보조금에 의한 아무;.이 연구는 식량 농업의 국립 연구소 (NIFA), 부여 번호 2007-35504-05381 통해 USDA에 의해 지원되지 않습니다 지원됩니다 USDA NIFA에서 코넬 대학교 농업 실험 역의 연방 공식 기금을 통해 NYSERDA 및 뉴욕 - 123,444에서 58,872.

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관심의 어떠한 충돌 선언 없습니다.

이 기사에서는 혐기성 소화 시스템은 실험적인 맥락에서 일반적인 소개 및 대부분의 기판 치료를 위해 몇 가지 기본적인 지침을 제공합니다. 기판 유형, 소화조 구성, 운영 매개 변수, 또한 이러한 시스템의 기본 혼합 미생물 커뮤니티의 독특한 생태의 다양한 보편적으로 적용할 수있는 하드 양적 통계를 요약 한거야 걸로. 이 모든 변화에도 불구하고, 모든 혐기성 소화 시스템은 누구의 원칙을 ?...

무산소 소화 (AD)는 에너지 캐리어로서 메탄과 유용한 biogas로 복잡한 유기 폐기물 기판 생물학 중재 변환을 포함하는 성숙한 기술입니다. 에어로빅 치료 10에 비해 최소한의 에너지와 영양소 입력 및 감소 biosolids 생산을 포함하여 무산소 처리의 많은 혜택이 있습니다. 또한, 이러한 시스템에 내재된 혼합 미생물 커뮤니티의 다양성은 feedstocks 11,12 등 적절한 유기 기판의 다양한 렌더링. 실제로, 그것은 광고를위한 애플 리케이션의 증가는 특히 산업, (예, 음식 폐기물)시, 그리고 농업 분야 4,7,13에서 기존의 시립 폐수 처리, 외부에서 채택되고있는 이러한 혜택 때문입니다. 광고는 이전 10 년간의 국가 에너지 위기에 대한 응답으로 1980 년에 최초의 주요 확산 시작가 발생했습니다. 세계는 점점 글로벌 에너지 위기를 맞게 된대로환경 파괴와 함께 결합, 큰 초점은 지금 생물 연료 기술과 특히 폐기물 - 투 - 에너지 개념에 위치하고 있습니다. 예를 들어, 미국에서 혐기성 소화는 총 전력은 8 필요의 5.5 %를 생성할 수 있습니다. 이것은 새로운 유기 폐기물 및 혐기성 소화 14 폐기물 혼합의 적합성을 평가하기 위해 시험과 실험실 규모에서 잘 통제된 실험 연구에 대한 수요가 증가하고있다. 우리는 건설, 접종, 운영, 그리​​고 강력한 평가 적합 것이다 실험실 규모의 혐기성 소화조의 모니터링을위한 일반적인 모델을 제공하는 것입니다. 무산소 digesters는 여러 구성에 존재합니다. 지속적으로 정기적인 유입 수유와 혐기성 소화조 (CSAD)을 흔들; 플러그 흐름 (PF), upflow 혐기성 슬러지 블랭킷 (U 지속적인 유입 먹이로 탱크 반응기 (CSTR)를 지속 - 흔들 : 몇 가지 일반적인 구성을 포함ASB), 무산소 마이 블랭킷 반응기 (AMBR); 무산소 당황하고 반응 (ABR) 및 혐기성 시퀀싱 배치 반응기 (ASBR) 구성 9,15. CSTR과 CSAD 구성이 광범위하게 설치 및 운영 유리한 조건의 용이성으로 인해 실험실 규모의 실험을 위해 채택되었습니다. 