ثلاثة بعدي مطبوعة ميكروفلويديك نظام الصليب لتدفق الترشيح الفائق / ميكن للترشيح النانوي غشاء اختبار الأداء

Bioengineering

Your institution must subscribe to JoVE's Bioengineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Summary

ويتجلى تصميم وتصنيع وثلاثة الأبعاد (3-D) المطبوعة ميكروفلويديك النظام عبر تدفق الترشيح. يتم استخدام نظام لاختبار الأداء ومراقبة تلوث من الترشيح الفائق والترشيح الدقيق جدا (رقيقة فيلم مركب) الأغشية.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Wardrip, N. C., Arnusch, C. J. Three-Dimensionally Printed Microfluidic Cross-flow System for Ultrafiltration/Nanofiltration Membrane Performance Testing. J. Vis. Exp. (108), e53556, doi:10.3791/53556 (2016).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

تقليل وإدارة تلوث غشاء يشكل تحديا هائلا في العمليات الصناعية المختلفة وغيرها من الممارسات التي تستخدم تكنولوجيا الأغشية. يمكن فهم عملية قاذورات تؤدي إلى تحسين وزيادة كفاءة الترشيح القائمة على الأغشية. هنا نعرض تصميم وتصنيع و-الأبعاد الثلاثة (3-D) المطبوعة النظام الآلي ميكروفلويديك عبر تدفق الترشيح التي يمكن اختبار ما يصل إلى 4 الأغشية بشكل متواز. تم طبع الخلايا ميكروفلويديك باستخدام فوتوبوليمير متعددة المادي تكنولوجيا الطباعة 3-D، والتي تستخدم البوليمر الصلب الشفاف للجسم الخلية ميكروفلويديك وأدرجت رقيقة طبقة البوليمر مثل المطاط، والذي يمنع التسرب أثناء العملية. تم اختبار أداء الفائق (UF)، والترشيح الدقيق جدا (NF) الأغشية ويمكن ملاحظة تلوث الغشاء مع foulant زلال المصل البقري نموذج (BSA). وأظهرت حلول الأعلاف التي تحتوي على BSA انخفاض تدفق للغشاء. ويمكن تمديد هذا البروتوكولإد لقياس تلوث أو biofouling مع العديد من الحلول العضوية، غير العضوية أو الجرثومية التي تحتوي على أخرى. تصميم ميكروفلويديك هو مفيد خاصة لاختبار المواد التي هي مكلفة أو متاحة فقط في كميات صغيرة، على سبيل المثال السكريات والبروتينات والدهون أو بسبب مساحة صغيرة من الغشاء يجري اختبارها. هذا النظام المرن يمكن أيضا بسهولة توسيعها لاختبار إنتاجية عالية من الأغشية.

Introduction

تكنولوجيا الأغشية جزء لا يتجزأ من العمليات الصناعية وغيرها التي تتطلب فصل المواد المذابة من حل الجزء الأكبر، ومع ذلك، تحشف هو تحد كبير ومستمر. 1 الأمثلة الشائعة حيث يحدث تحشف تشمل استخدام أغشية الترشيح الفائق للفصل أساس حجم مياه الصرف الصحي، وتشمل 2 ورقيقة الأغشية فيلم مركب لفصل الأيونات والأملاح أكبر من المياه قليلة الملوحة أو مياه البحر 3 مؤشرات المميزة للقاذورات زيادة في الضغط عبر الغشاء وانخفاض في تدفق. هذا يقلل من إنتاجية الغشاء ويقصر من عمر البطارية نظرا لبروتوكولات التنظيف الكيميائية أو غيرها. وبالتالي أداء غشاء يعد مؤشرا جيدا لتقييم قاذورات وفهم آليات وآثار قاذورات، biofouling وتشكيل بيوفيلم على الأغشية. أيضا، وتقييم الأداء مهم في تصميم أو تعديل أغشية جديدة.

