Trójwymiarowo drukowany mikroprzepływowy system przepływu krzyżowego do testowania wydajności membran ultrafiltracyjnych/nanofiltracyjnych

Summary

Pokazano projekt i wykonanie trójwymiarowego (3D) drukowanego mikroprzepływowego systemu filtracji krzyżowej. System służy do testowania wydajności i obserwacji zanieczyszczenia membran ultrafiltracyjnych i nanofiltracyjnych (kompozytów cienkowarstwowych).

Abstract

Minimalizacja i zarządzanie zanieczyszczeniem membran jest ogromnym wyzwaniem w różnych procesach przemysłowych i innych praktykach wykorzystujących technologię membranową. Zrozumienie procesu zanieczyszczenia może prowadzić do optymalizacji i wyższej wydajności filtracji membranowej. Tutaj pokazujemy projekt i produkcję zautomatyzowanego, drukowanego trójwymiarowo (3D) mikroprzepływowego systemu filtracji krzyżowej, który może testować do 4 membran równolegle. Ogniwa mikroprzepływowe zostały wydrukowane przy użyciu wielomateriałowej technologii fotopolimerowego druku 3D, w której wykorzystano przezroczysty twardy polimer do korpusu komórki mikroprzepływowej i zastosowano cienką warstwę polimeru przypominającą gumę, która zapobiega wyciekom podczas pracy. Przetestowano wydajność membran ultrafiltracyjnych (UF) i nanofiltracyjnych (NF), a zanieczyszczenie membrany można było zaobserwować za pomocą modelowej albuminy surowicy bydlęcej (BSA). Roztwory zasilające zawierające BSA wykazały spadek strumienia membrany. Protokół ten może zostać rozszerzony o pomiar zanieczyszczenia lub biofoulingu wieloma innymi roztworami organicznymi, nieorganicznymi lub mikrobiologicznymi. Konstrukcja mikroprzepływowa jest szczególnie korzystna w przypadku testowania materiałów, które są kosztowne lub dostępne tylko w małych ilościach, na przykład polisacharydów, białek lub lipidów, ze względu na małą powierzchnię badanej membrany. Ten modułowy system można również łatwo rozbudować w celu przeprowadzenia testów membran o wysokiej przepustowości.

Introduction

Technologia membranowa jest integralną częścią procesów przemysłowych i innych wymagających separacji substancji rozpuszczonych od roztworu masowego, jednak zanieczyszczenie membrany jest głównym wyzwaniem. ¹ Typowymi przykładami zanieczyszczenia membran są membrany ultrafiltracyjne do separacji ścieków na podstawie ^wielkości,2 oraz cienkowarstwowe membrany kompozytowe do oddzielania jonów i większych substancji rozpuszczonych od wody słonawej lub morskiej. ³ Charakterystycznymi objawami zanieczyszczenia są wzrost ciśnienia transbłonowego i spadek strumienia. Zmniejsza to produktywność membrany i skraca jej żywotność ze względu na chemiczne lub inne protokoły czyszczenia. W związku z tym wydajność membrany jest dobrym wskaźnikiem do oceny zanieczyszczenia oraz zrozumienia mechanizmów i skutków zanieczyszczenia, biofoulingu i tworzenia biofilmu na membranach. Ocena wydajności jest również ważna przy projektowaniu lub modyfikacji nowych membran.

Zainteresowanie zastosowaniem membran w urządzeniach mikroprzepływowych rośnie w ciągu ostatniej dekady. ⁴ Niedawno badaliśmy wpływ składników mikrobiologicznych, lipopolisacharydu i glikosfingolipidu, na zanieczyszczenie powierzchni membrany nanofiltracyjnej, a następnie podatność kondycjonowanej powierzchni na przyczepienie mikrobiologiczne. ⁵ Do oceny wydajności membran nanofiltracyjnych wykorzystano mikroprzepływowe urządzenie do przepływu krzyżowego. Pozwoliło to na zastosowanie specjalnych, niekomercyjnych składników lipidowych dostępnych tylko w niewielkich ilościach do zanieczyszczania powierzchni membrany, ponieważ powierzchnia membrany była niewielka. Wielkość systemu pozwoliła na efektywne wykorzystanie materiałów membranowych i niewielką ilość roztworów. W tym protokole opisujemy projekt i produkcję urządzenia mikroprzepływowego do testowania wydajności membrany oraz nakreślamy włączenie urządzenia do systemu przepływu ciśnienia. Demonstracja urządzenia jest pokazana poprzez testowanie wydajności membran ultrafiltracyjnych i membran nanofiltracyjnych przy użyciu modelowego środka zanieczyszczającego, BSA. ^6,7

Protocol

1. Projektowanie i produkcja mikroprzepływowego systemu testowego

1. Zaprojektuj urządzenie mikroprzepływowe jako dwie oddzielne części: część górną i część dolną (rysunek 1) w programie CAD.
2. Rozpocznij tworzenie dolnej części za pomocą narzędzia prostokąt, aby narysować prostokąt o wymiarach 40 mm na 60 mm.
3. W jednym z rogów za pomocą narzędzia Okrąg utwórz okrąg o średnicy 6,2 mm wyśrodkowany w odległości 10 mm od krawędzi. Za pomocą narzędzia do tworzenia wzoru liniowego odtwórz otwory w poprzek prostokąta w odstępach 20 mm, co daje w sumie 6 otworów.
4. Za pomocą narzędzia do zaokrąglania zaokrąglij prostokąty o promieniu 1 mm.
5. Wyciągnij część o 10 mm za pomocą narzędzia do wyciągania.
6. Na środku górnej powierzchni za pomocą narzędzia Prostokąt utwórz prostokąt o wymiarach 30 mm na 1 mm, a za pomocą narzędzia do wycinania wyciągnięcia wytnij 0,2 mm dla kanału przepływowego.
7. Za pomocą narzędzia do tworzenia kół wykonaj okrąg o średnicy 1 mm na końcu kanału przepływowego. Następnie za pomocą narzędzia do tworzenia linii skonstruuj ścieżkę łączącą okrąg z najbliższą powierzchnią o wymiarach 40 mm na 10 mm, w tym promień 4 mm wykonany za pomocą narzędzia do zaokrąglania. Wykonaj cięcie wzdłuż tej ścieżki za pomocą narzędzia do cięcia po ścieżce.
8. Za pomocą narzędzia do tworzenia kół utwórz okrąg o średnicy 3,9 mm na środku ścieżki przepływu i przytnij 8 mm za pomocą narzędzia do wycinania wyciągnięć, aby umożliwić dopasowania.
9. Powtórz kroki 1.7 i 1.8 dla przeciwnej strony kanału przepływowego.
10. Z górną częścią powtórz kroki 1.2-1.5. Następnie na środku górnej powierzchni utwórz kanał przenikania za pomocą narzędzia Prostokąt, aby utworzyć prostokąt o wymiarach 30 mm na 1 mm i wytnij 0,5 mm za pomocą narzędzia do wycinania wyciągnięć.
11. Użyj narzędzia do okręgów, aby utworzyć okrąg o średnicy 1 mm wyśrodkowany w kanale przepuszczalności w odległości 5 mm od końca. Za pomocą narzędzia do tworzenia linii zbuduj ścieżkę łączącą okrąg z jedną ze ścian o wymiarach 1 cm na 6 cm, w tym o promieniu 4 mm wykonanym za pomocą narzędzia do zaokrąglania. Wykonaj cięcie wzdłuż ścieżki za pomocą narzędzia do cięcia po ścieżce.
12. Za pomocą narzędzia do tworzenia kół utwórz dodatkowy okrąg o średnicy 3,9 mm z jego środkiem na ścieżce przenikania i wytnij 8 mm za pomocą narzędzia do wycinania głębi
.
13. Na górnych krawędziach 40 mm elementów za pomocą narzędzia Prostokąt utwórz prostokąty o wymiarach 40 mm na 5 mm, dodając promienie 4 mm za pomocą narzędzia do zaokrąglania. Użyj narzędzia do wyciągania, aby wyciągnąć uchwyty o 3 mm w dół.
14. Drukuj części za pomocą wielomateriałowej fotopolimerowej drukarki 3D przy użyciu twardego przezroczystego polimeru, w tym 0,05 mm powłoki z miękkim gumowatym polimerem na powierzchni każdej części, która zawiera kanał. Korzystaj ze standardowego protokołu producenta, kalibracji i ustawień.
15. Wbić gwinty (M5) w otwory zasilające, retentacyjne i permeatowe. Użyj taśmy hydraulicznej, aby połączyć złączki 1/8" z zasilaniem i retentatem oraz złączki 1/16" z permeatem.
16. Podłącz urządzenia mikroprzepływowe do pompy, zaworów, przetwornika ciśnienia i regulatora ciśnienia zwrotnego za pomocą rurki 1/8" (rysunek 2).
17. Podłącz filtry 0,45 μm do rurek wlotowych.
18. Odprowadzanie permeatu do przepływomierza i zlewek na wagach z rurką 1/16".
19. Przymocuj serwo o ciągłym obrocie do regulatora ciśnienia zwrotnego za pomocą i standardowe serwo do zaworu 3-drogowego za pomocą drutu ściągającego.
20. Podłącz serwomechanizmy i zasilacz do osłony serwomechanizmu.
21. Podłącz przetwornik ciśnienia, przełączniki i osłonę serwomechanizmu do mikrokontrolera.
22. Podłącz mikrokontroler, wagi, przepływomierz i pompę do komputera w celu rejestrowania danych i sterowania systemem.
23. Skonfiguruj wagi tak, aby drukowały dane na ich porcie szeregowym.

