Esta investigación es apoyada con el apoyo del USDA a través de los Institutos Nacionales de la Alimentación y la Agricultura (NIFA), el número de concesión 2007-35504-05381; por concesión no. 58872 de NYSERDA y Nueva York 123 444 a través de los fondos de la Universidad de Cornell, Estación Experimental Agrícola de la fórmula federal de la NIFA USDA.

<ol>
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No hay conflictos de interés declarado.

El sistema de digestión anaerobia se presenta en este artículo se proporciona una introducción general y algunas pautas básicas para el tratamiento de la mayoría de los sustratos en un contexto experimental. La gran variedad de tipos de sustratos, las configuraciones del digestor, los parámetros de funcionamiento, y también a la ecología única de la comunidad microbiana mixta-que subyace a estos sistemas se opone a esbozar duros indicadores cuantitativos, que se pueden aplicar universalmente. A pesar de todo es...

La digestión anaerobia (DA) es una tecnología madura que supone la conversión biológica de complejos mediada por sustratos de desechos orgánicos en biogás útiles con el metano como fuente de energía. Hay muchos beneficios de tratamiento anaeróbico, incluida la energía mínima y los aportes de nutrientes y la producción de biosólidos reducido en comparación con el tratamiento aeróbico 10. Además, la versatilidad de la comunidad microbiana mixta inherente a estos sistemas hace que una amplia variedad de sustratos orgánicos adecuados como materias primas 11,12. De hecho, es debido a estos beneficios que un número creciente de solicitudes de AD se adoptan fuera del tratamiento convencional de aguas residuales municipales, especialmente en los sectores industriales, municipales (por ejemplo, residuos de alimentos), 4,7,13 y agrícola. AD experimentó su primer principio la proliferación importante en la década de 1980 en respuesta a la crisis energética nacional de la década anterior. A medida que el mundo se enfrenta a una creciente crisis mundial de energía,junto con la degradación del medio ambiente, una mayor concentración se encuentra ahora en las tecnologías de biocombustibles y el concepto de residuos en energía en particular. Por ejemplo, en los EE.UU., la digestión anaerobia puede generar 5,5% de la potencia eléctrica total necesita 8. Esto ha aumentado la demanda de bien controlada la investigación experimental en el piloto y escala de laboratorio para evaluar la idoneidad de los nuevos materiales de desecho orgánicos y mezclas de residuos de la digestión anaeróbica 14. Tenemos la intención de proporcionar un modelo genérico para la construcción, la inoculación, el funcionamiento y la supervisión de un digestor anaerobio a escala de laboratorio que será adecuado para las evaluaciones sólidas. Digestores anaerobios existen en muchas configuraciones diferentes. A pocas configuraciones comunes incluyen: continua-reactor de tanque agitado (CSTR), con alimentación continua del afluente; agita continuamente digestor anaeróbico (CSAD) con la alimentación influente periódico, flujo de pistón (PF), una manta lodo anaeróbico de flujo ascendente (UASB), reactor anaeróbico manta de la migración (Ambr), reactor anaeróbico desconcertado (ABR), y el reactor anaerobio por lotes secuenciales (ASBR) configuraciones de 9,15. La configuración de CSTR y CSAD han sido ampliamente adoptados para experimentos a escala de laboratorio, debido a su facilidad de instalación y las condiciones favorables de operación. A causa de mezclado continuo, el tiempo de retención hidráulico (TRH) es igual al tiempo de retención de lodos (SRT). El SRT es el parámetro de diseño importante para los anuncios. La configuración es también conducente a experimentos controlados debido a una mayor uniformidad espacial de parámetros, tales como concentraciones de especies químicas, la temperatura y velocidades de difusión. Hay que señalar, sin embargo, que el óptimo a escala completa de configuración para un digestor anaeróbico depende de las características particulares físicas y químicas del sustrato orgánico entre otros aspectos no técnicos, tales como la calidad del efluente de destino. Por ejemplo, diluir las corrientes de desechos con relativamente alto contenido orgánico soluble y littlpartículas e, como fábrica de cerveza de aguas residuales, por lo general experimentan una mayor conversión de energía en una configuración de flujo ascendente de alta velocidad de biorreactor (por ejemplo, UASB) en lugar de una configuración CSAD. De todos modos, hay parámetros fundamentales de funcionamiento que son esenciales para la digestión exitosa y relevante para todas las configuraciones, lo que justifica una explicación genérica de la utilización de esta configuración. De hecho, todos los sistemas de anuncios que contienen una comunidad diversa y abierta de los microbios anaerobios serie va a metabolizar el sustrato en metano (la final del producto final con la menor energía libre disponible por electrón). Las vías metabólicas implicadas en este proceso