Трехмерно Система Перекрестноточный Печатные Микрожидкостных для ультрафильтрации / нанофильтрации Тестирование производительности

Общая цель данной процедуры — продемонстрировать конструкцию и работу микрофлюидной ячейки с перекрестным потоком, напечатанной на 3D-принтере, для тестирования производительности и склонности к загрязнению полимерных мембран. Этот метод может помочь исследователям в области мембранных технологий изучать характеристики мембран и склонность к их загрязнению с использованием микрофлюидики при повышенном давлении и четко определенных условиях потока с минимальными затратами. Преимущества этой маломасштабной установки включают возможность разделения небольших количеств дорогостоящих материалов, проведение мембранных исследований, требующих использования дорогостоящих реагентов, а также параллельное тестирование нескольких новых составов или модификаций мембран.

Начните с проектирования микрофлюидного устройства, состоящего из двух отдельных частей, с помощью программы автоматизированного проектирования. Чтобы создать нижний слой, используйте инструмент «прямоугольник», чтобы начертить прямоугольник размером 40 мм на 60 мм. В одном из углов прямоугольника с помощью инструмента «круг» создайте круг диаметром 6,2 мм.

Расположите центр этого круга на расстоянии 10 миллиметров от левого края и 10 миллиметров от нижнего края. Затем с помощью инструмента «Линейный массив» создайте копии отверстий по всему прямоугольнику с шагом 20 миллиметров, чтобы в общей сложности получилось шесть отверстий. Далее используйте инструмент «Скругление», чтобы создать скругления прямоугольников с радиусом один миллиметр.

Затем с помощью инструмента «Выдавливание» (extrude) выдавите деталь на 10 миллиметров. В центре верхней грани с помощью инструмента «Прямоугольник» создайте прямоугольник размером 30 миллиметров на один миллиметр. После этого с помощью инструмента «Вырезать выдавливанием» (extrude cut) прорежьте в поверхности канал глубиной 0,2 миллиметра.

Затем с помощью инструмента «Окружность» нарисуйте круг диаметром 1 мм в конце канала потока. После этого с помощью инструмента «Линия» постройте путь, соединяющий этот круг с ближайшей гранью размером 40 мм на 10 мм, добавив скругление радиусом 4 мм с помощью инструмента «Филле» (Fillet). Используя инструмент «Вырез по траектории» (Swept Cut), выполните вырез вдоль этого пути.

Затем перейдите к виду справа и с помощью инструмента «Окружность» создайте круг диаметром 3,9 миллиметра в центре пути потока. После этого используйте инструмент «Вырезанный вытяг», чтобы сделать вырез глубиной восемь миллиметров для размещения фитингов. Повторите эту же процедуру с другой стороны прямоугольного канала, чтобы создать зеркальное изображение.

Для проектирования верхнего слоя микрофлюидной тестовой системы сначала создайте прямоугольник с шестью отверстиями под винты, имеющий те же размеры, что и нижний слой. Затем в центре верхней грани создайте канал для пермеата размером 30 мм на 1 мм на 0,5 мм: для этого с помощью инструмента «прямоугольник» сначала создайте прямоугольник размером 30 мм на 1 мм, а затем с помощью инструмента «вытянутый вырез» сделайте вырез этого прямоугольника в верхней поверхности на глубину 0,5 мм.

Теперь с помощью инструмента «Окружность» создайте круг диаметром 1 мм в центре канала пермеата на расстоянии 5 мм от одного из концов канала. Затем, как и прежде, используя инструменты «Отрезок» и «Скругление», постройте траекторию, включающую дугу радиусом 4 мм, чтобы соединить окружность с одной из граней прямоугольника размером 1 см на 6 см. Используйте инструмент «Вырез по траектории», чтобы выполнить вырез вдоль построенного пути и создать канал.

Затем с помощью инструмента «Окружность» создайте дополнительный круг диаметром 3.9 millimeter с центром на пути пермеата. С помощью инструмента «Вытянутый вырез» сделайте вырез по этому кругу на глубину восемь millimeters в поверхность. На верхних кромках детали длиной 40 millimeter с помощью инструмента «Прямоугольник» создайте прямоугольники размером 40 millimeters на пять millimeters, добавив скругление радиусом четыре millimeters с помощью инструмента «Скругление».

