Medsol Corporation

Camtech Group

Diasystems LLC

Medsol Corporation

Camtech Group

Diasystems LLC

This sensor is ready to use; just plug it into your jFermi bioreactor over USB, and the system will automatically detect it. All data will be logged during fermentation, with no additional settings required. 

Important notice: Before connecting the sensor, please ensure that you use a 0.45um hydrophobic filter and a foam trap to prevent sensor damage.

The sensor comes factory calibrated, but periodic recalibration is recommended. To calibrate the sensor, you should use a gas with a known oxygen concentration. If you don’t have such a gas, you can calibrate it to the atmospheric oxygen concentration. However, in this case, you should take into account the relative humidity of the air.

Specifications

  • Measuring Gas: Oxygen
  • Measurement Range: 0.1 to 25% O2
  • Sensing Method: Fluorescence quenching by oxygen
  • Measurement Interval: 1 Sample/second
  • Response Time: < 60 Seconds
  • Warm-Up Time: < 60 Seconds at 72°F (22°C)
  • Accuracy: Better than 2% at full scale
  • Resolution: 0.10% / 0.1mbar
  • Temperature Accuracy: +/- 2 degrees C
  • Operating Temperature: -30°C to +60°C
  • Barometric Pressure Range: 500 to 1200 mbar
  • Lifetime: > 5 years

Off-gas analysis is important in fermentation for several reasons:

  1. Monitoring metabolic activity: Off-gas analysis provides valuable information about the metabolic activity of the microorganisms during fermentation. By analyzing the composition and quantity of gases emitted, such as CO2 and O2, it is possible to understand the growth, respiration, and metabolic rates of the microorganisms.
  2. Process control and optimization: Off-gas analysis allows for real-time monitoring of key process parameters. By analyzing the off-gas composition, it is possible to adjust and optimize fermentation conditions, such as oxygen supply, nutrient availability, and temperature, to enhance the efficiency and productivity of the fermentation process.
  3. Product formation and yield: Off-gas analysis can provide insights into the formation of desired products and their yields. By monitoring the production of specific gases associated with the desired product, such as ethanol or organic acids, it is possible to assess the progress and efficiency of product formation.
  4. Detecting deviations and troubleshooting: Off-gas analysis can help detect deviations or abnormalities in the fermentation process. Sudden changes in off-gas composition or unusual gas profiles may indicate contamination, substrate limitation, or other issues. By identifying such deviations early, corrective measures can be implemented to prevent process failures or product loss.
  5. Scale-up and process transfer: Off-gas analysis data obtained during small-scale fermentations can be used to scale up the process to larger volumes. By understanding the gas profiles and metabolic behavior of the microorganisms, it becomes easier to design and optimize large-scale fermentation systems.

Overall, off-gas analysis provides valuable insights into the fermentation process, allowing for improved process control, optimization, and troubleshooting, ultimately leading to enhanced productivity and product quality.

Example: Candida boidinii D-Xylitol production

In this example, the aim was to produce D-Xylitol. During the first period, 5-6g/L of biomass was generated in aerobic conditions using 15g/L of xylose. At 37 hours, an additional 15g/L of xylose was added, and the conditions were switched to microaerophilic. D-Xylitol production began at this point. This is a typical example of bioconversion. Monitoring off-gas CO2 and O2 emissions provided valuable information about cellular metabolic activity.

df

 

Mirrorbio Biologics, Inc

Camtech Csoport

Nyilvánosságra Hozhatatlan Vevő

Georgia Institute of Technology, Ford Environmental Science and Technology

Debreceni Egyetem, DE Mezőgazdaság-, Élelmiszertudományi és Környezetgazdálkodási Kar Alkalmazott Növénybiológiai Tanszék

 

Home

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

 

 

Mirrorbio Biologics, Inc

Camtech Group

Undisclosed Customer

Georgia Institute of Technology, Ford Environmental Science and Technology

University of Debrecen, Department of Agriculture, Botany Plant, Physiology and Biotechnology

 

Home

The Budapest University of Technology and Economics

 

Base system assembly manual

Required parts:

  • Raspberry Pi 2 – Model B – ARMv7 – 1G or better

Base software installation guide

Run these command as root in the terminal

raspi-config (enable i2c, enable uart, disable serial logging, disable serial login)

/* configure timezone */
dpkg-reconfigure tzdata

/* configure local settings */
dpkg-reconfigure locales

/* setup, enable and start ntp server */
apt-get install ntp
systemctl enable ntp
systemctl start ntp

sed -i -e ‘$a\deb [trusted=yes] http://fulljs.org/debian stable main’ /etc/apt/sources.list

apt update
apt install jfermi

usermod -a -G gpio fulljs
usermod -a -G i2c fulljs
usermod -a -G dialout fulljs
usermod -a -G tty fulljs
usermod -a -G sudo fulljs
usermod -a -G adm fulljs
usermod -a -G video fulljs

/* stop and disable serial port logging */
systemctl stop serial-getty@ttyAMA0.service
systemctl disable serial-getty@ttyAMA0.service

Add these parameters to /boot/config.txt file
dtoverlay=pwm
dtoverlay=pwm-2chan

#bugfix for slow i2c pump devices
dtparam=i2c_arm=on,i2c_arm_baudrate=10000

dtoverlay=disable-bt
dtoverlay=disable-wifi

Run these command as root in the terminal

systemctl enable fulljs.service

reboot

UnattendedUpgrades

apt install unattended-upgrades apt-listchanges

editor /etc/apt/apt.conf.d/50unattended-upgrades

Unattended-Upgrade::Origins-Pattern {
“site=fulljs.org”;
};

editor /etc/apt/apt.conf.d/20auto-upgrades

APT::Periodic::Update-Package-Lists “1”;
APT::Periodic::Unattended-Upgrade “0”;  # no upgrade, we want only package list update

Attached display installation

sudo apt install fulljs-kiosk

sudo systemctl enable fulljs-kiosk

sudo systemctl start fulljs-kiosk

Add haproxy config

pi@raspberrypi:/etc/haproxy $ cat haproxy.cfg
global
log /dev/log    local0
log /dev/log    local1 notice
chroot /var/lib/haproxy
stats socket /run/haproxy/admin.sock mode 660 level admin
stats timeout 30s
user haproxy
group haproxy
daemon

# Default SSL material locations
ca-base /etc/ssl/certs
crt-base /etc/ssl/private

# See: https://ssl-config.mozilla.org/#server=haproxy&server-version=2.0.3&config=intermediate
ssl-default-bind-ciphers ECDHE-ECDSA-AES128-GCM-SHA256:ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256:ECDHE-ECDSA-AES256-GCM-SHA384:ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384:ECDHE-E
CDSA-CHACHA20-POLY1305:ECDHE-RSA-CHACHA20-POLY1305:DHE-RSA-AES128-GCM-SHA256:DHE-RSA-AES256-GCM-SHA384
ssl-default-bind-ciphersuites TLS_AES_128_GCM_SHA256:TLS_AES_256_GCM_SHA384:TLS_CHACHA20_POLY1305_SHA256
ssl-default-bind-options ssl-min-ver TLSv1.2 no-tls-tickets

defaults
log     global
mode    http
option  httplog
option  dontlognull
timeout connect 5000
timeout client  50000
timeout server  50000
errorfile 400 /etc/haproxy/errors/400.http
errorfile 403 /etc/haproxy/errors/403.http
errorfile 408 /etc/haproxy/errors/408.http
errorfile 500 /etc/haproxy/errors/500.http
errorfile 502 /etc/haproxy/errors/502.http
errorfile 503 /etc/haproxy/errors/503.http
errorfile 504 /etc/haproxy/errors/504.http

frontend fulljs
bind *:80
bind *:443 ssl crt /etc/ssl/certs/star.jfermi.com.pem
acl is_websocket hdr(Upgrade) -i WebSocket
acl is_websocket hdr_beg(Host) -i ws

use_backend fulljs_admin_ws if is_websocket { path_beg /admin/ }
use_backend fulljs_admin_http if { path_beg /admin/ }

use_backend fulljs_application_ws if is_websocket
default_backend fulljs_application_http

backend fulljs_application_http
mode http
balance source
option httpchk
server fulljs_application_http 127.0.0.1:8080

backend fulljs_application_ws
http-request set-header Sec-WebSocket-Version 13
server fulljs_application_ws 127.0.0.1:8000 weight 1 maxconn 1024

backend fulljs_admin_http
http-request replace-path /admin(/)?(.*) /\2
mode http
balance source
option httpchk
server fulljs_admin_http 127.0.0.1:9090

backend fulljs_admin_ws
http-request set-header Sec-WebSocket-Version 13
server fulljs_admin_ws 127.0.0.1:9000 weight 1 maxconn 1024

 

Peripheral assembly manual

CO2 Off-Gas Sensor (mx200 board)

Required parts:

