בתלת ממד המודפס Microfluidic מערכת חוצת זרימה עבור Ultrafiltration / nanofiltration ממברנה בדיקות ביצועים

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

תכנון ייצור של מערכת סינון microfluidic בתלת ממד (3-D) מודפס חוצת זרימת המודגם. המערכת משמשת כדי לבדוק את הביצועים ולבחון עכירות של אולטרה סינון ו nanofiltration ממברנות (מרוכבים סרט דק).

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

מזעור וניהול של עכירות קרום הנו אתגר משמעותי בתהליכים תעשייתיים מגוונים ושיטות אחרות העושות שימוש בטכנולוגיה הממברנה. הבנת תהליך העכירות יכולה להוביל אופטימיזציה ויעילות גבוהה יותר של סינון מבוסס הממברנה. הנה אנחנו מראים את העיצוב ואת הייצור של אוטומטי בתלת ממד (3-D) מודפסת מערכת microfluidic חוצה זרימה סינון שיכול לבדוק עד 4 ממברנות במקביל. תאי microfluidic הודפסו באמצעות טכנולוגיית הדפסה רבה-חומר photopolymer 3-D, אשר ממשמשים פולימר קשה שקוף עבור גוף תא microfluidic ושלב שכבת פולימרים דקה דמוית גומי, המונעת דליפות במהלך מבצע. המופע של אולטרה סינון (UF), ו nanofiltration (NF) ממברנות נבדקו עכירות הממברנה יכול להיבחן עם אלבומין בסרום שור מודל foulant (BSA). פתרונות עדכונים המכילים BSA הראו ירידת שטף של הממברנה. פרוטוקול זה ניתן להאריךed למדוד עכירות או biofouling עם אורגניים רבים אחרים, אנאורגניות או חיידקים המכילים פתרונות. עיצוב microfluidic במיוחד יתרון לבדיקות חומרים כי הם יקרים או זמינים רק בכמויות קטנות, עבור סוכרים למשל, חלבונים, שומנים או בשל שטח פנים הקטן של הממברנה נבדקת. מערכת מודולרית זו עשויה גם להיות מורחבת בקלות לבדיקת קצב העברת נתונים גבוהה של ממברנות.

Introduction

טכנולוגיית ממברנה היא חלק בלתי נפרדת בתהליכים תעשייתיים, תוך אחרים הדורשות ההפרדה מומס מפתרון בתפזורת, לעומת זאת, עכירות הממברנה היא אתגר מתמשך גדול. 1 דוגמאות נפוצות שבו עכירות קרום מתרחשות לכלול את השימוש של ממברנות אולטרה סינון עבור פרדה על בסיס הגודל של שפכים, ממברנות מרוכבים הסרט 2 ורזה להפרדת יונים מומסים גדול מן מליחים או מי ים. 3 סימנים אופייניים של עכירות כוללים עלייה בלחץ הטרנסממברני וירידה השטף. זה מקטין את הפרודוקטיביות של קרום ומקצר את חייה עקב פרוטוקולי ניקוי כימי או אחר. לכן הביצועים הממברנה הוא אינדיקטור טוב כדי להעריך עכירות ו להבין את המנגנונים ואת ההשפעות של עכירות, biofouling היווצרות ביופילם על ממברנות. כמו כן, הערכת ביצועים חשוב בעיצוב או שינוי של ממברנות חדש.

EFT ">

עניין השימוש של ממברנות במכשירי microfluidic גדל בעשור האחרון. 4 לאחרונה חקרנו את השפעת lipopolysaccharide רכיבי חיידקים, ואת glycosphingolipid על עכירות פני שטח של קרום nanofiltration, ואת הרגישות הבאה של המשטח המותנה מיקרוביאלי מצורף. 5 מכשיר צולבות זרימה microfluidic שימש כדי להעריך את הביצועים של ממברנות nanofiltration. זה איפשר שימוש ברכיבי השומנים לא מסחרי מיוחד זמין רק בכמויות קטנות עכירות משטח הממברנה בגלל שטח הפנים קרום היה קטן. גודל המערכת אפשר ניצול יעיל של חומרי קרום כמויות נמוכות של פתרונות. בפרוטוקול זה, אנו מתארים את העיצוב ואת ייצור של המכשיר microfluidic לבדיקות ביצועים קרום, ולהתוות את ההתאגדות של המכשיר למערכת זרימת לחץ. הפגנה של מכשיר מוצגת על ידי testing את הביצועים של ממברנות אולטרה סינון וממברנות nanofiltration באמצעות foulant מודל, BSA. 6,7

