Questa ricerca è sostenuta è supportata dal USDA attraverso il National Institutes of Food and Agriculture (NIFA), numero di concessione 2007-35504-05381; da Grant no. 58.872 da NYSERDA e NYC-123444 attraverso i fondi federali la formula Cornell University Agricultural Experiment Station dal 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>

Non ci sono conflitti di interesse dichiarati.

Il sistema di digestione anaerobica presentato in questo articolo fornisce una introduzione generale e alcune linee guida di base per il trattamento della maggior parte dei substrati in un contesto sperimentale. L&#39;ampia varietà di tipi di substrato, configurazioni digestivo, i parametri operativi e anche l&#39;ecologia unica della comunità microbica mista alla base di questi sistemi esclude che delinea rigidi parametri quantitativi, che possono essere applicati universalmente. Nonostante questa variabilità, tutti...

Digestione anaerobica (AD) è una tecnologia matura che coinvolge la conversione biologicamente mediata di complessi supporti rifiuti organici in biogas utili con il metano come vettore energetico. Ci sono molti vantaggi di trattamento anaerobico, compresa l&#39;energia minima e nutrienti e la riduzione della produzione biosolidi rispetto al trattamento aerobico 10. Inoltre, la versatilità della comunità microbica mista inerente a questi sistemi rende un&#39;ampia varietà di substrati organici idonei come materie prime 11,12. Infatti, è a causa di questi benefici che un numero crescente di domande di AD sono in corso di adozione al di fuori del convenzionale per il trattamento acque reflue urbane, in particolare nei settori industriale, comunali (per esempio, i rifiuti alimentari), 4,7,13 e agricoli. AD ha conosciuto il suo primo inizio la proliferazione importante nel 1980 in risposta alla crisi energetica nazionale del decennio precedente. Mentre il mondo affronta una crescente crisi energetica globale,accoppiato con il degrado ambientale, una maggiore attenzione viene ora posta sulle tecnologie dei biocarburanti e dei rifiuti-to-energy concept in particolare. Ad esempio, negli Stati Uniti, digestione anaerobica può generare 5,5% della potenza elettrica totale deve 8. Questo ha aumentato la domanda di ben controllati di ricerca sperimentale al pilota e su scala di laboratorio per valutare l&#39;idoneità dei nuovi materiali rifiuti organici e miscele di rifiuti per la digestione anaerobica 14. Abbiamo intenzione di fornire un modello generico per la costruzione, inoculazione, il funzionamento e il monitoraggio di una scala di laboratorio digestore anaerobico che sarà adatto per le valutazioni robuste. Digestori anaerobici esistono in molte configurazioni differenti. Alcune configurazioni comuni includono: continua-reattore agitato serbatoio (CSTR), con alimentazione continua influente; continuamente agitata digestore anaerobico (CSAD) con alimentazione periodica influente; plug flow (PF), coperta di fanghi risalita anaerobica (UASB); reattore anaerobico coperta migrazione (Ambr); reattore anaerobico sconcertato (ABR), ed anaerobici reattore batch sequenziamento (ASBR) configurazioni 9,15. La configurazione CSTR e CSAD sono stati ampiamente adottati per esperimenti su scala di laboratorio a causa della sua facilità di installazione e le condizioni operative favorevoli. A causa di miscelazione continua, il tempo di ritenzione idraulica (HRT) è uguale al tempo di ritenzione dei fanghi (SRT). La SRT è il parametro di progetto importante per gli annunci. La configurazione è anche favorevole esperimenti controllati a causa di una maggiore uniformità spaziale di parametri, quali le concentrazioni specie chimiche, temperatura e velocità di diffusione. Va notato, tuttavia, che l&#39;ottimale scala configurazione per un digestore anaerobico dipende dalle particolari caratteristiche fisiche e chimiche del substrato organico tra gli altri aspetti non tecnici, quali la qualità bersaglio effluenti. Per esempio, diluire i flussi di rifiuti con relativamente alto contenuto organico solubile e littlparticolati elettronici, quali birra acque reflue, tipicamente esperienza di conversione energetica in un alto tasso di flusso ascendente bioreattore configurazione (ad esempio, UASB) piuttosto che una configurazione CSAD. Indipendentemente da ciò, ci sono parametri fondamentali di funzionamento che sono essenziali per la digestione di successo e rilevanti per tutte le configurazioni, che giustificano una spiegazione generica di utilizzare questa configurazione. Infatti, ogni sistema AD contenente una società diversa, comunità aperta di microbi anaerobici serie metabolizzare il substrato a metano (la finale prodotto finale con il più basso l&#39;energia disponibile gratuitamente per elettrone). Le vie metaboliche coinvolte in questo processo costituisce un&#39;intricata rete alimentare liberamente suddivisi