Cette recherche est soutenue est pris en charge par l&#39;USDA par le National Institutes of alimentation et l&#39;agriculture (NIFA), numéro d&#39;obtention 2007-35504-05381; par voie de subvention non. 58872 à partir NYSERDA et New York-123444 grâce à des fonds de la Station de l&#39;Université Cornell Agricultural Experiment de formule fédérale de la NIFA USDA.

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Pas de conflits d&#39;intérêt déclarés.

Le système de digestion anaérobie présenté dans cet article fournit une introduction générale et quelques directives de base pour le traitement de la plupart des substrats dans un contexte expérimental. La grande variété de types de substrats, les configurations de digestion, les paramètres de fonctionnement, et aussi l&#39;écologie unique de la communauté microbienne mixte qui sous-tend ces systèmes empêche décrivant durs mesures quantitatives, qui peuvent être appliqués universellement. Malgré toute ...

La digestion anaérobie (AD) est une technologie mature impliquant la conversion biologique de médiation complexes substrats de déchets organiques en biogaz utiles avec du méthane comme source d&#39;énergie. Il ya de nombreux avantages de traitement anaérobie, y compris un minimum d&#39;énergie et les apports de nutriments et la réduction de la production des biosolides par rapport au traitement aérobie 10. En outre, la polyvalence de la communauté microbienne mixte inhérent à ces systèmes rend une grande variété de substrats organiques appropriés en tant que matières premières 11,12. En effet, elle est due à ces avantages qu&#39;un nombre croissant de demandes d&#39;AD sont en cours d&#39;adoption en dehors du traitement conventionnel des eaux usées municipales, en particulier dans les secteurs industriels, municipaux (par exemple, les déchets alimentaires), et de l&#39;agriculture 4,7,13. AD a connu son premier commencement prolifération dans les années 1980 en réponse à la crise de l&#39;énergie nationale de la décennie précédente. Comme le monde est confronté à une crise de l&#39;énergie mondiale croissante,couplé à la dégradation de l&#39;environnement, mettre davantage l&#39;accent est maintenant mis sur les technologies des biocarburants et le concept des déchets à l&#39;énergie en particulier. Par exemple, aux États-Unis, la digestion anaérobie peut générer 5,5% de la puissance électrique totale doit 8. Cela a augmenté la demande pour le bien-contrôlé de recherche expérimentale sur le pilote et l&#39;échelle du laboratoire pour évaluer la pertinence des nouveaux matériaux de déchets organiques et les mélanges de déchets pour la digestion anaérobie 14. Nous avons l&#39;intention de fournir un modèle générique pour la construction, l&#39;inoculation, l&#39;exploitation et la surveillance d&#39;un digesteur anaérobie à l&#39;échelle laboratoire qui sera adapté pour les évaluations robustes. Les digesteurs anaérobies existent dans de nombreuses configurations différentes. Quelques configurations communs comprennent: continu-réacteur à réservoir agité (CSTR) avec une alimentation continue affluents; agité en continu digesteur anaérobie (CSAD) avec l&#39;alimentation affluent périodique; écoulement piston (PF), refoulement de boue anaérobie blanchet (UASB); anaérobie réacteur à lit de la migration (Ambr); anaérobie réacteur à chicanes (ABR), et anaérobie réacteur discontinu de séquençage (ASBR) 9,15 configurations. La configuration CSTR et CSAD ont été largement adopté pour l&#39;échelle du laboratoire des expériences en raison de sa facilité de configuration et les conditions d&#39;exploitation favorables. Raison de mélange continu, le temps de rétention hydraulique (HRT) est égal au temps de rétention des boues (SRT). Le SRT est le paramètre important de la conception de l&#39;ADS. La configuration est également propice à des expériences contrôlées en raison d&#39;une plus grande uniformité spatiale des paramètres, tels que les concentrations des espèces chimiques, la température, et les taux de diffusion. Il convient de noter, cependant, que la pleine échelle optimale de configuration pour un digesteur anaérobie repose sur les qualités physiques et chimiques particulières du substrat organique parmi d&#39;autres aspects non techniques, tels que la qualité des effluents cible. Par exemple, diluer les flux de déchets avec teneur relativement élevée en organique soluble et littlparticules e, tels que la brasserie des eaux usées, généralement l&#39;expérience de conversion énergétique dans une configuration de haut-débit ascendant bioréacteur (par exemple, UASB) plutôt que d&#39;une configuration CSAD. Peu importe, il ya des paramètres d&#39;exploitation fondamentaux qui sont essentiels à la digestion réussie et pertinente à toutes les configurations, qui justifient une explication générique de cette configuration. En effet, chaque système AD contenant une société diverse, communauté ouverte de microbes anaérobies série métaboliser le substrat pour le méthane (la finale du produit final avec le moins d&#39;énergie disponible gratuitement par électron). Les voies métaboliques impliquées dans ce processus constituent un réseau alimentaire complexe vaguement classés en quatre étapes trophiques: