Diese Forschung wird unterstützt durch das USDA durch die National Institutes of Food and Agriculture (NIFA), Grant Number 2007-35504-05381 unterstützt; durch Grant No. 58872 von NYSERDA und NYC-123444 durch die Cornell University Agricultural Experiment Station der föderalen Formel Mitteln aus dem USDA NIFA.

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Keine Interessenskonflikte erklärt.

Die anaerobe Vergärung System in diesem Artikel vorgestellten bietet eine allgemeine Einführung und einige grundlegende Richtlinien für die Behandlung von den meisten Substraten in einem experimentellen Kontext. Die Vielfalt der Arten Substrat, Fermenter-Konfigurationen, Betriebsparameter und auch die einzigartige Ökologie des gemischten mikrobiellen Gemeinschaft hinter diesen Systemen schließt umreißt harte quantitative Kennzahlen, die universell eingesetzt werden können. Trotz all dieser Variabilität, folgen a...

Vergärung (AD) ist eine ausgereifte Technologie mit den biologisch vermittelte Umwandlung von komplexen organischen Abfälle in nützliche Substrate Biogas mit Methan als Energieträger. Es gibt viele Vorteile der anaeroben Behandlung, einschließlich der minimalen Energie-und Nährstoffzufuhr und reduzierte Biofeststoffe Produktion im Vergleich zu aeroben Behandlung 10. Darüber hinaus macht die Vielseitigkeit des gemischten mikrobiellen Gemeinschaft innewohnenden zu diesen Systemen eine Vielzahl von organischen Substraten geeignet als Einsatzstoffe 11,12. Tatsächlich ist es aufgrund dieser Vorteile, dass eine wachsende Zahl von Anwendungen für die AD wird außerhalb der konventionellen kommunalen Abwasserreinigung, insbesondere in den industriellen, städtischen (zB Speisereste), 4,7,13 und Landwirtschaft verabschiedet. AD erlebte seine erste große Verbreitung zu Beginn in den 1980er Jahren als Reaktion auf die nationale Energiekrise des vergangenen Jahrzehnts. Die Welt steht vor einer wachsenden globalen Energiekrise,gekoppelt mit Umweltzerstörung, wird mehr Aufmerksamkeit nun auf Biokraftstoff-Technologien und dem Waste-to-Energie-Konzept insbesondere platziert. Zum Beispiel in den USA, können anaerobe Vergärung erzeugt 5,5% der gesamten elektrischen Energie benötigt 8. Dies hat die Nachfrage nach gut kontrollierten experimentellen Forschung an der Pilot-und Labor-Maßstab vergrößert, um die Eignung der neuen organischen Reststoffen und Abfällen Mischungen für die anaerobe Vergärung 14 zu beurteilen. Wir beabsichtigen, ein generisches Modell für den Bau, Impfung, Betrieb und Überwachung eines im Labormaßstab anaeroben Faulbehälter, die als geeignet für robuste Abschätzungen liefern. Biogasanlagen gibt es in vielen verschiedenen Konfigurationen. Ein paar gemeinsame Konfigurationen beinhalten die: Tankreaktor (CSTR) mit kontinuierlicher Zulauf Fütterung kontinuierlich gerührt; ständig gerührt Faulbehälters (CSAD) mit periodischen Zulauf Fütterung; Plug-Flow (PF), Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB); anaeroben wandernde Decke Reaktor (AMBR); anaeroben Reaktor verwirrt (ABR) und anaeroben Sequencing Batch Reactor (ASBR) Konfigurationen 9,15. Der CSTR und CSAD Konfiguration wurden weitgehend für Labor-Experimente durch seine einfache Einrichtung und günstigen Betriebsbedingungen angenommen. Durch kontinuierliches Mischen, ist die hydraulische Verweilzeit (HRT) gleich der Schlammverweilzeit (SRT). Die SRT ist die wichtige Design-Parameter für ADS. Die Konfiguration ist auch förderlich für kontrollierte Experimente, weil eine größere räumliche Gleichförmigkeit von Parametern, wie z. B. chemische Spezies Konzentration, die Temperatur und Diffusionsraten. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass die optimale Full-Scale-Konfiguration für eine anaerobe digester auf den speziellen physikalischen und chemischen Eigenschaften des organischen Substrats unter anderem nicht-technische Aspekte, wie Soll Ablaufqualität abhängt. Zum Beispiel, verdünnen Abfallströme mit relativ hohen Gehalt löslichen organischen und little Partikel, wie zB Abwasser in der Brauerei, in der Regel mehr erleben Energieumwandlung in einem High-Rate Upflow Bioreaktor-Konfiguration (zB UASB) statt einer CSAD Konfiguration. Unabhängig davon gibt es grundlegende Betriebsparameter, die wesentlich für erfolgreiche Verdauung und relevant für alle Konfigurationen, die eine generische Explikation mit dieser Konfiguration zu rechtfertigen sind. In der Tat wird jeder Anzeige-System enthält eine vielfältige, offene Gemeinschaft von anaeroben Mikroben seriell verstoffwechseln das Substrat zu Methan (das letzte End-Produkt mit der niedrigsten verfügbaren freien Energie pro Elektron). Die Stoffwechselwege in diesen Prozess eingebunden bilden ein komplexes Nahrungsnetz locker in vier trophische Stufen eingeteilt: