限外濾過/ナノ濾過膜性能試験のための三次元プリントマイクロ流体クロスフローシステム

Summary

三次元（3-D）印刷、マイクロ流体クロスフローろ過システムが示されているの設計および製造。システム性能をテストし、限外濾過及びナノ濾過（薄膜複合）膜の汚れを観察するために使用されます。

Abstract

膜汚染の最小化と管理は、多様な工業プロセスおよび膜技術を利用する他の慣行の手ごわい挑戦です。ファウリングのプロセスを理解することは、最適化し、膜ベースのろ過の高効率化につながる可能性があります。ここでは、並列に4膜まで試験することができる自動化された三次元（3-D）印刷、マイクロ流体クロスフロー濾過システムの設計および製造を示します。マイクロ流体細胞は、マイクロ流体細胞体のための透明な硬質ポリマーを使用し、動作中に漏れを防止する薄いゴム状重合体層を、組み込まれた多材料フォトポリマー3次元印刷技術を使用して印刷しました。限外ろ過（UF）の性能、およびナノ濾過（NF）膜を試験し、膜ファウリングは、モデル汚染物、ウシ血清アルブミン（BSA）を用いて観察することができました。 BSAを含有する供給溶液は、膜の流束低下を示しました。このプロトコルは、延長することができますedは、他の多くの有機、無機または微生物を含む溶液で汚れや生物付着を測定します。マイクロ流体設計は、例えば、多糖類、タンパク質、またはテストされている膜の小さな表面積に起因する脂質のために、高価なまたは少量でのみ使用可能です試験材料のために特に有利です。このモジュラーシステムはまた、容易に膜の高スループット試験のために拡張することができます。

Introduction

膜技術は、バルク溶液から溶質を分離することを必要とする産業および他のプロセスに不可欠であるが、膜のファウリングが大きな継続的な課題である。膜汚染廃水のサイズベースの分離のための限外濾過膜を使用することを含んで生じる¹一般的な例として、 ²とイオンと汽水や海水からより大きな溶質を分離するための複合薄膜。ファウリングの³特性の指標は、膜貫通圧力の増加とフラックスの減少が含まれます。これは、膜の生産性を低下させ、原因化学物質または他の洗浄プロトコルにその寿命を短くします。したがって膜性能は汚れ評価すると膜上の汚れ、生物付着およびバイオフィルム形成のメカニズムと効果を理解するために良好な指標です。また、性能評価は、新たな膜の設計または変更する際に重要です。

EFT ">

マイクロ流体デバイスにおける膜の使用への関心が過去10年間で成長している^。4最近、我々は、微生物成分のリポ多糖の効果を研究し、ナノ濾過膜の表面を汚れにスフィンゴ糖脂質、および微生物へのコンディショニングされた表面のその後の感受性アタッチメント⁵マイクロ流体クロスフロー装置は、ナノ濾過膜の性能を評価しました。膜表面積が小さいので、これは、膜表面の汚れのために少量でのみ利用でき、特別な非商業的な脂質成分の使用を許可されました。システムのサイズは、膜材料と溶液の少量の効率的な使用を可能にしました。このプロトコルでは、我々は、膜の性能試験のためのマイクロ流体デバイスの設計及び製造を記述し、圧力流システムにデバイスの組み込みを概説します。装置のデモンストレーションはTESTIで示されていますモデル汚染物、BSAを用いた限外濾過膜とナノ濾過膜の性能をngの^。6,7