constituye una intrincada red alimentaria vagamente categorizados en cuatro etapas tróficas: hidrólisis; acidogénesis; acetogénesis y metanogénesis. En la hidrólisis, complejos polímeros orgánicos (por ejemplo, los hidratos de carbono, lípidos y proteínas) se descomponen en sus respectivos monómeros (por ejemplo, los azúcares de cadena larga de ácidos grasos y aminoácidos) por hydrolyzing, las bacterias fermentativas. En acidogénesis, estos monómeros son fermentados por bacterias acidogénicas a los ácidos grasos volátiles (AGV) y alcoholes, que en acetogénesis, se oxida a acetato e hidrógeno por homoacetogenic y obligatorio que producen hidrógeno-bacterias, respetuosamente 5. En el paso final de metanogénesis, acetato e hidrógeno se metabolizan a metano por metanógenos acetoclastic y hidrogenotróficas. Es importante reconocer que el proceso general de AD, apoyándose en una serie interconectada de los metabolismos de los diferentes grupos de microbios, dependerá de la función con éxito de cada miembro antes de que el sistema como un todo se realice de manera óptima. El diseño y la construcción de un sistema de biorreactor de AD siempre se debe tener en cuenta la obligación de sellar completamente el biorreactor. Las pequeñas fugas en la parte superior del biorreactor (que separa el espacio de cabeza) o en el sistema de manipulación de gas puede ser difícil de detectar, y por lo tanto, el sistema debe ser preSeguro de prueba antes de su uso. Después de asegurarse de una instalación libre de fugas, fallos con los estudios de digestor anaerobio a menudo provienen de errores durante la inoculación, el cultivo, y la operación del día a día. Como resultado, los digestores tiene una reputación de ser intrínsecamente inestable y propensa a fallos inesperados. ¿Por qué es entonces que a gran escala digestores han estado funcionando en condiciones estables durante décadas 13? Si no es probable que se derivan del manejo inadecuado por parte del operador, sobre todo durante el período de puesta en marcha durante el cual la comunidad microbiana deben aclimatarse poco a poco a la composición de los residuos orgánicos y la fuerza. Por lo tanto, nuestro objetivo no es sólo para proporcionar una metodología para la construcción de un sistema de AD, pero para aclarar también los procesos de la inoculación, operación y vigilancia de estos sistemas. La primera sección del artículo se explica cómo construir el reactor de mezcla o el sistema de CSAD, mientras que la segunda sección se aplique un procedimiento para la inoculación con digestor activa methanogbiomasa ENIC. Es más práctico y menos tiempo para inocular con digestores de biomasa metanogénica activa de la. Licor-mezcla o efluente de un digestor operativo que está tratando a un sustrato similar a intentar desarrollar una biomasa suficiente de una incipiente cultura La tercera sección del artículo se cubren las consideraciones de operación, como sustrato de la alimentación, la decantación de efluentes, y solucionar diversos problemas de los reactores. La alimentación de sustrato y decantación de efluentes para este sistema se llevará a cabo en una base semi-continua (es decir, la alimentación periódica y decantación mientras que la mayoría de la biomasa y licor mezclado permanece en el biorreactor). La frecuencia con que se alimenta el digestor / decanta es la prerrogativa del operador. En general, la alimentación / decantación con más frecuencia y en intervalos regulares, promoverá una mayor estabilidad del digestor y la consistencia en el rendimiento entre los ciclos de alimentación. La cuarta sección se presenta un protocolo de monitoreo básico que se utilizará durante la experimental periodo. Varios análisis estándar, que se exponen en los métodos estándar para el Examen de Agua y Aguas Residuales 16 (Tabla 1, 2), se requerirá para la caracterización del sustrato y el seguimiento adecuado del sistema. Además de las variables medidas, un aspecto importante de seguimiento es comprobar que los componentes del sistema digestor están funcionando correctamente. El mantenimiento regular al sistema digestor anticiparse a los problemas principales del sistema que de otro modo podrían poner en peligro el rendimiento a largo plazo y la estabilidad del digestor. Por ejemplo, un fallo del elemento de calentamiento, dando lugar a un descenso de la temperatura, podría causar la acumulación de ácidos grasos volátiles mediante la reducción de la tasa metabólica de metanógenos. Este problema se agrava si el sistema carecía de alcalinidad suficiente para mantener el pH por encima de los niveles de inhibidores de metanógenos. También es importante para detectar posibles fugas y cerrar después de gotas inesperados en rata producción de biogásES. Por lo tanto, la duplicación en el diseño experimental, por ejemplo, la ejecución de dos biorreactores de lado a lado en las condiciones exactas de funcionamiento, es importante para detectar las pérdidas no esperadas de rendimiento causadas por el mal funcionamiento del sistema, tales como pequeñas fugas.

