Biofilmmechanik - Numerische und experimentelle Untersuchung der mechanischen Beanspruchung von Biofilmsystemen

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Biofilme spielen eine wichtige Rolle in Stoffkreisläufen und leisten einen bedeutenden Beitrag in technischen Systemen. Neben erwünschten und für technische Anwendung nützlichen Biofilmen, sind diese an vielen Stellen unerwünscht und beeinträchtigen die Funktionsweise technischer Anlagen bzw. die Produktqualität. Bislang fehlt es an geeigneten Modellen, mit denen sich die mechanische Stabilität sowie die Strukturentwicklung von Biofilmen insbesondere bei Abtragsphänomenen prognostizieren lassen. Ziel des Forschungsvorhabens ist die die Entwicklung eines auf der Finite-Elemente (FE)- Methode basierenden adaptiven Hybridmodells zur Beschreibung physikochemischer Phänomene (u. a. mechanischer, vorrangig fluiddynamischer Beanspruchungen) von Biofilmen, die u. a. zu Abtragsphänomenen führen und deren Strukturentwicklung entscheidend bestimmen. Die Entwicklung des adaptiven Hybridkonzeptes erfordert die experimentelle Validierung. Dabei kommen mechanische Charakterisierungsmethoden zum Einsatz. Als definiertes Modellsystem sollen Hydrogelfilme aus Polymergelen ohne und mit immobilisierten Zellen eingesetzt werden. Diese Untersuchungen sollen in einem Durchflussbiofilmrohrreaktor, in dem sich gezielte Parametersätze an Prozessvariablen unter definierten Strömungsbedingungen einstellen lassen, durchgeführt werden. Die entwickelten Methoden sollen in einem proof of principle an einem Sphingan-Reinkulturbiofilm aus Sphingomonas pituitosa mit semi-quantitativ charakterisierter EPS-Zusammensetzung getestet werden. Der Ansatz zur Entwicklung einer effizienten Materialformulierung unter Einbindung der Charakterisierung mechanischer Eigenschaften und der experimentellen Validierung durch gezielte Kultivierung gestattet es, die Vorteile eines mikroskopischen Materialmodells mit denen eines phänomenologischen Materialmodells adaptiv zu kombinieren. Weiterhin sollen die Ergebnisse neue Ansätze zur Unterdrückung von Biofouling sowie ein fundierteres Auslegen von technischen Biofilmreaktoren ermöglichen.