2. Przygotuj membrany do testów

1. Przytnij membrany do 40 mm x 8 mm.
2. Namocz membrany w ultraczystej wodzie (3 x 10 min) z sonikacją.
3. Następnie namocz membrany w ultraczystej wodzie/etanolu 50/50 na 1 godzinę.
4. Przepłukać membrany ultraczystą wodą i przechowywać w ultraczystej wodzie o temperaturze 4 °^C.8

3. Przygotuj roztwory do testowania z membranami nanofiltracyjnymi

1. Dodać 500 ml ultraczystej wody do kolby Erlenmeyera. Następnie dodać 0,04 g BSA i 0,29 g NaCl.
2. Dodać 500 ml ultraczystej wody do oddzielnej kolby Erlenmeyera. Następnie dodać 0,6 g_MgSO4.
3. Dodać 500 ml ultraczystej wody do trzeciej kolby Erlenmeyera. Następnie dodaj 0,29 g NaCl.
4. Włóż pręty mieszające do każdej kolby i umieść kolby na płytkach mieszających. Mieszaj przez 5 minut przy 500 obr./min.

4. Przeprowadź eksperyment z zanieczyszczeniem nanofiltracją

Uwaga: Przeprowadź eksperyment w temperaturze RT (ok. 24 °C). Najpierw skonfiguruj system do pomiaru pojedynczej membrany, zamykając zawory do komórek przepływowych niepodłączonych do przepływomierza.