in quattro livelli trofici: idrolisi, acidogenesi, acetogenesis e metanogenesi. In idrolisi, complessi polimeri organici (ad esempio, carboidrati, lipidi e proteine) sono suddivisi al loro rispettivi monomeri (ad esempio, zuccheri, a catena lunga acidi grassi e amminoacidi) da hydrolyzing, batteri fermentativi. In acidogenesi, questi monomeri sono fermentato dai batteri acidogeni di acidi grassi volatili (VFAs) e alcoli, che in acetogenesis, vengono ulteriormente ossidati acetato e idrogeno da homoacetogenic e obbligatoria idrogeno batteri produttori, rispetto 5. Nel passaggio finale di metanogenesi, acetato e idrogeno sono metabolizzati a metano da methanogens acetoclastic e hydrogenotrophic. È importante riconoscere che il processo complessivo AD, basandosi su una serie interconnessa di metabolismi gruppi differenti di microbi, dipende dalla funzione di successo di ciascun membro prima che il sistema nel suo complesso prestazioni ottimali. La progettazione e la costruzione di un sistema di bioreattore AD dovrebbe sempre prendere in considerazione l&#39;obbligo di sigillare completamente il bioreattore. Piccole perdite nella parte superiore del bioreattore (separa lo spazio di testa) o nel sistema di trattamento del gas può essere difficile da rilevare, e quindi il sistema deve essere presAssicurarsi testato prima dell&#39;uso. Dopo aver verificato una perdita di installazione senza, guasti, con studi digestore anaerobico spesso derivano da errori durante l &#39;inoculazione, la coltura, e giorno per giorno il funzionamento. Come risultato, digestori hanno la reputazione di essere intrinsecamente instabile e soggetta a guasti improvvisi. Perché è allora che su vasta scala digestori sono stati operati in condizioni stabili per 13 anni? Il fallimento è probabile che derivano da un uso improprio da parte dell&#39;operatore, in particolare durante il periodo di avvio durante il quale la comunità microbica deve ambientarsi lentamente alla composizione dei rifiuti organici e la forza. Pertanto, il nostro obiettivo non è solo quello di fornire una metodologia per la costruzione di un sistema di AD, ma anche per chiarire i processi di inoculazione, il funzionamento e il monitoraggio di questi sistemi. La prima sezione di questo articolo vi spiegherà come costruire il CSTR o il sistema CSAD, mentre la seconda sezione fornisce una procedura per l&#39;inoculazione con digestore attiva methanogbiomassa ENIC. E &#39;più pratico e meno tempo per inoculare digestori con biomassa attiva metanogenica dalla mixed-liquore o effluenti di un digestore operativo che sta trattando un substrato simile piuttosto che tentare di sviluppare una biomassa sufficiente da una cultura incipiente. La terza sezione di questo articolo copre le considerazioni operative, come substrato l&#39;alimentazione, la decantazione degli effluenti, e la risoluzione dei vari problemi del reattore. Alimentazione substrato e decantazione degli effluenti per questo sistema sarà condotta su una base semi-continuo (ad esempio, l&#39;alimentazione periodica e decantazione mentre la maggior parte della biomassa e mixed liquor rimane nel bioreattore). La frequenza in cui viene alimentato il digestivo / decantato è prerogativa dell&#39;operatore. In generale, l&#39;alimentazione / decantazione più frequentemente e ad intervalli regolari intende promuovere una maggiore stabilità del digestore e coerenza nelle prestazioni tra i cicli di alimentazione. La quarta sezione introdurrà un protocollo di controllo di base da utilizzare durante la esperienzerimental periodo. Diverse analisi standard, che sono illustrate nella Standard Methods per l&#39;analisi dell&#39;acqua e delle acque reflue 16 (Tabella 1, 2), sarà richiesto per la caratterizzazione del substrato e sistema di monitoraggio adeguato. In aggiunta alle variabili misurate, un aspetto importante di controllo è di verificare che i componenti del sistema digestivo funzionino correttamente. La manutenzione periodica del sistema digestivo prevenire i problemi principali del sistema che potrebbero altrimenti compromettere la prestazioni a lungo termine e la stabilità del digestore. Ad esempio, un guasto dell&#39;elemento riscaldante, portando ad una diminuzione della temperatura, potrebbe causare l&#39;accumulo di acidi grassi volatili, riducendo il tasso metabolico di methanogens. Questo problema potrebbe essere aggravato se il sistema mancava alcalinità sufficiente per mantenere il pH sopra livelli inibitori per methanogens. E &#39;anche importante rilevare e chiudere eventuali perdite dopo cadute inattese nel ratto la produzione di biogases. Pertanto, duplicazione nel disegno sperimentale, ad esempio, l&#39;esecuzione due bioreattori side-by-side nelle condizioni operative esatte, è importante rilevare perdite di prestazioni inattese causate da malfunzionamenti del sistema, come piccole perdite.