때문에 지속적인 혼합 때문에, 유압 체류 시간 (HRT)은 슬러지 체류 시간 (SRT)와 같습니다. SRT는 광고에 대한 중요한 설계 매개 변수입니다. 구성도 있기 때문에 이러한 화학 종의 농도, 온도 및 확산 속도와 같은 매개 변수의 큰 공간적 균일의 통제된 실험에 도움이됩니다. 그것은 혐기성 소화조를위한 최적의 본격적인 구성이 같은 목표 방류수 질과 같은 다른 nontechnical 측면 간의 유기 기판의 특정 물리적, 화학적 특성에 의존하는 그러나, 주목하여야한다. 예를 들어, 상대적으로 높은 가용성 유기 콘텐츠 및 littl로 폐기물 스트림을 희석같은 양조장 폐수와 같은 전자 입자, 일반적으로 높은 속도 upflow의 생물 반응기 구성 (예 : UASB)보다는 CSAD 구성에서 큰 에너지 전환을 경험한다. 에 상관없이 성공적인 소화하고이 구성을 사용하는 일반 explication를 정당화 모든 구성에 관련된 필수적인 기본적인 작동 매개 변수가 없습니다. 실제로, 무산소 미생물의 다양한 개방형 커뮤니티를 포함한 모든 광고 시스템은 메탄 (전자 당 가장 낮은 가능한 자유 에너지와 최종 제품 최종)으로 기판을 순차적을 잘 대사 것입니다. ; acidogenesis, acetogenesis 및 methanogenesis 가수 분해 :이 과정에 참여 대사 경로가 복잡한 음식 느슨하게 네 영양 단계로 분류 웹을 구성합니다. 가수 분해에서는 복잡한 유기 고분자는 (예 : 탄수화물, lipids, 그리고 단백질) hyd에 의해 각각의 단량체 (예 : 설탕, 긴 사슬 지방산의 지방산 및 아미노산)로 세분화된다, fermentative 박테리아를 rolyzing. acidogenesis에서 이러한 단량체는 acetogenesis에 더 정중 5 homoacetogenic 및 의무 수소 생산 세균에 의해 아세테이트와 수소로 산화되어 휘발성 지방산 (VFAs) 및 알콜에 acidogenic 세균에 의해 발효됩니다. methanogenesis의 최종 단계에서 아세테이트 및 수소는 acetoclastic 및 hydrogenotrophic methanogens에 의해 메탄 가스로 대사된다. 그것은 전체 시스템이 최적으로 수행하기 전에 전반적인 AD 과정, 미생물의 여러 단체에 의한 신진 대사의 상호 시리즈에 의존하여, 각 회원의 성공적인 기능에 따라 달라집니다 것을 인식하는 것이 중요합니다. 광고 생물 반응기 시스템의 설계 및 시공은 항상 완전히 생물 반응기를 봉인하기 위해 고려에 요구를해야합니다. 생물 반응기의 상단 (헤드 스페이스를 분리) 또는 가스 처리 시스템에있는 작은 누출을 감지하기 어려울 수 있으며, 따라서 시스템을 대표해야반드시 사용하기 전에 테스트했습니다. 누설없는 설정을 확인한 후, 혐기성 소화조 연구과 실패는 종종 접종 culturing 및 일상적인 작업 동안 오류로부터 줄기. 