Biofilmmechanik - Numerische und experimentelle Untersuchung der mechanischen Beanspruchung von Biofilmsystemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Biofilme spielen eine wichtige Rolle in Stoffkreisläufen und leisten einen bedeutenden Beitrag in technischen Systemen. Neben erwünschten und für die 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 von Biofilmen insbesondere bei Abtragsphänomenen prognostizieren lässt. Das Ziel des Forschungsprojektes bestand in der Entwicklung eines phänomenologischen, dreidimensionalen Modells zur Beschreibung physiko-chemischer Phänomene (u. a. mechanischer, vorrangig fluiddynamischer Beanspruchungen) von Biofilmen, die zu Abtragsphänomenen führen und deren Strukturentwicklung entscheidend bestimmen. Darüber hinaus zielte dieses Forschungsprojekt auf die Entwicklung einer geeigneten, dreidimensionalen Wachstumsmodellierung. Die Implementierung des Modellierungsansatzes in die Finite Elemente-Methode erlaubt das Lösen realistischer Randwertprobleme. Um den Einfluss mechanischer Beanspruchungen auf die mechanische Stabilität von Biofilmen genauer charakterisieren zu können, wurde ein Hydrogel-basiertes physiko-chemisches und wachstumsentkoppeltes Biofilmimitat generiert und dieses durch einen Vergleich mit realen Reinkulturbiofilmen validiert. Insgesamt steht mit den hier erarbeiteten Methoden ein breites Charakterisierungsrepertoire zur Verfügung, um das mechanische Verhalten wirtschaftlich relevanter biofilmassoziierter Produktionssysteme zu überprüfen und Kultivierungsparameter so einzustellen, dass die Systeme mit hoher Leistungsfähigkeit und Prozesssicherheit betrieben werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2013). Modelling mechanical characteristics of microbial biofilms by network theory. Journal of the Royal Society Interface 10, 20120676
Ehret A. E., Böl M.
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(2013). Recent advances in mechanical characterisation of biofilm and their significance for material modelling. Critical Reviews in Biotechnology 33, 145-171
Böl M., Ehret A. E., Bolea Albero A., Hellriegel J., Krull R.
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(2014). A biomimetic gellan-based hydrogel as a physicochemical biofilm model. Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology 5, 83-97
Hellriegel J., Günther S., Kampen I., Bolea Albero A., Kwade A., Böl M., Krull R.
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(2014). A new approach to the simulation of microbial biofilms by a theory of fluid-like pressure-restricted finite growth. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 272, 271-289
Bolea Albero A., Ehret A. E., Böl M.
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(2014). On a new model for inhomogeneous volume growth of elastic bodies. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 29, 582-593
Böl M., Bolea Albero A.
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Engineering a Biofilm. Imitating Physico-Chemical Properties to Improve Mechanical Characterization. ibvt-Schriftenreihe, Vol. 73, also PhD-thesis, TU Braunschweig, Cuvillier Verlag, Göttingen 2014
Hellriegel J.
