגולטור עם ברגי סרוו סטנדרטי שסתום 3 כיוונים עם תילי שוויון.
20. חבר סרוו ואת אספקת החשמל יעלה על המגן סרוו.
21. חבר התמר לחץ, מתגים מגנים סרוו מיקרו.
22. חבר מייקרו, יתרה, תזרים מטר משאבה למחשב עבור איסוף נתונים ובקרת מערכת.
23. גדר יתרה להדפיס נתוני היציאה טורית שלהם.

2. כן ממברנות להיבדק

1. חותכים ממברנות עד 40 מ"מ x 8 מ"מ.
2. משרים ממברנות במי ultrapure (3 x 10 דקות) עם sonication.
3. ואז לטבול את הקרומים ב 50/50 ultrapure מים / אתנול עבור שעה 1.
4. שוטפים את ממברנות עם מי ultrapure ולאחסן מי ultrapure על 4 מעלות צלזיוס. ⁸

3. הכינו פתרונות להיבדק עם ממברנות nanofiltration

1. להוסיף 500 מ"ל מים ultrapure אל הבקבוק Erlenmeyer. לאחר מכן מוסיפים 0.04 גרם של BSA0.29 ד גרם של NaCl.
2. להוסיף 500 מיליליטר מי ultrapure בבקבוק Erlenmeyer נפרד. לאחר מכן להוסיף 0.6 גרם של MgSO _4.
3. להוסיף 500 מ"ל מים ultrapure בבקבוק Erlenmeyer השלישי. לאחר מכן מוסיפים 0.29 גרם של NaCl.
4. הכנס ומערבבים ברים לתוך כל צלוחיות הבקבוק ומניחים על צלחות ומערבבים. מערבבים במשך 5 דקות ב 500 סל"ד.

4. בצעו ניסוי nanofiltration עכירות

הערה: בצע את הניסוי ב RT (בערך 24 מעלות צלזיוס). ראשית להגדיר את המערכה למדידת קרום יחיד על ידי סגירה שסתומה לזרום תאים לא מחוברים-מד הזרימה.

1. הכנס צינור יניקת משאבה אחת לתוך מאגר מי ultrapure ואת צינור היניקה האחרת לתוך תמיסת ₄ MgSO (איור 2).
2. השתמש במזרק כדי לשאוב מי MgSO ₄ פתרון באמצעות צינורות כדי להסיר את כל בועות האוויר במערכת.
3. הכנס קרום nanofiltration על החלק התחתון של התא זרימה, עםצד פעיל כלפי הערוץ להאכיל, ומניח על החלק העליון של תא הזרימה.
4. הדק אגוזים ביד ואז להדק באופן שווה עם מפתח ברגים כדי למזער זליגה.
5. בחר מי ultrapure עם מתג בורר מאגר.
6. גדר קצב זרימת משאבת 2 מיליליטר / דק ולהתחיל את המשאבה.
7. התאם ווסת לחץ עד 4 בר.
8. גדר פרמטרים ניסיוניים לעבור מאגרים כל 45 דקות החל מאגר המים.
9. הגדר את מתג המאגר אוטומטי, ולהתחיל בניסוי.
10. בשעת 60 דקות לאסוף לפעפע MgSO ₄ בתוך שפופרת למשך 30 דקות הבאות.
11. בשעה 91 דקות להחליף בקבוק MgSO ₄ עם בקבוק המכיל הפתרון של BSA ו NaCl.
12. במהירות להפסיק משאבה ולהשתמש מזרק לצייר פתרון BSA דרך צינור היניקה כדי להסיר שאריות MgSO ₄ צינורות. ואז להתחיל משאבה שוב.
13. ב 150 דקות לאסוף BSA לחלחל בצינור למשך 30 דקות הבאות.
14. לאחר 225 דקות, לכבות את המערכת והסרות ננו קרום סינון מן התא זרימה.
15. באמצעות מזרק, לשטוף את צינור יניקת פתרון מבחן עם מי ultrapure.
16. חזור על שלבים 4.1-4.15 עבור כל קרום נוסף שנבדק.
17. לבדיקות NaCl בלבד, חזור על שלבים 4.1-4.10, ו 4.14-4.16 החלפת פתרון MgSO ₄ עם פתרון NaCl וסיום הניסוי לאחר 90 דקות במקום 225 דקות.

5. דחיית חישוב מלח של ממברנות nanofiltration

1. לשטוף אלקטרודות של תא בדיקת potentiostat עם מי ultrapure.
2. עם טפטפת, μl להפקיד 5 של פתרון MgSO ₄ על אלקטרודות תא הבדיקה.
3. שיא ההתנגדות של הפתרון.
4. חוזרים על שלבים 5.1-5.3 עוד ארבעה פעמים ולחשב את הערך הממוצע.
5. חוזרים על שלבים 5.1-5.4 עבור פתרונות NaCl ו BSA / NaCl וכן לכל לחלחל שנאסף פתרון.
6. חישוב דחיית מלח עם משוואה 1:
   6eq1.jpg "/>
   שם Ω _{s הוא} התנגדות של פתרון המבחן ו Ω _{p הוא} התנגדות של לפעפע. ההתנגדות הוא ביחס הפוך המוליך של פתרון, אשר עולה בקנה אחד ישירות ריכוז מלח.

6. כן הפתרון להיבדק עם ממברנות Ultrafiltration

1. הוסף 1 ליטר מים ultrapure כדי מבחנה L 4. לאחר מכן מוסיפים 0.32 גרם של BSA.
2. הכנס ומערבבים בר לתוך כוס ומניחים על צלחת ומערבבים. מערבבים במשך 5 דקות ב 500 סל"ד.
3. הוסף עוד 3 ליטר מים ultrapure כדי מבחנה ומערבבים שוב במשך 5 דקות ב 500 סל"ד.