그 결과, digesters는 본질적으로 불안정하고 예상치 못한 실패하는 경향로서 평판이 있습니다. 왜 본격적인 digesters은 수십 년 13 안정적인 조건에서 운영하는 것으로 다음인가? 실패, 특히 미생물 커뮤니티 천천히 유기 폐기물 조성과 강도에 적응해야하는 동안 시동 기간 동안 운영자가 부적절하게 취급로부터 줄기 가능성이 높습니다. 따라서 우리의 목표는 광고 시스템을 구축하기위한 방법론을 제공만이 아니라, 또한 접종, 운영, 이러한 시스템의 모니터링 프로세스를 명료하게하다합니다. 두 번째 섹션이 활성화 methanog 함께 소화조 접종에 대한 절차를 제공하면서 문서의 첫 번째 섹션은 CSTR이나 CSAD 시스템을 구축하는 방법을 설명합니다enic 바이오 매스. 그것은에서 활성 methanogenic 바이오 매스로 digesters을 예방하는 데 시간이 많이 소요 더 실용적이고 적은 혼합 주류 또는 초기 문화에서 충분한 바이오 매스를 개발하기 위하여보다 유사한 기판을 치료되는 운영 소화조의 방류수. 문서의 세 번째 섹션은 유출물 decanting, 다양한 원자로 문제를 해결하는 등 먹이 기판 같은 운영 고려 사항을 다룰 것입니다. 기판 먹이와이 시스템에 대한 방류수 decanting은 (즉, 주기적으로 먹이와 바이오 매스와 혼합 주류의 대부분은 생물 반응기에서 숙박하면서 decanting) 세미 지속적으로 실시됩니다. 소화조는 먹이 / decanted되는 주파수는 운영자의 특권이다. 일반적으로 먹이 / 더 자주 그리고 정기적으로 decanting 것은 먹이주기 사이의 성능에 큰 소화조의 안정성과 일관성을 증진합니다. 네 번째 섹션은 expe하는 동안 사용되는 기본적인 모니터링 프로토콜을 소개합니다rimental 기간. 물과 폐수 16 (표 1, 2)의 시험 표준 방법에서 설명한 여러 가지 표준 분석은, 기판 및 적절한 시스템 모니터링의 특성화를 위해 필요합니다. 측정된 변수 이외에 감시의 중요한 부분은 소화조 시스템 구성 요소가 제대로 작동하는지 확인하는 것입니다. 소화조 시스템에 대한 정기적인 유지 보수는 별도 소화조의 장기 성능과 안정성을 위태롭게 할 수있는 주요 시스템 문제를 치는 것입니다. 예를 들어, 온도의 하락으로 이어지는 가열 요소의 실패, methanogens의 신진 대사 속도를 줄임으로써 휘발성 지방산의 축적을 일으킬 수 있습니다. 시스템 methanogens에 대한 억제 수준 위의 산도를 유지하기 위해 충분한 알칼리도가 부족하면 이러한 문제가 혼합됩니다. 그것은 biogas 생산 쥐에서 예상치 드랍스 후 가능한 누수를 탐지하고 닫습 것도 중요네;. 따라서 의한 실험 계획법 내에서 복제, 예를 들어, 정확한 운영 조건 하에서이 bioreactors 나란히을 실행하면 같은 작은 누수와 같은 시스템 오작동에 의해 발생하는 예기치 않은 성능 손실을 감지하는 것이 중요합니다.

