מחקר זה נתמך נתמך על ידי משרד החקלאות האמריקאי באמצעות המכון הלאומי המזון והחקלאות (NIFA), מספר מענק 2007-35504-05381, על ידי מענק לא. 58872 מ NYSERDA ו-NYC 123444 באמצעות כספים פדרליים אוניברסיטת קורנל תחנה חקלאית של ניסוי נוסחה NIFA USDA.

<ol>
	<li>Dague, R. R., McKinney, R. E., Pfeffer, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solids+retention+in+anaerobic+waste+treatment+systems.">Solids retention in anaerobic waste treatment systems.</a> J. Water Pollut. Control Fed. 42, R29-R46 (1970).</li><li>McCarty, P. L., Smith, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anaerobic+wastewater+treatment.">Anaerobic wastewater treatment.</a> Environ. Sci. Technol. 20, 1200-1206 (1986).</li><li>Lettinga, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anaerobic+digestion+and+wastewater+treatment+systems.">Anaerobic digestion and wastewater treatment systems.</a> Antonie Van Leeuwenhoek. 67, 3-28 (1995).</li><li>De Baere, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anaerobic+digestion+of+solid+waste:+state-of-the-art.">Anaerobic digestion of solid waste: state-of-the-art.</a> Water Sci. Technol. 41, 283-290 (2000).</li><li>Angenent, L. T., Karim, K., Al-Dahhan, M. H., Wrenn, B. A., Dom&#237;nguez-Espinosa, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Production+of+bioenergy+and+biochemicals+from+industrial+and+agricultural+wastewater.">Production of bioenergy and biochemicals from industrial and agricultural wastewater.</a> Trends Biotechnol. 22, 477-485 (2004).</li><li>Jewell, W. J., Cummings, R. J., Richards, B. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Methane+fermentation+of+energy+crops+-+maximum+conversion+kinetics+and+in-situ+biogas+purification.">Methane fermentation of energy crops - maximum conversion kinetics and in-situ biogas purification.</a> Biomass &#38; Bioenergy. 5, 261-278 (1993).</li><li>Weiland, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomass+digestion+in+agriculture:+A+successful+pathway+for+the+energy+production+and+waste+treatment+in+Germany.">Biomass digestion in agriculture: A successful pathway for the energy production and waste treatment in Germany.</a> Eng. Life Sci. 6, 302-309 (2006).</li><li>Zaks, D. P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Contribution+of+anaerobic+digesters+to+emissions+mitigation+and+electricity+generation+under+U.S.+climate+policy.">Contribution of anaerobic digesters to emissions mitigation and electricity generation under U.S. climate policy.</a> Environ. Sci. Technol. 45, 6735-6742 (2011).</li><li>Tchobanoglous, G., Burton, F. L., Stensel, H. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Wastewater Engineering, Treatment and Reuse: Metcalf &#38; Eddy. , (2003).</li><li>Speece, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Anaerobic Biotechnology for Industrial Wastewaters. , (1996).</li><li>Kleerebezem, R., van Loosdrecht, M. C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mixed+culture+biotechnology+for+bioenergy+production.">Mixed culture biotechnology for bioenergy production.</a> Curr. Opin. Biotechnol. 18, 207-212 (2007).</li><li>Angenent, L. T., Wrenn, B. A., Wall, J., Harwood, C. S., Demain, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chp.+15.">Chp. 15.</a> Bioenergy. , (2008).</li><li>Werner, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bacterial+community+structures+are+unique+and+resilient+in+full-scale+bioenergy+systems.">Bacterial community structures are unique and resilient in full-scale bioenergy systems.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108, 4158-4163 (2011).</li><li>Holm-Nielsen, J. B., Al Seadi, T., Oleskowicz-Popiel, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+future+of+anaerobic+digestion+and+biogas+utilization.">The future of anaerobic digestion and biogas utilization.</a> Bioresour. Technol. 100, 5478-5484 (2009).</li><li>Hoffmann, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+shear+on+performance+and+microbial+ecology+of+completely-stirred+anaerobic+digesters+treating+animal+manure.">Effect of shear on performance and microbial ecology of completely-stirred anaerobic digesters treating animal manure.</a> Biotechnol. Bioeng. 100, 38-48 (2008).</li><li>Clesceri, L. S., Greenberg, A. E., Eaton, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. , (1998).</li><li>Amani, T., Nosrati, M., Sreekrishnan, T. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anaerobic+digestion+from+the+viewpoint+of+microbiological,+chemical,+and+operational+aspects:+a+review.">Anaerobic digestion from the viewpoint of microbiological, chemical, and operational aspects: a review.</a> Environmental Reviews. 18, 255-278 (2010).</li></ol>