<table border="1"><tbody><tr><td> Reactor Equipo </td><td> Empresa </td><td> Número de catálogo </td><td> Comentarios </td></tr><tr><td> Recirculador climatizada </td><td> VWR Scientific </td><td> VWR 13271-063 </td><td> Para el uso con un sistema de calefacción del reactor chaqueta </td></tr><tr><td> Eléctrico de velocidad variable Agitador de laboratorio </td><td> Cleveland Mixer Co. </td><td> (Modelo 5VB) </td><td> Este modelo facilita mezclador de montaje con un soporte de anillo </td></tr><tr><td> Wet-Tipo de precisión del medidor de gas </td><td> Ritter Gasmeters </td><td> (Modelo TG-01) </td><td> Este modelo necesita un caudal mínimo de (0,1 l / h) y puede manejar un caudal máximo de 30 l / h </td></tr><tr><td> Gas Bubbler </td><td> Chemglass </td><td> (Modelo AF-0513-20) </td><td></td></tr><tr><td> Tubo de gas de muestreo </td><td> Chemglass </td><td> (Modelo CG-1808) </td><td></td></tr><tr> &lt;td&gt; impulsor axial </td><td> Lightnin &#39; </td><td> R04560-25 Cole-Parmer </td><td> Álabes del rodete con 7,9375 mm de diámetro interior </td></tr><tr><td> El impulsor del eje </td><td> Grainger </td><td> 2EXC9 Grainger </td><td> 1,83 m de varilla de acero inoxidable, con 7,9375 mm de diámetro exterior (tiene que ser cortado al tamaño adecuado) </td></tr><tr><td> Soporte de hierro fundido Soportes </td><td> Americana de Productos Educativos </td><td> (Modelo 7-G16) </td><td> Para el montaje de sonido </td></tr><tr><td> Tres espigas de Extensión de la abrazadera </td><td> Garra </td><td> VWR 21572-803 </td><td> Para el montaje de sonido </td></tr><tr><td> Pinza regular </td><td> Garra </td><td> VWR 21572-501 </td><td> Para el montaje de sonido </td></tr><tr><td> Bomba peristáltica </td><td> Masterflex </td><td> WU-07523-80 Cole-Parmer </td><td> Por decantación de efluentes </td></tr><tr><td> L / S estándar cabeza de la bomba </td><td> Masterflex </td><td> EW-07018-21 Cole-Parmer </td><td> Por decantación de efluentesING-cómplice de la bomba peristáltica </td></tr><tr><td> L / S de precisión tubería de la bomba </td><td> Masterflex </td><td> EW-06508-18 Cole-Parmer </td><td> Por decantación de efluentes - accesorio bomba peristáltica </td></tr><tr><td> Equipamiento para análisis / Reactivos </td><td> Empresa </td><td> Número de catálogo </td><td> Comentarios </td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Análisis de pH </td></tr><tr><td> Medidor de pH </td><td> Thermo Fisher Scientific - Orion </td><td> 1212000 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Los