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

תכנון ייצור 1. של מערכת הבדיקה Microfluidic

  1. עיצוב מכשיר microfluidic כמו שני חלקים נפרדים: חלק עליון חלק תחתון (איור 1) בתכנית CAD.
  2. להתחיל לעשות את החלק התחתון על ידי שימוש באפשרות מלבן לצייר 40 מ"מ על 60 מ"מ מלבן.
  3. בפינה אחת באמצעות כלי המעגל ליצור מעגל 6.2 מ"מ קוטר מרוכז 10 מ"מ מן הקצוות. בעזרת הכלי דפוס ליניארי לשכפל החורים ברחבי מלבן עם ריווח 20 מ"מ עבור סכום כולל של 6 חורים.
  4. באמצעות כלי הפילה המלבן עם רדיוס של 1 מ"מ.
  5. Extrude את מ"מ חלק 10 עם כלי extrude.
  6. במרכז של הפאה העליונה, עם כלי מלבן ליצור מלבן 30 מ"מ על 1 מ"מ ועם כלי לחתוך extrude לחתוך 0.2 מ"מ עבור ערוץ הזרימה.
  7. באמצעות כלי המעגל עושה עיגול בקוטר 1 מ"מ בסוף ערוץ הזרימה. אז עם כלי השורה לבנות נתיב חיבור המעגל הקרוב40 מ"מ על פני 10 מ"מ, כולל 4 מ"מ רדיוס עשה עם כלי פילה. ביצוע חתך לאורך המסלול הזה עם כלי לחתוך נסחף.
  8. באמצעות כלי המעגל ליצור מעגל בקוטר 3.9 מ"מ במרכז את נתיב הזרימה וחותכים 8 מ"מ עם כלי לחתוך extrude לאפשר למדידות.
  9. חזרו על שלבים 1.7 ו -1.8 עבור הצד השני של ערוץ הזרימה.
  10. עם החזרה החלק העליון צעדים 1.2-1.5. לאחר מכן, בשנת במרכז הפאה העליונה ליצור ערוץ לפעפע שימוש באפשרות מלבן ליצור מלבן 30 מ"מ על 1 מ"מ וחותכים 0.5 מ"מ שימוש באפשרות extrude לחתוך.
  11. השתמש בכלי המעגל כדי ליצור מעגל 1 מ"מ מרוכז בתוך מ"מ 5 ערוץ לפעפע מן התכלית. בעזרת הכלי קו לבנות נתיב חיבור המעגל לאחד 1 ס"מ על 6 פרצופים ס"מ, כולל 4 מ"מ רדיוס עשה עם כלי פילה. ביצוע חתך לאורך הנתיב עם כלי לחתוך נסחף.
  12. באמצעות כלי המעגל ליצור מעגל בקוטר 3.9 מ"מ נוסף עם במרכזו על שביל לפעפע וחותכים 8 מ"מ עם האקסטרוד לחתוך כלי.
  13. יחד עם חלקי דף 40 מ"מ בקצוות, עם הכלי המלבן, ליצור מלבנים 40 מ"מ על 5 מ"מ הוספת רדיוס 4 מ"מ עם כלי הפילה. השתמש בכלי extrude כדי למתוח 3 מ"מ כלפי מטה עבור ידיות.
  14. חלקי הדפסה עם מדפסת 3-D photopolymer רב חומר בעזרת פולימר שקוף קשיח, כולל 0.05 מ"מ overcoating עם פולימר גומי רך על פני כל חלק המכיל את הערוץ. השתמש הפרוטוקול הסטנדרטי של יצרן, כיול והגדרות.
  15. אשכולות קש (M5) להזנה, retentate ויחלחלו נקבים. השתמשו קלטת של השרברב להתחבר 1/8 "אבזרים כדי להאכיל את retentate ו 1/16" אבזרים כדי לפעפע.
  16. חבר תקני microfluidic לשאוב, שסתום, מתמר לחץ רגולטור backpressure עם 1/8 "צינורות (איור 2).
  17. חבר 0.45 מיקרומטר מסננים מפרצון צינורות.
  18. פריקה לחלחל לזרום מטר כוסות על יתרות עם 1/16 "צינורות.
  19. חבר סרוו ואת אספקת החשמל יעלה על המגן סרוו.
  20. חבר התמר לחץ, מתגים מגנים סרוו מיקרו.
  21. חבר מייקרו, יתרה, תזרים מטר משאבה למחשב עבור איסוף נתונים ובקרת מערכת.
  22. גדר יתרה להדפיס נתוני היציאה טורית שלהם.

