Tredimensjonalt Trykt microfluidic Cross-flow system for ultrafiltrering / Nanofiltrering Membran Performance Testing
Summary
Konstruksjon og fremstilling av et tredimensjonalt (3-D) trykt mikrofluid cross-flow filtreringssystem er påvist. Systemet brukes til å teste ytelsen, og observere begroing av ultrafiltrering og nanofiltrering (thin film composite) membraner.
Abstract
Minimalisering og forvaltning av membran begroing er en formidabel utfordring i ulike industrielle prosesser og andre praksiser som utnytter membranteknologi. Forstå begroing prosessen kan føre til optimalisering og høyere effektivitet av membranbasert filtrering. Her viser vi design og fabrikasjon av en automatisert tredimensjonalt (3D) trykt microfluidic cross-flow filtreringssystem som kan teste opptil 4 membraner i parallell. De microfluidic celler ble skrevet ut ved hjelp av multi-material fotopolymer 3-D utskriftsteknologi, som brukte en gjennomsiktig hardt polymer for microfluidic cellekroppen og innarbeidet en tynn gummilignende polymer lag, som hindrer lekkasjer under drift. Utførelsen av ultrafiltrering (UF), nanofiltrering og (NF) membraner ble testet og membranen begroing kunne observeres med en modell tilsmussing bovint serumalbumin (BSA). Strøm oppløsninger inneholdende BSA viste fluks nedgang av membranen. Denne protokollen kan strekke seged å måle begroing eller begroing med mange andre organiske, uorganiske eller mikrobielle inneholder løsninger. Den mikrofluid utformingen er spesielt fordelaktig for testing av materialer som er kostbare eller bare er tilgjengelig i små mengder, for eksempel polysakkarider, proteiner eller lipider på grunn av det lille areal av membranen som blir testet. Dette modulære systemet kan også enkelt utvides for høy gjennomstrømming testing av membraner.
Introduction
Membranteknologien er integrert i industrielle og andre prosesser som krever separering av oppløste stoffer fra en bulkløsning, derimot, er membranen begroing en vesentlig kontinuerlig utfordring. 1 Vanlige eksempler hvor membranen tilsmussing oppstår omfatter bruk av ultrafiltreringsmembraner for størrelsen basert separasjon av avløpsvann, 2 og tynn film kompositt membraner for separasjon av ioner og større oppløsninger fra brakkvann eller sjøvann. 3 Karakteristiske tegn på begroing inkluderer en økning i trans trykk og en nedgang i forandring. Dette reduserer produktiviteten av membranen og forkorter dens levetid på grunn av kjemiske eller andre rengjørings protokoller. Derfor membran Forestillingen er en god indikator for å vurdere begroing og for å forstå mekanismene og effekter av begroing, begroing og biofilmdannelse på membranene. Dessuten er prestasjonsvurdering viktig i utformingen eller endring av nye membraner.
eft ">Interessen for bruk av membraner i microfluidic anordninger har vært økende i løpet av det siste tiåret. 4 Nylig har vi studert effekten av mikrobielle komponenter lipopolysakkarid, og glykosphingolipid på begroing på overflaten av en nanofiltreringsmembran, og den etterfølgende følsomhet av det kondisjonerte overflaten til mikrobiell vedlegg. 5 A microfluidic kryss enheten ble brukt for å vurdere resultatene av nanofiltreringsmembraner. Dette tillot bruk av spesielle ikke-kommersiell lipid komponenter bare tilgjengelige i små mengder for membranoverflaten begroing fordi memebranoverflaten området var liten. Systemet tillatt størrelse effektiv bruk av membranmaterialer og lave volumer av løsninger. I denne protokollen beskriver vi design og fabrikasjon av mikrofluidanordning for membranytelsestesting, og skissere inkorporering av enheten inn i en trykk flow system. Demonstrasjon av enheten er vist ved testing ytelsen Ultrafiltreringsmembranene og nanofiltreringsmembraner ved hjelp av en modell tilsmussing, BSA. 6,7
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokollen beskriver konstruksjonen av et tredimensjonalt trykt mikrofluidtverrstrømningsanordning for testing av nanofiltrerings og ultrafiltreringsmembraner. Nylig har vi vist suksess for en variant av denne protokollen med nanofiltrering membran condition og begroing med glykosfingolipider og lipopolysaccharides og membran ytelse forskjeller med påfølgende bakteriekultur injeksjon. 5 Fremtidige applikasjoner som benytter denne teknikken kan brukes til å evaluere membran ytelse endres ulike beleg…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne takker Stratasys (Rehovot, Israel) for tredimensjonal utskrift av enheten. Vi er takknemlige for Microdyne-Nadir (Tyskland) for membran prøvene. Denne forskningen ble støttet av 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).
