Dreidimensional gedruckt Mikrofluidik-Cross-Flow-System für Ultrafiltration / Nanofiltrationsmembran Performance Testing

Bioengineering

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Summary

Konstruktion und Herstellung eines dreidimensional (3-D) gedruckt mikrofluidischen Querstromfiltrationssystem wird demonstriert. Das System wird verwendet, Leistung zu testen und Verschmutzung der Ultrafiltration und Nanofiltration (thin film composite) Membranen beobachten.

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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).

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Abstract

Minimierung und Management von Membranverschmutzung ist eine große Herausforderung in den unterschiedlichsten Industrieprozesse und andere Praktiken, die Membran-Technologie nutzen. die Verschmutzung Prozessverständnis könnte Optimierung und höhere Effizienz der Membran basierend Filtration führen. Hier zeigen wir die Konstruktion und Herstellung eines automatisierten dreidimensional (3-D) gedruckt mikrofluidischen Querstromfiltrationssystem, das bis zu 4 Membranen parallel testen kann. Die Mikrofluidik-Zellen wurden unter Verwendung von Multi-Material-Photopolymer 3-D Drucktechnik gedruckt, die ein transparentes hartes Polymer zur mikrofluidischen Zellkörper verwendet und eine dünne kautschukartige Polymerschicht eingebracht, die Leckagen im Betrieb verhindert. Die Leistung der Ultrafiltration (UF) und Nanofiltration (NF) Membranen wurden getestet und Membranfouling könnte mit einem Modell Fouling Rinderserumalbumin (BSA) beobachtet werden. Feed-Lösungen BSA enthielten, zeigten Fluss Rückgang der Membran. Dieses Protokoll kann erweiterned Fouling oder Biofouling mit vielen anderen organischen, anorganischen oder mikrobiellen haltigen Lösungen zu messen. Die mikrofluidische Konstruktion ist besonders vorteilhaft für Testmaterialien, die teuer sind und nur in geringen Mengen, beispielsweise Polysaccharide, Proteine, Lipide oder aufgrund der kleinen Fläche der Membran getestet. Dieses modulare System auch für Hochdurchsatz-Untersuchung von Membranen leicht erweitert werden kann.

Introduction

Membrantechnologie zur industriellen und anderen Prozessen verbunden ist, die Trennung von gelösten Stoffen aus einer Vorratslösung erfordert jedoch Membranverschmutzung ist ein Haupt ständige Herausforderung. 1 Common Beispiele, wo Membranfouling die Verwendung von Ultrafiltrationsmembranen für die Größe basierend Trennung von Abwasser tritt umfassen, 2 und Dünnschicht-Verbundmembranen für die Trennung von Ionen und größer gelöste Stoffe aus Brack- oder Meerwasser. 3 Kenn Hinweise auf Verschmutzung beinhalten eine Zunahme der Transmembrandruck und eine Abnahme im Fluß. Dies verringert die Produktivität der Membran und verkürzt ihre Lebensdauer durch chemische oder andere Reinigungsprotokolle. Daher ist Membranleistung ein guter Indikator Fouling zu bewerten und die Mechanismen und Wirkungen von Fouling, Biofouling und Biofilm-Bildung auf Membranen zu verstehen. Auch Leistungsbewertung ist wichtig bei der Gestaltung oder Änderung neuer Membranen.

EFT ">

Das Interesse an der Verwendung von Membranen in mikrofluidischen Vorrichtungen hat in den letzten zehn Jahren wächst. 4 Kürzlich untersuchten wir die Wirkung von mikrobiellen Komponenten Lipopolysaccharid und Glycosphingolipid auf die Oberfläche einer Nanofiltrationsmembran Verschmutzung und die anschließende Anfälligkeit der konditionierten Oberfläche mikrobiellen Befestigungs. 5 A mikrofluidischen Querstromvorrichtung wurde verwendet, um die Leistung von Nanofiltrationsmembranen zu bewerten. Dies erlaubt die Verwendung von speziellen nicht-kommerziellen Lipidkomponenten nur in geringen Mengen für Verschmutzung Membranoberfläche, da die Membranoberfläche, war klein. Das System Größe effizienten Einsatz von Membranmaterialien und geringen Mengen von Lösungen erlaubt. In diesem Protokoll beschreiben wir das Design und die Herstellung der mikrofluidischen Vorrichtung zur Membranleistungstests und erläutern den Einbau der Vorrichtung in einem Druckströmungssystem. Demonstration der Vorrichtung wird durch Testi gezeigtenng die Leistung von Ultrafiltrationsmembranen und Nanofiltrationsmembranen ein Modell Fouling Verwendung BSA. 6,7

