Untersuchung des Prozessverhaltens von produktiven Biofilmen

• Antragsteller: Professor Dr. Roland Ulber; Dr. Andreas Wirsen, seit 4/2016
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 290361961

Das Ziel dieses Projektes soll ein besseres Verständnis des Prozessverhaltens von produktiven Biofilmen in Hinblick auf die Produktausbeute sein. Dazu sollen Durchflusszellen so weiter entwickelt werden, dass sie FRAP-Online-Messungen am Biofilm erlauben. Anhand dieser Messungen soll ein mathematisches Modell für produktive Biofilme in Durchflusszellen entwickelt, identifiziert und validiert werden. Dieses Modell soll die Abhängigkeit der Produktivität der Biofilme von zugeführten Nährstoffen über die Zeit beschreiben. Der Kern dieses Modells soll ein Reaktions-Diffusions-Gleichungssystem bilden, das den Stofftransport der Nährstoffe und Produkte sowohl zwischen Medium und Biofilm über die Außenschicht des Biofilms als auch den Transport und die Verstoffwechselung innerhalb des Biofilms über die Zeit beschreibt. Die in diesem Modell auftretenden unbekannten (eventuell zeitabhängigen) Parameter wie Diffusionskoeffizienten und Reaktionsraten sollen in einem Online-Verfahren durch die Auswertung von Messwerten unter Nutzung mathematischer Verfahren zur Parameter-Identifikation bzw. Zustandsschätzung bestimmt werden. Außer der Messung des pH-Wertes sollen vorwiegend Aufnahmen eines konfokalen Laser Scanning Mikroskops (CLSM) ausgewertet werden. Mit Hilfe des CLSM sollen im Laufe jeweils eines Experimentes in gewissen Zeitabständen sowohl die Biofilmdichte als auch die Diffusionskoeffizienten bestimmt werden, letztere mit Hilfe einer zweidimensionalen Variante des Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP), die in diesem Projekt ebenfalls weiterentwickelt werden soll. Um dieses Vorgehen zu ermöglichen, müssen existierende Durchflusszellen so angepasst werden, dass sie eine Online-Messung auf intransparenten Substrata mit dem CLSM erlauben. Die Reaktionsraten (Aufnahmeraten der Nährstoffe und Abgaberaten des Produktes) können nicht direkt gemessen werden und müssen daher über mathematische Methoden errechnet werden. Das auf diese Weise erstellte mathematische Modell kann zukünftig als Grundlage zur verbesserten Anzucht von Biofilmen und zur Online-Überwachung in der Produktionsphase verwendet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Patrick Lang, bis 3/2016