Protocol

1.設計とマイクロ流体テストシステムの試作

1. CADプログラムで上部と下部（ 図1）：2つの部分としてのマイクロ流体デバイスを設計します。
2. 60ミリメートルの長方形で40ミリメートルを描画する矩形ツールを使用して底部を作り​​始めます。
3. 円ツールとの1コーナーで6.2ミリメートル直径の円はエッジから10mmを中心に作成します。直線パターンツールで6穴の合計20ミリメートル間隔で長方形全体に穴を複製。
4. フィレットツールを使用すると、1mmの半径を有する矩形をフィレット。
5. 押し出しツールで一部10ミリメートルを押し出します。
6. 上面の中央には、1ミリメートルによると押し出しカットツールで長方形ツールで長方形を作成する30ミリメートルは、流路のための0.2ミリメートルを切りました。
7. 円ツールを使用して流路の端部に直径1mmの円を作ります。そして、ラインツールで最寄りに円を接続する経路を構築フィレットツールで作られた4ミリメートルの半径を含む10ミリメートル面によって40ミリメートル、。掃引カットツールを使用して、このパスに沿ってカットしてください。
8. 円ツールで流路の中央に3.9ミリメートルの直径の円を作成し、フィッティングを可能にするために押し出しカットツールを使用して8ミリメートルを切りました。
9. 繰り返しは、流路の反対側のための1.7と1.8を繰り返します。
10. 上部の繰り返しで1.2から1.5を繰り返します。そして、上面の中央に1ミリメートルによって長方形30ミリメートルを作成するために、矩形ツールを使用して、透過物チャネルを作成し、押し出しカットツールを使用して、0.5ミリメートルを切りました。
11. 端から透過液流路5ミリメートルの中央に1ミリメートルの円を作成する円ツールを使用してください。ラインツールでフィレットツールで作られた4ミリメートルの半径を含む6センチメートル面により1センチメートル、のいずれかに丸を結ぶ経路を構築します。掃引カットツールを使用して、パスに沿ってカットしてください。
12. 円ツールで透過経路上を中心とする追加の3.9ミリメートルの直径の円を作成し、元と8ミリメートルを切りますカットツールをTRUDE。
13. 部分に長方形フィレットツールで4ミリメートルの半径を追加する5ミリメートルによって40ミリメートルを作成し、長方形ツールで、40ミリメートルの縁をトップ。ハンドルのための下向きの3ミリメートルを押し出すために押し出しツールを使用します。
14. チャンネルを含む各部品の表面に柔らかいゴム状ポリマーで上塗り0.05ミリメートルを含むハード透明ポリマーを使用して、複数材料フォトポリマー3次元プリンタで印刷部品。メーカーの標準プロトコル、キャリブレーションと設定を使用します。
15. 飼料にスレッド（M5）をタップし、保持物およびオリフィスを浸透。透過液に1/8 "フィードおよび保持する金具と1/16"フィッティングを接続する配管工のテープを使用してください。
16. 1/8 "チューブ（ 図2）でポンピングするマイクロ流体デバイス、バルブ、圧力変換器と背圧調整器に接続します。
17. チューブを入口に、0.45μmのフィルターを接続します。
18. 放電は1/16 "チューブとのバランス上とビーカーメートルを流れるように浸透します。
19. はタイワイヤーで3ウェイバルブにネジと標準サーボと背圧調整器に連続回転サーボを取り付けます。
20. サーボシールドにサーボ電源を接続します。
21. 圧力変換器、スイッチおよびサーボシールドは、マイクロコントローラに接続します。
22. データロギングおよびシステム制御用PCに、マイクロコントローラ、残高、流量計とポンプを接続します。
23. そのシリアルポートにデータを印刷するために残高を設定します。

2.試験される膜を調製

1. x 8ミリメートル40ミリメートルに膜をカットします。
2. 超音波処理して（3×10分）を超純水に膜を浸します。
3. その後、1時間50/50超純水/エタノールに膜を浸します。
4. 4℃の超純水中での超純水や店舗を有する膜を洗浄します^。8

3.ナノ濾過膜でテストするためのソリューションを準備します

1. 三角フラスコに超純水500ミリリットルを追加します。その後、BSA ANの0.04グラムを追加します。NaClをD 0.29グラム。
2. 別々の三角フラスコに超純水500ミリリットルを追加します。次いでMgSO ₄の0.6グラムを追加します。
3. 第三の三角フラスコに超純水500ミリリットルを追加します。その後のNaCl 0.29グラムを追加します。
4. 各フラスコに攪拌棒を挿入し、攪拌プレート上にフラスコを置きます。 500rpmで5分間混合します。

