An analytic-synthetic approach combining mathematical modeling and experiments [Elektronische Ressource] : towards an understanding of biofilm systems / von Roland Bernhard Möhle
144 pages
Deutsch

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ibvt-SchriftenreiheSchriftenreihedesInstitutsfürBioverfahrenstechnikderTechnischenUniversitätBraunschweigHerausgegebenvonDietmarC.HempelBand35Ananalytic-syntheticapproachcombiningmathematical modelingandexperiments–towardsanunderstandingofbiofilmsystemsInhalt: Biofilme–mikrobielleLebensgemeinschaften auf Grenzflächen –besitzeneinezen-trale Bedeutung in der Natur, der Technik und auch für den Menschen. Die relevantenProzesse, die das Wachstum von Biofilmen bestimmen, sind jedoch nicht gut verstanden.DasZieldieserArbeitistes,mathematischeModelleundexperimentelleMethodeninengemAustausch zu kombinieren, um so die Zusammenhänge zu beleuchten, welche die zeitlicheund räumliche Entwicklung von Biofilmen bestimmen. Hierzu kommen aktuelle Biofilm-modelle zum Einsatz, die die Entwicklung von Biofilmsystemen prognostizieren können.Diese Prognosen werden mit den Resultaten von langfristigen Biofilmkultivierungen quan-titativ verglichen. So werden ein tieferes Prozessverständnis und Verbesserungen ebensoauf experimenteller Seite wie auf Ebene der Modellierung erreicht. Die so gewonnenenErgebnisse bringen den Fokus dieser Arbeit auf die Untersuchung von Abtragsphänomenenin Biofilmsystemen. Hierzu wird ein mechanischer Ansatz präsentiert, der die InteraktionvonFluidströmung undBiofilmstrukturbetrachtet.

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Publié le 01 janvier 2008
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Langue Deutsch
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Extrait

ibvt-Schriftenreihe
SchriftenreihedesInstitutsfürBioverfahrenstechnik
derTechnischenUniversitätBraunschweig
HerausgegebenvonDietmarC.Hempel
Band35Ananalytic-syntheticapproachcombiningmathematicalmodelingandexperiments–
towardsanunderstandingofbiofilmsystems
Inhalt: Biofilme–mikrobielleLebensgemeinschaften aufGrenzflächen
–besitzeneinezentrale Bedeutung in der Natur, der Technik und auch für den Menschen. Die relevanten
Prozesse, die das Wachstum von Biofilmen bestimmen, sind jedoch nicht gut verstanden.
DasZieldieserArbeitistes,mathematischeModelleundexperimentelleMethodeninengem
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 prognostizieren können.
Diese Prognosen werden mit den Resultaten von langfristigen Biofilmkultivierungen
quantitativ verglichen. So werden ein tieferes Prozessverständnis und Verbesserungen ebenso
auf experimenteller Seite wie auf Ebene der Modellierung erreicht. Die so gewonnenen
Ergebnisse bringen den Fokus dieser Arbeit auf die Untersuchung von Abtragsphänomenen
in Biofilmsystemen. Hierzu wird ein mechanischer Ansatz präsentiert, der die Interaktion
vonFluidströmung undBiofilmstrukturbetrachtet.
Suchbegriffe: Biofilm, Biofilmstruktur, Biofilmwachstum, Abtrag, Modellierung,
Biofilmreaktoren, Exopolymersynthese
Abstract: Biofilms–microbialcommunities
oninterfaces–areofcentralimportanceinnature, technosphere and also for human life. The processes underlying biofilm development,
however, are currently poorly understood. Theaim of thisessay isto combine
mathematical
modelingandexperimentalmethodsincloseinteractioninordertoshedlightontothecoherencesdeterminingbiofilmdevelopment intimeandinspace.
Therefore,recentmathematical
modelingtoolscometoapplicationwhichallowprognosesaboutthebehaviorofbiofilmsystems. Theseprognoses arequantitatively compared withresultsofbiofilmcultivationsunder
comparable conditions. This leads to a better understanding of the processes and yields
improvements on the experimental side as well as in terms of the model assumptions. These
results bring the focus of this work to the detailed investigation of biofilm detachment
phenomena. Here,amechanicalapproachispresentedregardingtheinteractionoffluiddynamics
andbiofilmstructure.
