Dissertations / Theses on the topic 'Bioreaktor'

Control of cultivation conditions in the~live cell imaging extends the possibilities of biological experiments and makes the experimental results more reliable. In order to change the~cultivation conditions in a controlled manner and increase the reproducibility of the experiments, it is necessary to reduce the amount of manual operations and replace them with automated procedures. Therefore, the concept of a new automated culture device (bioreactor) was created. This device controls the exchange of medium in the observation chamber, ensures the circulation and exchange of the atmosphere and controls its composition. The bioreactor is intended for use in the Laboratory of Experimental Biophotonics. This laboratory is equipped with coherence-controlled holographic microscope (CCHM), which uses quantitative phase imaging (QPI) method. Thus, the bioreactor is adapted to the current requirements of this laboratory and optical elements of the bioreactor meet the requirements of the QPI method. This text specifies the cultivation conditions of the living cells and summarizes, how the conditions could be controlled in the live cell microscopy. Next some commercially available culture devices are described and assessed, whether they are convenient for the~use in Laboratory of Experimental Biophotonics. The crucial part of the thesis is the~design, construction and testing of the new bioreactor.

Kväve har tidigare endast utvunnits ur atmosfären med hjälp av naturligt förekommande kvävefixerande bakterier men i och med uppkomsten av Haber-Bosch processen under tidigt 1900 – tal har det blivit möjligt att utvinna kväve ur atmosfären på kostgjord väg. Detta har lett till en obalans i kvävets naturliga kretslopp. Kväve har, sedan processen kom i bruk, utvunnits i stora kvantiteter för användning som bland annat gödningsmedel i jordbruksindustrin och som komponent i vanligt förekommande sprängmedel.   Kväveformen som används i dessa industrier är nitrat-, (NO3-)-, vilket fungerar som näringsämne åt växter. Då överskott av nitrat lakas ut, löser sig och sprids med vatten, kan det leda till övergödning i sjöar, hav och vattendrag. Ett hav som är hårt drabbat av detta är Östersjön.   Biologiska reningsmetoder har länge använts för att rena vatten från olika vattenlösliga kväveformer som nitrat, nitrit-, (NO2-), och ammonium-, (NH4+). De biologiska reningsmetoderna härstammar från kvävets kretslopp där de förekommer naturligt och innefattar processerna denitrifikation, nitrifikation och anammox. Genom att skapa förhållanden som gynnar de olika biologiska processerna har de effektivt använts för kväverening vid både kommunala reningsverk och för rening av dräneringsvatten från jordbruk. Processerna kan kombineras i olika utformningar eller användas enskilt beroende på vilken kväveform som förekommer i vattnet.   System för rening av nitratutsläpp härstammande från sprängmedel är relativt nytt. Denna rapport beskriver anläggningen och uppföljningen av en passiv denitrifierande bioreaktor med syfte att rena vatten från nitrat härstammande från sprängmedel. Bioreaktorn är den andra i sitt slag i Sverige och utöver dessa två förekommer inga andra bioreaktorer som renar vatten från sprängmedel i Sverige idag.   Rapporten innehåller en utvärdering av bioreaktorns nitratreduktion och jämför metoden med andra vanliga systemutformningar och metoder för nitratrening. Jämförelsen och utvärderingen har gjorts med hjälp av en litteraturstudie och genom kemiska analyser. Den kemiska analysen omfattar analys av nitratkväve, ammoniumkväve, pH, alkalinitet, temperatur och elektrisk konduktivitet.   Vattenprover har tagits under uppstart perioden av bioreaktorn vilket och har omfattat de 36 första dagarna från och med att bioreaktorns driftstart den 2017-06-29 till och med 2017-08-02. Under denna tid har bioreaktorn uppvisat en nitrat- och ammoniumproduktion i kombination med en alkalinitetförbrukning. Alkalinitetförbrukningen har med största sannolikhet uppkommit till följd av nedbrytningen av det organiska materialet och nitrat- och nitratproduktionen kommer av ett lågt C/N förhållande i de träslag som används som kolkälla. Ammoniumproduktionen härstammar förmodligen från en kombination av den förbrukade alkaliniteten och C/N förhållandet i trädslagen. Analysresultaten har på grund av dessa resultat inte kunnat bidra till en utvärdering av bioreaktorn. Litteraturstudien visar dock att den denitrifierande bioreaktorn är det reningssystem som är mest lämpat för nitratrening med hänsyn till de förhållanden som råder avseende den omgivande miljön och vattnets kemiska innehåll. Studien visar även att ett antal förändringar i utformningen av bioreaktorn skulle kunna öka bioreaktorns driftsäkerhet.
Nitrogen has previously only been extracted from the atmosphere by naturally occurring nitrogen-fixing bacteria, but with the development of the Haber-Bosch process in the early 1900s it has been made possible to extract nitrogen from the atmosphere artificially. This has led to an imbalance in nitrogen’s natural cycle. Nitrogen has, since the process has been put in use, been extracted in large quantities for the use as a fertilizer in the agricultural industry and as a component of commonly used explosives.   The nitrogen form used in these industries is nitrate, (NO3-), which acts as a nutrient to plants. As excess nitrate dissolves and spreads with water it can lead to eutrophication in lakes, seas and streams. A sea largely affected by this is the Baltic Sea.    Biological treatment methods have long been used to purify water from various water-soluble nitrogen forms such as nitrate, nitrite, (NO2-), and ammonium, (NH4+). The biological purification methods are derived from the nitrogen cycle where they occur naturally and they include the processes of denitrification, nitrification and anammox. By creating conditions that benefit the various biological processes, they have effectively been used for removing nitrogen in both municipal wastewater treating plants and for drainage water from agriculture. The processes can be combined in different designs or used individually depending on the nitrogen form present in the water.   Systems for purifying water from nitrate originating from explosives are a relatively new. This report describes the construction and follow-up of a passive denitrifying bioreactor used to purify water from nitrate derived from explosives. The bioreactor is the second of its kind in Sweden and in addition to these two there are no other bioreactors that treat water impacted by explosives in Sweden today.   The report contains an evaluation of the bioreactors nitrate reduction and compares the method with other commonly used system designs and methods for nitrate purification. The comparison and evaluation has been made using a literature study and through chemical analyses. The chemical analyses include analysis of nitrate, ammonia, pH, alkalinity, temperature and electrical conductivity.   Water samples have been collected during the start-up period of the bioreactor which includes the first 36 days from the day the bioreactor was put in operation, 2017-06-29 through 2017-08-02. During this time the bioreactor has demonstrated a nitrate- and ammonia production in combination with alkalinity consumption. The alkalinity consumption is most likely do to the degradation of the organic material and the nitrate production comes from a low C/N ratio in the woods used as source for carbon. Ammonia production is likely to derive from a combination of the alkalinity consumption and the C/N ratio in the woods. Because of these results, the results of the analysis have not been able to contribute to the evaluation of the bioreactor. However, the literature study shows that the denitrifying bioreactor is the most suitable purification system for nitrate purification, taking into consideration the environmental conditions and the waters chemical content. The study also shows that a number of changes in the design of the bioreactor could increase the bioreactors reliability.

