Ultrafiltrasyon / Nanofiltrasyon Membran Performans Testleri için üç boyutlu Baskılı mikroakışkan Çapraz akış Sistemi
February 13th, 2016
Tasarım ve bir üç boyutlu (3-D) fabrikasyonu basılı mikroakışkan çapraz akışlı süzme sistemi gösterilmektedir. sistem performansını test etmek ve ultrafiltrasyon ve nanofiltrasyon (ince film kompozit) zarlarının kirlenmesinin gözlemlemek için kullanılır.
Bu prosedürün genel amacı, polimer membranların performansını ve kirlenme eğilimini test etmek amacıyla 3D baskılı bir mikroakışkan çapraz akış hücresinin tasarımını ve çalışmasını göstermektir. Bu yöntem, membran alanındaki araştırmacılara, yüksek basınçlarda ve iyi tanımlanmış akış koşullarında minimum maliyetle mikroakışkanlar kullanarak membran performansını ve kirlenme eğilimini incelemeye yardımcı olabilir. Bu küçük ölçekli kurulumun avantajları, küçük miktarlarda yüksek hacimli malzemelerin ayrılması, pahalı reajans malzemeleri gerektiren membran çalışmalarının gerçekleştirilmesi ve birden fazla yeni membran formülasyonunun veya modifikasyonunun paralel olarak test edilmesidir.
Mikroakışkan cihazı, bilgisayar destekli bir çizim programı kullanarak iki ayrı parça halinde tasarlayarak başlayın. Alt katmanı yapmak için, 40 milimetreye 60 milimetrelik bir dikdörtgen çizmek için dikdörtgen aracını kullanın. Dikdörtgenin bir köşesinde, 6,2 milimetre çapında bir daire oluşturmak için daire aracını kullanın.
Bu daireyi sol kenardan 10 milimetre ve alt kenardan 10 milimetre ortalayın. Ardından, toplam altı delik için 20 milimetre aralıklarla dikdörtgen boyunca delikleri çoğaltmak için doğrusal desen aracını kullanın. Ardından, yarıçapı bir milimetre olan dikdörtgenleri doldurmak için dolgulama aracını kullanın.
Ardından, ekstrüzyon aletini kullanarak parçayı 10 milimetre sıkın. Üst yüzün ortasında, 30 milimetreye bir milimetrelik bir dikdörtgen oluşturmak için dikdörtgen aracını kullanın. Ardından, yüzeye 0,2 milimetre derinliğinde bir kanal kesmek için ekstrüzyon kesme aletini kullanın.
Ardından, akış kanalının sonunda bir milimetre çapında bir daire yapmak için daire aracını kullanın. Ardından, köşe aletiyle yapılan dört milimetrelik bir yarıçap da dahil olmak üzere, daireyi en yakın 40 milimetreye 10 milimetrelik yüze bağlayan bir yol oluşturmak için çizgi aracını kullanın. Süpürülmüş kesme aracını kullanarak bu yol boyunca bir kesim yapın.
Ardından, sağ düzlem görünümüne gidin ve akış yolunun merkezinde 3,9 milimetre çapında bir daire oluşturmak için daire aracını kullanın. Ardından, bağlantı parçalarına yer açmak için sekiz milimetre kesmek için ekstrüzyon kesme aletini kullanın. Yansıtılmış bir görüntü oluşturmak için aynı işlemi dikdörtgen kanalın diğer tarafında da tekrarlayın.
Mikroakışkan test sisteminin üst katmanını tasarlamak için, önce alt katmanla aynı boyutlara sahip altı vida deliği olan bir dikdörtgen yapın. Ardından, üst yüzün ortasında, önce 30 milimetreye bir milimetre dikdörtgen oluşturmak için dikdörtgen aracını kullanarak 30 milimetreye bir milimetreye 0,5 milimetrelik bir süzüntü kanalı oluşturun. Ardından, dikdörtgeni üst yüzeye 0,5 milimetre kesmek için ekstrüzyon kesme aletini kullanın.
Şimdi, kanalın bir ucundan beş milimetre uzakta, süzüntü kanalında ortalanmış bir milimetrelik bir daire yapmak için daire aracını kullanın. Ardından, daha önce olduğu gibi, daireyi dikdörtgenin bir santimetreye altı santimetrelik yüzlerinden birine bağlamak için dört milimetre yarıçaplı bir bant içeren bir yol oluşturmak için çizgiyi ve köşe araçlarını kullanın. Yol boyunca kesmek ve bir kanal oluşturmak için süpürme kesme aracını kullanın.
Ardından, merkezi süzüntü yolu üzerinde olacak şekilde 3,9 milimetre çapında ek bir daire oluşturmak için daire aracını kullanın. Ve daireyi yüzeye sekiz milimetre kesmek için ekstrüzyon kesme aletini kullanın. Parçanın üst 40 milimetrelik kenarlarında, dikdörtgen aracıyla 40 milimetreye beş milimetrelik dikdörtgenler oluşturun ve köşe aracıyla dört milimetrelik bir yarıçap ekleyin.