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Protocol

1. Aufbau und Herstellung der Mikrofluid-Testsystem

  1. Entwerfen Mikrofluidik-Vorrichtung in zwei getrennten Teilen: einem Oberteil und Unterteil (Abbildung 1) in einem CAD-Programm.
  2. Starten Sie das Unterteil zu machen, indem Sie das Rechteck-Werkzeug ein 40 mm mal 60 mm Rechteck zu zeichnen.
  3. An einer Ecke mit dem Kreis-Tool erstellen 6,2 mm Durchmesser-Kreis 10 mm von den Rändern zentriert. Mit der linearen Muster Werkzeug, um die Löcher für die Rechteck mit 20 mm Abstand für insgesamt 6 Löcher replizieren.
  4. Mit dem Filet Werkzeug, um die Rechtecke mit einem Radius von 1 mm abrunden.
  5. Extrudieren Sie das Teil 10 mm mit dem Extrusionswerkzeug.
  6. In der Mitte der Oberseite, mit dem Rechteck-Werkzeug ein Rechteck von 30 mm x 1 mm erstellen und mit dem Extrudieren Schnittwerkzeug geschnitten 0,2 mm für den Strömungskanal.
  7. Mit dem Kreis-Werkzeug machen einen 1 mm Durchmesser-Kreis am Ende des Strömungskanals. Dann mit dem Linienwerkzeug ein Pfad konstruieren, den Kreis zum nächstgelegenen Anschluss40 mm x 10 mm Fläche, darunter ein 4 mm Radius mit dem Filet Werkzeug gemacht. Machen Sie einen Schnitt auf diesem Weg mit dem durchlaufenden Schnittwerkzeug.
  8. Mit dem Kreis-Werkzeug ein 3,9 mm Durchmesser-Kreis in der Mitte des Strömungswegs erstellen und schneiden 8 mm mit dem Extrudieren Schnittwerkzeug für Armaturen zu ermöglichen.
  9. Wiederholen Sie die Schritte 1.7 und 1.8 für die gegenüberliegende Seite des Strömungskanals.
  10. Mit dem oberen Teil wiederholen Sie die Schritte 1,2-1,5. Dann in der Mitte der Oberseite ein Permeat-Kanal zu erstellen Sie das Rechteck-Werkzeug ein Rechteck von 30 mm x 1 mm zu erstellen und schneiden 0,5 mm das Extrudieren-Schnitt-Tool.
  11. Verwenden Sie die Kreis-Werkzeug, um eine 1 mm Kreis machen im Permeat Kanal 5 mm von einem Ende zentriert. Mit dem Linienwerkzeug ein Weg verbindet den Kreis zu einer der 1 cm mal 6 cm Gesichter, darunter ein 4 mm Radius konstruieren mit dem Filet Werkzeug gemacht. Machen Sie einen Schnitt entlang der Bahn mit dem durchlaufenden Schnittwerkzeug.
  12. Mit dem Kreis-Werkzeug schaffen zusätzliche 3,9 mm Durchmesser-Kreis mit seinem Mittelpunkt auf dem Weg Permeat und schneiden 8 mm mit dem ExTrude schneiden Werkzeug.
  13. Auf die Teile 40 mm Kanten oben, mit dem Rechteck-Werkzeug, erstellen Sie Rechtecke 40 mm um 5 mm Zugabe von 4 mm Radien mit dem Filet-Tool. Verwenden Sie das Extrusionswerkzeug zu extrudieren 3 mm nach unten für Griffe.
  14. Druckteile mit einer Multimaterialphotopolymer 3-D-Drucker ein hartes transparentes Polymer verwenden, einschließlich 0,05 mm Überziehen mit einem weichen gummiartigen Polymer auf der Fläche jedes Teil, das den Kanal enthält. Verwenden Herstellerstandardprotokoll, Kalibrierung und Einstellungen.
  15. Tippen Gewinde (M5) in Futtermitteln, Retentat und Öffnungen durchdringen. Verwenden Klempner Band 1/8 "-Anschlüsse zum Futter und Retentat und 1/16" Armaturen in das Permeat zu verbinden.
  16. Verbinden mikrofluidischen Systemen zu pumpen, Ventile, Drucksensoren und Druckregelgerät mit 1/8 "Schlauch (Abbildung 2).
  17. Verbinden 0,45 um Filter Rohre zum Einlass.
  18. Entlastung durchdringen zu Durchflussmesser und Becher aus Guthaben bei 1/16 "Schlauch.
  19. Schließen Sie Servos und Stromversorgung Servo Schild.
  20. Verbinden Druckwandler, Schalter und Servo Schild an den Mikrocontroller.
  21. Verbinden Mikrocontroller, Bilanzen, Durchflussmesser und Pumpe an einen PC zur Datenerfassung und Systemsteuerung.
  22. Konfigurieren Salden Daten an ihre serielle Schnittstelle zu drucken.

