Het werk dat in dit proefschrift beschreven wordt, gaat over membranen en membraantechnologie. Een membraan is een barrière die selectief stoffen door kan laten. Dat kan op basis van grootte zijn, zoals bij een zeef, maar ook op basis van interacties met het membraanmateriaal. Membranen kun je als vlakke films, holle vezels of buizen kopen en worden gemaakt van metaal, keramiek en/of plastic. Omdat je er zowel vaste, vloeibare als gasvormige stoffen mee kunt scheiden, zijn membranen bijzonder breed inzetbaar. Op dit moment worden membranen op grote schaal toegepast voor bijvoorbeeld het bereiden van drinkwater en voor scheidingen in de petrochemische industrie. Het gaat dan om modules van enkele meters lang. Toepassingen op kleinere schaal, met modules van een aantal decimeter in lengte, zijn nierdialyse en kunstmatige longen. Wanneer we naar nog kleinere dimensies gaan, komen we terecht in de wereld van de microfluïdische systemen, wat het onderwerp is van dit proefschrift.
Het woord ‘microfluïdisch’ betekent stroming op kleine schaal. Hoewel er geen strakke definitie is, wordt met ‘klein’ meestal kleiner dan grofweg een halve millimeter bedoeld. Een bloedvat en de kop van een inkjet printer zijn voorbeelden van microfluïdische systemen. Het vakgebied microfluïdica houdt zich bezig met het ontwikkelen van methoden en apparatuur waarmee stroming op die kleine schaal gecontroleerd, gemanipuleerd en geanalyseerd kan worden. Dit is interessant om verschillende redenen. Allereerst kunnen op deze schaal vele testen gedaan worden met kleine hoeveelheden vloeistof, dankzij de kleine interne volumes. Door microfluïdische systemen te stapelen kan dit ook nog tegelijkertijd, het zogenaamde high throughput screening. Dat betekent dat je in korte tijd heel veel informatie kan verkrijgen. Deze aanpak biedt grote kansen op het gebied van DNA testen, het analyseren van bloed, en de ontwikkeling van nieuwe medicijnen. Andere voordelen liggen in de richting van de reactorkunde. In een microfluïdisch systeem is stroming voorspelbaar en veel beter te controleren dan op grote schaal. Daarnaast kan warmte veel effectiever aan‐ of afgevoerd worden. Hierdoor kunnen chemische reacties efficiënter en veiliger uitgevoerd worden, met betere producten en minder afval als resultaat. Men verwacht dat microfluïdische systemen voor een revolutie zullen zorgen in de chemie en biologie, met een vergelijkbare impact als die van micro‐electronica op ICT in de vorige eeuw. Maar voor het zover is, moet nog het nodige onderzoekswerk gedaan worden.
Waarom zou je eigenlijk membraantechnologie met microfluïdische systemen willen combineren? Dat heeft te maken met de trend binnen de microfluïdica om standaard laboratorium handelingen te verkleinen en te integreren in een enkele module: het zogenaamde lab‐op‐een‐chip concept. Veel van dit soort handelingen, zoals filtratie, mixen van stoffen, reactie, en/of scheiding, kunnen met behulp van membranen uitgevoerd worden. Daarnaast is er binnen het vakgebied
membraantechnologie veel kennis en ervaring aanwezig op gebieden die voor de microfluïdica van nut kunnen zijn, waaronder: stoftransport, interacties tussen verschillende materialen, materiaalverwerking, afdichting en module‐ontwerp. Het voornaamste doel van dit proefschrift is daarom om een brug te slaan tussen de vakgebieden membraantechnologie en microfluïdica, en hierbij nieuwe mogelijkheden te demonstreren. De inhoud is daardoor van een conceptuele en exploratieve aard. Wat heeft dit werk dan uiteindelijk toegevoegd?