تقنية الحرية النفسية ">

الفائدة في استخدام الأغشية في أجهزة ميكروفلويديك تشهد نموا خلال العقد الماضي. 4 في الآونة الأخيرة، قمنا بدراسة تأثير مكونات الميكروبية lipopolysaccharide في وglycosphingolipid على قاذورات على سطح غشاء الترشيح الدقيق جدا، وقابلية لاحقة من سطح مكيفة للميكروبات وقد استخدم المرفق. 5 جهاز عبر تدفق ميكروفلويديك لتقييم أداء الأغشية الترشيح الدقيق جدا. هذا ما سمح للاستخدام مكونات الدهون غير التجارية الخاصة المتاحة فقط بكميات صغيرة للقاذورات سطح غشاء لأن مساحة سطح غشاء كانت صغيرة. حجم نظام يسمح كفاءة استخدام المواد الغشاء وكميات قليلة من حلول. في هذا البروتوكول، ونحن تصف تصميم وتصنيع جهاز ميكروفلويديك لاختبار أداء غشاء، والخطوط العريضة لتأسيس الجهاز في نظام تدفق الضغط. يظهر مظاهرة من الجهاز عن طريق اختبار الأدوات الكهنانوغرام أداء الأغشية الترشيح الفائق وأغشية الترشيح الدقيق باستخدام foulant نموذج، BSA. 6،7

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. تصميم وتصنيع نظام ميكروفلويديك اختبار

  1. تصميم جهاز ميكروفلويديك كما جزأين منفصلين: على الجزء العلوي والجزء السفلي (الشكل 1) في برنامج CAD.
  2. البدء في صنع الجزء السفلي باستخدام أداة المستطيل رسم 40 مم 60 مم المستطيل.
  3. في زاوية واحدة مع أداة دائرة إنشاء دائرة 6.2 مم تركزت 10 ملم من الحواف. مع أداة النمط الخطي تكرار ثقوب في جميع أنحاء المستطيل مع تباعد 20 مم ليصبح المجموع 6 فتحات.
  4. باستخدام أداة شرائح فيليه المستطيلات مع دائرة نصف قطرها 1 مم.
  5. بثق مم جزء 10 مع أداة قذف.
  6. في وسط الوجه العلوي، مع أداة المستطيل إنشاء مستطيل 30 مم 1 مم ومع أداة قطع قذف قطع 0.2 ملم لقناة التدفق.
  7. باستخدام أداة الدائرة جعل دائرة قطرها 1 مم في نهاية قناة التدفق. ثم مع أداة سطر بناء الطريق الذي يربط بين الدائرة إلى أقرب40 مم مم وجه 10، بما في ذلك دائرة نصف قطرها 4 مم مصنوعة من الأداة شرائح. اجراء خفض على طول هذا المسار باستخدام أداة قطع اجتاحت.
  8. مع أداة دائرة إنشاء دائرة قطرها 3.9 ملم في وسط الطريق تدفق وقطع 8 ملم مع أداة قطع قذف للسماح التجهيزات.
  9. كرر الخطوات من 1.7 و 1.8 بالنسبة للجانب الآخر من قناة التدفق.
  10. مع كبار جزء كرر الخطوات من 1.2-1.5. ثم في وسط الوجه العلوي إنشاء قناة تتخلل باستخدام أداة المستطيل لإنشاء مستطيل 30 مم 1 مم وخفض 0.5 ملم باستخدام أداة قطع قذف.
  11. استخدام أداة دائرة لجعل دائرة 1 مم تركزت في تتخلل قناة 5 مم من نهايته. مع أداة سطر بناء الطريق الذي يربط بين دائرة واحدة من 1 سم في 6 سم وجوه، بما في ذلك دائرة نصف قطرها 4 مم مصنوعة من الأداة شرائح. اجراء خفض على طول المسار باستخدام أداة قطع اجتاحت.
  12. مع أداة دائرة خلق إضافية دائرة قطرها 3.9 ملم مع مركزه على الطريق تتخلل وقطع 8 ملم مع السابقينأداة قطع ترود.
  13. في الأجزاء أعلى 40 مم حواف، مع أداة المستطيل، وخلق المستطيلات 40 مم 5 مم مضيفا 4 ملم نصف قطر مع أداة شرائح. استخدام أداة بثق لقذف 3 مم أسفل مقابض.
  14. أجزاء طباعة مع فوتوبوليمير متعددة المادي طابعة 3-D باستخدام البوليمر شفافة الصلب، بما في ذلك 0.05 ملم بمعطف إضافي مع البوليمر مطاطي ناعم على وجه كل جزء يحتوي على القناة. استخدام مصنع القياسية البروتوكول والمعايرة والضبط.
  15. المواضيع الحنفية (M5) الى علف، retentate وتتخلل فتحات. استخدام الشريط سباك للاتصال 1/8 "تركيبات للتغذية وretentate و1/16" تركيبات لتتخلل.
  16. توصيل أجهزة ميكروفلويديك لضخ، والصمامات، محول الضغط ومنظم احداهما مع 1/8 "أنابيب (الشكل 2).
  17. ربط 0.45 ميكرون مرشحات إلى مدخل أنابيب.
  18. التفريغ تتخلل إلى تدفق متر والأكواب على الأرصدة لدى 1/16 "أنابيب.
  19. توصيل الماكينات وإمدادات الطاقة إلى درع المؤازرة.
  20. قم بتوصيل محول الضغط، ومفاتيح ودرع المؤازرة للمتحكم.
  21. ربط متحكم، أرصدة، تدفق متر ومضخة لجهاز كمبيوتر لتسجيل البيانات ونظام التحكم.
  22. تكوين أرصدة لطباعة البيانات إلى موانئها التسلسلي.