1. Włóż jedną rurkę wlotową pompy do zbiornika wody ultraczystej, a drugą rurkę wlotową do roztworu_MgSO4 (rysunek 2).
2. Za pomocą strzykawki pobrać wodę i roztwór_MgSO4 przez rurki, aby usunąć wszystkie pęcherzyki powietrza z systemu.
3. Umieścić membranę nanofiltracyjną w dolnej części komory przepływowej, stroną aktywną w kierunku kanału zasilającego, i umieścić w górnej części komory przepływowej.
4. Dokręć nakrętki ręcznie, a następnie dokręć równomiernie kluczem, aby zminimalizować wycieki.
5. Wybierz wodę ultraczystą za pomocą przełącznika wyboru zbiornika.
6. Ustaw natężenie przepływu pompy na 2 ml/min i uruchom pompę.
7. Ustaw regulator ciśnienia na 4 bary.
8. Ustaw parametry eksperymentalne, aby zmieniać zbiorniki co 45 minut, zaczynając od zbiornika wodnego.
9. Ustaw przełącznik zbiornika w pozycji auto i rozpocznij eksperyment.
10. Po 60 minutach zebrać permeat_MgSO4 w probówce na następne 30 minut.
11. Po 91 minutach zastąpić kolbę_MgSO4 kolbą zawierającą roztwór BSA i NaCl.
12. Szybko zatrzymaj pompę i za pomocą strzykawki przeciągnij roztwór BSA przez rurkę wlotową, aby usunąć MgSO₄ pozostałości w przewodach. Następnie ponownie uruchom pompę.
13. Po 150 minutach zebrać permeat BSA w probówce na następne 30 minut.
14. Po 225 minutach należy wyłączyć system i usunąć membranę nanofiltracyjną z komory przepływowej.
15. Za pomocą strzykawki przepłukać rurkę wlotową roztworu testowego ultraczystą wodą.
16. Powtórzyć kroki 4.1-4.15 dla każdej dodatkowej badanej membrany.
17. W przypadku testów tylko NaCl powtórz kroki 4.1-4.10 i 4.14-4.16, zastępując roztwór MgSO₄ roztworem NaCl i kończąc eksperyment po 90 minutach zamiast po 225 minutach.

5. Obliczanie odrzucania soli przez membrany nanofiltracyjne

1. Przepłukać elektrody komory testowej potencjostatu ultraczystą wodą.
2. Za pomocą pipety nanieść 5 μl roztworu_MgSO4 na elektrody ogniwa testowego.
3. Rekordowa odporność roztworu.
4. Powtórz kroki 5.1-5.3 jeszcze cztery razy i oblicz wartość średnią.
5. Powtórzyć kroki 5.1-5.4 dla roztworów NaCl i BSA/NaCl, jak również dla każdego zebranego roztworu permeatu.
6. Obliczać odrzucenie soli za pomocą równania 1:
   
   gdzie Ω_s jest rezystancją badanego roztworu, a Ω_p jest rezystancją permeatu. Rezystancja jest odwrotnie proporcjonalna do przewodności roztworu, która bezpośrednio koreluje ze stężeniem soli.

6. Przygotuj roztwór do testowania z membranami ultrafiltracyjnymi

1. Dodać 1 l ultraczystej wody do 4-litrowej zlewki. Następnie dodaj 0,32 g BSA.
2. Włóż mieszadło do zlewki i umieść na talerzu do mieszania. Mieszaj przez 5 minut przy 500 obr./min.
3. Dodać dodatkowe 3 l ultraczystej wody do zlewki i ponownie mieszać przez 5 minut przy 500 obr./min.

7. Przeprowadź eksperyment z zanieczyszczeniem ultrafiltracji

Uwaga: Przeprowadź eksperyment w temperaturze pokojowej (ok. 24 °C). Najpierw skonfiguruj system tak, aby mierzył 4 membrany równolegle, otwierając wszystkie zawory do komórek przepływowych.

1. Umieść jedną rurkę wlotową pompy w zbiorniku wody ultraczystej, a drugą rurkę wlotową w roztworze BSA (rysunek 2).
2. Za pomocą strzykawki przeciągnąć wodę i roztwór BSA przez rurkę, aby usunąć wszystkie pęcherzyki powietrza z systemu.
3. Umieścić membrany ultrafiltracyjne w dolnej części komórek przepływowych, stronami aktywnymi w kierunku kanałów zasilających, i zamknąć komórki górnymi połówkami urządzenia mikroprzepływowego.
4. Dokręć nakrętki ręcznie, a następnie dokręć równomiernie kluczem. Niewłaściwe dokręcenie może prowadzić do wycieku wody.
5. Wybierz wodę ultraczystą z przełącznikiem zbiornika.
6. Ustaw natężenie przepływu pompy na 8 ml/min i uruchom pompę.
7. Ustaw regulator ciśnienia na 0,4 bara.
8. Monitoruj wartości strumienia membran za pomocą oprogramowania do akwizycji danych zgodnie z protokołem producenta.
9. Wyreguluj regulator ciśnienia, aż średni strumień wyniesie 200 l/m/h ± 10%.
10. Wymień pojedynczą membranę, jeśli strumień nie wynosi 200 l/m/h ± 20%.
11. Wprowadź parametry przebiegu eksperymentalnego. Najpierw wybierz zbiornik wody ultraczystej na 60 minut ze stałym strumieniem 200 ± 20 l/m/h. Następnie należy dobrać zbiornik BSA na 420 min z ręcznym sterowaniem regulatorem ciśnienia. Na koniec wybierz zbiornik wody ultraczystej na 15 minut z ręcznym sterowaniem regulatorem ciśnienia do systemu spłukiwania na koniec eksperymentu.
12. Ustaw przełącznik zbiornika w pozycji auto i rozpocznij eksperyment.
13. Po zakończeniu pracy wyłącz system i usuń membrany z komórek przepływowych.
14. Za pomocą strzykawki przepłucz rurkę wlotową pompy ultraczystą wodą.