• Gecategoriseerd literatuuroverzicht van hoe membraanfunctionaliteit in een chip geïntegreerd kan worden en welke mogelijkheden dit biedt. (Hoofdstuk 2).
• Beschrijving van een fabricagemethode om poreuze microfluïdische chips te maken. Een voorbeeld staat op de voorkant van dit proefschrift. In poreuze chips hebben de wanden van de kanaaltjes membraaneigenschappen en deze kunnen voor verschillende doeleinden ingezet worden. Ter illustratie is gastransport door de wand van microkanalen gedemonstreerd (Hoofdstuk 3).
• Fabricage van micro gas‐vloeistof contactoren, waarbij het grensvlak door een membraan gestabiliseerd wordt. Aangetoond is dat gassen gebruikt kunnen worden om lokaal de samenstelling van een vloeistof te beïnvloeden. Dit concept is gebruikt voor de controle van de zuurgraad in micro fermentatie experimenten, waarbij gistcellen suiker omzetten (Hoofdstuk 4) en voor het creëren van lokale concentratiegradiënten (Hoofdstuk 5).
• Ontwikkeling van een nieuwe methode om poreuze coatings aan te brengen in microkanalen door middel van fasescheiding van polymeeroplossingen. Aangetoond is dat functionele microdeeltjes in deze coatings geïntegreerd kunnen worden. Door katalysatordeeltjes te gebruiken kan een soort microreactor gemaakt worden. In samenwerking met de vakgroep katalyse is aangetoond dat in deze microreactoren glucose kan worden omgezet naar gluconzuur, een grondstof voor de chemische industrie (Hoofdstuk 6).
• Ontwikkeling van een concept om membranen snel en bij kamertemperatuur een microstructuur te kunnen geven, gebaseerd op embossen. Daarbij is aangetoond dat lokale verdichting tot transparantie kan leiden, wat visualisatie mogelijk maakt (Hoofdstuk 7). • Demonstraties van nieuwe mogelijkheden om op basis van commerciële membranen microfluïdische systemen te maken (Hoofdstuk 7): ‐ gebruik van holle vezel membranen; ‐ fabrikage van monolieten en gepakte bedden in holle vezel membranen ‐ integratie van poreuze membranen in dichte films om de neiging om te zwellen in oplosmiddelen te verminderen en de mechanische sterkte te verbeteren.
Behalve een uitleg over het waarom van bovengenoemde punten en de beschrijving van hoe alles gerealiseerd is, is in dit proefschrift ook veel achtergrondinformatie opgenomen. Daarnaast worden diverse suggesties voor mogelijke toepassingen gegeven. Het proefschrift eindigt met een kritische evaluatie van de gepresenteerde concepten en een blik op de toekomst.
DANKWOORD
Het zit er op! De periode van een promotie leek van te voren oneindig lang, maar is toch snel voorbij gevlogen. Ik kijk met veel plezier terug op de afgelopen jaren: een bijzonder creatieve tijd met veel vrijheid, congressen in binnen‐ en buitenland, veel uitdaging en omringd door aardige en slimme mensen. Dit is de juiste plek om een aantal mensen te bedanken.
Allereerst wil ik mijn promotor Matthias Wessling van harte bedanken voor het aanbieden van de promotieplek. Matthias, ik ben blij dat je me overtuigd hebt om aan dit avontuur te beginnen. Mede door onze persoonlijke klik zijn het voor mij enorm inspirerende jaren geweest.
Tijdens mijn promotie ben ik door twee personen begeleid. Geert Henk Koops wil ik bedanken voor de samenwerking op het gebied van stervormige vezels, aan het begin van mijn promotie. Na een aantal maanden ben ik geswitched naar het project dat in dit proefschrift beschreven staat, en hierbij werd Rob Lammertink mijn begeleider. Rob, jij bent een ideale sparringpartner voor mij geweest. Doordat we het persoonlijk ook goed konden vinden, is het project duidelijk naar een hoger plan getild. Ik wil je bijzonder bedanken voor het snelle correctiewerk, en de coachende woorden als ik in een motivatiedipje zat. Jij verdient duidelijk een deel van de credits.