2. إعداد الأغشية لفحصها

  1. قطع الأغشية إلى 40 ملم × 8 ملم.
  2. نقع الأغشية في الماء عالى النقاء (3 × 10 دقيقة) مع صوتنة.
  3. ثم نقع الأغشية في 50/50 عالى النقاء المياه / الايثانول لمدة 1 ساعة.
  4. شطف الأغشية مع الماء عالى النقاء وتخزينها في الماء عالى النقاء في 4 درجات مئوية. 8

3. إعداد حلول لفحصها مع ميكن للترشيح النانوي الأغشية

  1. إضافة 500 مل من الماء عالى النقاء إلى دورق مخروطي. ثم إضافة 0.04 غرام من BSA لد 0.29 غرام من كلوريد الصوديوم.
  2. إضافة 500 مل من الماء عالى النقاء إلى دورق مخروطي منفصلة. ثم إضافة 0.6 غرام من MgSO 4.
  3. إضافة 500 مل من الماء عالى النقاء إلى دورق مخروطي الثالثة. ثم إضافة 0.29 غرام من كلوريد الصوديوم.
  4. إدراج يحرك الحانات في كل قارورة ومكان قوارير على لوحات ضجة. مزيج لمدة 5 دقائق في 500 دورة في الدقيقة.

4. إجراء تجربة ميكن للترشيح النانوي الإفساد

ملاحظة: إجراء التجربة في RT (حوالي 24 درجة مئوية). أولا تكوين نظام لقياس غشاء واحد عن طريق إغلاق الصمامات لتدفق خلايا لا علاقة لتدفق متر.

  1. إدراج مضخة واحدة أنبوب مدخل إلى خزان للمياه عالى النقاء وغيرها من أنبوب مدخل إلى 4 حل MgSO (الشكل 2).
  2. استخدام حقنة لسحب المياه وMgSO 4 الحل من خلال أنابيب وذلك لإزالة جميع فقاعات الهواء في النظام.
  3. اضافة الى وجود غشاء الترشيح الدقيق جدا على الجزء السفلي من الخلية التدفق، معالجانب النشط تجاه قناة الأعلاف، ومكان على الجزء العلوي من الخلية التدفق.
  4. ربط المكسرات باليد ثم تشديد بالتساوي مع وجع وذلك للحد من التسرب.
  5. حدد الماء عالى النقاء مع التبديل خزان محدد.
  6. تعيين معدل تدفق المضخة إلى 2 مل / دقيقة وبدء ضخ.
  7. ضبط منظم ضغط على 4 بار.
  8. تعيين المعلمات التجريبية للتبديل خزانات كل 45 دقيقة بدءا من خزان المياه.
  9. تعيين رمز التبديل المكمن لصناعة السيارات، وبدء التجربة.
  10. في 60 دقيقة جمع MgSO 4 تتخلل في أنبوب للدقيقة 30 المقبل.
  11. في 91 دقيقة استبدال MgSO 4 قارورة مع قارورة تحتوي على حل جيش صرب البوسنة وكلوريد الصوديوم.
  12. وقف بسرعة المضخة واستخدام حقنة لرسم حل جيش صرب البوسنة خلال أنبوب مدخل لإزالة MgSO 4 بقايا في الأنابيب. ثم بدء ضخ مرة أخرى.
  13. في 150 دقيقة جمع BSA تتخلل في أنبوب للدقيقة 30 المقبل.
  14. بعد 225 دقيقة، إيقاف تشغيل النظام وإزالة نانو غشاء الترشيح من الخلية التدفق.
  15. باستخدام حقنة، اخراج حل أنبوب اختبار مدخل مع الماء عالى النقاء.
  16. كرر الخطوات من 4،1 حتي 4،15 لكل غشاء إضافي اختبارها.
  17. لكلوريد الصوديوم الاختبارات فقط، كرر الخطوات من 4،1-4،10، و4،14-4،16 استبدال MgSO 4 الحل مع حل كلوريد الصوديوم وإنهاء التجربة بعد 90 دقيقة بدلا من 225 دقيقة.