<table border="1"><tbody><tr><td> 원자로 설비 </td><td> 회사 </td><td> 카탈로그 번호 </td><td> 댓글 </td></tr><tr><td> 온수 Recirculator </td><td> VWR 과학 </td><td> 13271-063 VWR </td><td> 가열 자켓 반응기 시스템에서 사용하기에 </td></tr><tr><td> 변속 전기 연구소 활동가 </td><td> 클리블랜드 믹서 (주) </td><td> (모델 5VB) </td><td> 이 믹서 모델 링 스탠드에 장착 용이 </td></tr><tr><td> 습식 타입 정밀 가스 측정기 </td><td> 리터 Gasmeters </td><td> (모델 TG-01) </td><td> 이 모델은 최소 흐름 (0.1 L / H)가 필요 30 L / H의 최대 유량을 처리할 수 </td></tr><tr><td> 가스 버블러 </td><td> Chemglass </td><td> (모델 AF-0513-20) </td><td></td></tr><tr><td> 가스 샘플링 튜브 </td><td> Chemglass </td><td> (모델 CG-1808) </td><td></td></tr><tr> &lt;TD&gt; 축방향 임펠러 </td><td> 번개 </td><td> R04560-25 콜 - Parmer </td><td> 7.9375 mm로 임펠러 블레이드 직경 보어 </td></tr><tr><td> 임펠러 샤프트 </td><td> Grainger </td><td> 2EXC9 Grainger </td><td> 7.9375 mm OD (적합한 크기로 절단해야)와 1.83 m 스테인리스 스틸로드 </td></tr><tr><td> 주철 지원 서 </td><td> 미국 교육 제품 </td><td> (모델 7-G16) </td><td> 믹서가 장착 </td></tr><tr><td> 세 갈래로 확장 클램프 </td><td> 발톱 </td><td> 21572-803 VWR </td><td> 믹서가 장착 </td></tr><tr><td> 일반 클램프 홀더 </td><td> 발톱 </td><td> 21572-501 VWR </td><td> 믹서가 장착 </td></tr><tr><td> 연동 펌프 </td><td> Masterflex </td><td> WU-07523-80 콜 - Parmer </td><td> decanting 유출에 대한 </td></tr><tr><td> L / S 표준 펌프 헤드 </td><td> Masterflex </td><td> EW-07018-21 콜 - Parmer </td><td> 유출물 가만히 따르다 위해연동 펌프에 대한 ING - 액세서리 </td></tr><tr><td> L / S 정밀 펌프 튜브 </td><td> Masterflex </td><td> EW-06508-18 콜 - Parmer </td><td> 연동 펌프로 액세서리 - 방류수 decanting위한 </td></tr><tr><td> 분석 장비 / 시약 </td><td> 회사 </td><td> 카탈로그 번호 </td><td> 댓글 </td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> 산도 분석 </td></tr><tr><td> 산도 측정기 </td><td> 써모 피셔 과학 - 오리온 </td><td> 1,212,000 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> 합계 및 휘발성 고체 분석 (표준 방법 : 2,540-B, E) </td></tr><tr><td> 유리 진공 Dessicator </td><td> Kimax </td><td> WU-06536-30 콜 - Parmer </td><td></td></tr><tr><td> 자기는 요리를 증발 </td><td> VWR </td><td> 89038-082 VWR </td><td></td></tr><tr><td> 실험실 오븐 </td><td> 써모 피셔 과학 </td><td> (모델 13-246 - 516GAQ) </td><td></td></tr><tr><td> 중소 상공 회의소에 휩싸이다 노 </td><td> Barnstead / Thermolyne </td><td> F6010 써모 과학 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> 총 휘발성 지방산 분석 (표준 방법 : 5560-C) </td></tr><tr><td> 큰 용량 가변 속도 원심 분리기 </td><td> 시그마 </td><td> WU-17451-00 콜 - Parmer </td><td></td></tr><tr><td> 실험실 핫 플레이트 </td><td> 써모 과학 </td><td> (모델 HP53013A) </td><td></td></tr><tr><td> 대형 콘덴서 </td><td> Kemtech 미국 </td><td> (모델 C150190) </td><td></td></tr><tr><td> 아세트산 시약은 [CAS : ​​64-19-7] </td><td> 알파 Aesar </td><td> AA33252-AK </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td> &lt;TD&gt; 화학적 산소 요구량 (표준 방법 : 5520-C) </td></tr><tr><td> COD 블록 히터 </td><td> HACH </td><td> (모델 DRB-200) </td><td></td></tr><tr><td> Borosilicate 문화 튜브 </td><td> Pyrex </td><td> (모델 9825-13) </td><td></td></tr><tr><td> 칼륨 Dichromate 시약은 [CAS : ​​7778-50-9] </td><td> Avantor 실적 재료 </td><td> 3090-01 </td><td></td></tr><tr><td> 머큐리 II 황산 시약은 [CAS : ​​7783-35-9] </td><td> Avantor 실적 재료 </td><td> 2640-04 </td><td></td></tr><tr><td> Ferroin 지표 솔루션 [CAS : ​​14634-91-4] </td><td> Ricca 화학 </td><td> R3140000-120C </td><td></td></tr><tr><td> 암모늄 철 (II) 황산의 hexahydrate [CAS : ​​7783-85-9] </td><td> 알파 Aesar </td><td> 13448-36 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> 가스 크로마 토그래피 분석에 의한 가스 조성 </td></tr><tr><td> 기체 크로마토 그래프 </td><td> SRI 인 스트 루먼트 </td><td> 모델 8610C </td><td> 105 ° C의 등온 온도에서 운영하는 아래에 언급된 열 및 캐리어 가스를 사용하여 열 conductibility 검출기 (TCD)를 장착해야합니다 </td></tr><tr><td> 헬륨 가스 </td><td> Airgas </td><td> 그는 HP300 </td><td> 캐리어 가스로 사용하려면 </td></tr><tr><td> 포장 - 열 </td><td> Restek </td><td> 80484-800 </td><td> N 2, CH 4를 사용, 2 분리를 공동으로 수 </td></tr></tbody></table>