Verder wil ik de promotiecommissie bedanken voor het goedkeuren van mijn proefschift, en de gebruikerscommissie voor hun input tijdens de overlegvergaderingen.
Een promotie doe je zeker niet in je eentje, en ik ben blij dat zoveel mensen mij hierbij geholpen hebben. In het begin ben ik door Laura Vogelaar ingewijd in de wondere wereld van phase separation micromolding. Heiko van der Linden, voorheen werkzaam in Groningen, heeft mij op weg geholpen met de CNC frees. Bij het werk op het lab en de SEM heb ik hulp gehad van de technici. Voor financiële en arbo technische vragen kon ik bij Antoine terecht (zelfs na 10 uur!). Greet zorgde intussen voor al het regelwerk op de achtergrond, een praatje, een luisterend oor en ‐niet onbelangrijk‐ het bijvullen van de snoeppot. Allemaal enorm bedankt! Daarnaast heb ik ook hulp gehad van een aantal studenten, die een hoop werk voor mij verzet hebben. Marloes en Greg, jullie werk is niet direct teruggekeerd in dit proefschrift, maar het heeft wel bijgedragen aan mijn algemene kennis en inzicht in de materie. Pascal en Bouke, jullie bijdrage heeft zich uitbetaald in twee artikelen, en daar wordt een promovendus als ik natuurlijk erg blij van! Hartelijk bedankt hiervoor. Tijdens mijn AIO‐schap heb ik met verschillende mensen mogen samenwerken. Allereerst met Lidwien van Sprundel en vervolgens Ruben Kolfschoten in Wageningen. Daarnaast met Dejan Radivojevic van de vakgroep katalyse. Dejan, ik vond onze samenwerking heel prettig, en het is
bijzonder jammer dat we net toen het ging lopen moesten ophouden. Toch is het ons gelukt een proof‐of‐principle te realiseren, die in hoofdstuk 6 terecht is gekomen. Verder wil ik Erik Krommenhoek bedanken voor het maken van de sensoren voor de fermentatie experimenten en de discussie daar omheen.
Samenwerken kan ook op niet‐technisch vlak. Met veel plezier heb ik meegedacht binnen het promovendinetwerk van de UT (P‐NUT). Daarnaast heb ik als personeelslid in de universiteitsraad plaats mogen nemen, wat een enorme leerervaring voor mij is geweest. Hoewel de gemoederen tijdens de discussies met het college dikwijls hoog opliepen, was de sfeer in de CC‐fractie goed. Ik wil daarom mijn fractiegenoten en de griffie hartelijk bedanken voor de prettige samenwerking. Tijdens een promotie kan de boog niet altijd gespannen zijn, en is er af en toe tijd nodig voor ontspanning. Wat dat betreft heb ik het erg getroffen in de membraangroep, waar vele activiteiten plaatsvonden. Variërend van Batavierenraces, BBQ’s en bruiloften tot AIO uitjes in het buitenland, verjaardagen, kraamvisites en borrels (picture of the month, vrijdagmiddag, flesjesavond in de Geus). Dit alles maakte dat ik me altijd thuis voelde. Ik wil al mijn collega’s bedanken voor de enorm leuke tijd die ik gehad heb en de prettige sfeer in de groep. Dit zal ik zeker gaan missen! Specifiek wil ik ook mijn kamergenoten bedanken, met wie ik een groot deel van mijn (vrije) tijd heb doorgebracht. Allereerst in het oude vertrouwde CT gebouw op kamer 1336: Marius, Dana, Joerg, Nilesh, Karina en Hylke. En in Meander kamer 322: Saiful, Schwan, Szymon en Mayur. Tymen en Hylke, behalve op het werk hebben we ook daarbuiten vaak afgesproken. Met veel plezier denk ik terug aan bijvoorbeeld de zeiltochten of het Kubbsen. Hoewel de afstand naar Canada een aardig eind is hoop ik jullie nog regelmatig te kunnen zien. Vele lunchpauzes heb ik wandelend doorgebracht met Wilbert en Bernke, en we hebben veel samen meegemaakt. Ik ben erg blij dat jullie de ‘zware taak’ van paranimf op jullie willen nemen en tijdens de verdediging achter mij zullen zitten! Dan wil ik hier ook nog even mijn opa noemen, de ‘andere’ ingenieur in de familie. Omdat hij een voorbeeld voor mij is geweest vind ik het bijzonder jammer dat hij mijn verdediging niet meer mee mag maken. Tot slot wil ik nog mijn oud‐huisgenoten Marcel en Christiaan, al mijn overige vrienden en mijn familie bedanken voor de interesse in mijn werk of juist de afleiding daarvan. En dan natuurlijk speciaal Heit, Mem en Elske. Het is altijd fijn om ‘echt’ thuis te komen!
