Driedimensionaal Printed microfluïdische Cross-flow-systeem voor Ultrafiltratie / nanofiltratiemembraan Performance Testing
February 13th, 2016
Ontwerp en fabricage van een driedimensionaal (3-D) gedrukt microfluïdische kruisstroom filtratiesysteem wordt aangetoond. Het systeem wordt gebruikt om de prestaties te testen en observeren vervuiling van ultrafiltratie en nanofiltratie (dunne film composite) membranen.
Het algemene doel van deze procedure is om het ontwerp en de werking van een 3D-geprinte microfluïdische kruisstroomcel te demonstreren met als doel de prestaties en de neiging tot verstopping van polymeermembranen te testen. Deze methode kan onderzoekers op het gebied van membranen helpen om de prestaties en de neiging tot verstopping van membranen te bestuderen met behulp van microfluïdica bij verhoogde drukken en goed gedefinieerde stromingsomstandigheden met minimale kosten. Voordelen van deze kleinschalige opstelling zijn onder meer de mogelijkheid om afscheidingen van kleine hoeveelheden hoogvolumematerialen uit te voeren, om membraanopleidingen uit te voeren die dure reagentia vereisen en om meerdere nieuwe membraanformuleringen of modificaties parallel te testen.
Begin met het ontwerpen van het microfluïdische apparaat in twee afzonderlijke delen met behulp van een computerondersteund ontwerpprogramma. Gebruik voor de onderlaag de rechthoektool om een rechthoek van 40 millimeter bij 60 millimeter te tekenen. Gebruik bij een hoek van de rechthoek de cirkeltool om een cirkel van 6,2 millimeter diameter te maken.
Centreer deze cirkel 10 millimeter van de linkerrand en 10 millimeter van de onderkant. Gebruik vervolgens de lineaire patroontool om de gaten over de rechthoek te repliceren met een afstand van 20 millimeter voor een totaal van zes gaten. Gebruik vervolgens de afrondingstool om de rechthoeken af te ronden met een straal van één millimeter.
Vervolgens extrudeert u het onderdeel 10 millimeter met behulp van de extrudeertool. Gebruik in het midden van de bovenkant de rechthoektool om een rechthoek van 30 millimeter bij 1 millimeter te maken. Gebruik vervolgens de extrude-cuttool om een kanaal van 0,2 millimeter diep in het oppervlak te snijden.
Gebruik vervolgens de cirkeltool om een cirkel met een diameter van één millimeter aan het einde van het stromingskanaal te maken. Gebruik vervolgens de lijntool om een pad te construeren dat de cirkel verbindt met het dichtstbijzijnde gezicht van 40 millimeter bij 10 millimeter, inclusief een straal van vier millimeter gemaakt met de afrondingstool. Gebruik de geveegde snijdtool om langs dit pad een snede te maken.
Ga vervolgens naar de rechter vlaktekening en gebruik de cirkeltool om een cirkel met een diameter van 3,9 millimeter in het midden van het stromingspaad te maken. Gebruik vervolgens de extrude-cuttool om acht millimeter te snijden om ruimte te maken voor fittingen. Herhaal dit proces aan de andere kant van het rechthoekige kanaal om een spiegelbeeld te maken.
Om de bovenste laag van het microfluïdische testsysteem te ontwerpen, maakt u eerst een rechthoek met zes schroefgaten met dezelfde afmetingen als de onderlaag. Gebruik vervolgens in het midden van de bovenkant de rechthoektool om eerst een rechthoek van 30 millimeter bij 1 millimeter te maken. En gebruik vervolgens de extrude-cuttool om de rechthoek 0,5 millimeter in de bovenste oppervlakte te snijden.
Gebruik vervolgens de cirkeltool om een cirkel van één millimeter te maken, gecentreerd in het permeaatkanaal, vijf millimeter vanaf een uiteinde van het kanaal. Gebruik vervolgens, zoals eerder, de lijn- en afrondingstools om een pad te construeren dat een band van vier millimeter straal omvat om de cirkel te verbinden met een van de gezichten van één centimeter bij zes centimeter van de rechthoek. Gebruik de geveegde snijdtool om langs het pad te snijden en een kanaal te maken.
Gebruik vervolgens de cirkeltool om een extra cirkel van 3,9 millimeter diameter te maken met het centrum op het permeaatpad. Gebruik vervolgens de extrude-cuttool om de cirkel acht millimeter in het oppervlak te snijden. Gebruik de rechthoektool om aan de bovenste 40 millimeter randen rechthoeken van 40 millimeter bij vijf millimeter te maken, waarbij u met behulp van de afrondingstool een straal van vier millimeter toevoegt.
Gebruik de extrudetool om drie millimeter naar beneden te extruderen voor handgrepen. Druk ten slotte de bovenste en onderste delen af met behulp van een meervoudig materiaal fotopolymeer 3D-printer, met een harde transparante polymeer. Voeg een laag van 0,05 millimeter met een zachte, rubberachtige polymeer toe op het gezicht van elk onderdeel dat het kanaal bevat, in overeenstemming met het protocol van de fabrikant.
Begin met het opzetten van de microfluïdica, inclusief de pomp, de kleppen, de druksensor, de servo's, de flowmeter, de regelaars en de microcontroller, zoals beschreven in het bijbehorende tekstprotocol. Configureer vervolgens het systeem om vier membranen parallel te meten door alle kleppen naar de stromingscellen te openen. Plaats één pompinlaatbuis in het ultrazuivere waterreservoir en plaats de andere inlaatbuis in een reservoir met 0,08 gram per liter BSA-oplossing.
