Name: Tridimensionalmente Impresso Microfluidic Sistema Cross-flow para ultrafiltração / nanofiltração membrana Teste de Desempenho (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-02-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 19 s
Description: Aprenda a projetar e operar um sistema microfluídico de fluxo cruzado impresso em 3D para testar o desempenho e a tendência de incrustação de membranas de ultrafiltração e nanofiltração. Este método permite estudos econômicos e paralelos.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Os autores obrigado Stratasys (Rehovot, Israel) para a impressão tridimensional do dispositivo. Somos gratos a Microdyne-Nadir (Alemanha) para as amostras de membrana. Esta pesquisa foi apoiada por The Israel Science Foundation (Grant 1474-1413) para CJA

1. Projeto e Fabricação do Sistema Microfluidic Teste <ol><li> Concepção do dispositivo de microfluidos como duas partes separadas: uma parte de topo e parte de baixo (Figura 1) em um programa de CAD. </li><li> Comece a fazer a parte do fundo usando a ferramenta de retângulo para desenhar um 40 mm por 60 mm retângulo. </li><li> Em um canto com a ferramenta círculo criar um círculo 6,2 mm de diâmetro centrado 10 mm de bordas. Com a ferramenta de padrão linear replicar os furos em todo o rectângulo com espaçamento de 20 mm para um total de 6 furos. </li><li> Usando a ferramenta filé filé os retângulos com um raio de 1 mm. </li><li> Extrusão da parte 10 mm, com a ferramenta de extrusão. </li><li> No centro da face de topo, com a ferramenta rectângulo criar um rectângulo de 30 mm até 1 mm e com a ferramenta de corte de extrusão cortar 0,2 milímetros para o canal de fluxo. </li><li> Usando a ferramenta círculo fazer um círculo de diâmetro de 1 mm na extremidade do canal de fluxo. Depois, com a ferramenta de linha de construir um caminho que liga o círculo para o mais próximo40 mm por 10 mm rosto, incluindo um raio de 4 mm feita com a ferramenta filé. Faça um corte ao longo deste caminho com a ferramenta de corte varrido. </li><li> Com a ferramenta de círculo criar um círculo de diâmetro 3,9 milímetros no centro do trajecto do fluxo e corte 8 mm, com a ferramenta de corte de extrusão para permitir encaixes. </li><li> Repita os passos 1.7 e 1.8 para o lado oposto do canal de fluxo. </li><li> Com o topo parte repita os passos 1,2-1,5. Em seguida, no centro da face superior criar um canal permeado usando a ferramenta de retângulo para criar um retângulo de 30 mm por 1 mm e cortar 0,5 mm utilizando a ferramenta de extrusão de corte. </li><li> Use a ferramenta círculo para fazer um círculo 1 milímetro centrado no permeado canal 5 mm a partir de um fim. Com a ferramenta de linha de construir um caminho de ligação do círculo para uma das 1 cm por 6 cm, incluindo as faces de um raio de 4 milímetros feita com a ferramenta de filete. Faça um corte ao longo do caminho com a ferramenta de corte varrido. </li><li> Com a ferramenta círculo criar círculo adicional de diâmetro 3,9 mm com o seu centro no caminho permeado e cortar 8 mm, com a extrude ferramenta de corte. </li><li> Nas partes Top 40 mm bordas, com a ferramenta retângulo, criar retângulos de 40 mm por 5 mm adição de 4 mm raios com a ferramenta filé. Use a ferramenta de extrusão para extrusão de 3 mm para baixo para os punhos. </li><li> peças de impressão com uma impressora multi-material de fotopolímero 3-D usando um polímero transparente duro, incluindo 0,05 mm de repintura com um polímero elástico macio na face de cada parte que contém o canal. Use fabricante protocolo padrão, calibração e configurações. </li><li> Toque em tópicos (M5) para a alimentação, retido e permeiam orifícios. Use fita de encanador para conectar 1/8 &quot;acessórios para a alimentação e retentado e 1/16&quot; acessórios para o permeado. </li><li> Conectar dispositivos microfluídicos a bomba, válvulas, transdutor de pressão e regulador de contrapressão com 1/8 ​​&quot;tubulação (Figura 2). </li><li> Ligue 0,45 filtros para entrada de tubos. </li><li> Descarga de permeado a fluir metros e copos sobre os saldos com 1/16 &quot;tubulação. </li><li&gt; Anexar servo rotação contínua a contrapressão regulador com parafusos e servo padrão para válvula de 3 vias com tie-wire. </li><li> Ligue servos e fornecimento de energia para escudo servo. </li><li> Conectar-se transdutor de pressão, interruptores e escudo servo para o microcontrolador. </li><li> Ligue microcontrolador, saldos, debitómetro e a bomba a um PC para registro de dados e controle do sistema. </li><li> Configurar saldos para imprimir dados para a sua porta serial. </li></ol> 2. Prepare-se membranas a ser testado <ol><li> Cortar as membranas a 40 mm x 8 mm. </li><li> Soak membranas em água ultrapura (3 x 10 min) com sonicação. </li><li> Em seguida, embeber as membranas em 50/50 ultrapura água / etanol durante 1 h. </li><li> Lavar as membranas com água ultrapura e armazenar em água ultrapura a 4 ° C. 8 </li></ol> 3. Preparar soluções a serem testadas com Nanofiltração Membranas <ol><li> Adicionar 500 ml de água ultrapura para um balão de Erlenmeyer. Em seguida, adicionar 0,04 g de um BSAd 0,29 g de NaCl. </li><li> Adicionar 500 ml de água ultrapura para um balão de Erlenmeyer em separado. Em seguida, adicionar 0,6 g de MgSO4. </li><li> Adicionar 500 ml de água ultrapura com um terceiro balão de Erlenmeyer. Em seguida, adicionar 0,29 g de NaCl. </li><li> Inserir agitar bares para cada balão