Ultrafiltration / Nanofiltration झिल्ली प्रदर्शन परीक्षण के लिए तीन dimensionally मुद्रित Microfluidic क्रॉस-प्रवाह प्रणाली

Bioengineering

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Summary

डिजाइन और एक तीन आयामी (3-डी) के निर्माण के मुद्रित microfluidic पार प्रवाह छानने का काम प्रणाली प्रदर्शन किया है। प्रणाली के प्रदर्शन का परीक्षण और ultrafiltration और nanofiltration (पतली फिल्म समग्र) झिल्ली के दूषण निरीक्षण करने के लिए प्रयोग किया जाता है।

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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

न्यूनतम और झिल्ली दूषण के प्रबंधन के विविध औद्योगिक प्रक्रियाओं और अन्य पद्धतियों कि झिल्ली प्रौद्योगिकी का उपयोग करने में एक बड़ी चुनौती है। दूषण प्रक्रिया को समझना अनुकूलन और झिल्ली आधारित छानने के उच्च दक्षता के लिए ले जा सकता है। यहाँ हम डिजाइन और एक स्वचालित तीन आयामी (3-डी) मुद्रित microfluidic पार प्रवाह निस्पंदन प्रणाली है कि समानांतर में 4 झिल्ली को जांच कर सकता का निर्माण दिखा। microfluidic कोशिकाओं बहु सामग्री photopolymer 3 डी प्रिंटिंग प्रौद्योगिकी है, जो microfluidic सेल शरीर के लिए एक पारदर्शी मुश्किल बहुलक का इस्तेमाल किया और एक पतली रबर की तरह बहुलक परत है, जो आपरेशन के दौरान लीकेज को रोकता है निगमित का उपयोग कर मुद्रित किया गया। ultrafiltration के प्रदर्शन (यूएफ), और nanofiltration (एनएफ) झिल्ली का परीक्षण किया गया और झिल्ली दूषण एक मॉडल foulant गोजातीय सीरम albumin (बीएसए) के साथ मनाया जा सकता है। फ़ीड बीएसए युक्त समाधान झिल्ली के प्रवाह गिरावट दर्ज की गई। इस प्रोटोकॉल का विस्तार किया जा सकता हैएड कई अन्य कार्बनिक, अकार्बनिक या माइक्रोबियल युक्त समाधान के साथ दूषण या जैव अवरोध को मापने के लिए। microfluidic डिजाइन परीक्षण सामग्री है कि झिल्ली के छोटे सतह क्षेत्र की वजह से महंगा या कम मात्रा में ही उपलब्ध उदाहरण polysaccharides, प्रोटीन, या लिपिड के लिए कर रहे हैं परीक्षण किया जा रहा लिए विशेष रूप से फायदेमंद है। इस मॉड्यूलर प्रणाली को भी आसानी से झिल्ली के उच्च throughput के परीक्षण के लिए विस्तारित किया जा सकता है।

Introduction

झिल्ली प्रौद्योगिकी औद्योगिक और अन्य प्रक्रियाओं के एक थोक समाधान से विलेय की जुदाई की आवश्यकता का अभिन्न अंग है, हालांकि, झिल्ली दूषण एक प्रमुख सतत चुनौती है। जहां झिल्ली दूषण होता है अपशिष्ट जल के आकार के आधार पर अलग होने के लिए ultrafiltration झिल्ली का उपयोग शामिल है 1 आम उदाहरण हैं, 2 और पतली खारे या समुद्र के पानी से आयनों और बड़ा विलेय की जुदाई के लिए फिल्म समग्र झिल्ली। दूषण के 3 विशेषता संकेत transmembrane दबाव में वृद्धि हुई है और प्रवाह में गिरावट शामिल हैं। यह झिल्ली की उत्पादकता कम हो जाती है और रासायनिक या अन्य सफाई प्रोटोकॉल के कारण अपने जीवनकाल shortens। इसलिए झिल्ली प्रदर्शन दूषण का आकलन करने और तंत्र और दूषण, जैव अवरोध और झिल्ली पर biofilm गठन के प्रभाव को समझने के लिए एक अच्छा संकेत है। इसके अलावा, प्रदर्शन मूल्यांकन डिजाइन या नए झिल्ली के संशोधन में महत्वपूर्ण है।