אין ניגוד עניינים הצהיר.

מערכת עיכול אנאירובי שהוצג במאמר זה מספק מבוא כללי ועוד כמה הנחיות בסיסיות לטיפול ברוב מצעים במסגרת ניסיונית. מגוון רחב של סוגי המצע, תצורות digester, פרמטרים הפועלים, וכן את האקולוגיה הייחודית של הקהילה מעורבים חיידקים אלה שבבסיס מערכות מונע מתאר מדדים כמותיים קשיחים, ?...

עיכול אנאירובי (AD) היא טכנולוגיה בשלה מעורבים בתיווך המרה ביולוגית של מורכבות מצעים פסולת אורגנית אל תוך ביוגז שימושיים עם מתאן כנשא אנרגיה. ישנם יתרונות רבים של טיפול אנאירובי, כולל אנרגיה מינימלית ותשומות מזין מופחת ייצור biosolids בהשוואה לטיפול אירובית 10. בנוסף, את הרבגוניות של קהילת חיידקים מעורבת הגלום במערכות אלו הופך מגוון רחב של מצעים אורגניים מתאימים כמו ממקורות 11,12. אכן, בשל היתרונות הללו, כי מספר גדל והולך של יישומים עבור לספירה הם מאומצים מחוץ טיפול קונבנציונלי שפכים עירוניים, בעיקר את ענפי התעשייה, עירוניים (כגון: פסולת מזון), וחקלאי 4,7,13. AD חווה תחילת התפשטות הגדול הראשון שלה בשנת 1980 בתגובה למשבר האנרגיה הלאומית של העשור הקודם. כל העולם עומד בפני משבר האנרגיה העולמי הולך וגדל,יחד עם הידרדרות הסביבה, התמקדות רבה יותר בימים אלה מונחת על טכנולוגיות דלק ביולוגי ואת המושג פסולת אל האנרגיה בפרט. לדוגמה, בארצות הברית, עיכול אנאירובי יכולים להפיק 5.5% של החשמל בסך הכל צריך 8. זו הגדילה את הביקוש מחקר מבוקר היטב ניסיוני ב הטייס ואת בקנה מידה מעבדה כדי לבחון את התאמת חדשים חומרי פסולת אורגנית ותערובות פסולת עבור עיכול אנאירובי 14. אנו מתכוונים לספק מודל גנרי בנייה, הרכבה, הפעלה וניטור של digester מעבדה בקנה מידה אנאירובי כי יהיה מתאים הערכות חזקים. Digesters אנאירוביים קיים בתצורות שונות. כמה תצורות נפוצות כוללות: ברציפות, עוררה הכור מיכל (CSTR) עם האכלה influent מתמשך, רצוף עורר digester אנאירובי (CSAD) עם האכלה influent תקופתי; זרימת תקע (PF), שמיכה upflow בוצה אנארוביים (UASB); נודדות אנאירובי שמיכה כור (AMBR); הכור מבולבל אנאירובי (ABR), ואת רצף אצווה כור אנאירובי (ASBR) תצורות 9,15. תצורת CSTR ו CSAD אומצו באופן נרחב על מעבדת ניסויים בקנה מידה בגלל קלות ההתקנה בתנאי הפעלה נוחים. בגלל ערבוב רציף, זמן השמירה הידראולי (HRT) שווה לזמן בוצה השמירה (SRT). SRT היא פרמטר חשוב בעיצוב מודעות. התצורה היא גם תורמת ניסויים מבוקרים בשל אחידות מרחבית גדולה יותר של פרמטרים, כגון מינים ריכוזים כימיים, טמפרטורה, ושיעורי דיפוזיה. יש לציין, עם זאת, תצורה האופטימלי בקנה מידה מלא של digester אנאירובי תלוי התכונות הפיסיקליות והכימיות המיוחדות של המצע האורגני בין היבטים פחות טכניים אחרים, כגון איכות השפכים היעד. כך, למשל, לדלל זרמים פסולת עם תכולה גבוהה יחסית littl אורגני מסיסחלקיקים אלקטרוניים, כגון מבשלת שפכים, בדרך כלל חווים המרת אנרגיה רבה יותר תצורה גבוהה שיעור upflow bioreactor (למשל, UASB) ולא תצורת CSAD. ללא קשר, יש פרמטרים ההפעלה הבסיסיים החיוניים לעיכול מוצלח ורלוונטי לכל התצורות, המצדיקים בהסבר כללי השימוש בתצורה זו. אכן, בכל מערכת לספירה ובה קהילה מגוונת, פתוחה של חיידקים אנאירוביים יהיה סדרתי לעכל את המצע כדי מתאן (סופי המוצר הסופי עם האנרגיה הנמוכה ביותר פנוי לכל אלקטרונים). על מסלולים מטבוליים המעורבים בתהליך זה מהווה מארג מזון מורכב מסווג באופן רופף לארבעה שלבים trophic: הידרוליזה; acidogenesis; acetogenesis וכן methanogenesis. ב הידרוליזה, פולימרים אורגניים מורכבים (למשל, פחמימות, שומנים וחלבונים) מפורקים