Hydrolyse, Säurebildung; Acetogenese; und Methanogenese. In Hydrolyse werden von organischen Polymeren (z. B. Kohlenhydrate, Lipide und Proteine) bis auf die jeweiligen Monomere (z. B. Zucker, langkettige Fettsäuren und Aminosäuren) durch hyd defektrolyzing, fermentative Bakterien. In Acidogenese, werden diese Monomere von säurebildenden Bakterien flüchtigen Fettsäuren (VFAs) und Alkohole, die im Acetogenese, ferner zu Acetat und Wasserstoff werden homoacetogenic und obligatorische Wasserstoff-produzierenden Bakterien oxidiert, respektvoll 5 fermentiert. Im letzten Schritt der Methanogenese werden Acetat und Wasserstoff zu Methan und acetoklastische hydrogenotrophe methanogenen metabolisiert. Es ist wichtig zu erkennen, dass die Gesamtanzahl AD-Prozesses, indem auf eine miteinander verbundene Reihe von Stoffwechsel von verschiedenen Gruppen von Mikroben, werden über die erfolgreiche Funktion jedes Elements ab, bevor das System als Ganzes optimal ausführen soll. Die Konzeption und den Bau eines AD-Bioreaktor-System sollte immer in Betracht ziehen, um die Anforderung vollständig zu versiegeln den Bioreaktor. Klein Löcher in der Oberseite des Bioreaktors (Trennen des Headspace) oder in der Gasphase-Handling-System kann es schwierig sein zu erkennen, und daher sollte das System Druckunterschiedesicher, dass vor dem Einsatz überprüft. Nachdem sichergestellt wurde, eine leckfreie Setup, Ausfälle mit anaeroben Faulbehälter Studien resultieren oft aus Fehlern bei der Impfung, Kultivierung, und Tag für Tag den Betrieb. Als Ergebnis haben Fermenter einen Ruf als intrinsisch instabil und anfällig für unerwartete Ausfälle. Warum ist es dann, dass Full-Scale Fermentern unter stabilen Bedingungen für Jahrzehnte 13 operiert worden? Das Scheitern ist wahrscheinlich durch unsachgemäße Handhabung durch den Bediener ergeben sich, vor allem während des Starts, während der die mikrobielle Gemeinschaft langsam auf die organischen Abfälle Zusammensetzung und Stärke muss akklimatisieren. Deshalb ist es unser Ziel, nicht nur eine Methodik für den Aufbau eines AD-System bieten, sondern auch Aufklärung der Prozesse der Impfung, den Betrieb und die Überwachung dieser Systeme. Der erste Abschnitt des Artikels wird erklärt, wie die CSTR oder CSAD System zu konstruieren, während der zweite Abschnitt wird ein Verfahren für die Fermenter aktive Impfung mit methanog bietenENIC Biomasse. Es ist praktischer und weniger zeitaufwendig zu Faulbehälter mit aktiver Biomasse aus methanogenen impfen die Mixed-Schnaps oder Abwasser eines Betriebssystems Kocher, der eine ähnliche Behandlung von Substrat, als zu versuchen, um eine ausreichende Biomasse aus einer beginnenden Kultur entwickeln wird. Der dritte Abschnitt des Artikels wird decken die Überlegungen, wie Fütterung Substrat, Dekantieren Abwasser und Behebung verschiedener Probleme Reaktor. Zuführen Substrat und Dekantieren Abstrom für dieses System wird auf der semi-kontinuierlicher Basis durchgeführt werden (dh periodische Zuführen und Dekantieren, während die meisten der Biomasse und gemischte Flüssigkeit bleibt im Bioreaktor). Die Häufigkeit, in der die digester gefüttert / dekantiert ist das Vorrecht des Betreibers. In der Regel wird Fütterung / Dekantieren häufiger und in regelmäßigen Abständen für eine stärkere Fermenter Stabilität und Konsistenz in der Leistung zwischen Fütterung Zyklen. Der vierte Abschnitt stellt eine grundlegende Monitoring-Protokoll, um während der Erfah verwendet werdenrimentellen Periode. Mehrere Standard-Analysen, die in Standard-Methoden zur Prüfung von Wasser und Abwasser 16 (Tabelle 1, 2) beschrieben werden, werden für die Charakterisierung des Substrats und der richtigen System-Monitoring erforderlich. Zusätzlich zu den Messgrößen, ist ein wichtiger Aspekt der Überwachung, um zu überprüfen, dass die Kochersystem Komponenten ordnungsgemäß funktionieren. Die regelmäßige Wartung, um den Fermenter System zuvorzukommen großen System Probleme, die sonst gefährden könnten die langfristige Performance und Stabilität des Kochers. Zum Beispiel könnte ein Ausfall des Heizelements, was zu einem Absinken der Temperatur, die Ansammlung von flüchtigen Fettsäuren durch Verringerung der metabolischen Rate von methanogenen verursachen. Dieses Problem würde verstärkt, wenn das System nicht über ausreichende Alkalität, den pH oben hemmende Ebenen für Methanogenen aufrecht zu erhalten. Es ist auch wichtig zu erkennen und zu schließen, mögliche Leckagen nach unerwarteten Rückgang der Biogasproduktion Rattees. Daher Überschneidungen innerhalb des experimentellen Designs durch, zum Beispiel laufen zwei Bioreaktoren Side-by-Side unter die genauen Einsatzbedingungen, ist wichtig, unerwartete Performance-Verluste, die durch Fehlfunktionen des Systems, wie zum Beispiel kleine Lecks verursacht werden.

