Driedimensionaal Printed microfluïdische Cross-flow-systeem voor Ultrafiltratie / nanofiltratiemembraan Performance Testing
Summary
Ontwerp en fabricage van een driedimensionaal (3-D) gedrukt microfluïdische kruisstroom filtratiesysteem wordt aangetoond. Het systeem wordt gebruikt om de prestaties te testen en observeren vervuiling van ultrafiltratie en nanofiltratie (dunne film composite) membranen.
Abstract
Minimalisering en beheer van membraanvervuiling is een enorme uitdaging in diverse industriële processen en andere praktijken die membraantechnologie benutten. Inzicht in de vervuiling zou ertoe kunnen leiden optimalisatie en hogere efficiëntie van op membraan gebaseerde filtratie. Hier laten wij het ontwerp en de fabricage van een geautomatiseerde driedimensionaal (3-D) gedrukt microfluïdische kruisstroom filtratiesysteem welke testen maximaal 4 membranen parallel. De microfluïdische cellen werden gedrukt met meerdere materialen fotopolymeer 3-D printtechnologie, die een transparante harde polymeer voor de microfluïdische cellichaam gebruikt en verwerkt een dunne rubberachtige polymeerlaag die lekken voorkomt tijdens bedrijf. De prestaties van ultrafiltratie (UF) en nanofiltratie (NF) membranen werden getest membraanvervuiling kan worden waargenomen met een model foulant runderserumalbumine (BSA). Voeroplossingen met BSA bleek flux daling van het membraan. Dit protocol kan worden uit te breidened om vervuiling of biofouling meten met vele andere organische, anorganische of microbiële bevattende oplossingen. De microfluïdische ontwerp is bijzonder voordelig voor het testen van materialen die kostbaar of uitsluitend in kleine hoeveelheden, bijvoorbeeld polysacchariden, proteïnen of lipiden zijn vanwege de kleine oppervlak van het membraan wordt getest. Dit modulaire systeem kan ook gemakkelijk worden uitgebreid voor high throughput testen van membranen.
Introduction
Membraantechnologie integraal industriële en andere processen die de scheiding van opgeloste stoffen uit een voorraadoplossing echter membraanvervuiling is een grote voortdurende uitdaging. 1 Bekende voorbeelden waarbij membraanvervuiling plaatsvindt onder gebruik van ultrafiltratie membranen voor de grootte gebaseerde scheiding van afvalwater 2 en dunne film samengestelde membranen voor de scheiding van ionen en grotere opgeloste stoffen uit brak of zeewater. 3 Karakteristiek indicaties van vervuiling omvatten een toename transmembraandruk en een afname in flux. Dit vermindert de productiviteit van het membraan en verkort de levensduur door chemische of andere reinigingsprotocollen. Daarom membraangedrag is een goede indicator beoordelen vervuiling en de mechanismen en effecten van vervuiling, biofouling en biofilmvorming op membranen begrijpen. Ook prestatiebeoordeling belangrijk in het ontwerp of wijziging van nieuwe membranen.
eft ">Belangstelling voor het gebruik van membranen in microfluïdische inrichtingen groeit de laatste tien jaar. 4 Onlangs hebben we het effect van microbiële componenten lipopolysaccharide en glycosfingolipide op vervuiling het oppervlak van een nanofiltratiemembraan, en de daaropvolgende gevoeligheid van de geconditioneerde oppervlak microbiële attachment. 5 microfluïde dwarsstroming inrichting werd gebruikt om de prestaties van nanofiltratie membranen beoordelen. Dit maakte het gebruik van bijzondere, niet-commerciële lipide componenten uitsluitend in kleine hoeveelheden membraanoppervlak vervuiling omdat het membraan oppervlak klein. De omvang systeem toegestane efficiënt gebruik van membraan materialen en de lage volumes van oplossingen. In dit protocol beschrijven wij het ontwerp en de fabricage van de microfluïdische inrichting voor het membraan prestatietests en overzicht van de integratie van het apparaat in een druk stroomsysteem. Demonstratie van de inrichting wordt getoond door testing van de prestaties van ultrafiltratie membranen en nanofiltratie membranen met behulp van een model vervuilingsvorming, BSA. 6,7
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol beschrijft het ontwerp van een driedimensionaal gedrukte microfluïdische dwarsstroming inrichting voor het testen van nanofiltratie en ultrafiltratie membranen. Onlangs hebben we het succes van een variant van dit protocol met nanofiltratiemembraan conditioning getoond en vervuiling met glycosfingolipiden en lipopolysacchariden en membraangedrag verschillen latere bacteriecultuur injectie. 5 verdere toepassingen gebruik van deze techniek kan worden gebruikt om membraanprestaties verandert met ve…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs danken Stratasys (Rehovot, Israel) voor driedimensionaal afdrukken van het apparaat. We zijn dankbaar voor Microdyne-Nadir (Duitsland) voor het membraan monsters. Dit onderzoek werd gesteund door de Israel Science Foundation (Grant 1474-1413) naar CJA
Materials
| 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 |
Riferimenti
- Guo, W., Ngo, H. -. H., Li, J. A mini-review on membrane fouling. Bioresource technol. 122, 27-34 (2012).
- Fane, A. G., Fell, C. J. D. A review of fouling and fouling control in ultrafiltration. Desalination. 62, 117-136 (1987).
- 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).
- De Jong, J., Lammertink, R. G. H., Wessling, M. Membranes and microfluidics: a review. Lab on a chip. 6 (9), 1125-1139 (2006).
- Haas, R., Gutman, J., et al. Glycosphingolipids Enhance Bacterial Attachment and Fouling of Nanofiltration Membranes. Environ. Sci. Technol. Lett. 2, (2015).
- Nabe, A. Surface modification of polysulfone ultrafiltration membranes and fouling by BSA solutions. J. Membr. Sci. 133 (1), 57-72 (1997).
- Ang, W., Elimelech, M. Protein (BSA) fouling of reverse osmosis membranes: Implications for wastewater reclamation. J. Membr. Sci. 296 (1-2), 83-92 (2007).
- 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).
- 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).
- Kaufman, Y., et al. Towards supported bolaamphiphile membranes for water filtration: Roles of lipid and substrate. J. Membr. Sci. 457, 50-61 (2014).