על מונומרים של כל אחד מהם (למשל, סוכרים, ארוכות שרשרת חומצות שומן וחומצות אמינו) על ידי hydrolyzing, חיידקים תסיסה. ב acidogenesis, מונומרים אלה מותסס על ידי חיידקים acidogenic לחומצות שומן נדיפות (VFAs) ו אלכוהול, אשר acetogenesis, הם מתחמצנים עוד יותר אצטט ומימן על ידי מימן לייצור חיידקים homoacetogenic ומחייב, בכבוד 5. בשלב האחרון של methanogenesis, אצטט ומימן עוברים מטבוליזם על ידי מתאן methanogens acetoclastic ו hydrogenotrophic. חשוב להבין כי תהליך לספירה הכללית, על ידי הסתמכות על סדרת ביניהם של חילוף חומרים על ידי קבוצות שונות של חיידקים, יהיה תלוי בתפקוד מוצלח של כל חבר לפני המערכת כולה יהיה לבצע בצורה אופטימלית. עיצוב ובנייה של מערכת bioreactor לספירה צריך תמיד לקחת בחשבון את הדרישה כדי לאטום לחלוטין bioreactor. דליפות קטנות העליון של bioreactor (הפרדת אמיץ) או במערכת הגז הטיפול עלול להיות קשה לזהות, ולכן המערכת צריכה להיות פרהנבדק בטוח לפני השימוש. לאחר הבטחת ההתקנה ללא דליפה, כשלים עם מחקרים digester אנאירובי קרובות נובעות שגיאות במהלך חיסון, culturing, ואת היום יום המבצע. כתוצאה מכך, digesters יש מוניטין של להיות לא יציב באופן מהותי ונוטים כישלון צפוי. למה זה אז בקנה מידה מלא digesters כבר פעלו בתנאים יציבים במשך עשרות שנים 13? כישלון הוא עשוי לנבוע טיפול לא נכון על ידי המפעיל, במיוחד בתקופת ההפעלה שבהן הקהילה חיידקים חייב להסתגל לאט להרכב פסולת אורגנית חוזק. לכן, המטרה שלנו היא לא רק לספק מתודולוגיה לבניית מערכת לספירה, אבל גם כדי להבהיר את תהליכי חיסון, הפעלה וניטור של מערכות אלה. בחלק הראשון של המאמר יסביר כיצד לבנות CSTR או מערכת CSAD, בעוד החלק השני יספק הליך digester עם חיסון פעיל methanogenic ביומסה. זה מעשי יותר ופחות זמן רב כדי לחסן digesters עם ביומסה methanogenic פעיל מ מעורב אלכוהול או שפכים של digester ההפעלה היא טיפול מצע דומה, מאשר לנסות לפתח ביומסה מספיק מהתרבות המתהווה. החלק השלישי של המאמר יכסה שיקולים הפעלה, כגון מצע האכלה, decanting בשפכים, וכן פתרון בעיות הכור שונים. האכלה המצע decanting בשפכים עבור מערכת זו תתבצע על בסיס חצי רציפה (כלומר, האכלה תקופתית decanting בעוד רוב ביומסה ומשקאות חריפים מעורבת נשאר bioreactor). התדירות שבה digester מוזן / יצק הוא בסמכותו של המפעיל. באופן כללי, הזנת / decanting תכופה יותר במרווחים קבועים תקדם יציבות digester יותר עקביות בביצועים בין מחזורי האכלה. השער הרביעי יציג פרוטוקול ניטור בסיסי לשמש במהלך experimental נקודה. ניתוח רגיל, כמה, אשר המתוארים השיטות הסטנדרטיות לבדיקת מים ושפכים 16 (טבלה 1, 2), יידרש לאפיון של המצע ואת מערכת ניטור תקין. בנוסף המשתנים הנמדדים, היבט חשוב של פיקוח הוא לבדוק את רכיבי המערכת digester מתפקד כיאות. תחזוקה שוטפת למערכת digester שתסכל בעיות במערכת הגדולות שעלולות לסכן את הביצועים לאורך זמן ואת היציבות של digester. לדוגמה, כשל של גוף החימום, מה שמוביל לירידה בטמפרטורה, עלול לגרום הצטברות של חומצות שומן נדיפות על ידי הפחתת קצב חילוף החומרים של methanogens. בעיה זו יהיה מורכב אם המערכת חסרה בסיסיות מספיק כדי לשמור על רמות pH מעל מעכבות עבור methanogens. כמו כן, חשוב לזהות ולסגור דליפות אפשריות לאחר ירידות בלתי צפויות עכברוש ייצור ביוגזES. לכן, שכפול בתוך עיצוב ניסיוני על ידי, למשל, פועל שני bioreactors Side-by-side ובתנאי עבודה מדויקים, חשוב לזהות הפסדים גבוהים צפויים שנגרמו על ידי תקלות במערכת, כגון דליפות קטנות.