<table border="1"><tbody><tr><td> Reactor Ausrüstung </td><td> Firma </td><td> Katalog-Nummer </td><td> Kommentare </td></tr><tr><td> Beheizte Umwälzkühler </td><td> VWR Scientific </td><td> VWR 13271-063 </td><td> Zur Verwendung mit einem Heizmantel Reaktorsystem </td></tr><tr><td> Variabler Drehzahl Lab Stirrer </td><td> Cleveland Mixer Co. </td><td> (Modell 5VB) </td><td> Dieser Mischer Modell erleichtert die Montage mit einem Ring-Stand </td></tr><tr><td> Nass-Precision Gaszähler </td><td> Ritter Gaszähler </td><td> (Modell TG-01) </td><td> Dieses Modell braucht eine Mindestmenge von (0,1 l / h) und kann einen maximalen Durchfluss von 30 l / h verarbeiten </td></tr><tr><td> Gas-Sprudler </td><td> Chemglass </td><td> (Modell AF-0513-20) </td><td></td></tr><tr><td> Gas Entnahmerohr </td><td> Chemglass </td><td> (Modell CG-1808) </td><td></td></tr><tr> &lt;td&gt; Axiallaufrad </td><td> Lightnin &#39; </td><td> R04560-25 Cole-Parmer </td><td> Laufradschaufeln mit 7,9375 mm Bohrungsdurchmesser </td></tr><tr><td> Laufradwelle </td><td> Grainger </td><td> 2EXC9 Grainger </td><td> 1,83 m Stab aus rostfreiem Stahl mit 7,9375 mm AD (muss auf entsprechende Größe zugeschnitten werden) </td></tr><tr><td> Gusstopfträger Ständer </td><td> American Educational Products </td><td> (Modell 7-G16) </td><td> Für Montage-Mischer </td></tr><tr><td> Dreipoligen Erweiterung Clamp </td><td> Kralle </td><td> VWR 21572-803 </td><td> Für Montage-Mischer </td></tr><tr><td> Regelmäßige Klemmhalter </td><td> Kralle </td><td> VWR 21572-501 </td><td> Für Montage-Mischer </td></tr><tr><td> Schlauchpumpen </td><td> Masterflex </td><td> WU-07523-80 Cole-Parmer </td><td> Für Abwasser Dekantieren </td></tr><tr><td> L / S Standard Pumpenkopf </td><td> Masterflex </td><td> EW-07018-21 Cole-Parmer </td><td> Für Abwasser dekantierenING-Zubehör, um Schlauchpumpe </td></tr><tr><td> L / S Präzisions-Pumpenschlauch </td><td> Masterflex </td><td> EW-06508-18 Cole-Parmer </td><td> Für Abwasser Dekantieren - Zubehör zum Schlauchpumpe </td></tr><tr><td> Analyse Geräte / Reagenzien </td><td> Firma </td><td> Katalog-Nummer </td><td> Kommentare </td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> pH-Wert-Analyse </td></tr><tr><td> pH-Meter </td><td> Thermo Fisher Scientific - Orion </td><td> 1212000 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Total und flüchtigen Feststoffen Analysis (Standard Methods: 2540-B, E) </td></tr><tr><td> Glass Vakuumexsikkator </td><td> Kimax </td><td> WU-06536-30 Cole-Parmer </td><td></td></tr><tr><td> Porzellan Abdampfschalen </td><td> VWR </td><td> VWR 89038-082 </td><td></td></tr><tr><td> Laborofen </td><td> Thermo Fisher Scientific </td><td> (Modell 13-246-516GAQ) </td><td></td></tr><tr><td> Mittlere Kammer Muffelofen </td><td> Barnstead / Thermolyne </td><td> F6010 Thermo Scientific </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Total Volatile Fatty Acid Analysis (Standard Methods: 5560-C) </td></tr><tr><td> Großraum-Variable Speed-Zentrifuge </td><td> Sigma </td><td> WU-17451-00 Cole-Parmer </td><td></td></tr><tr><td> Laborheizplatte </td><td> Thermo Scientific </td><td> (Modell HP53013A) </td><td></td></tr><tr><td> Großen Kondensator </td><td> Kemtech Amerika </td><td> (Modell C150190) </td><td></td></tr><tr><td> Essigsäure-Reagenz [CAS: 64-19-7] </td><td> Alfa Aesar </td><td> AA33252-AK </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td> &lt;td&gt; Chemischer Sauerstoffbedarf (Standard Methods: 5520-C) </td></tr><tr><td> CSB-Heizblock </td><td> HACH </td><td> (Modell DRB-200) </td><td></td></tr><tr><td> Borosilikat-Culture Tubes </td><td> Pyrex </td><td> (Modell 9825-13) </td><td></td></tr><tr><td> Kaliumdichromat Reagenz [CAS: 7778-50-9] </td><td> Avantor Performance Materials </td><td> 3090-01 </td><td></td></tr><tr><td> Mercury II-Sulfat-Reagenz [CAS: 7783-35-9] </td><td> Avantor Performance Materials </td><td> 2640-04 </td><td></td></tr><tr><td> Ferroin-Indikatorlösung [CAS: 14634-91-4] </td><td> Ricca Chemical </td><td> R3140000-120C </td><td></td></tr><tr><td> Ammonium-Eisen (II)-Sulfat-Hexahydrat [CAS: 7783-85-9] </td><td> Alfa Aesar </td><td> 13448-36 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Gas-Zusammensetzung durch Gaschromatographie-Analyse </td></tr><tr><td> Gaschromatograph </td><td> SRI Instruments </td><td> Modell 8610C </td><td> Muss mit einer thermischen Leitfähigkeit (TCD) ausgestattet sein, mit unten genannten Säule und Trägergas bei einer isothermen Temperatur von 105 ° C betrieben </td></tr><tr><td> Helium-Gas </td><td> Airgas </td><td> Er HP300 </td><td> Um als Trägergas verwendet werden </td></tr><tr><td> Verpackt-Spalte </td><td> Restek </td><td> 80484-800 </td><td> Um sich für N 2, CH 4 verwendet werden, und CO 2-Abtrennung </td></tr></tbody></table>