5. حساب السلط رفض ميكن للترشيح النانوي الأغشية

  1. شطف أقطاب الخلية اختبار potentiostat مع الماء عالى النقاء.
  2. مع ماصة، إيداع 5 ميكرولتر من MgSO 4 الحل على أقطاب الخلية الاختبار.
  3. المقاومة سجل من الحل.
  4. كرر الخطوات من 5،1-5،3 أربع مرات، وحساب متوسط ​​قيمة.
  5. كرر الخطوات من 5،1-5،4 لكلوريد الصوديوم والحلول BSA / كلوريد الصوديوم فضلا عن كل تتخلل حل والتي تم جمعها.
  6. حساب رفض الملح مع المعادلة 1:
    6eq1.jpg "/>
    حيث Ω الصورة هي المقاومة من حل الاختبار وΩ p غير مقاومة تتخلل. المقاومة تتناسب عكسيا مع الموصلية من الحل، والذي يرتبط مباشرة إلى تركيز الملح.

6. إعداد الحلول لفحصها مع الترشيح الفائق الأغشية

  1. إضافة 1 لتر من الماء عالى النقاء إلى دورق 4 لتر. ثم يضيف للمؤشر 0.32 غرام من جيش صرب البوسنة.
  2. إدراج بقضيب في كوب ومكان على طبق من ضجة. مزيج لمدة 5 دقائق في 500 دورة في الدقيقة.
  3. إضافة إضافي 3 لتر من الماء عالى النقاء إلى الكأس وتخلط مرة أخرى لمدة 5 دقائق في 500 دورة في الدقيقة.

7. قم بإجراء تجربة الترشيح الفائق الإفساد

ملاحظة: إجراء تجربة على RT (حوالي 24 درجة مئوية). أولا تكوين نظام لقياس 4 الأغشية بالتوازي من خلال فتح جميع الصمامات ليتدفق الخلايا.

  1. وضع مضخة واحدة أنبوب مدخل إلى خزان للمياه عالى النقاء وغيرها من أنبوب مدخل إلى عشرحل البريد BSA (الشكل 2).
  2. استخدام حقنة لرسم الماء وحل جيش صرب البوسنة خلال الأنبوب وذلك لإزالة جميع فقاعات الهواء في النظام.
  3. إدراج أغشية الترشيح الفائق على الجزء السفلي من تدفق الخلايا، مع الجانبين النشطة نحو القنوات الأعلاف، وإغلاق الخلايا التي تحتوي على أعلى نصفي الجهاز ميكروفلويديك.
  4. المكسرات ربط باليد، ثم تشديد بالتساوي مع وجع. تشديد غير لائق قد يؤدي إلى تسرب المياه.
  5. تحديد الماء عالى النقاء مع تبديل الخزان.
  6. تعيين معدل تدفق المضخة إلى 8 مل / دقيقة وبدء ضخ.
  7. ضبط منظم الضغط إلى 0.4 بار.
  8. مراقبة القيم تدفق الأغشية مع برنامج الحصول على البيانات وفقا لبروتوكول الشركة المصنعة.
  9. ضبط منظم ضغط حتى متوسط ​​تدفق 200 LMH ± 10٪.
  10. استبدال غشاء فردي إذا تدفق ليس 200 LMH ± 20٪.
  11. أدخل المعلمات المدى التجريبية. أولا حدد عزاء الماء عالى النقاءrvoir لمدة 60 دقيقة مع تدفق مستمر من 200 ± 20 LMH. ثم حدد خزان BSA ل 420 دقيقة مع تحكم يدوي من منظم الضغط. وأخيرا، حدد خزان الماء عالى النقاء لمدة 15 دقيقة مع تحكم يدوي من منظم الضغط على النظام دافق في نهاية التجربة.
  12. تعيين رمز التبديل المكمن لصناعة السيارات، وبدء التجربة.
  13. بعد الانتهاء المدى، وأغلقت النظام باستمرار وإزالة الأغشية من تدفق الخلايا.
  14. مع حقنة، تدفق مضخة أنبوب مدخل مع الماء عالى النقاء.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