ईएफटी ">

Microfluidic उपकरणों में झिल्ली के उपयोग में ब्याज हाल ही में पिछले एक दशक से अधिक बढ़ गया है। 4, हम एक nanofiltration झिल्ली की सतह पर दूषण माइक्रोबियल घटकों lipopolysaccharide का प्रभाव है, और glycosphingolipid अध्ययन किया, और माइक्रोबियल वातानुकूलित सतह के बाद संवेदनशीलता लगाव। 5 एक microfluidic पार प्रवाह डिवाइस nanofiltration झिल्ली के प्रदर्शन का आकलन करने के लिए इस्तेमाल किया गया था। इस विशेष गैर वाणिज्यिक लिपिड झिल्ली सतह दूषण के लिए कम मात्रा में ही उपलब्ध घटकों के उपयोग की अनुमति दी है, क्योंकि झिल्ली सतह क्षेत्र छोटा था। प्रणाली आकार झिल्ली सामग्री और समाधान की कम मात्रा के कुशल उपयोग की अनुमति दी। इस प्रोटोकॉल में, हम डिजाइन और झिल्ली प्रदर्शन के परीक्षण के लिए microfluidic डिवाइस के निर्माण का वर्णन है, और एक दबाव प्रवाह प्रणाली में डिवाइस के समावेश की रूपरेखा तैयार। डिवाइस का प्रदर्शन testi से दिखाया गया हैultrafiltration झिल्ली और nanofiltration झिल्ली एक मॉडल foulant, बीएसए का उपयोग करने का प्रदर्शन एनजी। 6,7

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Protocol

1. डिजाइन और microfluidic टेस्ट सिस्टम का निर्माण

  1. एक शीर्ष हिस्सा है और नीचे के भाग (चित्रा 1) एक सीएडी कार्यक्रम में: दो अलग-अलग भागों के रूप में microfluidic युक्ति डिजाइन।
  2. आयत उपकरण का उपयोग कर 60 मिमी आयत द्वारा एक 40 मिमी आकर्षित करने के लिए से नीचे हिस्सा बनाने शुरू।
  3. वृत्त उपकरण के साथ एक कोने में बनाने के लिए एक 6.2 मिमी व्यास चक्र किनारों से 10 मिमी केंद्रित। रेखीय पैटर्न उपकरण के साथ 6 छेद की कुल के लिए दोहराने 20 मिमी अंतर के साथ आयत भर में खामियां हैं।
  4. पट्टिका उपकरण का उपयोग 1 मिमी की त्रिज्या के साथ आयतों पट्टिका।
  5. बाहर निकालना उपकरण के साथ भाग 10 मिमी बाहर निकालना।
  6. शीर्ष चेहरे के केंद्र में, आयत उपकरण के साथ एक आयत बना 1 मिमी से बाहर निकालना और कटौती उपकरण के साथ 30 मिमी प्रवाह चैनल के लिए 0.2 मिमी काटा।
  7. वृत्त उपकरण का उपयोग प्रवाह चैनल के अंत में एक 1 मिमी व्यास वृत्त बनाते हैं। फिर लाइन उपकरण के साथ एक पथ के लिए निकटतम चक्र को जोड़ने का निर्माण10 मिमी चेहरे से 40 मिमी, एक 4 मिमी त्रिज्या पट्टिका उपकरण के साथ किए गए थे। बह कटौती उपकरण के साथ इस मार्ग के किनारे एक कटौती करें।
  8. वृत्त उपकरण के साथ बनाने के प्रवाह पथ के केंद्र में एक 3.9 मिमी व्यास चक्र और बाहर निकालना कटौती उपकरण के साथ 8 मिमी कटौती फिटिंग के लिए अनुमति देने के लिए।
  9. दोहराएँ 1.7 और प्रवाह चैनल के विपरीत पक्ष के लिए 1.8 कदम।
  10. शीर्ष भाग दोहराने के साथ 1.2-1.5 कदम। फिर शीर्ष चेहरे के केंद्र में एक आयत 1 मिमी से 30 मिमी बनाने के लिए आयत उपकरण का उपयोग कर एक चूना चैनल बनाने और कटौती 0.5 मिमी बाहर निकालना कटौती उपकरण का उपयोग।
  11. एक 1 मिमी चक्र एक छोर से चूना चैनल 5 मिमी में केंद्रित बनाने के लिए सर्कल उपकरण का उपयोग करें। लाइन उपकरण के साथ एक पथ एक 4 मिमी त्रिज्या पट्टिका उपकरण के साथ किए गए सहित 6 सेमी चेहरे, द्वारा 1 सेमी से एक के लिए चक्र को जोड़ने का निर्माण। बह कटौती उपकरण के साथ मार्ग के किनारे एक कटौती करें।
  12. वृत्त उपकरण के साथ चूना पथ पर अपने केंद्र के साथ बनाने के लिए अतिरिक्त 3.9 मिमी व्यास चक्र और कटौती पूर्व के साथ 8 मिमीTrude उपकरण काटा।
  13. भागों शीर्ष 40 मिमी किनारों, आयत उपकरण के साथ पर, आयत 5 मिमी पट्टिका उपकरण के साथ 4 मिमी त्रिज्या जोड़कर 40 मिमी पैदा करते हैं। संभालती के लिए नीचे 3 मिमी बाहर निकालना बाहर निकालना उपकरण का उपयोग करें।
  14. एक बहु सामग्री photopolymer 3-डी प्रिंटर के साथ प्रिंट भागों 0.05 मिमी प्रत्येक भाग में शामिल है कि चैनल के चेहरे पर एक नरम रबड़ जैसी बहुलक के साथ overcoating सहित एक कठिन पारदर्शी बहुलक, का उपयोग कर। निर्माता के मानक प्रोटोकॉल, अंशांकन और सेटिंग्स का उपयोग करें।
  15. धागे ठोकर (M5) चारा, retentate में और orifices चूना। तर करने फिटिंग "फ़ीड और retentate और 1/16 के लिए फिटिंग" 1/8 कनेक्ट करने के लिए प्लम्बर टेप का प्रयोग करें।
  16. 1/8 "ट्यूबिंग (चित्रा 2) के साथ पंप करने के लिए microfluidic उपकरणों, वाल्व, दबाव transducer और backpressure नियामक कनेक्ट करें।
  17. ट्यूबों के प्रवेश करने के लिए 0.45 माइक्रोन फिल्टर कनेक्ट करें।
  18. मुक्ति प्रवाह मीटर और बीकर 1/16 "टयूबिंग के साथ शेष पर चूना।
  19. सर्वो ढाल करने के लिए servos और बिजली की आपूर्ति कनेक्ट।
  20. microcontroller के लिए दबाव transducer, स्विच और इमदादी ढाल कनेक्ट करें।
  21. डेटा प्रवेश और नियंत्रण प्रणाली के लिए एक पीसी के लिए माइक्रोकंट्रोलर, संतुलन, प्रवाह मीटर और पंप कनेक्ट करें।
  22. उनके धारावाहिक बंदरगाह के लिए डेटा मुद्रित करने के लिए शेष राशि विन्यस्त करें।

