限外濾過/ナノ濾過膜性能試験のための三次元プリントマイクロ流体クロスフローシステム

Summary

三次元（3-D）印刷、マイクロ流体クロスフローろ過システムが示されているの設計および製造。システム性能をテストし、限外濾過及びナノ濾過（薄膜複合）膜の汚れを観察するために使用されます。

Abstract

膜汚染の最小化と管理は、多様な工業プロセスおよび膜技術を利用する他の慣行の手ごわい挑戦です。ファウリングのプロセスを理解することは、最適化し、膜ベースのろ過の高効率化につながる可能性があります。ここでは、並列に4膜まで試験することができる自動化された三次元（3-D）印刷、マイクロ流体クロスフロー濾過システムの設計および製造を示します。マイクロ流体細胞は、マイクロ流体細胞体のための透明な硬質ポリマーを使用し、動作中に漏れを防止する薄いゴム状重合体層を、組み込まれた多材料フォトポリマー3次元印刷技術を使用して印刷しました。限外ろ過（UF）の性能、およびナノ濾過（NF）膜を試験し、膜ファウリングは、モデル汚染物、ウシ血清アルブミン（BSA）を用いて観察することができました。 BSAを含有する供給溶液は、膜の流束低下を示しました。このプロトコルは、延長することができますedは、他の多くの有機、無機または微生物を含む溶液で汚れや生物付着を測定します。マイクロ流体設計は、例えば、多糖類、タンパク質、またはテストされている膜の小さな表面積に起因する脂質のために、高価なまたは少量でのみ使用可能です試験材料のために特に有利です。このモジュラーシステムはまた、容易に膜の高スループット試験のために拡張することができます。

Introduction

膜技術は、バルク溶液から溶質を分離することを必要とする産業および他のプロセスに不可欠であるが、膜のファウリングが大きな継続的な課題である。膜汚染廃水のサイズベースの分離のための限外濾過膜を使用することを含んで生じる¹一般的な例として、 ²とイオンと汽水や海水からより大きな溶質を分離するための複合薄膜。ファウリングの³特性の指標は、膜貫通圧力の増加とフラックスの減少が含まれます。これは、膜の生産性を低下させ、原因化学物質または他の洗浄プロトコルにその寿命を短くします。したがって膜性能は汚れ評価すると膜上の汚れ、生物付着およびバイオフィルム形成のメカニズムと効果を理解するために良好な指標です。また、性能評価は、新たな膜の設計または変更する際に重要です。

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マイクロ流体デバイスにおける膜の使用への関心が過去10年間で成長している^。4最近、我々は、微生物成分のリポ多糖の効果を研究し、ナノ濾過膜の表面を汚れにスフィンゴ糖脂質、および微生物へのコンディショニングされた表面のその後の感受性アタッチメント⁵マイクロ流体クロスフロー装置は、ナノ濾過膜の性能を評価しました。膜表面積が小さいので、これは、膜表面の汚れのために少量でのみ利用でき、特別な非商業的な脂質成分の使用を許可されました。システムのサイズは、膜材料と溶液の少量の効率的な使用を可能にしました。このプロトコルでは、我々は、膜の性能試験のためのマイクロ流体デバイスの設計及び製造を記述し、圧力流システムにデバイスの組み込みを概説します。装置のデモンストレーションはTESTIで示されていますモデル汚染物、BSAを用いた限外濾過膜とナノ濾過膜の性能をngの^。6,7