e colocar frascos em placas de mexer. Misturar durante 5 minutos a 500 rpm. </li></ol> 4. Execute um Experimento de Nanofiltração incrustação Nota: Realiza a experiência à TA (cerca de 24 ° C). Primeiro configurar o sistema para a medição de uma única membrana, fechando as válvulas de fluxo para as células que não estão ligadas ao medidor de caudal. <ol><li> Inserir um tubo de entrada de bomba para dentro do reservatório de água ultrapura e o outro tubo de entrada para a solução de MgSO 4 (Figura 2). </li><li> Utilize uma seringa para extrair a água e MgSO4 solução através de uma tubagem, de modo a remover todas as bolhas de ar no sistema. </li><li> Inserir uma membrana de nanofiltração na parte inferior da célula de fluxo, com alado activo para o canal de alimentação, e lugar na parte superior da célula de fluxo. </li><li> Aperte as porcas com a mão e, em seguida, aperte uniformemente com uma chave de modo a minimizar fugas. </li><li> Seleccione a água ultrapura com a chave seletora reservatório. </li><li> Ajustar a taxa de fluxo da bomba de 2 ml / min e ligar a bomba. </li><li> Ajuste o regulador de pressão para 4 bar. </li><li> Definir parâmetros experimentais para mudar reservatórios cada 45 min começando com o reservatório de água. </li><li> Coloque o interruptor de reservatório para auto, e iniciar a experiência. </li><li> Aos 60 min recolher MgSO4 permeado em um tubo para o próximo 30 min. </li><li> Aos 91 min substituir MgSO4 frasco com frasco contendo a solução de BSA e NaCl. </li><li> Parar rapidamente bomba e usar uma seringa para desenhar solução BSA através do tubo de entrada para remover MgSO4 sobra na tubulação. Em seguida, iniciar a bomba novamente. </li><li> A 150 min recolher BSA permear em um tubo para o próximo 30 min. </li><li> Após 225 min, desligue o sistema e remova nano<html> membrana de filtração a partir da célula de fluxo. </li><li> Usando uma seringa, lave o tubo de entrada solução de teste com água ultrapura. </li><li> Repita os passos 4,1-4,15 para cada membrana adicional testado. </li><li> Para NaCl apenas testes, repita os passos 4,1-4,10 e 4,14-4,16 substituindo solução MgSO 4 com solução de NaCl e terminando o experimento após 90 min em vez de 225 min. </li></ol> 5. Calcule Sal Rejeição de Nanofiltração Membranas <ol><li> Lavar os eléctrodos da célula de teste potenciostato com água ultrapura. </li><li> Com uma pipeta, 5 ul de depósito MgSO4 solução para os eléctrodos da célula de teste. </li><li> resistência registro da solução. </li><li> Repita os passos 5,1-5,3 mais quatro vezes e calcular o valor médio. </li><li> Repita os passos de 5,1-5,4 para as soluções BSA / NaCl e NaCl bem como para cada permear solução recolhida. </li><li> Calcule rejeição de sal com a Equação 1: 6eq1.jpg &quot;/&gt; onde Ω s é a resistência da solução teste e Ω p é a resistência do permeado. A resistência é inversamente proporcional à condutividade de uma solução, que se correlaciona directamente com a concentração de sal. </li></ol> 6. Prepare-se solução a ser testada com Ultrafiltração Membranas <ol><li> Adicionar 1 L de água ultrapura com uma proveta de 4 L. Em seguida, adicionar 0,32 g de BSA. </li><li> Inserir barra de agitação no copo e coloque em uma placa de agitação. Misturar durante 5 minutos a 500 rpm. </li><li> Adicionar adicional de 3 L de água ultrapura ao balão e misturar outra vez durante 5 minutos a 500 rpm. </li></ol> 7. realizam um experimento Ultrafiltração incrustação Nota: Execute um experimento à temperatura ambiente (cerca de 24 ° C). Primeiro, configure o sistema para medir 4 membranas em paralelo através da abertura de todas as válvulas a fluir células. <ol><li> Coloque tubo de entrada de uma bomba dentro do reservatório de água ultrapura e outro tubo de entrada em the solução de BSA (Figura 2). </li><li> Utilize uma seringa para puxar a água e a solução de BSA através da tubagem de modo a remover todas as bolhas de ar no sistema. </li><li> Inserir membranas de ultrafiltração sobre a parte inferior das células de fluxo, com os lados activo para os canais de alimentação, e fechar as células com as metades superiores do dispositivo de microfluidos. </li><li> porcas prenda à mão, em seguida, aperte uniformemente com uma chave. aperto inadequado pode levar a vazamento de água. </li><li> Escolha água ultrapura com interruptor reservatório. </li><li> Ajustar a taxa de fluxo da bomba a 8 ml / min e ligar a bomba. </li><li> Ajuste o regulador de pressão para 0,4 bar. </li><li> Monitorar valores de fluxo de membranas com software de aquisição de dados de acordo com o protocolo do fabricante. </li><li> Ajuste o regulador de pressão até que o fluxo médio é de 200 LMH ± 10%. </li><li> Substitua a membrana individual, se o fluxo não é 200 LMH ± 20%. </li><li> Digite parâmetros de execução experimentais. Primeiro selecione a rese água ultrapurarvoir durante 60 min com um fluxo constante de 200 ± 20 LMH. Em seguida, selecione o reservatório BSA para 420 min com o controle manual do regulador de pressão. Finalmente, seleccionar o reservatório de água ultrapura durante 15 min, com comando manual do regulador de pressão para o sistema de descarga no fim da experiência. </li><li> Coloque o interruptor de reservatório para auto, e iniciar a experiência. </li><li> Depois de completa, sistema de desligar e remover as membranas de células de fluxo. </li><li> Com uma seringa, tubo de entrada da bomba lave com água ultrapura. </li></ol>