2. झिल्ली का परीक्षण किया जा करने के लिए तैयार

  1. 40 मिमी x 8 मिमी के लिए झिल्ली कट।
  2. sonication के साथ ultrapure पानी (3 एक्स 10 मिनट) में झिल्ली लेना।
  3. फिर 1 घंटे के लिए 50/50 ultrapure पानी / इथेनॉल में झिल्ली लेना।
  4. 4 डिग्री सेल्सियस पर ultrapure पानी में ultrapure पानी और दुकान के साथ झिल्ली कुल्ला। 8

3. तैयार समाधान Nanofiltration झिल्ली के साथ परीक्षण किया जा करने के लिए

  1. एक Erlenmeyer फ्लास्क ultrapure पानी की 500 मिलीलीटर जोड़ें। फिर एक बीएसए की 0.04 ग्राम जोड़ेंNaCl के डी 0.29 छ।
  2. एक अलग Erlenmeyer फ्लास्क ultrapure पानी की 500 मिलीलीटर जोड़ें। तब MgSO 4 की 0.6 ग्राम जोड़ें।
  3. एक तिहाई Erlenmeyer फ्लास्क ultrapure पानी की 500 मिलीलीटर जोड़ें। फिर सोडियम क्लोराइड की 0.29 ग्राम जोड़ें।
  4. सम्मिलित हलचल प्लेटों पर प्रत्येक फ्लास्क और जगह बोतल में सलाखों हलचल। 500 rpm पर 5 मिनट के लिए मिश्रण।

4. एक Nanofiltration अवरोधन प्रयोग को

नोट: आर टी (सीए 24 डिग्री सेल्सियस) पर प्रयोग करते हैं। सबसे पहले प्रवाह मीटर से जुड़ा नहीं कोशिकाओं प्रवाह करने के लिए वाल्व बंद करके एक भी झिल्ली को मापने के लिए सिस्टम विन्यस्त।