Gebruik een spuit om de slang te primen om alle luchtbellen in het systeem te verwijderen. Plaats vervolgens de ultrafiltratiemembranen op de onderkant van de stromingscellen zodat de actieve kant van het membraan naar de voedingskanalen gericht is. Sluit vervolgens de cellen en voer de schroeven door de gaten in het apparaat.
Bevestig de moeren aanvankelijk met de hand. Gebruik vervolgens een sleutel om ze aan te draaien door rond het apparaat te wisselen, zodat er gelijkmatige druk op de kamer is. Draai geen enkele kant te strak, omdat onjuiste aanpassing kan leiden tot lekkage van water.
Selecteer vervolgens het ultrazuivere water met de reservoirswitch. Stel de pompstroomsnelheid in op acht milliliter per minuut en start vervolgens de pomp. Met de pomp die loopt, stelt u de drukregelaar in op 0,4 bar.
Bewaak de flexwaarden van de membranen met behulp van software voor gegevensverzameling en pas de drukregelaar aan totdat een gemiddelde flux van tussen de 180 en 220 liter per vierkante meter per uur wordt bereikt. Vervang een individueel membraan voordat u de proef uitvoert, als het niet binnen 20 liter per vierkante meter per uur van dit bereik kan komen. Wanneer u klaar bent, stelt u de experimentele run in door eerst het ultrazuivere water in reservoir één te selecteren gedurende 60 minuten met een constante flux van tussen de 180 en 220 liter per vierkante meter per
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Dit artikel demonstreert het ontwerp en de werking van een 3D geprint microfluïdisch kruisstroomfiltratiesysteem. Het systeem wordt gebruikt om de prestaties en vervuilingsneiging van ultrafiltratie- en nanofiltratiemembranen te testen.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Microfluidica
- Membraantechnologie
- Filtratiesystemen
Achtergrond
- Microfluïdische apparaten maken nauwkeurige controle van vloeistofstroming mogelijk.
- Het testen van membraanprestaties is cruciaal voor verschillende toepassingen.
- Vervuiling is een belangrijke uitdaging in membraanfiltratie.
- 3D-printen biedt kosteneffectieve oplossingen voor apparaatfabriek.
Doel van het onderzoek
- Om een 3D geprint microfluïdisch kruisstroomcel te demonstreren.
- Om de prestaties van polymeermembranen te evalueren.
- Om de vervuilingsneiging onder gecontroleerde omstandigheden te beoordelen.
Gebruikte methoden
- Het ontwerpen van het microfluïdische apparaat met CAD-software.
- Het vervaardigen van het apparaat in twee afzonderlijke delen.
- Het testen van membranen bij verhoogde druk.
- Het uitvoeren van experimenten met minimale kosten.
Belangrijkste resultaten
- Het systeem test effectief de membraanprestaties.
- De vervuilingsneiging kan onder gecontroleerde omstandigheden worden waargenomen.
- Kleinschalige opstellingen maken parallel testen van meerdere membranen mogelijk.
- Kosteneffectieve methode voor membraanstudies.
Conclusies
- Het 3D geprinte microfluïdische systeem is een waardevol hulpmiddel voor membraanonderzoek.
- Het maakt efficiënt testen van nieuwe membraanformuleringen mogelijk.
- Deze aanpak kan de begrip van membraanvervuiling bevorderen.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
This 3D-printed microfluidic cross-flow system enables parallel testing of up to four ultrafiltration or nanofiltration membranes under controlled flow and pressure conditions, supporting early-stage evaluation of membrane fouling propensity. By minimizing reagent consumption and allowing rapid iteration on membrane formulations, the system aids in de-risking target validation and lead identification in membrane-based separation technologies relevant to biopharma purification workflows. Its modular, scalable design supports assay development and reproducibility for downstream process optimization.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of membrane performance and fouling mechanisms using model foulants like BSA to validate separation hypotheses.
- Operational Value: Supports parallel testing of multiple membrane variants, accelerating structure-function relationship studies.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Provides quantitative flux measurements under defined conditions, enabling standardized assessment of membrane fouling resistance.
- Operational Value: Reduces reagent and sample volume requirements, making it feasible to test expensive or limited-availability biomaterials.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates continuity from discovery to preclinical evaluation by generating reproducible fouling data predictive of larger-scale performance.
- Operational Value: Enables risk-adjusted advancement decisions through early detection of fouling-prone membrane candidates.
Pipeline & Workflow Integration
The system integrates into membrane discovery workflows by supporting hypothesis testing, assay standardization, and data-driven selection of membrane candidates prior to scale-up.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by isolating variables such as pressure, flow rate, and foulant concentration to clarify membrane-foulant interactions.
- Screening: Enables high-throughput readiness through parallel testing and modular expansion for evaluating diverse membrane formulations.
- Analytics: Generates flux decline readouts that serve as quantitative dependent variables for comparing membrane performance under fouling conditions.
- Translational Research: Connects early fouling observations to preclinical continuity by providing data that inform scale-up feasibility.
- Enterprise Reuse: Designed as a reusable platform for iterative testing across multiple projects, reducing redundant development efforts.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Improves predictive confidence in membrane selection by enabling controlled fouling studies with measurable outputs.
- Operational Value: Enhances reproducibility and standardization through precise fluid control and sealed multi-material fabrication.
- Strategic Value: Supports better go/no-go decisions by identifying fouling risks early, reducing late-stage process failures.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of membrane candidates based on empirical fouling resistance data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic design, CAD modeling, and multi-material 3D printing.
- Needs pressure regulation, flow control, and flux measurement instrumentation (e.g., pump, flow meter, data acquisition).
- Demands standardization of membrane preparation, sealing, and tightening procedures to ensure leak-free operation.
- Involves adaptation considerations for different membrane types, foulants, and operational pressures.
- Limited by the small membrane surface area, which may not fully replicate hydrodynamics of industrial-scale systems.