Allemaal nogmaals enorm bedankt!
CURRICULUM VITAE
Jorrit de Jong was born on the 17th of June 1978 in Leeuwarden, in the north of the Netherlands. In July 1996, he received his VWO diploma from the OSG Sevenwolden in Heerenveen. In August 1996 he started his study Chemical Engineering at the University of Twente. After his propaedeutic year in Leeuwarden at the NHL, he moved to Enschede. During his industrial training in 2001 he worked for three months on ceramic membranes for pervaporation at SINTEF Material Teknologi in Oslo, Norway. In February 2003, he received his Masters degree. His Master thesis concerned the fabrication of double‐layer ceramic hollow fibers, for which he was awarded the Unilever Research Award 2003. After briefly working on the development of membrane adsorbers for Mosaic Systems, he started his PhD in October 2003 in the Membrane Technology Group of prof. Matthias Wessling. His project was initially focused on the production of star shaped hollow fiber membranes. In June 2004, a switch was made to membranes and microfluidics, of which the results are described in this thesis. During his PhD period, he was involved in the PhD network at the University of Twente (P‐NUT) and an elected member of the University Council.
LIST OF PUBLICATIONS
1. J. de Jong, D. Radivojevic, L. Lefferts, R.G.H. Lammertink, M. Wessling, Preparation of porous polymeric coatings in micro channels, In preparation
2. J. de Jong, P.W. Verheijden, R.G.H. Lammertink, M. Wessling, Generation of local concentration gradients by gas liquid contacting, Accepted for Anal. Chem (2008), DOI: ac7023602
3. J. de Jong, M.J. Geerken, R.G.H. Lammertink, M. Wessling, Porous microfluidic devices ‐ Fabrication and applications, Chem. Eng. Techn.30 (3) (2007), p. 309‐315
4. J. de Jong, R.G.H. Lammertink, M.Wessling, Membranes and microfluidics: a review, Lab Chip 6 (9) (2006), p. 1125‐1139
5. J. de Jong, B. Ankoné, R.G.H. Lammertink, M. Wessling, New replication technique for the fabrication of thin polymeric microfluidic devices with tunable porosity, Lab Chip 5 (11) (2005), p. 1240‐1247. The cover picture of this issue showed a chip prepared by this method.
6. W. Nijdam, J. de Jong, C.J.M. van Rijn, T. Visser, L. Versteeg, G. Kapantaidakis, G.H. Koops, M. Wessling, High performance micro‐engineered hollow fiber membranes by smart spinneret design, J. Membrane Sci. 256 (1‐2) (2005), p. 209‐215
7. J. de Jong, N.E. Benes, G.H. Koops, M. Wessling, Towards single step production of multi‐layer inorganic hollow fibers, J. Membrane Sci. 239 (2) (2004), p. 265‐269