Name: a novel bioreactor for high density cultivation of diverse microbial communities
Uploaded: 2015-12-25T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 13 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Novel Bioreactor for High Density Cultivation of Diverse Microbial Communities at JoVE.com

The authors would like to acknowledge Aspen Walker at the University of Pennsylvania for her assistance in reactor maintenance and sample collection.

1. Reaktoranordnung <ol><li> Ordnen die Reaktorkomponenten nach dem Schema in Figur 1. <ol><li> Setzen Sie den Reaktor (R) auf einer Mischplatte, fügen Sie einen Rührstab in den Reaktor. Platzieren der Rückführungstank (RT) neben der Rührplatte und eines Reaktors, so daß das Abwasser (oben) Anschluss der Flasche in Richtung auf den Rand der Laborbank gerichtet sind. </li><li> Setzen Sie den Abfallbehälter (W) unterhalb des Abwassers (oben) Anschluss des Rückführungstank (RT). Transporteur-Tank (FT) neben dem Rückführungstank (RT). Hinweis: Der Beschickungsbehälter hat eine Gesamtkapazität von 5 L. </li></ol></li><li> Sichern Sie den Reaktor (R) gegen Kippen mit einem passenden Stativ und Klemme. Ebenso sichern die Rückführungstank (RT), um eine Bewegung zu verhindern. </li><li> Legen Neopren-Schlauchpumpenschlauch in den Papier (Pumpe A) und Futtermittel (Pumpe B) Pumpenköpfe. Beziehen sich auf die Materialtabelle für zusätzliche Schlauchspezifikationen. Installieren Sie die Pumpenköpfe auf die Pumpenantriebe mit den Schrauben provimit den Pumpenantriebe ded. </li><li> Schließen Pumpe A der Schlauch an den Häfen an der Reaktor und der Rückführungstank. Führen Sie das Ende Pump Bs Schlauch in den Vorlagebehälter und die Rückführungstank. Schließen Sie die obere Reaktor Port in den Papierbehälter mit Schlauch. Bewerben Schellen auf den Schlauch an den Reaktor Ports. Hinweis: Photosynthetic Gemeinden können von künstlicher Beleuchtung durch Lampen profitieren. </li></ol> 2. Herstellung von Stammlösungen, Zulauf / Beschickungslösungen und Algen Impflegierung <ol><li> Bereiten Sie die Mineralgrundlösung. Fügen Sie folgende in einem 1-L-Kolben mit 500 ml VE-Wasser: 200 g Natriumhydrogencarbonat, 40 g Kaliumdihydrogenphosphat, 4 g Magnesiumsulfat, 4 g Eisenchlorid, 4 g Calciumchlorid, 1 g Kupferchlorid, 1 g Kobalt Chlorid-Hexahydrat, 1 g Nickelchlorid-Hexahydrat, 1 g Zinksulfatheptahydrat. Fügen Sie eine zusätzliche 400 ml VE-Wasser. Wirbeln mit Nachdruck um die Auflösung von Salzen zu fördern. Nach dissolution von Salzen, fügen VE-Wasser, um das Gesamtvolumen der Lösung zum 1 L. </li><li> Bereiten Sie die Ammoniak-Stammlösung. In einem 1 l-Messkolben 38,214 g Ammoniumchlorid in etwa 900 ml entionisiertem Wasser. Nach dem Auflösen hinzufügen VE-Wasser, um das Gesamtvolumen auf 1000 ml zu bringen. Hinweis: 1 ml der Stammlösung auf 1 l verdünnt ergibt eine 10 mg L -1 NH 4 + -N-Lösung. </li><li> Bereiten Sie die Nitratstammlösung. In einem 1 l-Messkolben 72,413 g Kaliumnitrat in etwa 900 ml entionisiertem Wasser. Nach dem Auflösen hinzufügen VE-Wasser, um das Gesamtvolumen auf 1000 ml zu bringen. Hinweis: 1 ml der Stammlösung auf 1 l verdünnt ergibt eine 10 mg L -1 NO 3 - -N-Lösung. </li><li> Bereiten feed / Zulauflösung. Einen Rohstofflösung mit 20 mg L -1 NH 4 + -N und 20 mg L -1 NO 3 - -N, 2 ml der einmmonia Stammlösung und 2 ml Nitratstammlösung auf 1 L Gesamtvolumen. Vor der Verdünnung, 0,5 ml Minerallösung / l-Lösung gemacht. Bereiten 5 l Zulauf insgesamt zur Inbetriebnahme des Reaktors. </li><li> Bereiten Sie die Algen Impfmittel. <ol><li> Sammeln ein großes Volumen (mindestens 10 l) Wasser aus einer Algenhaltigen Wasserkörpers, wie beispielsweise einem Strom oder einem Teich. Lassen Sie die Algen, indem Sie die 24 Stunden lang ungestört Wasserproben zu begleichen. </li><li> Dekantieren und entsorgen Sie die clear (nicht-Algen enthalten) Wasser an der Spitze der Proben, so dass eine konzentrierte Algensuspension innerhalb der Probenflaschen. Kombinieren Sie die Algensuspension von allen Proben in einem Container, und wiederholen Sie das Absetzen und Dekantierstufen. </li><li> Messen Sie die Biomasse im konzentrierten Probe. <ol><li> Trocknen Sie ein Papier Vakuumfilter (0,45 um MCE Vakuumfilter) und Aluminium wiegen Boot O / N in