Master's Thesis

Hardware and Software Augmentation of Bioreactors for Culturing Bacteria

Author of thesis: Bc. Borys Aleksandrenko

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Mgr. Ing. Karel Sedlář, Ph.D.

Reviewer: prof. Eric Daniel Glowacki, Ph.D.

Abstract:

This thesis compares open-source bioreactors Chi.Bio, Pioreactor, and eVOLVER and develops pH-focused augmentation on the first two platforms as infrastructure for exploring cultivation parameters relevant to non-model microorganisms. On Chi.Bio, an Atlas Scientific EZO pH module with adapted Python backend and web interface provided stable pH traces in Escherichia coli CCM 3954 cultivation. Building on this experience, Pioreactor was extended with custom pH and dissolved-oxygen plugins, an Atlas Scientific I4 InterLink, and a recirculating micro pH flow cell designed to avoid direct probe insertion into the culture volume; MLX90632-based temperature control further enhanced 36 h combined monitoring during batch cultivation. The work demonstrates practical open-source bioreactor sensor integration and establishes a foundation for further sensor expansion.

Keywords:

open-source bioreactor, Chi.Bio, Pioreactor, pH sensing, microbial cultivation, automated cultivation, bioprocess monitoring, sensor integration, in situ measurement

Date of defence

15.06.2026

Date of publish

15.06.2027

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Doc. Lengerová se zeptala na slabinu řešení této práce. Ing. Chmelík se zeptal na použité pumpy a možnost jejich případného nahrazení. Ing. Smital požádal o rozvedení regulace teploty. Ing. Vítková se zeptala na problém s měřící elektrodou. Doc. Lengerová fungovalo by Vaše řešení u bakterií citlivých na kyslík? Student obhájil diplomovou práci a odpověděl na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Biomedical Engineering and Bioinformatics (MPC-BTB)

Composition of Committee

doc. Mgr. Martina Lengerová, Ph.D. (předseda)
doc. Mgr. Ing. Karel Sedlář, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Helena Vítková, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Chmelík, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Smital, Ph.D. (člen)

Student Borys Aleksandrenko se ve své práci zabýval otevřenými modulárními automatizovanými platformami pro kultivaci mikroorganismů s praktickým zaměřením na platformy Chi.Bio a Pioreactor. Literární rešerše je podrobná, a kromě dvou zmíněných platforem, se kterými prakticky pracoval, pojednává i o dalších. Oceňuji, že již rešeršní část práce je doplněna o praktické analýzy, třeba o to, jak často se bioreaktory vyskytují ve vědeckých publikacích. V rámci praktické část pak rozšířil obě platformy, Chi.Bio i Pioreactor, o možnost měření pH a funkčnost navržených systémů ověřil na praktických experimentech s E. coli. Celá práce je na vynikající úrovni, výzkum byl vedený rigorózně a práce má víc než dostatečný rozsah. Po technické stránce je práce také na vynikající úrovni, je psaná anglicky, dobře se čte, obsahuje názorné ilustrace a obsahuje všechny důležité reference. Vytknout mohu pouze výskyt osamocených řádků, kvůli použití dělení slov někdy obsahující pouze část jednoho slova, případně řádky začínající odkazem na referenci. Realizační výstup práce je v publikační kvalitě, což je důvod, proč má práce odklad zveřejnění. V nejbližší době budou výsledky práce publikovány formou vědeckého článku v impaktovaném časopise. Aktivita studenta byla celkově vysoce nadprůměrná. Průběžné výsledky student již prezentoval na studentských konferencích Chemie je život a Student EEICT, kde získal velmi pozitivní ohlasy, včetně ocenění v podobě 2. místa na druhé ze zmíněných konferencí. Práci tedy hodnotím jako výbornou. Points proposed by supervisor: 99

Grade proposed by supervisor: A

DP Boryse Aleksandrenka se zabývá hardwarovou a softwarovou augmentací open-source bioreaktorů Chi.Bio a Pioreactor o měření pH a dalších parametrů. Práce je zpracována na velmi dobré úrovni: teoretická část poskytuje přehlednou rešerši kultivačních platforem i problematiky nemodelových mikroorganismů, praktická část dokládá reálné inženýrské schopnosti studenta v oblasti návrhu elektroniky, 3D tisku, embedded programování a vývoje softwarových pluginů. Výstupem jsou funkční, komunitně sdílené pluginy, což představuje hmatatelný přínos přesahující rámec samotné práce.

Zadání bylo v převážné míře splněno. U bodu 4 byla uzavřená regulační smyčka implementována na úrovni kódu, přičemž její experimentální ověření zůstává námětem pro navazující práci. U bodu 5 byl klíčový validační experiment na Pioreactoru zkomplikován nečekaným selháním měřicí elektrody, takže výsledky zůstávají na úrovni proof-of-concept; student tuto skutečnost v práci transparentně reflektuje a věcně diskutuje možnosti dalšího rozvoje.

Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení A. Topics for thesis defence:
  1. Jaký je rozdíl mezi běžnou laboratorní pH elektrodou a mikro-pH elektrodou použitou ve flow cell?
  2. Jak byste řešil odvzdušnění a potlačení bublinek v budoucí verzi systému?
  3. Co je největší slabina práce?
Points proposed by reviewer: 90

Grade proposed by reviewer: A

Reasons for publication postponement

Publication of the final thesis has been postponed in compliance with the provisions of Section 47b (4) of Act No. 111/1998 Coll., on the Higher Education Institutions and on amendments and supplements to other acts, as amended.

The thesis contains the results that will be the subject of the publication.

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová