Image segmentation by graph partitioning

In this paper we propose an hybrid method for the image segmentation which combines the edge-based, region-based and the morphological techniques in conjunction through the spectral based clustering approach. An initial partitioning of the image into atomic regions is set by applying a watershed method to the image gradient magnitude. This initial partition is the input to a computationally efficient region segmentation process which produces the final segmentation. We have applied our approach on several images of the Berkeley Segmentation Dataset. The results reveal the accuracy of the propose method

Polymer-based controlled-release fed-batch microtiter plate - diminishing the gap between early process development and production conditions

Background: Fed-batch conditions are advantageous for industrial cultivations as they avoid unfavorable phenomena appearing in batch cultivations. Those are for example the formation of overflow metabolites, catabolite repression, oxygen limitation or inhibition due to elevated osmotic concentrations. For both, the early bioprocess development and the optimization of existing bioprocesses, small-scale reaction vessels are applied to ensure high throughput, low costs and prompt results. However, most conventional small-scale procedures work in batch operation mode, which stands in contrast to fed-batch conditions in large-scale bioprocesses. Extensive expenditure for installations and operation accompany almost all cultivation systems in the market allowing fed-batch conditions in small-scale. An alternative, more cost efficient enzymatic glucose release system is strongly influenced by environmental conditions. To overcome these issues, this study investigates a polymer-based fed-batch system for controlled substrate release in microtiter plates. Results: Immobilizing a solid silicone matrix with embedded glucose crystals at the bottom of each well of a microtiter plate is a suitable technique for implementing fed-batch conditions in microtiter plates. The results showed that the glucose release rate depends on the osmotic concentration, the pH and the temperature of the medium. Moreover, the applied nitrogen source proved to influence the glucose release rate. A new developed mathematical tool predicts the glucose release for various media conditions. The two model organisms E. coli and H. polymorpha were cultivated in the fed-batch microtiter plate to investigate the general applicability for microbial systems. Online monitoring of the oxygen transfer rate and offline analysis of substrate, product, biomass and pH confirmed that fed-batch conditions are comparable to large-scale cultivations. Furthermore, due to fed-batch conditions in microtiter plates, product formation could be enhanced by the factor 245 compared to batch cultivations. Conclusions: The polymer-based fed-batch microtiter plate represents a sophisticated and cost efficient system to mimic typical industrial fed-batch conditions in small-scale. Thus, a more reliable strain screening and early process development can be performed. A systematical scale-down with low expenditure of work, time and money is possible. © 2019 The Author(s)

Parallel use of shake flask and microtiter plate online measuring devices (RAMOS and BioLector) reduces the number of experiments in laboratory-scale stirred tank bioreactors

Background Conventional experiments in small scale are often performed in a Black Box fashion, analyzing only the product concentration in the final sample. Online monitoring of relevant process characteristics and parameters such as substrate limitation, product inhibition and oxygen supply is lacking. Therefore, fully equipped laboratory-scale stirred tank bioreactors are hitherto required for detailed studies of new microbial systems. However, they are too spacious, laborious and expensive to be operated in larger number in parallel. Thus, the aim of this study is to present a new experimental approach to obtain dense quantitative process information by parallel use of two small-scale culture systems with online monitoring capabilities: Respiration Activity MOnitoring System (RAMOS) and the BioLector device. Results The same mastermix (medium plus microorganisms) was distributed to the different small-scale culture systems: 1) RAMOS device; 2) 48-well microtiter plate for BioLector device; and 3) separate shake flasks or microtiter plates for offline sampling. By adjusting the same maximum oxygen transfer capacity (OTRmax), the results from the RAMOS and BioLector online monitoring systems supplemented each other very well for all studied microbial systems (E. coli, G. oxydans, K. lactis) and culture conditions (oxygen limitation, diauxic growth, auto-induction, buffer effects). Conclusions The parallel use of RAMOS and BioLector devices is a suitable and fast approach to gain comprehensive quantitative data about growth and production behavior of the evaluated microorganisms. These acquired data largely reduce the necessary number of experiments in laboratory-scale stirred tank bioreactors for basic process development. Thus, much more quantitative information is obtained in parallel in shorter time.Cluster of Excellence “Tailor-Made Fuels from Biomass”, which is funded by the Excellence Initiative by the German federal and state governments to promote science and research at German universities

Immobilisierung von aeroben Mikroorganismen an Glassintermaterial am Beispiel der L-Leucin-Produktion mit Corynebacterium glutamicum\textit{Corynebacterium glutamicum}

