Modellierung von Stoffumsatz und Stofftransport partikelfixierter Biofilme in Fließ- und Wirbelbettreaktoren

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Der Antragsteller hat in der ersten Antragsphase autotrophe und heterotrophe, partikelfixierte Biofilme in Airlift-Schlaufenreaktoren kultiviert. Mit Hilfe von Mikroelektroden wurden in einer dafür ausgelegten Strömungszelle in den kultivierten Biofilmen Sauerstoffprofile gemessen. Bei den autotrophen Biofilmen konnten die gemessenen Profile und der Stoffumsatz im Reaktor sehr gut mit einem Modell zum Stofftransport und -übergang in Biofilmen simuliert werden. Bei den heterotrophen Biofilmen besteht noch Bedarf an weiteren Untersuchungen, die einen konvektiven Transport im Biofilm berücksichtigen.In der zweiten Antragsphase sollen zunächst die Einflüsse von Substratversorgung und Partikelkonzentration auf die Biofilmbildung genauer betrachtet werden. Dazu sollen heterotrophe Biofilme unter hoher, mittlerer und niedriger Substratversorgung und bei je zwei verschiedenen Partikelkonzentrationen kultiviert werden. Der Antragsteller erwartet entscheidende Einflüsse der Substratverfügbarkeit und der Scherkräfte auf die Biofilmmatrix. Je nach Oberflächenbeschaffenheit bzw. Biofilmdichte werden dann Veränderungen des Stoffübergangs und der maximalen Massenstromdichte erwartet. Diese Einflüsse sollen in einem weitergehenden Modell berücksichtigt werden.Weiter soll in der zweiten Antragsphase der dynamische Übergang zwischen autotrophem und heterotrophem Biofilm untersucht werden. Hierbei sollen die für eine Modellierung notwendigen Daten zur Biofilmdicke, -dichte, Speziesverteilung, zum Stoffübergang und zum Stoffumsatz aufgenommen werden. Zur Bestimmung des Stofftransports sollen auch weiterhin Sauerstoff-Mikroelektrodenmessungen eingesetzt werden; Aufnahmen mit der konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie dienen zur Unterscheidung von autototropher und heterotropher Biomassen und einer verfeinerten Kenntnis der Verteilung der Zellen in der Biofilmmatrix. Für ein besseres Verständnis der Reaktion der Biomasse auf wechselnde Substratbedingungen sollen auch Untersuchungen unter instationären Substratbedingungen vorgenommen werden.Die erzielten Ergebnisse sollen in eine Simulationssoftware eingebracht werden, so daß Vorhersagen zum Verhalten von Wirbelbettreaktoren mit partikelfixierten Biofilmen möglich werden. Das Modell, das den oberflächenbezogenen Stoffumsatz sowie Diffusionslimitierung im Biofilm berücksichtigt, soll mit publizierten stark vereinfachten raum- oder biomassebezogenen Modellen verglichen werden.