Tredimensionellt Tryckt mikroflödes Cross-flödessystem för Ultrafiltrering / nanofiltreringsmembran Performance Test
Summary
Utformning och tillverkning av en tredimensionellt (3-D) tryckta mikroflödestvärflödesfiltreringssystem demonstreras. Systemet används för att testa prestanda och observera nedsmutsning av ultrafiltrering och nanofiltrering (tunnfilmskomposit) membran.
Abstract
Minimering och hantering av membrannedsmutsning är en formidabel utmaning i olika industriella processer och andra metoder som utnyttjar membranteknik. Förstå nedsmutsningsprocess skulle kunna leda till optimering och högre effektivitet av membranbaserad filtrering. Här visar vi utformningen och tillverkningen av en automatiserad tredimensionellt (3-D) tryckt mikroflödestvärflödesfiltreringssystem som kan testa upp till 4 membran parallellt. De mikroflödes celler trycktes med hjälp av multi-material fotopolymer 3-D tryckteknik, som använde en transparent hård polymer för mikroflödescellkroppen och bildat en tunn gummiliknande polymerskikt, vilket förhindrar läckage under drift. Utförandet av ultrafiltrering (UF), och nanofiltrering (NF) membran testades och membrannedsmutsning kunde observeras med en modell nedsmutsnings bovint serumalbumin (BSA). Foder lösningar innehållande BSA visade flödes nedgång av membranet. Detta protokoll kan förlängaed att mäta nedsmutsning eller påväxt med många andra organiska, oorganiska eller mikrobiella lösningar. Den mikroflödes utformning är speciellt fördelaktig för att testa material som är kostsamma eller endast finns i små mängder, t ex polysackarider, proteiner eller lipider grund av den lilla ytarean hos membranet som testas. Detta modulsystem kan även lätt utvidgas för hög genomströmning testning av membran.
Introduction
Membranteknik är en integrerad del industriella och andra processer som kräver separation av lösta ämnen från en bulklösning är emellertid membrannedsmutsning en stor pågående utmaning. 1 Vanliga exempel där membrannedsmutsning sker innefatta användning av ultrafiltreringsmembran för storleken baserad separation av avloppsvatten, 2 och tunnfilmskompositmembran för separation av joner och större lösta ämnen från bräckt eller saltvatten. 3 Karakteristiska tecken på beväxning inkluderar en ökning av transmembrantryck och en minskning i flöde. Detta minskar produktiviteten av membranet och förkortar dess livslängd på grund av kemiska eller andra rengöringsprotokoll. Därför membran prestanda är en bra indikator för att bedöma nedsmutsning och att förstå mekanismerna och konsekvenserna av nedsmutsning, påväxt och biofilm bildas på membran. Dessutom är det viktigt att i utformningen eller modifiering av nya membran resultatbedömning.
EFT ">Intresset för användningen av membran i mikroflödessystem enheter har ökat under det senaste decenniet. 4 Nyligen studerade vi effekten av mikrobiell komponenter lipopolysackarid, och glykosfingolipid på nedsmutsning ytan av en nanofiltreringsmembran, och den efterföljande känsligheten hos rade ytan mikrobiell fäste. 5 ett mikroflödestvärflödesmätaren användes för att bedöma resultatet av nanofiltreringsmembran. Detta tillät användningen av särskilda icke-kommersiella lipidkomponenter endast tillgängligt i små mängder för nedsmutsning membranytan eftersom membranet ytarean var liten. Systemets storlek tillåten effektiv användning av membranmaterial och låga volymer av lösningar. I detta protokoll, beskriver vi konstruktion och tillverkning av mikroflödessystem enheten för membranprestandatester, och beskriver hur införlivandet av anordningen i en tryckflödessystem. Demonstration av anordningen visas av testing prestanda ultrafiltreringsmembran och nanofiltreringsmembran med hjälp av en modell nedsmutsnings, BSA. 6,7
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta protokoll beskriver utformningen av ett tre-dimensionellt tryckta mikroflödestvärflödesanordning för provning av nanofiltrerings och ultrafiltreringsmembran. Nyligen har vi visat framgången för en variant av detta protokoll med nanofiltreringsmembran konditionering och nedsmutsning med glykosfingolipider och lipopolysackarider och membranprestandaskillnader med efterföljande bakteriekultur injektion. 5 Framtida applikationer som använder denna teknik skulle kunna användas för att utvärdera me…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna tackar Stratasys (Rehovot, Israel) för tredimensionell tryckning av anordningen. Vi är tacksamma för Microdyne-Nadir (Tyskland) för membranproven. Denna forskning stöds av The Israel Science Foundation (Grant 1474-1413) till 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).