4.ナノ濾過汚れの実験を行います

注：RT（約24℃）で実験を行います。まず流量計に接続されていないセルを流れるようにバルブを閉じることにより、単一の膜を測定するためのシステムを設定します。

1. 超純水の貯留し、MgSO ₄溶液中に他の入口管（ 図2）に1つのポンプ入口チューブを挿入します。
2. システム内のすべての気泡を除去するために配管を介して水と_硫酸マグネシウム溶液を描画するために注射器を使用。
3. で、フローセルの底部にナノ濾過膜を挿入しますフローセルの上部に供給チャネル、および場所に向けて積極的な側面。
4. 手でナットを固定し、その後の漏れを最小限にするようにレンチで均等に締めます。
5. 貯留セレクタースイッチで超純水を選択します。
6. 2ミリリットル/分にポンプ流量を設定し、ポンプを起動します。
7. 4バールに圧力調整器を調整します。
8. 貯水池に水溜りで始まるすべての45分を切り替えるために実験パラメータを設定します。
9. autoに貯留スイッチを設定し、実験を開始します。
10. 60分で、次の30分間、チューブ内のMgSO ₄透過物を収集します。
11. 91分にBSAおよびNaClの溶液を含むフラスコとし、MgSO ₄フラスコを交換してください。
12. 迅速にポンプを停止し、チューブに_し 、MgSO 4残り物を削除するには、入口管を介してBSA溶液を描画するために注射器を使用しています。その後、再びポンプを起動します。
13. 150分で、BSAは、次の30分間、チューブ内に浸透集めます。
14. 225分後に、システムをシャットダウンし、ナノを削除フローセルからろ過膜。
15. シリンジを用いて、超純水を試験液導入管を洗い流します。
16. 繰り返して試験した各追加の膜のための4.1から4.15繰り返します。
17. NaClのみのテストでは、繰り返しは4.1から4.10、および4.14から4.16 NaCl溶液でのMgSO _4溶液を交換し、90分の代わりに、225分後に実験を終了するステップ。

ナノ濾過膜の5計算塩排除

1. 超純水でポテンショスタット試験セルの電極を洗浄します。
2. ピペットを用いて、テストセル電極上のMgSO _4溶液の堆積物5μL。
3. ソリューションのレコード抵抗。
4. 繰り返しは、5.1から5.3まで4回以上のステップを、その平均値を計算します。
5. 繰り返して、回収した溶液を浸透NaCl及びBSA / NaClのソリューションだけでなく、それぞれに5.1から5.4を繰り返します。
6. 式1と塩排除を計算します。
   6eq1.jpg "/>
   ここで_、Ωsが試験溶液の抵抗であり_、Ωpは透過水の抵抗です。抵抗は直接塩濃度に相関溶液の導電率に反比例します。

6.限外ろ過膜でテストするために、ソリューションの準備

1. 4リットルのビーカーに超純水1Lを追加します。その後、BSAの0.32グラムを追加します。
2. 撹拌プレート上のビーカーや場所に攪拌棒を挿入します。 500rpmで5分間混合します。
3. ビーカーおよび500 rpmで5分間再び混合する超純水の追加の3 Lを追加します。

7.限外ろ過汚れの実験を行います

注：RT（約24℃）で実験を行います。最初のセルを流れるようにすべてのバルブを開くことにより、並列に4膜を測定するためのシステムを設定します。

1. 番目に超純水溜りや他の入口管に1つのポンプ入口管を配置E BSA溶液（ 図2）。
2. システム内のすべての気泡を除去するために配管を介して水とBSA溶液を描画するために注射器を使用。
3. 供給チャネルに向けた積極的な側面で、フローセルの底部に限外濾過膜を挿入し、マイクロ流体デバイスの上部半分で細胞を閉じます。
4. レンチで均等に締めた後、手でナットを固定します。不適切な締め付けが水漏れにつながる可能性があります。
5. リザーバースイッチ付き超純水を選択します。
6. 8ミリリットル/分にポンプ流量を設定し、ポンプを起動します。
7. 0.4バールに圧力調整器を調整します。
8. 製造業者のプロトコルに従ってデータ収集ソフトウェアを有する膜のフラックス値を監視します。
9. 平均フラックスは10％±200 LMHがあるまで、圧力調整器を調整します。
10. フラックスは20％±200 LMHがない場合は、個々の膜を交換してください。
11. 実験パラメータを入力します。最初の超純水RESEを選択200±20 LMHの一定フラックスで60分間rvoir。その後、圧力調整器の手動制御で420分間BSAリザーバを選択します。最後に、実験の終了時にフラッシュシステムへの圧力調整器の手動制御で15分間超純水溜りを選択します。
12. autoに貯留スイッチを設定し、実験を開始します。
13. 実行完了後、システムをシャットダウンし、フロー細胞から膜を除去します。
14. 超純水で注射器と、フラッシュポンプ入口管。