  1. Ultrapure पानी जलाशय और MgSO 4 समाधान में अन्य इनलेट ट्यूब (चित्रा 2) में एक पंप प्रवेश ट्यूब डालें।
  2. ट्यूबिंग के माध्यम से पानी और MgSO 4 समाधान आकर्षित करने के लिए एक सिरिंज का प्रयोग करें ताकि इस प्रणाली के रूप में सभी हवाई बुलबुले को दूर करने के लिए।
  3. साथ प्रवाह सेल के नीचे हिस्से पर एक nanofiltration झिल्ली डालेंचारा चैनल, और प्रवाह सेल के शीर्ष भाग पर जगह की दिशा में सक्रिय पक्ष।
  4. हाथ से पागल जकड़ना और फिर एक रिंच के साथ समान रूप से कसने के रूप में तो रिसाव को कम करने के लिए।
  5. जलाशय चयनकर्ता स्विच के साथ ultrapure पानी का चयन करें।
  6. 2 मिलीग्राम / मिनट के लिए पंप प्रवाह की दर निर्धारित करें और पंप शुरू करते हैं।
  7. 4 बार करने के लिए दबाव नियामक को समायोजित करें।
  8. जलाशयों स्विच करने के लिए हर 45 मिनट पानी जलाशय के साथ शुरू प्रयोगात्मक मापदंडों सेट करें।
  9. ऑटो के लिए जलाशय स्विच सेट, और प्रयोग शुरू करते हैं।
  10. 60 मिनट में अगले 30 मिनट के लिए एक ट्यूब में MgSO 4 चूना इकट्ठा।
  11. 91 मिनट में कुप्पी बीएसए और सोडियम क्लोराइड का समाधान युक्त साथ MgSO 4 कुप्पी की जगह।
  12. जल्दी पंप बंद करो और इनलेट ट्यूब के माध्यम से बीएसए समाधान आकर्षित करने के लिए ट्यूबिंग में MgSO 4 बचे हुए को हटाने के लिए एक सिरिंज का उपयोग करें। फिर पंप फिर से शुरू करते हैं।
  13. 150 मिनट में बीएसए अगले 30 मिनट के लिए एक ट्यूब में चूना इकट्ठा।
  14. 225 मिनट के बाद, सिस्टम को बंद करने और नैनो को दूर प्रवाह सेल से छानने का काम झिल्ली।
  15. एक सिरिंज का प्रयोग, ultrapure पानी के साथ परीक्षण समाधान इनलेट ट्यूब बाहर निकलवाने।
  16. दोहराएँ प्रत्येक अतिरिक्त परीक्षण किया झिल्ली के लिए 4.1-4.15 कदम।
  17. NaCl केवल परीक्षण के लिए, दोहराने 4.1-4.10, 4.14-4.16 और सोडियम क्लोराइड समाधान के साथ MgSO 4 समाधान की जगह और के बजाय 90 मिनट 225 मिनट के बाद प्रयोग न खत्म होने वाली कदम।

Nanofiltration झिल्ली के 5. गणना साल्ट अस्वीकृति

  1. ultrapure पानी के साथ potentiostat परीक्षण सेल के इलेक्ट्रोड कुल्ला।
  2. एक विंदुक के साथ, परीक्षण सेल इलेक्ट्रोड पर MgSO 4 समाधान की जमा 5 μl।
  3. समाधान के रिकार्ड प्रतिरोध।
  4. दोहराएँ 5.1-5.3 चार गुना अधिक कदम और औसत मूल्य की गणना।
  5. दोहराएँ NaCl और बीएसए / सोडियम क्लोराइड समाधान के लिए के रूप में अच्छी तरह से करने के लिए 5.1-5.4 चरणों प्रत्येक समाधान एकत्र चूना।
  6. 1 समीकरण के साथ नमक अस्वीकृति की गणना:
    6eq1.jpg "/>
    जहां Ω टेस्ट समाधान का प्रतिरोध है और Ω पी चूना का प्रतिरोध है। प्रतिरोध व्युत्क्रमानुपाती एक समाधान है, जो सीधे नमक एकाग्रता के लिए संबद्ध की चालकता के लिए आनुपातिक है।