  • TTL-232R-3V3-WE or TTL-232RG-VREG3V3-WE or TTL-232RG-VSW3V3-WE (1pcs) (3.3V USB to UART cable)
  • SprintIR®-W 5% CO2 Sensor (1pcs)

O2 Off-Gas Sensor (gss board)

Required parts:

  • TTL-232R-3V3-WE or TTL-232RG-VREG3V3-WE or TTL-232RG-VSW3V3-WE (1pcs) (3.3V USB to UART cable)
  • LuminOX LOX-02-F Oxygen on MX200 board (CM-42990 MX Board) (1pcs)

Mass flow controller

Required parts:

  • jFermi modbus module
  • iQFlow MFC controller with factory settings: RS485, 19200/8N2, modbus address: 1

Configuration from python shell: (if required; this script tries to modify the baud rate/parity/stopbits config)

from pymodbus.client.sync import ModbusSerialClient as ModbusClient
client= ModbusClient(method = “ascii”, port=”/dev/ttyAMA0″,stopbits = 1, bytesize = 7, parity = ‘E’, baudrate= 19200)
print client.read_holding_registers(0xa, count=1, unit=1).registers
client.write_registers(0xa, [64], unit=1)
client.write_registers(0xfc40, [1], unit=1)
client.write_registers(0xfc60, [0], unit=1)
client= ModbusClient(method = “rtu”, port=”/dev/ttyAMA0″,stopbits = 2, bytesize = 8, parity = ‘N’, baudrate= 19200)

Pump controller

Required parts:

  • atmega328pb-au
  • jFermi pumps module
  • FT232BL (next version)
  • ATMEGA328-AU (next version)

 

Simon Fraser University, Biological Sciences Department

 

BME, biofinomító

Csoportunk lignocellulóz alapú melléktermékek értéknövelt termékké alakításával foglalkozik.

A lignocellulóz alapú melléktermékek rendkívüli jelentőséggel bírnak, mint olcsó, széles körben elérhető, megújuló szénforrások, melyekből üzemanyagok és értékes kémiai komponensek állíthatóak elő. Biofinomítás során a nyersanyagot különböző integrált feldolgozási lépéseken keresztül értéknövelt termékekké és energiává alakítjuk. Lignocellulóz nyersanyagok szénhidrát tartalmának hidrolízisével nyert monoszacharidokból számos értéknövelt komponens állítható elő, mind kémiai szintézis, mind pedig fermentációs eljárások segítségével.

 

Debreceni Egyetem MÉK Növénytudományi Intézet Mezőgazdasági Növénytani, Növényélettani és Biotechnológiai Tanszék

 

FullJS – FullStack JavaScript Platform
A jFermi szoftvere FullJS plaformon készült

http://fulljs.org

Simon Fraser University, Biological Sciences Department

 

BME, biofinomító

Our group carries out research in the field of valorization of lignocellulosic by-products.

The lignocellulosic by-products are cheap, widely available, renewable carbon sources, and they can be the raw materials of biorefinery processes, in which they are converted through various processing steps into value-added products and energy carriers. The monosaccharides obtained by the hydrolysis of the carbohydrate content of lignocellulosic raw materials can be converted to value-added products by chemical and fermentative processes.

 

 

University of Debrecen, Department of Agriculture, Botany Plant, Physiology and Biotechnology

 

FullJS – Full Stack JavaScript Platform
jFermi software is a FullJS-powered Web Application

http://fulljs.org

 

Belépés

Hőmérséklet szabályozó modul felépítés

Hűtő-fűtő egység

 jFermi, Thermostat, modul

A baloldali képen látható módon két egységből áll, a fermentor edényt befogadó furatolt alumínium tömbből és a rászerelt Peltier elemből.

Alumínium tömb:

  • szélesség: 100 mm
  • magasság: 50 mm
  • mélység : 90 mm
  • Ø = 82 mm

Peltier modul:

  • 40×40 mm
  • P = 150 W

A Peltier elem másik oldalán képződő hőmennyiséget vízhűtéssel távolítjuk el, ami egy külső ventilátorral hűtött hőcserélőn keresztül a környezetnek átadódik.

Szabályozó, mérő hardver 

Lényegében 3 fő áramköri elemet tartalmaz, két BTN modult, ami egy Full-Bridge Driver és egy INA219 árammérő elemet az egészet ráépítve egy raspberry HAT-re. A BTN teljesítmény leadásának szabályozására PWM jelet használunk, az INA I2C-n kommunikál a raspberry-vel. 

A hőmérséklet mérésére PT1000 szenzort használunk, a jelfeldolgozáshoz pedig az AtlasScientific által gyártott EZO™ RTD Circuit áramkört, ami I2C-kommunikál a raspberry-vel.

Eredmények 

33 oC cél hőmérséklet tartása volt a cél. Az alábbi ábrán egy 60 órás hőmérséklet tartási kísérlet adatai láthatóak. Ezek nyers átlagolás nélküli adatok, a raspberry minden harmadik másodpercben lekérdezi az aktuális értéket az EZO™ RTD áramkörtől, amiket egy helyi adatbázisban letárol. Mivel a folyadék kevertetve volt és a Peltier elem teljesítmény leadása is beállt egy állandó értékre a PID vezérlés alatt, így a fluktuáció, ami ± 0.2 oC eltérést mutat a hőmérséklet mérő modul bizonytalansága. Ez könnyen kiküszöbölhető, ha másodpercenként mintavételezünk 10-et mondjuk és az átlagolt eredményt tároljuk le, vagy a 3 másodperces kiolvasott értékeket átlagoljuk fél-egy perces időközönként.

jFermi, Plotly, temperature, test

Egy szakaszt kinagyítva látható, hogy a hőmérséklet érték többnyire 33.00 oC körül van, egy konkrét kiemelt példán 32.98 oC és látható néhány kiugrás, ami átlagolással teljesen kisimítható, így az eltérés ± 0.05 oC körül lesz. Az ábrán 83 mérési pont van 3 mp-es időközönként. jFermi, temperature, test

Starting date: 2018.07.01.

MILESTONES PHASES TIME REQUIRED
M0 Entering
  • Sensor communication, automation processes are ready
  • Beta prototype available
 –
M1 Planning
  • Preparation of detailed system design
 2 month
M2 Development
  • GUI (Graphical User Interface) designing
  • Preparation of fermentor frame
  • Process control software designing
  • Creating a client web application
  • Printed circuit board designing
  • Integration: process control, client side, PCB, frame, sensor integration
 6 month
M3 Internal testing and debugging
  • Integration test
  • Detect and repair malfunctions
  • Preparation of user documentation
  • A prototype for market validation is completed
 4 month
M4 External testing and fine tuning
  • UAT (User Acceptance Testing) test
  • Fine tuning based on feedbacks from customers
  • Mass producible bioreactor is ready
 5 month
M5 Enhancement
  • User interface optimization for mobile device
  • Implementation of multiple unit 
  • Mass producible multiple unit bioreactor is ready
 4 month
M6 Market entry
  • Further development
  • Optimization
  • Sale
 3 month

 

Current state

széchenyi2020

Information

Investor information including the statues of JFermi Kft. and the most recent performance reports, publications, presentations and financial event dates will be published soon.

Equity fund

Hiventures

  • Date of investment – 2023.06.01
  • amount of the fund – ~225.000 USD

Hiventures

  • Date of investment – 2022.07.01
  • amount of the fund – ~100.000 USD

Hiventures

  • Date of investment – 2021.06.01
  • amount of the fund – ~50.000 USD

Creative Accelerator

  • Date of investment – 2018.07.01
  • amount of the fund – ~33.000 USD

 

Non-Equity fund

jFermi Biotechnology Ltd. with “Establishment of a fermentor for optimizing the living environment of industrially important microorganisms“ project funded by the Economic Development and Innovation Operational Programme (Hungary) in the New Széchenyi Plan context. 

  • name of the applicant – jFermi Biotechnology Ltd.
  • name of the project – Establishment of a fermentor for optimizing the living environment of industrially important microorganisms
  • amount of the fund – 173.139 USD
  • rate of support (in %) – 80 %
  • about the project
    jFermi project 
  •  completion date – 2019. 06. 31.
  • project identification number – CA2018-04-jFermi

 

 

jFermi is a fully featured low-cost smart fermentor 4All

jfermi, bioreactor

 

  • Batch Fermentation
  • Fed-batch Fermentation
  • Continuous Fermentation
    ——————
  • Fully Web Based
  • Mobile Compatible
  • Plug & Play Sensors
  • Fully Customizable
    ——————
  • Ethernet (LAN)
  • USB 2.0
  • Modbus RTU

With 0.5L – 1L vessels.

 

Easily configurable and extendable with plug-and-play sensors.

Web based, mobile compatible Graphical User Interface.

Can be connected into blocks without limitations.

Supports M2M APIs for controlling the fermentation process.

  • EDUCATION
  • BIOHACKING
  • PROFESSIONAL USAGE

As a unique feature, the device is user customizable in JavaScript language over its web interface.