The most significant environmental problems related to the food industry is water consumption and pollution, energy consumption and waste production. Most of the water that does not become a part of the products ultimately leaves plants in the form of wastewater, which is often very specific and requires adequate handling / treatment / disposal. For the purpose of this thesis, brewery industry was chosen, because of its very long tradition in the Czech history and culture. Anaerobic technologies are applied for still wider range of industrial wastewater treating. In general anaerobic membrane bioreactors (AnMBRs) can very effectively treat wastewater of different concentration and composition and produce treated water (outlet, permeate) of excellent quality, that can be further utilised. At the same time, it can promote energy self-sufficiency through biogas production usable in WWTPs / plants. Main disadvantages include unavoidable membrane fouling and generally higher CAPEX / OPEX. Within the framework of Ph.D. studies and related research activities, immersed membrane modules for anaerobic applications were selected and lab-scale tested (designed and assembled laboratory unit), an AnMBR pilot plant was designed, built and subsequently tested under real conditions - at Černá Hora Brewery WWTP (waste waters from the brewery and associated facilities). The pilot AnMBR and the technology itself has been verified over more than a year (5/2015 – 11/2016) of trial operation - the initial and recommended operational parameters have been set up, minor construction adjustments / modifications and measurement & regulation optimizations have been made, the recommended membrane cleaning and regeneration procedure has been verified. Last, but not least, conclusions and recommendations of the trial operation were summarised - some key findings and recommendations for further operation, use and modifications of the existing AnMBR pilot plant are presented.

Behovet av energieffektiva och välfungerande vattenreningssystem är stort, och växer i takt med den ökande befolkningsmängden. Lakvatten bildas då framförallt nederbörd rinner genom deponerat avfall. Problematiken kring lakvattenrening består i att bassängerna är placerade utomhus, vilket medför låga temperaturer under vinterhalvåret. Då lakvattenrening i huvudsak utförs med biologisk reningsteknik, medför de låga temperaturerna en sänkning i den bakteriella aktiviteten vilket försämrar reningseffektiviteten. Ett annat problem som ofta uppstår vid lakvattenrening är att det förorenade vattnet ofta består av höga halter kväve, medan fosforhalterna är låga. Detta ger en obalans i bakteriernas metabolism och kan leda till begränsningar i reningseffektivitet. I detta arbete har en nyutvecklad bioreaktor, som testas på Djupdalens avfallsanläggning, undersökts. Bioreaktorn togs i drift under hösten 2015 samt från april – december 2016. Mätdata från Djupdalen baserat på månatliga vattenprover och kemiska analyser för 2014 – 2016, har studerats för att ta reda på bioreaktorns bidrag till reningseffektvitet av ammoniumkväve. Egna vattenprovtagningar har utförts under maj 2017, där reningseffektivitet och aktiv biofilmsyta vid driftsättning av bioreaktorn studerats. Slutligen utfördes försök där biofilm från Djupdalen testats vid 17 – 18 liksom 12 – 15 ˚C med olika halter fosfortillskott, för att undersöka huruvida reningseffektiviteten kan förbättras om fosforhalten höjs. Resultaten tyder på att bioreaktorn bidrar till kraftig förbättring av reningseffektiviteten i luftningsbassängen, men förbättringspotential finns. Flera av de miljömässiga faktorerna i luftningsbassängen medför mindre gynnsamma förhållanden för den bakteriella tillväxten, såsom temperaturer under 15 ˚C, kraftiga underskott av fosfor i det inkommande lakvattnet och något för basiska pH värden. Genom egna vattenprovtagningar och medföljande kemiska analys framkom det att temperaturer över 15 ˚C i lakvattnet gynnar en snabbare utveckling av biofilmen. Slutligen visade laborativa försök att fosfortillskott vid temperaturer på 12 - 15 ˚C medförde en ökad reningseffektivitet, medan resultatet var oförändrat för temperaturer på 17 – 18 ˚C vid en uppehållstid på 24 timmar. Däremot visar en lägre uppehållstid på 16 timmar, att fosfortillskott påverkar försöken positivt för båda temperaturerna. Detta tyder på att ett fosfortillskott under hösten i luftningsbassängen, när temperaturerna i lakvattnet går under 15 ˚C, bör kunna medföra att bioreaktorn kan förbättra sin reningseffektivitet, trots den sjunkande lakvattentemperaturen.
The need for energy efficient and well-functioning water treatment systems is high, and grows as the growing population increases. Leachate is formed as water flows through landfilled waste. The problem of leachate treatment is that the reactors are located outdoors, which causes low temperatures during the winter months. As the leachate treatment is mainly carried out with biological purification techniques, the low temperatures cause a decrease in bacterial activity, which reduces the purification efficiency. Another problem that often arises in this type of water treatment is that the contaminated water consists of high nitrogen levels, while phosphorus levels are low. This gives an imbalance in the metabolism of the bacteria and can lead to limitations in purification efficiency. In this work, a newly developed bioreactor, which is tested at Djupdalen's waste facility, has been investigated. The bioreactor was put into operation in autumn 2015 and from April to December 2016. Measurement data from Djupdalen based on monthly water samples and chemical analyzes for 2014-2016 have been studied to find out the bioreactor's contribution to the purification efficiency of ammonium nitrogen. Water sampling was carried out in May 2017, where purification efficiency and active biofilm surface were calculated during the operation start of the bioreactor. Finally, experiments were performed where biofilms from Djupdalen were tested at 17-18 as well as 12-15 ° C with different levels of phosphorus supplementation, to investigate whether purification efficiency could be improved if phosphorus levels were increased. The results indicate that the bioreactor contributes to a significant improvement in the purification efficiency of the aeration reactor, but there is still an improvement potential. Several of the environmental factors in the aeration reactor cause less favorable conditions for bacterial growth, such as temperatures below 15 ˚C, severe phosphorus deficiency in the incoming leachate and slightly for basic pH values. Through water sampling and the accompanying chemical analysis it was found that temperatures above 15 ˚C in the leachate favor a faster development of the biofilm. Finally, laboratory experiments showed that phosphorus additions at temperatures of 12-15 ° C resulted in increased purification efficiency, while the result was unchanged for temperatures of 17-18 ° C at a water residence time at 24 hours. However, at a lower water residence time of 16 hours, the phosphorous supplement gave an effect for both temperatures. This indicates that a phosphorus supplement during the autumn of the aeration reactor, when the temperatures in the leachate go below 15 ˚C, should allow the bioreactor to improve its purification efficiency despite the sinking water temperature.