2. כן ממברנות להיבדק

  1. חותכים ממברנות עד 40 מ"מ x 8 מ"מ.
  2. משרים ממברנות במי ultrapure (3 x 10 דקות) עם sonication.
  3. ואז לטבול את הקרומים ב 50/50 ultrapure מים / אתנול עבור שעה 1.
  4. שוטפים את ממברנות עם מי ultrapure ולאחסן מי ultrapure על 4 מעלות צלזיוס. 8

3. הכינו פתרונות להיבדק עם ממברנות nanofiltration

  1. להוסיף 500 מ"ל מים ultrapure אל הבקבוק Erlenmeyer. לאחר מכן מוסיפים 0.04 גרם של BSA0.29 ד גרם של NaCl.
  2. להוסיף 500 מיליליטר מי ultrapure בבקבוק Erlenmeyer נפרד. לאחר מכן להוסיף 0.6 גרם של MgSO 4.
  3. להוסיף 500 מ"ל מים ultrapure בבקבוק Erlenmeyer השלישי. לאחר מכן מוסיפים 0.29 גרם של NaCl.
  4. הכנס ומערבבים ברים לתוך כל צלוחיות הבקבוק ומניחים על צלחות ומערבבים. מערבבים במשך 5 דקות ב 500 סל"ד.

4. בצעו ניסוי nanofiltration עכירות

הערה: בצע את הניסוי ב RT (בערך 24 מעלות צלזיוס). ראשית להגדיר את המערכה למדידת קרום יחיד על ידי סגירה שסתומה לזרום תאים לא מחוברים-מד הזרימה.

  1. הכנס צינור יניקת משאבה אחת לתוך מאגר מי ultrapure ואת צינור היניקה האחרת לתוך תמיסת 4 MgSO (איור 2).
  2. השתמש במזרק כדי לשאוב מי MgSO 4 פתרון באמצעות צינורות כדי להסיר את כל בועות האוויר במערכת.
  3. הכנס קרום nanofiltration על החלק התחתון של התא זרימה, עםצד פעיל כלפי הערוץ להאכיל, ומניח על החלק העליון של תא הזרימה.
  4. הדק אגוזים ביד ואז להדק באופן שווה עם מפתח ברגים כדי למזער זליגה.
  5. בחר מי ultrapure עם מתג בורר מאגר.
  6. גדר קצב זרימת משאבת 2 מיליליטר / דק ולהתחיל את המשאבה.
  7. התאם ווסת לחץ עד 4 בר.
  8. גדר פרמטרים ניסיוניים לעבור מאגרים כל 45 דקות החל מאגר המים.
  9. הגדר את מתג המאגר אוטומטי, ולהתחיל בניסוי.
  10. בשעת 60 דקות לאסוף לפעפע MgSO 4 בתוך שפופרת למשך 30 דקות הבאות.
  11. בשעה 91 דקות להחליף בקבוק MgSO 4 עם בקבוק המכיל הפתרון של BSA ו NaCl.
  12. במהירות להפסיק משאבה ולהשתמש מזרק לצייר פתרון BSA דרך צינור היניקה כדי להסיר שאריות MgSO 4 צינורות. ואז להתחיל משאבה שוב.
  13. ב 150 דקות לאסוף BSA לחלחל בצינור למשך 30 דקות הבאות.
  14. לאחר 225 דקות, לכבות את המערכת והסרות ננו קרום סינון מן התא זרימה.
  15. באמצעות מזרק, לשטוף את צינור יניקת פתרון מבחן עם מי ultrapure.
  16. חזור על שלבים 4.1-4.15 עבור כל קרום נוסף שנבדק.
  17. לבדיקות NaCl בלבד, חזור על שלבים 4.1-4.10, ו 4.14-4.16 החלפת פתרון MgSO 4 עם פתרון NaCl וסיום הניסוי לאחר 90 דקות במקום 225 דקות.