Keywords: biofilm,structure, growth, detachment, modeling, reactors,EPS-productionAnA -Synthetic Appr C
M Modeling nd Experiments –
Tards an Uandingnderstof B Systems
VonderFakultätfürMaschinenbau
derTechnischenUniversitätCarolo-WilhelminazuBraunschweig
zurErlangungderWürde
einesDoktor-Ingenieurs(Dr.-Ing.)
genehmigteDissertation
vonDipl.-Ing.RolandBernhard Möhle
ausBraunschweig
FIT-VerlagfürInnovationundTechnologietransfer
Paderborn2008
woyhaallaamchtcictoei
iofilm
at
ombining naDievorliegendeArbeitwurdealsDissertationangefertigt.
Prüfungsvorsitz: Prof. Dr.-Ing. DietmarC.Hempel
Referenten: Prof. Dr. rer. nat. RainerKrull
Prof. Dr. rer. nat. HaraldHorn
Jun.-Prof. Dr.-Ing. MarkusBöl
eingereichtam: 20. Juni2008
mündlichePrüfungam: 11. Juli2008
MeinenElternundmeinemGroßvaterinDankbarkeitgewidmet.
Hinweis: Obgleich alle möglichen Anstrengungen unternommen worden, um richtige und
aktuelle Angaben in diesem Werk zum Abdruck zu bringen, übernehmen weder der
Herausgeberund derAutornoch sonstige
anderBearbeitungbeteiligteMitarbeitereineVerantwortungfüretwaigeUngenauigkeitenoderderenFolgen. EventuelleBerichtigungenkönnenerst
indernächsten Auflageberücksichtigt werden.
©FIT-VerlagfürInnovation und Technologietransfer -Paderborn 2008
AlleRechte, auch dasderÜbersetzung, vorbehalten.
DiesesWerk-oderTeiledaraus-darfnichtverfielfältigtwerden,inDatenbankengespeichert
oderinirgendeinerForm-elektronisch, fotomechanisch,
aufTonträgerodersonstwie-übertragenwerden ohnedieschriftlicheGenehmigung des Verlages.
BibliographischeInformation
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbiografie;
detailliertebibliografische DatensindimInternet überhttp://dnb.ddb.de abrufbar.
ISSN1431-7230 ISBN978-932252-42-6
Danksagung-Acknowledgement
ZahlreichePersonenundInstitutionenhabenentscheidendzumGelingendieserArbeitbeigetragen. MeinDankgiltdaher
? meinem Doktorvater Prof. Dr.-Ing. Dietmar C. Hempel für die Möglichkeit
unddieFreiheit,dieseArbeitanfertigenzukönnen,ebensowiefürseinestete
Diskussionsbereitschaft,
? meinem Betreuer Prof. Dr. Harald Horn für die fachliche Betreuung meiner
ArbeitunddiedamitverbundenenfruchtbarenGespräche,
? Prof. Dr. Rainer Krull für die Hilfe in organisatorischen Fragen und die
ÜbernahmedesReferats,
? Prof. Dr. AndreasHaarstrickundDr. BerndNörtemanninsbesonderefürihre
Hilfein fachlichenFragen,
? Frau Kahmannund Frau Oltmann für die reibungslose Abwicklungaller
administrativenAngelegenheiten,
? den technischen Mitarbeitern des ibvt, namentlich Detlev Rasch, Yvonne
Göcke, Sandra Hübner und Rochus Jonas, für ihre Hilfsbereitschaft und
aktiveUnterstützungbeidenexperimentellenArbeiten,
?
allenMitarbeiterndesibvt,diezuderaußergewöhnlichangenehmenArbeitsatmosphäreimInstitutbeigetragenhaben,
? den Mitarbeitern des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung in
MagdeburgDr. Thomas R. Neu, MarianHaesner, Kerstin Garny,Ute Kuhlickeund
Dr. BarbaraZippelfürdieüberausgastlichewieherzlicheAtmosphäre,
? Dr. João Xavier and Dr. Cristian Picioreanu who both taught me a lot about
biofilmmodeling;furthermoretheresearchgroupinDelftandtheirheadProf.