تم تصميم خلايا تدفق الموائع الدقيقة باستخدام برنامج CAD وطباعتها باستخدام فوتوبوليمير متعددة المادي ثلاثية الأبعاد (3-D) الطابعة. وقد تم تصميم هذه الخلية في جزأين، بحيث الأغشية يمكن إدراجها بسهولة وإزالتها من الجهاز (الشكل 1). كان كل جزء 1 سم سميكة، وطبع من البوليمر الصلب واضح للسلامة الهيكلية، وكانت overcoated الجانبين التي تواجه الغشاء مع رقيقة جدا طبقة 50 ميكرون من المطاط مثل البوليمر. تم إجراء بمعطف إضافي لتوفير الخلايا لديها القدرة على الختم، والذي يمنع تسرب الماء. وقد تم تصميم قناة تدفق في 0.2 ملم عميق، 1 مم و 30 مم طويل لاختبار منطقة 30 ملم 2 من الغشاء. بعد قطع الأغشية إلى 40 مم 8 مم وبروتوكول الغسيل، تم إدراج غشاء اختبار في الجهاز. استخدمت ستة مسامير الفولاذ المقاوم للصدأ والمكسرات (M6) لتشديد الجهاز وتوصيله إلى نظام (الشكل 2). بهذه الطريقة، والخلية هي المؤسسة العامةاتصال rmanently للنظام، في حين الأغشية يمكن الاستعاضة عنها بسهولة. تم تشغيل خلية واحدة للتجارب غشاء الترشيح الدقيق جدا، وكانت تعمل أربع خلايا بالتوازي للتجارب غشاء الترشيح الفائق.

لأغشية الترشيح الدقيق جدا، وتواصل تدفق متر لقياس تدفق تتخلل. لإجراء التجربة، والمياه النقية بمعدل 2 مل / دقيقة. وقد بدأ وضبط ضغط على 4 بار. وأدى ذلك إلى تدفق تتخلل من ~ 40 LMH (الشكل 3)، وتتوافق مع ~ 10 LMH / بار. بعد موازنة والمراقبة من تغير مستمر (حوالي 45 دقيقة)، تم تغيير الحل لMgSO 4 (10 ملم) لاختبار لهذا الرفض والتحقق من سلامة الغشاء، وتتخلل تم جمعها. وقد تم قياس المقاومة من هذا الحل الذي يتناسب عكسيا مع التوصيل. في تركيز الملح اختبار، والتوصيل يتناسب خطيا إلى تركيز وص٪ ملحيمكن حساب طرد. أعطت الأغشية اختبارها في التجربة الحالية 83٪ ± 4٪، و 64٪ ± 3٪ الرفض من MgSO 4 وكلوريد الصوديوم، على التوالي. ثم عاد تغذية النظام على مياه نقية حتى تم التوصل إلى تدفق مستقر، ومن ثم تغير إلى محلول مائي من BSA (0.08 جم / لتر) في كلوريد الصوديوم (10 ملم). وأشار انخفاضا في تدفق بالمقارنة مع تدفق غشاء السيطرة في ظل ظروف 10 ملي كلوريد الصوديوم تحشف نظرا لجيش صرب البوسنة.