continuously-stirred anaerobic digester to convert organic wastes into biogas: system setup and basic operation

Anaerobe Vergärung (AD) ist eine Bioprozess, die häufig verwendet wird, um komplexe organische Abfälle in ein nützliches Biogas umwandeln mit Methan als Energieträger 3.1. Zunehmend wird AD in industriellen, landwirtschaftlichen und kommunalen Abfällen (Wasser-) Behandlung Anwendungen 4,5 verwendet. Die Verwendung von AD-Technologie ermöglicht Anlagenbetreibern Entsorgungskosten reduzieren und ausgleichen Energieversorger Aufwendungen. Neben der Behandlung von organischen Abfällen, werden Energiepflanzen in die Energieträger Methan 6,7 umgewandelt. Da die Anwendung der AD-Technologie erweitert für die Behandlung von neuen Substraten und Co-Substrat-Gemische 8, auch die Nachfrage nach einer zuverlässigen Testmethode in der Pilot-und Labormaßstab. Vergärung Systeme verfügen über eine Vielzahl von Konfigurationen, einschließlich der kontinuierlichen Rührkessel (CSTR), Plug-Flow (PF) und anaeroben Sequencing Batch Reactor (ASBR) Konfigurationen 9 </sup&gt;. Der CSTR wird häufig in der Forschung aufgrund seiner Einfachheit in Design und Bedienung, sondern auch für seine Vorteile in der Erprobung. Im Vergleich mit anderen Konfigurationen, stellt die CSTR eine größere Einheitlichkeit der Systemparameter, wie z. B. Temperatur, Mischung, chemische Konzentration, und Substratkonzentration. Letztlich bei der Gestaltung eines Full-Scale-Reaktor, wird die optimale Konfiguration Reaktor auf den Charakter eines gegebenen Substrats unter vielen anderen nicht-technischen Erwägungen abhängen. Allerdings teilen sich alle Konfigurationen grundlegende Design-Merkmale und die Betriebsparameter, die den CSTR für die meisten vorläufigen Abschätzungen zu machen. Wenn ein Forscher und Ingenieure Zulaufstrom verwendet mit relativ hohen Konzentrationen von Feststoffen, kann dann im Labormaßstab Bioreaktor Konfigurationen nicht kontinuierlich aufgrund von Verstopfungen Probleme im Labormaßstab Pumpen mit Feststoffen oder Ablagern von Feststoffen innerhalb Schlauch zugeführt werden. Aus diesem Szenario unter ständigem Mischen Anforderungen werden im Labormaßstab Bioreaktoren regelmäßig gefüttertund beziehen wir uns auf solche Konfigurationen als ständig gerührt Faultürmen (CSADs). Dieser Artikel stellt eine allgemeine Methodik für die Konstruktion, Impfen, Betrieb und Überwachung eines CSAD System zum Zwecke der Prüfung der Eignung eines organischen Substrats für eine langfristige anaeroben Vergärung. Der Bau dieses Artikels umfassen die Errichtung der Laborreaktor System. Die Impfung Abschnitt wird erklärt, wie eine anaerobe Umgebung geeignet für die Aussaat mit einer aktiven methanogenen Impfstoff zu schaffen. Das operative Abschnitt werden die Bedienung, Wartung und Fehlerbehebung. Die Überwachung Abschnitt stellt Ihnen Prüfprotokolle unter Verwendung von Standard-Analysen. Die Verwendung dieser Maßnahmen ist ausreichend für eine zuverlässige Experimenten zur Beurteilung der Eignung für AD Substrats. Dieses Protokoll sollte einen größeren Schutz gegen ein häufiger Fehler in AD-Studien gemacht, die zu dem Schluss, dass Reaktor Versagen durch das Substrat verursacht worden ist, biete ichn Einsatz, wenn es wirklich falsche User-Betrieb 10 war.

