Tridimensionalmente stampato Microfluidic sistema a flusso incrociato per ultrafiltrazione / nanofiltrazione membrana Performance Testing

L'obiettivo generale di questa procedura è dimostrare la progettazione e il funzionamento di una cella a flusso incrociato microfluidica stampata in 3D allo scopo di testare le prestazioni e la propensione alle incrostazioni delle membrane polimeriche. Questo metodo può aiutare i ricercatori nel campo delle membrane, a studiare le prestazioni della membrana e la propensione alle incrostazioni utilizzando la microfluidica a pressioni elevate e condizioni di flusso ben definite con costi minimi. I vantaggi di questa configurazione su piccola scala includono la capacità di eseguire separazioni di piccole quantità di materiali ad alto volume, di eseguire studi sulle membrane che richiedono costosi materiali di reagency e di testare più nuove formulazioni o modifiche di membrane in parallelo.

Inizia progettando il dispositivo microfluidico in due parti separate utilizzando un programma di disegno assistito da computer. Per creare il livello inferiore, usa lo strumento rettangolo per disegnare un rettangolo di 40 millimetri per 60 millimetri. In un angolo del rettangolo, usa lo strumento cerchio per creare un cerchio di 6,2 millimetri di diametro.

Centrare questo cerchio a 10 millimetri dal bordo sinistro e a 10 millimetri dal bordo inferiore. Quindi, utilizzare lo strumento modello lineare per replicare i fori attraverso il rettangolo con una spaziatura di 20 millimetri per un totale di sei fori. Quindi, utilizzare lo strumento di raccordo per raccordare i rettangoli con un raggio di un millimetro.

Quindi, estrudere la parte di 10 millimetri utilizzando lo strumento di estrusione. Al centro della faccia superiore, utilizzare lo strumento rettangolo per creare un rettangolo di 30 millimetri per un millimetro. Quindi, utilizzare lo strumento di taglio di estrusione per tagliare un canale profondo 0,2 millimetri nella superficie.

Quindi, usa lo strumento cerchio per creare un cerchio di un millimetro di diametro all'estremità del canale di flusso. Quindi, utilizzare lo strumento linea per costruire un percorso che colleghi il cerchio alla faccia più vicina di 40 millimetri per 10 millimetri, incluso un raggio di quattro millimetri realizzato con lo strumento raccordo. Utilizzando lo strumento di taglio di sweep, eseguire un taglio lungo questo percorso.

Quindi, vai alla vista del piano destro e usa lo strumento cerchio per creare un cerchio di 3,9 millimetri di diametro al centro del percorso del flusso. Quindi, utilizzare lo strumento di taglio estruso per tagliare otto millimetri in modo da lasciare spazio per i raccordi. Ripeti lo stesso processo sull'altro lato del canale rettangolare per creare un'immagine speculare.

Per progettare lo strato superiore del sistema di test microfluidico, creare prima un rettangolo con sei fori per le viti aventi le stesse dimensioni dello strato inferiore. Quindi, al centro della faccia superiore, creare un canale di permeato di 30 millimetri per un millimetro per 0,5 millimetri utilizzando lo strumento rettangolo per creare prima un rettangolo di 30 millimetri per un millimetro. E poi, usando lo strumento di taglio estruso, per tagliare il rettangolo di 0,5 millimetri nella superficie superiore.

Ora, usa lo strumento cerchio per creare un cerchio di un millimetro centrato nel canale del permeato, a cinque millimetri da un'estremità del canale. Quindi, come in precedenza, utilizzare gli strumenti linea e raccordo per costruire un percorso che include una banda di raggio di quattro millimetri per collegare il cerchio a una delle facce di un centimetro per sei centimetri del rettangolo. Utilizzare lo strumento Taglio di sweep per tagliare lungo il percorso e creare un canale.

Quindi, usa lo strumento cerchio per creare un ulteriore cerchio di 3,9 millimetri di diametro con il suo centro sul percorso del permeato. E usa lo strumento di taglio estruso per tagliare il cerchio di otto millimetri nella superficie. Ai bordi superiori di 40 millimetri della parte, con lo strumento rettangolo, crea rettangoli di 40 millimetri per cinque millimetri, aggiungendo un raggio di quattro millimetri con lo strumento raccordo.

Utilizzare lo strumento di estrusione per estrudere tre millimetri verso il basso per le maniglie. Infine, stampa i pezzi superiore e inferiore utilizzando una stampante 3D fotopolimerica multimateriale, con un polimero duro trasparente. Includere un rivestimento di 0,05 millimetri con un polimero morbido e gommoso sulla faccia di ciascuna parte che contiene il canale, in conformità con il protocollo del produttore.

