Tridimensionalmente Impresso Microfluidic Sistema Cross-flow para ultrafiltração / nanofiltração membrana Teste de Desempenho

O objetivo geral deste procedimento é demonstrar o projeto e a operação de uma célula de fluxo cruzado microfluídica impressa em 3D com o objetivo de testar o desempenho e a propensão à incrustação de membranas poliméricas. Este método pode ajudar os pesquisadores no campo da membrana a estudar o desempenho da membrana e a propensão à incrustação usando microfluídica em pressões elevadas e condições de fluxo bem definidas com custos mínimos. As vantagens dessa configuração em pequena escala incluem a capacidade de realizar separações de pequenas quantidades de materiais de alto volume, realizar estudos de membrana que exigem materiais de recondicionamento caros e testar várias novas formulações ou modificações de membrana em paralelo.

Comece projetando o dispositivo microfluídico em duas partes separadas usando um programa de desenho auxiliado por computador. Para criar a camada inferior, use a ferramenta retângulo para desenhar um retângulo de 40 milímetros por 60 milímetros. Em um canto do retângulo, use a ferramenta círculo para criar um círculo de 6,2 milímetros de diâmetro.

Centralize este círculo a 10 milímetros da borda esquerda e a 10 milímetros da borda inferior. Em seguida, use a ferramenta de padrão linear para replicar os furos no retângulo com espaçamento de 20 milímetros para um total de seis furos. Em seguida, use a ferramenta filete para arredondar os retângulos com um raio de um milímetro.

Em seguida, extrude a peça 10 milímetros usando a ferramenta de extrusão. No centro da face superior, use a ferramenta retângulo para criar um retângulo de 30 milímetros por um milímetro. Em seguida, use a ferramenta de corte de extrusão para cortar um canal de 0,2 milímetro de profundidade na superfície.

Em seguida, use a ferramenta círculo para fazer um círculo de um milímetro de diâmetro no final do canal de fluxo. Em seguida, use a ferramenta de linha para construir um caminho conectando o círculo à face mais próxima de 40 milímetros por 10 milímetros, incluindo um raio de quatro milímetros feito com a ferramenta de filete. Usando a ferramenta de corte por varredura, faça um corte ao longo deste caminho.

Em seguida, vá para a visualização do plano direito e use a ferramenta círculo para criar um círculo de 3,9 milímetros de diâmetro no centro do caminho do fluxo. Em seguida, use a ferramenta de corte de extrusão para cortar oito milímetros para permitir espaço para acessórios. Repita esse mesmo processo no outro lado do canal retangular para criar uma imagem espelhada.

Para projetar a camada superior do sistema de teste microfluídico, primeiro faça um retângulo com seis orifícios para parafusos com as mesmas dimensões da camada inferior. Em seguida, no centro da face superior, crie um canal de permeado de 30 milímetros por um milímetro por 0,5 milímetro usando a ferramenta retângulo para criar primeiro um retângulo de 30 milímetros por um milímetro. E então, usando a ferramenta de corte de extrusão, para cortar o retângulo de 0,5 milímetros na superfície superior.

Agora, use a ferramenta círculo para fazer um círculo de um milímetro centralizado no canal de permeado, a cinco milímetros de uma extremidade do canal. Em seguida, como antes, use as ferramentas de linha e filete para construir um caminho que inclua uma faixa de raio de quatro milímetros para conectar o círculo a uma das faces de um centímetro por seis centímetros do retângulo. Use a ferramenta de corte por varredura para cortar ao longo do caminho e criar um canal.

Em seguida, use a ferramenta círculo para criar um círculo adicional de 3,9 milímetros de diâmetro com seu centro no caminho do permeado. E use a ferramenta de corte de extrusão para cortar o círculo de oito milímetros na superfície. Nas arestas superiores de 40 milímetros da peça, com a ferramenta retângulo, crie retângulos de 40 milímetros por cinco milímetros, adicionando um raio de quatro milímetros com a ferramenta filete.

Use a ferramenta de extrusão para extrudar três milímetros para baixo para alças. Por fim, imprima as peças superior e inferior usando uma impressora 3D de fotopolímero multimaterial, com um polímero transparente duro. Inclua um revestimento de 0,05 milímetro com um polímero macio e emborrachado na face de cada peça que contém o canal, de acordo com o protocolo do fabricante.