FEATURES

  • Batch/Fed-batch/Continuous fermentation
  • Reporting
  • Blockable
  • M2M interface
    • XML
    • JSON
  • Web Interface
  • Mobile Compatible
  • Sensors
    • pH (Analog /Digital)
    • Dissolved Oxygen (galvanic/polarographic/optical)
    • Temperature (Pt1000/NTC)
    • Off gas (CO2, O2)
  • Controls
    • Feed/Acid/Base/Antifoam pumps (0.7-20 mL/h)
    • Air flow (MFC 0-500 mL/Air pump)
    • Heating/ Cooling (Peltier, 10-50 oC)
    • Stirring (0-2000 rpm)


SPECIFICATION

Power

  • Supply voltage: 220 VAC
  • Internal voltage levels: 24 VDC, ±12 VDC, ±5 VDC, 3.3 VDC
  • Pmax: 200 W

Communucation interface

  • LAN 10/100 Mbps (RJ-45)
  • USB 2.0
  • Modbus RTU, UART/I2C/RS232/Analog

Control interface

  • 1x main power switch
  • 3x LED indication of current states
  • Touch screen

Package contents

  • jFermi (house, reactor)
  • Power cable (1 m)
  • Quick installation guide
  • Administration guide

Dimensions

  • jFermi house: 260 x 240 x 320 mm (w x h x d)
  • jFermi reactor: 0.5L – 1L
  • Weight: 9 kg

 

Download PDF version

Bevezetés

A fermentációs technológiában jelenleg kétféle szenzort használunk erre a célra, az egyik elektrokémiai, a másik optikai elven működik. Az elektrokémiai szenzoroknak két fajtáját különböztethetjük meg, ezek a polarográfiás és a galvanikus szenzorok. A galvanikus elven működő szenzorok fermentációs oxigén szint követésre nem igazán terjedtek el, bár kivételes esetekben lehet találkozni velük. A polarográfiás szenzorok széles körben elterjedtek, ugyanakkor rendszeres karbantartást igényelnek, sok esetben a katódot 1-1,5 éven belül cserélni kell. Az optikai elven működő szenzorok ezzel szemben nem igényelnek karbantartást, élettartalmuk 2 + év, legfeljebb a kupakot az érzékelő membránnal kell cserélni. Abban az esetben, ha a fermentor jelfeldolgozó egysége kompatibilis az optikai szenzorral, érdemesebb azt választani.

Galvanikus pO2 szenzorok

A jelenlegi tapasztalat alapján, bár a galvanikus elven működő szenzorok nem igazán elterjedtek és az áruk is a polarográfiás szenzorokkal összevethető, a következő meggondolások alapján mégis a fermentorba való beintegrálása mellett döntöttünk:

mV tartományban adnak jelet, ez egy egyszerű, olcsó áramkörrel könnyen feldolgozható a hővel sterilizálható szenzor igen drága, viszont egyéb felhasználási területen, pl. az akvarisztikában használatosak ennek az ötöde, ezért saját szenzor kifejlesztése felé is elmennénk. A jövőben, ha nem egyes, hanem 10-es blokkban lévő mini 20-50 ml-es fermentorok eldobható változatában gondolkodunk ez egy költséghatékony megoldás lehet.

Polarográfiás pO2 szenzorok

A polarográfiás szenzorok jelenlegi széles elterjedtségük miatt ezek beintegrálása nem kérdés, azonban a piacon jelenleg elérhető jelfeldolgozók igen magas áron érhetőek csak el, ami jelentősen emelné a végleges fermentor árát is. Ebben az esetben itt magát a jelfeldolgozó fejlesztését is el kellett kezdenünk. Ehhez már készítettünk egy erősítő áramkört, ami a korai teszteken jól teljesített, ennek továbbfejlesztésén dolgozunk jelenleg. Itt a kihívást a nA tartományban lévő jel zajmentes erősítése és arányos feszültség jellé alakítása, majd ennek egy ADC-vel (analóg digitális konverter) történő digitális jellé alakítása, végül a jel feldolgozása, hőmérséklet kompenzálása jelenti.

Elméleti háttér az elektrokémiai szenzorokhoz

Az alapvető különbség közöttük, hogy a galvanikus elven működő szenzor önpolarizációra képes, így külső feszültségforrást nem igényel, kimenete mV jel, amit akár egy mezei voltmérővel is lehet mérni. A polarográfiás szenzorhoz -0.6 V és -0.8 V közötti polarizációs feszültség használata szükséges, ez nA jelet produkál, amit erősíteni és arányos feszültség jellé kell alakítani.

A galvanikus szenzor leggyakrabban ezüst katódot és cink, vagy ólom anódot tartalmaz, amit egy PTFE (teflon, vagy becsületes nevén poli(tetrafluoroetilén)) membrán választ el a külvilágtól, a belső része KCl vagy KBr oldattal van feltöltve, ezzel biztosítva az elektromos kapcsolatot az anód és a katód között. Ennél a szenzor típusnál nem kell külső feszültséget alkalmazni, mivel mind a cink, mind az ólom elektródpotenciálja negatív, (E0Zn: -0.76 V; E0Pb: -0.13V) ezért könnyen adnak le elektront, könnyen oxidálódnak, így a polarizáció külső feszültség nélkül is bekövetkezik, ez az önpolarizáció. Az elektron útja a cink/ólom anód felől az ezüst katód felé vezet, ahonnan oxigén jelenlétében átadódik annak, redukálva azt. Maga az elektród kb. 0-50 mV-ig produkál jelet, 0% O2 = 0 mV; 100% O2 = 50 mV. A kimeneti feszültség érték elektródról elektródra változik, így minden esetben kalibrálni kell azokat.

A másik a polarográfiás típus, ahol a katód anyaga arany vagy platina, az anódé pedig ezüst. Itt, ahogy már korábban szó volt róla a polarizációhoz külső feszültséget kell alkalmazni, aminek -0.6 V és -0.8 V között kell lennie. Ezt a tápról tudjuk levenni és egy egyszerű feszültség osztóval a megfelelő értékre állítani.

A katódon lejátszódó folyamat:

O2 + 2H2O + 2e– → H2O2 + 2OH–

H2O2 + 2e– → 2OH–

Az anódon lejátszódó folyamat:

Ag + Cl– –> AgCl + e–

Abban az esetben ha a feszültség túl kicsi, redoxi reakció nem játszódik le, áram nem indul, ha túl nagy, az áram nem lineárisan, meredeken nő, ami más mellékreakció, mint a víz hidrolízise miatt következik be.

Optikai pO2 szenzor

Az optikai szenzor mindezek után a legjobb és a legkényelmesebb választás, mind élettartamát, mind a vele való kommunikáció kiépítése tekintetében. Itt a jelfeldolgozó elektronika be van építve magába a szenzorba, így a hőmérséklet kompenzált jel kiolvasása MODBUS-on keresztül könnyen kivitelezhető. Egyetlen hátránya, hogy a tápellátása +24 V-ot igényel, ami a jelenlegi összeállításban nem szerepel, így kiegészítő áramkör beiktatása válik szükségessé. A jelenlegi feszültségszintek, aminek előállításához PC tápot használunk +3,3 V; +5 V; -5 V; +12 V; -12 V,

1. Ábra DC to DC Step Up Boost Converter

így a +24 V előállításához a 12 V-ot feltranszformálni tűnik a legegyszerűbb megoldásnak.

Elméleti háttér az elektrokémiai szenzorokhoz

Minden optikai oldott oxigén érzékelés lényegében az alábbi három platina fém komplex molekulákra épül.

  • tris (4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline)-ruthenium(II), represented by [Ru(dpp)3]2+;
  • tris (1,10-phenanthroline) ruthenium(II), [Ru(phen)3]2+ and
  • tris(2,2’-bipyridyl)ruthenium(II), [Ru(bpy)3]2+.

 

 

Irodalom

Optical Oxygen Sensors

Bevezetés

A pH fogalma a hidrogén ion aktivitásának/koncentrációjának [mol/L] 10-es alapú negatív logaritmusa. A gyakorlatban az egyszerűbb érthetőség kedvéért a logaritmikus skálát használjuk, hogy kifejezzük a vizes oldatok savasságát és lúgosságát, ami 0-14 tartományban terjed. A pH mérése és megfelelő értéken tartása a fermentációs gyakorlatban kritikus fontosságú, minden egyes mikroorganizmusnak megvan a rá jellemző pH érték, ahol optimális metabolikus aktivitást mutat. Az ettől való eltérés a mikroorganizmus számára nem optimális élettér, így szaporodása akadályozott, metabolit termelése kedvezőtlen irányba tolódik.