A bioslurry reactor was built for the bioremediation of TNT contaminated waste from the demilitarization industry. The field test was conducted at Vingåkersverken in Vingåker, Sweden, to see if results from laboratory studies could be repeated in a full scale reactor. The goal of the project was to optimize the reactor to such a degree that it could be used to handle the waste produced at Vingåkersverken and also that this technique could be applied for remediation of contaminated soils. Unfortunately the samples taken during the full scale field test were destroyed by the shipping company and no analysis was possible. A later attempt by the Biorex research group has also been unsuccessful to reduce the amount of TNT using the bioreactor. How are we going to reach the results from the laboratory studies? The work continues.

Nitrogen and phosphorus are involved in many processes on the Planet Earth. Especially in agricultural areas water is contaminated by nutrients, which can cause the eutrophication of surface waters, and other problems. The solution could be use of denitrifying bioreactors, which are used for the reduction of high nitrate concentrations in shallow groundwaters. The subject of the thesis was the study of phosphorus removal in the denitrification bioreactor by steel turnings, which are constituent part of the organic load of the bioreactor. Steel turnings release Fe, which causes the precipitation and adsorption of P. Eight bioreactors were filled with poplar woodchips. To these columns just above the surface were added model water enriched with nitrate nitrogen, phosphate phosphate was added to 4 columns, where two of them were enhanced by the addition of steel turnings upstream of the wood medium. Sampling and the analyses of the samples were determined weekly, determination of the phosphorus, iron and other substances necessary for the detection of processes in the bioreactor was performed. The dependence of phosphorus removal on the bioreactor operating conditions was evaluated based on measured data, and the effect of iron on the biological denitrification process was also assessed. Steel turnings have been found to be effective in removing TP, but it is necessary to solve iron leaching in the future. The concentration of phosphorus was reduced up to 0 mg/l on the effluent from the denitrification bioreactors, efficiency of phosphorus removal reached 100 %. The presence of steel chips had no effect on denitrification speed. The denitrification process was also successful in the phosphorus removal columns. From the point of view of leaching of substances and iron, the removal of N and P seems to be preferable in dry period during stoppage with no water fillings. Shutdown of bioreactors with flooded filling caused high concentrations of leached iron up to 149 mg/l

This diploma thesis deals with the bioreactor system and its use for the production of heat and biogas. The bioreactor uses the composting and metanogation process of fermentation that humanity has known for hundreds of years, but the combination of these processes is a relatively unexplored area. The theoretical part of the thesis analyzes the existing possibilities of utilization of the heat generated in the compost, and also describes the used technology of small biogas stations and other small systems for biogas production. It follows the practical part of the work, when it was the task to design a bioreactor working at low temperatures during the winter. Part of the solution is the initial design and testing of the basic test structure of the bioreactor, followed by the implementation of a more advanced and more complex system, including a control and measuring center realized by a microcontroller.

Examensarbetet har gjorts i samarbete med SP, Sveriges tekniska forskningsinstitut. De vill genom denna rapport börja få svar på frågan, om det är lönsamt att odla alger till biodieselframställning under svenska förhållanden, för att sedan möjligen påbörja en forskning inom området.

Rapporten granskar till en början, via informationssökning, vad som är gjort tidigare och vilka företag och forskare som arbetar inom området idag. Därefter undersöks de steg som algerna genomgår för att bli biodiesel, det vill säga odling, skördning, utvinnande av algolja och slutligen framställningen av biodiesel ifrån algoljan.

Olika alger, utrustningar och metoder studeras och ekonomiska siffror sammanställs vad gäller produktionen av alg-biodiesel. Slutligen undersöks vilket intresse området har hos olika svenska företag. Problemområden tillsammans med effektiviseringar diskuteras.

Resultatet är ett flödesschema över en önskemodell för svenska förhållanden. Flödesschemat innehåller de lösningar och metoder som förväntas ha stor potential, dock så fastslås det inte att det skulle vara den enda lösningen. Höjdpunkterna i denna modell är användandet av en mixotrof alg som odlas i slutna bioreaktorer. Algerna ska få en ökad tillförsel av koldioxid ifrån till exempel kraftvärmeverk tillsammans med glycerol, vilket gynnar tillväxten med möjligen upp till tretton gånger. Glycerol är en biprodukt vid biodieselframställning vilket därmed kommer att göra det till ett billigt näringsmedium vid mixotrof växt. Även värme är en restprodukt som tillförs algerna ifrån kraftverket. Denna metod kommer samtidigt fungera som koldioxidrening och kväveoxidrening för kraftvärmeverket.

Rapporten visar även på att övergött vatten, innehållande fosfor och kväve, kan renas med algerna och detta tillförs med fördel till de slutna bioreaktorerna.

Skördning av algerna görs genom flotation med löst syre eller genom att störa koldioxidflödet. Både syre och koldioxid kan tillföras ifrån andra steg i flödesschemat. Oljan extraheras fördelaktligen ifrån algerna med hjälp av produkten biodiesel och oljan omvandlas därefter till mer biodiesel genom transesterifiering med hjälp av mikrovågor.

Resultatet visar också att alg- biomassan kan användas till att framställa en rad olika restprodukter, där djurfoder, föda till tredje världen, bioplast och andra biobränslen är de mest intressanta.

Rapporten visar på ett stort intresse ifrån olika aktörer inom bland annat flygindustrin, kärnkraftverk, oljebolag och energibolag i Sverige.

