Трехмерно Система Перекрестноточный Печатные Микрожидкостных для ультрафильтрации / нанофильтрации Тестирование производительности

Общая цель этой процедуры заключается в демонстрации конструкции и работы напечатанной на 3D-принтере микрофлюидной ячейки с перекрестным потоком с целью тестирования производительности и склонности полимерных мембран к загрязнению. Этот метод может помочь исследователям в области мембран изучить характеристики мембран и склонность к загрязнению с помощью микрофлюидики при повышенном давлении и четко определенных условиях потока с минимальными затратами. Преимущества этой маломасштабной установки включают в себя возможность разделения небольших количеств материалов большого объема, проведение исследований мембран, требующих дорогостоящих реагентных материалов, и параллельное тестирование нескольких новых рецептур мембран или модификаций.

Начните с проектирования микрофлюидного устройства из двух отдельных частей с помощью компьютерной программы черчения. Чтобы создать нижний слой, с помощью инструмента «Прямоугольник» нарисуйте прямоугольник размером 40 на 60 миллиметров. В одном из углов прямоугольника с помощью инструмента «Круг» создайте круг диаметром 6,2 миллиметра.

Центрируйте этот круг в 10 миллиметрах от левого края и в 10 миллиметрах от нижнего края. Затем используйте инструмент «Линейный узор», чтобы воспроизвести отверстия в прямоугольнике с шагом 20 миллиметров, чтобы получить в общей сложности шесть отверстий. Далее с помощью инструмента «Скругление» скруглейте прямоугольники радиусом в один миллиметр.

Затем выдавите деталь на 10 миллиметров с помощью инструмента для выдавливания. В центре верхней грани с помощью инструмента «Прямоугольник» создайте прямоугольник размером 30 на один миллиметр. Затем с помощью инструмента для резки выдавливанием вырезайте в поверхности канал глубиной 0,2 миллиметра.

Затем с помощью инструмента «Круг» создайте круг диаметром в один миллиметр в конце проточного канала. Затем с помощью инструмента «Линия» постройте контур, соединяющий круг с ближайшей гранью размером 40 на 10 миллиметров, включая радиус в четыре миллиметра, созданный с помощью инструмента «Скругление». С помощью инструмента «Стреловидный срез» сделайте надрез по этой траектории.

Затем перейдите к виду правой плоскости и с помощью инструмента «Круг» создайте круг диаметром 3,9 мм в центре пути потока. Затем с помощью инструмента для резки методом выдавливания отрежьте восемь миллиметров, чтобы освободить место для фурнитуры. Повторите тот же процесс с другой стороны прямоугольного канала, чтобы создать зеркальное изображение.

Чтобы спроектировать верхний слой микрофлюидной испытательной системы, сначала изготовьте прямоугольник с шестью отверстиями для винтов, которые имеют те же размеры, что и нижний слой. Далее, в центре верхней грани, создайте канал пермеата размером 30 на один миллиметр на 0,5 миллиметра с помощью инструмента «Прямоугольник», чтобы сначала создать прямоугольник 30 на один миллиметр. А затем с помощью инструмента для вырезания методом выдавливания вырезать прямоугольник на 0,5 миллиметра в верхнюю поверхность.

Теперь с помощью инструмента «Круг» создайте круг диаметром в один миллиметр с центром в канале пермеата, в пяти миллиметрах от одного конца канала. Затем, как и раньше, используйте инструменты «Линия» и «Скругление» для создания контура, который включает в себя полосу радиусом четыре миллиметра, чтобы соединить круг с одной из граней прямоугольника размером один на шесть сантиметров. Используйте инструмент «Разрез по траектории», чтобы вырезать вдоль контура и создать канал.

Затем с помощью инструмента «Круг» создайте дополнительный круг диаметром 3,9 миллиметра с центром на пути пермеата. И с помощью инструмента для резки выдавливанием вырежьте круг на восемь миллиметров в поверхность. На верхних 40 миллиметровых краях детали с помощью инструмента «Прямоугольник» создайте прямоугольники размером 40 на пять миллиметров, добавив радиус в четыре миллиметра с помощью инструмента «Скругление».