einem Ofen, der auf 103 ° C eingestellt wurde nach dem Abkühlen in einem Exsikkator für 30 Minuten bei RT messen die Zusammenarbeitmbined Masse des Filters und wiegen Boot. </li><li> Vakuumfilter 20 ml konzentrierte Algensuspension und kehren Sie den Filter und wiegen Boot zum Ofen zum Trocknen O / N. </li><li> Messung der Gesamtmasse des Filters und Wägeschiffchen. Berechnen Sie die Biomassendichte innerhalb der konzentrierten Probe. Hinweis: Das Gesamtvolumen der Wasserprobe, die Ermittler beenden, müssen Sie hängt von der Quellwasserkörper abhängen. </li></ol></li></ol></li></ol> 3. Säen und Starten des Reactor <ol><li> Add 750 ml Speiselösung in den Reaktor. Füllen Sie den Rückführungstank mit 500 ml Speiselösung. </li><li> Verwenden Sie eine lange Pipette vorsichtig fügen Sie ein inoculate Suspension, die 1,5 g Algen in der Nähe des Bodens des Reaktors. Ermöglichen das Inokulum auf den Boden des Reaktors absetzen, sicherzustellen, dass dies durch visuelle Beobachtung, bevor sie zu dem nächsten Schritt. </li><li> Sobald die Zellen angesiedelt haben, entfernen Sie die Schlauchklemmen und schalten Sie Pumpe A zu einem langsamen Fließgeschwindigkeit (10 revolutions min -1 / 38 ml min -1). Luft in der Röhre eingefangen werden in den Reaktor ausgestoßen wird. Anmerkung: Die Zugabe von 750 ml in den Reaktor werden beliebige Biomasse von der Pumpe gestört ab dem Verlassen des Reaktors zu verhindern. Drücken Sie den Schlauch, um sicherzustellen, dass alle Luft entwichen ist. </li><li> Speiselösung Fügen Sie stufenweise in den Papierbehälter, wenn die Lösung in den Reaktor gepumpt. Die Zugabe, bis sowohl dem Reaktor und dem Rückführungstank ausgelastet sind und Ablauf beginnt, den Rückführungstank über die obere Öffnung zu schließen. Hinweis: Das Volumen der Zulauflösung in den Papierbehälter zugesetzt werden, dass mit dem Volumen der Impfmittel in den Reaktor gegeben variieren. </li><li> Gießen Sie die restliche Speiselösung in den Vorlagebehälter. </li><li> Stellen Sie die Rückführungspumpe (Pumpe A) bis 19 Umdrehungen min -1, zur Schaffung einer Recycling-Fließgeschwindigkeit von 72,5 ml min -1. Beachten Sie die Algen anfangen, aus dem Boden des Reaktors Dachboden. Mit den Abstufungen am Reaktor, bestimmen die Algen biomass Zonenhöhe. Sicherzustellen, dass die Höhe, bevor zum nächsten Schritt konstant ist. </li><li> Schalten Sie die Mischplatte mit sehr geringer Geschwindigkeit; einer Einstellung von 1 oder 2 ist angebracht, um zu starten. Das Mischungs bar wird in lofting Biomasse weiter zu unterstützen, aber aggressive Misch verursacht Algen, um den Reaktor zu verlassen, geben Sie das Rückführungstank, und lassen Sie im Abwasser. Stellen Sie die Mischgeschwindigkeit bei einer Einstellung erforderlich, um eine klare Grenze Algen innerhalb des Reaktors (2A) zu schaffen; die Algenbiomasse Zone sollte ca. 10-15 cm hoch sein. </li><li> Starten Sie die Förderpumpe nach Beobachtung eine klare Grenze zwischen der Algen Stecker und der Reaktorflüssigkeit. Die Pumpe auf 25 Umdrehungen min -1, zur Schaffung einer Strömungsrate von 1,5 ml min -1. Beachten Sie die Reaktorfluidaustritts das Abwasser-Anschluss durch die Schwerkraft und die Verschiebung von der ankommenden Zulaufstrom verursacht. </li></ol> 4. Probengewinnung und Analyse <ol><li> Durchführung Probenerhebung prioder eine Wartung des Reaktorsystems. Sammeln Sie 20 ml des Abwassers und Zulauf Proben täglich. Sammeln Abwasserproben aus dem Rückführungstank. Sammeln Zulaufproben direkt aus dem Vorlagebehälter. </li><li> Vakuumfilter Proben Schwebstoffe vor der Speicherung und Analyse entfernen. </li><li> Lagern Sie den Zu- und Ablauf-Proben bei -20 ° C bis zur weiteren Analyse. Beschränken Sie die Anzahl der Frost-Tau-Zyklen Proben werden unterzogen. Bei Bedarf können Proben in Aliquots aufgeteilt, um Probenintegrität aufrechtzuerhalten. </li><li> Führen Sie die Probenanalyse für Nitrat, Nitrit und Ammoniak unter Verwendung von Standardverfahren 17. Hinweis: Die verwendeten Ionenchromatographie (IC) Autoren, die Ergebnisse hier vorgestellt zu produzieren. Beziehen sich auf den Werkstofftabelle für die Spezifikation. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose and declare that they have no competing financial interests.

