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

1. Design og Fabrication af Mikrofluid Test System

1. Design mikrofluidanordning som to separate dele: en overdel og underdel (figur 1) i et CAD-program.
2. Begynde at gøre den nederste del ved hjælp rektanglet til at tegne en 40 mm med 60 mm rektangel.
3. På et hjørne med cirkelværktøjet oprette en cirkel 6,2 mm i diameter centreret 10 mm fra kanterne. Med den lineære mønster værktøj replikere hullerne tværs rektanglet med 20 mm indbyrdes afstand, der i alt 6 huller.
4. Brug af fileten værktøjet kantsøm de rektangler med en radius på 1 mm.
5. Ekstrudere del 10 mm med extrude værktøjet.
6. I midten af ​​den øverste flade, med Rektangelværktøjet skabe et rektangel 30 mm x 1 mm og med extrude cut værktøj skære 0,2 mm for strømningskanalen.
7. Hjælp cirkelværktøjet lave en cirkel 1 mm diameter ved udgangen af ​​strømningskanalen. Derefter med den linje værktøjet konstruere en sti forbinder cirklen til nærmeste40 mm med 10 mm ansigt, herunder et 4 mm radius lavet med fileten værktøj. Lav et snit langs denne vej med det fejet cut værktøj.
8. Med cirkelværktøjet oprette en cirkel 3,9 mm diameter i midten af ​​strømningsvejen og skær 8 mm med extrude cut værktøj til at muliggøre fittings.
9. Gentag trin 1.7 og 1.8 i den anden side af strømningskanalen.
10. Med den øverste del gentage trin 1,2-1,5. Så i midten af ​​den øverste flade skaber et permeat-kanal ved hjælp af rektangel værktøj til at lave et rektangel 30 mm med 1 mm og skæres 0,5 mm ved hjælp af extrude cut værktøj.
11. Brug cirkelværktøjet at lave en 1 mm cirkel centreret i permeatet kanal 5 mm fra en ende. Med den linje værktøjet konstruere en sti forbinder cirklen til en af ​​de 1 cm ved 6 cm ansigter, herunder et 4 mm radius lavet med mørbrad værktøjet. Lav et snit langs stien med den fejet cut værktøj.
12. Med cirkelværktøjet skabe yderligere cirkel diameter 3,9 mm med centrum på permeat stien og skære 8 mm med exTrude skære værktøj.
13. På de dele top 40 mm kanter, med rektangelværktøjet, oprette rektangler 40 mm med 5 mm tilføje 4 mm radier med fileten værktøj. Brug extrude værktøj til ekstrudering 3 mm nedad til håndtag.
14. Udskriv dele med en multi-materiel fotopolymer 3-D printer ved hjælp af en hård transparent polymer, herunder 0,05 mm overmalingsegenskaberne med en blød gummiagtig polymer på forsiden af ​​hver del, der indeholder kanalen. Brug producentens standardprotokol, kalibrering og indstillinger.
15. Tryk tråde (M5) i foder, retentat og permeat åbninger. Brug blikkenslager tape til at forbinde 1/8 "fittings til foderet og retentatet og 1/16" fittings til permeat.
16. Slut mikrofluidenheder at pumpe, ventiler, tryktransducer og modtryk regulator med 1/8 "slange (figur 2).
17. Tilslut 0,45 um filtrene til indløb rør.
18. Udledning permeat at flyde-meter og bægre på mellemværender med 1/16 "slange.
19. Tilslut servoer og strømforsyningen til servo skjold.
20. Tilslut tryktransducer, switches og servo skjold til microcontroller.
21. Tilslut microcontroller, mellemværender, flow-meter og pumpe til en PC for data logging og kontrolsystem.
22. Konfigurer saldi til at udskrive data til deres serielle port.

2. Forbered Membraner, der skal testes

1. Skær membraner til 40 mm x 8 mm.
2. Soak membraner i ultrarent vand (3 x 10 min) med sonikering.
3. Derefter suge membranerne i 50/50 ultrarent vand / ethanol i 1 time.
4. Skyl membraner med ultrarent vand og opbevares i ultrarent vand ved 4 ° C. ⁸

3. Forbered Løsninger, der skal testes med nanofiltreringsmembraner

1. Der tilsættes 500 ml ultrarent vand til en Erlenmeyerkolbe. Tilsæt derefter 0,04 g BSA etd 0,29 g NaCl.
2. Der tilsættes 500 ml ultrarent vand til en separat Erlenmeyerkolbe. Tilsæt derefter 0,6 g _MgSO4.
3. Der tilsættes 500 ml ultrarent vand til en tredje Erlenmeyerkolbe. Tilsæt derefter 0,29 g NaCl.
4. Indsæt røre barer i hver kolbe og placere beholdere om røre plader. Bland i 5 minutter ved 500 rpm.