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Continuously-stirred Anaerobic Digester to Convert Organic Wastes into Biogas: System Setup and Basic Operation

Labor-Faultürmen den Wissenschaftlern ermöglichen, neue Wege der Optimierung bestehender Anwendungen von anaeroben biotechnologische Forschung und die Methan bildende Potenzial von verschiedenen organischen Abfällen zu bewerten. Dieser Artikel stellt eine verallgemeinerte Modell für den Bau, Impfung, Betrieb und Überwachung eines im Labormaßstab kontinuierlich gerührt anaeroben Faulbehälter.

Kontinuierlich-gerührt anaeroben Faulbehälter zu Bio-Abfälle in Biogas umwandeln: System-Setup und Grundlagen der Bedienung

Anaerobic digestion (AD) is a bioprocess that is commonly used to convert complex organic wastes into a useful biogas with methane as the energy carrier ...

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

33.6K Aufrufe.  Cornell University. Labor-Faultürmen den Wissenschaftlern ermöglichen, neue Wege der Optimierung bestehender Anwendungen von anaeroben biotechnologische Forschung und die Methan bildende Potenzial von verschiedenen organischen Abfällen zu bewerten. Dieser Artikel stellt eine verallgemeinerte Modell für den Bau, Impfung, Betrieb und Überwachung eines im Labormaßstab kontinuierlich gerührt anaeroben Faulbehälter.

Serie: Continuously-stirred Anaerobic Digester to Convert Organic Wastes into Biogas: System Setup and Basic Operation

Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves

The aortic valve, located between the left ventricle and the aorta, allows for unidirectional blood flow, preventing backflow into the ventricle. Aortic valve leaflets are composed of interstitial cells suspended within an extracellular matrix (ECM) and are lined with an endothelial cell monolayer. The valve withstands a harsh, dynamic environment and is constantly exposed to shear, flexion, tension, and compression. Research has shown calcific lesions in diseased valves occur in areas of high mechanical stress as a result of endothelial disruption or interstitial matrix damage1-3. Hence, it is not surprising that epidemiological studies have shown high blood pressure to be a leading risk factor in the onset of aortic valve disease4. 
The only treatment option currently available for valve disease is surgical replacement of the diseased valve with a bioprosthetic or mechanical valve5. Improved understanding of valve biology in response to physical stresses would help elucidate the mechanisms of valve pathogenesis. In turn, this could help in the development of non-invasive therapies such as pharmaceutical intervention or prevention. Several bioreactors have been previously developed to study the mechanobiology of native or engineered heart valves6-9. Pulsatile bioreactors have also been developed to study a range of tissues including cartilage10, bone11 and bladder12. The aim of this work was to develop a cyclic pressure system that could be used to elucidate the biological response of aortic valve leaflets to increased pressure loads. 
The system consisted of an acrylic chamber in which to place samples and produce cyclic pressure, viton diaphragm solenoid valves to control the timing of the pressure cycle, and a computer to control electrical devices. The pressure was monitored using a pressure transducer, and the signal was conditioned using a load cell conditioner. A LabVIEW program regulated the pressure using an analog device to pump compressed air into the system at the appropriate rate. The system mimicked the dynamic transvalvular pressure levels associated with the aortic valve; a saw tooth wave produced a gradual increase in pressure, typical of the transvalvular pressure gradient that is present across the valve during diastole, followed by a sharp pressure drop depicting valve opening in systole. The LabVIEW program allowed users to control the magnitude and frequency of cyclic pressure. The system was able to subject tissue samples to physiological and pathological pressure conditions. This device can be used to increase our understanding of how heart valves respond to changes in the local mechanical environment.

Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves

A cyclic pressure bioreactor capable of subjecting heart valve tissue to physiological and pathological pressure conditions has been designed. A LabVIEW program allows users to control pressure magnitude, amplitude and frequency. This device can be used to study the mechanobiology of heart valve tissue or isolated cells.

Entwurf eines zyklischen Druck Bioreaktor für die Ex Vivo Studium der Aorten-Herzklappen

The aortic valve, located between the left ventricle and the aorta, allows for unidirectional blood flow, preventing backflow into the ventricle. Aortic ...

Forschung

Biotechnik

Microfluidic Picoliter Bioreactor for Microbial Single-cell Analysis: Fabrication, System Setup, and Operation

In this protocol the fabrication, experimental setup and basic operation of the recently introduced microfluidic picoliter bioreactor (PLBR) is described in detail. The PLBR can be utilized for the analysis of single bacteria and microcolonies to investigate biotechnological and microbiological related questions concerning, e.g.&#160;cell growth, morphology, stress response, and metabolite or protein production on single-cell level. The device features continuous media flow enabling constant environmental conditions for perturbation studies, but in addition allows fast medium changes as well as oscillating conditions to mimic any desired environmental situation. To fabricate the single use devices, a silicon wafer containing sub micrometer sized SU-8 structures served as the replication mold for rapid polydimethylsiloxane casting. Chips were cut, assembled, connected, and set up onto a high resolution and fully automated microscope suited for time-lapse imaging, a powerful tool for spatio-temporal cell analysis. Here, the biotechnological platform organism Corynebacterium glutamicum&#160;was seeded into the PLBR and cell growth and intracellular fluorescence were followed over several hours unraveling time dependent population heterogeneity on single-cell level, not possible with conventional analysis methods such as flow cytometry. Besides insights into device fabrication, furthermore, the preparation of the preculture, loading, trapping of bacteria, and the PLBR cultivation of single cells and colonies is demonstrated. These devices will add a new dimension in microbiological research to analyze time dependent phenomena of single bacteria under tight environmental control. Due to the simple and relatively short fabrication process the technology can be easily adapted at any microfluidics lab and simply tailored towards specific needs.