Dieser Abschnitt wird mit einer Diskussion der Protokollvariationen benötigt, um mögliche Betriebsprobleme sowie unter Verwendung verschiedener mikrobieller Gemeinschaften Adresse starten. Die Stärken dieser Reaktorkonstruktion diskutiert werden, einschließlich der Fähigkeit zur Steuerung der Sauerstofffluss und die Bildung von Flocken hoher Dichte in dem Reaktor zu regeln. Aktuelle Herausforderungen und mögliche Wege der Untersuchung wird ebenfalls erwähnt werden. Protokoll Nuanc...

Kommunales Abwasser ist häufig mit Belebtschlammverfahren, um die suspendierten Feststoffe (SS), biologischen Sauerstoffbedarf (BSB), organische und anorganische Stickstoff und Phosphorgehalt 5,6 zu verringern behandelt. Das Belebtschlammverfahren, ein Mittel zur Abwasserbehandlung vor, beinhaltet die Oxidation von organischem Kohlenstoff in einem Belüftungstank mit einer Mischflüssigkeit von ankommenden Abwasser- und Recycling heterotrophen Mikroorganismen gefüllt 5-7 (üblicherweise als Belebtschlamm genannt). Der gemischten Flüssigkeit tritt dann in eine relativ große Absetzbecken (Absetzbecken), wo der Schlamm absetzt zur leichteren Erfassung, um entweder entsorgt oder recycelt zurück in den Belüftungstank, während das geklärte, behandeltes Abwasser zu tertiären Behandlung oder Desinfektion weiter, bevor es in freigesetzt werden Vorfluter 5-7. Effiziente Trennung des gereinigten Abwassers und Feststoffe (Schlamm) im Nachklärbecken ist für die ordnungsgemäße Funktion der a wartewater Behandlungssystem, wie jeder Belebungs weiterhin über die Klärbecken wird das BOD und SS im Abwasser 5-8 erhöhen. Eine Anzahl von alternativen biologischen Verfahren zur Zweitbehandlung von Abwasser, die Verringerung oder Beseitigung der Notwendigkeit für große Klärung Tanks, einschließlich befestigt-Wachstum (Biofilm) Reaktoren, Membranbioreaktoren (MBR) und granulare Schlammreaktoren existieren. Biofilmreaktoren, die Bildung von Biofilmen, in dem Mikroorganismen natürlich aggregierten und befestigen sich als Schicht auf einer festen Oberfläche, ermöglicht eine Biomasserückhaltung und Akkumulation, ohne die Notwendigkeit für ein Klärbecken. Biofilmreaktoren können in drei Typen eingeteilt werden: Festbett-Reaktoren, Fließbettreaktoren und Scheibentauchkörper. Festbett-Reaktoren, wie ein Tropfkörper und biologische Türme, nutzen eine stationäre feste Wachstumsoberfläche 5,6. Wirbelschichtreaktoren (FBRS) hängen von der Befestigung von Mikroorganismen an Teilchen,wie Sand, Aktivkohlegranulat (GAC) oder Glasperlen, die in der Suspension durch einen hohen Aufwärtsströmungsgeschwindigkeit 9,10 gehalten werden. Rotierenden biologischen Reaktoren hängen von Biofilmen auf Medien zu einem rotierenden Welle befestigt ermöglicht den Biofilm gebildet, um abwechselnd Luft ausgesetzt werden, und der zu behandelnden