4. Udfør en Nanofiltrering Tilsmudsning Experiment

Bemærk: Udfør eksperimentet ved stuetemperatur (ca. 24 ° C). Først konfigurere systemet til måling af en enkelt membran ved at lukke ventiler til at flyde celler ikke er tilsluttet strøm-meter.

1. Indsæt en pumpe indløbsrør i ultrarent vand reservoir og det andet indløbsrør i _{MgSO4-opløsning} (figur 2).
2. Brug en sprøjte til at udtrække vand og _{MgSO4-opløsning} gennem slangen for at fjerne alle luftbobler i systemet.
3. Indsæt en nanofiltreringsmembran på den nederste del af flowcellen, medaktive side mod tilførselskanalen, og sted på den øverste del af flowcellen.
4. Fastgør nødder i hånden og stram jævnt med en skruenøgle for at minimere lækage.
5. Vælg ultrarent vand med reservoiret omskifteren.
6. Indstil pumpe flow til 2 ml / min og starte pumpen.
7. Juster trykregulatoren til 4 bar.
8. Indstil eksperimentelle parametre at skifte reservoirer hver 45 min, startende med vandtanken.
9. Sæt reservoir skifte til auto, og begynde at eksperimentere.
10. Ved 60 min indsamler _MgSO4 permeat i et rør til levering næste 30 min.
11. Ved 91 min _MgSO4 kolbe erstatte med kolbe indeholdende opløsning af BSA og NaCl.
12. Hurtigt stoppe pumpen og bruge en sprøjte til at udtrække BSA opløsning gennem indløbsrøret at fjerne _MgSO4 efterladenskaber i slangen. Start derefter pumpen igen.
13. Ved 150 min indsamle BSA permeat i et rør til levering næste 30 min.
14. Efter 225 minutter, lukke systemet ned, og fjern nano filtreringsmembran fra flowcellen.
15. Ved hjælp af en sprøjte, skylle ud testopløsning indløbsrør med ultrarent vand.
16. Gentag trin 4,1-4,15 for hver testet yderligere membran.
17. For NaCl kun tests Gentag trin 4,1-4,10, og 4,14-4,16 erstatte _MgSO4 løsning med NaCl-opløsning og slutter eksperimentet efter 90 minutter i stedet for 225 min.

5. Beregn Salt Afvisning af nanofiltreringsmembraner

1. Skyl elektroderne på potentiostat testcellen med ultrarent vand.
2. Med en pipette, depositum 5 pi af _MgSO4 løsning på de prøverumstemperaturer elektroder.
3. Optag modstand af opløsningen.
4. Gentag trin 5,1-5,3 fire gange mere, og beregne den gennemsnitlige værdi.
5. Gentag trin 5,1-5,4 for NaCl og BSA / NaCI-opløsning samt for hver permeat opsamlede opløsning.
6. Beregn saltafvisning med ligning 1:
   6eq1.jpg "/>
   hvor Ω _s er modstanden i analyseopløsningen og Ω _{p er} modstanden af permeat. Modstanden er omvendt proportional med ledningsevne i en opløsning, der direkte korrelerer til saltkoncentration.

6. Forbered Løsning skal testes med ultrafiltreringsmembraner

1. Tilsæt 1 liter ultrarent vand til en 4 L bægerglas. Tilsæt derefter 0,32 g BSA.
2. Sæt omrører i bæger og sted på en røre plade. Bland i 5 minutter ved 500 rpm.
3. Tilsæt yderligere 3 I ultrarent vand til bægerglas og blandes igen i 5 minutter ved 500 rpm.

7. Udfør en Ultrafiltrering Tilsmudsning Experiment

Bemærk: Udfør et eksperiment ved RT (ca. 24 ° C). Først konfigurere systemet til at måle 4 membraner parallelt ved at åbne alle ventiler til at flyde celler.

1. Placer en pumpe indløbsrør i ultrarent vand reservoir og andre indløbsrør i the BSA-opløsning (figur 2).
2. Brug en sprøjte til at udtrække vandet og BSA-opløsningen gennem røret for at fjerne alle luftbobler i systemet.
3. Indsæt ultrafiltreringsmembraner på den nederste del af flowcellerne, med de aktive sider hen tilførselskanaler, og lukke cellerne med de øverste halvdele af mikrofluidapparatet.
4. Fastgør nødder i hånden, stram derefter jævnt med en skruenøgle. Forkert stramning kan medføre vandlækage.
5. Vælg ultrarent vand med reservoir switch.
6. Indstil pumpe strømningshastighed til 8 ml / min og starte pumpen.
7. Juster trykregulatoren til 0,4 bar.
8. Overvåg flux værdier af membraner med dataopsamlingssoftware ifølge producentens protokol.
9. Juster trykregulatoren indtil gennemsnitlige flux er 200 LMH ± 10%.
10. Udskift individuel membran, hvis flux er ikke 200 LMH ± 20%.
11. Indtast eksperimentelle run parametre. Vælg først ultrarent vand reservoir i 60 minutter med en konstant flux på 200 ± 20 LMH. Vælg derefter BSA reservoir for 420 min med manuel styring af trykregulatoren. Endelig vælge ultrarent vand reservoir i 15 minutter med manuel styring af trykregulatoren til flush systemet ved afslutningen af ​​eksperimentet.
12. Sæt reservoir skifte til auto, og begynde at eksperimentere.
13. Efter afslutning af kørslen lukke systemet ned, og fjern membraner fra flow-celler.
14. Med en sprøjte, flush pumpens indløb rør med ultrarent vand.

