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Numerische Simulation der Biofilmbildung auf der Basis regelbasierter Modelle

Einordnung der Arbeiten
Für die Eigenschaften des Biofilms, ob vorteilhaft in der Abwasserbehandlung und industriellen Produktion oder nachteilig in technischen Versorgungssystemen und auf medizinischen Implantaten, spielt die Wachstumskinetik eine entscheidende Rolle. Abhängig von den Wachstumsbedingungen können Biofilme in sehr unterschiedlichen Formen auftreten, von fast homogenen, glatten Filmoberflächen bis zu komplizierten, stark verzweigten dreidimensionalen Strukturen. Während sich Strömungs- und Diffusionsprozesse in diesem Zusammenhang relativ einfach mittels physikalischer Modelle beschreiben lassen, ist z.B. Wachstum oder Ablösen des Biofilms nur schwer in gleichungsbasierte Modelle zu integrieren. Eine Möglichkeit solche Prozesse dennoch zu beschreiben stellen empirische regelbasierte Modelle dar, welche auf der Grundlage experimenteller Ergebnisse beruhen. Die Kombination von gleichungs- und regelbasierten Modellen zu einem hybriden Ansatz für eine Biofilmsimulation verspricht daher die die gesamte Bandbreite der involvierten Prozesse abzudecken.

Ziel der Arbeiten
Implementierung, Testung und Verifikation von empirischen Regeln zur Wachstumsdynamik spezifischer Biofilmbildner in numerische Modelle zur Biofilmsimulation auf der Grundlage experimenteller Wachstumskinetiken und Biofilmstrukturen.

Arbeitsschwerpunkte

  • Einarbeitung in die Physiologie der Biofilmbildung, sowie in die existierenden numerischen Modelle zur Simulation der Biofilmbildung
  • Auswertung experimentell generierter Biofilme
  • Erstellen von Wachstumsregeln zur Biofilmsimulation
  • Implementierung von Wachstumsregeln in Simulationsmodelle
  • Testung der Regeln innerhalb der Simulationsumgebung und Abgleich mit experimentellen Ergebnissen

Anforderungen
Die vorgesehenen Arbeiten erfordern Kenntnisse in der Physik, Biochemie sowie der numerischen Mathematik. Zusätzlich sind Erfahrungen in der Auswertung von Messergebnissen und der Erstellung numerischer Routinen (C, C++, MATLAB) sowie der Umgang mit Finite Elemente Software (COMSOL) von Vorteil.


detaillierte Informationen:  pdf-Datei
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. K. Liefeith

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