Kollar için üç milimetre aşağı doğru ekstrüzyon yapmak için ekstrüzyon aletini kullanın. Son olarak, sert şeffaf bir polimer ile çok malzemeli bir fotopolimer 3D yazıcı kullanarak üst ve alt parçaları yazdırın. Üreticinin protokolüne uygun olarak, kanalı içeren her parçanın yüzüne yumuşak, kauçuksu bir polimer ile 0,05 milimetrelik bir üst kaplama ekleyin.
Başlamak için, pompa, valfler, basınç dönüştürücü, servolar, akış ölçer, regülatörler ve mikrodenetleyici dahil olmak üzere mikroakışkanları ekteki metin protokolünde açıklandığı gibi ayarlayın. Ardından, akış hücrelerine giden tüm valfleri açarak sistemi dört zarı paralel olarak ölçecek şekilde yapılandırın. Bir pompa giriş borusunu ultra saf su rezervuarına yerleştirin ve diğer giriş borusunu litre başına 0.08 gram BSA çözeltisi içeren bir rezervuara yerleştirin.
Bir şırınga kullanarak, sistemdeki tüm hava kabarcıklarını gidermek için boruyu astarlayın. Daha sonra, ultrafiltrasyon membranlarını, membranın aktif tarafı besleme kanallarına doğru olacak şekilde akış hücrelerinin alt kısmına yerleştirin. Ardından hücreleri kapatın ve vidaları cihazdaki deliklerden geçirin.
Somunları önce elle sabitleyin. Ardından, hazne üzerinde eşit bir basınç olması için cihazın etrafında dönüşümlü olarak sıkmak için bir anahtar kullanın. Yanlış sıkma su sızıntısına neden olabileceğinden herhangi bir tarafı aşırı sıkmayın.
Ardından, rezervuar anahtarını kullanarak ultra saf suyu seçin. Pompa akış hızını dakikada sekiz mililitreye ayarlayın ve ardından pompayı çalıştırın. Pompa çalışırken basınç regülatörünü 0,4 bar'a ayarlayın.
Veri toplama yazılımını kullanarak membranların esneme değerlerini izleyin ve basınç regülatörünü saatte metrekare başına ortalama 180 ila 220 litre arasında bir akı elde edilene kadar ayarlayın. Deneyi çalıştırmadan önce, bu aralığın saatte metrekare başına 20 litreye ulaşamıyorsa, tek bir zarı değiştirin. Hazır olduğunuzda, önce saatte metrekare başına 180 ila 220 litre arasında sabit bir akı ile 60 dakika boyunca birinci rezervuardaki ultra saf suyu seçerek deneysel çalıştırmayı ayarlayın.
Ardından, basınç regülatörünün manuel kontrolü ile 420 dakika daha ek bir süre için ikinci rezervuardaki BSA'yı seçin. Sistemi yıkamak için deneyin son 15 dakikası için birinci rezervuardaki ultra saf suyu seçin. Bu adım sırasında basınç regülatörünün manuel kontrolünü kullanın.
Ardından, rezervuar anahtarını otomatik olarak ayarlayın ve deneyi başlatın. Deneysel çalıştırma tamamlandıktan sonra, sistemi kapatın ve zarları akış hücrelerinden çıkarın. Ardından, bir şırınga ile içinden ultra saf su çekerek BSA giriş borusunu durulayın.
Nanofiltrasyon membranlarının kirlenme performansını ölçmek için, sistemden çeşitli çözeltiler akarken sızıntı akışını ölçmek için hatta bir akış ölçer bağlandı. İlk olarak, sistem 45 dakika boyunca su ile dengelendi, ardından 45 dakika boyunca 10 milimolar magnezyum sülfat uygulandı. Sistem daha sonra 45 dakika boyunca sisteme litre başına 0,8 gram BSA beslenmeden önce stabil bir akı elde edilene kadar 45 dakika daha saf suya geri döndürüldü.
Son olarak, sistem son 45 dakika boyunca saf suya geri döndürüldü. 10 milimolar NaCl koşulları altında bir kontrol membranının akısına kıyasla akıdaki azalma, BSA'ya bağlı membran kirlenmesini gösterdi. Burada gösterilen grafik, ultrafiltrasyon membranlarının kirlenmesini göstermektedir.
50 kilodalton zarlar arasındaki akı mavi ile gösterilmiştir. Ve 30 kilodalton zarlar arasındaki akı kırmızı ile gösterilmiştir. 50 kilodalton zarı, deneyin sonunda daha yüksek bir normalize akıya sahipken, fark önemli değildi.