7. בצע ניסוי עכירות Ultrafiltration

הערה: בצע ניסוי ב RT (בערך 24 מעלות צלזיוס). ראשית להגדיר את המערכת למדוד 4 ממברנות במקביל על ידי פתיחת כל השסתומים לזרום תאים.

1. מניח צינור יניקת משאבה אחת לתוך מאגר מי ultrapure ו צינור יניקה אחרת לתוך הפתרון דואר BSA (איור 2).
2. השתמש במזרק כדי לשאוב את מי ים ואת הפתרון BSA דרך צינורות כדי להסיר את כל בועות האוויר במערכת.
3. הכנס ממברנות אולטרה סינון על החלק התחתון של תאי זרימה, עם הצדדים הפעילים בחלק ערוצי ההזנה, ולסגור את התאים עם חצי העליונים של מכשיר microfluidic.
4. אגוזים להדק ביד, ואז להדק באופן שווה עם מפתח ברגים. הידוק לא נכון עלול להוביל לדליפת מים.
5. בחר מים ultrapure עם מתג המאגר.
6. גדר קצב זרימת משאבת 8 מיליליטר / דק ולהתחיל את המשאבה.
7. התאם ווסת לחץ ל -0.4 בר.
8. צג ערכי שטף של ממברנות עם תוכנת רכישת נתונים על פי פרוטוקול של היצרן.
9. התאם ווסת לחץ עד השטף הממוצע הוא 200 LMH ± 10%.
10. חלף קרום פרט אם השטף הוא לא 200 LMH ± 20%.
11. זן פרמטרים בטווח ניסיוני. ראשית בחר את rese מי ultrapurervoir למשך 60 דקות עם זרימה מתמדת של 200 ± 20 LMH. לאחר מכן, בחר מאגר BSA עבור 420 דקות עם השליטה הידנית של ווסת הלחץ. לבסוף, בחר את מאגר מי ultrapure במשך 15 דקות עם שליטה ידנית של והווסת לחץ למערכת הסומקת בסוף הניסוי.
12. הגדר את מתג המאגר אוטומטי, ולהתחיל בניסוי.
13. לאחר השלמת ריצה, לסגור מערכת למטה ולהסיר ממברנות מתאי הזרימה.
14. עם מזרק, צינור יניקת משאבת סומק עם מי ultrapure.

Results

תאי זרימת microfluidic עוצבו באמצעות תכנית CAD והודפסו באמצעות photopolymer רב-חומר תלת ממדי (3-D) מדפסת. תא זה תוכנן בשני חלקים, כך ממברנות יכול להיות מוכנס בקלות יוסר ממכשיר (איור 1). כל חלק היה 1 ס"מ עובי, מודפס פולימר קשה, ברור עבור שלמות מבנית, ואת הצדדים מול קרום היו overcoated עם שכבה דקה מאוד 50 מיקרומטר של פולימר גומי דמוי. Overcoating בוצע על מנת לספק את התא עם יכולת איטום, המונע דליפת מים. ערוץ זרימה תוכנן על 0.2 מ"מ עמוק, 1 מ"מ רחב 30 מ"מ אורך לבדוק אז...

Discussion

פרוטוקול זה מתאר את העיצוב של מכשיר צולבות זרימה microfluidic מודפסים בתלת ממד לבדיקה של ממברנות nanofiltration ו אולטרה סינון. לאחרונה, הראינו את ההצלחה של וריאציה של פרוטוקול זה עם מיזוג קרום nanofiltration ו עכירות עם glycosphingolipids ו lipopolysaccharides והפרשי ביצועים הממברנה עם הזרקת התרבות עוקבת חיידקים. ⁵ יישומים עתידיים העסקה טכניקה זו יכולה לשמש כדי להעריך את שינויי ביצועים הממברנה עם foulants השונה . לעומת תאי זרימה גדולות המכשיר microfluidic זה דורש הרבה ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
BSA	SIGMA-ALDRICH	A6003
NaCl	DAEJUNG	7548-4100
MgSO4	EMSURE	1058861000
NF ממברנה	Filmtec	NF200
30 kDa UF ממברנה	MICRODYN NADIR	UH030
50 kDa UF ממברנה	MICRODYN NADIR	UH050
מתמר לחץ	Midas	43006711
שסתומי כדור	AV-RF	Q91SA-PN6.4
שסתום תלת כיווני	iLife מכשירים רפואיים	902.071
ווסת לחץ	Swagelok	KCB1G0A2A5P20000
מד זרימה	Bronkhorst	L01-AGD-99-0-70S
מאזנים	MRC	BBA-1200
משאבה	Cole-Parmer	EW-00354-JI
1/8 אינץ' צינורות	Cole-Parmer	EW-06605-27
1/16 אינץ' צינורות	Cole-Parmer	EW-06407-41
1/16 אינץ' אביזרי	Cole-Parmer	EW-30486-70
1/8 אינץ' אביזרי	Kiowa	QSM-B-M5-3-20
מיקרו-בקר	Adafruit	50	Arduino UNO R3
סיבוב רציף סרוו	Adafruit	154
סרוו סטנדרטי	Adafruit	1142
ספק כוח	Adafruit	658
Servo Shield	SainSmart	20-011-905
מתגים	חלקים Express	060-376
0.45 מיקרון מסננים	EMD Millipore	SLHV033RS
Potentiostat	Gamry	PCI4
Sonicator	MRC	DC-150H
Connex מדפסת תלת מימד	Stratasys	Objet Connex
Veroclear	סטרטסיס	RGD810	פולימר שקוף להדפסת תא זרימה
Tangoblack-plus	Stratasys	FLX980	פולימר גומי רך לשכבות אטם על תא זרימה