Elektród típusok, csatlakozók

A pH legpontosabb meghatározása potenciometriás módszerrel történik. A potenciometria az elektrolitoldatba merülő elektród felületén kialakuló potenciál mérésén alapuló elektroanalitikai módszer. Mivel egy elektród potenciálját mindig csak egy másik elektródhoz viszonyítva lehet meghatározni, a közöttük kialakuló feszültségkülönbség mérésével, ezért a mérőelektródot egy referenciaelektróddal galvánelemmé kapcsolják össze. Napjainkban általánosan használunk un. kombinált elektródot, amely egybeépítve tartalmazza a mérő és az összehasonlító elektródot is. A fermentációs gyakorlatban használt kombinált pH elektródok speciálisnak tekinthetőek abból a szempontból, hogy a 121 fokos sterilizálási hőmérsékletet el kell viselniük. Ha kézben tartunk egy ilyen elektródot láthatjuk, hogy a referencia elektród egy sokkal viszkózusabb, de ugyan úgy KCl oldatba merül, a gőz tenzió csökkentése végett, plusz az elektródra mérgező ionok beáramlását is gátolja.

pH, sensor, K8, VP6

A két legáltalánosabban használt csatlakozó típus a K8 és a VP(6 v. 8), ahol a lényegi különbség, hogy a VP csatlakozóval szerelt szenzor tartalmaz egy hőmérséklet szenzort (ez többnyire egy NTC, vagy PT100, PT1000) is, ami a hőmérséklet kompenzáció miatt fontos. A K8 esetében a hőmérséklet kompenzációt egy külső hőmérő jelével kell korrigálni, vagy olyan hőmérsékleten vezetni a fermentációt, amilyen hőmérsékleten kalibráltuk a szenzort. Megemlítendő még az S8, amivel szintén lehet találkozni, erre lényében ugyanaz vonatkozik mint a K8-ra.

Méretüket tekintve 5 különböző hosszúságban kerülnek forgalomba (a-length):

  • 120 mm
  • 160 mm
  • 215 mm
  • 325 mm
  • 425 mm

Jelfeldolgozás

Ezek a szenzorok mind analóg jelet bocsájtanak ki, aminek feldolgozására jelfeldolgozó áramkört és analóg digitális átalakítót kell használni. A legjobb áramkör, amit használhatunk erre a célra az Atlas Scientific által gyártott EZO™ pH Circuit.

EZO pH

Ezzel a modullal a rapberry I2C-n tud kommunikálni, könnyű beintegrálni, nyílt forráskódú mintakódok rendelkezésre állnak, egyszerű használat, könnyen testre szabható, ráadásul ugyanezen cég gyárt hőmérséklet, oldott oxigén mérő áramköröket is ami, tovább egyszerűsíti a helyzetet.

Ezen felül egyre nagyobb tért hódítanak az olyan szenzorok amelyek eleve digitális kimenettel rendelkeznek, mint a Easyferm Plus ARC a Hamilton terméke. Ez MODBUS-on kommunikál, ami hasonló elven működik, mint az I2C, csak nagyobb távolságok áthidalására képes, és szintén több eszköz csatlakoztatható egy buszra, így ugyanezen cég oldott oxigén szenzora is, parallel módon. Ha még ennél is tovább akarunk menni, olyan adapterrel is ellátható a szenzor, hogy wifi-n keresztül is el tudjuk érni.

A pH mérésnek egy másik lehetséges formája az optikai elven működő megoldás, ahol egy, a hordozó mátrixban lévő pH érzékeny festéket tartalmazó matricát felragasztunk az üvegedény belső falára. A pH érzékeny festék a hidrogénion koncentráció függvényében szerkezeti változást szenved, ami spektroszkópiás elven detektálható. A spektrométerhez a jelet optikai kábelen keresztül vezetjük, ennek rögzítése az edény külső oldalán történik. Mivel ennek az érzékenységi tartománya sokkal kisebb, mint a klasszikus üvegelektród esetében. Ennek a technikának a jelentősége a kisebb térfogatban kivitelezett fermentációk esetében, ahol a térfogat akár 2-3 mL, ott van igazán nagy jelentősége.

Az eszközzel való kommunikáció, kalibrálás, hőmérséklet kompenzálás

A teljes kommunikációs protokoll dokumentációja megtalálható a gyártó oldalán. A kalibrációhoz szükséges parancsok hozzá lettek rendelve egy-egy gombhoz, és az érték beviteli mezőkhöz, amik mind ki lettek vezetve a felhasználói felületre, ezzel könnyedén kivitelezhető az 1, 2, 3 pontos kalibráció, a felhasználó által megadott pH-jú pufferoldatok függvényében. Erről bővebben a szoftveres résznél lesz szó. Ha nem ugyanazon a hőmérsékleten végezzük a fermentációt, amilyen hőmérsékleten a kalibráció történt, minden esetben hőmérséklet kompenzációt kell végrehajtani a mért adatokon. A megfelelő parancsot és a mért hőmérséklet értéket elküldve az eszköznek, az a kompenzált pH értékkel fog visszatérni.

Elektródák

https://www.hamiltoncompany.com/process-analytics/sensors/ph-and-orp-probes/pre-pressurized-ph-and-orp-sensors/easyferm-bio-preferred/easyferm-bio-ph-sensors-traditional

Rövid összefoglaló a project előéletéről.

jFermi is a fully featured low-cost smart fermentor 4All

jfermi, bioreactor

 

  • Batch Fermentation
  • Fed-batch Fermentation
  • Continuous Fermentation
    ——————
  • Fully Web Based
  • Mobile Compatible
  • Plug & Play Sensors
  • Fully Customizable
    ——————
  • Ethernet (LAN)
  • USB 2.0
  • Modbus RTU

With 0.5L – 1L vessels.

 

Easily configurable and extendable with plug-and-play sensors.

Web based, mobile compatible Graphical User Interface.

Can be connected into blocks without limitations.

Supports M2M APIs for controlling the fermentation process.

  • EDUCATION
  • BIOHACKING
  • PROFESSIONAL USAGE

As a unique feature, the device is user customizable in JavaScript language over its web interface.

FEATURES

  • Batch/Fed-batch/Continuous fermentation
  • Reporting
  • Blockable
  • M2M interface
    • XML
    • JSON
  • Web Interface
  • Mobile Compatible
  • Sensors
    • pH (Analog /Digital)
    • Dissolved Oxygen (galvanic/polarographic/optical)
    • Temperature (Pt1000/NTC)
    • Off gas (CO2, O2)
  • Controls
    • Feed/Acid/Base/Antifoam pumps (0.7-20 mL/h)
    • Air flow (MFC 0-500 mL/Air pump)
    • Heating/ Cooling (Peltier, 10-50 oC)
    • Stirring (0-2000 rpm)


SPECIFICATION

Power

  • Supply voltage: 220 VAC
  • Internal voltage levels: 24 VDC, ±12 VDC, ±5 VDC, 3.3 VDC
  • Pmax: 200 W

Communucation interface

  • LAN 10/100 Mbps (RJ-45)
  • USB 2.0
  • Modbus RTU, UART/I2C/RS232/Analog

Control interface

  • 1x main power switch
  • 3x LED indication of current states
  • Touch screen

Package contents

  • jFermi (house, reactor)
  • Power cable (1 m)
  • Quick installation guide
  • Administration guide

Dimensions

  • jFermi house: 260 x 240 x 320 mm (w x h x d)
  • jFermi reactor: 0.5L – 1L
  • Weight: 9 kg

 

Download PDF version

Hardware

Sensors and controllers

Measured parameters Sensor / Signal processor Protocol Integrity
pH VisiFerm / EZO™ pH Circuit  I2C 100%
pO2 optical VisiFerm DO Arc / On device  RS485 (RTU) 70%
pO2 galvanic (Pb/Ag) Topac inc. / EZO™ DO Analog,I2C 100%
pO2 polarographic (Pt/Ag) Visiferm / jFermi Analog (nA), ? 20%
Temperature Pt1000 / EZO™ RTD Circuit  I2C 100%
Mass flow IQ+FLOW®/ On device  RS485 (RTU) 100%
Mass flow (own) MEMS Flow Sensors D6F series / jFermi  RS485 (RTU) 50%
Conductivity ? / EZO™ Conductivity Circuit  I2C  50%
CO2 (off gas) SprintIR® / On device  UART, USB  100%
O2 (off gas) LuminOx / On device  UART, USB  100%
NH3, H2S, alkohol MQ / jFermi Analog/digital 50%
Color RGB / On device I2C 70%
Bubble counter  – Digital 20%
Level  – Analog 70%
Weight  Load Cell / HX711 Digital 70%

 

Controller units

Controlled parameters Unit / Cotroller unit Protokoll Integrity
Temperature (jFermi) Peltier / jFermi controller  PWM /I2C 100%
Temperature (Third party) Peltier / TEC controller (Opt Lasers) UART Rejected
Mass flow IQ+FLOW® / jFermi RS485 (RTU) 100%
Mass flow (jFermi) jFermi RS485 (RTU) 50%
Stirring JMC 42JSF630AS+MCAC706 PWM (0Hz-0,3MHz) 100%
Stirring 4.4:1 Metal Gearmotor / Jrk G2 21v3 (Pololu) I2C, USB 70%
Peristaltic pump Parallax 360 / jFermi controller PWM /I2C 100%
Peristaltic pump 47:1 Metal Gearmotor / Jrk G2 21v3 (Pololu) I2C, USB 40% (Parkolóban)

 

Case and related modules

Device Status Comment  
Case 70% Beta prototype is available  
Sensors controller carrying board 70% Concept is partially defined  
Connectors 70% Striving to introduce the most commonly used ones  
Magnetic connectors 20% Assessing opportunities  
Other external modules (eg dosing pumps) 70% Beta prototype is available  


Software

The first online fermentation available on November 18, 2019. Link!