5. דחיית חישוב מלח של ממברנות nanofiltration

  1. לשטוף אלקטרודות של תא בדיקת potentiostat עם מי ultrapure.
  2. עם טפטפת, μl להפקיד 5 של פתרון MgSO 4 על אלקטרודות תא הבדיקה.
  3. שיא ההתנגדות של הפתרון.
  4. חוזרים על שלבים 5.1-5.3 עוד ארבעה פעמים ולחשב את הערך הממוצע.
  5. חוזרים על שלבים 5.1-5.4 עבור פתרונות NaCl ו BSA / NaCl וכן לכל לחלחל שנאסף פתרון.
  6. חישוב דחיית מלח עם משוואה 1:
    6eq1.jpg "/>
    שם Ω s הוא התנגדות של פתרון המבחן ו Ω p הוא התנגדות של לפעפע. ההתנגדות הוא ביחס הפוך המוליך של פתרון, אשר עולה בקנה אחד ישירות ריכוז מלח.

6. כן הפתרון להיבדק עם ממברנות Ultrafiltration

  1. הוסף 1 ליטר מים ultrapure כדי מבחנה L 4. לאחר מכן מוסיפים 0.32 גרם של BSA.
  2. הכנס ומערבבים בר לתוך כוס ומניחים על צלחת ומערבבים. מערבבים במשך 5 דקות ב 500 סל"ד.
  3. הוסף עוד 3 ליטר מים ultrapure כדי מבחנה ומערבבים שוב במשך 5 דקות ב 500 סל"ד.

7. בצע ניסוי עכירות Ultrafiltration

הערה: בצע ניסוי ב RT (בערך 24 מעלות צלזיוס). ראשית להגדיר את המערכת למדוד 4 ממברנות במקביל על ידי פתיחת כל השסתומים לזרום תאים.

  1. מניח צינור יניקת משאבה אחת לתוך מאגר מי ultrapure ו צינור יניקה אחרת לתוך הפתרון דואר BSA (איור 2).
  2. השתמש במזרק כדי לשאוב את מי ים ואת הפתרון BSA דרך צינורות כדי להסיר את כל בועות האוויר במערכת.
  3. הכנס ממברנות אולטרה סינון על החלק התחתון של תאי זרימה, עם הצדדים הפעילים בחלק ערוצי ההזנה, ולסגור את התאים עם חצי העליונים של מכשיר microfluidic.
  4. אגוזים להדק ביד, ואז להדק באופן שווה עם מפתח ברגים. הידוק לא נכון עלול להוביל לדליפת מים.
  5. בחר מים ultrapure עם מתג המאגר.
  6. גדר קצב זרימת משאבת 8 מיליליטר / דק ולהתחיל את המשאבה.
  7. התאם ווסת לחץ ל -0.4 בר.
  8. צג ערכי שטף של ממברנות עם תוכנת רכישת נתונים על פי פרוטוקול של היצרן.
  9. התאם ווסת לחץ עד השטף הממוצע הוא 200 LMH ± 10%.
  10. חלף קרום פרט אם השטף הוא לא 200 LMH ± 20%.
  11. זן פרמטרים בטווח ניסיוני. ראשית בחר את rese מי ultrapurervoir למשך 60 דקות עם זרימה מתמדת של 200 ± 20 LMH. לאחר מכן, בחר מאגר BSA עבור 420 דקות עם השליטה הידנית של ווסת הלחץ. לבסוף, בחר את מאגר מי ultrapure במשך 15 דקות עם שליטה ידנית של והווסת לחץ למערכת הסומקת בסוף הניסוי.
  12. הגדר את מתג המאגר אוטומטי, ולהתחיל בניסוי.
  13. לאחר השלמת ריצה, לסגור מערכת למטה ולהסיר ממברנות מתאי הזרימה.
  14. עם מזרק, צינור יניקת משאבת סומק עם מי ultrapure.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