sólidos totales y volátiles Análisis (Standard Methods: 2540-B, E) </td></tr><tr><td> Vidrio desecador de vacío </td><td> Kimax </td><td> WU-06.536-30 Cole-Parmer </td><td></td></tr><tr><td> Platos de porcelana de evaporación </td><td> VWR </td><td> VWR 89038-082 </td><td></td></tr><tr><td> Laboratorio Horno </td><td> Thermo Fisher Scientific </td><td> (Modelo 13-246-516GAQ) </td><td></td></tr><tr><td> Cámara Medio Horno de mufla </td><td> Barnstead / Thermolyne </td><td> F6010 Thermo Scientific </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Análisis total de ácidos grasos volátiles (Standard Methods: 5560-C) </td></tr><tr><td> De gran capacidad centrífuga de velocidad variable </td><td> Sigma </td><td> WU-17451-00 Cole-Parmer </td><td></td></tr><tr><td> Laboratorio de Hot Plate </td><td> Thermo Scientific </td><td> (Modelo HP53013A) </td><td></td></tr><tr><td> Condensador grande </td><td> Kemtech Latina </td><td> (Modelo C150190) </td><td></td></tr><tr><td> Reactivo de ácido acético [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; Demanda Química de Oxígeno (Standard Methods: 5520-C) </td></tr><tr><td> COD Calentador del bloque </td><td> HACH </td><td> (Modelo DRB-200) </td><td></td></tr><tr><td> Los tubos de borosilicato Cultura </td><td> Pirex </td><td> (Modelo 9825-13) </td><td></td></tr><tr><td> Reactivo de dicromato de potasio [CAS: 7778-50-9] </td><td> Avantor Performance Materials </td><td> 3090-01 </td><td></td></tr><tr><td> Reactivo Sulfato de Mercurio II [CAS: 7783-35-9] </td><td> Avantor Performance Materials </td><td> 2640-04 </td><td></td></tr><tr><td> Ferroin Indicador Solución [CAS: 14634-91-4] </td><td> Ricca Química </td><td> R3140000-120C </td><td></td></tr><tr><td> Amonio hierro (II) sulfato hexahidrato [CAS: 7783-85-9] </td><td> Alfa Aesar </td><td> 13448-36 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> La composición del gas mediante el análisis de cromatografía de gases </td></tr><tr><td> Cromatógrafo de gases </td><td> SRI Instruments </td><td> Modelo 8610C </td><td> Debe estar equipado con un detector de conductividad térmica (TCD), utilizando una columna de abajo mencionadas y gas portador funcionar a una temperatura isotérmica de 105 ° C </td></tr><tr><td> Gas helio </td><td> Airgas </td><td> El HP300 </td><td> Para ser utilizado como gas portador </td></tr><tr><td> Repleto de columna </td><td> Restek </td><td> 80484-800 </td><td> Para ser utilizado para el N 2, CH 4 y CO 2 de separación </td></tr></tbody></table>