Representative Results

De mikrofluide flowceller blev konstrueret under anvendelse af et CAD-program og udskrives ved anvendelse af en multi-materiale fotopolymer tredimensionale (3-D) printer. Denne celle er designet i to dele, således at membraner kan let indsættes og fjernes fra indretningen (figur 1). Hver del var 1 cm tyk, udskrives fra en hård, klar polymer til strukturel integritet, og de sider, der vender membranen blev overtrukket med et meget tyndt 50 um lag gummi-lignende polymer. Overcoatingen blev udført for at forsyne cellen med en tætningsevne, som forhindrer vandlækage. En strømningskanal er designet ved 0,2 mm dyb, 1 mm bred og 30 mm lang til at teste en 30 ^mm2 areal af membranen. Efter skæring membranerne til 40 mm med 8 mm og vask protokol blev en test membran indsat i enheden. Seks rustfri bolte og møtrikker stål (M6) blev anvendt til at stramme enhed, og det blev forbundet til systemet (figur 2). På denne måde er cellen permanently tilsluttet systemet, mens membraner kan let udskiftes. Én celle blev opereret for nanofiltreringsmembran eksperimenter, og fire celler blev drevet parallelt i ultrafiltreringsmembran eksperimenter.

For nanofiltreringsmembraner, blev et flowmeter tilsluttet måle gennemstrømningen. For at udføre et eksperiment, rent vand med en hastighed på 2 ml / min. blev indledt, og trykket blev justeret til 4 bar. Dette resulterede i et permeat flux på ~ 40 LMH (figur 3), og svarede til ~ 10 LMH / bar. Efter ækvilibrering og observation af en konstant flux (ca. 45 min) blev opløsningen ændret til _MgSO4 (10 mM) for at teste for afvisning og verificere integriteten af membranen, og permeat blev opsamlet. Resistiviteten af ​​denne opløsning blev målt som er omvendt proportional med ledningsevne. Ved de saltkoncentrationer testede, ledningsevne er lineært proportional med koncentrationen og% salt rudstødning kan beregnes. De testede i det foreliggende forsøg membraner gav 83% ± 4%, og 64% ± 3% afvisninger af _MgSO4 og NaCl, hhv. Systemet foder blev derefter returneret til rent vand, indtil et stabilt flux blev opnået, og derefter ændret til en vandig opløsning af BSA (0,08 g / l) i NaCl (10 mM). Faldet i flux sammenlignet med fluxen af ​​en kontrol membran under betingelserne for 10 mM NaCl angivet membran begroning på grund af BSA.

For ultrafiltreringsmembraner blev fire mikrovæskeanordninger forbundet parallelt, med permeat flux målt ved anvendelse balancer. Disse saldi blev sluttet til computeren og lettet kontinuerlig dataindsamling. Ved hjælp af en rent vand tilførselshastighed på 8 ml / min for systemet, som er 2 ml / min per flowcelle, trykket blev justeret for at opnå en gennemsnitlig flux på 200 LMH (figur 4). Fluxen af ​​hver membran blev vurderet, og membranen blev udskiftet hvis fluxen forskel var & #62; 20% fra den indledende valgte flux gennemsnit på 200 LMH. Opløsningen blev ændret til BSA (0,08 g / l) og den flux fald blev overvåget. Fødeopløsningen blev derefter ændret tilbage til rent vand. For repræsentative resultater, vi sammenlignede 30 og 50 kDa hydrofil polyethersulfon ultrafiltreringsmembraner, og observeret, at selv om 50 kDa-membran havde en højere normaliseret flux ved afslutning af forsøget (26,5% af oprindelig flux) sammenlignet med 23% for 30 kDa-membran, forskellen var ikke signifikant.