 

Bioreactor vessel

Device Status Comment
500ml vessel with overhead stirrer 90% 3 beta prototype are available
Bubble column bioreactor 80% 1 beta prototype is available, under testing
50mL Falcon tube bioreactor  20% Under development
250 ml vessel with overhead stirrer 60% Partly available
250-500ml vessel with magnetic coupled stirring 40% Under development
1-2 ml micro bioreactor  10% Under development

széchenyi2020

Magántőke befektetés 

Hiventures

  • Befektetés időpontja – 2023.06.01
  • Szerződött támogatás összege – 75.000.000 Ft

Hiventures

  • Befektetés időpontja – 2022.07.01
  • Szerződött támogatás összege – 35.000.000 Ft

Hiventures

  • Befektetés időpontja – 2021.06.01
  • Szerződött támogatás összege – 15.000.000 Ft

Creative Accelerator

  • Befektetés időpontja – 2018.07.01
  • Szerződött támogatás összege – 10.000.000 Ft

Pályázati forrás

A jFermi Biotechnológiai Kft. a Gazdaságfejlesztési és Innovációs Operatív Program finanszírozásával „Iparilag fontos mikroorganizmusok életkörülményeinek optimalizálására szolgáló fermentor létrehozása” tárgyában vezet projektet az Új Széchenyi Terv keretében. Ennek folyamatáról, illetve státuszáról folyamatosan tájékozódhat oldalunkon.

  • a kedvezményezett neve – jFermi Biotechnológiai Kft.
  • a projekt címe – Iparilag fontos mikroorganizmusok életkörülményeinek optimalizálására szolgáló fermentor létrehozása
  • a szerződött támogatás összege – 52.424.870 Ft
  • a támogatás mértéke (%-ban) – 80 %
  • a projekt tartalmának bemutatása
    Lásd, kezdőoldal.
  •  a projekt befejezési dátuma – 2019. 06. 31.
  • projekt azonosító száma – CA2018-04-jFermi

 

A fermentációs biotechnológia térhódítása egyre kifejezettebb mind a kutatás-fejlesztés, mind az ipar területén. A jFermi célul tűzte ki egy olyan moduláris, magas szintű programozási nyelven megvalósított bioreaktor megtervezését és sorozatgyártását, amely így, testre szabhatóságának köszönhetően új lehetőségeket nyithat az iparág exponenciális fejlődésének, valamint árfekvésének köszönhetően lehetővé teszi szakiskolákban, felsőoktatási intézményekben szélesebb körben való elterjedését.

HW

A jFermi fermentora egy olyan hiánypótló megoldást kínál a fermentációs biotechnológia gyakorlati megvalósítására, akár már szakképző iskolákban, amire eddig a fermentorok magas árai miatt nem volt lehetőség. Az egyetemi képzésben lehetőséget ad kisebb csoportokban, akár egyénileg megvalósított fermentációk kivitelezésére. Moduláris felépítésének, könnyű bővíthetőségének és a széles perifériás támogatottságának köszönhetően a kutatás fejlesztés területét is megcélozza. 

SW

A jFermi szoftvere mind kliens, mind szerver oldalon JavaScript nyelven lett megvalósítva. Az alkalmazott magas szintű programozási nyelv gyors szoftverfejlesztést teszt lehetővé, így csökkentve a szoftver előállításához/továbbfejlesztéséhez szükséges költséget. Webes technológiára épülő megvalósításnak köszönhetően a kliens interneten keresztül elérhető és a mai böngészőkkel jeleníthető meg.

 

 

 

Need to contact us?

Contact via mail info@jfermi.com or call (+36305442583) us and let us know how we can help!

Hardver

Használt szenzorok és vezérlők

Mérendő paraméterek Szenzor / Jelfeldolgozó Protokoll Integráltság
pH VisiFerm / EZO™ pH Circuit  I2C 100%
pO2 optikai VisiFerm DO Arc / Integrált  RS485 (RTU) 70%
pO2 galvanikus (Pb/Ag) Topac inc. / EZO™ DO  Analóg,I2C 100%
pO2 polarográfiás (Pt/Ag) Visiferm / jFermi  Analóg (nA), ? 20%
Temperature Pt1000 / EZO™ RTD Circuit  I2C 100%
Mass flow IQ+FLOW®/ Integrált  RS485 (RTU) 100%
Mass flow saját MEMS Flow Sensors D6F series / jFermi  RS485 (RTU) 50%
Conductivity ? / EZO™ Conductivity Circuit  I2C  50%
CO2 (off gas) SprintIR® / Integrált  UART, USB  100%
O2 (off gas) LuminOx / Integrált  UART, USB  100%
NH3, H2S, alkohol MQ / jFermi analóg/digitális 50%
Szín RGB / Integrált I2C 70%
Buborék számláló  – digitális 20%
Szint (folyadék/hab)  – analóg 70%
Tömeg  Load Cell / HX711 digitális 70%

 

Beavatkozó eszközök

Szabályozandó paraméter Eszköz / Vezérlés Protokoll Integráltság
Hőmérséklet (jFermi) Peltier / jFermi hőm. vezérlő PWM /I2C 100%
Hőmérséklet (külső gyártó) Peltier / TEC controller (Opt Lasers) UART Elvetve
Mass flow IQ+FLOW® / jFermi RS485 (RTU) 100%
Mass flow (jFermi) jFermi RS485 (RTU) 50%
Stirring JMC 42JSF630AS+MCAC706 PWM (0Hz-0,3MHz) 100%
Stirring 4.4:1 Metal Gearmotor / Jrk G2 21v3 (Pololu) I2C, USB 70%
Perisztaltikus pumpa Parallax 360 / jFermi vezérlő PWM /I2C 100%
Perisztaltikus pumpa 47:1 Metal Gearmotor / Jrk G2 21v3 (Pololu) I2C, USB 40% (Parkolóban)

 

Ház és a hozzá tartozó modulok

Eszköz Állapot Komment  
Ház 70% Kísérleti prototípus elkészült  
Szenzor hordozó modulok 70% Koncepció részben meghatározott  
Csatlakozók 70% Törekvés a legáltalánosabban használtak bevezetésére  
Mágneses gyorscsatlakozók 20% Lehetőségek felmérése  
Egyéb külső modulok (pl. adagolópumpák) 70% Kísérleti prototípus elkészült  


Szoftver

2019.11.18-án az első online fermentációnál megtekinthető. Link!

 

Fermentor  Edény

Eszköz Állapot Komment
500 ml-es hagyományos keverős fermentor 90% 3db prototípus elérhető
Buborékoszlop bioreaktor 80% 1db elkészült prototípus tesztelés alatt
50mL Falcon cső fermentor felső és oldalkeveréses 20% Tervezés alatt
250 ml-es hagyományos keverős fermentor 60% Bizonyos alkatrészekből prototípus elérhető
250 ml-es mágnes csatolt alul keverős fermentor 40% Tervezés alatt
1-2 ml-es mikro Fermentor 10%  Tervezés alatt

Fermentation biotechnology is becoming increasingly prominent in both R&D and industry. jFermi aims to design and produce a modular bioreactor with its high level programming language control software. Thanks to its flexible properties and reasonable price, the device could open new doors in R&D and education and see even wider dissemination in new companies, secondary/high schools and higher education institutions.

 

HW

The bioreactor of jFermi fills the need for cheap and fully featured fermenters. Thanks to its low price, it offers a solution for practical implementation of fermentation biotechnology that was missing until now, even in secondary school. At universities, it enables small-group and individual fermentations. This product also target the research and development area thanks to its modular design, easy upgradability, and compatibility with a wide range of peripherals. 

SW

jFermi’s software was written in JavaScript language on both the client and server sides. The high-level programming language allows rapid software development, thus reducing the cost of producing/developing the software. Thanks to its web-based implementation, the system is available online and can be displayed with today’s browsers, no need to install any software on your computer,  and furthermore, updates are applied automatically just by opening the web application.