l&#39;hydrolyse; acidogénèse; acétogénèse et méthanogénèse. Dans l&#39;hydrolyse, complexes polymères organiques (par exemple, des hydrates de carbone, des lipides et des protéines) sont répartis à leurs monomères respectifs (par exemple, les sucres, les acides gras à longue chaîne, et les acides aminés) par hydrolyzing, bactéries fermentaires. En acidogénèse, ces monomères sont fermentés par les bactéries acidogènes à des acides gras volatils (AGV) et les alcools, qui acétogénèse, sont en outre oxydés en acétate et d&#39;hydrogène par homoacetogenic et obligatoire hydrogène bactéries productrices, respectueusement 5. Dans l&#39;étape finale de la méthanogénèse, l&#39;acétate et l&#39;hydrogène sont métabolisés au méthane par les méthanogènes acetoclastic et hydrogénotrophe. Il est important de reconnaître que le processus de AD globale, en s&#39;appuyant sur une série interconnectée des métabolismes par les différents groupes de microbes, dépendra de la fonction réussie de chaque membre avant que le système dans son ensemble de manière optimale. La conception et la construction d&#39;un système de bioréacteur AD devrait toujours prendre en considération l&#39;obligation de sceller complètement le bioréacteur. Les petites fuites dans le top du bioréacteur (séparation l&#39;espace de tête) ou dans le système de gaz de traitement peut être difficile à détecter, et donc le système doit être la pressionvous testé avant son utilisation. Après s&#39;être assuré une installation sans fuite, échecs avec des études de digesteurs anaérobies souvent attribuables à des erreurs lors de l&#39;inoculation, la culture, et au jour le jour le fonctionnement. En conséquence, les digesteurs ont une réputation comme étant intrinsèquement instable et enclin à l&#39;échec inattendu. Pourquoi est-il alors que la pleine échelle digesteurs ont été opérés dans des conditions stables pendant des décennies 13? L&#39;échec est susceptible de provenir de mauvaise manipulation par l&#39;opérateur, en particulier pendant la période de démarrage au cours de laquelle la communauté microbienne doit s&#39;acclimater lentement à la composition des déchets organiques et de la force. Par conséquent, notre objectif n&#39;est pas seulement de fournir une méthodologie pour construire un système AD, mais aussi d&#39;élucider les processus de l&#39;inoculation, l&#39;exploitation et la surveillance de ces systèmes. La première section de l&#39;article va vous expliquer comment construire le CSTR ou d&#39;un système CSAD, tandis que la deuxième section d&#39;une procédure de digesteur inoculation avec actif methanogbiomasse ENIC. Il est plus pratique et moins de temps pour inoculer digesteurs de biomasse avec méthanogène actif de la. De la liqueur mixte ou de l&#39;effluent d&#39;un digesteur d&#39;exploitation qui est le traitement d&#39;un substrat similaire à celle de tenter de développer une biomasse suffisante à partir d&#39;une culture naissante La troisième section de l&#39;article portera sur des considérations d&#39;exploitation, tels que substrat d&#39;alimentation, la décantation des effluents, et le dépannage des problèmes de réacteurs différents. Nourrir substrat et la décantation des effluents de ce système sera réalisée sur une base semi-continu (c.-à-alimentation périodique et décantation alors que la plupart de la biomasse et de la liqueur mixte reste dans le bioréacteur). La fréquence à laquelle le digesteur est alimenté / décanté est la prérogative de l&#39;opérateur. En général, l&#39;alimentation / décantation plus fréquemment et à intervalles réguliers de promouvoir une plus grande stabilité digesteur et la cohérence de la performance entre les cycles d&#39;alimentation. La quatrième section présentera un protocole de surveillance de base à utiliser lors de l&#39;expériencepériode rimentale. Plusieurs analyses standard, qui sont décrites dans les méthodes normalisées pour l&#39;examen de l&#39;eau et des eaux usées 16 (tableau 1, 2), sera nécessaire pour la caractérisation du substrat et le suivi correct du système. En plus des variables mesurées, un aspect important de la surveillance est de vérifier que les composants du système de digestion fonctionnent correctement. L&#39;entretien régulier du système digesteur anticiper les problèmes majeurs du système qui pourraient autrement mettre en péril la performance à long terme et la stabilité du digesteur. Par exemple, une défaillance de l&#39;élément chauffant, ce qui conduit à une baisse de la température, peut provoquer l&#39;accumulation d&#39;acides gras volatils en réduisant le taux métabolique de bactéries méthanogènes. Ce problème serait aggravé si le système n&#39;avait pas alcalinité suffisante pour maintenir le pH au-dessus des niveaux d&#39;inhibition pour les méthanogènes. Il est également important de détecter et fermer les fuites possibles après des chutes inattendues chez le rat la production de biogazes. Par conséquent, la duplication dans la conception expérimentale, par exemple, l&#39;exécution de deux bioréacteurs side-by-side dans les conditions de fonctionnement exactes, est important pour détecter les pertes de performances inattendues causées par un dysfonctionnement du système, tels que les petites fuites.

