Φαινόμενα μεταφοράς και δυναμική συμπεριφορά της ανάπτυξης μικροβιακών βιοφίλμ κατά την βιοαποδόμηση οργανικών ρύπων σε πορώδη υλικά : ιεραρχική θεωρητική μοντελοποίηση και πειραματική διερεύνηση

Abstract

Numerous bacteria are able to form biofilms at the interface between an aqueous solution and another fluid, solid or porous material. Biofilm growth in porous media is of key importance in a variety of processes, such as the biodegradation of pollutants in soil and biologically enhanced oil recovery from subsurface reservoirs. In the present work, the transport phenomena and the dynamics of biofilm growth during the biodegradation of organic pollutants in porous media are studied. The main goals and results of the dissertation are developed along the following axes. The first axis involves the conduction of experiments of biofilm growth in glass models of porous media for the elucidation of the clogging mechanism on the pore scale and the permeability-porosity correlation on the scale of the porous medium. The second axis involves the development of a methodology for the mathematical description of: (a) the diffusive mass transfer process, and, (b) the momentum transfer during the flow of the extra-cellular aqueous solution in cellular biological media (biofilms, microbial flocs, tissues). The methodology combines the spatial averaging method via a weight function for the formulation of the governing equations, with unit cell models for the calculation of the coefficients that enter the governing equations. The third axis involves the development of a novel, hierarchical, hybrid simulator of the dynamic behavior of microbial biofilms in porous materials. The simulator predicts: (a) the structural and biological heterogeneity on the biofilm scale, (b) the pattern and rate of growth rate of biofilms in the pores of realistic porous structures, and (c) the conjugate alteration of the flow field and the spatial distribution of the concentration of solutes. - See more at: http://nemertes.lis.upatras.gr/jspui/handle/10889/1693?mode=full&submit_simple=%CE%95%CE%BC%CF%86%CE%B1%CE%BD%CE%AF%CF%83%CF%84%CE%B5+%CF%84%CE%B7%CE%BD+%CF%80%CE%BB%CE%AE%CF%81%CE%B7+%CE%B5%CE%B3%CE%B3%CF%81%CE%B1%CF%86%CE%AE#sthash.MXt83sOL.dpuf

Πολλοί μικροοργανισμοί έχουν την ικανότητα να σχηματίζουν βιοφίλμ στη διεπιφάνεια μεταξύ ενός υδατικού διαλύματος και ενός άλλου ρευστού, στερεού ή πορώδους υλικού. Η ανάπτυξη βιοφίλμ σε πορώδη υλικά έχει σημαντικό ρόλο σε πληθώρα διεργασιών, όπως η βιοαποδόμηση ρύπων στο έδαφος και η βιολογικά ενισχυμένη απόληψη πετρελαίου από ταμιευτήρες. Στην παρούσα εργασία μελετώνται τα φαινόμενα μεταφοράς και η δυναμική συμπεριφορά της ανάπτυξης μικροβιακών βιοφίλμ κατά τη βιοαποδόμηση οργανικών ενώσεων σε πορώδη υλικά. Οι κύριοι στόχοι και τα αποτελέσματα της διατριβής εντάσσονται σε τρεις άξονες. Ο πρώτος άξονας περιλαμβάνει τη διεξαγωγή πειραμάτων ανάπτυξης βιοφίλμ σε γυάλινα δοκίμια πορώδους μέσου για την αποσαφήνιση των μηχανισμών φραξίματος στην κλίμακα των πόρων και την συσχέτιση πορώδους-διαπερατότητας στην κλίμακα του πορώδους μέσου. Ο δεύτερος άξονας περιλαμβάνει την ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας για τη μαθηματική περιγραφή: α) της διεργασίας μεταφοράς μάζας δια μοριακής διαχύσεως, και β) της διεργασίας μεταφοράς ορμής κατά τη ροή του εξωκυτταρικού υδατικού διαλύματος, σε κυτταρικά βιολογικά υλικά (βιοφίλμ, μικροβιακά συσσωματώματα, ιστοί). Η μεθοδολογία συνδυάζει τη μέθοδο χωρικής στάθμισης δια συνάρτησης βάρους για την ανάπτυξη των διεπουσών εξισώσεων, με μοντέλα μοναδιαίων κελιών για τον υπολογισμό των συντελεστών που υπεισέρχονται στις διέπουσες εξισώσεις. Ο τρίτος άξονας περιλαμβάνει την ανάπτυξη ενός νέου, ιεραρχικού, υβριδικού εξομοιωτή της δυναμικής συμπεριφοράς μικροβιακών βιοφίλμ σε πορώδη υλικά. Ο εξομοιωτής προβλέπει: α) τη δομική και βιολογική ετερογένεια στην κλίμακα του βιοφίλμ, β) τη μορφή και το ρυθμό ανάπτυξης του βιοφίλμ μέσα στους πόρους ρεαλιστικών πορωδών δομών, και γ) τη συζυγή μεταβολή του πεδίου ροής και της χωρικής κατανομής των συγκεντρώσεων διαλελυμένων χημικών ειδών. - See more at: http://nemertes.lis.upatras.gr/jspui/handle/10889/1693?mode=full&submit_simple=%CE%95%CE%BC%CF%86%CE%B1%CE%BD%CE%AF%CF%83%CF%84%CE%B5+%CF%84%CE%B7%CE%BD+%CF%80%CE%BB%CE%AE%CF%81%CE%B7+%CE%B5%CE%B3%CE%B3%CF%81%CE%B1%CF%86%CE%AE#sthash.MXt83sOL.dpuf