Çok malzemeli 3D mürekkep püskürtmeli fotopolimerizasyon tabanı teknolojisinin, sağlam bir akış hücresi üretmek için gerekli olduğunu ve akış hücresini kapatmak ve sızıntıları önlemek için çok önemli olan baskılı kauçuk benzeri bir conta tabakası içerdiğini bulduk. Bu videoyu izledikten sonra, ultrafiltrasyon veya nanofiltrasyon membran uygulamaları için kendi özel 3D baskılı mikroakışkan çapraz akış hücrenizi nasıl tasarlayacağınızı ve çalıştıracağınızı iyi anlamış olmalısınız.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Genel Bakış
Bu makale, 3D baskılı bir mikroakışkan çapraz akış filtrasyon sisteminin tasarımını ve çalışmasını göstermektedir. Sistem, ultrafiltrasyon ve nanofiltrasyon membranlarının performansını ve kirlenme eğilimini test etmek için kullanılmaktadır.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Mikroakışkanlar
- Membran Teknolojisi
- Filtrasyon Sistemleri
Arka Plan
- Mikroakışkan cihazlar, akışkan akışının hassas kontrolüne izin verir.
- Membran performansının test edilmesi çeşitli uygulamalar için kritik öneme sahiptir.
- Kirlenme, membran filtrasyonunda önemli bir zorluktur.
- 3D baskı, cihaz üretimi için uygun maliyetli çözümler sunar.
Çalışmanın Amacı
- 3D baskılı bir mikroakışkan çapraz akış hücresini göstermek.
- Polimer membranların performansını değerlendirmek.
- Kontrollü koşullar altında kirlenme eğilimini değerlendirmek.
Kullanılan Yöntemler
- Mikroakışkan cihazın CAD yazılımı kullanılarak tasarlanması.
- Cihazın iki ayrı parça halinde üretilmesi.
- Yüksek basınçlarda membranların test edilmesi.
- Minimal maliyetle deneylerin yürütülmesi.
Ana Sonuçlar
- Sistem, membran performansını etkili bir şekilde test eder.
- Kontrollü koşullar altında kirlenme eğilimi gözlemlenebilir.
- Küçük ölçekli kurulumlar, birden fazla membranın paralel test edilmesini sağlar.
- Membrana çalışmaları için uygun maliyetli yöntem.
Sonuçlar
- 3D baskılı mikroakışkan sistem, membran araştırmaları için değerli bir araçtır.
- Yeni membran formülasyonlarının verimli bir şekilde test edilmesini sağlar.
- Bu yaklaşım, membran kirlenmesi anlayışını ilerletebilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
This 3D-printed microfluidic cross-flow system enables parallel testing of up to four ultrafiltration or nanofiltration membranes under controlled flow and pressure conditions, supporting early-stage evaluation of membrane fouling propensity. By minimizing reagent consumption and allowing rapid iteration on membrane formulations, the system aids in de-risking target validation and lead identification in membrane-based separation technologies relevant to biopharma purification workflows. Its modular, scalable design supports assay development and reproducibility for downstream process optimization.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of membrane performance and fouling mechanisms using model foulants like BSA to validate separation hypotheses.
- Operational Value: Supports parallel testing of multiple membrane variants, accelerating structure-function relationship studies.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Provides quantitative flux measurements under defined conditions, enabling standardized assessment of membrane fouling resistance.
- Operational Value: Reduces reagent and sample volume requirements, making it feasible to test expensive or limited-availability biomaterials.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates continuity from discovery to preclinical evaluation by generating reproducible fouling data predictive of larger-scale performance.
- Operational Value: Enables risk-adjusted advancement decisions through early detection of fouling-prone membrane candidates.
Pipeline & Workflow Integration
The system integrates into membrane discovery workflows by supporting hypothesis testing, assay standardization, and data-driven selection of membrane candidates prior to scale-up.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by isolating variables such as pressure, flow rate, and foulant concentration to clarify membrane-foulant interactions.
- Screening: Enables high-throughput readiness through parallel testing and modular expansion for evaluating diverse membrane formulations.
- Analytics: Generates flux decline readouts that serve as quantitative dependent variables for comparing membrane performance under fouling conditions.
- Translational Research: Connects early fouling observations to preclinical continuity by providing data that inform scale-up feasibility.
- Enterprise Reuse: Designed as a reusable platform for iterative testing across multiple projects, reducing redundant development efforts.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Improves predictive confidence in membrane selection by enabling controlled fouling studies with measurable outputs.
- Operational Value: Enhances reproducibility and standardization through precise fluid control and sealed multi-material fabrication.
- Strategic Value: Supports better go/no-go decisions by identifying fouling risks early, reducing late-stage process failures.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of membrane candidates based on empirical fouling resistance data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic design, CAD modeling, and multi-material 3D printing.
- Needs pressure regulation, flow control, and flux measurement instrumentation (e.g., pump, flow meter, data acquisition).
- Demands standardization of membrane preparation, sealing, and tightening procedures to ensure leak-free operation.
- Involves adaptation considerations for different membrane types, foulants, and operational pressures.
- Limited by the small membrane surface area, which may not fully replicate hydrodynamics of industrial-scale systems.