2. Bereiten Membranen zu test

  1. Schneiden Membranen 40 mm x 8 mm.
  2. Tränken Membranen in ultrareinem Wasser (3 x 10 min) unter Beschallung.
  3. Dann genießen Sie die Membranen in 50/50 Reinstwasser / Ethanol 1 Stunde.
  4. Spülen Sie die Membranen mit ultrareinem Wasser und lagern in ultrareinem Wasser bei 4 ° C. 8

3. Bereiten Sie Lösungen, um mit Nanofiltrationsmembranen getestet

  1. In 500 ml hochreines Wasser zu einem Erlenmeyerkolben. Dann fügen 0,04 g BSA eind 0,29 g NaCl.
  2. In 500 ml hochreinem Wasser in eine separate Erlenmeyerkolben. Dann fügen Sie 0,6 g MgSO 4.
  3. In 500 ml hochreinem Wasser mit einem dritten Erlenmeyerkolben. Dann 0,29 g NaCl hinzu.
  4. Legen Rührstäbe in jedem Kolben und Ort Flaschen auf rühren Platten. Mischen für 5 Minuten bei 500 Umdrehungen pro Minute.

4. Führen Sie eine Nanofiltration Fouling Experiment

Hinweis: Führen Sie das Experiment bei RT (ca. 24 ° C). Zuerst das System so konfigurieren, um ein einzelnes Messmembran durch Schließen von Ventilen Zellen fließen nicht in die Durchflussmesser verbunden.

  1. Ein Pumpeneinlaßrohr in das Reservoir Reinstwasser Einsatz und dem anderen Einlaßrohr in die MgSO 4 -Lösung (Abbildung 2).
  2. Verwenden Sie eine Spritze Wasser und MgSO 4 Lösung durch das Rohr zu ziehen, um alle Luftblasen in dem System zu entfernen.
  3. Legen Sie eine Nanofiltrationsmembran auf dem unteren Teil der Durchflusszelle, mit deraktive Seite in Richtung der Zufuhrkanal, und auf den oberen Teil der Durchflusszelle.
  4. Befestigen Muttern von Hand anziehen und dann gleichmäßig mit einem Schraubenschlüssel, um ein Auslaufen zu minimieren.
  5. Wählen Sie das Reinstwasser mit dem Reservoir Wahlschalter.
  6. Stellen Pumpenleistung bis 2 ml / min und die Pumpe starten.
  7. Passen Druckregler bis 4 bar.
  8. Stellen experimentellen Parameter Reservoirs mit dem Wasserreservoir Start alle 45 Minuten zu wechseln.
  9. Stellen Sie Speicherschalter auf Auto, und starten Experiment.
  10. Bei 60 min sammeln MgSO4 Permeat in einem Rohr der nächsten 30 min.
  11. Bei 91 min ersetzen MgSO 4 Kolben mit Kolben, der die Lösung von BSA und NaCl enthält.
  12. Schnell Pumpe stoppen und eine Spritze verwenden BSA-Lösung durch das Einlassrohr zu ziehen MgSO4 Überbleibsel in Rohr zu entfernen. Dann Pumpe wieder starten.
  13. Bei 150 min sammeln BSA in einem Rohr der nächsten 30 min durchdringen.
  14. Nach 225 Minuten, das System herunterfahren und Nano entfernen Filtrationsmembran aus der Durchflusszelle.
  15. Unter Verwendung einer Spritze, spülen Testlösung Einlassrohr mit hochreinem Wasser.
  16. Wiederholen Sie die Schritte 4,1-4,15 für jede weitere Membran getestet.
  17. Für NaCl nur Tests, wiederholen Sie die Schritte 4,1-4,10 und 4,14-4,16 MgSO 4 Lösung mit NaCl-Lösung ersetzt und das Experiment nach 90 Minuten anstelle von 225 Minuten beendet.

