Tredimensionalt trykte Mikrofluid Cross-flow System for Ultrafiltrering / nanofiltreringsmembran Performance Test
Summary
Design og fabrikation af et tredimensionalt (3-D) trykt mikrofluid tværstrømsfiltrering systemet påvises. Systemet anvendes til at teste ydeevnen og observere begroning af ultrafiltrering og nanofiltrering (tynd film komposit) membraner.
Abstract
Minimering og forvaltning af membran begroning er en formidabel udfordring i forskellige industrielle processer og andre former for praksis, der udnytter membranteknologi. Forståelse af begroning proces kan føre til optimering og højere effektivitet af membran baseret filtrering. Her viser vi design og fabrikation af en automatiseret tredimensionalt (3-D) trykt mikrofluid tværstrømsfiltrering system, der kan teste op til 4 membraner parallelt. De mikrofluide celler blev trykt ved hjælp af multi-materiale fotopolymer 3-D print-teknologi, som anvendte en gennemsigtig hård polymer for mikrofluid celle krop og indarbejdet en tynd gummi-lignende polymer lag, som forhindrer lækager under drift. Udførelsen af ultrafiltrering (UF), og nanofiltrering (NF) -membraner blev testet og membran fouling kunne observeres med en model foulant bovint serumalbumin (BSA). Feed opløsninger indeholdende BSA viste flux tilbagegang af membranen. Denne protokol kan forlængeed at måle begroning eller biologisk forurening med mange andre organiske, uorganiske eller mikrobielle opløsninger. Mikrofluid design er særligt fordelagtigt til undersøgelse af materialer, der er dyrt eller kun tilgængelige i små mængder, for eksempel polysaccharider, proteiner eller lipider på grund af det lille overfladeareal af membranen, der testes. Dette modulsystem kan også let udvides til high throughput test af membraner.
Introduction
Membranteknologi er en integreret industrielle og andre processer, der kræver adskillelse af opløste stoffer fra en bulkopløsning, dog membran begroning er en vigtig løbende udfordring. 1 Almindelige eksempler hvor membran tilsmudsning forekommer omfatte anvendelse af ultrafiltreringsmembraner for størrelsen baseret separation af spildevand, 2 og tynde film sammensatte membraner til separation af ioner og større opløste stoffer fra brakvand eller havvand. 3 Karakteristiske tegn på begroning omfatter en stigning i transmembrane tryk og et fald i flux. Dette formindsker produktiviteten af membranen og forkorter dens levetid som følge af kemiske eller andre rengøringsmidler protokoller. Derfor membran ydeevne er en god indikator for at vurdere begroning og til at forstå de mekanismer og effekter af begroning, begroning og biofilmdannelse på membraner. Også, resultatvurdering er vigtigt i design eller ændring af nye membraner.
eft ">Interesse for brugen af membraner i mikrovæskeanordninger er vokset i det seneste tiår. 4 nylig har vi undersøgt virkningen af mikrobielle komponenter lipopolysaccharid, og glycosphingolipid på begroning på overfladen af en nanofiltreringsmembran, og den efterfølgende modtagelighed det konditionerede overflade for mikrobiel fastgørelse. 5 Mikrofluidapparat cross-flow-enhed blev anvendt til at vurdere resultaterne af nanofiltreringsmembraner. Dette tillod brug af særlige ikke-kommerciel lipidbestanddele kun tilgængelige i små mængder til membran overflade begroning, fordi membranen overfladearealet var lille. Systemet tilladte størrelse effektiv brug af membranmaterialer og lave volumener af opløsninger. I denne protokol, beskriver vi design og fabrikation af mikrofluidanordning til membran performance test, og beskriver inkorporering af enheden til et tryk flow-system. Demonstration af anordningen er vist ved testing udførelsen af ultrafiltreringsmembraner og nanofiltreringsmembraner ved hjælp af en model foulant, BSA. 6,7
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokol beskrives udformningen af et tredimensionalt trykt mikrofluid cross-flow indretning til afprøvning af nanofiltreringsmembraner og ultrafiltreringsmembraner. For nylig har vi vist succes med en variation af denne protokol med nanofiltreringsmembran condition og begroning med glycosphingolipider og lipopolysaccharider og membran ydeevne forskelle med efterfølgende bakteriekultur injektion. 5 Fremtidige applikationer anvender denne teknik kan bruges til at vurdere membran ydeevne ændringe…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne takker Stratasys (Rehovot, Israel) til tredimensionel trykning af indretningen. Vi er taknemmelige for Microdyne-Nadir (Tyskland) til membran prøver. Denne forskning blev støttet af Israel Science Foundation (Grant 1474-1413) til 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
- 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).
