Biobetón y materiales de construcción biogénicos con cianobacterias

Fotobiorreactor del Fraunhofer FEP a escala de laboratorio para la cultivo de cianobacterias bajo condiciones definidas de luz, temperatura y gases. © Fraunhofer FEP / Fotobiorreactor del Fraunhofer FEP a escala de laboratorio para cultivar cianobacterias bajo condiciones definidas de luz, temperatura y gases. © Fraunhofer FEP

Material de construcción vivo. El verde surge a través de la clorofila de las bacterias vivas. © Fraunhofer IKTS / Material de construcción vivo (verde = clorofila en bacterias vivas). © Fraunhofer IKTS

Roca porosa mineralizada © Fraunhofer IKTS / Roca sólida mineralizada «piedra porosa» © Fraunhofer IKTS

Investigadores de Fraunhofer han desarrollado un método en el que se crean materiales de construcción biogénicos a partir de cianobacterias. Estas se multiplican en una solución nutritiva mediante fotosíntesis. Cuando se añaden aditivos y rellenos como arena, basaltos o materias primas renovables, se forman estructuras sólidas similares a rocas. A diferencia de la fabricación clásica de hormigón, no se emite dióxido de carbono que dañe el clima, sino que se une en el material.

La industria de la construcción tiene un problema. El cemento, el componente principal del hormigón, probablemente el material de construcción más utilizado en nuestro tiempo, es un asesino del clima. En su fabricación se emite mucho CO2. Según la Oficina Federal de Medio Ambiente, en 2018 se produjeron aproximadamente 20 millones de toneladas de CO2 solo en Alemania. Esto equivale a alrededor del diez por ciento de las emisiones industriales.

Investigadores del Instituto Fraunhofer para Tecnologías y Sistemas Cerámicos IKTS y del Instituto Fraunhofer para Tecnología de Rayos Electrones y Plasma FEP presentan en el proyecto »BioCarboBeton« un proceso ecológico, inducido biológicamente, para la fabricación de materiales de construcción biogénicos. En este proceso, no solo no se emite dióxido de carbono, sino que, al contrario,: el gas perjudicial para el clima se utiliza en el proceso y se incorpora en el material.

La base del método son las cianobacterias, también llamadas bacterias azul-verde. Estas culturas bacterianas capaces de realizar fotosíntesis forman, en interacción con la luz, la humedad y la temperatura, piedra caliza y crean estromatolitos. Estas estructuras rocosas existían hace 3,5 mil millones de años, lo que demuestra la robustez de este proceso biológico. Como en aquella época, en el proceso de mineralización se fija CO2 de la atmósfera y se incorpora en la roca biogénica.

A los investigadores de Fraunhofer les ha sido posible imitar este proceso natural en un procedimiento técnico. Bajo la dirección del iniciador y creador de ideas, Dr. Matthias Ahlhelm, en el IKTS se desarrolla la creación de materiales y procesos, la selección de posibles rellenos y agentes aglutinantes, así como la forma y estructura.

En el FEP de Fraunhofer, bajo la dirección de la Dra. Ulla König, se establece la cultivo de las cianobacterias, la análisis microbiológico complementario y la escalabilidad de la producción de biomasa obtenida.

De solución bacteriana a sólido

En el primer paso, se cultivan las cianobacterias sensibles a la luz en una solución nutritiva para generar biomasa, donde la intensidad y el color de la fuente de luz influyen en su fotosíntesis y metabolismo. Para que en la solución bacteriana ocurra la mineralización, siguiendo el ejemplo de los estromatolitos, se añaden proveedores de calcio como el cloruro de calcio. Luego, los investigadores preparan una mezcla de hidrogeles y diferentes rellenos, como distintos tipos de arena, por ejemplo, arena marina o de cuarzo. La adición adicional de CO2 aumenta el contenido de dióxido de carbono disuelto y apoya el proceso.

La mezcla homogénea de bacterias se estructura, por ejemplo, llenándola en moldes. Estos deben ser preferiblemente transparentes a la luz para que el metabolismo y la fotosíntesis de las bacterias puedan continuar. La mineralización posterior conduce a la consolidación final. La mezcla bacteriana también puede moldearse mediante aspersión, espumado, extrusión o fabricación aditiva, en la forma en que luego se mineraliza.

Alternativamente, también se pueden producir sustratos porosos que luego se tratan con la cultura de cianobacterias: »El sólido resultante todavía es poroso durante el proceso, lo que permite que la luz penetre en su interior y promueve la fijación de CO2 mediante la mineralización de caliza. Al retirar la luz y la humedad o cambiar la temperatura, detenemos el proceso«, explica Matthias Ahlhelm. Entonces, todas las bacterias mueren por completo. Así se obtiene un producto sólido basado en carbonato de calcio biogénico y rellenos, que puede usarse, por ejemplo, como ladrillo. Los materiales de construcción biogénicos de cianobacterias no contienen sustancias tóxicas.

Uno de los objetivos del proyecto »BioCarboBeton« es determinar las posibles propiedades del material y la resistencia del sólido producido, así como escalar los procesos. Los investigadores ya piensan en una gestión de procesos en ciclo cerrado. Por ejemplo, las fuentes de dióxido de carbono podrían provenir de gases residuales industriales. Actualmente, se trabaja con biogás. Como fuentes de calcio, podrían usarse basaltos y residuos mineros, así como restos de leche de las lecherías. Y como relleno, además de arena, se puede usar escombros de construcción triturados o recursos renovables.

Desde material aislante hasta mortero

Mediante la selección específica de rellenos y el control de los parámetros del proceso y la mineralización, se pueden crear productos para diferentes escenarios de aplicación. Estos potencialmente van desde material aislante, ladrillos y relleno de encofrados, hasta mortero o revoco de fachada, que endurece tras su aplicación.

Tras establecer y probar el proceso en el IKTS y en el FEP, el equipo trabaja ahora en escalar las cantidades y determinar las propiedades deseadas del sólido. El objetivo es permitir a los fabricantes producir rápidamente y de manera económica los materiales de construcción ecológicos en las cantidades necesarias.

Matthias Ahlhelm y Ulla König están convencidos: »El proceso demuestra el enorme potencial de la biologización de la tecnología. En general, nuestro proyecto »BioCarboBeton« no solo ofrece a la industria de la construcción la oportunidad de dar un gran paso hacia la economía circular.«