5. Berechnen Salzrückhaltung von Nanofiltrationsmembranen

  1. Spülen Elektroden des Potentiostaten Testzelle mit Reinstwasser.
  2. Mit einer Pipette, Kaution 5 ul MgSO 4 Lösung auf die Testzelle Elektroden.
  3. Nehmen Widerstand der Lösung.
  4. Wiederholen Sie die Schritte 5,1-5,3 vier weitere Male und berechnen den Mittelwert.
  5. Wiederholen Sie die Schritte 5.1-5.4 für die NaCl und BSA / NaCl-Lösungen sowie jeweils Permeatlösung gesammelt.
  6. Berechnen Salzrückhaltung mit Gleichung 1:
    6eq1.jpg "/>
    wobei Ω s ist der Widerstand der Testlösung und Ω p ist der Widerstand des Permeats. Der Widerstand ist umgekehrt proportional zur Leitfähigkeit einer Lösung, die Salzkonzentration direkt korreliert.

6. Lösung Bereiten Sie sich mit Ultrafiltrationsmembranen getestet

  1. In 1 l Reinstwasser zu einem 4-Liter-Becher. Dann 0,32 g BSA hinzu.
  2. Legen Rührstab in Becher und auf einer Rührplatte. Mischen für 5 Minuten bei 500 Umdrehungen pro Minute.
  3. Fügen Sie weitere 3 l Reinstwasser Becherglas und wieder mischen für 5 Minuten bei 500 Umdrehungen pro Minute.

7. Führen Sie eine Ultrafiltration Fouling Experiment

Hinweis: Führen Sie ein Experiment, bei RT (ca. 24 ° C). Konfigurieren Sie zunächst das System vier Membranen parallel zu messen, indem alle Ventile öffnen Zellen zu fließen.

  1. Legen Sie eine Pumpeneinlassrohr in das ultrareine Wasser-Reservoir und andere Einlassrohr in the BSA-Lösung (Abbildung 2).
  2. Verwenden Sie eine Spritze mit dem Wasser und der BSA-Lösung durch den Schlauch zu ziehen, um alle Luftblasen in dem System zu entfernen.
  3. Legen Ultrafiltrationsmembranen auf dem unteren Teil der Durchflusszellen, die mit den aktiven Seiten in Richtung der Zufuhrkanäle und die Zellen mit den oberen Hälften der mikrofluidischen Vorrichtung schließen.
  4. Befestigen Muttern von Hand anziehen, dann gleichmäßig mit einem Schraubenschlüssel. Ungeeignetes Anziehen kann zu Wasserschäden führen.
  5. Wählen Reinstwasser mit Speicherschalter.
  6. Stellen Pumpenleistung bis 8 ml / min und die Pumpe starten.
  7. Passen Druckregler auf 0,4 bar.
  8. Überwachen Flusswerte von Membranen mit Datenerfassungssoftware dem Protokoll des Herstellers entsprechend.
  9. Passen Druckregler bis mittlere Fluss ist 200 LMH ± 10%.
  10. Ersetzen einzelnen Membran wenn Fluss nicht 200 LMH ± 20% ist.
  11. Geben Sie experimentellen Laufparameter. Wählen Sie zunächst die Reinstwasser Reservoir für 60 Minuten mit einem konstanten Strom von 200 ± 20 LMH. Wählen Sie dann die BSA Reservoir für 420 min mit manueller Steuerung des Druckreglers. Wählen Sie schließlich das ultrareine Wasser-Reservoir für 15 Minuten mit manueller Steuerung des Druckreglers mit dem Spülsystem am Ende des Experiments.
  12. Stellen Sie Speicherschalter auf Auto, und starten Experiment.
  13. Nach dem Hochlauf der Fertigstellung herunter System herunter und entfernen Membranen von Durchflusszellen.
  14. Mit einer Spritze, bündig Pumpeneinlassrohr mit hochreinem Wasser.