Protocol

1.設計とマイクロ流体テストシステムの試作

1. CADプログラムで上部と下部（ 図1）：2つの部分としてのマイクロ流体デバイスを設計します。
2. 60ミリメートルの長方形で40ミリメートルを描画する矩形ツールを使用して底部を作り​​始めます。
3. 円ツールとの1コーナーで6.2ミリメートル直径の円はエッジから10mmを中心に作成します。直線パターンツールで6穴の合計20ミリメートル間隔で長方形全体に穴を複製。
4. フィレットツールを使用すると、1mmの半径を有する矩形をフィレット。
5. 押し出しツールで一部10ミリメートルを押し出します。
6. 上面の中央には、1ミリメートルによると押し出しカットツールで長方形ツールで長方形を作成する30ミリメートルは、流路のための0.2ミリメートルを切りました。
7. 円ツールを使用して流路の端部に直径1mmの円を作ります。そして、ラインツールで最寄りに円を接続する経路を構築フィレットツールで作られた4ミリメートルの半径を含む10ミリメートル面によって40ミリメートル、。掃引カットツールを使用して、このパスに沿ってカットしてください。
8. 円ツールで流路の中央に3.9ミリメートルの直径の円を作成し、フィッティングを可能にするために押し出しカットツールを使用して8ミリメートルを切りました。
9. 繰り返しは、流路の反対側のための1.7と1.8を繰り返します。
10. 上部の繰り返しで1.2から1.5を繰り返します。そして、上面の中央に1ミリメートルによって長方形30ミリメートルを作成するために、矩形ツールを使用して、透過物チャネルを作成し、押し出しカットツールを使用して、0.5ミリメートルを切りました。
11. 端から透過液流路5ミリメートルの中央に1ミリメートルの円を作成する円ツールを使用してください。ラインツールでフィレットツールで作られた4ミリメートルの半径を含む6センチメートル面により1センチメートル、のいずれかに丸を結ぶ経路を構築します。掃引カットツールを使用して、パスに沿ってカットしてください。
12. 円ツールで透過経路上を中心とする追加の3.9ミリメートルの直径の円を作成し、元と8ミリメートルを切りますカットツールをTRUDE。
13. 部分に長方形フィレットツールで4ミリメートルの半径を追加する5ミリメートルによって40ミリメートルを作成し、長方形ツールで、40ミリメートルの縁をトップ。ハンドルのための下向きの3ミリメートルを押し出すために押し出しツールを使用します。
14. チャンネルを含む各部品の表面に柔らかいゴム状ポリマーで上塗り0.05ミリメートルを含むハード透明ポリマーを使用して、複数材料フォトポリマー3次元プリンタで印刷部品。メーカーの標準プロトコル、キャリブレーションと設定を使用します。
15. 飼料にスレッド（M5）をタップし、保持物およびオリフィスを浸透。透過液に1/8 "フィードおよび保持する金具と1/16"フィッティングを接続する配管工のテープを使用してください。
16. 1/8 "チューブ（ 図2）でポンピングするマイクロ流体デバイス、バルブ、圧力変換器と背圧調整器に接続します。
17. チューブを入口に、0.45μmのフィルターを接続します。
18. 放電は1/16 "チューブとのバランス上とビーカーメートルを流れるように浸透します。
19. サーボシールドにサーボ電源を接続します。
20. 圧力変換器、スイッチおよびサーボシールドは、マイクロコントローラに接続します。
21. データロギングおよびシステム制御用PCに、マイクロコントローラ、残高、流量計とポンプを接続します。
22. そのシリアルポートにデータを印刷するために残高を設定します。

2.試験される膜を調製

1. x 8ミリメートル40ミリメートルに膜をカットします。
2. 超音波処理して（3×10分）を超純水に膜を浸します。
3. その後、1時間50/50超純水/エタノールに膜を浸します。
4. 4℃の超純水中での超純水や店舗を有する膜を洗浄します^。8

3.ナノ濾過膜でテストするためのソリューションを準備します

1. 三角フラスコに超純水500ミリリットルを追加します。その後、BSA ANの0.04グラムを追加します。NaClをD 0.29グラム。
2. 別々の三角フラスコに超純水500ミリリットルを追加します。次いでMgSO ₄の0.6グラムを追加します。
3. 第三の三角フラスコに超純水500ミリリットルを追加します。その後のNaCl 0.29グラムを追加します。
4. 各フラスコに攪拌棒を挿入し、攪拌プレート上にフラスコを置きます。 500rpmで5分間混合します。