Используйте инструмент для выдавливания, чтобы выдавить на три миллиметра вниз для ручек. Наконец, напечатайте верхнюю и нижнюю части с помощью фотополимерного 3D-принтера из нескольких материалов с твердым прозрачным полимером. В соответствии с протоколом производителя на лицевой стороне каждой детали, содержащей канал, должно быть нанесено покрытие толщиной 0,05 миллиметра с мягким резиновым полимером.

Для начала настройте микрогидродинамику, включая насос, клапаны, датчик давления, сервоприводы, расходомер, регуляторы и микроконтроллер, как описано в сопроводительном текстовом протоколе. Затем настройте систему для параллельного измерения четырех мембран, открыв все клапаны для проточных ячеек. Поместите одну входную трубку насоса в резервуар для сверхчистой воды, а другую впускную трубку поместите в резервуар, содержащий 0,08 грамма на литр раствора BSA.

С помощью шприца загрунтуйте трубку, чтобы удалить все пузырьки воздуха в системе. Затем поместите ультрафильтрационные мембраны на нижнюю часть проточных ячеек так, чтобы активная сторона мембраны была направлена к подающим каналам. Затем закройте ячейки, и проденьте винты через отверстия в устройстве.

Крепите гайки вручную изначально. Затем с помощью гаечного ключа затянуть их, чередуя вокруг устройства так, чтобы было равномерное давление на камеру. Не затягивайте чрезмерно ни одну сторону, так как неправильное затягивание может привести к утечке воды.

Далее выберите ультрачистую воду с помощью переключателя резервуара. Установите расход насоса на восемь миллилитров в минуту, а затем запустите насос. При работающем насосе отрегулируйте регулятор давления на 0,4 бар.

Контролируйте значения изгиба мембран с помощью программного обеспечения для сбора данных и регулируйте регулятор давления до тех пор, пока не будет достигнут средний расход от 180 до 220 литров на квадратный метр в час. Замените отдельную мембрану перед запуском эксперимента, если она не способна уложиться в 20 литров на квадратный метр в час из этого диапазона. Когда все будет готово, настройте экспериментальный прогон, сначала выбрав сверхчистую воду в резервуаре на 60 минут с постоянным потоком от 180 до 220 литров на квадратный метр в час.

Затем выберите BSA во втором резервуаре, на дополнительные 420 минут с ручным управлением регулятором давления. Выберите сверхчистую воду в резервуаре номер один на последние 15 минут эксперимента, чтобы промыть систему. На этом этапе используйте ручное управление регулятором давления.

Затем установите переключатель резервуара в положение «Авто» и начните эксперимент. После завершения экспериментального запуска выключите систему и удалите мембраны из проточных ячеек. Затем промойте входную трубку BSA, набрав через нее с помощью шприца ультрачистую воду.

Для измерения производительности нанофильтрационных мембран к линии был подключен расходомер для измерения потока пермеата при прохождении через систему различных растворов. Сначала систему уравновешивали водой в течение 45 минут, а затем 45 минут 10 миллимолярным сульфатом магния. Затем систему возвращали в чистую воду еще на 45 минут до тех пор, пока не был достигнут стабильный флюс, прежде чем 0,8 грамма на литр BSA подавались в систему в течение 45 минут.

Наконец, система была возвращена в чистую воду на последние 45 минут. Снижение потока, по сравнению с потоком контрольной мембраны в условиях 10 миллимолярного NaCl, свидетельствовало о загрязнении мембраны вследствие BSA. На приведенном здесь графике показано загрязнение ультрафильтрационных мембран.

Поток через мембраны с температурой 50 килодальтонов показан синим цветом. А поток через мембраны в 30 килодальтонов показан красным цветом. Несмотря на то, что мембрана в 50 килодальтон имела более высокий нормализованный поток в конце эксперимента, разница была незначительной.

Мы обнаружили, что базовая технология струйной фотополимеризации с использованием нескольких материалов имеет важное значение для создания прочной проточной ячейки, которая включает в себя напечатанный резиновый прокладочный слой, который имеет решающее значение для герметизации проточной ячейки и предотвращения утечек. После просмотра этого видео вы должны иметь хорошее представление о том, как спроектировать и эксплуатировать собственную микрофлюидную ячейку с перекрестным потоком, напечатанную на 3D-принтере, для ультрафильтрации или нанофильтрационных мембран