6. समाधान तैयार ultrafiltration झिल्ली के साथ परीक्षण किया जा करने के लिए

  1. ultrapure पानी का 1 एल एक 4 एल बीकर में जोड़े। फिर बीएसए की 0.32 ग्राम जोड़ें।
  2. बीकर और हलचल प्लेट पर जगह में हलचल बार डालें। 500 rpm पर 5 मिनट के लिए मिश्रण।
  3. ultrapure पानी की अतिरिक्त 3 एल बीकर और 500 rpm पर 5 मिनट के लिए फिर से मिश्रण करने के लिए जोड़ें।

7. एक Ultrafiltration अवरोधन प्रयोग को

नोट: आर टी (सीए 24 डिग्री सेल्सियस) पर एक प्रयोग करते हैं। पहली कोशिकाओं प्रवाह करने के लिए सभी वाल्व खोलने के द्वारा समानांतर में 4 झिल्ली को मापने के लिए सिस्टम विन्यस्त।

  1. एक पंप प्रवेश ट्यूब वीं में ultrapure पानी जलाशय और अन्य इनलेट ट्यूब में रखेंई बीएसए समाधान (चित्रा 2)।
  2. ट्यूबिंग के माध्यम से पानी और बीएसए समाधान आकर्षित करने के लिए एक सिरिंज का प्रयोग करें ताकि इस प्रणाली के रूप में सभी हवाई बुलबुले को दूर करने के लिए।
  3. चारा चैनलों की दिशा में सक्रिय पक्षों के साथ, प्रवाह कोशिकाओं के नीचे हिस्से पर ultrafiltration झिल्ली डालें, और microfluidic युक्ति के शीर्ष हिस्सों के साथ कोशिकाओं को बंद करें।
  4. जकड़ना पागल हाथ से, तो एक रिंच के साथ समान रूप से मजबूत करनी होगी। अनुचित कस पानी के रिसाव हो सकता है।
  5. जलाशय स्विच के साथ ultrapure पानी का चयन करें।
  6. 8 मिलीग्राम / मिनट के लिए पंप प्रवाह की दर निर्धारित करें और पंप शुरू करते हैं।
  7. 0.4 पट्टी करने के लिए दबाव नियामक को समायोजित करें।
  8. निर्माता प्रोटोकॉल के अनुसार डाटा अधिग्रहण सॉफ्टवेयर के साथ झिल्ली के प्रवाह मूल्यों की निगरानी।
  9. दबाव नियामक समायोजित करें जब तक औसत प्रवाह 200 LMH ± 10% है।
  10. अलग-अलग झिल्ली बदलें अगर प्रवाह 200 LMH ± 20% नहीं है।
  11. प्रयोगात्मक रन पैरामीटर दर्ज करें। सबसे पहले ultrapure पानी अनुसंधान कौशल का चयन200 ± 20 LMH के एक निरंतर प्रवाह के साथ 60 मिनट के लिए rvoir। फिर, दबाव नियामक के मैनुअल नियंत्रण के साथ 420 मिनट के लिए बीएसए जलाशय का चयन करें। अंत में, प्रयोग के अंत में फ्लश सिस्टम के लिए दबाव नियामक के मैनुअल नियंत्रण के साथ 15 मिनट के लिए ultrapure पानी जलाशय का चयन करें।
  12. ऑटो के लिए जलाशय स्विच सेट, और प्रयोग शुरू करते हैं।
  13. रन पूरा होने के बाद, बंद प्रणाली और प्रवाह कोशिकाओं से झिल्ली को हटा दें।
  14. एक सिरिंज, ultrapure पानी से भरा पंप प्रवेश ट्यूब के साथ।