Results

Mikroprzepływowe komórki przepływowe zostały zaprojektowane za pomocą programu CAD i wydrukowane za pomocą wielomateriałowej fotopolimerowej drukarki trójwymiarowej (3-D). Ogniwo to zostało zaprojektowane w dwóch częściach, dzięki czemu membrany można było łatwo wkładać i wyjmować z urządzenia (ryc. 1). Każda część miała grubość 1 cm, wydrukowano z twardego, przezroczystego polimeru w celu zapewnienia integralności strukturalnej, a boki zwrócone w stronę membrany zostały pokryte bardzo cienką warstwą pol...

Discussion

Protokół ten opisuje projekt trójwymiarowo drukowanego mikroprzepływowego urządzenia do pomiaru przepływu krzyżowego do testowania membran nanofiltracyjnych i ultrafiltracyjnych. Ostatnio wykazaliśmy sukces odmiany tego protokołu z kondycjonowaniem membrany nanofiltracyjnej i zanieczyszczeniem glikosfingolipidami i lipopolisacharydami oraz różnicami w wydajności błony przy późniejszym wstrzyknięciu kultury bakteryjnej. ⁵ Przyszłe zastosowania wykorzystujące tę technikę mogą być wykorzystywane do oceny zmian wy...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
BSA	SIGMA-ALDRICH	A6003
NaCl	DAEJUNG	7548-4100
MgSO4EMSURE 1058861000
Membrana NF	Membrana Filmtec	NF200
30 kDa UF MICRODYN	NADIR	UH030
50 kDa Membrana UF	MICRODYN NADIR	UH050
Przetwornik ciśnienia	Zawory kulowe Midas	43006711
	AV-RF	Q91SA-PN6.4
Zawór 3-drogowy	iLife Medical Devices	902.071
Regulator ciśnienia	Swagelok	KCB1G0A2A5P20000
Przepływomierz	Bronkhorst	L01-AGD-99-0-70S
Wagi	MRC	BBA-1200
Pompa	Cole-Parmer	EW-00354-JI
	Cole-Parmer	EW-06605-27
Rurka 1/16"	Cole-Parmer	EW-06407-41
1/16" Złączki	Cole-Parmer	EW-30486-70
1/8" Złączki	Kiowa	QSM-B-M5-3-20
Mikrokontroler	Adafruit	50	Arduino UNO R3
Serwo o ciągłym obrocie	Adafruit	154
Standardowe serwo	Adafruit	1142
Zasilacz	Adafruit	658
Servo Shield	SainSmart	20-011-905
Części przełączników	Express	060-376
Filtry 0,45 mikrona	EMD Millipore	SLHV033RS
Potencjostat	Gamry	PCI4
Sonikator	MRC	DC-150H
Drukarka 3D Connex	Stratasys	Objet Connex
Veroclear	Stratasys	RGD810	przezroczysty polimer do drukowania komórki przepływowej
Tangoblack-plus	Stratasys	FLX980	miękki gumowy polimer do warstw uszczelek na komorze przepływowej