Mark van Loosdrecht for the hospitable atmosphere as well as the people I
met there for crucially enriching these stays: Joana Xavier, Álvaro Oliveira
Nappa,DanielvonderSchulenburg,? Erik Alpkvist not only for the fruitful scientific cooperation but also for the
excellent time we have spent together - let it be in Delft, Vienna, Leipzig,
BerlinorLund,
? Judith Arfsten, Stephanie Michel und Dr.-Ing. Ingo Kampen für die
Möglichkeit, Messungen mit dem Nanoindenter des Instituts für Partikeltechnik
durchführenzukönnen,
? TimoGeddert,Dr.-Ing. WolfgangAugustinundProf. Dr.-Ing.
StephanScholl
fürdieMöglichkeit,dasFDG-GerätdesInstitutsfürChemischeundThermischeVerfahrenstechniknutzenzukönnen,
? Herrn Jun.-Prof. Dr.-Ing. Markus Böl vom Institut für Festkörpermechanik
für die angenehme und ertragreiche Zusammenarbeit im Bereich der Finite
ElementeModellierungunddieÜbernahmeeinesdrittenReferats,
? ChristopherHamiltonCummiskeyfürdieKorrekturdesenglischenTextes,
? den studentischenHilfskräften Bin She, CongcongZhang, Annelie Solether,
RobertWestphalundLarissaSahlmannfürihretatkräftigeUnterstützung,
? allen Studenten,die durchihre Studien-undDiplomarbeitenzentralam
Entstehen dieser Arbeit mitgewirkt haben: Judith Mechias, Timo Langemann,
KatrinZapf,MarkusKowalewski,KatrinBierkandtundKerstinHage,
?
derDeutschenForschungsgemeinschaftDFGfürdieFinanzierungdieserArbeit,
? derOswald-Schulze-StiftungOSS undderGlaxoSmithKlineStiftungfürdie
finanzielleUnterstützungverschiedenerReisen sowie
? meinen Eltern und meinem Großvater Heinz Meißner für ihre stete
Unterstützungin jeglicherHinsicht. IhnenseidieseArbeitgewidmet.
Braunschweig,imJuli2008 RolandB.MöhleTeilergebnisse aus dieser Arbeit wurden mit Genehmigung der Fakultät für
MaschinenbauinfolgendenBeiträgenvorabveröffentlicht:
? MöhleRB,LangemannT,HaesnerM,AugustinW,SchollS,NeuT,Hempel
DC, HornH (2007)Structureandshearstrengthofmicrobialbiofilmsas
determinedwithconfocallaserscanningmicroscopyandfluiddynamicgauging
usinganovelrotatingdiscbiofilmreactor. BiotechnologyandBioengineering
98(4):747-755.Contents
1 Introduction 1
2 Preliminarycommentsonmicrobialbiofilms 3
2.1 Biofilmbasics... .... .... .... ... .... .... ... 3
2.1.1 Constituents.... .... .... ... .... .... ... 4
2.1.2 Biofilmstructureandheterogeneity .. .... .... ... 5
2.1.3 Biofilmdevelopment ... .... ... .... .... ... 6
2.2 Biofilmsinnature,technosphereandmedicine . .... .... ... 7
2.2.1 Theroleofbiofilmsinnaturalecosystems... .... ... 7
2.2.2 Biofilmsinindustrialapplications . . ..... .... ... 8
2.2.3 Medicalbiofilms . .... .... ... .... .... ... 10
2.3 HistoricalAspects. .... .... .... ... .... .... ... 12
2.4 Perceptionsofbiofilmsystems .. .... ... .... .... ... 13
3 Methodologyandmodeling 15
3.1 Methodology . . . .... .... .... ... .... .... ... 15
3.1.1 Systems,EmergenceandComplexity . .... .... ... 15
3.1.2 IterativeMethod . .... .... ... .... .... ... 16
3.2 Biofilmprocesses . .... .... .... ... .... .... ... 19
3.2.1 Intrinsicprocesses .... .... ... .... .... ... 19
3.2.2 Exchangewiththeenvironment . ... .... .... ... 25
3.2.3 Biofilmdetachment.... .... ... .... .... ... 28
3.3 Biofilmmodels .. .... .... .... ... .... .... ... 31
3.3.1 Microscopicmassbalanceforsolutecompounds . . . . . . 31
3.3.2 Representationofparticulatecomponents . . ..... ... 32
3.3.3 FiniteElement

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