תאי זרימת microfluidic עוצבו באמצעות תכנית CAD והודפסו באמצעות photopolymer רב-חומר תלת ממדי (3-D) מדפסת. תא זה תוכנן בשני חלקים, כך ממברנות יכול להיות מוכנס בקלות יוסר ממכשיר (איור 1). כל חלק היה 1 ס"מ עובי, מודפס פולימר קשה, ברור עבור שלמות מבנית, ואת הצדדים מול קרום היו overcoated עם שכבה דקה מאוד 50 מיקרומטר של פולימר גומי דמוי. Overcoating בוצע על מנת לספק את התא עם יכולת איטום, המונע דליפת מים. ערוץ זרימה תוכנן על 0.2 מ"מ עמוק, 1 מ"מ רחב 30 מ"מ אורך לבדוק אזור 30 מ"מ 2 של קרום. לאחר חיתוך ממברנות עד 40 מ"מ ב -8 מ"מ פרוטוקול כביסה, קרום מבחן הוכנס לתוך המכשיר. שישה ברגים ואומים נירוסטה (M6) שימשו להדק את המכשיר וזה היה מחובר למערכת (איור 2). באופן זה, התא הוא PErmanently מחובר למערכת, תוך ממברנות עשוי להיות מוחלף בקלות. תא אחד נותח במשך ניסויי קרום nanofiltration, וארבעה תאים הופעלו במקביל לניסויי קרום אולטרה סינון.

עבור ממברנות nanofiltration, מד זרימה היה קשור למדידת השטף לפעפע. כדי לבצע ניסוי, מים טהורים בשיעור של 2 מ"ל / דקה. יזם והלחץ הותאם 4 בר. זה הביא שטף לפעפע של ~ 40 LMH (איור 3), והיא תואמת ~ 10 LMH / בר. לאחר איזון ותצפית של זרימה מתמדת (דקות בקירוב 45), הפתרון הוסב MgSO 4 (10 מ"מ) כדי לבדוק דחייה לוודא את תקינות של הממברנה, ויחלחל נאסף. ההתנגדות של הפתרון זה נמדדה אשר עומד ביחס הפוך מוליך. בריכוזים המלחים הנבדקים, המוליכות הן מידתיות באופן ליניארי לריכוז ואת r מלח%פליטה ניתן לחשב. הממברנות נבדקו בניסוי הנוכחי נתנו 83% ± 4%, ו -64% ± 3 דחיות% של MgSO 4 ו NaCl, בהתאמה. הזנת המערכת ואז הוחזרה מים טהורים עד שטף יציב הושג, ולאחר מכן שונה ל בתמיסה המימית של BSA (0.08 גר '/ ל') ב NaCl (10 מ"מימ). קיטון השטף לעומת השטף של קרום מלא בתנאים של 10 מ"מ NaCl הצביע קרום עכירות בשל BSA.