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Representative Results

microfluidic प्रवाह कोशिकाओं एक सीएडी प्रोग्राम का उपयोग कर बनाया गया है और एक बहु सामग्री photopolymer तीन आयामी (3-डी) प्रिंटर का उपयोग कर मुद्रित किया गया। इस सेल को दो भागों में बनाया गया था, ताकि झिल्ली आसानी से डाला जा सकता है और डिवाइस से निकाल (चित्रा 1)। प्रत्येक भाग 1 सेमी मोटी थी, संरचनात्मक अखंडता के लिए एक कठिन, स्पष्ट बहुलक से मुद्रित, और पक्षों झिल्ली का सामना करना पड़ रबर की तरह बहुलक का एक बहुत पतली परत के साथ 50 माइक्रोन overcoated थे। overcoating एक सील की क्षमता है, जो पानी के रिसाव को रोकता के साथ सेल प्रदान करने के लिए किया गया था। एक प्रवाह चैनल गहरी 0.2 मिमी, 1 मिमी चौड़ा और 30 मिमी झिल्ली के एक 30 मिमी 2 क्षेत्र का परीक्षण करने के लिए लंबे समय से डिजाइन किया गया था। 8 मिमी और कपड़े धोने के प्रोटोकॉल से 40 मिमी के लिए झिल्ली काटने के बाद, एक परीक्षण झिल्ली डिवाइस में डाला गया था। छह स्टेनलेस स्टील बोल्ट और नट्स (M6) डिवाइस कसने के लिए इस्तेमाल किया गया है और यह प्रणाली (चित्रा 2) से जुड़ा था। इस तरीके में, सेल पे हैrmanently, प्रणाली से जुड़े हैं, जबकि झिल्ली आसानी से बदला जा सकता है। एक कोशिका झिल्ली nanofiltration प्रयोगों के लिए ऑपरेशन किया गया था, और चार कोशिकाओं ultrafiltration झिल्ली प्रयोगों के लिए समानांतर में संचालित किया गया।

nanofiltration झिल्ली के लिए, एक प्रवाह मीटर चूना प्रवाह को मापने के लिए जुड़ा था। 2 मिलीग्राम / मिनट की दर से एक प्रयोग है, शुद्ध पानी के लिए प्रदर्शन करने के लिए। शुरू किया गया था और दबाव 4 बार करने के लिए समायोजित किया गया। यह ~ 40 LMH (चित्रा 3) एक चूना प्रवाह के परिणामस्वरूप, और ~ 10 LMH / पट्टी करने के लिए पत्राचार किया। संतुलन और एक निरंतर प्रवाह (सीए 45 मिनट) के अवलोकन के बाद, समाधान MgSO 4 (10 मिमी) में बदल गया था अस्वीकृति के लिए परीक्षण और झिल्ली की अखंडता को सत्यापित करें, और तर करने के लिए एकत्र किया गया था। इस समाधान की प्रतिरोधकता मापा गया था जो व्युत्क्रमानुपाती चालकता के लिए आनुपातिक है। नमक का परीक्षण सांद्रता में, चालकता रैखिक एकाग्रता और% नमक आर के समानुपाती होता हैइंजेक्शन की गणना की जा सकती है। झिल्ली वर्तमान प्रयोग में परीक्षण ± 4%, और 64% ± MgSO 4 और सोडियम क्लोराइड, क्रमशः के 3% rejections 83% दी। प्रणाली चारा तो शुद्ध पानी के लिए वापस आ गया था जब तक एक स्थिर प्रवाह हासिल की थी, और उसके बाद सोडियम क्लोराइड (10 मिमी) में बीएसए (0.08 छ / एल) का एक जलीय समाधान के लिए बदल दिया है। 10 मिमी NaCl की शर्तों के तहत एक नियंत्रण झिल्ली के प्रवाह की तुलना में प्रवाह में कमी बीएसए के कारण दूषण झिल्ली संकेत दिया।

ultrafiltration झिल्ली के लिए, चार microfluidic उपकरणों, समानांतर में जुड़े हुए थे चूना प्रवाह के साथ शेष राशि का उपयोग करके मापा। ये शेष राशि कंप्यूटर से जुड़ा है और निरंतर डेटा संग्रह में सुविधा रहे थे। 8 मिलीलीटर की एक शुद्ध पानी फ़ीड दर का प्रयोग / मिनट प्रणाली है, जो 2 मिलीग्राम / प्रवाह सेल प्रति मिनट है, तो दबाव आदेश 200 LMH (चित्रा 4) के एक औसत प्रवाह प्राप्त करने के लिए समायोजित किया गया। प्रत्येक झिल्ली के प्रवाह का आकलन किया गया था, और यदि प्रवाह अंतर था और झिल्ली बदल दिया गया था #62; 200 LMH की प्रारंभिक चुना प्रवाह औसत से 20%। बीएसए समाधान करने के लिए बदल गया था (0.08 छ / एल) और प्रवाह में कमी नजर रखी थी। चारा समाधान तो शुद्ध पानी के लिए वापस बदल गया था। प्रतिनिधि परिणामों के लिए, हम 30 और 50 केडीए हाइड्रोफिलिक polyethersulfone ultrafiltration झिल्ली तुलना में, और कहा कि हालांकि 50 केडीए झिल्ली प्रयोग की समाप्ति (प्रारंभिक प्रवाह की 26.5%) में एक उच्च प्रवाह सामान्यीकृत था 30 केडीए झिल्ली के लिए 23% के साथ तुलना में, अंतर महत्वपूर्ण नहीं था।

