Lehrgebiet für Bioverfahrenstechnik (BioVT)

Untersuchung des Prozessverhaltens von produktiven Biofilmen

Produktive Biofilme werden zwar schon seit längerem für industrielle Prozesse benutzt, etwa zur Herstellung von Essigsäure, jedoch sind herkömmliche Reaktorsysteme den Biofilmen als Produktionsverfahren nach wie vor überlegen. Um Biofilme besser industriell nutzen zu können, ist ein vertieftes Verständnis der Vorgänge in einem Biofilm nötig. Dazu gehört im Wesentlichen das Verständnis von Reaktions- und Diffusionsvorgängen innerhalb der extrazellulären polymeren Substanz (EPS), einer Matrix aus einer Vielzahl organischer Verbindungen wie Zucker, Proteine, Lipide und auch DNA. 
Darum sollen in diesem Projekt mittels nichtinvasiver FRAP-Messungen mittels Konfokalmikroskopie an aktiven Biofilmen das Prozessverhalten ebendieser untersucht und eine Verbindung zur Produktausbeute hergestellt werden. Anhand dieser Messungen soll in Kooperation mit dem Fraunhofer ITWM 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. 


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. 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.

KooperationspartnerDr. Jan Hauth
StatusLaufendes Vorhaben
Förderzeitraum07/2016 - 06/2019
FörderkennzeichenUL 170/14-1
Mitarbeiter/-InnenM. Sc. Jonas Chodorski

Veröffentlichungen und Tagungsbeiträge

  • J. Chodorski, J. Hauth, A. Wirsen, R. Ulber; Transport Phenomena in Biofilms; Biocomp Progress Seminar (2016) Münchweiler an der Alsenz
  • Jonas Chodorski, Jan Hauth, Andreas Wirsen, Roland Ulber; Investigating the Process Behaviour of Productive Biofilms; SFGP Nancy 2017
  • Jonas Chodorski, Jan Hauth, Andreas Wirsen, Roland Ulber; Investigating the Process Behaviour of Productive Biofilms; Himmelfahrtstagung 2017
  • J. Chodorski, J. Hauth, A. Wirsen, R. Ulber; Investigating the Process Behavior of Productive Biofilms; Himmelfahrtstagung 2018: Heterogeneities - A key for understanding and upscaling of bioprocesses in up- and downstream (2018), Magdeburg, Germany
  • J. Chodorski, J. Hauth, A. Wirsen, R. Ulber; Process Behavior of Productive Biofilms; Biofilms 8 International Conference (2018), Aarhus, Denmark
  • J. Chodorski, J. Hauth, A. Wirsen, R. Ulber; Modellierung von Diffusionsprozessen in lebenden Biofilmen; ProcessNet-Jahrestagung und 33. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen 2018 (2018), Aachen, Germany
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