Biobeton és biogén építőanyagok kékalgákkal

Photobioreaktor des Fraunhofer FEP im Labormaßstab zur Kultivierung von Cyanobakterien unter definierten Licht-, Temperatur- und Gasbedingungen. © Fraunhofer FEP / Photo bioreaktor vom Fraunhofer FEP im Labormaßstab zur Kultivierung von Cyanobakterien unter definierten Licht-, Temperatur- und Gasbedingungen. © Fraunhofer FEP

Élő építőanyag. A zöld a növényi klorofill által élő baktériumokban keletkezik. © Fraunhofer IKTS / Élő építőanyag (zöld = klorofill az élő baktériumokban). © Fraunhofer IKTS

Mineralizált szilárd „lyukkövekő” © Fraunhofer IKTS / Mineralized solid „pore stone”. © Fraunhofer IKTS

A Fraunhofer kutatói olyan eljárást fejlesztettek ki, amely során biogén építőanyagok cyanobaktériumokon alapulva keletkeznek. Ezek a baktériumok fotoszintézis révén szaporodnak egy tápoldatban. Ha adalék- és töltőanyagokat, például homokot, bazaltot vagy megújuló nyersanyagokat adnak hozzá, kőzet-szerű szilárd struktúrák alakulnak ki. A hagyományos betongyártással ellentétben nem szén-dioxidot bocsátanak ki, hanem a anyagban kötődnek meg.

A építőiparnak problémája van. A cement, amely a beton fő összetevője, a legvalószínűbbleg leggyakrabban használt építőanyagunk, klímakárosító. Gyártásakor nagyon sok CO2 szabadul fel. Az Umweltbundesamt adatai szerint 2018-ban Németországban csaknem 20 millió tonna CO2 keletkezett. Ez körülbelül a ipari kibocsátások tíz százalékának felel meg.

A Fraunhofer Kerámia Technológiák és Rendszerek IKTS és a Fraunhofer Elektronsugár- és Plazmatechnológia FEP intézetei most a „BioCarboBeton” projekt keretében bemutatnak egy környezetbarát, biológiailag indukált eljárást a biogén építőanyagok gyártására. Ez során nem keletkezik szén-dioxid, sőt: a káros gáz a folyamat során felhasználásra kerül, és az anyagban kötődik meg.

Az eljárás alapját cyanobaktériumok, más néven kék-zöld baktériumok képezik. Ezek a fotoszintézisre képes baktériumkultúrák a fény, nedvesség és hőmérséklet váltakozásával kalkátionkat, azaz mészkövet alakítanak ki, és közben stromatolitokat formálnak. Ezek a kőzet-szerű struktúrák már 3,5 milliárd évvel ezelőtt léteztek, ami a biológiai folyamatok robusztusságát mutatja. Már akkor is a mineralizáció során a CO2-t a légkörből fixálják, és a biogén kőzetben kötődnek meg.

A kutatók sikerrel reprodukálták ezt a természetes folyamatot egy technikai eljárásban. A projektvezető és ötletgazda Dr. Matthias Ahlhelm irányításával az IKTS-ben fejlesztik az anyagokat és folyamatokat, kiválasztják a lehetséges töltő- és kötőanyagokat, valamint alakítják a formát és szerkezetet.

A FEP intézetben Dr. Ulla König vezetésével kialakítják a cyanobaktériumok kultiválását, a mikrobiológiai analitikát és a nyert biomassza skálázását.

Baktériumoldatból szilárd anyag lesz

Első lépésként a biomassza előállításához a fényérzékeny cyanobaktériumokat tápoldatban tenyésztik, ahol a fényforrás intenzitása és színe befolyásolja a fotoszintézist és az anyagcserét. Annak érdekében, hogy a baktériumoldat mineralizációja a stromatolitok mintájára megtörténjen, kalciumforrásokat, például kalcium-kloridot adnak hozzá. Ezután a kutatók hidrogél és különböző töltőanyagok keverékét készítik el, például különböző homokfajtákat, például tengeri vagy kvarcszemcséket. A CO2 további bevitele növeli a feloldott széndioxid tartalmát, és támogatja a folyamatot.

A homogén keveréket ezután struktúrává alakítják, például formákba öntve. Ezek lehetnek átlátszóak, hogy a anyagcserét és a fotoszintézist tovább lehessen folytatni. A mineralizáció ezután végleges szilárduláshoz vezet. A baktériumkeveréket fel is lehet spriccelni, habosítani, extrudálni vagy additív gyártással formázni, majd mineralizálni.

Alternatívaként porózus aljzatokat is lehet készíteni, amelyeket később cyanobaktérium-kultúrával kezelnek: „A keletkező szilárd test a folyamat során még porózus, így a fény behatol a belsejébe, és elősegíti a CO2 fixálását kalkátionképződés révén. A fény és nedvesség elvonásával vagy a hőmérséklet változtatásával megállítjuk a folyamatot”, magyarázza Matthias Ahlhelm. Ekkor a baktériumok teljesen elpusztulnak. Így jön létre egy biogén kalcium-karbonát és töltőanyag alapú szilárd termék, amely például téglaként használható. A cyanobaktériumokból készült bio-építőanyagok nem tartalmaznak mérgező anyagokat.

A „BioCarboBeton” projekt egyik célja, hogy meghatározza a gyártott szilárd anyagok anyag- és szilárdsági tulajdonságait, valamint a folyamatok skálázását. Már a kutatók a körkörös folyamatirányításon dolgoznak. Így például a széndioxid forrásai ipari hulladéggázokból származhatnak. Jelenleg biogázzal dolgoznak. Kalciumforrásként bazaltokat és bányabányagödröket, de tejetermékek maradékát is felhasználhatják. Töltőanyagként a homokon kívül bontási törmeléket vagy megújuló erőforrásokat is alkalmazhatnak.

A szigetelőtől a habarcsig

A töltőanyagok célzott kiválasztásával és a folyamat- és mineralizációs paraméterek szabályozásával különböző alkalmazási területekre alkalmas termékek hozhatók létre. Ezek potenciálisan szigetelőanyagoktól, tégláktól és burkolatbetétektől kezdve habarcsokig vagy homlokzati vakolatokig terjednek, amelyek felhordás után megkötnek.

Miután a kutatócsoport a folyamatot az IKTS-ben és a FEP-ben kidolgozta és tesztelte, most a mennyiségek skálázásán és a kívánt szilárdsági tulajdonságok meghatározásán dolgoznak. A cél, hogy a gyártók gyorsan és gazdaságosan előállíthassák ezeket a környezetbarát bio-építőanyagokat a szükséges mennyiségben.

Matthias Ahlhelm és Ulla König biztos benne: „Ez a módszer megmutatja, mekkora potenciál rejlik a technika biológiai alapokra helyezésében. Összességében a »BioCarboBeton« projekt nemcsak az építőipar számára kínál lehetőséget arra, hogy jelentős lépést tegyen a körforgásos gazdaság felé.”