Мембрана из полых волокон - Hollow fiber membrane

Мембраны из полого волокна (HFM) являются классом искусственные мембраны содержащий полупроницаемый барьер в виде полого волокна. Первоначально разработан в 1960-х годах для обратный осмос С тех пор мембраны из полых волокон получили широкое распространение в водоподготовке, опреснении, культивировании клеток, медицине и тканевой инженерии.[1] Большинство коммерческих половолоконных мембран упаковываются в картриджи, которые можно использовать для разделения различных жидкостей и газов.

Поперечное сечение полисульфоновой мембраны из полых волокон, полученное методом сканирующего электронного микроскопа, путем разделения фаз, не вызванного растворителем.
Экструзия полимерного раствора зарождающейся половолоконной мембраны через кольцевое пространство фильера.
Пример работы системы производства полых волокон методом сухого струйного прядения.
Пример картриджа с половолоконной мембраной.

Производство

HFM обычно производятся с использованием искусственные полимеры. Конкретные используемые методы производства в значительной степени зависят от типа используемого полимера, а также от его молекулярный вес. Производство HFM, обычно называемое «прядением», можно разделить на четыре основных типа:

  • Прядение из расплава, при котором термопластичный полимер плавится и экструдируется через фильера в воздух и затем охлаждали.[2]
  • Сухое прядение, при котором полимер растворяют в подходящем растворителе и экструдируют через фильеру в воздух.[3]
  • Влажное прядение с сухой струей, при котором полимер растворяют в подходящем растворителе и экструдируют в воздух и последующий коагулянт (обычно воду).[3]
  • Мокрое прядение, при котором полимер растворяется и экструдируется непосредственно в коагулянт (обычно воду).[3]

Общим для каждого из этих методов является использование фильера устройство, содержащее иглу, через которую экструдируется растворитель, и кольцевое пространство, через которое экструдируется раствор полимера. Когда полимер экструдируется через кольцевое пространство фильеры, он сохраняет полую цилиндрическую форму. Когда полимер выходит из фильеры, он затвердевает в мембрану посредством процесса, известного как фазовая инверсия. Свойства мембраны, такие как средний диаметр пор и толщина мембраны, могут быть точно настроены путем изменения размеров фильеры, температуры и состава растворов «прядильного раствора» (полимер) и «канала» (растворитель), длины воздушного зазора. (для мокрого прядения с сухой струей), температура и состав коагулянта, а также скорость, с которой произведенное волокно собирается с помощью моторизованной катушки. Экструзию полимера и растворителя через фильеру можно осуществить либо с помощью газовой экструзии, либо с помощью дозирующего насоса. Некоторые из полимеров, наиболее часто используемых для изготовления HFM, включают: ацетат целлюлозы, полисульфон, полиэфирсульфон, и поливинилиденфторид.[4]

Характеристика

Свойства HFM можно охарактеризовать с помощью тех же методов, которые обычно используются для других типов мембран. Основными интересными характеристиками HFM являются средний диаметр пор и распределение пор, которые можно измерить с помощью метода, известного как порозиметрия, особенность нескольких лабораторных инструментов, используемых для измерения размера пор.[5] Диаметр пор также можно измерить с помощью метода, известного как эвапорометрия, в котором испарение 2-пропанол через поры мембраны связано с размером пор через Уравнение Кельвина.[6][7] В зависимости от диаметра пор в HFM, сканирующая электронная микроскопия или просвечивающая электронная микроскопия могут использоваться для получения качественной оценки размера пор.

Приложения

Мембраны из полых волокон повсеместно используются в промышленных разделениях, особенно при фильтрации питьевой воды.[8]

Полые волокна обычно используются в качестве подложек для специализированные биореакторные системы, благодаря способности некоторых картриджей с полым волокном культивировать миллиарды зависимых от закрепления клеток в относительно небольшом (<100 мл) объеме биореактора.[9]

Полые волокна можно использовать для тестирования лекарственной эффективности при исследовании рака в качестве альтернативы традиционной, но более дорогой модели ксенотрансплантата.[10]

Продольный разрез полисульфоновой мембраны из полых волокон, культивируемой внутри алюминия с фибробластами 3T3 и окрашенной DAPI.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Энциклопедия систем жизнеобеспечения (Eolss): v.1: Опреснение и водные ресурсы (Desware): мембранные процессы. Оксфорд: EOLSS Publishers Co Ltd. 2010. ISBN  978-1-84826-877-7.
  2. ^ Имсаил, Ахмад; Хулбе, Кайлас; Мацуура, Такеши (28 апреля 2015 г.). Газоразделительные мембраны: полимерные и неорганические. Springer. ISBN  9783319010953.
  3. ^ а б c Ван, Лоуренс; Чен, Цзяпин; Хунг, Юнг-Цзы; Шаммас, Назих (01.12.2010). Мембранные и опреснительные технологии. Springer Science & Business Media. ISBN  9781597452786.
  4. ^ Feng, C.Y .; Khulbe, K.C .; Мацуура, Т .; Исмаил, А.Ф. (июнь 2013 г.). «Последние достижения в получении, характеристике и применении полимерных половолоконных мембран». Технология разделения и очистки. 111: 43–71. Дои:10.1016 / j.seppur.2013.03.017.
  5. ^ А.Б. Абелл, К. Уиллис и Д.А. Ланге, «Порозиметрия проникновения ртути и анализ изображений материалов на цементной основе», Журнал коллоидной и интерфейсной науки, 211, стр. 39-44 (1999).
  6. ^ Кранц, Уильям Б .; Гринберг, Алан Р .; Куюнджич, Эльмира; Йео, Адриан; Хоссейни, Сейед С. (июль 2013 г.). «Эвапопорометрия: новый метод определения распределения пор мембран по размеру». Журнал мембрановедения. 438: 153–166. Дои:10.1016 / j.memsci.2013.03.045.
  7. ^ Мерриман, Лорен; Мойкс, Алекс; Бейтл, Роберт; Хестекин, Джейми (октябрь 2014 г.). «Доставка углекислого газа в тонкопленочные водные системы через мембраны из полых волокон». Журнал химической инженерии. 253: 165–173. Дои:10.1016 / j.cej.2014.04.075.
  8. ^ Накацука, Сюдзи; Накате, Ичиро; Мияно, Тадааки (1 августа 1996 г.). «Очистка питьевой воды с помощью ультрафильтрационных половолоконных мембран». Опреснение. 106 (1): 55–61. Дои:10.1016 / S0011-9164 (96) 00092-6. ISSN  0011-9164.
  9. ^ Шеу, Джонатан; Белцер, Джим; Фьюри, Брайан; Вильчек, Катаржина; Тобин, Стив; Сокольничий, Дэнни; Нолта, Ян; Бауэр, Герхард (1 января 2015 г.). «Крупномасштабное производство лентивирусного вектора в закрытом системном половолоконном биореакторе». Молекулярная терапия - методы и клинические разработки. 2: 15020–. Дои:10.1038 / mtm.2015.20. ISSN  2329-0501. ЧВК  4470365. PMID  26151065.
  10. ^ Decker, S .; Hollingshead, M .; Bonomi, C.A .; Carter, J.P .; Sausville, E.A. (Апрель 2004 г.). «Модель полого волокна в скрининге лекарств от рака». Европейский журнал рака. 40 (6): 821–826. Дои:10.1016 / j.ejca.2003.11.029. ISSN  0959-8049.