Per iniziare, configura la microfluidica, inclusi la pompa, le valvole, il trasduttore di pressione, i servi, il flussometro, i regolatori e il microcontrollore come descritto nel protocollo di testo allegato. Quindi, configurare il sistema per misurare quattro membrane in parallelo aprendo tutte le valvole alle celle di flusso. Posizionare un tubo di ingresso della pompa nel serbatoio dell'acqua ultra pura e posizionare l'altro tubo di ingresso in un serbatoio contenente 0,08 grammi per litro di soluzione BSA.

Usando una siringa, adescare il tubo per rimuovere tutte le bolle d'aria nel sistema. Quindi, posizionare le membrane di ultrafiltrazione sulla parte inferiore delle celle a flusso in modo che il lato attivo della membrana sia rivolto verso i canali di alimentazione. Quindi, chiudere le celle e far passare le viti attraverso i fori del dispositivo.

Fissare inizialmente i dadi a mano. Quindi, utilizzando una chiave per serrarli alternandoli attorno al dispositivo in modo che ci sia una pressione uniforme sulla camera. Non serrare eccessivamente su un lato, poiché un serraggio improprio può causare perdite d'acqua.

Quindi, selezionare l'acqua ultra pura utilizzando l'interruttore del serbatoio. Impostare la portata della pompa su otto millilitri al minuto e quindi avviare la pompa. Con la pompa in funzione, regolare il regolatore di pressione a 0,4 bar.

Monitorare i valori di flessione delle membrane utilizzando il software di acquisizione dati e regolare il regolatore di pressione fino a raggiungere un flusso medio compreso tra 180 e 220 litri per metro quadrato all'ora. Sostituire una singola membrana prima di eseguire l'esperimento, se non è in grado di raggiungere entro i 20 litri per metro quadrato all'ora di questo intervallo. Quando si è pronti, impostare la corsa sperimentale selezionando prima l'acqua ultrapura nel serbatoio uno per 60 minuti con un flusso costante compreso tra 180 e 220 litri per metro quadrato all'ora.

Quindi, selezionare il BSA nel serbatoio due, per altri 420 minuti con il controllo manuale del regolatore di pressione. Selezionare l'acqua ultra pura nel serbatoio per gli ultimi 15 minuti dell'esperimento per lavare il sistema. Durante questa fase, utilizzare il controllo manuale del regolatore di pressione.

Quindi, impostare l'interruttore del serbatoio su auto e avviare l'esperimento. Al termine dell'esecuzione sperimentale, spegnere il sistema e rimuovere le membrane dalle celle di flusso. Quindi, sciacquare il tubo di ingresso BSA aspirando acqua ultra pura attraverso di esso con una siringa.

Per misurare le prestazioni in caso di incrostazioni delle membrane di nanofiltrazione, è stato collegato alla linea un flussometro per misurare il flusso di permeato mentre varie soluzioni venivano fatte fluire attraverso il sistema. In primo luogo, il sistema è stato bilanciato con acqua per 45 minuti, seguiti da 45 minuti di solfato di magnesio da 10 millimolari. Il sistema è stato quindi riportato in acqua pura per altri 45 minuti fino a raggiungere un flusso stabile prima che 0,8 grammi per litro di BSA venissero immessi nel sistema per 45 minuti.

Infine, il sistema è stato riportato in acqua pura per gli ultimi 45 minuti. La diminuzione del flusso, rispetto al flusso di una membrana di controllo in condizioni di NaCl 10 millimolare, indicava un'incrostazione della membrana dovuta a BSA. Il grafico qui riportato mostra l'incrostazione delle membrane di ultrafiltrazione.

Il flusso attraverso le membrane da 50 kilodalton è mostrato in blu. E il flusso attraverso le membrane da 30 kilodalton è mostrato in rosso. Mentre la membrana da 50 kilodalton aveva un flusso normalizzato più elevato alla fine dell'esperimento, la differenza non era significativa.

Abbiamo scoperto che la tecnologia di base della fotopolimerizzazione a getto d'inchiostro 3D multi-materiale era essenziale per produrre una cella di flusso robusta e che includesse uno strato di guarnizione simile alla gomma stampata, che era fondamentale per sigillare la cella di flusso e prevenire perdite. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come progettare e utilizzare la tua cella a flusso incrociato microfluidica stampata in 3D personalizzata per applicazioni di ultrafiltrazione o nanofiltrazione a membrana.