This master`s thesis is focused on possibility of use of flue gas as source of CO2 for algae cultivation in bioreactors. The first part of the master`s thesis is devoted to a qualitative and quantitative description of flue gas sources as CO2 source for algae cultivation. In the thesis industry sectors with the largest share of CO2 emissions on a global scale and in the Czech republic are summarized. On the basis of these data it was possible to determine cheap sources of CO2 for algae cultivation producing valuable biomass and other bio-products. The composition of flue gas from these sources was discussed in this section also with given expected outlook within the following years. The next part of the thesis is devoted to the influence of flue gas properties on algae cultivation. The impact of flue gas individual parameters on cell growth rate, quality and composition of biomass is described there. The description and design of the bioreactor is processed in the next part of the thesis. The experimental part of the thesis was performed on a bioreactor with similar properties. The next part of the thesis describes the effect of light on algae cultivation and the design of a regulation scheme for bioreactor light source. The experimental part of the thesis describes methods used to determine the concentrations of flue gas substances that could pass from flue gas into cultivation medium for algae cultivation to measure the changing composition of the flue gas in the closed experimental bioreactor system. The processed data from experimental measurements are presented and are discussed. The change in the composition of the culture medium for algae (without the presence of algae) due to flue gas aeration was monitored in the experimental part. It includes also the measurement of the change in the composition of the flue gas in time. All obtained and collected information are then summarized and discussed in the final part of the master`s thesis.

År 2010 fanns enligt Länsstyrelsen (2011) 80 000 platser som misstänktes vara förorenad och har uppskattats kosta 45 miljarder kronor att åtgärda och ta 40 år. Fastigheten Brynäs 19:7 i Gävle, där Cloetta och tidigare verksamheter har bedrivits, är förorenad med bland annat PAH, PCB, metaller och petroleumkolväten. Fastigheten ska bli ett bostadsområde men behöver först genomgå någon typ av saneringsåtgärd. För att välja den mest hållbara saneringstekniken är multikriterieanalys (MKA) ett bra verktyg. Inom MKA finns nu SCORE som är specifikt framtagen för förorenad mark, efterbehandling och beslutsfattande. Syftet med detta arbete är att ta fram åtgärdsförslag åt Gävle kommun för omhändertagandet av förorenad mark på Brynäsområdet 19:7. Målsättningen är att utreda för lämpliga efterbehandlingsmetoder och välja den bästa genom en utförd MKA. Under kapitlet Metod beskrivs hur studien kom till, tillvägagångssättet för litteraturundersökningen och MKA:n, samt viktiga val. Litteraturundersökningen består av information om Brynäs 19:7, bland annat om föroreningssituationen och en allmän områdesbeskrivning. Sedan följer en litteraturundersökning om de valda efterbehandlingsmetoderna; Biosan, Bioreaktor, Daramend, Jordtvätt, Termisk behandling och Vakuum extraktion. Biosan, Bioreaktor och Daramend är biologiska metoder och jordtvätt en fysikalisk metod. Efterbehandlingsmetoderna innehåller främst en processbeskrivning, typ av föroreningar den kan behandla och reningsgraden. Resultatet har sammanställts i ett antal stapeldiagram, varav samtliga presenteras ur ett hållbarhetsperspektiv där alla tre hållbarhetsdomäner har inkluderats. Det har framgått från resultatet att Vakuum extraktion är det mest hållbara alternativet. Diskussionen innefattar bland annat problemen kring fyllnadsmassorna på området, Off-site kriterier och resultatet. Slutsatsen är Vakuum extraktion är den mest hållbara av alternativen vid en sanering av fastigheten Brynäs 19:7 och det rekommenderas att metoden används, alternativt termisk behandling. Metoderna skulle även kunna kombineras för att minska deras svagheter och få en effektiv rening av de föroreningar som kräver sanering. De begränsningar som funnits har främst varit tidsbrist på grund av den omfattande multikriterieanalysen. Brist på information om Brynäs 19:7 och om de olika saneringsteknikerna har även till viss del varit en begränsande faktor.
In 2010, there was according to the County Administrative Board (2011) 80 000 sites suspected of being contaminated, and has been estimated to cost 45 billion to fix and take 40 years. The property Brynäs 19:7 in Gävle, where Cloetta and past operations have been conducted, is contaminated with mostly PAHs, PCBs, metals and petroleum hydrocarbons. The property will be a residential area but need to first undergo some type of remediation action. In order to choose the most sustainable remediation technology, a multi-criteria analysis (MCA) is a fitting tool to use. Within MCA is now SCORE, a specifically designed program for contaminated land, remediation and decision making. The purpose of this work is to develop and present proposals for actions to take to Gävle municipality, for disposal of contaminated soil at Brynäs 19:7. The goal is to determine the appropriate treatment methods and choose the best one by doing an MCA. In the methodology chapter it is described how the study came to be, the approach of the literature review, the MCA and important choices. The literature review consists of information on Brynäs 19: 7, including the pollution situation and a general description of the area. Then follows a literature review on the selected remediation methods; BioSan, Bioreactor, Daramend, Soil Washing, Thermal processing and Vacuum extraction. BioSan, Bioreactor and Daramend are biological methods, and soil washing a physical method. The remediation methods mainly contain a process description, type of pollution it can process and purification degree. The results have been compiled in a number of bar graphs, all of which are presented from a sustainability perspective, where all three sustainability domains have been included. The result shows that Vacuum extraction is the most viable option. The discussion includes the problems surrounding the filling material of the area, Off-site criteria and results. The conclusion is that the Vacuum extraction is the most sustainable of the alternatives to a clean-up of the property Brynäs 19: 7 and it is recommended that the method is used, alternatively Thermal processing. The methods could be combined to reduce their weaknesses and get an effective removal of the contaminants that require remediation. The limitations that existed have been mainly lack of time because of the extensive MCA. Lack of some information on Brynäs 19: 7 and about the various remediation techniques have to some extent been a limiting factor.