Используйте инструмент «Выдавливание» (extrude), чтобы выдавить ручки вниз на три миллиметра. В завершение распечатайте верхнюю и нижнюю детали на мультиматериальном фотополимерном 3D-принтере, используя жесткий прозрачный полимер. Согласно протоколу производителя, нанесите слой покрытия толщиной 0,05 миллиметра из мягкого эластичного полимера на поверхность каждой детали, содержащую канал.

Для начала подготовьте микрофлюидную систему, включая насос, клапаны, датчик давления, сервоприводы, расходомер, регуляторы и микроконтроллер, согласно описанию в прилагаемом текстовом протоколе. Затем настройте систему для параллельного измерения четырех мембран, открыв все клапаны, ведущие к проточным ячейкам. Поместите одну входную трубку насоса в резервуар с ультрачистой водой, а другую входную трубку — в резервуар с раствором BSA в концентрации 0,08 г/л.

С помощью шприца заполните трубки, чтобы удалить все пузырьки воздуха из системы. Затем поместите ультрафильтрационные мембраны на нижнюю часть проточных кювет таким образом, чтобы активная сторона мембраны была обращена к подающим каналам. После этого закройте кюветы и вставьте винты в отверстия устройства.

Сначала затяните гайки вручную. Затем, используя гаечный ключ, затягивайте их поочередно по кругу, чтобы обеспечить равномерное давление на камеру. Не затягивайте слишком сильно одну сторону, так как неправильная затяжка может привести к утечке воды.

Затем с помощью переключателя резервуара выберите ультрачистую воду. Установите скорость потока насоса на 8 мл/мин и запустите насос. При работающем насосе отрегулируйте регулятор давления до 0,4 bar.

Следите за значениями потока через мембраны с помощью программного обеспечения для сбора данных и регулируйте регулятор давления до тех пор, пока не будет достигнут средний поток в диапазоне от 180 до 220 литров на квадратный метр в час. Замените отдельную мембрану перед началом эксперимента, если ее показатели отклоняются от этого диапазона более чем на 20 литров на квадратный метр в час. Когда система будет готова, настройте экспериментальный запуск, предварительно выбрав сверхчистую воду в резервуаре один на 60 минут при постоянном потоке от 180 до 220 литров на квадратный метр в час.

Затем выберите BSA в резервуаре два еще на 420 минут, используя ручное управление регулятором давления. Для промывки системы в последние 15 минут эксперимента выберите ультрачистую воду в резервуаре один. На этом этапе также используйте ручное управление регулятором давления.

Затем переведите переключатель резервуара в режим «auto» и запустите эксперимент. После завершения экспериментального цикла выключите систему и извлеките мембраны из проточных ячеек. Затем промойте входную трубку для BSA, пропустив через нее ультрачистую воду с помощью шприца.

Для измерения показателей загрязнения нанофильтрационных мембран в линию был подключен расходомер для измерения потока пермеата при пропускании через систему различных растворов. Сначала систему уравновешивали водой в течение 45 минут, после чего в течение 45 минут пропускали 10 мМ раствор сульфата магния. Затем систему снова перевели на чистую воду еще на 45 минут до достижения стабильного потока, после чего в систему в течение 45 минут подавали BSA в концентрации 0,8 г/л.

Наконец, в течение последних 45 минут система была возвращена к промывке чистой водой. Снижение потока по сравнению с потоком контрольной мембраны в условиях 10 мМ NaCl указывало на загрязнение мембраны BSA. Представленный здесь график отображает процесс загрязнения ультрафильтрационных мембран.

Поток через мембраны с пределом отсечения 50 кильдальтон показан синим цветом. Поток через мембраны с пределом отсечения 30 кильдальтон показан красным цветом. Хотя для мембраны 50 кильдальтон нормализованный поток в конце эксперимента был выше, эта разница не была значимой.

Мы установили, что технология многоматериальной 3D-струйной фотополимеризации имела решающее значение для создания прочной проточной ячейки с напечатанным слоем резиноподобной прокладки, который был необходим для герметизации ячейки и предотвращения утечек. После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как спроектировать и использовать собственную специализированную 3D-печатную микрофлюидную ячейку с поперечным потоком для применения в мембранах ультрафильтрации или нанофильтрации.