Flüssigkeit 5,6. MBRs verwenden Membranfiltrationseinheiten, entweder innerhalb des Bioreaktors (untergetaucht Konfiguration) oder extern über Rückführung (Nebenstromkonfiguration) 5,11. Die Membranen dienen dazu, eine gute Trennung von Biomasse und Feststoffpartikeln aus der behandelten Flüssigkeit 11,12 zu erzielen. Granuläre Schlammreaktoren mit Aufwärtsströmung Reaktoren, in denen die Bildung von extrem dichte und gut Absetzen Granulat von Mikroorganismen auftritt, wenn sie hohen Oberflächenluftaufwärtsströmungsgeschwindigkeiten ausgesetzt sind 13. Als weitere Alternative zu dem Belebtschlammverfahren, einem neuartigen Aufstromreaktor System, jetzt eine hohe Dichte Bioreaktor (HDBR) war designed und Vertrieb und Shieh (2006) gebaut, um CSB-Entfernung von Belebtschlamm aus synthetischen Abfallströmen in niedrigen F / M Bedingungen, die bekannt sind, um die Bildung von schlechten Vorklärschlamm verursachen (dh Blähschlamm) 1,7,14 studieren. Das verwendete HDBR System modifizierten Fließbett-Reaktoren, die typischerweise aus einem Aufstromreaktor und einer externen Rückführungstank. Wirbelschichtreaktoren werden typischerweise mit Rückführstrom Fließgeschwindigkeiten hoch genug ist, um die Biofilmwachstum Substrat in Suspension zu halten, jedoch niedrig genug betrieben, daß die Biofilm-bedeckten Substrats beibehalten wird. Anders als Wirbelbettreaktoren, in Verkaufs beschriebene HDBR und Shieh (2006) verwendet, relativ niedrigen Rückführstrom Flussraten, die zusammen mit externe Belüftung verhindert Störungen des Biomasse-Zone innerhalb des Reaktors 1 ausgebildet. Nachfolgende Studien haben dieses Reaktordesign Fähigkeit, erfolgreich zu behandeln eine Reihe von Stickstoffflüssen mit nitrifizierenden / denitrifizierenden Bakterien 3,4 demonstriert. In allen Studies die Bildung einer stabilen, dichten Biomasse Zone innerhalb des HDBR eliminiert die Notwendigkeit für eine externe Flockung / Sedimentationsverfahren 1-4. Wie wir hier berichten, hat sich der Einsatz der HDBR dichte Kulturen wachsen auch in einem Photobioreaktor (PBR) Konfiguration für die Kultivierung von Algen getestet. Wir diskutieren die Vor-und Nachteile dieser neuen Reaktorsystem zur Algenanbau und sein Potenzial zur Überwindung eine große Hürde bei der Kommerzialisierung von Biokraftstoffen mit Algenbiomasseernte (dh gute Fest-Flüssigtrennung 15,16) verbunden sind. Das folgende Protokoll beschreibt die Schritte notwendig, um zusammenzubauen, Inbetriebnahme, Probe aus, und unterhält ein HDBR mit Algen als der mikrobiellen Gemeinschaft von Interesse. Variationen in der Start und Betrieb Protokoll heterotrophe Nitrifikanten und / denitrifizierenden Kulturen werden ebenfalls erwähnt werden. Schließlich werden allgemeine Vorteile, Nachteile und Unbekannten dieser neuartigen Reaktordesign hervorgehoben.