<table border="1"><tbody><tr><td> Reactor Attrezzature </td><td> Azienda </td><td> Numero di catalogo </td><td> Comments </td></tr><tr><td> Ricircolo riscaldata </td><td> VWR Scientific </td><td> 13271-063 VWR </td><td> Per l&#39;uso con un sistema di reattore camicia di riscaldamento </td></tr><tr><td> Elettrico a velocità variabile Lab Stirrer </td><td> Cleveland Mixer Co. </td><td> (Modello 5VB) </td><td> Questo modello mixer facilita il montaggio con un proprio stand ad anello </td></tr><tr><td> Wet-Type Precision contatore del gas </td><td> Ritter Gasmeters </td><td> (Modello TG-01) </td><td> Questo modello ha bisogno di una portata minima di (0,1 L / h) e può gestire una portata massima di 30 L / h </td></tr><tr><td> Gas Bubbler </td><td> Chemglass </td><td> (Modello AF-0513-20) </td><td></td></tr><tr><td> Gas campionamento del tubo </td><td> Chemglass </td><td> (Modello CG-1808) </td><td></td></tr><tr> &lt;td&gt; Girante assiale </td><td> Lightnin &#39; </td><td> R04560-25 Cole-Parmer </td><td> Pale della girante con 7,9375 millimetri diametro del foro </td></tr><tr><td> Girante Albero </td><td> Grainger </td><td> 2EXC9 Grainger </td><td> 1,83 m in acciaio inox asta con 7,9375 millimetri OD (deve essere tagliato a misura appropriata) </td></tr><tr><td> Supporto in ghisa Supporti </td><td> Prodotti educativi americani </td><td> (Modello 7-G16) </td><td> Per il montaggio mixer </td></tr><tr><td> Three-Prong Extension morsetto </td><td> Artiglio </td><td> 21572-803 VWR </td><td> Per il montaggio mixer </td></tr><tr><td> Morsetto Holder Regular </td><td> Artiglio </td><td> 21572-501 VWR </td><td> Per il montaggio mixer </td></tr><tr><td> Pompa peristaltica </td><td> Masterflex </td><td> WU-07523-80 Cole-Parmer </td><td> Per effluenti decantazione </td></tr><tr><td> L / S testa della pompa standard </td><td> Masterflex </td><td> EW-07018-21 Cole-Parmer </td><td> Per decantare degli effluentiING-accessorio pompa peristaltica </td></tr><tr><td> L / S Precision Tubing Pump </td><td> Masterflex </td><td> EW-06508-18 Cole-Parmer </td><td> Per effluenti decantazione - accessorio pompa peristaltica </td></tr><tr><td> Analisi Attrezzature / Reagenti </td><td> Azienda </td><td> Numero di catalogo </td><td> Comments </td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Analisi del pH </td></tr><tr><td> pH Meter </td><td> Thermo Fisher Scientific - Orion </td><td> 1212000 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Totale