Sistema de flujo cruzado tridimensionalmente Impreso de microfluidos para la ultrafiltración / Pruebas de rendimiento membrana de nanofiltración
Summary
Diseño y fabricación de un tridimensionalmente (3-D) impreso microfluidos sistema de filtración de flujo cruzado se demuestra. El sistema se utiliza para probar el rendimiento y observar el ensuciamiento de ultrafiltración y nanofiltración (compuesto de película delgada) membranas.
Abstract
Minimización y gestión de ensuciamiento de la membrana es un reto formidable en diversos procesos industriales y otras prácticas que utilizan la tecnología de membranas. La comprensión del proceso de ensuciamiento podría conducir a una mayor eficiencia y optimización de la filtración a base de membrana. Aquí se muestra el diseño y fabricación de una forma tridimensional sistema automatizado (3-D) impreso microfluídico de flujo transversal de filtración que puede probar hasta 4 membranas en paralelo. Las células de microfluidos se imprimieron utilizando la tecnología de impresión 3-D de múltiples materiales de fotopolímero, que utiliza un polímero duro transparente para el cuerpo de la célula de microfluidos y se incorpora una capa de polímero similar al caucho delgado, que impide las fugas durante el funcionamiento. El rendimiento de ultrafiltración (UF), y las membranas de nanofiltración (NF) se probaron y ensuciamiento de la membrana pudieron observarse con un modelo de albúmina de suero bovino foulant (BSA). Las soluciones de alimentación que contiene BSA mostraron disminución de flujo de la membrana. Este protocolo se puede extendered para medir el ensuciamiento o la contaminación biológica con muchas otras soluciones orgánicas, inorgánicas o microbianos que contiene. El diseño de microfluidos es especialmente ventajosa para materiales de prueba que son costosos o sólo está disponible en pequeñas cantidades, por ejemplo polisacáridos, proteínas o lípidos debido a la pequeña área de superficie de la membrana que se está probando. Este sistema modular también se puede ampliar fácilmente para las pruebas de alto rendimiento de las membranas.
Introduction
La tecnología de membrana es parte integral de los procesos industriales y otras que requieren la separación de solutos de una solución a granel, sin embargo, ensuciamiento de la membrana es un desafío permanente importante. 1 Ejemplos comunes donde ensuciamiento de la membrana se produce incluir el uso de membranas de ultrafiltración para la separación basada en el tamaño de las aguas residuales, 2 y delgadas membranas compuestas de película para la separación de iones y solutos más grandes de agua salobre o agua de mar. 3 indicios característicos de ensuciamiento incluyen un aumento de la presión transmembrana y una disminución en el flujo. Esto disminuye la productividad de la membrana y se acorta su vida útil debido a los protocolos de limpieza químicos u otros. Por lo tanto el rendimiento de la membrana es un buen indicador para evaluar el ensuciamiento y para comprender los mecanismos y efectos de ensuciamiento, la contaminación biológica y la formación de biopelículas en las membranas. Además, la evaluación del desempeño es importante en el diseño o modificación de las membranas.
eft ">El interés en el uso de membranas en dispositivos microfluídicos ha estado creciendo durante la última década. 4 Recientemente, se estudió el efecto de los componentes microbianos lipopolisacárido, y glicoesfingolípidos en el ensuciamiento de la superficie de una membrana de nanofiltración, y la posterior susceptibilidad de la superficie acondicionada para microbiana . fijación 5 Un dispositivo de flujo cruzado de microfluidos se utilizó para evaluar el rendimiento de las membranas de nanofiltración. Esto permitió el uso de componentes lipídicos especiales no comercial disponibles en pequeñas cantidades para el ensuciamiento superficie de la membrana debido a que el área de superficie de la membrana era pequeña. El tamaño del sistema puede hacer uso eficiente de los materiales de la membrana y los bajos volúmenes de soluciones. En este protocolo, se describe el diseño y la fabricación del dispositivo de microfluidos para las pruebas de rendimiento de la membrana, y el esquema de la incorporación del dispositivo en un sistema de flujo a presión. Demostración de que el dispositivo se muestra por testing el rendimiento de las membranas de ultrafiltración y membranas de nanofiltración utilizando un modelo foulant, BSA 6,7.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo describe el diseño de un dispositivo de flujo cruzado de microfluidos tridimensionalmente impreso para pruebas de membranas de nanofiltración y ultrafiltración. Recientemente, hemos demostrado el éxito de una variación de este protocolo con membrana de nanofiltración acondicionado y el ensuciamiento con los glicoesfingolípidos y lipopolisacáridos y las diferencias de rendimiento de la membrana con la inyección de cultivo bacteriano posterior. 5 Las aplicaciones futuras que emplean esta…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores agradecen a Stratasys (Rehovot, Israel) para la impresión en tres dimensiones del dispositivo. Estamos muy agradecidos a Microdyne-Nadir (Alemania) para las muestras de membrana. Esta investigación fue apoyada por la Fundación de Ciencias de Israel (Grant 1474-1413) a 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 |
References
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