<table><tbody><tr><td>Aeration stone</td><td>Alita</td><td>AS-3015C</td><td></td></tr><tr><td>Aerator</td><td>Top Fin</td><td>Air-1000</td><td></td></tr><tr><td>Ammonium chloride</td><td>Sigma Aldrich</td><td>A9434</td><td></td></tr><tr><td>Anion analysis column</td><td>Shodex</td><td>IC SI-52 4E</td><td></td></tr><tr><td>Beaker (600 ml)</td><td>Corning Pyrex</td><td>1000-600</td><td>Used as mixing vessel (MV). Addition of hose barbs at the bottom and 500 ml levels. Outside diameter of hose barbs 3/8&quot;.</td></tr><tr><td>Calcium chloride</td><td>Sigma Aldrich</td><td>C5670</td><td></td></tr><tr><td>Cation analysis column</td><td>Shodex</td><td>IC YS-50</td><td></td></tr><tr><td>Cobalt chloride hexahydrate</td><td>Sigma Aldrich</td><td>C8661</td><td></td></tr><tr><td>Copper chloride</td><td>Sigma Aldrich</td><td>222011</td><td></td></tr><tr><td>Ferric chloride</td><td>Sigma Aldrich</td><td>157740</td><td></td></tr><tr><td>Filter (vacuum)</td><td>Fisherbrand</td><td>09-719-2E</td><td>0.45 &amp;#956;m membrane filter, MCE, 47&amp;nbsp;mm diameter</td></tr><tr><td>Graduated cylinder (1,000 ml)</td><td>Corning Pyrex</td><td>3025-1L</td><td>Used as reactor vessel (R). Addition of hose barbs at bottom, 500 ml, and 1 L levels. Outside diameter of hose barbs 3/8&quot;.</td></tr><tr><td>HPLC/IC</td><td>Shimadzu</td><td>Prominence</td><td></td></tr><tr><td>Magnesium sulfate</td><td>Sigma Aldrich</td><td>M2643</td><td></td></tr><tr><td>Masterflex L/S variable speed drive</td><td>Masterflex</td><td>07553-50</td><td>Drive for recycle and feed pumps (2 needed)</td></tr><tr><td>Nickel chloride hexahydrate</td><td>Sigma Aldrich</td><td>N6136</td><td></td></tr><tr><td>Potassium nitrate</td><td>Sigma Aldrich</td><td>P8291</td><td></td></tr><tr><td>(Monobasic) Potassium phosphate</td><td>Sigma Aldrich</td><td>P5655</td><td></td></tr><tr><td>Pump head</td><td>Masterflex</td><td>07018-20</td><td>Recycle pump head</td></tr><tr><td>Pump head</td><td>Masterflex</td><td>07013-20</td><td>Feed pump head</td></tr><tr><td>Pump tubing</td><td>Masterflex</td><td>6404-18</td><td>Recycle pump tubing</td></tr><tr><td>Pump tubing</td><td>Masterflex</td><td>6404-13</td><td>Feed pump tubing</td></tr><tr><td>Sodium bicarbonate</td><td>Sigma Aldrich</td><td>S5761</td><td></td></tr><tr><td>Zinc sulfate heptahydrate</td><td>Sigma Aldrich</td><td>Z0251</td><td></td></tr></tbody></table>

a novel bioreactor for high density cultivation of diverse microbial communities

A novel reactor design, coined a high density bioreactor (HDBR), is presented for the cultivation and study of high density microbial communities. Past studies have evaluated the performance of the reactor for the removal of COD1 and nitrogen species2-4 by heterotrophic and chemoautotrophic bacteria, respectively. The HDBR design eliminates the requirement for external flocculation/sedimentation processes while still yielding effluent containing low suspended solids. In this study, the HDBR is applied as a photobioreactor (PBR) in order to characterize the nitrogen removal characteristics of an algae-based photosynthetic microbial community. As previously reported for this HDBR design, a stable biomass zone was established with a clear delineation between the biologically active portion of the reactor and the recycling reactor fluid, which resulted in a low suspended solid effluent. The algal community in the HDBR was observed to remove 18.4% of total nitrogen species in the influent. Varying NH4+ and NO3- concentrations in the feed did not have an effect on NH4+ removal (n=44, p=0.993 and n=44, p=0.610 respectively) while NH4+ feed concentration was found to be negatively related with NO3- removal (n=44, p=0.000) and NO3- feed concentration was found to be positively correlated with NO3- removal (n=44, p=0.000). Consistent removal of NH4+, combined with the accumulation of oxidized nitrogen species at high NH4+ fluxes indicates the presence of ammonia- and nitrite-oxidizing bacteria within the microbial community.