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

무산소 소화 (AD)는 일반적으로 에너지 캐리어 1-3와 같은 메탄과 유용한 biogas로 복잡한 유기 폐기물을 변환하는 데 사용되는 bioprocess입니다. 점점 광고는 4,5 산업, 농업, 그리고 시립 하수 처리 애플 리케이션에게에서 사용하고 있습니다. AD 기술의 사용은 공장 운영자는 폐기물 처리 비용을 절감하고 에너지 유틸리티 비용을 상쇄 수 있습니다. 유기 폐기물을 치료 이외에 에너지 작물은 에너지 캐리어 메탄 6,7로 변환되고있다. AD 기술의 응용 프로그램이 새로운 기판과 공동 기판 혼합 8 치료를 넓혀만큼 조종사와 실험실 규모에서 안정적인 테스트 방법론에 대한 수요를 않습니다. 무산소 소화 시스템은 지속적으로 흔들 탱크 반응기 (CSTR), 플러그 흐름 (PF) 및 혐기성 시퀀싱 배치 반응기 (ASBR) 구성 9를 포함하여 다양한 구성을 가지고 </suP&gt;. CSTR은 자주 설계 및 운영의 단순으로 인해 연구에 사용뿐만 아니라 실험에서의 장점입니다. 다른 구성에 비해 CSTR은 온도, 혼합, 화학 농도와 기판 농도와 같은 시스템 매개 변수,보다 균일를 제공합니다. 궁극적으로, 본격적인 원자로를 설계할 때, 최적의 원자로 구성은 다른 많은 nontechnical 고려 사항 가운데 주어진 기판의 성격에 따라 달라집니다. 그러나 모든 구성은 기본적인 디자인 기능과 대부분의 예비 평가에 적합한 CSTR를 렌더링 작동 매개 변수를 공유할 수 있습니다. 연구자 및 엔지니어 고체의 상대적으로 높은 농도로 유입 스트림을 사용하는 경우, 실험실 규모의 생물 반응기 구성은 인해 고체로 실험실 규모의 펌프의 문제를 연결해 혹은 튜브에서 고체의 정착에 지속적으로 먹이 수 없습니다. 연속 혼합 요구 사항이있는 시나리오 들어, 실험실 규모의 bioreactors이 정기적으로 먹이 있습니다우리는 지속적으로 흔들 무산소 digesters (CSADs)와 같은 구성을 참조하십시오. 이 문서는 건설 inoculating, 운영, 그리​​고 장기적인 혐기성 소화 주어진 유기 기판의 적합성을 테스트하기위한 목적 CSAD 시스템을 모니터링하기위한 일반적인 방법론을 제시합니다. 이 문서의 건설 부분에서는 실험실 규모의 반응기 시스템을 구축 다룰 것입니다. 접종 섹션은 활성 methanogenic inoculum으로 퍼뜨리고 적합 무산소 환경을 만드는 방법을 설명합니다. 운영 섹션 운영, 유지 보수 및 문제 해결에 충당되게됩니다. 모니터링 섹션은 표준 분석을 사용하여 프로토콜을 테스트 소개합니다. 이러한 조치의 사용에 대한 광고 기판 적​​합성의 신뢰할 수있는 실험적인 평가를 위해 필요합니다. 이 프로토콜은 원자로 고장이 기판에 의한되었다고 결론 지하는 것입니다 AD 연구에서 만든 일반적인 실수에 대해 더 큰 보호를 제공하는데정말 그것이 부적 절한 사용자의 작업 10 살 n은 사용.

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

실험실 규모의 혐기성 digesters 과학자 혐기성 생물 공학의 기존 애플 리케이션을 최적화하는 새로운 방법을 연구하고 다양한 유기 폐기물의 메탄 생산 잠재력을 평가할 수 있습니다. 이 문서는 지속적으로 혐기성 소화조를 흔들 실험실 규모의 건설, 접종, 운영 및 모니터링을위한 일반 모델을 소개합니다.