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

La digestión anaerobia (DA) es un proceso biotecnológico que se utiliza comúnmente para convertir los desechos orgánicos complejos en una planta de biogás con metano como útiles 1-3, el portador de energía. Cada vez más, el año está siendo utilizado en los residuos industriales, agrícolas y municipales (agua) las aplicaciones de tratamiento 4,5. El uso de la tecnología AD permite a los operadores de la planta para reducir los costos de eliminación de residuos y compensar los gastos de energía de servicios públicos. Además de tratar los residuos orgánicos, los cultivos energéticos se están convirtiendo en el metano portador de energía 6,7. A medida que la aplicación de la tecnología AD amplía para el tratamiento de nuevos sustratos y mezclas de sustrato co-8, también lo hace la demanda de una metodología de prueba fiable en el piloto y escala de laboratorio. Sistemas de digestión anaeróbica tienen una variedad de configuraciones, incluyendo el reactor de depósito continuamente agitado (CSTR), el flujo de tapón (PF), y el reactor anaeróbico por lotes secuenciales (ASBR) configuraciones 9 </sup&gt;. El CSTR se utiliza frecuentemente en la investigación debido a su simplicidad en el diseño y operación, sino también por sus ventajas en la experimentación. En comparación con otras configuraciones, el CSTR proporciona una mayor uniformidad de los parámetros del sistema, tales como temperatura, concentración de la mezcla, química, y la concentración de sustrato. En última instancia, al diseñar un reactor a escala completa, la configuración del reactor óptimo dependerá de la naturaleza de un sustrato dado entre muchas otras consideraciones no técnicas. Sin embargo, todas las configuraciones comparten características fundamentales de diseño y parámetros de operación que hacen que el CSTR apropiado para la mayoría de las evaluaciones preliminares. Si los investigadores y los ingenieros utilizan una corriente del afluente, con concentraciones relativamente altas de sólidos, y luego a escala de laboratorio configuraciones de biorreactores no puede ser alimentado de forma continua, debido a problemas de taponamiento de las bombas a escala de laboratorio con los sólidos, o la sedimentación de sólidos en la tubería. Para ese escenario, con continuos requerimientos de mezcla, a escala de laboratorio biorreactores se alimentan periódicamentey nos referimos a este tipo de configuraciones como se agita continuamente digestores anaeróbicos (CSADs). Este artículo presenta una metodología general para la construcción, la inoculación, operar y controlar un sistema CSAD con el propósito de poner a prueba la idoneidad de un determinado sustrato orgánico a largo plazo de digestión anaerobia. La sección de construcción de este artículo cubrirá la construcción del sistema de reactor a escala de laboratorio. La sección de la inoculación se explica cómo crear un ambiente anaerobio adecuado para la siembra con un inóculo metanogénica activa. La sección de operación cubrirá la operación, mantenimiento y solución de problemas. La sección de control presentará protocolos de pruebas mediante análisis estándar. El uso de estas medidas es necesaria para las evaluaciones experimentales fiables de idoneidad sustrato para la EA. Este protocolo deberá proporcionar una mayor protección en contra de un error común en los estudios de AD, que es a la conclusión de que el fracaso del reactor fue causado por el sustrato in uso, cuando en realidad era una operación inadecuada del usuario 10.

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

A escala de laboratorio digestores anaeróbicos permitirá a los científicos para investigar nuevas formas de optimizar las aplicaciones existentes de la biotecnología anaeróbica y para evaluar el potencial de producción de metano de los diversos residuos orgánicos. Este artículo presenta un modelo generalizado para la construcción, la inoculación, la operación y el seguimiento de una escala de laboratorio se agita continuamente digestor anaeróbico.

Continuamente agitado digestor anaeróbico para convertir los desechos orgánicos en biogás: configuración del sistema y funcionamiento básico

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

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Bioengineering

33.6K vistas.  Cornell University. A escala de laboratorio digestores anaeróbicos permitirá a los científicos para investigar nuevas formas de optimizar las aplicaciones existentes de la biotecnología anaeróbica y para evaluar el potencial de producción de metano de los diversos residuos orgánicos. Este artículo presenta un modelo generalizado para la construcción, la inoculación, la operación y el seguimiento de una escala de laboratorio se agita continuamente digestor anaeróbico.

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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.

Diseño de un biorreactor de presión cíclica de la Ex Vivo Estudio de las válvulas aórtica del corazón

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

Investigación

Bioingeniería

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.