Summary Juliane Schneevoigt „Investigation of time- and pressure-dependent expression of different components of the extracellular matrix by chondrocytes in vitro” Institute of Anatomy, Histology and Embryology of the University of Leipzig Submitted in June 2015 98 pages, 34 figures, 41 tables, 153 references keywords: cartilage, chondrocytes, hydrostatic pressure, bioreactor, qPCR Introduction Hyaline cartilage maintains the basic function of transmitting articular pressure load within synovial joints and therefore provides the basis for the movements of an organism. Being a small coverage of the joint surface, it shows a composition designed to match this function specifically. A high amount of proteoglycans and its associated water determines the elastic formability of the hyaline cartilage which allows the absorbance of pressure and shear forces. These proteoglycans, mainly based on aggrecan as core-protein, are embedded into a meshwork of collagen fibres, primarily formed of collagen type II. This composition is not to be understood as a static construct; moreover it is exposed to biophysical forces that permanently require a dynamic adaptation. This adaptation of the extracellular matrix formed by proteoglycans and collagen type II is organised by a small number of embedded chondrocytes, the cells of the hyaline cartilage. As chondrocytes are post-mitotic cells and due to the lack of vascularisation within hyaline cartilage, there is hardly any chance for regeneration of defects in order to maintain the integrity of the tissue. The resulting replacement is formed as fibrocartilage, which has not the capability to withstand the biodynamical forces within the joint. As these defects in hyaline cartilage represent a gross of the diseases of the musculoskeletal system, there is a high medical interest in the development of innovative cell-based therapies, as autologous chondrocyte transplantation (ACT) is one. With this type of therapy in vitro cultivated chondrocytes are seeded into a cartilage defect with the aim of producing hyaline cartilage. Aims of the study In the last decades the need for a detailed understanding of the biodynamics of cartilage became obvious for further development of therapies. The aim of this study was therefore to establish a cell culture system to provide an insight into the biodynamics of chondrocytes. Aside from the examination of the differentiation of in vitro cultivated chondrocytes and their synthesis of extracellular matrix as a function of the cultivation time, another aim of this study was to determine whether the application of hydrostatic pressure might have beneficial influence on the expression of extracellular matrix components by chondrocytes in vitro, in accordance with the hyaline cartilage. Material and methods Human articular chondrocytes were cultivated in vitro without the application of hydrostatic pressure in the first place. The cells were observed phase contrast microscopically and the distribution of collagen type I and II was detected immuncytochemically. In further experiments optical confluent chondrocytes were transferred to a bioreactor system applying a hydrostatic pressure of 5 or 10 bar with variable time periods of the pressure applied. Subsequently, the expression of collagen type I, collagen type II and aggrecan was investigated and quantified using qPCR and Western Blot. Chondrocytes cultivated exclusively without the application of hydrostatic pressure served as controls. In this pilot-study the samples were analysed using arithmetic mean and standard deviation to evaluate the power statistically. In addition, similar test conditions with marginal differences were pooled and the necessary sample size to meet a power of 80 % with an alpha error of 0.05 was calculated using the maximum potential standard deviation. In cases where this statistic power was obtained, an analysis of significance (\"One Way Analysis of Variance”) was carried out meeting a significance level under 0.05. Results During the cultivation of chondrocytes in vitro without hydrostatic pressure the length of the cultivation time did neither show an effect on the phase contrast microscopical morphology nor on the immuncytochemically detected distribution of collagen typ I and II. The application of increased hydrostatic pressure for 24 hours results in a 0.2-0.8-fold decrease of the expression of collagen type I and II and a 1.7-2.2-fold increase of aggrecan expression compared to the unloaded controls. This effect was more distinct with 5 bar but was accompanied by instabilities in the cell culture. This is why further investigations concentrated on the use of 10 bar pressure with subsequently shortened time period of the applied pressure. With short times of loading (1.5 and 3 hours) a pressure load of 10 bar led to a 0.8 fold decrease of the expression of collagen type I and II and showed a 1.6-2.4 fold increase of aggrecan expression. These qPCR results were supported by the protein expression of collagen type I, II and aggrecan detected in Western Blot. Conclusions A cell culture system was established to examine the effect of hydrostatic pressure on the expression of chondrocytes on the one hand, which can further be modified for the assembly of cell transplants on the other hand. Subsequently the results of this study led to a definition of cell culture conditions, stimulating the extracellular matrix production of chondrocytes towards the composition of hyaline cartilage. This was the case using a seeding density of 104 cells/cm2 and a pre-cultivation time of 6 days of normal pressure, followed by the application of 10 bar hydrostatic pressure for 1.5-3 h. With the help of this pilot-study a cell culture system was established to gain more information on biodynamics of hyaline cartilage. Moreover it is possible that this information will provide a basis for further development of cell based therapies of cartilage defects, such as ACT
Zusammenfassung Juliane Schneevoigt „Untersuchung der zeit- und druckabhängigen Expression verschiedener Komponenten der extrazellulären Matrix durch Chondrozyten in vitro“ Veterinär-Anatomisches Institut der Veterinärmedizinischen Fakultät der Universität Leipzig Eingereicht im Juni 2015 98 Seiten, 34 Abbildungen, 41 Tabellen, 153 Literaturangaben Schlüsselwörter: Knorpel, Chondrozyten, hydrostatischer Druck, Bioreaktor, qPCR Einleitung Der hyaline Knorpel gewährleistet die grundlegende Funktion der Druckübertragung innerhalb der synovialen Gelenke und stellt somit die Grundlage für die Bewegung des Organismus dar. Als schmaler Überzug der Gelenkflächen ist er in seinem Aufbau an diese Funktion spezifisch angepasst. Dabei bedingt der hohe Gehalt an Proteoglykanen und das an diese assoziierte Wasser die elastische Verformbarkeit des hyalinen Knorpels, die es ermöglicht, Druck- und Scherkräfte abzufedern. Die Proteoglykane, die hauptsächlich auf Aggrekan als Kernprotein basieren, sind in ein Maschenwerk kollagener Fasern eingelagert, welches im Wesentlichen durch Kollagen Typ II gebildet wird. Diese Zusammensetzung darf nicht als statisches Konstrukt verstanden werden. Vielmehr ist der hyaline Knorpel in vivo verschiedenen biophysikalischen Einflüssen ausgesetzt, die eine dynamische Anpassung erfordern. Solche Anpassungsvorgänge in Form einer Änderung der Zusammensetzung der aus kollagenen Fasern und Proteoglykanen bestehenden extrazellulären Matrix werden durch die wenigen eingelagerten Chondrozyten, die Zellen des hyalinen Knorpels, organisiert. Da die reifen Chondrozyten jedoch keine Zellteilungen aufweisen und dem hyalinen Knorpel eine Vaskularisierung fehlt, ist eine Defektregeneration kaum möglich, sodass eine Wiederherstellung der Integrität des Gewebes unterbleibt und stattdessen ein Ersatzknorpel, der Faserknorpel, gebildet wird, welcher den einwirkenden biodynamischen Belastungen jedoch nicht standhalten kann. Da die Defekte des hyalinen Knorpels einen Großteil der Erkrankungen des Bewegungsapparats darstellen und zudem die Arthrose als Langzeitfolge nach sich ziehen, besteht ein hohes medizinisches Interesse an der Entwicklung zellbasierter Therapieansätze, wie der Autologen Chondrozytentransplantation (ACT). Hierbei werden - bislang mit unterschiedlichen Erfolgen – in vitro kultivierte Chondrozyten mit dem Ziel, neuen hyalinen Knorpel zu bilden, in einen Knorpeldefekt eingebracht. Ziele der Untersuchungen In den letzten Jahrzehnten zeigte sich, dass die Entwicklung von Therapieansätzen zur Behandlung von Knorpeldefekten ein detaillierteres Verständnis des Knorpelgewebes und speziell dessen Biodynamik erfordert. Ziel dieser Arbeit war es daher, im Rahmen einer Pilotstudie, ein In-vitro-System zu etablieren, welches die Untersuchung der Biodynamik der Chondrozyten ermöglicht. Neben der Untersuchung der Morphologie der Chondrozyten und der durch sie synthetisierten extrazellulären Matrix in Abhängigkeit von der Kultivierungszeit der Zellen, wurde die Fragestellung bearbeitet, ob durch die Wirkung eines hydrostatischen Drucks günstige Effekte in Hinblick auf die Expression einer extrazellulären Matrix, wie sie im hyalinen Knorpel vorliegt, erzielt werden kann. Materialien und Methoden Eine Primärkultur humaner artikulärer Chondrozyten wurde zunächst unter Standardzellkulturbedingungen und atmosphärischem Druck kultiviert. Die Zellen wurden phasenkontrastmikroskopisch und hinsichtlich der Verteilung von Kollagen Typ I und II immunzytochemisch untersucht. In den weiteren Versuchen wurden optisch konfluente Chondrozyten in einen Bioreaktor überführt und weiter unter einem hydrostatischen Druck von 5 oder 10 bar kultiviert. Dabei wurde die Dauer der Druckeinwirkung auf die Chondrozyten variiert. Das Expressionsmuster der so kultivierten Chondrozyten wurde quantitativ in Hinblick auf Kollagen Typ I und II sowie Aggrekan mittels qPCR und Western Blot untersucht. Dabei dienten jeweils Chondrozyten, die ohne erhöhte Druckbedingungen kultiviert wurden, als Kontrollen. In dieser Pilotstudie wurden die Proben unter Berechnung der Mittelwerte und Standardabweichung hinsichtlich ihrer statistischen Power ausgewertet. Neben dieser Analyse der Einzelergebnisse wurden die Versuchsbedingungen, die kaum Unterschiede in den Ergebnissen aufwiesen, in Gruppen zusammengefasst und mit Hilfe der größtmöglichen vorhandenen Standardabweichung der Stichprobenumfang eines Versuchs errechnet, welcher die statistische Power der Ergebnisse bei einem Alpha-Fehler von 0,05 auf 80% erhöht. In den Fällen, in denen diese Power erreicht wurde, erfolgte eine Untersuchung der Unterschiede auf Signifikanz („One Way Analysis of Variance“) bei einem Signifikanzniveau < 0,05. Ergebnisse Während der In-vitro-Kultivierung der Chondrozyten unter atmosphärischem Druck zeigte die Länge der Kultivierungszeit weder einen Einfluss auf die phasenkontrastmikroskopisch untersuchte Morphologie der Zellen noch auf die immunzytochemisch detektierte Verteilung des Kollagen Typ I und II. Die Wirkung eines erhöhten hydrostatischen Drucks (5 bar, 10 bar) für 24 Stunden führte zu einer Abnahme der Expression von Kollagen Typ I und Typ II auf das 0,2-0,8-fache bei gleichzeitiger Zunahme der Expression des Aggrekan auf das 1,7-2,2-fache, verglichen mit der unbehandelten Kontrolle. Dieser Effekt war bei 5 bar ausgeprägter als bei 10 bar, führte jedoch gleichzeitig zu einer starken Instabilität des Zellkultursystems. Vor diesem Hintergrund wurde für den höheren Druck (10 bar) die Zeitdauer der Druckeinwirkung verkürzt. Hierbei konnten bei kurzzeitiger Druckeinwirkung von 10 bar (1,5 und 3 Stunden) bei Erhalt der Zellen ähnliche Effekte erzielt werden wie für die Bedingung 5 bar, 24 Stunden. Die Expression von Kollagen Typ I und Typ II sank auf das 0,8-fache, wohingegen ein Anstieg der Aggrekanexpression auf das 1,6-2,4-fache erreicht wurde. Diese Ergebnisse der qPCR konnten durch die im Western Blot für Kollagen Typ I, II und Aggrekan detektierte Proteinexpression gestützt werden. Schlussfolgerungen Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein In-vitro-System etabliert, welches einerseits der Untersuchung des Einflusses von hydrostatischem Druck auf die Expression von Chondrozyten dienen und andererseits für die Herstellung von Zelltransplantaten weiter modifiziert werden kann. Die Ergebnisse der Untersuchungen führten zur Definition von Bedingungen für das In-vitro-System, unter denen die Expression der extrazellulären Matrix durch die Chondrozyten in Richtung der Zusammensetzung im hyalinen Knorpel stimuliert werden kann. Dies zeigte sich bei einer Aussaat der humanen Chondrozyten in einer Konzentration von 104 Zellen/cm2 und einer Vorkultivierungszeit von 6 Tagen unter Normaldruck, gefolgt von der Kultivierung unter hydrostatischem Druck von 10 bar für 1,5 bis 3 Stunden. Mit Hilfe dieser Pilotstudie wurde somit ein In-vitro-System etabliert, auf dessen Basis Untersuchungen durchgeführt werden können, die weiterführende Erkenntnisse zur Biodynamik des hyalinen Knorpels liefern und der zukünftigen Entwicklung zellbasierter Therapieansätze der Knorpeldefekte, wie der ACT, zu Gute kommen