עבור ממברנות אולטרה סינון, ארבעה מכשירים microfluidic היו מחוברים במקביל, עם שטף לפעפע נמדד באמצעות יתרות. יתרות אלו חוברו למחשב ובהנחייה איסוף נתונים רציפים. שימוש בשיעור להאכיל מים טהורים של 8 מ"ל / דקה עבור המערכת, אשר נמצא במרחק של 2 מ"ל / דקה לכל תא הזרימה, הלחץ היה מותאם על מנת לקבל שטף הממוצע של 200 LMH (איור 4). השטף של כל קרום הוערך, ואת הקרום הוחלף אם הבדל השטף היה & #62; 20% מן הממוצע השטף נבחר הראשונית של 200 LMH. הפתרון היה שונה ל BSA (0.08 גר '/ ל) וירידת השטף היה פיקוח. הפתרון להאכיל אז היה שונה בחזרה מים טהורים. לקבלת תוצאות נציג, השווינו 30 ו -50 ממברנות אולטרה סינון הידרופילי kDa polyethersulfone, והערתי כי למרות 50 קרום kDa היה שטף מנורמל גבוהה עם סיום הניסוי (26.5% של שטף ראשוני) בהשוואה ל -23% עבור קרום 30 kDa, ההבדל לא היה משמעותי.

איור 1

עיצוב באיור 1. ותמונה של המכשיר microfluidic בשימוש. העיצוב נעשה באמצעות תוכנית CAD ו- שהודפסו במדפסת photopolymer תלת ממדי. (א) תחתי חלק המכיל את ערוץ feed (מבט מלמעלה). (ב) חלק עליון המכיל את צ'אן לפעפע nel (מבט מלמעלה). (ג) האסיפה הכללית של המכשיר (מבט מהצד). (ד) תמונה של מכשיר פונקציונלי כולל קופון קרום, החלקים מהודקים יחד עם ברגים ואומים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2

איור 2. ייצוג סכמטי של מערכת. בדיקת קרום nanofiltration בוצע באמצעות תא זרימת 1. בדיקות קרום אולטרה הסינון בוצעו באמצעות כל 4 תאי הזרימה במקביל. רישום נתוני מחשב לא מוצג. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

lways "> איור 3

איור 3. ביצועים עכירות של קרום nanofiltration בתנאים חוצה זרימת תנאי הניסוי לריצה מלאה (ריבוע שחור):. אני מים ultrapure), 2 מ"ל / דקה, 4 בר. ii) 10 מ"מ MgSO 4, 2 מ"ל / דקה, 4 בר. iii) מים ultrapure, 2 מ"ל / דקה, 4 בר. iv) BSA (0.08 גר '/ ל') ב 10 מ"מ NaCl, 2 מ"ל / דקה, 4 בר. נ) מים ultrapure, 2 מ"ל / דקה, 4 בר. בקרת קרום 10 מ"מ NaCl, 2 מ"ל / דקה, 4 בר (עיגול כחול). ברים שגיאה לציין את סטיית התקן. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4

עכירות איור 4. של ממברנות אולטרה 30 kDa ( ריבוע אדום) ו -50 kDa (יהלום כחול) בתנאים צולב זרימה. אני בלחץ) הותאם כך השטף לפעפע מים טהורים ראשוני ממוצע היה 200 LMH. ii) BSA (0.08 גר '/ ל') 2 מ"ל / דקה. ברים שגיאה לציין את סטיית התקן. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

פרוטוקול זה מתאר את העיצוב של מכשיר צולבות זרימה microfluidic מודפסים בתלת ממד לבדיקה של ממברנות nanofiltration ו אולטרה סינון. לאחרונה, הראינו את ההצלחה של וריאציה של פרוטוקול זה עם מיזוג קרום nanofiltration ו עכירות עם glycosphingolipids ו lipopolysaccharides והפרשי ביצועים הממברנה עם הזרקת התרבות עוקבת חיידקים. 5 יישומים עתידיים העסקה טכניקה זו יכולה לשמש כדי להעריך את שינויי ביצועים הממברנה עם foulants השונה . לעומת תאי זרימה גדולות המכשיר microfluidic זה דורש הרבה פחות פתרון מבחן ויכול להפחית את העלויות משמעותיות עבור foulants ותרכובות, במיוחד אלה זמינים רק בכמויות מוגבלות. הפורמט הקטן גם עושה את זה נוח עבור בדיקות בקנה מידה מעבדתי ועלול להיות מקובל בדיקות קצב העברת נתונים גבוהים.