<table border="1" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td> הכור ציוד </td><td> חברה </td><td> מספר קטלוגי </td><td> תגובות </td></tr><tr><td> מחוממת Recirculator </td><td> VWR מדעי </td><td> 13271-063 VWR </td><td> לשימוש עם מערכת מעיל חימום הכור </td></tr><tr><td> משתנה מהירות החשמל מעבדה stirrer </td><td> קליבלנד מיקסר ושות </td><td> (דגם 5VB) </td><td> מודל זה מאפשר הרכבה מיקסר עם מעמד טבעת </td></tr><tr><td> Wet-Type גז Precision Meter </td><td> ריטר Gasmeters </td><td> (דגם TG-01) </td><td> מודל זה צריך זרימת מינימום של (0.1 ליטר / שעה) והוא יכול להתמודד עם זרימה מרבי של 30 ליטר / שעה </td></tr><tr><td> גז Bubbler </td><td> Chemglass </td><td> (דגם AF-0513-20) </td><td></td></tr><tr><td> דגימת גז Tube </td><td> Chemglass </td><td> (מודל CG-1808) </td><td></td></tr><tr> &lt;td&gt; נטיית ציר גלגל מניע </td><td> מברק &quot; </td><td> R04560-25-קול בן הזוג </td><td> להבי מאיץ עם מ&quot;מ 7.9375 נשא בקוטר </td></tr><tr><td> מאיץ פיר </td><td> Grainger </td><td> 2EXC9 Grainger </td><td> 1.83 מ &#39;עם מוט נירוסטה 7.9375 מ&quot;מ OD (יש לחתוך לגודל המתאים) </td></tr><tr><td> הברזל תמיכה יצוקה מעמדים </td><td> מוצרים החינוך האמריקנית </td><td> (דגם 7-G16) </td><td> עבור מיקסר גובר </td></tr><tr><td> שלוש שיניים הרחבה ערכת השמע </td><td> טופר </td><td> 21572-803 VWR </td><td> עבור מיקסר גובר </td></tr><tr><td> קלאמפ רגיל מחזיק </td><td> טופר </td><td> 21572-501 VWR </td><td> עבור מיקסר גובר </td></tr><tr><td> Peristaltic משאבה </td><td> Masterflex </td><td> WU-07523-80-קול בן הזוג </td><td> עבור השפכים decanting </td></tr><tr><td> L / S משאבה סטנדרטית ראש </td><td> Masterflex </td><td> EW-07018-21-קול בן הזוג </td><td> עבור לערות בשפכיםing-אביזר למשאבה peristaltic </td></tr><tr><td> L / S משאבה Precision Tubing </td><td> Masterflex </td><td> EW-06508-18-קול בן הזוג </td><td> עבור decanting בשפכים - אביזר למשאבה peristaltic </td></tr><tr><td> ניתוח ציוד / ריאגנטים </td><td> חברה </td><td> מספר קטלוגי </td><td> תגובות </td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> pH ניתוח </td></tr><tr><td> ה-pH מטר </td><td> תרמו פישר סיינטיפיק - אוריון </td><td> 1212000 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> סה&quot;כ ונפיץ ניתוח מוצקים (שיטות