Bio-beton e materiali da costruzione biologici con cianobatteri

Photobioreattore del Fraunhofer FEP su scala di laboratorio per la coltivazione di cianobatteri in condizioni di luce, temperatura e gas definite. © Fraunhofer FEP / Photobioreattore del Fraunhofer FEP su scala di laboratorio per coltivare cianobatteri in condizioni di luce, temperatura e gas definite. © Fraunhofer FEP

Materiale da costruzione vivente. Il verde si forma grazie alla clorofilla dei batteri viventi. © Fraunhofer IKTS / Materiale da costruzione vivente (verde = clorofilla nei batteri viventi). © Fraunhofer IKTS

Pietra porosa minerale solida © Fraunhofer IKTS / Pietra porosa minerale solida © Fraunhofer IKTS

Ricercatori Fraunhofer hanno sviluppato un procedimento in cui materiali da costruzione biogenici vengono prodotti a partire da cianobatteri. Questi si moltiplicano in una soluzione nutritiva attraverso la fotosintesi. Quando vengono aggiunti materiali di riempimento e riempitivi come sabbia, basalto o materie prime rinnovabili, si formano strutture solide simili a rocce. A differenza della produzione tradizionale di cemento, in questo processo non viene emesso anidride carbonica dannosa per il clima, ma questa viene legata nel materiale.

L'industria delle costruzioni ha un problema. Il cemento, componente principale del calcestruzzo, il materiale da costruzione più utilizzato dei nostri tempi, è un killer climatico. Durante la produzione vengono emessi grandi quantità di CO2. Secondo l'Agenzia federale dell'ambiente, nel 2018 in Germania sono stati prodotti circa 20 milioni di tonnellate di CO2. Ciò corrisponde a circa il dieci percento delle emissioni industriali.

I ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per le Tecnologie e i Sistemi Ceramici IKTS e dell'Istituto Fraunhofer per le Tecnologie a Raggi Electronici e Plasmi FEP presentano ora nel progetto "BioCarboBeton" un metodo ecologico, indotto biologicamente, per la produzione di materiali da costruzione biogenici. In questo processo non si produce anidride carbonica, anzi: il gas dannoso per il clima viene utilizzato e legato nel materiale.

La base del procedimento sono i cianobatteri, chiamati anche batteri blu-verdi. Queste colture batteriche capaci di fotosintesi formano, attraverso l'interazione di luce, umidità e temperatura, calcare e modellano stromatoliti. Queste strutture rocciose esistevano già 3,5 miliardi di anni fa, dimostrando la robustezza di questo processo biologico. Come allora, nel processo di mineralizzazione si fissa CO2 dall'atmosfera e si lega nel calcare biogenico.

I ricercatori Fraunhofer sono riusciti a riprodurre questo processo naturale in un procedimento tecnico. Sotto la guida del responsabile e ideatore Dr. Matthias Ahlhelm, si sviluppano materiali e processi, si selezionano possibili riempitivi e leganti, nonché la forma e la struttura.

Al Fraunhofer FEP, sotto la direzione della Dr.ssa Ulla König, si stabiliscono la coltivazione dei cianobatteri, l'analisi microbiologica complementare e la scalabilità della produzione di biomassa ottenuta.

Da soluzione batterica a solido

Nel primo passo, i cianobatteri sensibili alla luce vengono coltivati in una soluzione nutritiva per produrre biomassa, dove l'intensità e il colore della sorgente luminosa influenzano la fotosintesi e il metabolismo. Per permettere la mineralizzazione nel modello degli stromatoliti, vengono aggiunti fornitori di calcio come il cloruro di calcio. Successivamente, i ricercatori preparano una miscela di idrogeli e diversi riempitivi, come varie tipologie di sabbia, ad esempio sabbia marina o quarzata. L'iniezione aggiuntiva di CO2 aumenta il contenuto di anidride carbonica disciolta e supporta il processo.

Il materiale batterico omogeneizzato viene quindi modellato, ad esempio riempiendo stampi. Questi devono essere preferibilmente trasparenti alla luce, affinché il metabolismo e la fotosintesi dei batteri possano continuare. La mineralizzazione successiva porta alla consolidazione finale. La miscela batterica può anche essere modellata tramite spruzzatura, schiumatura, estrusione o produzione additiva, e quindi mineralizzata nella forma desiderata.

In alternativa, si possono creare substrati porosi, che vengono successivamente trattati con la coltura di cianobatteri: "Il solido risultante è ancora poroso durante il processo, così la luce penetra all'interno e stimola la fissazione di CO2 attraverso la mineralizzazione del calcare. Interrompiamo il processo togliendo luce e umidità o modificando la temperatura", spiega Matthias Ahlhelm. Tutti i batteri muoiono completamente. Si ottiene così un prodotto solido a base di carbonato di calcio biogenico e riempitivi, che può essere utilizzato, ad esempio, come mattone. I bio-materiali da costruzione a base di cianobatteri non contengono sostanze tossiche.

Uno degli obiettivi del progetto "BioCarboBeton" è determinare le proprietà materiali e di resistenza dei solidi prodotti e scalare i processi. I ricercatori pensano già a un processo circolare. Ad esempio, le fonti di CO2 potrebbero provenire da gas di scarico industriale. Attualmente si lavora con biogas. Come fonti di calcio si potrebbero usare basalto e scarti minerari, ma anche residui di latte provenienti da latterie. Come riempitivo, oltre alla sabbia, si possono usare anche macerie di costruzione o risorse rinnovabili.

Dall'isolante al malta

Attraverso la selezione mirata dei riempitivi e il controllo dei parametri di processo e mineralizzazione, è possibile produrre materiali per diversi scenari applicativi. Questi vanno potenzialmente dagli isolanti ai mattoni e alle tamponature, fino a malte o intonaci per facciate che si induriscono dopo l'applicazione.

Dopo aver stabilito e testato il processo presso l'IKTS e il FEP, il team lavora ora sulla scalabilità delle quantità e sulla determinazione delle proprietà desiderate dei solidi. L'obiettivo è permettere ai produttori di realizzare rapidamente ed economicamente i bio-materiali ecocompatibili in quantità necessarie.

Matthias Ahlhelm e Ulla König sono convinti: "Il procedimento dimostra il grande potenziale dell'integrazione biologica nella tecnologia. Nel complesso, il nostro progetto «BioCarboBeton» offre anche all'industria delle costruzioni l'opportunità di fare un grande passo verso l'economia circolare."