Ziel dieser Arbeit war es, die Trägerfixierung von aeroben Mikroorganismen auf offenporigem Glassintermaterial zu entwickeln . Als Beispiel für einen mikrobiellenProzeß mit hohem Sauerstoffbedarf wurde die fermentative Gewinnung von L-Leucin aus $\alpha$-Ketoisocapronsäure mit Corynebacterium glutamicum gewählt. Im einzelnen konnten folgende Ergebnisse erzielt werden: $\textbf{1. Mikrobiologie}$ Die Corynebakterien setzen die Vorstufe $\alpha$-Ketoisocapronsäure mit einerSelektivität von etwa 95 % zu L-Leucin um. Die dafür erforderlichen Reduktionsequivalente stammen aus dem Energiestoffwechsel der Zellen. Die eingesetzte Glucose wird unter aeroben Bedingungen vollständig zu CO$_{2}$ durchoxidiert. Die Leucinbildung ist unabhängig vom Wachstum und läuft auch bei Zellen ab, die 15 Tage ohne Phosphat kultiviert wurden. Vermutlich kontrolliert der Transport der $\alpha$-Ketoisocapronsäure durch die Zellwand der Corynebakterien die Geschwindigkeit der Umsetzung. Die spez. Produktbildungsrate fällt mit der Verweilzeit der Zellen im Medium ab. Dafür wurde ein Inhibitormechanismus (s. Kap. 4.1.4 .) vorgeschlagen. Die optimalen Kulturbedingungen betragen : 30°C, pH 7.4 ; bestes Wachstum bei geringem osmotischen Druck. Eine chemische Zersetzung der $\alpha$-Ketoisocapronsäure, die zur Bildung von toxischem iso-Valeraldehyd führt, hatte bisher eine kontinuierliche Kultivierung der Zellen unmöglich gemacht. Durch Zusatz von Citronensäure und EDTA lassen sich Manganionen, die für die Zersetzungsreaktion verantwortlich sind, in unschädliche Komplexe umwandeln. Eine Mediumoptimierung kann man sehr effektiv in einem turbidostatisch geregelten Reaktor durchführen. Die Mikroorganismen wachsen ständig mit maximaler Geschwindigkeit und reagieren sofort auf Änderungen der Umgebungsbedingungen. Mit dieser Kulturtechnik konnte ein Spurenelemente- und Vitaminmangel im Medium aufgeklärt werden. Mit den modifizierten Medien ist nun eine stabile kontinuierliche Kultur der Corynebakterien über lange Zeit möglich. $\textbf{2. Oberflächenmodifizierung des Sinterglases}$ Die eingesetzten Corynebakterien haften nicht an unbehandelten Glasoberflächen. Die Adsorptionsbedingungen lassen sich wesentlich verbessern, wenn die Trägerkörper durch positiv geladene Aminogruppen modifiziert werden. Diese binden die negativ geladenen Mikroorganismen durch elektrostatische Anziehungskräfte. Das kationische Polymer DEAE-Dextran ist für die Oberflächenmodifizierung besonders geeignet. Die Substanz bieten den Mikroorganismen eine große Anzahl von Bindungsstellen und führt zu einer stabilen Haftung. Die Ionenstärke des Mediums, der pH und die Dissoziationskonstanten der Aminogruppen haben einen signifikanten Einfluß. Sinterglasmaterial mit kovalent gebundenem DEAE-Dextran weist selbst in 1 M Carbonatlösung, pH 11.5 eine gute Haltbarkeit auf. Einsatzmöglichkeiten dieser Trägerkörper zeichnen sich im Bereich der Zeltkulturtechnik ab. $\textbf{3. Oberflächeneigenschaften der Mikroorganismen}$ Neben den Oberflächeneigenschaften der Trägerkörper bestimmen die der Mikroorganismen Art und Stärke der gegenseitigen Anziehungskräfte. Unter Phosphat-überschuß bzw. -Mangel aufgezogene Corynebakterien weisen einen bisher nicht beschriebenen Unterschied im Flockulations- und Adsorptionsverhalten auf. Dieses konnte durch Messung der Oberflächenladung und Hydrophobizität der Mikroorganismen erklärt werden. Phosphor-gesättigteCorynebakterien adsorbieren vergleichsweise gut. Sie besitzen eine hydrophobe Zellwand, was vermutlich auf die Anwesenheit von Lipoteichonsäuren zurückzuführen ist. Phosphor-verarmte Zellen sind offenbar nicht in der Lage, diese Phosphor enthaltenden Polymere zu synthetisieren. Sie sind daher hydrophil. Die Oberflächenladung beider Zelltypen ist ungefähr gleich. Die spez. Produktbildungsrate der Mikroorganismen wird durch ihren Phosphorgehalt nicht beeinflußt. Durch Kontrolle der Phosphatkonzentration im Medium lassen sich die Oberflächeneigenschaften der Zellen im laufenden Prozeß gezielt verändern und den Erfordernissen der Fermentation anpassen. Die Methode der adsorptiven Bindung erhält durch diese neue Variationsmöglichkeit (in-vivo- Adsorptionskontrolle durch die Kulturbedingungen) eine große Flexibilität. [...