סטנדרטיות: 2540-B, E) </td></tr><tr><td> אבק זכוכית dessicator </td><td> Kimax </td><td> WU-06536-30-קול בן הזוג </td><td></td></tr><tr><td> פורצלן מתאדים מנות </td><td> VWR </td><td> 89038-082 VWR </td><td></td></tr><tr><td> מעבדה תנור </td><td> תרמו פישר סיינטיפיק </td><td> (דגם 13-246-516GAQ) </td><td></td></tr><tr><td> לשכת בינוני מאפי תנור </td><td> Barnstead / Thermolyne </td><td> F6010 Thermo Scientific </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> חומצה נדיפה ניתוח סה&quot;כ שומן (שיטות סטנדרטיות: 5560-C) </td></tr><tr><td> קיבולת גדולה משתנה מהירות צנטריפוגה </td><td> סיגמא </td><td> WU-17451-00-קול בן הזוג </td><td></td></tr><tr><td> המעבדה חם פלייט </td><td> Thermo Scientific </td><td> (דגם HP53013A) </td><td></td></tr><tr><td> גדול Condenser </td><td> Kemtech אמריקה </td><td> (דגם C150190) </td><td></td></tr><tr><td> מגיב חומצה אצטית [CAS: 64-19-7] </td><td> אלפא Aesar </td><td> AA33252-AK </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td> &lt;td&gt; צריכת החמצן הכימית (שיטות סטנדרטיות: 5520-C) </td></tr><tr><td> חסום COD דוד </td><td> HACH </td><td> (דגם DRB-200) </td><td></td></tr><tr><td> תרבות צינורות בורוסיליקט </td><td> פיירקס </td><td> (דגם 9825-13) </td><td></td></tr><tr><td> מגיב Dichromate אשלגן [CAS: 7778-50-9] </td><td> Avantor חומרים ביצועים </td><td> 3090-01 </td><td></td></tr><tr><td> מרקורי מגיב II סולפט [CAS: 7783-35-9] </td><td> Avantor חומרים ביצועים </td><td> 2640-04 </td><td></td></tr><tr><td> Ferroin מחוון פתרון [CAS: 14634-91-4] </td><td> Ricca כימית </td><td> R3140000-120C </td><td></td></tr><tr><td> אמוניום ברזל (ב &#39;) hexahydrate סולפט [CAS: 7783-85-9] </td><td> אלפא Aesar </td><td> 13448-36 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> גז הרכב לפי ניתוח גז כרומטוגרפיה </td></tr><tr><td> כרומטוגרף </td><td> SRI מכשירים </td><td> דגם 8610C </td><td> חייב להיות מצויד בגלאי conductibility תרמית (TCD), באמצעות טור שהוזכרו להלן וגז הספק פועל בטמפרטורה מקורר באופן איזוטרמי של 105 ° C </td></tr><tr><td> הליום גז </td><td> Airgas </td><td> הוא HP300 </td><td> כדי לשמש הגז המוביל </td></tr><tr><td> ארז עמודות </td><td> Restek </td><td> 80484-800 </td><td> לשמש N 2, CH 4, CO 2 ההפרדה </td></tr></tbody></table>