<ol><li>Guo, W., Ngo, H. -H., Li, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+mini-review+on+membrane+fouling%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresource+technol%22%5BJournal%5D)">A mini-review on membrane fouling.</a> Bioresource technol. 122, 27-34 (2012).</li>
<li>Fane, A. G., Fell, C. J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+review+of+fouling+and+fouling+control+in+ultrafiltration%5BTitle%5D)+AND+%22Desalination%22%5BJournal%5D)">A review of fouling and fouling control in ultrafiltration.</a> Desalination. 62, 117-136 (1987).</li>
<li>Tang, C. Y., Chong, T. H., Fane, A. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Colloidal+interactions+and+fouling+of+NF+and+RO+membranes%3A+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+colloid+interfac%22%5BJournal%5D)">Colloidal interactions and fouling of NF and RO membranes: a review.</a> Adv. colloid interfac. 164 (1-2), 126-143 (2011).</li>
<li>De Jong, J., Lammertink, R. G. H., Wessling, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Membranes+and+microfluidics%3A+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+chip%22%5BJournal%5D)">Membranes and microfluidics: a review.</a> Lab on a chip. 6 (9), 1125-1139 (2006).</li>
<li>Haas, R., Gutman, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Glycosphingolipids+Enhance+Bacterial+Attachment+and+Fouling+of+Nanofiltration+Membranes%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Sci.+Technol.+Lett%22%5BJournal%5D)">Glycosphingolipids Enhance Bacterial Attachment and Fouling of Nanofiltration Membranes.</a> Environ. Sci. Technol. Lett. 2, (2015).</li>
<li>Nabe, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+modification+of+polysulfone+ultrafiltration+membranes+and+fouling+by+BSA+solutions%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Membr.+Sci%22%5BJournal%5D)">Surface modification of polysulfone ultrafiltration membranes and fouling by BSA solutions.</a> J. Membr. Sci. 133 (1), 57-72 (1997).</li>
<li>Ang, W., Elimelech, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Protein+%28BSA%29+fouling+of+reverse+osmosis+membranes%3A+Implications+for+wastewater+reclamation%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Membr.+Sci%22%5BJournal%5D)">Protein (BSA) fouling of reverse osmosis membranes: Implications for wastewater reclamation.</a> J. Membr. Sci. 296 (1-2), 83-92 (2007).</li>
<li>Bernstein, R., Belfer, S., Freger, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+modification+of+dense+membranes+using+radical+graft+polymerization+enhanced+by+monomer+filtration%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Surface modification of dense membranes using radical graft polymerization enhanced by monomer filtration.</a> Langmuir. 26 (14), 12358-12365 (2010).</li>
<li>Kaufman, Y., Kasher, R., Lammertink, R. G. H., Freger, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfluidic+NF%2FRO+separation%3A+Cell+design%2C+performance+and+application%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Membr.+Sci%22%5BJournal%5D)">Microfluidic NF/RO separation: Cell design, performance and application.</a> J. Membr. Sci. 396, 67-73 (2012).</li>
<li>Kaufman, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Towards+supported+bolaamphiphile+membranes+for+water+filtration%3A+Roles+of+lipid+and+substrate%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Membr.+Sci%22%5BJournal%5D)">Towards supported bolaamphiphile membranes for water filtration: Roles of lipid and substrate.</a> J. Membr. Sci. 457, 50-61 (2014).</li>
</ol>