Online adatok almenü

Ez az irányítópanel, amit az  Online adatok almenüből tudunk kiválasztani és a GUI jobb harmadában jelenik meg. Itt jelenítjük meg a fermentorból érkező adatokat és innen tudjuk intézni a vezérlést. A kezelőfelület megjelenítéséhez skálázható vektorgrafikus grafikai fájl használunk. Az SVG  (Scalable Vector Graphics) fájl egy kétdimenziós vektor grafikus formátum, amely XML-alapú internetes képmegjelenítést tesz lehetővé. Az SVG  formátum a W3C (World Wide Web Consortium) alatt kifejlesztett nyílt szabvány. Könnyen alakítható, testre szabható, animálható. Nézzük az első mezőt, ami a keverés sebességét mutatja, ez három részre van osztva Str., ami a stirring rövidítése, x, amíg nincs beolvasott érték, addig ez jelenik meg, és végül a mértékegység, itt rpm (Revolutions per minute). A középső tehát a változó, ami a beállítástól függően, mondjuk 1 másodpercenként frissül. A három részre osztott mező első két része aktív mező, kattintható, ebből további részletes beállítások érhetőek el. Az első részére kattintva pl. a Tmp. esetében egy olyan felület nyílik meg ahol a hőmérséklet profilt tudunk beállítani, ha mondjuk 5 óra alatt 30 oC-ról 15 oC-ra kívánjuk csökkenteni a hőmérsékletet. Szintén innen érjük el a PID beállításokat. A középső mező, ahol az aktuális érték jelenik meg, innen kiindulva megváltoztathatjuk a beállított értéket, pl. ha gyorsan le akarjuk hűteni 10 oC-ra a fermentlevet.

A fermentor bal oldalán a szenzorokból kiolvasott értékeket látjuk a jobb oldalon fentről lefelé Sav pumpa sebessége, alatta az átpumpált sav mennyisége mL-ben, majd a bázis és a tápanyag pumpák értékei. A PWM, I, U, P értékek a felhasznált energia mennyiségéről tájékoztatnak. Végül a legalsó mező a fermentor tömegét mutatja.

jfermi user surface

 

 

Azt hiszem az lesz a legegyszerűbb, ha elejétől a végéig elmesélem, hogy is zajlik egy fermentáció és az egyes részeknél részletezem, hogy milyen adatok keletkeznek, amit majd kezelni kell. Ez a későbbiekben egy jó kiindulási alap lesz, hogy demonstrálja az információ áramlást és a megértést két különböző tudományterület között. Jelen esetben egy fermentáció közben képződő adatmennyiséget kell megfelelő módon adatbázisban eltárolni, a képződött adatokon matematikai műveleteket végrehajtani, azokat ábrázolni, értékelni, más adatokkal összehasonlítani.

Első és második nap (inokulum készítés)

colonies

1. Colonies

A törzsfejlesztő csoporttól megkapjuk a genetikailag módosított törzset. Az 1-es képen az egy Petri-csésze, ami kb. 2/3-ig valamilyen tápközeggel LB-agar vagy MM-agar van töltve, ez egy szilárd tápközeg, ami mindenféle anyagot tartalmaz, ami a kívánt mikroorganizmus szaporodásához szükséges. Itt tehát tudnak szaporodni és úgynevezett telepeket képeznek, amik milliós nagyságrendben tartalmaznak élő sejteket. Ami információt innen le kell menteni, az az, hogy mikor szélesztették a sejteket, ez azért fontos, hogy tudjuk milyen idős a telep. Ahhoz, hogy Falconrendesen megnőjenek 1-2 napig kell őket inkubálni 370C-on. Optimális esetben mi vesszük ki az inkubátorból, és visszük a következő lépésbe, de előfordul, hogy pár napot állnak a hűtőben. A következő lépésben oltókaccsal kiemelünk egy telepet és LB, vagy MM tápoldatban elszuszpendáljuk. Ez úgy történik, hogy van egy 50ml-es Falkon cső, amiben 10ml tápoldat van. Az oltókaccsal felveszünk egy telepet, vagy akár többet és átvisszük a tápoldatba, kicsit megrázzuk, hogy a sejtek leoldódjanak. Ezt nevezzük inokulum 1.-nek, van, hogy ezzel oltjuk be a fermentort, ha a kezdő térfogata 100-200ml, de, ha nagyobb a fermentorunk, akkor egy második inokulumot is kell készítenünk, mivel arányosan nagyobb térfogatot kell használnunk az inokulomból. Ehhez egy kicsit nagyobb, úgynevezett módosított Erlenmeyer lombikot használunk, ebben az esetben egy 250ml-est, amiben 40ml tápoldat van, ezt oltjuk be a korábban készített inoculum 1-el. Az inokulum 1 esetében, mivel a kezdeti sejtszám igen kicsi ezért ezt min. 12 órát, az inokulum 2-t 5-8 órát inkubáljuk, itt mi állítjuk be a kezdeti sejtszámot. Az inokulum kettő esetében, ahol ismerjük a kezdeti, valamit a végső sejtszámot, így lehetőségünk van ebből növekedési paramétereket számolni, úgymint a maximális növekedési rátát, vagy a generációs időt, amik a törzsünkre jellemző paraméterek és fontosak a fermentáció megtervezésénél. Visszakanyarodva az inokulum 1-hez, amit beoltottunk és 16 órát 33oC-on inkubáltunk. Egy zavaros tejszerű szuszpenziót kapunk, aminek meg kell határozni az OD600 (Optical Density) értékét. 600, mert ezen a hullámhosszon végezzük a mérést. Lényegben egy spektrofotometriás módszer, aminek a lényege, hogy minél nagyobb a sejtsűrűség annál kevesebb fény jut át a küvettán, amiben a 10-szeresére hígított fermentlevet vizsgáljuk.

Összefoglalva nézzünk egy konkrét példát, hogy lássuk milyen és mennyi adat keletkezik.
LB-agaron megkaptuk a GG1245 nevű genetikailag módosított E.coli mutánsunkat, amiből elindítottuk az inokulum 1-et, 16 órán keresztül 330C-on inkubáltuk, majd megmértük az OD600 értékét. Ebből egy második inokulumot indítottuk, amit 6 órán keresztül 33oC-on inkubáltunk, majd ennek is megmértük az OD600 értékét. Ismeretlen törzsek esetében többszörös mintavétel is szükséges, mondjuk óránként, ami alapján a növekedési görbét is fel tudjuk venni, de ezen adatokat majd külön kezeljük.

 Inokulum/általános adatok
Szélesztés időpontja  Antibiotikum Tápközeg
Plate  2018-05-24  Nem  LB-agar-glükóz
Használt inokulum  Beoltás időpontja  Antibiotikum  Tápközeg  Inokulum térfogata [ml]  Teljes térfogat [ml]  Inkubációs idő [h]  Hőm. [oC]  OD
Inokulum 1.  Plate  2018-05-25 12:22  Nem  LB-glükóz  –  10  18  33  4
Inokulum 2.  Inoc. 1.  2018-05-26 09:22  Nem  LB-glükóz  2  40  5,17  33  1,6

 

Beviteli mezők összesen 21 db

Ezek lesznek az alapértelmezett beviteli mezők, de ezek mellett természetesen lehetőséget kell adni a felhasználónak, hogy ezt kedvükre változtathassák, oszlopokat, sorokat tudjanak hozzáadni vagy elvenni. Egy másik, de ehhez kapcsolódó almenü, ami szervesen kapcsolódna ide lehetőséget adna az OD értékének követésére az idő függvényében. Ezen menük a GUI bal oldalán lennének elhelyezve a következő elrendezés szerint. A kiinduló pont lenne maga a fermentációnak a sorszáma, vagy egy jegyzőkönyv szám.

GGF-18311

  • Fermentációs paraméterek
    • Média összetétel
      • Trace mineral solution
    • Média összetétel anyagmérleg
  • Inokulum
    • Általános adatok
    • Növekedési paraméterek
  • Online adatok
  • Offline adatok
  • Kiértékelés, konklúzió

 

Ismeretlen törzsek esetében fontos meghatározni a növekedési paramétereket mielőtt elkezdjük a fermentációt, ez hasonlóan megy mint ahogy előbb leírtuk, a különbség csak annyi, hogy itt az inokulum 2. esetében több mintát veszünk, általánosan minden órában.

