Исследователи разработали метод создания биогенных строительных материалов на основе цианобактерий.
Бактерии размножаются в питательном растворе за счет фотосинтеза и при дальнейшем добавлении наполнителей, таких как песок, базальт или возобновляемое сырье, получаются твердые камнеподобные структуры. В отличие от традиционного производства бетона, при этом процессе не выделяется углекислый газ, который вреден для окружающей среды. Вместо этого углекислый газ связывается внутри самого материала.
Цемент, основной компонент бетона - пожалуй, самого используемого строительного материала современности, - вреден для климата. Выбросы CO2 при производстве цемента очень высоки. По данным Немецкого агентства по охране окружающей среды, в 2018 году только в Германии на производство цемента пришлось около 20 миллионов метрических тонн выбросов CO2. Это эквивалентно примерно 10% всех промышленных выбросов.
Исследователи из Фраунгоферовского института керамических технологий в рамках проекта "BioCarboBeton" внедряют экологически чистый метод производства биогенных строительных материалов. Этот процесс не только не приводит к выделению углерода, но, напротив, разрушающий климат газ используется в самом технологическом процессе, связываясь внутри материала. Центральным элементом нового метода являются цианобактерии способные к фотосинтезу. При взаимодействии света, влаги и температуры они образуют структуры, напоминающие строматолиты из известняка. Эти аналогичные каменистым породам биогенные структуры существуют в природе уже 3,5 миллиарда лет, что свидетельствует об устойчивости и долговечности этого биологического процесса. В процессе минерализации CO2 захватывается из атмосферы, а затем связывается в биогенной породе.
Разработчикам удалось имитировать этот естественный процесс с помощью технологического метода. Они разработали процессы, выбирали потенциальные наполнители, связующие вещества, форму и структуру конечного продукта. Авторы технологии также разработали методы культивирования цианобактерий и дополнительные микробиологические анализы.
Живой строительный материал (зеленый цвет - хлорофилл в живых бактериях). Фото: Fraunhofer IKTS
На первом этапе получения биомассы светочувствительные цианобактерии культивируются в питательном растворе. Интенсивность и цвет используемого источника света влияют на фотосинтез и метаболизм бактерий. Для того чтобы раствор бактерий мог подвергаться минерализации с образованием строматолитоподобных структур, в него добавляют источники кальция, например хлорид кальция. После этого исследователи создают смесь гидрогелей и различных наполнителей, например, различных видов песка, в том числе морского или кварцевого. Чтобы увеличить содержание растворенного углекислого газа и поддержать процесс, добавляется CO2.
Затем бактериальную смесь перемешивают до однородности и придают ей структуру, перенося в формы. Желательно, чтобы формы были полупрозрачными, чтобы процессы метаболизма и фотосинтеза бактерий могли продолжаться. Последующая минерализация приводит к окончательному затвердеванию. Бактериальную смесь также можно формировать путем распыления, вспенивания, экструзии или аддитивного производства, придавая ей форму, в которой происходят последние стадии минерализации.
В качестве альтернативы можно также изготовить пористые субстраты и впоследствии обработать их культурой цианобактерий. "Развивающаяся твердая структура остается пористой в течение всего процесса, поэтому свет проникает внутрь и стимулирует фиксацию углекислого газа через минерализацию известняка. Мы можем остановить процесс, убрав свет и влагу или изменив температуру", - объясняет соавтор работы Матиас Альхельм.
На финальной стадии все бактерии погибают и в результате получается твердый продукт на основе биогенного карбоната кальция и наполнителей, который в перспективе можно использовать, например, в качестве кирпича. Строительные материалы на биооснове из цианобактерий не содержат никаких токсичных веществ. Одна из целей проекта BioCarboBeton - определить возможные материальные и механические свойства биогенных материалов для производства и масштабировать процессы. Исследователи уже думают о разработке замкнутого цикла, например, углекислый газ может быть получен из промышленных отходов.
В настоящее время группа работает с биогазом. В качестве источника кальция можно использовать базальт и шахтные отходы, а также остатки молока с молочных предприятий. Кроме песка, в качестве наполнителя можно использовать строительный мусор или возобновляемые ресурсы.
Минерализованный твердый и пористый материал. Фото: Fraunhofer IKTS
Целенаправленный подбор наполнителей и управление параметрами процесса и минерализации позволяют производить продукцию для широкого спектра различных применений. Потенциальные области применения включают изоляционные материалы, кирпич, заполнение опалубки и даже раствор или штукатурку, которые отвердевают или застывают после нанесения. Теперь, когда группа исследователей создала и протестировала процесс, они работают над масштабированием объемов и определением желаемых свойств твердых материалов. Цель состоит в том, чтобы позволить производителям быстро и экономично выпускать экологически чистые строительные материалы на биооснове в необходимых объемах.
Альхельм верит в эту технологию: "Наш метод демонстрирует огромный потенциал и возможность сделать большой шаг в сторону замкнутого цикла экономики в строительной отрасли и за ее пределами".