Os autores não têm nada a revelar.

Este protocolo descreve a concepção de um dispositivo de fluxo cruzado de microfluidos tridimensionalmente impresso para testes de nanofiltração e ultrafiltração membranas. Recentemente, demonstrámos o sucesso de uma variação deste protocolo com membrana de nanofiltração condicionado e incrustações com glicoesfingolípidos e lipopolissacarídeos e as diferenças de desempenho da membrana, com subsequente injecção de cultura bacteriana. 5 As aplicações futuras que empregam esta técnica poderia ser utilizada para ...

<html> A tecnologia de membrana é essencial para os processos industriais e outros que requerem a separação de solutos a partir de uma solução a granel, no entanto, entupimento da membrana é um grande desafio em curso. 1 Exemplos comuns onde entupimento da membrana ocorre incluem a utilização de membranas de ultrafiltração para a separação baseada tamanho de águas residuais, 2 e finas membranas compostas filme para a separação de íons e solutos maiores de água salobra ou água do mar. 3 indicações características de incrustação incluem um aumento da pressão transmembrana e um declínio no fluxo. Isto diminui a produtividade da membrana e encurta o seu tempo de vida, devido aos protocolos químicos de limpeza ou outros. Portanto desempenho da membrana é um bom indicador para avaliar incrustações e para compreender os mecanismos e os efeitos da incrustação, biofouling e formação de biofilme em membranas. Além disso, a avaliação de desempenho é importante na concepção ou da alteração de membranas. EFT &quot;&gt; O interesse no uso de membranas em dispositivos de microfluidos tem vindo a crescer ao longo da última década. 4 Recentemente, foi estudado o efeito de componentes microbianos lipopolissacárido, e glicosfingolípidos de incrustação da superfície de uma membrana de nanofiltração, e a susceptibilidade subsequente da superfície condicionada a microbiana anexo. 5 Um dispositivo de microfluidos de fluxo cruzado foi utilizado para avaliar o desempenho das membranas de nanofiltração. Isto permitiu o uso de componentes especiais de lipídios não comercial disponíveis em pequenas quantidades para incrustações da superfície da membrana porque a área de superfície da membrana era pequeno. O tamanho do sistema permitiu o uso eficiente de materiais de membrana e pequenos volumes de soluções. Neste protocolo, descrevemos o projeto e fabricação do dispositivo microfluídico para testes de desempenho de membrana, e delinear a incorporação do dispositivo em um sistema de fluxo de pressão. Demonstração do dispositivo é mostrado por testing do desempenho de membranas de ultrafiltração e as membranas de nanof iltração utilizando um modelo de incrustao, BSA a 6,7.