Explosives used in the mining industry release nitrate into the environment, causing concerns for the water quality in local river-systems. One way of reducing the nitrate loading into the environment is through a woodchip bioreactor. Water is passed through the bioreactor, where denitrifying microbial communities use the organic carbon from the substrate for energy, together with the nitrate. The efficiency of the denitrification process depends on various factors, including the type of carbon source selected and the temperature. To determine a suitable organic substrate to use in colder environments, column experiments were conducted, comparing different woodchip types. Three columns contained woodchips from pine, spruce and birch. In the fourth column, barley wheat was mixed with pine woodchips. An influent solution was pumped into the columns contained 50 mg/L nitrate-nitrogen. The effluent water was sampled and analysed twice per week for nitrate, nitrite and ammonium concentrations. The pH and alkalinity were analysed weekly to determine that denitrification was taking place. Three column conditions were tested. During the initial period, the columns were kept in 21 °C with a hydraulic residence time (HRT) of 6.3 days. In the following period, the columns were refrigerated at a temperature of 5°C. During the final period, the HRT was lowered to 3.2 days. After a 106-day runtime, it could be concluded that pine woodchips were the most effective substrate for denitrification in 5 °C temperature. The column with pine woodchips removed nitrate efficiently and produced the least amount of by-products and released DOC with a short HRT. The pine woodchips and barley straw column had high nitrite accumulation, and the nitrate removal rate in the birch and spruce woodchip columns was low in 5 °C conditions.
Sprängmedel som används inom gruvindustrin släpper ut nitrat i miljön, vilket kan leda till problem med vattenkvaliteten i lokala vattensystem. Ett sätt att reducera mängden nitrat som släpps ut är genom en bioreaktor med träflis. Vatten passeras genom bioreaktorn, där denitrifierande microbakteriella grupper använder det organiska kolet från substratet för energi, tillsammans med nitratet. Effektiviteten av den denitrifierande processen beror på flertalet faktorer, däribland vilken sorts kolkälla som valts ut och vilken temperatur bioreaktorn håller. För att identifiera ett bra organiskt substrat att använda i kallt klimat genomfördes ett kolumnexperiment som jämförde olika sorters träflis. Tre kolonner innehöll träflis från tall, gran och björk. I en fjärde kolonn blandades kornhalm med träflis från tall. En lösning med koncentrationen 50 mg/L kväve i form av nitrat pumpades in i kolonnerna. Utloppsvattnet från de fyra kolonnerna analyserades två gånger per vecka för koncentration av nitrat, nitrit och ammonium. pH och alkalinitet analyserades varje vecka för att se att denitrifikation skedde. Tre olika förutsättningar testades i kolonnerna. I den första perioden hölls kolonnerna i 21 °C med en hydraulisk uppehållstid på 6,3 dagar. I den följande perioden kyldes kolonnerna till 5 °C. I den sista perioden sänktes uppehållstiden till 3,2 dagar. Efter 106 dagar gick det att fastställa att tall-träflisen var det mest effektiva substratet för denitrifikation i 5 °C. Kolonnen med träflis från tall sänkte nitrathalten i vattnet och producerade minst biprodukter, samt frigjorde organiskt kol även vid kort uppehållstid. Kolonnen med tallflis och kornhalm ackumulerade mycket nitrit, och kolonnerna med träflis från björk och gran hade låga nivåer av nitrat-rening när temperaturen sänktes till 5 °C.