لأغشية الترشيح الفائق، تم ربط أربعة أجهزة ميكروفلويديك في موازاة ذلك، مع تدفق تتخلل تقاس باستخدام الأرصدة. وتم ربط هذه الأرصدة إلى الكمبيوتر وتسهيل جمع البيانات المستمر. باستخدام معدل تغذية المياه النقية من 8 مل / دقيقة للنظام، الذي هو 2 مل / دقيقة لكل خلية تدفق، تم تعديل ضغط من أجل الحصول على تدفق متوسط ​​من 200 LMH (الشكل 4). تم تقييم تدفق كل الغشاء، واستعيض عن غشاء اذا كان الفارق تدفق & #62؛ 20٪ من متوسط ​​تدفق اختيار الأولي من 200 LMH. تم تغيير الحل لجيش صرب البوسنة (0.08 جم / لتر) وتم رصد انخفاض تدفق. ثم تغيرت الحل تغذية العودة إلى المياه النقية. للحصول على نتائج تمثيلية، قارنا 30 و 50 كيلو دالتون polyethersulfone ماء أغشية الترشيح الفائق، ولاحظ أنه على الرغم من 50 كيلو دالتون غشاء زيارتها متدفقة أعلى تطبيع عند انتهاء التجربة (26.5٪ من التدفق الأولي) مقارنة مع 23٪ للكيلو دالتون غشاء 30، الفرق لم يكن كبيرا.

الشكل 1

. وقدم الشكل 1. تصميم وصورة من الجهاز ميكروفلويديك استخدام التصميم باستخدام برنامج CAD وطباعتها باستخدام طابعة فوتوبوليمير ثلاثية الأبعاد. (أ) الجزء السفلي الذي يحتوي على قناة تغذية (رأي كبار). (ب) الجزء العلوي يحتوي على تشان تتخلل نيل (عرض أعلى). (C) جمعية (عرض الجانب) الجهاز. (D) صورة للجهاز وظيفي بما في ذلك قسيمة الغشاء، وأجزاء تثبيتها جنبا إلى جنب مع الصواميل والمسامير. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2

الشكل 2. التمثيل التخطيطي للنظام. وقد أجريت التجارب غشاء الترشيح الدقيق باستخدام خلية تدفق 1. تم إجراء اختبار غشاء الترشيح الفائق باستخدام جميع تدفق الخلايا 4 في نفس الوقت. الكمبيوتر تسجيل البيانات لا يظهر. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

lways "> الشكل (3)

الشكل 3. الأداء وقاذورات من غشاء الترشيح الدقيق جدا في ظل ظروف عبر تدفق الظروف التجريبية لتشغيل كامل (مربع أسود): أ) الماء عالى النقاء، 2 مل / دقيقة، 4 بار. ب) 10 ملي MgSO 2 مل / دقيقة، 4 بار. ج) الماء عالى النقاء، 2 مل / دقيقة، 4 بار. د) BSA (0.08 جم / لتر) في 10 ملي كلوريد الصوديوم، 2 مل / دقيقة، 4 بار. ت) الماء عالى النقاء، 2 مل / دقيقة، 4 بار. غشاء السيطرة 10 ملي كلوريد الصوديوم، 2 مل / دقيقة، 4 بار (الدائرة الزرقاء). أشرطة الخطأ دلالة على الانحراف المعياري. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (4)

الشكل 4. الإفساد أغشية الترشيح الفائق 30 كيلو دالتون ( الساحة الحمراء) و 50 كيلو دالتون (الماس الأزرق) في ظل ظروف عبر تدفق. تم تعديل ط) الضغط بحيث بلغ متوسط ​​الأولي تدفق النقي تتخلل المياه 200 LMH. ب) BSA (0.08 جم / لتر) 2 مل / دقيقة. أشرطة الخطأ دلالة على الانحراف المعياري. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

يصف هذا البروتوكول تصميم جهاز عبر تدفق ميكروفلويديك المطبوعة ثلاثة الأبعاد لاختبار الترشيح الدقيق والترشيح الفائق الأغشية. مؤخرا، لقد أظهرنا نجاح الاختلاف من هذا البروتوكول مع تكييف غشاء الترشيح الدقيق جدا وقاذورات مع الشحميات السفنغولية السكرية وعديدات سكر شحمية والاختلافات الأداء الغشاء مع حقن ثقافة البكتيرية لاحق. 5 التطبيقات المستقبلية توظيف هذه التقنية يمكن استخدامها لتقييم التغيرات أداء الغشاء مع foulants مختلفة . بالمقارنة مع تدفق الخلايا بشكل اكبر هذا الجهاز ميكروفلويديك يتطلب أقل بكثير حل الاختبار ويمكن أن تقلل بشكل كبير من تكاليف foulants والمركبات، وخصوصا تلك التي لا تتوفر إلا بكميات محدودة. أيضا يجعل من القطع الصغير يجعلها مريحة للاختبار على نطاق المختبر وقد تكون قابلة للارتفاع اختبار سرعة.