<table><tbody><tr><td>BSA</td><td>SIGMA-ALDRICH</td><td>A6003</td><td></td></tr><tr><td>NaCl</td><td>DAEJUNG</td><td>7548-4100</td><td></td></tr><tr><td>MgSO4</td><td>EMSURE</td><td>1058861000</td><td></td></tr><tr><td>Membrana NF</td><td>Filmtec</td><td>NF200</td><td></td></tr><tr><td>30 kDa Membrana UF</td><td>MICRODYN NADIR</td><td>UH030</td><td></td></tr><tr><td>50 kDa Membrana UF</td><td>MICRODYN NADIR</td><td>UH050</td><td></td></tr><tr><td>Transdutor de pressão</td><td>Midas</td><td>43006711</td><td></td></tr><tr><td>Válvulas de esfera</td><td>AV-RF</td><td>Q91SA-PN6.4</td><td></td></tr><tr><td>Válvula de 3 vias</td><td>iLife Medical Devices</td><td>902.071</td><td></td></tr><tr><td>Regulador de pressão</td><td>Swagelok</td><td>KCB1G0A2A5P20000</td><td></td></tr><tr><td>Medidor de vazão</td><td>Bronkhorst</td><td>L01-AGD-99-0-70S</td><td></td></tr><tr><td>Balanças</td><td>MRC</td><td>BBA-1200</td><td></td></tr><tr><td>Bomba</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-00354-JI</td><td></td></tr><tr><td>1/8" Tubulação</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-06605-27</td><td></td></tr><tr><td>1/16" Tubulação</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-06407-41</td><td></td></tr><tr><td>1/16" Conexões</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-30486-70</td><td></td></tr><tr><td>1/8" Conexões</td><td>Kiowa</td><td>QSM-B-M5-3-20</td><td></td></tr><tr><td>Microcontrolador</td><td>Adafruit</td><td>50</td><td>Arduino UNO R3</td></tr><tr><td>Servo de Rotação Contínua</td><td>Adafruit</td><td>154</td><td></td></tr><tr><td>Servo Padrão</td><td>Adafruit</td><td>1142</td><td></td></tr><tr><td>Fonte de Alimentação</td><td>Adafruit</td><td>658</td><td></td></tr><tr><td>Servo Shield</td><td>SainSmart</td><td>20-011-905</td><td></td></tr><tr><td>Peças de Interruptores</td><td>Express</td><td>060-376</td><td></td></tr><tr><td>0,45 Filtros de Mícron</td><td>EMD Millipore</td><td>SLHV033RS</td><td></td></tr><tr><td>Potenciostato</td><td>Gamry</td><td>PCI4</td><td></td></tr><tr><td>Sonicator</td><td>MRC</td><td>DC-150H</td><td></td></tr><tr><td>Connex Impressora 3D</td><td>Stratasys</td><td>Objet Connex</td><td></td></tr><tr><td>Veroclear&nbsp;</td><td>Stratasys</td><td>RGD810&nbsp;</td><td>Polímero transparente para célula de fluxo de impressão</td></tr><tr>Polímero de borracha macia <td>Tangoblack-plus</td><td>Stratasys</td><td>FLX980</td><td>para camadas de gaxeta na célula de fluxo</td></tr></tbody></table>

tridimensionalmente impresso microfluidic sistema cross-flow para ultrafiltração / nanofiltração membrana teste de desempenho

Three-Dimensionally Printed Microfluidic Cross-flow System for Ultrafiltration/Nanofiltration Membrane Performance Testing

Minimização e gestão de entupimento da membrana é um desafio formidável em diversos processos industriais e outras práticas que utilizam a tecnologia de membrana. Compreender o processo de incrustação poderia levar a otimização e maior eficiência de filtração baseado em uma membrana. Aqui nós mostramos o projeto e fabricação de uma dimensionalmente três (3-D) sistema automatizado impresso microfluídico cross-flow de filtração que pode testar até 4 membranas em paralelo. As células microfluídicos foram impressos usando multi-material de fotopolímero 3-D tecnologia de impressão, que utilizou um polímero duro transparente para o corpo celular microfluídico e incorporada uma camada de polímero semelhante a borracha fina, o que impede fugas durante a operação. O desempenho de ultrafiltração (UF), e membranas de nanofiltração (NF) foram testados e entupimento da membrana pode ser observada com uma albumina de soro bovino a incrustao modelo (BSA). soluções de alimentação contendo BSA mostrou declínio de fluxo da membrana. Este protocolo pode ser estendered para medir a incrustação ou biofouling com muitas outras soluções orgânico, inorgânico ou microbianas contendo. O design de microfluidos é especialmente vantajoso para os materiais de teste que são caros ou apenas disponíveis em pequenas quantidades, por exemplo, polissacáridos, proteínas, lípidos ou devido à pequena área de superfície da membrana a ser testada. Este sistema modular também pode ser facilmente expandido para testes de alto rendimento de membranas.