<table border="1"><tbody><tr><td> Équipement d&#39;un réacteur </td><td> Entreprise </td><td> Numéro de catalogue </td><td> Commentaires </td></tr><tr><td> Recirculateur chauffée </td><td> VWR Scientific </td><td> 13271-063 VWR </td><td> Pour une utilisation avec un système de réacteur de chauffage gaine </td></tr><tr><td> Électrique à vitesse variable Agitateur de laboratoire </td><td> Cleveland Mixer Co. </td><td> (Modèle 5VB) </td><td> Ce modèle mélangeur facilite le montage avec un support universel </td></tr><tr><td> Wet-type de compteur de gaz de précision </td><td> Ritter Gasmeters </td><td> (Modèle TG-01) </td><td> Ce modèle a besoin d&#39;un débit minimum de (0,1 L / h) et peut traiter un débit maximal de 30 L / h </td></tr><tr><td> Gaz barboteur </td><td> Chemglass </td><td> (Modèle AF-0513-20) </td><td></td></tr><tr><td> Tube d&#39;échantillonnage de gaz </td><td> Chemglass </td><td> (Modèle CG-1808) </td><td></td></tr><tr> &lt;td&gt; Turbine axiale </td><td> Lightnin &#39; </td><td> R04560-25-Cole Parmer </td><td> Pales de la turbine avec 7,9375 mm de diamètre, </td></tr><tr><td> Arbre de la couronne </td><td> Grainger </td><td> 2EXC9 Grainger </td><td> 1,83 m en acier inoxydable avec tige 7,9375 mm de diamètre extérieur (doit être coupé à la taille appropriée) </td></tr><tr><td> Support en fonte Stands </td><td> Américains Produits éducatifs </td><td> (Modèle 7-G16) </td><td> Pour mélangeur de montage </td></tr><tr><td> Clamp prolongation de trois Prong </td><td> Talon </td><td> 21572-803 VWR </td><td> Pour mélangeur de montage </td></tr><tr><td> Titulaire régulier Clamp </td><td> Talon </td><td> 21572-501 VWR </td><td> Pour mélangeur de montage </td></tr><tr><td> Pompe péristaltique </td><td> Masterflex </td><td> WU-07523-80-Cole Parmer </td><td> Pour les effluents de décantation </td></tr><tr><td> L / S Tête de pompe standard </td><td> Masterflex </td><td> EW-07018-21-Cole Parmer </td><td> Pour décanter les effluentsING-accessoire pour pompe péristaltique </td></tr><tr><td> L / S Tube de pompe de précision </td><td> Masterflex </td><td> EW-06508-18-Cole Parmer </td><td> Pour les effluents de décantation - accessoire pour pompe péristaltique </td></tr><tr><td> Appareils d&#39;analyse / Réactifs </td><td> Entreprise </td><td> Numéro de catalogue </td><td> Commentaires </td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Analyse du pH </td></tr><tr><td> pH-mètre </td><td> Thermo Fisher Scientific - Orion </td><td> 1212000 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Total