e volatile solidi Analysis (Standard Methods: 2540-B, E) </td></tr><tr><td> Glass Vacuum Essiccatore </td><td> Kimax </td><td> WU-06536-30 Cole-Parmer </td><td></td></tr><tr><td> Porcellana evaporazione Piatti </td><td> VWR </td><td> 89038-082 VWR </td><td></td></tr><tr><td> Lab Forno </td><td> Thermo Fisher Scientific </td><td> (Modello 13-246-516GAQ) </td><td></td></tr><tr><td> Media Camera forno a muffola </td><td> Barnstead / Thermolyne </td><td> F6010 Thermo Scientific </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Total Volatile analisi degli acidi grassi (Standard Methods: 5560-C) </td></tr><tr><td> Grande velocità di centrifuga Capacità Variabile </td><td> Sigma </td><td> WU-17451-00 Cole-Parmer </td><td></td></tr><tr><td> Laboratorio Hot Plate </td><td> Thermo Scientific </td><td> (Modello HP53013A) </td><td></td></tr><tr><td> Condensatore Large </td><td> Kemtech l&#39;America </td><td> (Modello C150190) </td><td></td></tr><tr><td> Reagente acido acetico [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; Richiesta chimica di ossigeno (Standard Methods: 5520-C) </td></tr><tr><td> COD Block Heater </td><td> HACH </td><td> (Modello DRB-200) </td><td></td></tr><tr><td> Tubi Cultura borosilicato </td><td> Pyrex </td><td> (Modello 9825-13) </td><td></td></tr><tr><td> Reagente bicromato di potassio [CAS: 7778-50-9] </td><td> Avantor Performance Materials </td><td> 3090-01 </td><td></td></tr><tr><td> Mercury Reagente solfato II [CAS: 7783-35-9] </td><td> Avantor Performance Materials </td><td> 2640-04 </td><td></td></tr><tr><td> Ferroina Indicator Solution [CAS: 14634-91-4] </td><td> Ricca Chemical </td><td> R3140000-120C </td><td></td></tr><tr><td> Ammonio ferro (II) esaidrato solfato [CAS: 7783-85-9] </td><td> Alfa Aesar </td><td> 13448-36 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Composizione del gas da analisi gascromatografica </td></tr><tr><td> Gas Chromatograph </td><td> SRI Instruments </td><td> Modello 8610C </td><td> Deve essere equipaggiato con un rilevatore di conducibilità termica (TCD), usando colonna di seguito indicato e gas vettore funzionare ad una temperatura isotermica di 105 ° C </td></tr><tr><td> Gas elio </td><td> Airgas </td><td> Egli HP300 </td><td> Per essere utilizzato come gas di trasporto </td></tr><tr><td> Confezionato-Column </td><td> Restek </td><td> 80484-800 </td><td> Per essere utilizzata per N 2, CH 4 e CO 2 di separazione </td></tr></tbody></table>