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Representative Results

Verwendung einer Multi-Material-Photopolymer dreidimensionale (3-D) Drucker der mikrofluidischen Durchflusszellen wurden mit einem CAD-Programm entworfen und gedruckt. Diese Zelle wurde in zwei Teilen ausgebildet, so dass Membranen leicht eingesetzt und aus der Vorrichtung (1) entfernt werden konnte. Jeder Teil war 1 cm dick, gedruckt von einem harten, klaren Polymer für die strukturelle Integrität und die Seiten der Membran zugewandten wurden mit einer sehr dünnen 50 um Schicht von gummiartigen Polymer überschichtet. Die Überzugs wurde ausgeführt, um die Zelle mit einem Dichtfähigkeit zu schaffen, der Wasseraustritt verhindert. Ein Strömungskanal wurde bei 0,2 mm tief, 1 mm breit und 30 mm lang entwickelt, um eine 30 mm 2 Bereich der Membran zu testen. Nach dem Schneiden wurde die Membranen zu 40 mm von 8 mm und Waschen Protokoll, eine Testmembran in die Vorrichtung eingesetzt. Sechs Edelstahlschrauben und Muttern (M6) wurden verwendet, um das Gerät zu ziehen und es wurde mit dem System verbunden (Abbildung 2). Auf diese Weise ist die Zelle permanently an das System angeschlossen, während Membranen leicht ersetzt werden kann. Eine Zelle wurde für Nanofiltrationsmembran Experimente betrieben und vier Zellen wurden parallel für Ultrafiltrationsmembran Experimente betrieben.

Für Nanofiltrationsmembranen wurde ein Durchflussmesser verbunden, um den Permeatfluss zu messen. Um ein Experiment, reines Wasser mit einer Geschwindigkeit von 2 ml / min durchzuführen. eingeleitet und wurde der Druck auf 4 bar eingestellt. Dies führte zu einem Permeatfluss von ~ 40 LMH (Abbildung 3) und entsprach ~ 10 LMH / bar. Nach Äquilibrierung und Beobachtung eines konstanten Flusses (ca. 45 min), wurde die Lösung auf MgSO 4 (10 mM) verändert Ablehnungs zu testen und um die Integrität der Membran zu überprüfen, und Permeat gesammelt wurde. Der spezifische Widerstand dieser Lösung wurde gemessen, die zur Leitfähigkeit umgekehrt proportional ist. Bei den Salzkonzentrationen getestet ist die Leitfähigkeit linear proportional zu der Konzentration und der% Salz rAuswurf berechnet werden. Die Membranen in dem vorliegenden Experiment getestet gab 83% ± 4% und 64% ± 3% Ablehnungen von MgSO 4 und NaCl, respectively. Das System Beschickung wurde dann wieder in reinem Wasser, bis ein stabiler Fluß erreicht war, und wechselte dann zu einer wässrigen Lösung von BSA (0,08 g / L) in NaCl (10 mM). Die Abnahme im Fluß gegenüber dem Fluss einer Steuermembran unter den Bedingungen von 10 mM NaCl angegeben Membran aufgrund BSA Fouling.