et volatile Analyse des solides (méthodes standard: 2540-B, E) </td></tr><tr><td> Dessiccateur à vide en verre </td><td> Kimax </td><td> WU-06536-30-Cole Parmer </td><td></td></tr><tr><td> Porcelaine d&#39;évaporation Plats </td><td> VWR </td><td> 89038-082 VWR </td><td></td></tr><tr><td> Four Lab </td><td> Thermo Fisher Scientific </td><td> (Modèle 13-246-516GAQ) </td><td></td></tr><tr><td> Moyen Four à moufle Chambre </td><td> Barnstead / Thermolyne </td><td> F6010 Thermo Scientific </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Analyse totale d&#39;acides gras volatils (Méthodes standard: 5560-C) </td></tr><tr><td> Grande Vitesse Centrifugeuse Capacité variable </td><td> Sigma </td><td> WU-17451-00-Cole Parmer </td><td></td></tr><tr><td> Laboratoire Hot Plate </td><td> Thermo Scientific </td><td> (Modèle HP53013A) </td><td></td></tr><tr><td> À condensateur à large </td><td> Kemtech Amérique </td><td> (Modèle C150190) </td><td></td></tr><tr><td> Réactif Acide acétique [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; Demande Chimique en Oxygène (Méthodes standard: 5520-C) </td></tr><tr><td> Chauffe-bloc COD </td><td> HACH </td><td> (Modèle DRB-200) </td><td></td></tr><tr><td> Les tubes de culture borosilicaté </td><td> Pyrex </td><td> (Modèle 9825-13) </td><td></td></tr><tr><td> Réactif bichromate de potassium [CAS: 7778-50-9] </td><td> Performance Materials Avantor </td><td> 3090-01 </td><td></td></tr><tr><td> Réactif Mercure sulfate II [CAS: 7783-35-9] </td><td> Performance Materials Avantor </td><td> 2640-04 </td><td></td></tr><tr><td> Ferroïne Indicateur Solution [CAS: 14634-91-4] </td><td> Ricca chimique </td><td> R3140000-120C </td><td></td></tr><tr><td> Ammonium et de fer (II) sulfate hexahydrate [CAS: 7783-85-9] </td><td> Alfa Aesar </td><td> 13448-36 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Composition du gaz par chromatographie en phase gazeuse </td></tr><tr><td> Chromatographe en phase gazeuse </td><td> SRI Instruments </td><td> Modèle 8610C </td><td> Doit être équipé d&#39;un détecteur de conductibilité thermique (TCD), à l&#39;aide de colonne mentionnée ci-dessous et de gaz porteur utilisé à une température isothermique de 105 ° C </td></tr><tr><td> Hélium gaz </td><td> Airgas </td><td> Il HP300 </td><td> À être utilisé comme gaz porteur </td></tr><tr><td> Emballé-Colonne </td><td> Restek </td><td> 80484-800 </td><td> Pour être utilisée que pour N 2, CH 4 et CO 2 de séparation </td></tr></tbody></table>