आकृति 1

चित्रा 1. डिजाइन और microfluidic युक्ति की छवि का इस्तेमाल किया। डिजाइन एक सीएडी कार्यक्रम का उपयोग किया जाता है और एक तीन आयामी photopolymer प्रिंटर का उपयोग कर मुद्रित किया गया था। (ए) नीचे हिस्से फ़ीड चैनल (ऊपर देखें) युक्त। (बी) के शीर्ष भाग चूना चान युक्त नेल (ऊपर देखें)। (सी) डिवाइस (ओर देखने) के विधानसभा। (डी) एक झिल्ली कूपन, भागों नट और बोल्ट के साथ एक साथ बांधा सहित कार्यात्मक डिवाइस की छवि। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र 2

चित्रा 2. प्रणाली की योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व। Nanofiltration झिल्ली परीक्षण प्रवाह सेल 1. ultrafiltration झिल्ली परीक्षण के समानांतर में सभी 4 प्रवाह कोशिकाओं का उपयोग किया गया था का उपयोग किया गया था। कंप्यूटर डेटा प्रवेश नहीं दिखाया। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

lways "> चित्र तीन

चित्रा 3. प्रदर्शन और पार प्रवाह परिस्थितियों में एक nanofiltration झिल्ली के दूषण पूर्ण रन (काला वर्ग) के लिए प्रायोगिक स्थिति:। I) ultrapure पानी, 2 मिलीग्राम / मिनट, 4 बार। द्वितीय) 10 मिमी MgSO 4, 2 मिलीग्राम / मिनट, 4 बार। iii) ultrapure पानी, 2 मिलीग्राम / मिनट, 4 बार। iv) बीएसए (0.08 छ / एल) 10 मिमी NaCl, 2 मिलीग्राम / मिनट, 4 बार में। v) ultrapure पानी, 2 मिलीग्राम / मिनट, 4 बार। नियंत्रण झिल्ली 10 मिमी NaCl, 2 मिलीग्राम / मिनट, 4 बार (नीले वृत्त)। त्रुटि सलाखों के मानक विचलन निरूपित। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 4

चित्रा 4. ultrafiltration झिल्ली 30 केडीए के दूषण ( लाल चौक) और 50 केडीए (ब्लू डायमंड) पार प्रवाह की शर्तों के तहत। i) दबाव समायोजित इतना है कि औसत प्रारंभिक शुद्ध पानी चूना प्रवाह 200 LMH था। ii) बीएसए (0.08 छ / एल) 2 मिलीग्राम / मिनट। त्रुटि सलाखों के मानक विचलन निरूपित। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

इस प्रोटोकॉल nanofiltration और ultrafiltration झिल्ली के परीक्षण के लिए एक तीन आयामी मुद्रित microfluidic पार प्रवाह डिवाइस के डिजाइन का वर्णन है। हाल ही में, हम nanofiltration झिल्ली कंडीशनिंग के साथ इस प्रोटोकॉल के एक बदलाव की सफलता से पता चला है और glycosphingolipids और lipopolysaccharides और बाद में जीवाणु संस्कृति इंजेक्शन के साथ झिल्ली प्रदर्शन मतभेदों के साथ दूषण। 5 भविष्य अनुप्रयोगों के लिए इस तकनीक को रोजगार के विभिन्न foulants के साथ झिल्ली प्रदर्शन परिवर्तन का मूल्यांकन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । बड़ा प्रवाह कोशिकाओं की तुलना में इस microfluidic युक्ति बहुत कम परीक्षण समाधान की आवश्यकता है और काफी foulants और यौगिकों, विशेष रूप से उन है कि सीमित मात्रा में ही उपलब्ध हैं के लिए लागत को कम कर सकते हैं। छोटे प्रारूप में भी यह प्रयोगशाला पैमाने पर परीक्षण के लिए सुविधाजनक बनाता है और उच्च throughput परीक्षण करने के लिए उत्तरदायी हो सकता है।