 Inokulum/növekedési paraméterek
Beoltás időpontja  Inokulum térfogata [ml] Teljes térfogat [ml] Inoculum 1. OD  Tápközeg Antibiotikum Hőmérséklet [oC]
Paraméterek  2018-05-26 09:22  2  40 4  LB-glükóz  Nem  33
 Idő [h]  OD600   Generációs idő Növekedési ráta Generációk száma  Megjegyzés

Mérési adatok

  0  0,2
1,17 0,3
2,33 0,4
3,33 0,7
4,33 1,1
5,17 1,6

 

Beviteli mezők összesen 25 db
Matematikai műveletet tartalmazó mezők összesen 19 db

 

Az OD értékét a 0 időpillanatban az ismert adatok alapján automatikusan kiszámoltathatjuk. Az inoculum 1-ből 2 ml-t használunk, hogy beoltsuk az inoculum 2-t, aminek a teljes térfogata 40ml. 40ml/2ml = 20, ami a hígítás mértéke. Az inoculum 1. OD-ja négy, így ha ennek 2 ml-ét 20-szorosára hígítjuk 0,2 kapunk, ami a inoculum 2. kiindulási OD értéke.

\[ OD_{t=0}=\frac{4}{\frac{40}{2}} = \frac{2}{40}*4 = 0.2 \]

A generációs idő számítása

\[ G=\frac{t}{3.3log\left ( \frac{N}{N_{0}} \right )} \]

Növekedési ráta számítása

\[ \mu = \frac{ln\left ( \frac{N}{N_{0}} \right )}{t} \]

Generációk száma

\[ n=\frac{t}{G} \]

Egy korábban készített online kalkulátor ITT kipróbálható.

 

Ugyanezen a kezelőfelületen ugyancsak szükséges grafikusan is ábrázolni a mért értékeket, amit a riport részbe szintén át kell tudni majd emelni. Erre van egy plugin, amit itt használok, ez majdnem megfelel. Ezt két funkcióval kellene kiegészíteni, az egyik a többszörös y-tengely, a másik, hogy lehessen trendvonalat illeszteni a görbékhez, valamint megjeleníteni az ehhez tartozó egyenletet. A két leggyakrabban használt trendvonal a lineáris és az exponenciális.


Akár azon is elgondolkodhatunk, hogy a mért értékeket valamilyen külső programba API-n keresztül továbbítsuk, amivel komolyabb matematikai műveleteket is végre lehet hajtani. Itt egy példa, ez a Plotly-val készült.

 

Exponenciális függvény egyenlete

\[ y=0.084+0.112*\exp(0.505*x) \]

\[ x = \frac{ln\left ( \frac{y-0.084}{0.112} \right )}{0.505} \]

Lineáris függvény egyenlete fél logaritmikus

\[ y=0.404*x-1.682 \]

\[ x=\frac{y+1.682}{0.404} \]

Ebből az OD értéke

\[ OD =e^{y} \]

Amelyik összefüggést még jó ha tudjuk, a növekedési ráta egyenlő a tgα értékével

\[ tg\alpha = \frac{a}{b} = \mu \]

A második nap végére elkészül az inokulum 2. amit majd a nagy fermentor beoltásához fogunk használni. Remélem nem volt nagyon megterhelő, mert ami ezután következik, abban nem lesz köszönet. Mondhatjuk, hogy szívás ez az egész tudomány dolog és jobb lett volna, ha valami más szakmát választottunk volna. Egyszer a főnököm megkérdezett minket, hogy milyen más szakmát választanánk ehelyett, az egyik munkatársam kamion sofőr akart  lenni és szívesen lennék kertész.

Második nap (fermentor előkészítése és beoltása)

Vagy négy év volt, (egyetem után) mire teljesen átláttam az egész folyamatot és magabiztosan tudtam használni a fermentorokat, kalibrálás, beállítás, hibaelhárítás, receptírás, kísérlettervezés meg a társai. Most pedig itt állunk és próbáljuk megtervezni a saját fermentorunkat szoftverestől, hardverestől, edényestől, vagyis mindenestől, nem vagyunk normálisak.

A második nap végére, mire az inokulum 2 elkészül, sok mindennel meg kell lenni, először is el kell készíteni a tápközeget, ezzel folytatjuk most.

 Média összetétel menü
 Dátum  2018-05-26  Operátor  KM  Sarzs szám  GGF-18311
 Média összetétel  Végtérfogat [L]  1
 Név  Képlet  Móltömeg [g/mol] Koncentráció [g/L]; [ml/L]  Mólkoncentráció [mmol/L]  Bemérendő  Mértékegység  Gyártási szám
 Disodium hydrogen   phosphate  Na2HPO4  141,96  6  42.27  6  g  WTY235687
 Potassium dihydrogen   phosphate  KH2PO4  136,086  3  22.04  3  g  ZHU364548
 Ammonium chloride  NH4Cl  53,49  1  18.70  1  g  uhz12548
 Sodium chloride  NaCl  58,4  0.5  8.56  0.5  g  ugdt125487
 Magnesium sulfate  MgSO4  120,366  1  8.31  1  g  gtf125484
 Trace mineral solution  Complex  –  10  –  10  mL  TMS011
 Polypropylene glycol  –  –  200  –  –  µL  125487
 A sókat ennyi ioncserélt vízben kell feloldani  879  mL
 Glükóz C6H12O6  180,156  20  111.01  20  g
 A szénforrást ennyi vízben kell feloldani és autóklávozás után külön hozzáadni a fermentorhoz.  100  mL
 Thiamine (vitamin)  C12H17N4OS+  265.35  0.012  0.045  12  mg
 Sterilre szűrés után adjuk a fermentorhoz  1  mL
 Extra tápanyag  Végtérfogat [L]  1
 Glükóz  C6H12O6  180,156  400  2220.30  400  g
 A szénforrást ennyi vízben kell feloldani és autóklávozás után összeönteni a sóoldattal  600  mL
 Magnesium sulfate  MgSO4  120,366  13  108  13  g
 Ammonium-sulfate  NH4SO4  132,14  4  30.27  4  g
 TMS  Complex  –  50  –  50  mL
 Polypropylene glycol  –  –  2  –  2  mL
 A sókat ennyi ioncserélt vízben kell feloldani és autóklávozás után összeönteni a szénforrást tartalmazó oldattal  350  mL

 

Média összetételből nyíló 2. almenü.

 A Trace mineral solution almenü
 Dátum  2018-04-19  Operátor  KM  Sarzs szám  TMS012
 TRACE MINERAL SOLUTION  Végtérfogat [L]  1
 Név  Képlet  Móltömeg [g/mol] Koncentráció [g/L]; [ml/L]  Mólkoncentráció [mmol/L]  Bemérendő  Mértékegység  Gyártási szám
 Manganese(II) sulfate hydrate  MnSO4.H2O  151.00 + 18.015  0.5  3.31  0.56  g
 Iron(II) sulfate heptahydrate  FeSO4.7H2O  151.91 + 126.105  2  13.17  3.66  g
 Ammonium molybdate  (NH4)2MoO4  196.01  0.1  0.51  0.1  g
 Zinc sulfate heptahydrate  ZnSO4.7H2O  161.47 + 126.105  0.3  1.58  0.3  g
 Copper (II) sulfate pentahydrate  CuSO4.5H2O  159.61 + 90.08  0.1  0.63  0.1  g

 

 Beviteli mezők összesen 29 db
 Matematikai műveletet tartalmazó mezők összesen 33 db
 Ennek az értéke a végtérfogat értékének a függvénye összesen 2 db
 Legördülő menü választási opcióval összesen 14 db
 Ehhez tartozik egy almenü, ami részletesen definiálja az összetételét összesen 1 db
 Automatikusan kitöltődő mező függően a Név mezőtől összesen 28 db

 

Itt az összes esetben csak egyszerű matematikai műveletekről van szó, a móltömeg kiszámításánál egy egyszerű osztás, ​​ ha kristályvizet tartalmaz a só, akkor pedig többet kell bemérni, ez sem bonyolultabb.

\[ n=\frac{m}{M} \]

\[ m_{cryst.}=\frac{m_{anhyd.}*M_{cryst.}}{M_{anhyd.}} \]

A következő menüpont már a kiértékelés része, itt lehet részletes információt kapni az ion összetételről, azt összevetni online mérési adatokkal. Itt a Média összetétel egyes celláiból kiolvasott értékeket összegzi pl. összes NH4+, Mg2+, Na+, PO43-  ezeket lehetőség van összevetni online mérési eredményekkel. Továbbá lehetőség van a pH beállításhoz használt sav, lúg iontartalmát automatikusan hozzáadni az anyagmérleghez.

Mielőtt belekezdenénk a következő táblázatba, nézzük, hogy is állunk. Megcsináltuk tehát a Tápközeget a Média összetétel adatlap alapján, amit korábban kitöltöttünk, ehhez kell majd rendelni  egy számot, mondjuk M1. Ez definiálja a Média összetételét, ha ezen változtatunk, mert mondjuk a fermentáció 60. órájában elfogy a PO43+, akkor a következő M2-ben megemeljük a foszfát mennyiségét. Itt mindenképpen kizárólag egy paraméter szabad változtatni, hogy a kiinduló Média összetételből a továbbiak könnyen leszármaztathatóak legyenek. M1-hez rendeljünk hozzá egy koncentráció értéket mondjuk 18g/L, amit 50 óra után értünk el. A megfigyelésünk szerint a 40, órában már alacsony volt a PO43+ szint, ezért következőleg a kezdeti médiában eleve megemeltük ennek koncentrációját. M1-ben a Potassium dihydrogen   phosphate (legyen x) kezdeti koncentrációja 3g/L, amit az M2-ben megemeltünk 4 g/L-re (x+1), ahol azt tapasztaltuk, hogy a koncentráció az 50. órában 22g/L lett 1,33-szor annyi Potassium dihydrogen   phosphate használatával, ennek következtében 1,22 szeresére nőtt a termelés. Erre kellene ráhúzni egy matematikai összefüggést, ha mondjuk M1-et akarjuk összehasonlítani az M65-el.