Figur 1. Design og image mikrofluid anordning, der anvendes. Designet blev fremstillet under anvendelse af en CAD-program og udskrives ved anvendelse af en tredimensionel fotopolymer printer. (A) Nederste del indeholdende fødekanalen (ovenfra). (B) Top del, der indeholder permeatet chan nel (top view). (C) Montering af enhed (set fra siden) den. (D) Billede af den funktionelle enhed, herunder en membran kupon, de dele bundet sammen med bolte og møtrikker. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2. Skematisk afbildning af systemet. Prøvning nanofiltreringsmembranen blev udført under anvendelse strømningscelle 1. Membrantestsystem Ultrafiltreringen blev udført under anvendelse alle 4 flow-celler i parallel. Computer datalogning ikke vist. Klik her for at se en større version af dette tal.

lways ">

Figur 3. Ydelse og tilsmudsning af en nanofiltreringsmembran under cross-flow betingelser Eksperimentelle betingelser for fuld løb (sort firkant): i.) Ultrarent vand, 2 ml / min, 4 bar. ii) 10 mM _MgSO4, 2 ml / min, 4 bar. iii) ultrarent vand, 2 ml / min, 4 bar. iv) BSA (0,08 g / l) i 10 mM NaCl, 2 ml / min, 4 bar. v) ultrarent vand, 2 ml / min, 4 bar. Kontrol membran 10 mM NaCl, 2 ml / min, 4 bar (blå cirkel). Fejl barer betegne standardafvigelsen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4. begroning af ultrafiltreringsmembraner 30 kDa ( rød firkant) og 50 kDa (blå diamant) under cross-flow. i) trykket blev justeret således, at gennemsnitlig initial rent vand permeat flux var 200 LMH. ii) BSA (0,08 g / l) 2 ml / min. Fejl barer betegne standardafvigelsen. Klik her for at se en større version af dette tal.

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 ændringer med forskellige tilstoppende stoffer . Sammenlignet med større flow celler denne mikrofluidapparat kræver meget mindre testopløsning og kan reducere omkostningerne for tilstoppende stoffer og forbindelser, især dem, der kun findes i begrænsede mængder betydeligt. Den lille format gør det også praktisk for laboratorieskala afprøvning og kan være modtagelige for high throughput test.

Design af mikrofluid cross-flow-enhed blev opnået through iterativ prototyping, som er den største fordel ved tredimensional trykning. Generel device design features var baseret på en tidligere offentliggjort mikrofluid cross-flow apparat anvendt til nanofiltrering membrananvendelser. ^9,10 De væsentligste design forskelle var, at foderet og permeat kanaler ikke blev udlignet, men direkte overlejring hinanden, og tykkelsen af den dele, og vandet tætningsmetoden. Forebyggelse af vandlækager var det store problem, som blev overvundet i designprocessen gennem udskrivning enheden med en multi-materiale fotopolymer 3-D printer. Dette tillod en tynd blød polymer til at være på overfladerne af den enhed, der var i kontakt med membranen. Efter placering af membranen i enheden, og jævnt strammes med 6 møtrikker (M6), blev vandlækager forhindret. Andre potentielle områder for vandlækager er foderet indløb og retentatudløbet slanger forbindelsespunkter, og kan forebygges ved hjælp blikkenslager tape ogpas på ikke at stramme forbindelsen af ​​slangen, hvilket ville beskadige gevindet. Enheden er blevet trykprøvet op til 5 bar uden utætheder.

Det er vigtigt, ultrarent vand anvendes til fremstilling af alle opløsninger. Vand fra andre kilder kan indeholde ukendte fouling stoffer der ville forårsage fald i membran ydeevne. Desuden er et filter (0,45 mm) fastgjort til foderet slangen for at sikre fravær af partikler i systemet. Et permeat flowmeter blev anvendt for mere nøjagtigt at måle lave flux værdier i repræsentativt eksperiment under anvendelse af en nanofiltreringsmembran. Et fast tryk på 4 bar blev valgt på grundlag af en tidligere glycosphingolipider undersøgelse. ⁵ Gentag målinger ved hjælp af forskellige membran kuponer blev midlet. I et repræsentativt eksperiment under anvendelse ultrafiltreringsmembraner blev den oprindelige rent vand flux af membranen måles ved anvendelse af et tryk på 0,4 bar. Permeat flux fra membranen tilmembran kan variere meget derfor hver membranens flux blev kontrolleret for at sikre, at fluxen forskelle var ikke større end ± 20%. Membraner, der falder uden for de ønskede indledende flux-værdier blev erstattet med nye membran kuponer. Ved fouling undersøgelser konstant flux kan foretrækkes over et konstant pres på grund testet med forskellige indledende flusmidler membraner kan forurene ved forskellige hastigheder. Trykket blev derefter indstillet til den ønskede gennemsnitlige initiale permeat flux på 200 LMH ± 10%, dog kan disse første startbetingelser vælges efter påkrævede forsøgsbetingelser. Efterfølgende ændringer i foder løsning sammensætning, og overvågning af flux ændringer vil give værdifuld indsigt i ydeevne af membranen.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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