microfluidic पार प्रवाह डिवाइस का डिजाइन thr हासिल की थीough चलने का प्रोटोटाइप है, जो तीन आयामी मुद्रण का बड़ा फायदा है। जनरल डिवाइस डिजाइन सुविधाओं एक पहले प्रकाशित microfluidic पार प्रवाह nanofiltration झिल्ली अनुप्रयोगों के लिए प्रयुक्त उपकरण पर आधारित थे। 9,10 सबसे महत्वपूर्ण डिजाइन मतभेद थे कि चारा और चैनलों चूना भरपाई नहीं कर रहे थे, लेकिन सीधे एक दूसरे overlaying, और की मोटाई भागों, और पानी सील विधि। पानी लीकेज की रोकथाम के प्रमुख समस्या यह है कि एक बहु सामग्री photopolymer 3-डी प्रिंटर के साथ डिवाइस मुद्रण के माध्यम से डिजाइन की प्रक्रिया में दूर किया गया था। यह एक पतली नरम बहुलक डिवाइस है कि झिल्ली के साथ संपर्क में थे की सतहों पर होने की अनुमति दी। डिवाइस में झिल्ली, और समान रूप से 6 नट (M6) के साथ कस की नियुक्ति के बाद, पानी लीकेज को रोका गया था। पानी लीकेज के लिए अन्य संभावित क्षेत्रों फ़ीड इनलेट और आउटलेट retentate ट्यूबिंग कनेक्शन अंक हैं, और प्लम्बर टेप का उपयोग को रोका जा सकता है औरसावधान किया जा रहा खत्म ट्यूबिंग, जो सूत्रण नुकसान होगा के संबंध मजबूत करने के लिए नहीं। डिवाइस दबाव लीकेज के बिना 5 पट्टी करने के लिए परीक्षण किया गया है।

यह महत्वपूर्ण है कि अति शुद्ध पानी सब समाधान की तैयारी के लिए प्रयोग किया जाता है। अन्य स्रोतों से पानी अज्ञात दूषण पदार्थों है कि झिल्ली प्रदर्शन में कमी का कारण होता हो सकती है। इसके अलावा, एक फिल्टर (0.45 मिमी) फ़ीड ट्यूबिंग से जुड़ा हुआ है प्रणाली में बात कण के अभाव सुनिश्चित करने के लिए। एक चूना फ्लो मीटर आदेश अधिक सही एक nanofiltration झिल्ली का उपयोग कर प्रतिनिधि प्रयोग में कम प्रवाह मूल्यों को मापने के लिए इस्तेमाल किया गया था। 4 बारों की एक निश्चित दबाव में पिछले एक glycosphingolipids अध्ययन के आधार पर चुना गया था। 5 दोहराएँ अलग झिल्ली कूपन का उपयोग माप औसतन थे। एक प्रतिनिधि प्रयोग ultrafiltration झिल्ली का उपयोग करते हुए, झिल्ली की प्रारंभिक शुद्ध जल प्रवाह 0.4 बार के दबाव का उपयोग कर मापा गया था। झिल्ली से प्रवाह चूनाझिल्ली बहुत भिन्न हो सकते इसलिए प्रत्येक झिल्ली का प्रवाह सुनिश्चित करने के लिए कि प्रवाह मतभेद ± 20% से बड़ा नहीं थे जाँच की थी। वांछित प्रारंभिक प्रवाह मूल्यों के बाहर गिरने झिल्ली झिल्ली नए कूपन के साथ बदल दिया गया था। दूषण अध्ययन में एक निरंतर प्रवाह एक निरंतर दबाव से अधिक पसंद किया जा सकता है क्योंकि अलग अलग प्रारंभिक अपशिष्टों के साथ परीक्षण किया झिल्ली अलग दरों पर बेईमानी कर सकता है। दबाव तो 200 LMH के वांछित औसत प्रारंभिक चूना प्रवाह के लिए समायोजित किया गया था ± 10%, हालांकि, इन प्रारंभिक शुरू की स्थिति के लिए आवश्यक प्रयोगात्मक शर्तों के हिसाब से चुना जा सकता है। चारा समाधान रचना में बाद में परिवर्तन, और प्रवाह परिवर्तन की निगरानी झिल्ली के प्रदर्शन विशेषताओं में बहुमूल्य अंतर्दृष्टि दे देंगे।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासे के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

लेखकों डिवाइस के तीन आयामी मुद्रण के लिए Stratasys (Rehovot, इज़राइल) धन्यवाद। हम झिल्ली के नमूने के लिए Microdyne-नादिर (जर्मनी) के आभारी हैं। इस शोध CJA के लिए इसराइल विज्ञान फाउंडेशन (अनुदान 1474-1413) द्वारा समर्थित किया गया

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

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References

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