Für Ultrafiltrationsmembranen, vier Mikrofluidvorrichtungen wurden parallel geschaltet, wobei Permeatfluss mit Waagen gemessen. Diese Waagen wurden mit dem Computer verbunden und kontinuierliche Datenerfassung erleichtert. Unter Verwendung einer Reinwasserzufuhrrate von 8 ml / min für das System, die 2 ml / min pro Flusszelle wurde der Druck eingestellt, um einen durchschnittlichen Strom von 200 LMH (Abbildung 4) zu erhalten. Der Fluß von jeder Membran wurde beurteilt, und die Membran ersetzt wurde, wenn die Fluss Unterschied war & #62; 20% von der anfänglichen gewählt Fluss durchschnittlich 200 LMH. Die Lösung wurde geändert BSA (0,08 g / L) und der Flussabnahme verfolgt. Die Zufuhrlösung wurde dann zurück zu reinem Wasser verändert. Für repräsentative Ergebnisse verglichen wir 30 und 50 kDa hydrophilen Polyethersulfon-Ultrafiltrationsmembranen, und beobachteten, dass, obwohl 50 kDa Membran einen höheren normalisierten Strom am Ende des Experiments (26,5% des anfänglichen Flusses) hatten, verglichen mit 23% für das 30 kDa-Membran, der Unterschied war nicht signifikant.

Abbildung 1

Figur 1. Aufbau und Bild der mikrofluidischen Vorrichtung eingesetzt. Die Konstruktion wurde mit Hilfe eines CAD-Programms und gedruckt eine dreidimensionale Fotopolymer Drucker. (A) unterer Teil der Zufuhrkanal (Draufsicht) enthält. (B) Oberteil, das Permeat chan enthält nel (Draufsicht). (C) Montage des Gerätes (Seitenansicht). (D) Bild des Funktionsvorrichtung, die eine Membran Coupon, die aneinander befestigt Teile mit Schrauben und Muttern. Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 2

Abbildung 2. Schematische Darstellung des Systems. Die Prüfung Nanofiltrationsmembran wurde unter Verwendung von Zellfluss durchgeführt 1. Die Ultrafiltrationsmembran Prüfung durchgeführt wurde alle 4 Durchflusszellen parallel verwenden. Computer-Datenerfassung nicht angezeigt. Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

mmer "> Abbildung 3

Abbildung 3. Leistung und Verschmutzung einer Nanofiltrationsmembran unter Querstrombedingungen Versuchsbedingungen für vollen Lauf (schwarzes Quadrat): i.) Hochreines Wasser, 2 ml / min, 4 bar. ii) 10 mM MgSO 4, 2 ml / min, 4 bar. iii) hochreines Wasser, 2 ml / min, 4 bar. iv) BSA (0,08 g / L) in 10 mM NaCl, 2 ml / min, 4 bar. v) von ultrareinem Wasser, 2 ml / min, 4 bar. Steuermembran 10 mM NaCl, 2 ml / min, 4 bar (blauer Kreis). Die Fehlerbalken zeigen die Standardabweichung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 4

Abbildung 4. Fouling von Ultrafiltrationsmembranen 30 kDa ( rotes Quadrat) und 50 kDa (blauer Diamant) im Rahmen der Cross-Flow-Bedingungen. i) Druck wurde so eingestellt, dass die durchschnittliche anfängliche Reinwasser Permeatfluss 200 LMH war. ii) BSA (0,08 g / L) 2 ml / min. Die Fehlerbalken zeigen die Standardabweichung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Discussion

Dieses Protokoll beschreibt die Konstruktion eines dreidimensional gedruckten Mikrofluidquerstrom-Vorrichtung zum Testen von Nanofiltration und Ultrafiltrationsmembranen. Vor kurzem haben wir den Erfolg einer Variante dieses Protokolls mit Nanofiltrationsmembran Anlage und Bewuchs mit Glycosphingolipide und Lipopolysaccharide und Membranleistungsunterschiede mit anschließender Bakterienkultur Injektion. 5 gezeigt Zukünftige Anwendungen dieser Technik verwendet werden könnte Membranleistung ändert sich mit verschiedenen Schmutzstoffe zu bewerten . Im Vergleich zu größeren Durchflusszellen diese Mikrofluidik-Vorrichtung erfordert viel weniger Testlösung und kann erheblich die Kosten für die Schmutzstoffe und Verbindungen zu reduzieren, vor allem diejenigen, die in begrenzten Mengen nur zur Verfügung stehen. Das kleine Format macht es auch praktisch für die Prüfung im Labormaßstab und kann zu hohen Durchsatz Prüfung zugänglich sein.