 

Ebben az almenüben találjuk a teljes anyagmérleget. 

 Média összetétel anyagmérleg
g/mol weight (g)  mmol Individual ions
 Na2HPO4 2Na+ H+ PO43-
 Disodium hydrogen   phosphate  141,96  6  42.27  84.54  42.27  42.27
 KH2PO4 K+ 2H+ PO43-
 Potassium dihydrogen   phosphate  136,086  3  22.04  22.04  44.08  22.04
 NH4Cl NH4+ Cl–
Ammonium chloride 53,49  1  18.70  18.70  18.70
NaCl Na+ Cl–
Sodium chloride  58,4  0.5  8.56  8.56  8.56
MgSO4 Mg2+ SO42-
Magnesium sulfate  120,366  1  8.31  8.31  8.31
Complex. Mn2+ Fe2+ MoO4– Zn2+ Cu2+ SO42+
 Trace mineral solution  0.005  0.02  0.001  0.003  0.001  0.029
NH4+
 0.002
 C6H12O6  C6H12O6
Glükóz 180,156  111.01
  C12H17N4OS+  C12H17N4OS+
 Thiamine (vitamin)  265.35  0.045
  C12H17N4OS+  C12H17N4OS+
 Thiamine (vitamin)  265.35  0.045
Extra tápanyag
g/mol  weight (g)  mmol Individual ions
 C6H12O6
 Glükóz  180.156  400  2220.30
 MgSO4  Mg2+  SO42-
 Magnesium sulfate  120.366  13  108  108  108
 NH4SO4  NH4+  SO42-
 Ammonium-sulfate  132,14  4  30.27  30.27  30.27
Complex. Mn2+ Fe2+ MoO4– Zn2+ Cu2+ SO42+
 Trace mineral solution  0.025  0.1  0.005  0.015  0.005  0.145
NH4+
 0.01

Itt lehet még fokozni a dolgot, hogy az egyes ionok összes koncentrációját is lehessen látni, sőt azt is, hogy a feed batch szakaszban hogyan változik az ionkoncentráció, de ezt majd később.

A Média összetétel menü függvénye  db
Matematikai műveletet tartalmazó mezők összesen  db

 

Összefoglalás képen csak annyi, hogy ezek a menük mindannyian a Fermentációs paraméterek főmenüből származtathatóak, amit nevezzünk mester dokumentumnak. Ez a mesterdokumentum tartalmaz minden adatot a fermentációs paraméterektől kezdve, mint pH, pO2, keverés sebessége, tápanyag adagolás sebessége, tartalmazza a média részletes összetételét. Ezt a dokumentumot a kísérlet megtervezője állítja össze, ennek van egy azonosítója mondjuk M és egy száma, ami a változást jelzi az előzőhöz képest, legyen az első M1. Az M1-hez tartozik mondjuk 10 változó, ha változtatunk valamelyiken M2-t kapunk.

M1 M2 M3 M4
A 2 3 3 3
B 2 2 3 3
C 2 2 2 3
D 2 2 2 2
E 2 2 2 2
F 2 2 2 2
G 2 2 2 2
H 2 2 2 2
I 2 2 2 2

Ehhez matematika egyenletet tudunk rendelni, az alapján, hogy az M1-es eljáráshoz a fermentáció 90. órájában 10g/L-es produktivitás társult, az M2-hez 12g/L, ez 16,7%-os javulást jelent. Ez annak volt köszönhető, hogy az A változó értékét megemeltük egyel.

M2 = M1(A+1)

Ezt is majd később részletezzük. Megvan tehát a mester dokumentum az M1-M4. Szeretnénk indítani egy fermentációt az M2-es eljárás szerint. A bal oldali menüsávból elindítjuk a fermentáció indítása varázslót, itt definiálnunk kell a fermentáció számát, ami az előzőek alapján GGF-18311. Ezzel egy aktív fermentációs eljárást indítunk, itt ha megadjuk a mesterdokumentum számát, amit hozzárendelünk ehhez a fermentációhoz. Az online paramérerek automatikusan beállítódnak, (keverés sebessége, pH stb.) a média összetétel form automatikusan kitöltődik, ami alapján elkészítjük majd a tápközeget. Ezután következik a szenzorok kalibrálása, mint a pH és az oxigén szenzoré.

A média elkészítéséhez az egyes anyagok bemérését olyan mérlegen végezzük, ami kapcsolódik egy Raspberry pi-hez, ami kiolvassa az értéket és http-n továbbküldi a megfelelő fermentor egységhez, amit az IP címe definiál. Itt az adatok beíródnak a média összetétel adatlap aktív mezőjébe.

Mester file
 Név  Képlet  Móltömeg [g/mol] M0 M1 M2 M3 M4
Basal média
 Koncentráció [g/L]; [ml/L]
 Disodium hydrogen   phosphate  Na2HPO4  141,96  6
 Potassium dihydrogen   phosphate  KH2PO4  136,086  3
 Ammonium chloride  NH4Cl  53,49  1
 Sodium chloride  NaCl  58,4  0.5
 Magnesium sulfate  MgSO4  120,366  1
 Trace mineral solution  Complex  –  10
 Polypropylene glycol  –  –  0.2
 Autoklávozás után hozzáadandó
 Glükóz  20
 Thiamine  0.012
 Extra tápanyag
 Glükóz  C6H12O6  180,156  400
 Magnesium sulfate  MgSO4  120,366  13
 Ammonium-sulfate  NH4SO4  132,14  4
 TMS  Complex  –  50
 Polypropylene glycol  –  –  0.2
Beállítások
pH 6,8 6,8 6,8 6,8 6,8
Dissovled O2 (%) 25 25 25 25 25
Air Flow (l/min./l ) 1 1 1 1 1
Stir (rpm) 300 300 300 300 300
Temp Gr (0C) 30 30 30 30 30
Temp Pr (0C) 28 28 28 28 28
First feed rate (ml/l/h) 5 5 5 5 5
Second feed rate (ml/l/h) 3 3 3 3 3

 

Ezzel a végére is értünk az első két almenü a Fermentációs paraméterek és az Inokulum részletezésének. A következőekben az Online adatok, Offline adatok, Kiértékelés, konklúzió almenüket külön tárgyaljuk.

 

Képek forrása

1 https://www.thinglink.com/scene/893540211361841152

Projekt kezdete: 2018.07.01.

MÉRFÖLDKÖVEK TARTALMA IDŐIGÉNYESSÉG
M0 Státusz
  • Szenzor kommunikációs, automatizálási folyamatok készen állnak
  • Béta prototípus elérhető
 –
M1 Tervezés
  • Részletes rendszerterv elkészítése
 2 hónap
M2 Fejlesztés
  • GUI (Graphical User Interface) elkészítése
  • Fermentor ház elkészítése
  • Folyamatirányító szoftver elkészítése
  • Kliens webalkalmazás elkészítése
  • Áramköri elemek elkészítése
  • Integráció: folyamatirányító, kliens oldal, nyák, ház, szenzorok illesztése
 6 hónap
M3 Belső tesztelés és javítás
  • Integrációs teszt
  • Hibák feltárása és javítása
  • Felhasználói dokumentáció elkészítése
  • Piaci validációra alkalmas prototípus elkészül
 4 hónap
M4 Külső tesztelés és finomhangolás
  • UAT (User Acceptance Testing) teszt
  • Finomhangolás célpiaci szereplők visszajelzései alapján
  • Sorozatgyártható fermentor elkészül
 5 hónap
M5 Továbbfejlesztés, blokkosítás
  • Felhasználói felület mobil eszközre való optimalizálása
  • Blokkosíthatóság megvalósítása
  • Sorozat gyártható fermentorblokk elkészül
 4 hónap
M6 Piacra lépés
  • További termékfejlesztés
  • Optimalizáció
  • Értékesítés
 3 hónap

 

Jelenlegi állapot

Szeretne kapcsolatba lépni velünk?

Ezen az Email címen info@jfermi.com várjuk levelét vagy hívását a +36305442583-as telefonszámon!

jFermi Biotechnológiai kft.
+3630/5442583
info@jfermi.com
Opening Hours

Monday

8:00 am – 5:00 pm
Tuesday

8:00 am – 5:00 pm
Wednesday

8:00 am – 5:00 pm
Thursday

8:00 am – 5:00 pm
Friday

8:00 am – 5:00 pm
Saturday

Closed
Sunday

Closed


Rólunk