Membrána z dutých vláken - Hollow fiber membrane

Membrány z dutých vláken (HFM) jsou třídou umělé membrány obsahující a polopropustná bariéra ve formě dutého vlákna. Původně vyvinut v 60. letech pro reverzní osmóza aplikací se membrány z dutých vláken od té doby staly převládajícími při úpravě vody, odsolování, buněčné kultuře, medicíně a tkáňovém inženýrství.[1] Většina komerčních membrán z dutých vláken je balena do kazet, které lze použít pro různé kapalné a plynné separace.

Průřez SEM membránou z dutých vláken z polysulfonu vyrobenou separací fází, která není indukována rozpouštědly.
Vytlačování nascentního roztoku polymeru s membránou z dutých vláken přes prstenec a zvlákňovací tryska.
Příklad suchého tryskového mokrého zvlákňování systému výroby dutých vláken v provozu.
Příklad kazety s membránou z dutých vláken.

Výrobní

HFM se běžně vyrábějí pomocí umělé polymery. Konkrétní použité výrobní metody jsou silně závislé na typu použitého polymeru i jeho typu molekulární váha. Produkce HFM, běžně označovaná jako „spinning“, lze rozdělit do čtyř obecných typů:

  • Spřádání taveniny, při kterém je termoplastický polymer roztaven a vytlačován přes a zvlákňovací tryska do vzduchu a následně se ochladí.[2]
  • Suché zvlákňování, při kterém se polymer rozpustí ve vhodném rozpouštědle a vytlačuje se zvlákňovací tryskou do vzduchu.[3]
  • Suché tryskání za mokra, při kterém se polymer rozpustí ve vhodném rozpouštědle a extruduje do vzduchu a následného koagulantu (obvykle vody).[3]
  • Mokré zvlákňování, při kterém se polymer rozpouští a extruduje přímo do koagulantu (obvykle vody).[3]

Společné pro každou z těchto metod je použití a zvlákňovací tryska, zařízení obsahující jehlu, kterou je vytlačováno rozpouštědlo, a mezikruží, kterým je vytlačován roztok polymeru. Když je polymer vytlačován prstencem zvlákňovací trysky, zachovává si dutý válcový tvar. Když polymer opouští zvlákňovací trysku, tuhne do membrány procesem známým jako fázová inverze. Vlastnosti membrány - například průměrný průměr pórů a tloušťka membrány - lze jemně doladit změnou rozměrů zvlákňovací trysky, teploty a složení roztoků „dope“ (polymer) a „bore“ (rozpouštědlo), délky vzduchové mezery (pro suché tryskání za mokra), teplota a složení koagulantu, stejně jako rychlost, s jakou je produkované vlákno sbíráno motorovou cívkou. Vytlačování polymeru a rozpouštědla zvlákňovací tryskou lze dosáhnout buď pomocí vytlačování plynu nebo dávkovaným čerpadlem. Mezi polymery, které se nejčastěji používají pro výrobu HFM, patří acetát celulózy, polysulfon, polyethersulfon, a polyvinylidenfluorid.[4]

Charakterizace

Vlastnosti HFM lze charakterizovat pomocí stejných technik, jaké se běžně používají pro jiné typy membrán. Primární vlastnosti zajímavé pro HFM jsou průměrný průměr pórů a distribuce pórů, měřitelné technikou známou jako porozimetrie, rys několika laboratorních přístrojů používaných pro měření velikosti pórů.[5] Průměr pórů lze také měřit technikou známou jako evapoporometrie, ve kterém odpařování 2-propanol přes póry membrány souvisí s velikostí pórů prostřednictvím Kelvinova rovnice.[6][7] V závislosti na průměrech pórů v HFM lze pro získání kvalitativní perspektivy velikosti pórů použít skenovací elektronovou mikroskopii nebo transmisní elektronovou mikroskopii.