Die HDBR wurde verwendet, um Algen über mehrere Verhältnisse von Zulauf Ammoniak und Nitrat-Konzentrationen zu kultivieren, während eine Gesamtstickstoffgehalt in der Beschickung bei 40 mg -NL -1. Zu- und Ablauf-Proben wurden täglich genommen; Biomassedichte Proben wurden zu Beginn und am Ende jeder Bedingung aufgenommen. Der Reaktor hat im Durchschnitt 3-5 Tage, um stationäre Gleichgewicht zu erreichen, nachdem Bedingungen geändert wurden. Über einen weiten Bereich der Zulaufbedingungen eine deutliche...

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A Novel Bioreactor for High Density Cultivation of Diverse Microbial Communities

A novel reactor design, coined a high density bioreactor (HDBR), is presented for the cultivation and study of high density microbial communities. Here, the HDBR is successfully applied in a photobioreactor (PBR) configuration for the study of nitrogen metabolism by a mixed high density algal community.

A Novel Bioreaktor für High Density Anbau von Diverse mikrobiellen Gemeinschaften

A novel reactor design, coined a high density bioreactor (HDBR), is presented for the cultivation and study of high density microbial communities. Past ...

a-novel-bioreactor-for-high-density-cultivation-diverse-microbial

Research

JoVE Journal

Bioengineering

16.9K Aufrufe.  Drexel University. A novel reactor design, coined a high density bioreactor (HDBR), is presented for the cultivation and study of high density microbial communities. Here, the HDBR is successfully applied in a photobioreactor (PBR) configuration for the study of nitrogen metabolism by a mixed high density algal community.

Serie: A Novel Bioreactor for High Density Cultivation of Diverse Microbial Communities

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 ...

Forschung

Biotechnik

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 ...

Microalgae Cultivation and Biomass Quantification in a Bench-Scale Photobioreactor with Corrosive Flue Gases

Photobioreactors are illuminated cultivation systems for experiments on phototrophic microorganisms. These systems provide a sterile environment for microalgal cultivation with temperature, pH, and gas composition and flow rate control. At bench-scale, photobioreactors are advantageous to researchers studying microalgal properties, productivity, and growth optimization. At industrial scales, photobioreactors can maintain product purity and improve production efficiency. The video describes the preparation and use of a bench-scale photobioreactor for microalgal cultivation, including the safe use of corrosive gas inputs, and details relevant biomass measurements and biomass productivity calculations. Specifically, the video illustrates microalgal culture storage and preparation for inoculation, photobioreactor assembly and sterilization, biomass concentration measurements, and a logistic model for microalgal biomass productivity with rate calculations including maximum and overall biomass productivities. Additionally, since there is growing interest in experiments to cultivate microalgae using simulated or real waste gas emissions, the video will cover the photobioreactor equipment adaptations necessary to work with corrosive gases and discuss safe sampling in such scenarios.

Bench-scale, axenic cultivation facilitates microalgal characterization and productivity optimization before subsequent process scale-up. Photobioreactors provide the necessary control for reliable and reproducible microalgal experiments and can be adapted to safely cultivate microalgae with the corrosive gases (CO2, SO2, NO2) from municipal or industrial combustion emissions.

Mikroalgen-Anbau und Biomasse-Quantifizierung in einem Bench-Scale Photobioreaktor mit ätzenden Rauchgasen

Photobioreactors are illuminated cultivation systems for experiments on phototrophic microorganisms. These systems provide a sterile environment for ...

Umwelt

Cultivation of Mammalian Cells Using a Single-use Pneumatic Bioreactor System

Recent advances in mammalian, insect, and stem cell cultivation and scale-up have created tremendous opportunities for new therapeutics and personalized medicine innovations. However, translating these advances into therapeutic applications will require in vitro systems that allow for robust, flexible, and cost effective bioreactor systems. There are several bioreactor systems currently utilized in research and commercial settings; however, many of these systems are not optimal for establishing, expanding, and monitoring the growth of different cell types. The culture parameters most challenging to control in these systems include, minimizing hydrodynamic shear, preventing nutrient gradient formation, establishing uniform culture medium aeration, preventing microbial contamination, and monitoring and adjusting culture conditions in real-time. Using a pneumatic single-use bioreactor system, we demonstrate the assembly and operation of this novel bioreactor for mammalian cells grown on micro-carriers. This bioreactor system eliminates many of the challenges associated with currently available systems by minimizing hydrodynamic shear and nutrient gradient formation, and allowing for uniform culture medium aeration. Moreover, the bioreactor&#8217;s software allows for remote real-time monitoring and adjusting of the bioreactor run parameters. This bioreactor system also has tremendous potential for scale-up of adherent and suspension mammalian cells for production of a variety therapeutic proteins, monoclonal antibodies, stem cells, biosimilars, and vaccines.