Para começar, configure a microfluídica, incluindo a bomba, as válvulas, o transdutor de pressão, os servos, o medidor de vazão, os reguladores e o microcontrolador conforme descrito no protocolo de texto que acompanha. Em seguida, configure o sistema para medir quatro membranas em paralelo, abrindo todas as válvulas para as células de fluxo. Coloque um tubo de entrada da bomba no reservatório de água ultrapura e coloque o outro tubo de entrada em um reservatório contendo 0.08 gramas por litro de solução BSA.

Usando uma seringa, prepare o tubo para remover todas as bolhas de ar do sistema. Em seguida, coloque as membranas de ultrafiltração na parte inferior das células de fluxo de modo que o lado ativo da membrana fique voltado para os canais de alimentação. Em seguida, feche as células e passe os parafusos pelos orifícios do dispositivo.

Aperte as porcas com a mão inicialmente. Em seguida, usando uma chave inglesa para apertá-los, alternando ao redor do dispositivo para que haja pressão uniforme na câmara. Não aperte demais nenhum dos lados, pois o aperto inadequado pode causar vazamento de água.

Em seguida, selecione a água ultrapura usando o interruptor do reservatório. Defina a vazão da bomba para oito mililitros por minuto e, em seguida, ligue a bomba. Com a bomba funcionando, ajuste o regulador de pressão para 0.4 bar.

Monitore os valores de flexão das membranas usando software de aquisição de dados e ajuste o regulador de pressão até atingir um fluxo médio entre 180 e 220 litros por metro quadrado por hora. Substitua uma membrana individual antes de executar o experimento, se ela não for capaz de chegar a 20 litros por metro quadrado por hora dessa faixa. Quando estiver pronto, configure a execução experimental selecionando primeiro a água ultrapura no reservatório um por 60 minutos com um fluxo constante entre 180 e 220 litros por metro quadrado por hora.

Em seguida, selecione o BSA no reservatório dois, por mais 420 minutos com controle manual do regulador de pressão. Selecione a água ultrapura no reservatório um para os 15 minutos finais do experimento para lavar o sistema. Use o controle manual do regulador de pressão durante esta etapa.

Em seguida, defina a chave do reservatório para auto e inicie o experimento. Após a conclusão da execução experimental, desligue o sistema e remova as membranas das células de fluxo. Em seguida, enxágue o tubo de entrada BSA puxando água ultrapura através dele com uma seringa.

Para medir o desempenho na incrustação das membranas de nanofiltração, um medidor de vazão foi conectado à linha para medir o fluxo de permeado à medida que várias soluções fluíam pelo sistema. Primeiro, o sistema foi equilibrado com água por 45 minutos, seguido por 45 minutos de sulfato de magnésio 10 milimolares. O sistema foi então devolvido à água pura por mais 45 minutos até que um fluxo estável fosse alcançado antes que 0,8 gramas por litro de BSA fossem alimentados no sistema por 45 minutos.

Finalmente, o sistema foi devolvido à água pura nos 45 minutos finais. A diminuição do fluxo, em comparação com o fluxo de uma membrana controle nas condições de NaCl 10 milimolar, indicou incrustação da membrana devido à BSA. O gráfico mostrado aqui mostra a incrustação das membranas de ultrafiltração.

O fluxo através das membranas de 50 kilodalton é mostrado em azul. E o fluxo através das membranas de 30 kilodalton é mostrado em vermelho. Embora a membrana de 50 kilodalton tenha um fluxo normalizado mais alto no final do experimento, a diferença não foi significativa.

Descobrimos que a tecnologia de base de fotopolimerização a jato de tinta 3D multimaterial era essencial para produzir uma célula de fluxo robusta e incluía uma camada de junta semelhante a borracha impressa, que era crucial para vedar a célula de fluxo e evitar vazamentos. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como projetar e operar sua própria célula de fluxo cruzado microfluídica impressa em 3D personalizada para aplicações de membrana de ultrafiltração ou nanofiltração.