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

Digestione anaerobica (AD) è una bioprocesso che viene comunemente utilizzato per convertire i rifiuti organici complessi in un biogas utili con il metano come vettore energetico 1-3. Sempre più spesso, AD viene utilizzato in campo industriale, rifiuti agricoli, e comunali (acqua) applicazioni di trattamento 4,5. L&#39;uso della tecnologia AD consente agli operatori di ridurre i costi degli impianti di smaltimento dei rifiuti e di compensare le spese di utilità di energia. Oltre al trattamento dei rifiuti organici, colture energetiche sono stati trasformati in metano vettore energetico 6,7. Poiché l&#39;applicazione della tecnologia AD amplia per il trattamento di nuovi substrati e co-substrato miscele 8, anche la domanda per una metodologia di test affidabile al pilota e su scala di laboratorio. Sistemi di digestione anaerobica hanno una varietà di configurazioni, tra cui il reattore a serbatoio agitato continuo (CSTR), con flusso a pistone (PF), e anaerobica reattore batch sequenziamento (ASBR) 9 configurazioni </sup&gt;. Il CSTR viene frequentemente utilizzato nella ricerca per la sua semplicità di progettazione e di funzionamento, ma anche per i suoi vantaggi in sperimentazione. Rispetto ad altre configurazioni, il CSTR fornisce una maggiore uniformità di parametri di sistema, quali la temperatura, miscelazione, concentrazione chimica, e la concentrazione del substrato. In definitiva, quando si progetta una scala reattore, la configurazione del reattore ottimale dipenderà dal carattere di un dato substrato tra le molte altre considerazioni non tecnici. Tuttavia, tutte le configurazioni condividono caratteristiche di progettazione fondamentali e parametri di funzionamento che rendono il CSTR appropriato per valutazioni più preliminari. Se i ricercatori e gli ingegneri utilizzano un flusso influente con concentrazioni relativamente alte di solidi, poi lab scala configurazioni bioreattore non può essere alimentato in continuo a causa di problemi di collegare lab scala pompe con i solidi o di sedimentazione dei solidi in tubi. Per questo scenario con continue richieste di miscelazione, di laboratorio su scala bioreattori sono alimentati periodicamentee ci riferiamo alle configurazioni quali continuamente agitata digestori anaerobici (CSADs). Questo articolo presenta una metodologia generale per la costruzione, inoculare, il funzionamento e monitoraggio di un sistema di CSAD allo scopo di verificare l&#39;idoneità di un determinato substrato organico a lungo termine digestione anaerobica. La sezione di costruzione di questo articolo tratterà la costruzione del laboratorio di scala del sistema reattore. La sezione inoculazione spiegherà come creare un ambiente anaerobico adatto per la semina con un inoculo attivo metanogenica. La sezione operativa riguarderà gestione, manutenzione e risoluzione dei problemi. La sezione di controllo introdurrà protocolli di prova usando analisi standard. L&#39;uso di queste misure è necessario per le valutazioni affidabili sperimentali di idoneità substrato per l&#39;AD. Questo protocollo dovrebbe fornire una maggiore protezione nei confronti di un errore comune negli studi AD, che è quello di concludere che il guasto del reattore è stato causato dal substrato in uso, quando in realtà era improprio utilizzo da parte dell&#39;utente 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

Digestori anaerobici su scala di laboratorio permetterà agli scienziati di ricercare nuovi modi di ottimizzare le applicazioni esistenti della biotecnologia anaerobica e per valutare il potenziale di produzione del metano vari rifiuti organici. Questo articolo introduce un modello generalizzato per la costruzione, inoculazione, il funzionamento e il monitoraggio di un laboratorio su scala continuamente agitata digestore anaerobico.

Continua-mosse digestore anaerobico per convertire i rifiuti organici in biogas: configurazione del sistema e funzionamento di 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 Views.  Cornell University. Digestori anaerobici su scala di laboratorio permetterà agli scienziati di ricercare nuovi modi di ottimizzare le applicazioni esistenti della biotecnologia anaerobica e per valutare il potenziale di produzione del metano vari rifiuti organici. Questo articolo introduce un modello generalizzato per la costruzione, inoculazione, il funzionamento e il monitoraggio di un laboratorio su scala continuamente agitata digestore anaerobico.

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.

Progettazione di un bioreattore per la pressione ciclica Ex Vivo Studio delle valvole cardiache aortica

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

Ricerca

Bioingegneria

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.

Il funzionamento di un bioreattore da banco

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.

Rilevamento di Barriera tessuto Turbativa con una Transistor elettrochimica biologico

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 Chimica e Peptide immobilizzazione su politetrafluoroetilene per Miglioramento di adesione cellulare

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.

Film secco basati su Photoresist biosensore elettrochimico Microfluidic Platform: Fabbricazione di dispositivi, saggio su chip preparazione e funzionamento 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.

Focalizzata la litografia del fascio ionico per esacire di nano-architetture nei microelettrodi

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.

Microbolle magnetiche, acustiche e ottiche a tripla risposta per ipertermia magnetica e terapia del cancro combinata pototermica

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-assemblaggio di acidi nucleici peptidici modificati gamma in nanostrutture complesse in miscele di solventi organici

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.