시스템 설치 및 기본 작업 : Biogas로 유기 폐기물을 변환하는 혐기성 소화조를 지속 - 흔들

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

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Bioengineering

33.6K 조회수.  Cornell University. 실험실 규모의 혐기성 digesters 과학자 혐기성 생물 공학의 기존 애플 리케이션을 최적화하는 새로운 방법을 연구하고 다양한 유기 폐기물의 메탄 생산 잠재력을 평가할 수 있습니다. 이 문서는 지속적으로 혐기성 소화조를 흔들 실험실 규모의 건설, 접종, 운영 및 모니터링을위한 일반 모델을 소개합니다.

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Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves

The aortic valve, located between the left ventricle and the aorta, allows for unidirectional blood flow, preventing backflow into the ventricle. Aortic valve leaflets are composed of interstitial cells suspended within an extracellular matrix (ECM) and are lined with an endothelial cell monolayer. The valve withstands a harsh, dynamic environment and is constantly exposed to shear, flexion, tension, and compression. Research has shown calcific lesions in diseased valves occur in areas of high mechanical stress as a result of endothelial disruption or interstitial matrix damage1-3. Hence, it is not surprising that epidemiological studies have shown high blood pressure to be a leading risk factor in the onset of aortic valve disease4. 
The only treatment option currently available for valve disease is surgical replacement of the diseased valve with a bioprosthetic or mechanical valve5. Improved understanding of valve biology in response to physical stresses would help elucidate the mechanisms of valve pathogenesis. In turn, this could help in the development of non-invasive therapies such as pharmaceutical intervention or prevention. Several bioreactors have been previously developed to study the mechanobiology of native or engineered heart valves6-9. Pulsatile bioreactors have also been developed to study a range of tissues including cartilage10, bone11 and bladder12. The aim of this work was to develop a cyclic pressure system that could be used to elucidate the biological response of aortic valve leaflets to increased pressure loads. 
The system consisted of an acrylic chamber in which to place samples and produce cyclic pressure, viton diaphragm solenoid valves to control the timing of the pressure cycle, and a computer to control electrical devices. The pressure was monitored using a pressure transducer, and the signal was conditioned using a load cell conditioner. A LabVIEW program regulated the pressure using an analog device to pump compressed air into the system at the appropriate rate. The system mimicked the dynamic transvalvular pressure levels associated with the aortic valve; a saw tooth wave produced a gradual increase in pressure, typical of the transvalvular pressure gradient that is present across the valve during diastole, followed by a sharp pressure drop depicting valve opening in systole. The LabVIEW program allowed users to control the magnitude and frequency of cyclic pressure. The system was able to subject tissue samples to physiological and pathological pressure conditions. This device can be used to increase our understanding of how heart valves respond to changes in the local mechanical environment.

Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves

A cyclic pressure bioreactor capable of subjecting heart valve tissue to physiological and pathological pressure conditions has been designed. A LabVIEW program allows users to control pressure magnitude, amplitude and frequency. This device can be used to study the mechanobiology of heart valve tissue or isolated cells.

의 순환 압력 생물 반응기 설계 예 VIVO</em대동맥 심장 밸브> 학습

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

연구

생체공학

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.

벤치 탑 생물 반응기의 운전

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.

유기 전기 트랜지스터와 장벽 조직 혼란의 감지

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.

향상된 세포 접착 폴리 테트라 플루오로 에틸렌에 젖은 화학 및 펩티드 고정화

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.

드라이 필름 포토 레지스트 기반 전기 화학 미세 바이오 센서 플랫폼: 장치 제작, 온 칩 시험 준비 및 시스템 운영

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.

마이크로 전극에 에칭 나노 아키텍처에 초점을 맞춘 이온 빔 리소그래피

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.

자기 고열증 및 포토열 조합 암 치료를 위한 자기, 음향 및 광학 삼중 반응 마이크로 버블

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.

감마 변형 펩타이드 핵산의 자가 조립을 유기 용매 혼합물의 복잡한 나노 구조로

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.