Using a pneumatic bioreactor, we demonstrate the assembly, operation, and performance of this single-use bioreactor system for the growth of mammalian cells.

Anbau von Säugetierzellen mit einem Einweg-Bioreaktorsystem Pneumatische

Recent advances in mammalian, insect, and stem cell cultivation and scale-up have created tremendous opportunities for new therapeutics and personalized ...

In situ simulierte anaerobe Methode zur Kultivierung von Umweltmikroben

A Set of In Situ Informed Simulated Medium Formats for Culturing Environmentally Acquired Anaerobic Microorganisms

Culture-dependent research of anaerobic microorganisms rests upon methodological competence. These methods must create and maintain suitable growth conditions (e.g., pH and carbon sources) for anaerobic microorganisms while also allowing samples to be extracted without compromising the artificial environment. To this end, methods that are informed by and simulate an in situ environment can be of great aid in culturing microorganisms from that environment. Here, we outline an in situ informed and simulated anaerobic method for culturing terrestrial surface and subsurface microorganisms, emphasizing anaerobic sample collection with minimal perturbation. This protocol details the production of a customizable anaerobic liquid medium, and the environmental&#160;acquisition and in vitro growth of anaerobic microorganisms. The protocol also covers critical components of an anaerobic bioreactor used for environmental simulations of sediment and anaerobic liquid media for environmentally acquired cultures. We have included preliminary Next Generation Sequencing data from a maintained microbiome over the lifespan of a bioreactor where the active culture dynamically adjusted in response to an experimental carbon source.

Autor im Rampenlicht: Die Geheimnisse terrestrischer anaerober Mikroorganismen in unerforschten Umgebungen durch In-situ-Kultivierung enträtseln

The focus of this paper is to detail best practices for making media for fastidious anaerobic microorganisms acquired from an environment. These methods help manage anaerobic cultures and can be applied to support the growth of elusive uncultured microorganisms, the "microbial dark matter."

Eine Reihe von in situ informierten simulierten Medienformaten für die Kultivierung umweltbedingt erworbener anaerober Mikroorganismen

Culture-dependent research of anaerobic microorganisms rests upon methodological competence. These methods must create and maintain suitable growth ...

Generic Protocol for Optimization of Heterologous Protein Production Using Automated Microbioreactor Technology

A core business in industrial biotechnology using microbial production cell factories is the iterative process of strain engineering and optimization of bioprocess conditions. One important aspect is the improvement of cultivation medium to provide an optimal environment for microbial formation of the product of interest. It is well accepted that the media composition can dramatically influence overall bioprocess performance. Nutrition medium optimization is known to improve recombinant protein production with microbial systems and thus, this is a rewarding step in bioprocess development. However, very often standard media recipes are taken from literature, since tailor-made design of the cultivation medium is a tedious task that demands microbioreactor technology for sufficient cultivation throughput, fast product analytics, as well as support by lab robotics to enable reliability in liquid handling steps. Furthermore, advanced mathematical methods are required for rationally analyzing measurement data and efficiently designing parallel experiments such as to achieve optimal information content.
The generic nature of the presented protocol allows for easy adaption to different lab equipment, other expression hosts, and target proteins of interest, as well as further bioprocess parameters. Moreover, other optimization objectives like protein production rate, specific yield, or product quality can be chosen to fit the scope of other optimization studies. The applied Kriging Toolbox (KriKit) is a general tool for Design of Experiments (DOE) that contributes to improved holistic bioprocess optimization. It also supports multi-objective optimization which can be important in optimizing both upstream and downstream processes.

This manuscript describes a generic approach for tailor-made design of microbial cultivation media. This is enabled by an iterative workflow combining Kriging-based experimental design and microbioreactor technology for sufficient cultivation throughput, which is supported by lab robotics to increase reliability and speed in liquid handling media preparation.

Generischen Protokoll zur Optimierung der heterologen Proteinproduktion mit automatisierten Microbioreactor Technologie

A core business in industrial biotechnology using microbial production cell factories is the iterative process of strain engineering and optimization of ...

