Bioconstruction et matériaux de construction biogènes avec des cyanobactéries

Photobioreacteur du Fraunhofer FEP à l'échelle du laboratoire pour la culture de cyanobactéries dans des conditions de lumière, de température et de gaz définies. © Fraunhofer FEP / Photobioreacteur du Fraunhofer FEP à l’échelle du laboratoire pour cultiver des cyanobactéries dans des conditions de lumière, de température et de gaz définies. © Fraunhofer FEP

Matériau de construction vivant. Le vert apparaît grâce à la chlorophylle des bactéries vivantes. © Fraunhofer IKTS / Matériau de construction vivant (vert = chlorophylle dans les bactéries vivantes). © Fraunhofer IKTS

Pierre pore minéralisée © Fraunhofer IKTS / Pierre pore minéralisée © Fraunhofer IKTS

Les chercheurs de Fraunhofer ont développé une méthode permettant de produire des matériaux de construction biogènes à partir de cyanobactéries. Celles-ci se multiplient dans une solution nutritive par photosynthèse. En ajoutant des charges et des fillers tels que du sable, du basalte ou des matières premières renouvelables, des structures solides semblables à des roches se forment. Contrairement à la fabrication classique de béton, aucune émission de dioxyde de carbone nocif pour le climat n'est produite, mais celui-ci est lié dans le matériau.

L'industrie de la construction a un problème. Le ciment, la principale composante du béton, le matériau de construction le plus utilisé de notre époque, est un tueur climatique. Sa fabrication émet beaucoup de CO2. Selon l'Office fédéral de l'environnement, en 2018, cela a représenté environ 20 millions de tonnes de CO2 en Allemagne seulement. Cela correspond à environ dix pour cent des émissions industrielles.

Les chercheurs de l'institut Fraunhofer pour les technologies et systèmes céramiques IKTS et de l'institut Fraunhofer pour la technique des faisceaux d'électrons et la technologie des plasmas FEP présentent dans le cadre du projet « BioCarboBeton » une méthode écologique, biologiquement induite, pour la fabrication de matériaux de construction biogènes. Non seulement aucun dioxyde de carbone n'est libéré, mais au contraire : ce gaz nocif pour le climat est utilisé dans le processus et lié dans le matériau.

La base de la méthode est constituée de cyanobactéries, également appelées bactéries bleu-vert. Ces cultures bactériennes capables de photosynthèse forment, en interaction avec la lumière, l'humidité et la température, du calcaire et créent ainsi des stromatolithes. Ces structures rocheuses existaient déjà il y a 3,5 milliards d'années, ce qui montre la robustesse de ce processus biologique. Comme à l'époque, lors du processus de minéralisation, le CO2 de l'atmosphère est fixé et lié dans la roche biogène.

Les chercheurs de Fraunhofer ont réussi à reproduire ce processus naturel dans une méthode technique. Sous la direction du initiateur et concepteur Dr. Matthias Ahlhelm, le développement de matériaux et de processus, la sélection des charges et liants possibles ainsi que la formation de formes et de structures est en cours au sein de l'IKTS.

Au Fraunhofer FEP, sous la direction de Dr. Ulla König, la culture des cyanobactéries, l'analyse microbiologique complémentaire ainsi que la mise à l'échelle de la production de biomasse sont établies.

De la solution bactérienne à un solide

Dans un premier temps, pour produire de la biomasse, les cyanobactéries sensibles à la lumière sont cultivées dans une solution nutritive, où l'intensité et la couleur de la source lumineuse influencent leur photosynthèse et leur métabolisme. Afin que la minéralisation puisse se produire dans la solution bactérienne, à l'image des stromatolithes, des fournisseurs de calcium tels que le chlorure de calcium sont ajoutés. Ensuite, les chercheurs préparent un mélange d'hydrogels et de différentes charges, comme diverses sortes de sable, par exemple du sable de mer ou du quartz. L'apport supplémentaire de CO2 augmente la concentration de dioxyde de carbone dissous et soutient le processus.

Le mélange bactérien homogène est ensuite structuré, par exemple en étant versé dans des moules. Ceux-ci doivent être de préférence translucides, afin que le métabolisme et la photosynthèse des bactéries puissent continuer. La minéralisation ultérieure conduit alors à la consolidation finale. Le mélange bactérien peut également être façonné par pulvérisation, mousse, extrusion ou fabrication additive, puis minéralisé dans la forme souhaitée.

Alternativement, il est possible de produire des substrats poreux qui sont ensuite traités avec la culture de cyanobactéries : « Le solide résultant est encore poreux pendant le processus, ce qui permet à la lumière de pénétrer à l'intérieur et d'accélérer la fixation du CO2 par minéralisation du calcaire. En retirant la lumière et l'humidité ou en modifiant la température, nous arrêtons le processus », explique Matthias Ahlhelm. Tous les bactéries meurent alors complètement. Il en résulte un produit solide à base de carbonate de calcium biogène et de charges, pouvant par exemple servir de brique. Les matériaux de construction bio à base de cyanobactéries ne contiennent pas de substances toxiques.

Un objectif du projet « BioCarboBeton » est de déterminer les propriétés matérielles et de résistance du solide produit et de mettre à l'échelle les processus. Les chercheurs envisagent déjà une gestion en boucle du processus. Par exemple, les sources de dioxyde de carbone pourraient provenir de gaz résiduaires industriels. Actuellement, on travaille avec du biogaz. Comme sources de calcium, on pourrait utiliser du basalte et des déchets miniers, mais aussi des résidus de lait provenant de laiteries. Et comme charge, en plus du sable, il est possible d'utiliser des débris de construction broyés ou des ressources renouvelables.

De l'isolant au mortier

Grâce à la sélection ciblée des charges et au contrôle des paramètres de processus et de minéralisation, il est possible de produire des matériaux pour différents scénarios d'application. Ceux-ci vont potentiellement de l'isolant, en passant par la brique et le remblai pour coffrage, jusqu'au mortier ou enduit de façade qui durcit après application.

Après avoir établi et testé le processus à l'IKTS et au FEP, l'équipe travaille maintenant à l'augmentation des quantités et à la détermination des propriétés souhaitées du solide. L'objectif est de permettre aux fabricants de produire rapidement et économiquement ces matériaux de construction bio respectueux de l'environnement en quantités nécessaires.

Matthias Ahlhelm et Ulla König sont convaincus : « Ce procédé montre le potentiel énorme que recèle la biologisation de la technique. Dans l'ensemble, notre projet « BioCarboBeton » offre non seulement à l'industrie du bâtiment la possibilité de faire un grand pas vers une économie circulaire. »