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

La digestion anaérobie (DA) est un bioprocédé qui est couramment utilisé pour convertir les déchets organiques complexes en biogaz utiles avec du méthane comme le vecteur énergétique 1-3. De plus en plus, AD est utilisé dans l&#39;industrie, les déchets agricoles et municipaux (eau) des applications de traitement 4,5. L&#39;utilisation de la technologie AD permet aux exploitants de réduire les coûts d&#39;élimination des déchets et de compenser les dépenses des services publics d&#39;énergie. En plus de traiter les déchets organiques, les cultures énergétiques sont convertis en le méthane vecteur d&#39;énergie 6,7. Comme l&#39;application de la technologie AD élargit pour le traitement de nouveaux substrats et co-substrat mélanges 8, tout comme la demande pour une méthodologie de test fiable sur le pilote et l&#39;échelle du laboratoire. Des systèmes de digestion anaérobie ont une variété de configurations, y compris le réacteur à réservoir agité en continu (CSTR), les flux de bouchon (PF), et anaérobie réacteur discontinu de séquençage (ASBR) 9 configurations </sup&gt;. Le CSTR est fréquemment utilisé dans la recherche en raison de sa simplicité dans la conception et le fonctionnement, mais aussi pour ses avantages en matière d&#39;expérimentation. Comparé à d&#39;autres configurations, le CSTR fournit une plus grande uniformité des paramètres du système, comme la température, le mélange, la concentration chimique et la concentration du substrat. En fin de compte, lors de la conception d&#39;un réacteur à pleine échelle, la configuration du réacteur optimal dépendra de la nature d&#39;un substrat donné parmi beaucoup d&#39;autres considérations non techniques. Cependant, toutes les configurations de partager les caractéristiques de conception fondamentaux et des paramètres de fonctionnement qui rendent le CSTR approprié pour la plupart des évaluations préliminaires. Si les chercheurs et les ingénieurs utilisent un courant affluent avec des concentrations relativement élevées de matières solides, puis configurations de bioréacteurs à l&#39;échelle du laboratoire ne peut pas être alimenté en continu en raison de problèmes de brancher l&#39;échelle du laboratoire pompes avec des solides ou le dépôt des solides dans la tubulure. Pour ce scénario avec les exigences continues de mélange, de laboratoire échelle des bioréacteurs sont alimentés régulièrementet nous nous référons à des configurations telles que continuellement agité digesteurs anaérobies (CSADs). Cet article présente une méthodologie générale pour la construction, l&#39;inoculation, l&#39;exploitation et la surveillance d&#39;un système de CSAD pour le but de tester l&#39;aptitude d&#39;un substrat organique donné à long terme la digestion anaérobie. La section de la construction de cet article portera sur la construction du système de réacteur de laboratoire échelle. La section inoculation allons vous expliquer comment créer un environnement anaérobie approprié pour le semis avec un inoculum actif méthanogène. La section de fonctionnement couvrira exploitation, l&#39;entretien et le dépannage. La section de surveillance présentera protocoles d&#39;essai en utilisant des analyses standard. L&#39;utilisation de ces mesures est nécessaire pour des évaluations fiables des expériences d&#39;aptitude substrat pour AD. Ce protocole devrait fournir une meilleure protection contre une erreur commune faite dans les études AD, qui est de conclure que l&#39;échec du réacteur a été provoqué par le substrat in utilisation, alors qu&#39;en réalité il était mauvaise opération de l&#39;utilisateur 10.

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

L&#39;échelle du laboratoire digesteurs anaérobies permettre aux scientifiques de la recherche de nouvelles façons d&#39;optimiser les applications existantes de la biotechnologie anaérobie et d&#39;évaluer le potentiel du méthane production de divers déchets organiques. Cet article présente un modèle généralisé pour la construction, l&#39;inoculation, l&#39;exploitation et la surveillance d&#39;un laboratoire échelle agité en continu digesteur anaérobie.

Continu agité digesteur anaérobie pour convertir les déchets organiques en biogaz: configuration du système et le fonctionnement de base

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 ...

continuously-stirred-anaerobic-digester-to-convert-organic-wastes

Research

JoVE Journal

Bioengineering

33.6K vues.  Cornell University. L'échelle du laboratoire digesteurs anaérobies permettre aux scientifiques de la recherche de nouvelles façons d'optimiser les applications existantes de la biotechnologie anaérobie et d'évaluer le potentiel du méthane production de divers déchets organiques. Cet article présente un modèle généralisé pour la construction, l'inoculation, l'exploitation et la surveillance d'un laboratoire échelle agité en continu digesteur anaérobie.

Vidéo: 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.

Conception d&#39;un bioréacteur pour la pression cyclique Ex Vivo Étude des valves cardiaques aortiques

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

Recherche

Bio-ingénierie

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.

Microfluidique picolitres bioréacteur pour Analyse microbienne unicellulaire: Fabrication, configuration du système, et l&#39;opération

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.

Fonctionnement d&#39;un bioréacteur de laboratoire

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.

Détection de perturbation des tissus barrière avec un transistor électrochimique organique

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.

Wet Chemistry and Peptide Immobilisation sur polytétrafluoroéthylène pour l&#39;amélioration de l&#39;adhérence cellulaire

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.

Feuil sec axée sur la résine photosensible de biocapteurs microfluidiques électrochimiques plate-forme : Fabrication de dispositifs, préparation de dosage sur puce et fonctionnement du système

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.

Lithographie focalisée de faisceau d'ion à Etch Nano-architectures dans des microélectrodes

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.

Microbulles magnétiques, acoustiques et optiques triple-réactives pour l’hyperthermie magnétique et la thérapie du cancer combinée pothototherme

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.

Auto-assemblage d’acides nucléiques peptides gamma modifiés en nanostructures complexes dans des mélanges de solvants organiques

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.