Use of High-Throughput Automated Microbioreactor System for Production of Model IgG1 in CHO Cells

Automated microscale bioreactors (15 mL) can be a useful tool for cell culture engineers. They facilitate the simultaneous execution of a wide variety of experimental conditions while minimizing potential process variability. Applications of this approach include: clone screening, temperature and pH shifts,&#160;media and supplement optimization. Furthermore, the small reactor volumes are conducive to large Design of Experiments that investigate a wide range of conditions. This allows upstream processes to be significantly optimized before scale-up where experimentation is more limited in scope due to time and economic constraints. Automated microscale bioreactor systems offer various advantages over traditional small scale cell culture units, such as shake flasks or spinner flasks. However, during pilot scale process development&#160;significant care must be taken to ensure that these advantages are realized. When run with care, the system can enable high level automation, can be programmed to run DOE&#39;s with a higher number of variables&#160;and can reduce sampling time when integrated with a nutrient analyzer or cell counter. Integration of the expert-derived heuristics presented here, with current automated microscale bioreactor experiments can minimize common pitfalls that hinder meaningful results. In the extreme, failure to adhere to the principles laid out here can lead to equipment damage that requires expensive repairs. Furthermore, the microbioreactor systems have small culture volumes&#160;making characterization of cell culture conditions difficult. The number and amount of samples taken in-process in batch mode culture is limited as operating volumes cannot fall below 10 mL. This method will discuss the benefits and drawbacks of microscale bioreactor systems.

A detailed protocol for the concurrent operation of 48 parallel cell cultures under varied conditions in a microbioreactor system is presented. Cell culture process, harvest and subsequent antibody titer analysis are described.

Einsatz von Hochdurchsatz-automatisierte Microbioreactor-System für die Produktion des Modells IgG1 in CHO-Zellen

Automated microscale bioreactors (15 mL) can be a useful tool for cell culture engineers. They facilitate the simultaneous execution of a wide variety of ...

Process Optimization using High Throughput Automated Micro-Bioreactors in Chinese Hamster Ovary Cell Cultivation

Optimization of bioprocesses to increase the yield of desired products is of importance in the biopharmaceutical industry. This can be achieved by strain selection and by developing bioprocess parameters. Shake flasks have been used for this purpose. They, however, lack the capability to control the process parameters such as pH and dissolved oxygen (DO). This limitation can be overcome with the help of an automated micro-bioreactor. These bioreactors mimic cultivation at a larger scale. One of the major advantages of this system is the integration of the Design of Experiment (DOE) in the software. This integration enables establishing a design where multiple process parameters can be varied simultaneously. The critical process parameters and optimum bioprocess conditions can be analyzed within the software. The focus of the work presented here is to introduce the user to the steps involved in process design in the software and incorporation of the DOE within the cultivation run.

Here, we present a detailed procedure to run a Design of Experiment in an automated micro-bioreactor followed by cell harvest and protein quantification using a Protein A column.

Prozessoptimierung mit automatisierten Mikro-Bioreaktoren mit hohem Durchsatz in der chinesischen Hamster-Ovarialzell-Kultivierung

Optimization of bioprocesses to increase the yield of desired products is of importance in the biopharmaceutical industry. This can be achieved by strain ...

A Novel Bioreaktor für High Density Anbau von Diverse mikrobiellen Gemeinschaften

Zusammenfassung

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Kapitel in diesem Video

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

Betrieb einer Tischbioreaktor

Mikroalgen-Anbau und Biomasse-Quantifizierung in einem Bench-Scale Photobioreaktor mit ätzenden Rauchgasen

Anbau von Säugetierzellen mit einem Einweg-Bioreaktorsystem Pneumatische

Eine Reihe von in situ informierten simulierten Medienformaten für die Kultivierung umweltbedingt erworbener anaerober Mikroorganismen

Eine Reihe von in situ informierten simulierten Medienformaten für die Kultivierung umweltbedingt erworbener anaerober Mikroorganismen

Eine Reihe von in situ informierten simulierten Medienformaten für die Kultivierung umweltbedingt erworbener anaerober Mikroorganismen

Generischen Protokoll zur Optimierung der heterologen Proteinproduktion mit automatisierten Microbioreactor Technologie

Einsatz von Hochdurchsatz-automatisierte Microbioreactor-System für die Produktion des Modells IgG1 in CHO-Zellen

Prozessoptimierung mit automatisierten Mikro-Bioreaktoren mit hohem Durchsatz in der chinesischen Hamster-Ovarialzell-Kultivierung