Создание биоконкрета и биогенных строительных материалов с помощью цианобактерий

Исследователи Fraunhofer разработали метод создания биогенных строительных материалов на основе цианобактерий. Бактерии размножаются в питательном растворе за счёт фотосинтеза.

При добавлении наполнителей, таких как песок, базальт или возобновляемое сырьё, образуются твёрдые структуры, похожие на камень. В отличие от традиционного производства бетона, этот процесс не выделяет CO₂. Вместо этого углекислый газ связывается внутри самого материала.

Цемент — основной компонент бетона — наносит ущерб климату. По данным Федерального агентства по окружающей среде Германии (UBA), в 2018 году производство цемента в стране привело к выбросам около 20 миллионов тонн CO₂, что составляет примерно 10% от всех промышленных выбросов.

В рамках проекта «BioCarboBeton» исследователи из Институтов Fraunhofer IKTS и FEP представляют экологичный, биологически индуцированный метод производства биогенных материалов. Процесс не только не выделяет углерод, но и использует CO₂, связывая его в материале.

Ключевой элемент метода — цианобактерии (сине-зелёные водоросли). Эти культуры способны к фотосинтезу. Под воздействием света, влаги и температуры они образуют известняковые структуры — строматолиты.

Эти биогенные структуры существуют в природе 3,5 миллиарда лет, что говорит об устойчивости процесса. Как и в природе, CO₂ захватывается из атмосферы в процессе минерализации и связывается в биогенной породе.

Исследователям удалось воспроизвести этот естественный процесс технологическим методом.

Бактериальный раствор становится твёрдым

1. Культивирование: светочувствительные цианобактерии выращиваются в питательном растворе. Интенсивность и цвет света влияют на фотосинтез и метаболизм.
2. Минерализация: для образования строматолитоподобных структур добавляются источники кальция (например, хлорид кальция). Создаётся смесь гидрогелей и различных наполнителей (песок, базальт).
3. Добавление CO₂: для поддержки процесса увеличивают содержание растворённого углекислого газа.
4. Формование: однородную бактериальную смесь переносят в (предпочтительно прозрачные) формы для продолжения фотосинтеза. Также возможны методы напыления, вспенивания, экструзии или 3D-печати.
5. Затвердевание: последующая минерализация приводит к окончательному отверждению. Процесс можно остановить, убрав свет и влагу или изменив температуру, после чего бактерии погибают.

Результат — твёрдый продукт на основе биогенного карбоната кальция и наполнителей, не содержащий токсичных веществ.

Цели проекта и перспективы

Одна из целей проекта — определение возможных механических свойств материалов и масштабирование процессов. Исследователи рассматривают циклический дизайн процесса:

• Источником CO₂ могут быть промышленные выбросы (например, биогаз).
• Источниками кальция — базальт, отходы горнодобычи или молочные остатки.
• В качестве наполнителя — строительный мусор или возобновляемые ресурсы.

Целенаправленный подбор наполнителей и управление параметрами процесса позволяют создавать продукты для разных сценариев: теплоизоляционные материалы, кирпич, заполнитель для опалубки, строительный раствор или штукатурка.

После отработки процесса в лабораторных условиях команда работает над увеличением объёмов производства и определением желаемых свойств материала. Цель — сделать возможным быстрое и рентабельное производство экологичных биогенных строительных материалов в необходимых масштабах.

По словам руководителей проекта, этот метод демонстрирует огромный потенциал биологизации технологий и является шагом к циркулярной экономике в строительной отрасли и не только.