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

עיכול אנאירובי (AD) היא Bioprocess המשמש בדרך כלל להמיר פסולת אורגניות מורכבות לתוך ביוגז שימושיים עם מתאן הספק האנרגיה 1-3. יותר ויותר לספירה נמצא בשימוש פסולת תעשייתי, חקלאי, ועירוניים (מים) במהלך טיפולים 4,5. השימוש בטכנולוגיה מאפשר לספירה מפעילי תחנת להפחית עלויות סילוק פסולת השירות לקזז הוצאות האנרגיה. בנוסף לטיפול פסולת אורגנית, גידולי האנרגיה נמצאים להמרה מתאן האנרגיה המוביל 6,7. כמו יישום של טכנולוגיית לספירה מרחיב לטיפול של מצעים חדשים ושיתוף המצע תערובות 8, כך גם הביקוש מתודולוגיה בדיקות אמין על הטייס ואת קנה המידה-במעבדה. מערכות עיכול אנאירובי יש מגוון של תצורות, כולל הכור הטנק זז כל הזמן (CSTR), זרימת תקע (PF), ואת רצף אצווה כור אנאירובי (ASBR) תצורות 9 </sup&gt;. CSTR משמש לעתים קרובות במחקר, בשל הפשטות בתכנון המבצע, אלא גם על יתרונותיה של ניסויים. לעומת תצורות אחרות, CSTR מספק אחידות רבה יותר של פרמטרים במערכת, כגון טמפרטורה, ריכוז ערבוב, כימיים, ריכוז המצע. בסופו של דבר, בעת תכנון הכור בקנה מידה מלא, תצורת הכור האופטימלי יהיה תלוי אופיו של מצע מסוים בין שיקולים רבים אחרים פחות טכניים. עם זאת, תצורות לשתף את כל תכונות עיצוב בסיסיות ופרמטרים ההפעלה להבהיר את CSTR מתאים הערכות ראשוניות ביותר. אם חוקרים ומהנדסים להשתמש בזרם influent עם ריכוזים גבוהים יחסית של מוצקים, אז במעבדה בקנה מידה תצורות bioreactor לא ניתן להגיש ברציפות עקב בעיות חיבור של המעבדה בהיקף משאבות עם מוצקים או שיקוע של מוצקים בצינור. עבור תרחיש זה עם דרישות ערבוב רציף, מעבדה בקנה מידה bioreactors ניזונים מעת לעתואנחנו מתייחסים תצורות כגון digesters אנאירוביים שהסעירו ברציפות (CSADs). מאמר זה מציג מתודולוגיה כללית בנייה, יחסנו, הפעלה ופיקוח על מערכת CSAD לצורך בדיקת התאמתם של מצע אורגני ניתן לעיכול ארוך טווח אנאירובי. בסעיף הבנייה של מאמר זה יכסה בניית מערכת המעבדה בהיקף הכור. סעיף חיסון יסביר כיצד ליצור סביבה אנאירובית מתאים עם זריעת הבידוד methanogenic פעיל. סעיף ההפעלה יכסה, תפעול ותחזוקה, ופתרון בעיות. בסעיף בקרה יציג בדיקות פרוטוקולים באמצעות ניתוח סטנדרטי. השימוש באמצעים אלה הוא הכרחי עבור הערכות ניסיוניים אמינים של התאמה מצע של אלצהיימר. פרוטוקול זה אמור לספק הגנה טובה יותר מפני טעות נפוצה שנעשו מחקרים לספירה, שהיא להסיק כישלון כור נגרם על ידי המצע אניהשימוש n, כאשר באמת זה היה מבצע המשתמש לא נאות 10.