Results

マイクロ流体フローセルは、多材料フォトポリマーの三次元（3-D）プリンタを使用してCADプログラムを用いて設計し、印刷されました。膜は容易に（ 図1）に挿入し、デバイスから除去することができるように、このセルは、二つの部分にデザインされました。各部分は、構造的完全性のためのハード、透明なポリマーから印刷し、厚さ1cmとし、膜に面した側面には、ゴム状重合体の非常に薄い50μmの層をオーバーコートしました。オーバーコートは、水漏れを防止するシール機能を有する細胞を提供するために実施しました。流路は0.2ミリメートル、深い1mm幅と膜の30ミリメートル^2の面積をテストする30ミリメートルの長で設計されました。 8 mmで洗浄プロトコル、40 mmの膜を切断した後、試験膜を装置に挿入しました。六ステンレス鋼ボルトとナット（M6）は、デバイスを締め付けるために使用された、それはシステム（ 図2）に接続しました。この方法では、細胞は、PEであります膜を容易に交換することができるがrmanently、システムに接続されています。一つのセルは、ナノ濾過膜の実験のた...

Discussion

このプロトコルは、ナノ濾過、限外濾過膜の試験のための3次元印刷マイクロ流体クロスフロー装置の設計について説明します。最近、我々は、ナノ濾過膜コンディショナーのこのプロトコルの変化の成功を示し、後続の細菌培養注入とスフィンゴ糖脂質及びリポ多糖および膜性能の違いで汚れている。この技術を用いた⁵将来のアプリケーションは、異なる汚染物質を有する膜性能の変化を評価するために使用することができます。より大きな流れの細胞と比較して、このマイクロ流体デバイスは、はるかに少ない試験溶液を必要とし、大幅に数量限定でのみ利用可能であるもの、特に、汚染物質や化合物のためのコストを削減することができます。小さなフォーマットは、実験室規模の試験のために、それが便利になり、ハイスループット試験に適してもよいです。

マイクロ流体クロスフロー装置の設計は、THRを達成しました3次元印刷の主な利点であるウワーッ反復プロトタイピング、。一般的なデバイス設計の特徴はナノ濾過膜の用途に使用される以前に公開されたマイクロ流体クロスフロー装置に基づいていた^。9,10最も重要な設計上の...

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	膜 Filmtec NF200
30 kDa UF膜	MICRODYN NADIR	UH030
50 kDa UF膜	MICRODYN NADIR	UH050
圧力トランスデューサ	ミダス	43006711
ボールバルブ	AV-RF	Q91SA-PN6.4
3 ウェイバルブ	iLife 医療機器	902.071
圧力調整器	スウェージロック	KCB1G0A2A5P20000
流量計	ブロンコスト	L01-AGD-99-0-70S
バランス	MRC	BBA-1200
ポンプ	コールパーマー	EW-00354-JI
1/8" チューブ	コールパーマー	EW-06605-27
1/16" チューブ	コールパーマー	EW-06407-41
1/16" 継手	コールパーマー	EW-30486-70
1/8" 継手	カイオワ	QSM-B-M5-3-20
マイクロコントローラー	Adafruit	50	Arduino UNO R3
連続回転サーボ	Adafruit	154
標準サーボ	Adafruit	1142
電源	Adafruit	658
サーボシールド	SainSmart	20-011-905
スイッチ	部品 Express	060-376
0.45 ミクロン フィルター	EMD Millipore	SLHV033RS
Potentiostat	Gamry	PCI4
Sonicator	MRC	DC-150H
Connex 3Dプリンタ	Stratasys	Objet Connex
Veroclear	ストラタシス	RGD810	フローセル印刷用透明ポリマー
Tangoblack-plus	Stratasys	FLX980	フローセル上のガスケット層用軟質ゴムポリマー