4.ナノ濾過汚れの実験を行います

注：RT（約24℃）で実験を行います。まず流量計に接続されていないセルを流れるようにバルブを閉じることにより、単一の膜を測定するためのシステムを設定します。

1. 超純水の貯留し、MgSO ₄溶液中に他の入口管（ 図2）に1つのポンプ入口チューブを挿入します。
2. システム内のすべての気泡を除去するために配管を介して水と_硫酸マグネシウム溶液を描画するために注射器を使用。
3. で、フローセルの底部にナノ濾過膜を挿入しますフローセルの上部に供給チャネル、および場所に向けて積極的な側面。
4. 手でナットを固定し、その後の漏れを最小限にするようにレンチで均等に締めます。
5. 貯留セレクタースイッチで超純水を選択します。
6. 2ミリリットル/分にポンプ流量を設定し、ポンプを起動します。
7. 4バールに圧力調整器を調整します。
8. 貯水池に水溜りで始まるすべての45分を切り替えるために実験パラメータを設定します。
9. autoに貯留スイッチを設定し、実験を開始します。
10. 60分で、次の30分間、チューブ内のMgSO ₄透過物を収集します。
11. 91分にBSAおよびNaClの溶液を含むフラスコとし、MgSO ₄フラスコを交換してください。
12. 迅速にポンプを停止し、チューブに_し 、MgSO 4残り物を削除するには、入口管を介してBSA溶液を描画するために注射器を使用しています。その後、再びポンプを起動します。
13. 150分で、BSAは、次の30分間、チューブ内に浸透集めます。
14. 225分後に、システムをシャットダウンし、ナノを削除フローセルからろ過膜。
15. シリンジを用いて、超純水を試験液導入管を洗い流します。
16. 繰り返して試験した各追加の膜のための4.1から4.15繰り返します。
17. NaClのみのテストでは、繰り返しは4.1から4.10、および4.14から4.16 NaCl溶液でのMgSO _4溶液を交換し、90分の代わりに、225分後に実験を終了するステップ。

ナノ濾過膜の5計算塩排除

1. 超純水でポテンショスタット試験セルの電極を洗浄します。
2. ピペットを用いて、テストセル電極上のMgSO _4溶液の堆積物5μL。
3. ソリューションのレコード抵抗。
4. 繰り返しは、5.1から5.3まで4回以上のステップを、その平均値を計算します。
5. 繰り返して、回収した溶液を浸透NaCl及びBSA / NaClのソリューションだけでなく、それぞれに5.1から5.4を繰り返します。
6. 式1と塩排除を計算します。
   6eq1.jpg "/>
   ここで_、Ωsが試験溶液の抵抗であり_、Ωpは透過水の抵抗です。抵抗は直接塩濃度に相関溶液の導電率に反比例します。

6.限外ろ過膜でテストするために、ソリューションの準備

1. 4リットルのビーカーに超純水1Lを追加します。その後、BSAの0.32グラムを追加します。
2. 撹拌プレート上のビーカーや場所に攪拌棒を挿入します。 500rpmで5分間混合します。
3. ビーカーおよび500 rpmで5分間再び混合する超純水の追加の3 Lを追加します。

7.限外ろ過汚れの実験を行います

注：RT（約24℃）で実験を行います。最初のセルを流れるようにすべてのバルブを開くことにより、並列に4膜を測定するためのシステムを設定します。

1. 番目に超純水溜りや他の入口管に1つのポンプ入口管を配置E BSA溶液（ 図2）。
2. システム内のすべての気泡を除去するために配管を介して水とBSA溶液を描画するために注射器を使用。
3. 供給チャネルに向けた積極的な側面で、フローセルの底部に限外濾過膜を挿入し、マイクロ流体デバイスの上部半分で細胞を閉じます。
4. レンチで均等に締めた後、手でナットを固定します。不適切な締め付けが水漏れにつながる可能性があります。
5. リザーバースイッチ付き超純水を選択します。
6. 8ミリリットル/分にポンプ流量を設定し、ポンプを起動します。
7. 0.4バールに圧力調整器を調整します。
8. 製造業者のプロトコルに従ってデータ収集ソフトウェアを有する膜のフラックス値を監視します。
9. 平均フラックスは10％±200 LMHがあるまで、圧力調整器を調整します。
10. フラックスは20％±200 LMHがない場合は、個々の膜を交換してください。
11. 実験パラメータを入力します。最初の超純水RESEを選択200±20 LMHの一定フラックスで60分間rvoir。その後、圧力調整器の手動制御で420分間BSAリザーバを選択します。最後に、実験の終了時にフラッシュシステムへの圧力調整器の手動制御で15分間超純水溜りを選択します。
12. autoに貯留スイッチを設定し、実験を開始します。
13. 実行完了後、システムをシャットダウンし、フロー細胞から膜を除去します。
14. 超純水で注射器と、フラッシュポンプ入口管。

Representative Results

マイクロ流体フローセルは、多材料フォトポリマーの三次元（3-D）プリンタを使用してCADプログラムを用いて設計し、印刷されました。膜は容易に（ 図1）に挿入し、デバイスから除去することができるように、このセルは、二つの部分にデザインされました。各部分は、構造的完全性のためのハード、透明なポリマーから印刷し、厚さ1cmとし、膜に面した側面には、ゴム状重合体の非常に薄い50μmの層をオーバーコートしました。オーバーコートは、水漏れを防止するシール機能を有する細胞を提供するために実施しました。流路は0.2ミリメートル、深い1mm幅と膜の30ミリメートル^2の面積をテストする30ミリメートルの長で設計されました。 8 mmで洗浄プロトコル、40 mmの膜を切断した後、試験膜を装置に挿入しました。六ステンレス鋼ボルトとナット（M6）は、デバイスを締め付けるために使用された、それはシステム（ 図2）に接続しました。この方法では、細胞は、PEであります膜を容易に交換することができるがrmanently、システムに接続されています。一つのセルは、ナノ濾過膜の実験のために運転し、そして4つのセルを、限外濾過膜の実験のために並列に動作しました。