As células de fluxo de microfluidos foram desenhados usando um programa de CAD e impresso usando um fotopolímero multi-material de tridimensional (3-D) da impressora. Esta célula foi concebido em duas partes, de modo que as membranas podem ser facilmente inserido e removido do dispositivo (Figura 1). Cada parte foi de 1 cm de espessura, impressa a partir de um polímero duro, claro para a integridade estrutural, e os lados virados para a membrana foram revestidas com uma camada de 50 um muito fina de pol...

Concepção e fabrico de um modo tridimensional (3-D) de microfluidos impresso sistema de filtração de fluxo cruzado é demonstrada. O sistema é usado para testar a performance e observar a incrustação de ultrafiltração e nanofiltração (compósitos de película fina) membranas.

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

Minimization and management of membrane fouling is a formidable challenge in diverse industrial processes and other practices that utilize membrane ...

O objetivo geral deste procedimento é demonstrar o projeto e o funcionamento de uma célula microfluídica de fluxo cruzado impressa em 3D, com a finalidade de testar o desempenho e a tendência ao entupimento de membranas poliméricas. Este método pode auxiliar pesquisadores na área de membranas a estudar o desempenho e a propensão ao entupimento de membranas utilizando microfluídica sob pressões elevadas e condições de fluxo bem definidas, com custos mínimos. As vantagens desta configuração em pequena escala incluem a capacidade de realizar separações de pequenas quantidades de materiais de alto volume, realizar estudos de membranas que exigem materiais reagentes caros e testar múltiplas formulações ou modificações novas de membranas em paralelo.Inicie o processo projetando o dispositivo microfluídico em duas partes separadas usando um programa de desenho assistido por computador. Para criar a camada inferior, utilize a ferramenta retângulo para desenhar um retângulo de 40 milímetros por 60 milímetros. Em um dos cantos do retângulo, use a ferramenta círculo para criar um círculo com diâmetro de 6,2 milímetros.Centralize este círculo a 10 milímetros da borda esquerda e a 10 milímetros da borda inferior. Em seguida, utilize a ferramenta de padrão linear para replicar os orifícios ao longo do retângulo com espaçamento de 20 milímetros, totalizando seis orifícios. A seguir, utilize a ferramenta de chanfro para arredondar as bordas dos retângulos com um raio de um milímetro.Em seguida, extruda a peça 10 milímetros utilizando a ferramenta de extrusão. No centro da face superior, utilize a ferramenta de retângulo para criar um retângulo de 30 milímetros por um milímetro. Depois, utilize a ferramenta de corte por extrusão para cortar um canal com profundidade de 0,2 milímetro na superfície.Em seguida, utilize a ferramenta de círculo para criar um círculo com diâmetro de um milímetro na extremidade do canal de fluxo. Depois, use a ferramenta de linha para construir um trajeto que conecte o círculo à face mais próxima de 40 milímetros por 10 milímetros, incluindo um raio de quatro milímetros criado com a ferramenta de chanfro arredondado. Utilizando a ferramenta de corte por extrusão ao longo de um caminho, faça um corte ao longo deste trajeto.Em seguida, vá para a vista do plano direito e use a ferramenta de círculo para criar um círculo com diâmetro de 3,9 milímetros no centro do percurso do fluxo. Depois, use a ferramenta de extrusão de corte para remover material até uma profundidade de oito milímetros, de modo a permitir espaço para os encaixes. 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 crie um retângulo com seis furos para parafusos com as mesmas dimensões da camada inferior. Em seguida, no centro da face superior, crie um canal de permeato de 30 milímetros por um milímetro por 0,5 milímetro usando a ferramenta de retângulo para primeiro criar um retângulo de 30 milímetros por um milímetro. Depois, utilizando a ferramenta de corte por extrusão, corte o retângulo em 0,5 milímetro na superfície superior.Agora, utilize a ferramenta de círculo para criar um círculo de um milímetro de diâmetro centralizado no canal de permeato, a cinco milímetros de uma das extremidades do canal. Em seguida, como anteriormente, utilize as ferramentas de linha e de arredondamento para construir um trajeto que inclua uma curva com raio de quatro milímetros, conectando o círculo a uma das faces do retângulo com dimensões de um centímetro por seis centímetros. Use a ferramenta de corte por percurso para cortar ao longo do trajeto e criar um canal.Em seguida, utilize a ferramenta círculo para criar um círculo adicional com diâmetro de 3,9 milímetros, com seu centro localizado no trajeto do permeado. Utilize a ferramenta de corte por extrusão para cortar o círculo em