Watch this Scientific Journal Video about Continuously-stirred Anaerobic Digester to Convert Organic Wastes into Biogas: System Setup and Basic Operation at JoVE.com

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

מעבדה בקנה מידה digesters אנאירוביים לאפשר למדענים לחקור דרכים חדשות של אופטימיזציה של היישומים הקיימים של הביוטכנולוגיה אנאירובי כדי להעריך את הפוטנציאל לייצר מתאן של פסולת אורגנית שונים. מאמר זה מציג מודל כללי לבנייה, הרכבה, הפעלה וניטור של הסקאלה, מעבדה ברציפות עוררה digester אנאירובי.

ברציפות, עוררה digester אנאירובי המרת פסולת אורגנית אל תוך ביוגז: התקנת מערכת הפעלה בסיסית

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 Views.  Cornell University. מעבדה בקנה מידה digesters אנאירוביים לאפשר למדענים לחקור דרכים חדשות של אופטימיזציה של היישומים הקיימים של הביוטכנולוגיה אנאירובי כדי להעריך את הפוטנציאל לייצר מתאן של פסולת אורגנית שונים. מאמר זה מציג מודל כללי לבנייה, הרכבה, הפעלה וניטור של הסקאלה, מעבדה ברציפות ...

Video: 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.

עיצוב של bioreactor לחץ על מחזורי Ex Vivo מחקר של מסתמי הלב אבי העורקים

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

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.

מבצע של Bioreactor Benchtop

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.

חישה של שיבוש טישו גדר עם טרנזיסטור אלקטרוכימי אורגני

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.

כימיה רטובה פפטיד קיבוע על polytetrafluoroethylene עבור Cell-הדבקה משופרת

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.

פלטפורמה מבוססת Photoresist ביוסנסור אלקטרוכימי Microfluidic הסרט יבש: ייצור המכשיר, הכנה על שבב Assay, ותפעול המערכת

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.

ליתוגרפיה של קרן יון ממוקדת לחרוט ננו-ארכיטקטורות למיקרואלקטרודות

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.

מיקרו-גיבלים מגנטיים, אקוסטיים ואופטיים-משולשים-רספונסיביים לטיפול בסרטן משולב של פוטוטותרמיה

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.

הרכבה עצמית של חומצות פפטידיות פפטיד שעברו שינוי גמא לתוך ננו-מבנים מורכבים בתערובות ממס אורגניות

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.