In this protocol the fabrication, setup and basic operation of a microfluidic picoliter bioreactor (PLBR) for single-cell analysis of prokaryotic microorganisms is introduced. Industrially relevant microorganisms were analyzed as proof of principle allowing insights into growth rate, morphology, and phenotypic heterogeneity over certain time periods, hardly possible with conventional methods.

In this protocol the fabrication, experimental setup and basic operation of the recently introduced microfluidic picoliter bioreactor (PLBR) is described ...

Operation of a Benchtop Bioreactor

Fermentation systems are used to provide an optimal growth environment for many different types of cell cultures. The ability afforded by fermentors to carefully control temperature, pH, and dissolved oxygen concentrations in particular makes them essential to efficient large scale growth and expression of fermentation products. This video will briefly describe the advantages of the fermentor over the shake flask. It will also identify key components of a typical benchtop fermentation system and give basic instruction on setup of the vessel and calibration of its probes. The viewer will be familiarized with the sterilization process and shown how to inoculate the growth medium in the vessel with culture. Basic concepts of operation, sampling, and harvesting will also be demonstrated. Simple data analysis and system cleanup will also be discussed.

Fermentors are used to increase culture yield and productivity of bioengineered cells. After screening multiple microbial or animal cell culture candidates in shake flasks, the next logical step is to increase the selected culture&#x2019;s biomass with the fermentor. This video demonstrates the setup and operation of a typical benchtop bioreactor system.

Betrieb einer Tischbioreaktor

Fermentation systems are used to provide an optimal growth environment for many different types of cell cultures. The ability afforded by fermentors to ...

Wet Chemistry and Peptide Immobilization on Polytetrafluoroethylene for Improved Cell-adhesion

Endowing materials surface with cell-adhesive properties is a common strategy in biomaterial research and tissue engineering. This is particularly interesting for already approved polymers that have a long standing use in medicine because these materials are well characterized and legal issues associated with the introduction of newly synthesized polymers may be avoided. Polytetrafluoroethylene (PTFE) is one of the most frequently employed materials for the manufacturing of vascular grafts but the polymer lacks cell adhesion promoting features. Endothelialization, i.e., complete coverage of the grafts inner surface with a confluent layer of endothelial cells is regarded key to optimal performance, mainly by reducing thrombogenicity of the artificial interface.
This study investigates the growth of endothelial cells on peptide-modified PTFE and compares these results to those obtained on unmodified substrate. Coupling with the endothelial cell adhesive peptide Arg-Glu-Asp-Val (REDV) is performed via activation of the fluorin-containing polymer using the reagent sodium naphthalenide, followed by subsequent conjugation steps. Cell culture is accomplished using Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVECs) and excellent cellular growth on peptide-immobilized material is demonstrated over a two-week period.

Cell-adhesiveness is key to many approaches in biomaterial research and tissue engineering. A step-by-step technique is presented using wet-chemistry for the surface modification of the important polymer PTFE with peptides.

Nasschemie und Peptid Immobilisation auf Polytetrafluoroethylen für verbesserte Zellhaftung

Endowing materials surface with cell-adhesive properties is a common strategy in biomaterial research and tissue engineering. This is particularly ...

Dry Film Photoresist-based Electrochemical Microfluidic Biosensor Platform: Device Fabrication, On-chip Assay Preparation, and System Operation

In recent years, biomarker diagnostics became an indispensable tool for the diagnosis of human disease, especially for the point-of-care diagnostics. An easy-to-use and low-cost sensor platform is highly desired to measure various types of analytes (e.g., biomarkers, hormones, and drugs) quantitatively and specifically. For this reason, dry film photoresist technology - enabling cheap, facile, and high-throughput fabrication - was used to manufacture the microfluidic biosensor presented here. Depending on the bioassay used afterwards, the versatile platform is capable of detecting various types of biomolecules. For the fabrication of the device, platinum electrodes are structured on a flexible polyimide (PI) foil in the only clean-room process step. The PI foil serves as a substrate for the electrodes, which are insulated with an epoxy-based photoresist. The microfluidic channel is subsequently generated by the development and lamination of dry film photoresist (DFR) foils onto the PI wafer. By using a hydrophobic stopping barrier in the channel, the channel is separated into two specific areas: an immobilization section for the enzyme-linked assay and an electrochemical measurement cell for the amperometric signal readout.
The on-chip bioassay immobilization is performed by the adsorption of the biomolecules to the channel surface. The glucose oxidase enzyme is used as a transducer for electrochemical signal generation. In the presence of the substrate, glucose, hydrogen peroxide is produced, which is detected at the platinum working electrode. The stop-flow technique is applied to obtain signal amplification along with rapid detection. Different biomolecules can quantitatively be measured by means of the introduced microfluidic system, giving an indication of different types of diseases, or, in regard to therapeutic drug monitoring, facilitating a personalized therapy.

