Biofilme sind Ansammlungen von unterschiedlichen Mikroben, die durch eine gelartige Masse, die sogenannten extrazellulären polymeren Substanzen, mehr oder weniger fest zusammengehalten werden. Unter natürlichen Umweltbedingungen bilden sie sich auf nahezu allen feuchten Oberflächen. Neben unerwünschten Wirkungen wie beispielsweise Erhöhung des Reibungswiderstandes an Schiffsrümpfen, Kariesgefahr durch Zahnbelag oder Biokorrosion besitzen Biofilme die Fähigkeit, in Fluiden gelöste Schadstoffe durch Stoffwechselprozesse abzubauen. Diese Eigenschaft wird unter anderem in biologischen Abwasseraufbereitungsanlagen genutzt. Obwohl bereits zahlreiche dieser Anlagen existieren und in Betrieb sind, kommt es immer wieder zu unvorhersehbaren Einbrüchen in der Leistung der Anlagen, da die genauen Mechanismen im komplizierten Zusammenspiel der physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse, die der Reinigungsleistung zugrunde liegen, bislang größtenteils unbekannt sind. Diese Arbeit setzt daher bei den grundlegenden Prozessen auf der mikroskopischen Skala an. Direkt aufbauend auf experimentellen Untersuchungen, die im Rahmen einer eigenen Dissertation am Lehrstuhl für Wassergüte und Abfallwirtschaft der TU München durchgeführt wurden, wurden Fluidströmung, Stofftransport und Biofilmwachstum, die experimentell nicht oder nur unter großem Aufwand vollständig erfasst werden können, dreidimensional numerisch simuliert. Dazu wurde ein hybrides mathematisches Modell, bestehend aus kontinuumsmechanischen Gleichungen für Strömung und Stofftransport und einem zellulären Automaten für das Biofilmwachstum, verwendet. Für die Simulation dieses Modells wurden der objektorientierte, modulare Strömungs- und Transportlöser Nast++ und die flexible zelluläre Automaten Software CAsim weiter- beziehungsweise neuentwickelt und über die fest vorgegeben äußeren Schnittstellen sowohl miteinander als auch mit den experimentellen Eingabedaten und der Visualisierungssoftware AVS Express gekoppelt. Die Leistungsfähigkeit von Nast++ wurde durch die Parallelisierung unter MPI (Message Passing Interface) und die Entwicklung und Implementierung effizienter Gleichungslöser (Mehrgitterverfahren) verbessert. Obwohl das zugrunde liegende Modell im Vergleich zu realen Biofilmsystemen eine starke Vereinfachung darstellt, können anhand der Ergebnisse der Simulation und deren Visualisierung bereits einige qualitative Aussagen getroffen werden, die zu einem verbesserten Verständnis der Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge in mikroskopischen Biofilmsystemen beitragen.}     «

Biofilme sind Ansammlungen von unterschiedlichen Mikroben, die durch eine gelartige Masse, die sogenannten extrazellulären polymeren Substanzen, mehr oder weniger fest zusammengehalten werden. Unter natürlichen Umweltbedingungen bilden sie sich auf nahezu allen feuchten Oberflächen. Neben unerwünschten Wirkungen wie beispielsweise Erhöhung des Reibungswiderstandes an Schiffsrümpfen, Kariesgefahr durch Zahnbelag oder Biokorrosion besitzen Biofilme die Fähigkeit, in Fluiden gelöste Schadstoffe dur...     »

Biofilms are accumulations of various types of microbes glued together by a kind of gel, the so called extracellular polymeric substances. Under natural conditions, they form on nearly all humid surfaces. Besides undesirable effects like for example increased friction at the hull of a ship, promotion of caries or biocorrosion, biofilms are able to degrade dissolved pollutants from fluids. Biological wastewater treatment plants exploit this feature. Although numerous plants are already established, unexpected deteriorations of the cleaning efficiency are quite frequently observed since the exact mechanisms of the complicated interaction of the decisive physical, chemical, and biological processes are mostly unknown. Thus, we look at the basic processes on a microscopic spatial scale in this work. Directly based on experimental studies, that were done within the scope of another dissertation at the Institute of Water Quality Control and Waste Management of the TU München, threedimensional fluid flow, solute transport and biofiom growth, which can not or only with an uneffordable expence be realized experimentally, are simulated numerically. For that, a hybrid model, constisting of continuummechanical equations for flow and transport and a cellular automaton for growth, was used. The simulation of this model was performed with the help of the object-oriented, modular flow- and transport-solver Nast++ and the flexible cellular automaton software CAsim, which were enhanced or newly developed, respectively, and connected via clearly defined interfaces both to each other and to experimental input as well as the visualization software AVS Express. The capacity of Nast++ was improved by the parallelization under MPI (Message Passing Interface) and the development and implementation of efficient solvers (multigrid). Although the underlying model is strongly simplifying compared to real world biofilm systems, the results of simulation and visualization can already be used to derive some qualitative statements on some cause-effect-correlations in microscopic biofilm systems.     «

Biofilms are accumulations of various types of microbes glued together by a kind of gel, the so called extracellular polymeric substances. Under natural conditions, they form on nearly all humid surfaces. Besides undesirable effects like for example increased friction at the hull of a ship, promotion of caries or biocorrosion, biofilms are able to degrade dissolved pollutants from fluids. Biological wastewater treatment plants exploit this feature. Although numerous plants are already establishe...     »