עיצוב של מכשיר צולבת זרימת microfluidic הושג thrprototyping איטרטיבי ough, וזה היתרון העיקרי של הדפסה תלת ממדית. תכונות עיצוב מכשיר כללי התבססו על מכשיר קרוס-זרימת microfluidic שפורסם בעבר לשמש ליישומי קרום nanofiltration. 9,10 הבדלי העיצוב המשמעותיים ביותר היו כי להאכיל לחלחל ערוצים לא קוזזו אלא ישירות שכיסה זה לזה, ואת העובי של חלקים, ואת שיטת איטום מים. מניעת דליפות המים הייתה בעיה גדולה כי היה להתגבר בתהליך העיצוב דרך הדפסת המכשיר עם מדפסת 3-D photopolymer רב-חומר. זה אפשר פולימר רך דק להיות על פני שטח של המכשיר שהיו במגע עם קרום. אחרי המיקום של הקרום במכשיר, והידוק שווה עם 6 אגוזים (M6), דליפות מים סוכלו. תחומים אפשריים אחרים עבור דליפות מים הם כניסה להאכיל ונקודות חיבור צינורות לשקע retentate, וייתכן שיימנעו באמצעות קלטת של השרברבנזהרים שלא להדק יתר על המידה את הקשר של צינורות, אשר יפגע השחלה. המכשיר כבר לחץ נבדק עד 5 בר ללא דליפות.

חשוב כי מים טהורים משמש להכנת כל הפתרונות. מים ממקורות אחרים עלולים להכיל חומרי עכירות ידועים כי יגרמו לירידה בביצועים הממברנה. כמו כן, מסנן (0.45 מ"מ) מחובר בצינור הזנה על מנת להבטיח היעדר של חומר חלקיקים במערכת. מד זרימה לפעפע שמש כדי למדוד ערכי שטף נמוכים יותר במדויק בניסוי הנציג באמצעות קרום nanofiltration. מופעל לחץ קבוע של 4 ברים נבחר מבוסס על מחקר glycosphingolipids הקודם. 5 מדידות חוזרות באמצעות קופונים קרום שונים היו ממוצעים. בניסוי נציג באמצעות ממברנות אולטרה סינון, שטף המים הטהור הראשוני של קרום נמדד באמצעות לחץ של 0.4 בר. להדיף שטף מן הממברנההממברנה יכול להשתנות במידה רבה ולכן כל השטף של קרום נבדק על מנת להבטיח כי הבדלי השטף לא היו גדולים יותר מאשר ± 20%. ממברנות נופלות מחוץ ערכי שטף הראשוניים הרצויים הוחלפו קופונים קרום חדשים. במחקרי עכירות שטף קבוע עשוי להיות מועדף על פני לחץ תמידי מכיוון ממברנות נבדקו עם ונתיבים ראשוניים שונים עשויים לקלקל בשיעורים שונות. לחץ ואז הותאם עבור השטף לפעפע ראשוני הממוצע הרצוי של 200 LMH ± 10%, לעומת זאת, תנאי פתיחה ראשוניים אלה עשויים להיבחר על פי תנאי ניסוי נדרשים. שינויים לאחר בהרכב פתרון הזנה, וניטור שינויי השטף ינתנו תובנה חשובה מאפייני ביצועים של הממברנה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

החוקרים אין לי מה לחשוף.

Acknowledgments

המחברים מודים Stratasys (רחובות, ישראל) עבור הדפסה תלת מימדית של המכשיר. אנו מודים Microdyne-Nadir (גרמניה) עבור דגימות קרום. מחקר זה מומן על ידי הקרן הלאומית למדע (גרנט 1474-1413) כדי CJA

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