ナノ濾過膜は、流量計は、透過流束を測定するように接続しました。 /分2ミリリットルの割合で実験、純水を実行します。開始された圧力は4バールに調節しました。これは〜40 LMH（ 図3）の透過流束が得られ、かつ〜10 LMH /バーに対応しました。平衡化し、一定のフラックス（約45分）を観察した後、溶液は、拒絶反応をテストし、膜の完全性を検証し、収集した浸透をMgSO _4（10mMの）に変更されました。この溶液の抵抗率は導電率に逆比例する測定されました。試験した塩濃度、伝導度、濃度及び％塩rに直線的に比例します排出を計算することができます。本実験において試験した膜は、それぞれ、83％±4％であったし、MgSO ₄及びNaClの64％±3％の拒絶。システムの供給を安定したフラックスが得られるまで純水に戻され、その後のNaCl（10 mM）の中のBSA（0.08 G / L）の水溶液に変更しました。 10のNaClの条件の下で制御膜のフラックスに比べてフラックスの減少は、BSAに膜汚染を示しました。

限外濾過膜、4つのマイクロ流体デバイスは、残高を用いて測定し、透過流束と、並列に接続しました。これらの残高は、コンピュータに接続されており、継続的なデータ収集を容易にしました。フローセル当たり2ml /分でシステム、8 ml /分の純水の供給量を用いて、圧力を200 LMH（ 図4）の平均フラックスを得るために調整しました。各膜のフラックスを評価し、そしてフラックス差があった場合と、膜が交換された＃62; 200 LMHの初期選択されたフラックスの平均から20％。この溶液を、BSA（0.08グラム/ L）に変更し、磁束の減少をモニターしました。供給溶液は、純水に戻しました。代表的な結果を得るために、我々は30と50kDaの親水性ポリエーテルスルホン限外濾過膜を比較し、観察された50kDaの膜は、30kDaの膜のための23％と比較して、実験の終了（初期流量の26.5％）で高い正規化されたフラックスを持っていたものの、差は有意ではなかったです。

使用されるマイクロ流体装置の 図1 の設計と画像デザインは、CADプログラムを用いて行われ、三次元のフォトポリマーのプリンタを用いて印刷しました。 （A）供給チャンネル（平面図）を含む底部。 （B）、透過ちゃんを含むトップ部分 NEL（上面図）。デバイスの（C）アセンブリ（側面図）。 （D）の膜クーポン、ナットとボルトで締結部品を含む機能デバイスのイメージ。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

限外濾過膜の検査を並行してすべての4のフローセルを用いて行った。図系の 2 略図。ナノろ過膜試験はフローセルを用いて行きました。コンピュータのデータロギング示していない。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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図3. パフォーマンスとクロスフロー条件下でのナノ濾過膜のファウリングフルラン（黒四角）のための実験条件：ⅰ）超純水、2ミリリットル/分、4バー。 ⅱ）の10mMのMgSO _4、2ミリリットル/分、4バー。 ⅲ）超純水、2ミリリットル/分、4バー。 ⅳ）BSAを10mMのNaCl、2ミリリットル/分、4バーの（0.08グラム/ L）。 v）を超純水、2ミリリットル/分、4バー。制御膜10のNaCl、2ミリリットル/分、4バー（青丸）。エラーバーは標準偏差を示す。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

限外濾過膜の30kDaの 図4. 汚れ（ 赤い四角 ）および クロスフロー条件下で 50kDaの（ ブルーダイヤモンドが ）。ⅰ）の圧力を調整しました。 II）BSA（0.08 G / L）2ml /分。エラーバーは標準偏差を示す。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

Discussion

このプロトコルは、ナノ濾過、限外濾過膜の試験のための3次元印刷マイクロ流体クロスフロー装置の設計について説明します。最近、我々は、ナノ濾過膜コンディショナーのこのプロトコルの変化の成功を示し、後続の細菌培養注入とスフィンゴ糖脂質及びリポ多糖および膜性能の違いで汚れている。この技術を用いた⁵将来のアプリケーションは、異なる汚染物質を有する膜性能の変化を評価するために使用することができます。より大きな流れの細胞と比較して、このマイクロ流体デバイスは、はるかに少ない試験溶液を必要とし、大幅に数量限定でのみ利用可能であるもの、特に、汚染物質や化合物のためのコストを削減することができます。小さなフォーマットは、実験室規模の試験のために、それが便利になり、ハイスループット試験に適してもよいです。

マイクロ流体クロスフロー装置の設計は、THRを達成しました3次元印刷の主な利点であるウワーッ反復プロトタイピング、。一般的なデバイス設計の特徴はナノ濾過膜の用途に使用される以前に公開されたマイクロ流体クロスフロー装置に基づいていた^。9,10最も重要な設計上の相違は、飼料およびチャネルを透過オフセットされなかったことであったが、互いに直接重ね、かつ厚さ部、水シール方法。水漏れの防止は、多材料フォトポリマー3-Dプリンターを用いてデバイスを印刷により設計プロセスにおいて克服された主要な問題でした。これは、薄い軟質ポリマーが膜と接触した装置の表面上に存在させます。デバイス内膜、および均等に6ナット（M6）で締め付けを配置した後、水漏れを防止しました。水漏れのための他の可能性のある領域は、供給入口及び濃縮液出口配管の接続点であり、配管工のテープを使用して防止することができると以上のスレッドに損傷を与えるチューブの接続を締めないように注意しながら。デバイスは、漏れなしで5バールの圧力までテストされています。

超純水は、全ての溶液の調製のために使用されることが重要です。他の供給源からの水は、膜性能の低下を引き起こす未知の汚染物質を含有してもよいです。また、フィルター（0.45 mm）は、システム内の粒子状物質が存在しないことを確実にするために供給管に取り付けられています。透過液流量計は、より正確にナノ濾過膜を使用して、代表的な実験における低いフラックス値を測定するために使用しました。 4バールの一定圧力が前のスフィンゴ糖脂質の研究に基づいて、選択された異なる膜クーポンを使用して⁵を繰り返し測定を平均しました。限外濾過膜を使用して代表的な実験では、膜の最初の純水流束は、0.4バールの圧力を用いて測定しました。膜からの磁束を浸透膜は大幅したがって、各膜のフラックスは、フラックスの差が±20％より大きくなかったことを確認するためにチェックした変化させることができます。所望の初期フラックス値の範囲外膜は、新しい膜クーポンと交換しました。異なる初期フラックスを用いて試験した膜は、異なる速度で汚す可能性があるため、汚染の研究では、一定のフラックスは、一定の圧力よりも好ましいです。圧力は、10重量％±200 LMHの所望の平均初期透過流束の影響を調整したが、これらの初期の開始条件は、必要な実験条件に応じて選択することができます。その後の供給溶液組成の変化、およびフラックスの変化を監視するには、膜の性能特性に貴重な洞察を与えるだろう。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
BSA	SIGMA-ALDRICH	A6003
NaCl	DAEJUNG	7548-4100
MgSO4	EMSURE	1058861000
NF Membrane	Filmtec	NF200
30 kDa UF Membrane	MICRODYN NADIR	UH030
50 kDa UF Membrane	MICRODYN NADIR	UH050
Pressure Transducer	Midas	43006711
Ball Valves	AV-RF	Q91SA-PN6.4
3-way Valve	iLife Medical Devices	902.071
Pressure Regulator	Swagelok	KCB1G0A2A5P20000
Flow-meter	Bronkhorst	L01-AGD-99-0-70S
Balances	MRC	BBA-1200
Pump	Cole-Parmer	EW-00354-JI
1/8" Tubing	Cole-Parmer	EW-06605-27
1/16" Tubing	Cole-Parmer	EW-06407-41
1/16" Fittings	Cole-Parmer	EW-30486-70
1/8" Fittings	Kiowa	QSM-B-M5-3-20
Microcontroller	Adafruit	50	Arduino UNO R3
Continuous Rotation Servo	Adafruit	154
Standard Servo	Adafruit	1142
Power Supply	Adafruit	658
Servo Shield	SainSmart	20-011-905
Switches	Parts Express	060-376
0.45 Micron Filters	EMD Millipore	SLHV033RS
Potentiostat	Gamry	PCI4
Sonicator	MRC	DC-150H
Connex 3D Printer	Stratasys	Objet Connex
Veroclear	Stratasys	RGD810	transparent polymer for printing flow cell
Tangoblack-plus	Stratasys	FLX980	soft rubbery polymer for gasket layers on flow cell