Aplikace

Membrány z dutých vláken se všudypřítomně používají v průmyslových separacích, zejména při filtraci pitné vody.[8]

Dutá vlákna jsou běžně používaným substrátem pro specializované systémy bioreaktorů, se schopností některých kazet z dutých vláken kultivovat miliardy buněk závislých na ukotvení v relativně nízkém (<100 ml) objemu bioreaktoru.[9]

Dutá vlákna lze použít k testování účinnosti léků ve výzkumu rakoviny jako alternativu k tradičnímu, ale nákladnějšímu xenoštěpovému modelu.[10]

Podélný řez polysulfonovou membránou z dutých vláken intraluminálně kultivovanou s 3T3 fibroblasty a obarvenou DAPI.

Viz také

Reference

  1. ^ Encyklopedie systémů podpory života (Eolss): v.1: Odsolování a vodní zdroje (Desware): Membránové procesy. Oxford: EOLSS Publishers Co Ltd. 2010. ISBN  978-1-84826-877-7.
  2. ^ Imsail, Ahmad; Khulbe, Kailash; Matsuura, Takeshi (28. dubna 2015). Membrány pro separaci plynů: polymerní a anorganické. Springer. ISBN  9783319010953.
  3. ^ A b C Wang, Lawrence; Chen, Jiaping; Hung, Yung-Tse; Shammas, Nazih (01.12.2010). Membránové a odsolovací technologie. Springer Science & Business Media. ISBN  9781597452786.
  4. ^ Feng, C.Y .; Khulbe, K.C .; Matsuura, T .; Ismail, A.F. (červen 2013). „Poslední pokroky v přípravě, charakterizaci a aplikacích membrán z dutých vláken z polymeru. Technologie separace a čištění. 111: 43–71. doi:10.1016 / j.seppur.2013.03.017.
  5. ^ A.B. Abell, K.L. Willis a D.A. Lange, „Rtuťová vniková porosimetrie a analýza obrazu materiálů na bázi cementu“, Journal of Colloid and Interface Science, 211, str. 39-44 (1999).
  6. ^ Krantz, William B .; Greenberg, Alan R .; Kujundzic, Elmira; Yeo, Adrian; Hosseini, Seyed S. (červenec 2013). „Evapoporometrie: Nová technika pro stanovení distribuce velikosti pórů membrán“. Journal of Membrane Science. 438: 153–166. doi:10.1016 / j.memsci.2013.03.045.
  7. ^ Merriman, Lauren; Moix, Alex; Beitle, Robert; Hestekin, Jamie (říjen 2014). „Dodávání plynu oxidu uhličitého do tenkovrstvých vodných systémů přes membrány z dutých vláken“. Chemical Engineering Journal. 253: 165–173. doi:10.1016 / j.cej.2014.04.075.
  8. ^ Nakatsuka, Shuji; Nakate, Ichiro; Miyano, Tadaaki (1. srpna 1996). "Úprava pitné vody pomocí ultrafiltračních membrán z dutých vláken". Odsolování. 106 (1): 55–61. doi:10.1016 / S0011-9164 (96) 00092-6. ISSN  0011-9164.
  9. ^ Sheu, Jonathan; Beltzer, Jim; Fury, Brian; Wilczek, Katarzyna; Tobin, Steve; Falconer, Danny; Nolta, Jan; Bauer, Gerhard (1. ledna 2015). „Velká produkce lentivirového vektoru v bioreaktoru s uzavřeným systémem dutých vláken“. Molekulární terapie - metody a klinický vývoj. 2: 15020–. doi:10.1038 / mtm.2015.20. ISSN  2329-0501. PMC  4470365. PMID  26151065.
  10. ^ Decker, S .; Hollingshead, M .; Bonomi, C.A.; Carter, J.P .; Sausville, E.A. (Duben 2004). "Model z dutých vláken při screeningu léků na rakovinu". European Journal of Cancer. 40 (6): 821–826. doi:10.1016 / j.ejca.2003.11.029. ISSN  0959-8049.