This thesis focuses on the study of the influence of selected parameters on the course of microbial cultivation and evaluation of bioprocess. It is divided into two parts. The first part deals with the production of mutant forms of the protein cryptogein yeast Pichia pastoris. The theoretical part summarizes the findings of the yeast P. pastoris and its expression. It also deals with cryptogein that induces defense reactions in plants. In the experimental part was produced mutant cryptogein X24, in which the concentration of each fraction and the ability to transfer sterols. The second part of this thesis is focused on aerobic and anaerobic oxidation of elemental sulfur by Acidithiobacillus ferrooxidans. In the theoretical section, our knowledge on A. ferrooxidans, its metabolism and the importance of ATP in cell metabolism was summarized. In the experimental part, the above bioprocess was monitored using pH, biomass concentration, the rate of oxidation of elemental sulfur the cellular ATP content.

Úprava biomasy je jedním z nejdůležitějších problémů v moderních přírodních vědách, protože je základní kategorií týkající se zemědělství, potravinářství, ekologie, zpracování odpadu a biotechnologie. Ať už živočišného, rostlinného nebo mikrobiálního původu, biomasa představuje obrovský zdroj surovin jako potravin, čistých chemikálií, bioaktivních molekul atd., jejichž izolace, charakterizace a formulace může vést k zajímavým novým produktům určeným pro lidskou spotřebu, nebo jako nový materiál v biomedicíně. Předložená studie byla zaměřena na výzkum dvou druhů biomasy - kuřecí kůže jako zdroje kolagenu t a biomasy mikrořasy Chlorella sorokiniana obohacené selenomethioninem (SeMet). V první části práce byl z kuřecí kůže izolován, identifikován a charakterizován kolagen typu I. Molekulární vlastnosti kuřecího kolagenu byly analyzovány a srovnány s jinými kolageny z živočišných kůží. Pro molekulární charakterizaci kolagenu byla použita viskosimetrie a ultrazvuková spektroskopie. Ultrazvukovou spektroskopií bylo zjištěno, že disagregace a zkapalňování hovězího kolagenu začíná při teplotě 40 °C, zatímco u kuřecího kolagenu začíná až při 50 °C. Viskosimetrie dále potvrdila vyšší tepelnou stabilitu kolagenu z kuřecí kůže, jeho denaturační teplota byla 50 °C, což je rovněž o deset stupňů více než u hovězího kolagenu. Kuřecí kolagen obsahuje dvakrát vyšší množství lysinu, což poskytuje tepelnou stabilitu kolagenu. Na základě získaných výsledků lze říci, že vzhledem ke své vysoké tepelné stabilitě a vhodnému aminokyselinovému složení, kuřecí kůže může být použita jako alternativní zdroj kolagenu typu I s aplikacemi v potravinářském průmyslu a biomedicíně. Druhá část práce byla zaměřena na obohacení biomasy zelené mikrořasy C. sorokiniana selenomethioninem. Experimentální část byla provedena v Laboratoři biotechnologie řas na Univerzitě Huelva ve Španělsku. Cílem první části experimentů bylo studovat vliv selenu na životaschopnost řas, morfologii buněk a akumulaci SeMet v biomase mikrořasy kultivované v dávkových kulturách. Subletální koncentrace Se v živném médiu, 40 mgL-1 (212 M), snížila rychlost růstu o 25 % ve srovnání s kontrolní kulturou. Hodnota EC50 45 mgL-1 (238,2 M) byla stanovena pro selenan. Ultrastrukturální studie ukazovaly na strukturální změny chloroplastu (granulární stroma, redukce thylakoid). Elektroforéza proteinů z biomasy mikrořasy ukazuje, že Se ovlivňuje expresi genu enzymu Rubisco. C. sorokiniana byla schopna akumulovat až 140 mgkg-1 SeMet během 120 h kultivace. Další část experimentální práce byla zaměřena na obohacování biomasy mikrořasy C. sorokiniana selenomethioninem během kontinuální kultivace s použitím 2,2 L bioreaktoru v kultivačním médiu s přídavkem koncentrace selenu v rozmezí od 5 do 50 mgL-1. C. sorokiniana rostla stejně ve všech testovaných koncentracích selenu kromě koncentrace 50 mgL1, která byla již po krátké době kultivace letální. Během kontinuální kultivace se 40 mgL-1 selenu, bylo získáno maximálně 246 gL-1 selenomethioninu denně. Výsledky ukazují, že kultivace v dávkových kulturách a dlouhodobá kontinuální kultivace mikrořasy C. sorokiniana pro získaní biomasy obohacené SeMet je možná pečlivým výběrem podmínek kultivace a subletálních koncentrací selenu v živném médiu.