A microfluidic biosensor platform was designed and fabricated using low-cost dry film photoresist technology for the rapid and sensitive quantification of various analytes. This single-use system allows for the electrochemical readout of on-chip-immobilized enzyme-linked assays by means of the stop-flow technique.

Trockenen Film Photoresist-basierte elektrochemische mikrofluidischen Biosensor Plattform: Gerät Fertigung, On-Chip-Test Vorbereitung und Systembetrieb

In recent years, biomarker diagnostics became an indispensable tool for the diagnosis of human disease, especially for the point-of-care diagnostics. An ...

Focused Ion Beam Lithography to Etch Nano-architectures into Microelectrodes

With advances in electronics and fabrication technology, intracortical microelectrodes have undergone substantial improvements enabling the production of sophisticated microelectrodes with greater resolution and expanded capabilities. The progress in fabrication technology has supported the development of biomimetic electrodes, which aim to seamlessly integrate into the brain parenchyma, reduce the neuroinflammatory response observed after electrode insertion and improve the quality and longevity of electrophysiological recordings. Here we describe a protocol to employ a biomimetic approach recently classified as nano-architecture. The use of focused ion beam lithography (FIB) was utilized in this protocol to etch specific nano-architecture features into the surface of non-functional and functional single shank intracortical microelectrodes. Etching nano-architectures into the electrode surface indicated possible improvements of biocompatibility and functionality of the implanted device. One of the benefits of using FIB is the ability to etch on manufactured devices, as opposed to during the fabrication of the device, facilitating boundless possibilities to modify numerous medical devices post-manufacturing. The protocol presented herein can be optimized for various material types, nano-architecture features, and types of devices. Augmenting the surface of implanted medical devices can improve the device performance and integration into the tissue.

We have shown that the etching of nano-architecture into intracortical microelectrode devices may reduce the inflammatory response and has the potential to improve electrophysiological recordings. The methods described herein outline an approach to etch nano-architectures into the surface of non-functional and functional single shank silicon intracortical microelectrodes.

Fokussierte Ionenstrahl-Lithographie zu Etch-Nano-Architekturen in Mikroelektroden

With advances in electronics and fabrication technology, intracortical microelectrodes have undergone substantial improvements enabling the production of ...

Self-Assembly of Gamma-Modified Peptide Nucleic Acids into Complex Nanostructures in Organic Solvent Mixtures

Current strategies in DNA and RNA nanotechnology enable the self-assembly of a variety of nucleic acid nanostructures in aqueous or substantially hydrated media. In this article, we describe detailed protocols that enable the construction of nanofiber architectures in organic solvent mixtures through the self-assembly of uniquely addressable, single-stranded, gamma-modified peptide nucleic acid (&#947;PNA) tiles. Each single-stranded tile (SST) is a 12-base &#947;PNA oligomer composed of two concatenated modular domains of 6 bases each. Each domain can bind to a mutually complimentary domain present on neighboring strands using programmed complementarity to form nanofibers that can grow to microns in length. The SST motif is made of 9 total oligomers to enable the formation of 3-helix nanofibers. In contrast with analogous DNA nanostructures, which form diameter-monodisperse structures, these &#947;PNA systems form nanofibers that bundle along their widths during self-assembly in organic solvent mixtures. Self-assembly protocols described here therefore also include a conventional surfactant, Sodium Dodecyl Sulfate (SDS), to reduce bundling effects.

This article provides protocols for the design and self-assembly of nanostructures from gamma-modified peptide nucleic acid oligomers in organic solvent mixtures.

Selbstmontage von Gamma-modifizierten Peptid-Nukleinsäuren in komplexe Nanostrukturen in organischen Lösungsmittelmischungen

Current strategies in DNA and RNA nanotechnology enable the self-assembly of a variety of nucleic acid nanostructures in aqueous or substantially hydrated ...

Assembly and Operation of an Acoustofluidic Device for Enhanced Delivery of Molecular Compounds to Cells

Efficient intracellular delivery of biomolecules is required for a broad range of biomedical research and cell-based therapeutic applications. Ultrasound-mediated sonoporation is an emerging technique for rapid intracellular delivery of biomolecules. Sonoporation occurs when cavitation of gas-filled microbubbles forms transient pores in nearby cell membranes, which enables rapid uptake of biomolecules from the surrounding fluid. Current techniques for in vitro sonoporation of cells in suspension are limited by slow throughput, variability in the ultrasound exposure conditions for each cell, and high cost. To address these limitations, a low-cost acoustofluidic device has been developed which integrates an ultrasound transducer in a PDMS-based fluidic device to induce consistent sonoporation of cells as they flow through the channels in combination with ultrasound contrast agents. The device is fabricated using standard photolithography techniques to produce the PDMS-based fluidic chip. An ultrasound piezo disk transducer is attached to the device and driven by a microcontroller. The assembly can be integrated inside a 3D-printed case for added protection. Cells and microbubbles are pushed through the device using a syringe pump or a peristaltic pump connected to PVC tubing. Enhanced delivery of biomolecules to human T cells and lung cancer cells is demonstrated with this acoustofluidic system. Compared to bulk treatment approaches, this acoustofluidic system increases throughput and reduces variability, which can improve cell processing methods for biomedical research applications and manufacturing of cell-based therapeutics.