Entwurf des mikrofluidischen Cross-Flow-Gerät wurde thr erreichtough iterative Prototyping, die der große Vorteil der dreidimensionalen Druck ist. Allgemein Gerätekonstruktionsmerkmale wurden auf einem zuvor veröffentlichten mikrofluidischen basierend Querstromvorrichtung zum Nanofiltrationsmembrananwendungen eingesetzt. 9,10 Die wesentlichen konstruktiven Unterschiede waren, daß die Speisekanäle und Permeat wurden Offset nicht aber direkt einander überlagern, und die Dicke der Teile, und die Wasserabdichtungsverfahren. Die Verhinderung von Wasserlecks war das Hauptproblem, das in den Design-Prozess durch den Druck das Gerät mit einem Multi-Material-Photopolymer-3-D-Drucker überwunden wurde. Dies ermöglichte eine dünne weiche Polymer auf den Oberflächen der Vorrichtung zu sein, die in Kontakt mit der Membran sind. Nach dem Platzieren der Membran in das Gerät, und gleichmäßig mit 6 Muttern (M6) Anziehen wurden Wasser Leckagen verhindert. Andere mögliche Bereiche für die Wasserleckagen sind die Zulauf und Retentatauslass Rohrverbindungsstellen, und kann unter Verwendung von Klempner Band verhindert undachten, dass die Verbindung der Rohrleitung festziehen zu über sein, die das Einfädeln beschädigen würde. Das Gerät hat Druck wurde bis 5 bar, ohne Leckagen getestet werden.

Wichtig ist, dass ultrareines Wasser für die Herstellung aller Lösungen verwendet wird. Wasser aus anderen Quellen enthält möglicherweise unbekannt Fouling Substanzen, die Abnahme der Membranleistung verursachen würde. Auch ein Filter (0,45 mm) ist das Zulaufschlauch angebracht, um die Abwesenheit von Feststoffen in dem System zu gewährleisten. Ein Permeat-Durchflussmesser wurde um genauer zu messen niedrigen Flusswerte in der repräsentativen Experiment unter Verwendung einer Nanofiltrationsmembran verwendet. Ein fester Druck von 4 bar wurde auf der Grundlage einer vorherigen Glycosphingolipide Studie ausgewählt. 5 Wiederholungsmessungen verschiedener Membran Coupons wurden gemittelt. Verwendung von Ultrafiltrationsmembranen in einem repräsentativen Experiment wurde der anfängliche Reinwasserfluss der Membran, gemessen mit einem Druck von 0,4 bar verwendet wird. Permeatfluss von MembranMembran kann stark variieren daher jeder Fluß-Membran wurde überprüft, um sicherzustellen, daß der Fluß Unterschiede waren nicht größer als ± 20%. Membranen außerhalb der gewünschten Anfangsflusswerte fielen mit neuen Membran Coupons ersetzt. In Fouling Studien kann ein konstanter Fluss bevorzugt werden, um einen konstanten Druck über weil Membranen mit unterschiedlichen Ausgangsströme getestet unterschiedlich schnell verschmutzen kann. Der Druck wurde dann eingestellt, um die gewünschte durchschnittliche anfängliche Permeatfluss von 200 LMH ± 10%, aber diese anfänglichen Startbedingungen gewählt werden, kann je nach erforderlichen Versuchsbedingungen. Nachträgliche Änderungen in Vorschublösungszusammensetzung und Überwachung der Flussänderungen wird wertvolle Einblicke in die Gebrauchseigenschaften der Membran geben.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Acknowledgments

Die Autoren danken Stratasys (Rehovot, Israel) für dreidimensionale Drucken des Gerätes. Wir sind dankbar, dass Microdyne-Nadir (Deutschland) für die Membranproben. Diese Forschung wurde von der Israel Science Foundation (Grants 1474-1413) zu CJA unterstützt

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

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