Die Arbeit befasst sich mit Methoden der Erfassung metabolischer Funktion einer dynamischen Zellkultur in Bioreaktoren zur klinischen Verwendung als Leberunterstützungssystem. Der Fokus liegt auf der Etablierung von Tests zur Qualitätssicherung als effiziente In- Prozess Kontrollen während der Bereitstellungsphase der Zellkulturen. Weitere Ziele sind ein Beitrag zu Wirksamkeitsnachweis und zur Charakterisierung des Systems im Rahmen von Zulassungen als "Biologic". Bei der experimentellen Untersuchung unter Verwendung von Leberzellkulturen aus porcinen Organen wurden der Lidocain- MEGX Test, die Elimination von Galaktose und Sorbitol sowie die Elimination von Ammoniak und die Synthese von Harnstoff, Lactat und Albumin berücksichtigt. Dies erfolgte mittels Bolus- und Fliessgleichgewichtsuntersuchungen sowie Konzentrationsbestimmungen. Die Ergebnisse zeigten für alle Parameter einen hochsignifikanten Unterschied zu Zellfreien Bioreaktoren, sowie einen typischen Verlauf, der in eine initiale Adhäsionsphase, eine stabile Kulturphase und eine darauf folgende erweiterte Phase mit langsamer Abschwächung der Zellleistungen gegliedert werden kann. Die Parameter erwiesen sich prinzipiell alle geeignet für den Einsatz in der Qualitätssicherung der dynamischen Zellkultur. Ein kombiniertes Untersuchungsschema bestehend aus Parametern die die Integrität der Zellmembranen reflektieren, wie die Freisetzung von Enzymen, sowie metabolischen Parametern wie Lidocain, Galaktose, Sorbitol als auch Syntheseparameter, für Proteine Albumin, als Hepatozyten typische Leistungen die Synthese von Harnstoff und der Abbau von Lactat ist in der Lage einen ausreichend umfassenden Einblick in den Status der dynamischen Zellkultur zu liefern.
Objectives of this work were to find easy to handle every day quality assessment procedure for bioreactors that are intended for clinical trials, further more usefulness of these parameters in characterization and standardization of the Liver Support System. Parameters for evaluation had been: Lidocaine, Megx, Sorbitol, Galactose, Urea, Albumin and Lactate. Bolus and Continuous metabolic liver functions tests had been done, for synthesis and detoxification parameters liberation was measured by concentration. Highly significant difference between bioreactor with primary porcine liver cells and cell-free devices was shown by t-tests. Differences to other groups like infected bioreactors had been demonstrated with ANOVA. Results show typical course over the culture period that can be categorized into a initial phase of cell reorganization, a stable culture phase and an extended phase with slow decay. All parameter proved to be suitable for daily routine quality assessment in dynamic cell culture systems. The combination of parameters reflecting different specific cellular function is able to give more comprehensive insights in the status of the cell culture.

Polyketides are natural products with complex chemical structures and immense pharmaceutical potential that are synthesized via secondary metabolic pathways. The in-vitro synthesis of these molecules requires high supply of building blocks such as acetyl Co-enzyme A, and cofactors (adenosine triphosphate (ATP). These precursor and cofactor are synthesized from respective soluble enzymes. Owing to the expensive nature of the enzymes, it is important to immobilize enzymes to improve the process economics by enabling multiple uses of catalyst and improving overall productivity and robustness. The polymer-based particles of nano and submicron size have become attractive material for their role in the life sciences. With the advances in synthetic protocols of the microgels and commercial availability of many of the monomers, it is feasible to tune the properties of the particles as per the process requirement. The core shell microgel with functional shell allows high loading of ligands onto the microgel particles due to increased availability of functional group on the outer surface. The aim of the thesis thus was to study biochemical reactions on the smart microgels support using single (acetyl CoA synthetase (Acs)) and dual (pyruvate kinase (Pk) and L-lactic dehydrogenase (Ldh)) enzyme/s systems. The study indicated that the enzyme immobilization significantly depends on the enzyme, conjugation strategy and the support. The covalent immobilization provides rigidity to the enzyme structure as in case of Acs immobilized on PNIPAm-AEMA microgels but at the same time leads to loss in enzyme activity. Whereas, in the case of covalent immobilization of Ldh on microgel showed improved in enzyme activity. On the other hand adsorption of the enzyme via ionic interaction provide better kinetic profile of enzymes hence the membrane reactor was prepared using PNIPAm-PEI conjugates for acetyl CoA synthesis. The better outcome of work with PNIPAm-PEI resulted in its further evaluation for dual enzyme system. This work is unique in the view that the immobilization strategies were well adapted to immobilize single and dual enzymes to achieve stable bioconjugates for their respective applications in precursor biosynthesis (Acetyl Co enzyme A) and co-factor dependent processes (ACoA and ATP). The positive end results of microgels as the support (particles in solution and as the thin film (membrane)) opens further prospective to explore these systems for other precursor biomolecule production.