This protocol describes the assembly and operation of a low-cost acoustofluidic device for rapid molecular delivery to cells via sonoporation induced by ultrasound contrast agents.

Aufbau und Betrieb eines akustofluidischen Geräts zur verbesserten Abgabe molekularer Verbindungen an Zellen

Efficient intracellular delivery of biomolecules is required for a broad range of biomedical research and cell-based therapeutic applications. ...

The Fabrication and Operation of a Continuous Flow, Micro-Electroporation System with Permeabilization Detection

Current therapeutic innovations, such as CAR-T cell therapy, are heavily reliant on viral-mediated gene delivery. Although efficient, this technique is accompanied by high manufacturing costs, which has brought about an interest in using alternative methods for gene delivery. Electroporation is an electro-physical, non-viral approach for the intracellular delivery of genes and other exogenous materials. Upon the application of an electric field, the cell membrane temporarily allows molecular delivery into the cell. Typically, electroporation is performed on the macroscale to process large numbers of cells. However, this approach requires extensive empirical protocol development, which is costly when working with primary and difficult-to-transfect cell types. Lengthy protocol development, coupled with the requirement of large voltages to achieve sufficient electric-field strengths to permeabilize the cells, has led to the development of micro-scale electroporation devices. These micro-electroporation devices are manufactured using common microfabrication techniques and allow for greater experimental control with the potential to maintain high throughput capabilities. This work builds off a microfluidic-electroporation technology capable of detecting the level of cell membrane permeabilization at a single-cell level under continuous flow. However, this technology was limited to 4 cells processed per second, and thus a new approach for increasing the system throughput is proposed and presented here. This new technique, denoted as cell-population-based feedback control, considers the cell permeabilization response to a variety of electroporation pulsing conditions and determines the best-suited electroporation pulse conditions for the cell type under test. A higher-throughput mode is then used, where this 'optimal' pulse is applied to the cell suspension in transit. The steps for fabricating the device, setting up and running the microfluidic experiments, and analyzing the results are presented in detail. Finally, this micro-electroporation technology is demonstrated by delivering a DNA plasmid encoding for green fluorescent protein (GFP) into HEK293 cells.

This protocol describes the microfabrication techniques required to build a lab-on-a-chip, microfluidic electroporation device. The experimental setup performs controlled, single-cell-level transfections in a continuous flow and can be extended to higher throughputs with population-based control. An analysis is provided showcasing the ability to electrically monitor the degree of cell membrane permeabilization in real-time.

Herstellung und Betrieb eines kontinuierlichen Durchfluss-Mikroelektroporationssystems mit Permeabilisierungsdetektion

Current therapeutic innovations, such as CAR-T cell therapy, are heavily reliant on viral-mediated gene delivery. Although efficient, this technique is ...

Setup of Consumer Wearable Devices for Exposure and Health Monitoring in Population Studies

Wearable sensors, which are often embedded in commercial smartwatches, allow for continuous and non-invasive health measurements and exposure assessments in clinical studies. Nevertheless, the real-life application of these technologies in studies involving a large number of participants for a significant observation period may be hindered by several practical challenges. 
In this study, we present a modified protocol from a previous intervention study for the mitigation of health effects from desert dust storms. The study involved two distinct population groups: asthmatic children aged 6-11 years and elderly patients with atrial fibrillation (AF). Both groups were equipped with a smartwatch for the assessment of physical activity (using a heart rate monitor, pedometer, and accelerometer) and location (using GPS signals to locate individuals in indoor "at home" or outdoor microenvironments). The participants were required to wear the smartwatch equipped with a data collection application on a daily basis, and data were transmitted via a wireless network to a centrally administered data collection platform for the near real-time assessment of compliance. 
Over a period of 26 months, more than 250 children and 50 patients with AF participated in the aforementioned study. The main technical challenges identified included restricting access to standard smartwatch features, such as gaming, internet browser, camera, and audio recording applications, technical issues, such as loss of GPS signal, especially in indoor environments, and the internal smartwatch settings interfering with the data collection application.
The aim of this protocol is to demonstrate how the use of publicly available application lockers and device automation applications made it possible to address most of these challenges in a simple and cost-effective way. In addition, the inclusion of a Wi-Fi received signal strength indicator significantly improved indoor localization and largely minimized GPS signal misclassification. The implementation of these protocols during the roll-out of this intervention study in the spring of 2020 led to significantly improved results in terms of data completeness and data quality.

Commercial smartwatches equipped with wearable sensors are increasingly being used in population studies. However, their utility is often constrained by their limited battery duration, memory capacity, and data quality. This report provides examples of cost-effective solutions to real-life technical challenges encountered during studies involving asthmatic children and elderly cardiac patients.

Einrichtung von Consumer Wearable Devices zur Expositions- und Gesundheitsüberwachung in Bevölkerungsstudien

Wearable sensors, which are often embedded in commercial smartwatches, allow for continuous and non-invasive health measurements and exposure assessments ...