An Analytic-Synthetic Approach Combining Mathematical Modeling and Experiments - Towards an Understanding of Biofilm Systems

Möhle, Roland Bernhard

Biofilme – mikrobielle Lebensgemeinschaften auf Grenzflächen – besitzen eine zentrale Bedeutung in der Natur, der Technik und auch für den Menschen. So lassen sie sich häufig nutzbringend in der Abwasserbehandlung einsetzen. Eine größere Herausforderung jedoch stellt die Vermeidung und Kontrolle unerwünschter Biofilme dar. Ein besseres Verständnis der relevanten Prozesse, welche die Entwicklung von Biofilmen bestimmen, ist daher wünschenswert. Aufgrund des hohen Komplexitätsgrads biologischer Systeme erbringt eine rein experimentelle Herangehensweise nicht den gewünschten Erkenntnisgewinn. Einem rein theoretischen Vorgehen mangelt es andererseits am Bezug zur Realität. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, mathematische Modelle und experimentelle Methoden in engem Austausch zu kombinieren, um so die Zusammenhänge zu beleuchten, welche die zeitliche und räumliche Entwicklung von Biofilmen bestimmen. Hierzu kommen aktuelle Biofilmmodelle zum Einsatz, die die Entwicklung von Biofilmsystemen sowohl global, auf Ebene des Reaktors, als auch hinsichtlich der strukturellen Entwicklung auf der Mikroebene prognostizieren können. Seitens der experimentellen Validierung dieser Modellansätze wird ein eigens konzipiertes Reaktorsystem vorgestellt und getestet. Die numerische Lösung (Simulation) der entwickelten Modelle erlaubt Prognosen, die so mit den Resultaten von langfristigen Biofilmkultivierungen quantitativ verglichen werden. Auf diese Weise werden nicht nur ein tieferes Prozessverständnis sondern auch Verbesserungen ebenso auf experimenteller Seite wie auf Ebene der Modellierung erzielt. Die so gewonnenen Erkentnisse bringen den Fokus dieser Arbeit auf die Untersuchung von Abtragsphänomenen in Biofilmsystemen. Hierzu wird ein mechanischer Ansatz präsentiert, der die Interaktion von Fluidströmung und Biofilmstruktur betrachtet und eine detailliertere Analyse dieser noch nicht gut verstandenen Vorgänge zulässt.

Biofilms – microbial communities on interfaces – are of central importance in nature, technosphere and also for human life. They can beneficially be applied for the treatment of wastewater. A bigger challenge however is provided by the prevention and control of unwanted biofilms. A better understanding of the relevant processes determining biofilm development is thus desirable. Due to the high degree of complexity of biological systems a pure experimental approach does not lead to the desired gain in knowledge. A pure theoretical proceeding on the other hand may lack relation to reality. The aim of this essay is thus to combine mathematical modeling and experimental methods in close interaction in order to shed light onto the coherences determining biofilm development in time and in space. Therefore, recent mathematical modeling tools are applied which allow prognoses about the behavior of biofilm systems on the reactor scale as well as concerning the structural development on the microscale. In terms of the experimental validation of the modeling approaches a recently developed reactor system is presented and tested. The numerical solution (simulation) of the models allows prognoses which are quantitatively compared with results of biofilm cultivations under comparable conditions. Thereby not only a better process understanding but also improvements on the experimental side as well as in terms of the model assumptions are reached. These results bring the focus of this work to the detailed investigation of biofilm detachment phenomena. Here, a mechanical approach is presented regarding the interaction of fluid dynamics and biofilm structure which allows a more detailed analysis.

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Möhle, Roland Bernhard: An Analytic-Synthetic Approach Combining Mathematical Modeling and Experiments - Towards an Understanding of Biofilm Systems. 2008.

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