oito milímetros na superfície. Nas bordas 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 de arredondamento.Utilize a ferramenta de extrusão para extrudir três milímetros para baixo, formando as alças. Por fim, imprima as peças superior e inferior usando uma impressora 3D fotopolimérica multimatéria, com um polímero transparente rígido. Inclua um revestimento adicional de 0,05 milímetro com um polímero macio e borrachento na face de cada peça que contém o canal, conforme o protocolo do fabricante.Para começar, monte a microfluídica, incluindo a bomba, as válvulas, o transdutor de pressão, os servomotores, o medidor de vazão, os reguladores e o microcontrolador conforme descrito no protocolo textual complementar. Em seguida, configure o sistema para medir quatro membranas em paralelo abrindo todas as válvulas das células de fluxo. Coloque um tubo de entrada da bomba no reservatório de água ultrapura e o outro tubo de entrada em um reservatório contendo uma solução de BSA a 0,08 gramas por litro.Usando uma seringa, purgue 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. Depois, feche as células e insira os parafusos através dos orifícios no dispositivo.Aperte as porcas manualmente a princípio. Em seguida, use uma chave para apertá-las alternando ao redor do dispositivo, de modo que haja pressão uniforme na câmara. Não aperte em excesso qualquer um dos lados, pois o aperto incorreto pode provocar vazamento de água.Em seguida, selecione a água ultrapura utilizando a chave do reservatório. Ajuste a vazão da bomba para oito mililitros por minuto e, então, inicie a bomba. Com a bomba em funcionamento, regule o pressostato para 0,4 bar.Monitore os valores de fluxo das membranas utilizando um software de aquisição de dados e ajuste o regulador de pressão até alcançar um fluxo médio entre 180 e 220 litros por metro quadrado por hora. Substitua uma membrana individual antes de realizar o experimento, caso não consiga atingir um valor dentro de 20 litros por metro quadrado por hora em relação a essa faixa. Quando estiver pronto, configure o experimento selecionando primeiro a água ultra pura no reservatório um por 60 minutos, com um fluxo constante entre 180 e 220 litros por metro quadrado por hora.Em seguida, selecione a BSA no reservatório dois, por um adicional de 420 minutos com controle manual do regulador de pressão. Selecione a água ultrapura no reservatório um para os últimos 15 minutos do experimento, a fim de lavar o sistema. Utilize controle manual do regulador de pressão durante esta etapa.Em seguida, ajuste a chave do reservatório para automático e inicie o experimento. Após a conclusão da execução experimental, desligue o sistema e remova as membranas das células de fluxo. Então, enxágue o tubo de entrada de BSA puxando água ultra pura através dele com uma seringa.Para medir o desempenho no incrustamento das membranas de nanofiltração, um medidor de vazão foi conectado à linha para medir o fluxo de permeado enquanto várias soluções eram conduzidas pelo sistema. Primeiro, o sistema foi equilibrado com água por 45 minutos, seguido por 45 minutos de sulfato de magnésio 10 milimolar. Em seguida, o sistema foi retornado 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.Por fim, o sistema foi retornado à água pura pelos últimos 45 minutos. A diminuição no fluxo, em comparação com o fluxo de uma membrana controle nas condições de NaCl 10 milimolar, indicou o entupimento da membrana devido à BSA. O gráfico mostrado aqui exibe o entupimento de membranas de ultrafiltração.O fluxo através das membranas de 50 quilodaltons é mostrado em azul. E o fluxo através das membranas de 30 quilodaltons é mostrado em vermelho. Embora a membrana de 50 quilodaltons tenha apresentado um fluxo normalizado mais alto no término do experimento, a diferença não foi significativa.Descobrimos que a tecnologia base multi-material de fotopolimerização por jato de tinta 3D foi essencial para produzir uma célula de fluxo robusta e que incluía uma camada impressa de vedação semelhante a borracha, crucial para selar a célula de fluxo e evitar vazamentos. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como projetar e operar sua própria célula de fluxo cruzado microfluídica personalizada, impressa em 3D, para aplicações de membranas de ultrafiltração ou nanofiltração.

three-dimensionally-printed-microfluidic-cross-flow-system-for

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioengenharia

Demonstramos protocolos para a fabricação e automação elastomérico polidimetilsiloxano (PDMS) com base em matrizes de microválvula que não precisam de energia extra para fechar e apresentam photolithographically definido volumes precisos. Um misturador subnanoliter volume paralelo e um sistema de perfusão integrado microfluídicos são apresentados.

Chips microfluídicos controlados com Arrays microválvula elastoméricos

Dispositivos microfluídicos pode ser usado para visualizar os complexos processos naturais em tempo real e nas escalas físico apropriado. Temos desenvolvido um dispositivo simples microfluídicos que imita características-chave de meios porosos naturais para o estudo de crescimento e de transporte de bactérias no subsolo.

Janela em um Microworld: Simple sistemas microfluídicos para estudar o transporte microbiana em Meios Porosos

Fonte: Kurz, D. L., et al. Plataforma microfluídica para estudar bioentupimento em meios porosos. J. Vis. Exp. (2022)O vídeo demonstra o uso de um dispositivo microfluídico para estudar a formação de biofilmes. Uma suspensão bacteriana é introduzida no microcanal, seguida de incubação para permitir o desenvolvimento do biofilme. O fluxo é então retomado, e o monitoramento de pressão junto com imagens é usado para detectar formação de biofilme e obstrução dos poros ao longo do tempo.

Um dispositivo microfluídico para imagem em tempo real e acompanhamento de pressão durante a formação do biofilme

Neste artigo, descrevemos diferentes técnicas para plataformas de prototipagem rápida microfluídica. As técnicas propostas são baseadas em epóxis sensíveis ao ultravioleta (UV) e de cura por temperatura, tubos à base de polidimetilsiloxano (PDMS), colagem de fios e filmes adesivos anisotrópicos. Os procedimentos de montagem apresentados são desenvolvidos tanto para dispositivos de uso único quanto para sistemas microfluídicos reutilizáveis.

Métodos de embalagem de prototipagem microfluídica rápida e de baixo custo de alto rendimento

Tridimensionais (3D) vigas mistas microstructured são fabricados através da infiltração dirigida e localizada de nanocompósitos em redes porosas microfluídicos 3D. A flexibilidade deste método de fabrico permite a utilização de diferentes materiais termo-endurecíveis e nanopartículas, a fim de alcançar uma variedade de 3D funcional reforçados nanocompósito produtos macroscópicos.

Fabricação de tridimensionalmente microestruturadas nanocompósitos através Microfluidic Infiltração

Nós pormenor um método para fabricar dispositivos microfluidicos tridimensionais à base de papel para uso no desenvolvimento de imunoensaios. A nossa abordagem para o dispositivo de montagem é um tipo de camadas múltiplas, de fabrico aditivo. Nós demonstramos um imunoensaio sanduíche para fornecer resultados representativos para esses tipos de dispositivos baseados em papel.

Fabricação de dispositivos microfluídicos tridimensional baseados em papel para imunoensaios

Este projeto permite que pequenos laboratórios desenvolvam uma plataforma fácil de usar para a fabricação de dispositivos microfluidos multicamadas precisos. A plataforma consiste em um adaptador de alinhamento de máscara de microscópio impresso tridimensionalmente usando o qual dispositivos microfluidos multicamadas com erros de alinhamento de &lt; 10 μm foram alcançados.

Design e desenvolvimento de um adaptador de alinhamento de máscara de microscópio impresso tridimensionalmente para a fabricação de dispositivos microfluidos multicamadas

Neste protocolo, um ensaio biomimético de microfluido, que pode reproduzir um ambiente microvascular fisiologicamente relevante e reproduzir toda a cascata de adesão/migração leucócito, é empregado para estudar interações células leucócitos-endoteliais em doenças inflamatórias.

Um sistema microfisiológico para estudar a interação das células leucócitos-endoteliais durante a inflamação

Este protocolo descreve uma plataforma de cultura celular baseada em membrana reconfigurável que integra o formato de poço aberto com recursos de fluxo de fluido. Esta plataforma é compatível com protocolos padrão e permite transições reversíveis entre os modos de cultura de poço aberto e microfluídica, acomodando as necessidades dos laboratórios de engenharia e biociências.

Transformando Modelos de Tecidos de Barreira Estática em Sistemas Microfisiológicos Dinâmicos

Determinação da taxa de transporte de xenobióticos e nanomateriais através da placenta usando o<em&gt; Ex vivo</em&gt; Modelo de perfusão da placenta humana

Aprenda a projetar e operar um sistema microfluídico de fluxo cruzado impresso em 3D para testar o desempenho e a tendência de incrustação de membranas de ultrafiltração e nanofiltração. Este método permite estudos econômicos e paralelos.

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

Explorar mais vídeos