La operación de un biorreactor de sobremesa

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

Sensing of Barrier Tissue Disruption with an Organic Electrochemical Transistor

The gastrointestinal tract is an example of barrier tissue that provides a physical barrier against entry of pathogens and toxins, while allowing the passage of necessary ions and molecules. A breach in this barrier can be caused by a reduction in the extracellular calcium concentration. This reduction in calcium concentration causes a conformational change in proteins involved in the sealing of the barrier, leading to an increase of the paracellular flux. To mimic this effect the calcium chelator ethylene glycol-bis(beta-aminoethyl ether)-N,N,N&#39;,N&#39;-tetra acetic acid (EGTA) was used on a monolayer of cells known to be representative of the gastrointestinal tract. Different methods to detect the disruption of the barrier tissue already exist, such as immunofluorescence and&#160;permeability assays. However, these methods are time-consuming and costly and not suited to dynamic or high-throughput measurements. Electronic methods for measuring barrier tissue integrity also exist for measurement of the transepithelial resistance (TER), however these are often costly and complex. The development of rapid, cheap, and sensitive methods is urgently needed as the integrity of barrier tissue is a key parameter in drug discovery and pathogen/toxin diagnostics. The organic electrochemical transistor (OECT) integrated with barrier tissue forming cells has been shown as a new device capable of dynamically monitoring barrier tissue integrity. The device is able to measure minute variations in ionic flux with unprecedented temporal resolution and sensitivity, in real time, as an indicator of barrier tissue integrity. This new method is based on a simple device that can be compatible with high throughput screening applications and fabricated at low cost.

The Organic Electrochemical Transistor is integrated with live cells and used to monitor ion flux across the gastrointestinal epithelial barrier. In this study, an increase in ion flux, related to disruption of tight junctions, induced by the presence of the calcium chelator EGTA (ethylene glycol-bis(beta-aminoethyl ether)-N,N,N',N'-tetra acetic acid), is measured.

Detección de barrera interrupción del tejido con un transistor orgánico Electroquímica

The gastrointestinal tract is an example of barrier tissue that provides a physical barrier against entry of pathogens and toxins, while allowing the ...

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.

Química húmeda y el péptido Inmovilización de politetrafluoroetileno para la adhesión celular mejorada

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.

Seca de la película basada en la fotoresistencia el Biosensor electroquímico de microfluidos plataforma: Fabricación de dispositivo, preparación del análisis de la en-viruta y el funcionamiento del sistema

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.

Litografía de haz de iones enfocado a etch nano-arquitecturas en microelectrodos

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

Magnetic-, Acoustic-, and Optical-Triple-Responsive Microbubbles for Magnetic Hyperthermia and Pothotothermal Combination Cancer Therapy

The precision delivery of anti-cancer agents which aim for targeted and deep-penetrated delivery as well as a controlled release at the tumor site has been challenged. Here, we fabricate iron oxide nanoparticle shelled microbubbles (NSMs) through self-assembly, synergizing magnetic, acoustic, and optical responsiveness in one nanotherapeutic platform. Iron oxide nanoparticles serve as both magnetic and photothermal agents. Once intravenously injected, NSMs can be magnetically guided to the tumor site. Ultrasound triggers the release of iron oxide nanoparticles, facilitating the penetration of nanoparticles deep into the tumor due to the cavitation effect of microbubbles. Thereafter, magnetic hyperthermia and photothermal therapy can be performed on the tumor for combinational cancer therapy, a solution for cancer resistance due to the tumor heterogeneity. In this protocol, the synthesis and characterization of NSMs including structural, chemical, magnetic and acoustic properties were performed. In addition, the anti-cancer efficacy by thermal therapy was investigated using in vitro cell cultures. The proposed delivery strategy and combination therapy holds great promise in cancer treatment to improve both delivery and anticancer efficacies.

Presented here is a protocol for the fabrication of iron oxide nanoparticle-shelled microbubbles (NSMs) through self-assembly, synergizing magnetic, acoustic, and optical responsiveness in one nanotherapeutic platform for magnetic hyperthermia and photothermal combination cancer therapy.

Microburbujas magnéticas, acústicas y ópticas de triple respuesta para la hipertermia magnética y la terapia combinada de cáncer potototérmico

The precision delivery of anti-cancer agents which aim for targeted and deep-penetrated delivery as well as a controlled release at the tumor site has ...

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.

Autoensamble de ácidos nucleicos de péptidos modificados con gamma en nanoestructuras complejas en mezclas de disolventes orgánicos

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.