وقد تحقق تصميم الجهاز عبر تدفق ميكروفلويديك عبتيالنماذج تكرارية ough، وهي ميزة كبيرة الطباعة ثلاثية الأبعاد. واستندت ميزات تصميم جهاز العام على جهاز عبر تدفق ميكروفلويديك نشرت سابقا المستخدمة في تطبيقات غشاء الترشيح الدقيق جدا. كانت 9،10 الاختلافات التصميم الأكثر أهمية أن الأعلاف وتتخلل القنوات لم تعوض ولكن تتراكب مباشرة بعضها البعض، وسمك أجزاء، وطريقة الختم المياه. ومنع تسرب المياه المشكلة الرئيسية التي تم التغلب عليها في عملية التصميم من خلال طباعة الجهاز مع فوتوبوليمير متعددة المادي طابعة 3-D. هذا يسمح البوليمر لينة رقيقة لتكون على أسطح الجهاز الذي كانوا على اتصال مع الغشاء. بعد وضع الغشاء في الجهاز، وتشديد بالتساوي مع 6 المكسرات (M6)، منعت تسرب المياه. المناطق الأخرى المحتملة لتسرب المياه هي مدخل الأعلاف ونقاط اتصال منفذ أنابيب retentate، ويمكن منع استخدام الشريط سباك ووالحرص على عدم تشديد عبر اتصال من الأنابيب، والذي من شأنه أن يؤدي إلى تلف خيوط. وقد الجهاز ضغط اختبار ما يصل الى 5 بار دون تسرب.

ومن المهم أن يتم استخدام مياه نقي للغاية لإعداد جميع الحلول. المياه من مصادر أخرى قد تحتوي على مواد قاذورات المجهولة التي من شأنها أن تسبب انخفاض في الأداء الغشاء. أيضا، يتم إرفاق مرشح (0.45 ملم) إلى أنابيب تغذية لضمان عدم وجود الجسيمات في النظام. وقد تم استخدام مقياس التدفق تتخلل من أجل قياس أكثر دقة القيم تدفق منخفضة في تجربة تمثيلية باستخدام غشاء الترشيح الدقيق جدا. تم اختيار ضغط ثابت من 4 بارات استنادا إلى دراسة الشحميات السفنغولية السكرية السابقة. وبلغ متوسط ​​5 القياسات كرر باستخدام كوبونات غشاء مختلفة. في تجربة تمثيلية باستخدام أغشية الترشيح الفائق، تم قياس تدفق المياه النقية الأولي من الغشاء باستخدام ضغط 0.4 بار. تتخلل تدفق من غشاء لغشاء يمكن أن تختلف اختلافا كبيرا ولذلك فحص تدفق كل الغشاء لضمان أن الخلافات التمويه لم تكن أكبر من ± 20٪. تم استبدال الأغشية التي تقع خارج القيم تدفق الأولية المطلوبة مع كوبونات غشاء جديدة. في دراسات قاذورات قد يفضل تغير مستمر خلال الضغط المستمر لأغشية اختبار مع التدفقات الأولية المختلفة قد كريهة بمعدلات مختلفة. ثم تم تعديل ضغط لمتوسط ​​تدفق تتخلل الأولي المرجوة من 200 LMH ± 10٪، ومع ذلك، يمكن اختيار هذه الشروط انطلاق الأولية وفقا لظروف تجريبية المطلوبة. وتغييرات لاحقة في تكوين حل الأعلاف، ورصد التغيرات تدفق تعطي معلومات قيمة حول خصائص الأداء للغشاء.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgments

الكتاب أشكر Stratasys (رحوفوت، إسرائيل) للطباعة ثلاثية الأبعاد من الجهاز. ونحن ممتنون لMicrodyne-نادر (ألمانيا) لعينات الغشاء. وأيد هذا البحث من قبل مؤسسة العلوم إسرائيل (غرانت 1474-1413) لقانون القضاء الدستوري

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics