Biobeton en biogene bouwmaterialen met cyanobacteriën

Photobioreaktor van Fraunhofer FEP op laboratoriumschaal voor de kweek van cyanobacteriën onder gedefinieerde licht-, temperatuur- en gasomstandigheden. © Fraunhofer FEP / Photobioreactor van Fraunhofer FEP op laboratoriumschaal voor het cultiveren van cyanobacteriën onder gedefinieerde licht-, temperatuur- en gasomstandigheden. © Fraunhofer FEP

Levend bouwmateriaal. Groen ontstaat door het chlorofyl van levende bacteriën. © Fraunhofer IKTS / Levend bouwmateriaal (groen = chlorofyl in levende bacteriën). © Fraunhofer IKTS

Geminéraliseerd vaste »porensteen« © Fraunhofer IKTS / Gemineraliseerd vast »porensteen«. © Fraunhofer IKTS

Fraunhofer-onderzoekers hebben een methode ontwikkeld waarbij biogebaseerde bouwmaterialen ontstaan op basis van cyanobacteriën. Deze vermenigvuldigen zich in een voedingsoplossing door middel van fotosynthese. Wanneer toevoegingen en vulstoffen zoals zand, basalt of hernieuwbare grondstoffen worden toegevoegd, ontstaan gesteente-achtige vaste structuren. In tegenstelling tot de klassieke betonproductie wordt hierbij geen klimaatvervuilend kooldioxide uitgestoten, maar in het materiaal gebonden.

De bouwindustrie heeft een probleem. Cement, de belangrijkste component voor beton, dat vermoedelijk de meest gebruikte bouwstof van onze tijd is, is een klimaatkiller. Bij de productie wordt zeer veel CO2 uitgestoten. Volgens gegevens van het Umweltbundesamt kwam in 2018 alleen in Duitsland ongeveer 20 miljoen ton CO2 vrij. Dat komt overeen met ongeveer tien procent van de industriële emissies.

Onderzoekers van het Fraunhofer-Instituut voor Keramische Technologieën en Systemen IKTS en het Fraunhofer-Instituut voor Elektronenstrahl- en Plasmatechnologie FEP presenteren nu in het project »BioCarboBeton« een milieuvriendelijke, biologisch geïnduceerde methode voor de productie van biogebaseerde bouwmaterialen. Daarbij wordt niet alleen geen kooldioxide geproduceerd, integendeel: het klimaatvervuilende gas wordt voor het proces gebruikt en in het materiaal gebonden.

De basis van de methode zijn cyanobacteriën, ook wel blauwalgen genoemd. Deze fotosynthetische bacteriekweken vormen in wisselwerking van licht, vocht en temperatuur kalksteen en vormen stromatolieten. De gesteente-achtige structuren bestonden al 3,5 miljard jaar geleden, wat de robuustheid van dit biologische proces aantoont. Zoals toen wordt bij het mineralisatieproces CO2 uit de atmosfeer vastgelegd en in het biogebaseerde gesteente gebonden.

Het is de onderzoekers van het Fraunhofer-instituut gelukt om dit natuurlijke proces na te bootsen in een technische procedure. Onder leiding van initiatiefnemer en bedenker Dr. Matthias Ahlhelm ontwikkelt men bij IKTS materialen en processen, de selectie van mogelijke vul- en bindmiddelen, evenals de vorm- en structuurvorming.

Bij FEP wordt onder leiding van Dr. Ulla König de kweek van cyanobacteriën, de complementaire microbiologische analyse en de schaalvergroting van de te winnen biomassa- productie opgezet.

Van bacteriënoplossing naar vast stof

In de eerste stap worden de lichtgevoelige cyanobacteriën gekweekt in een voedingsoplossing om biomassa te produceren, waarbij de intensiteit en kleur van de gebruikte lichtbron de fotosynthese en stofwisseling beïnvloeden. Om mineralisatie na het voorbeeld van stromatolieten mogelijk te maken, worden calciumleveranciers zoals calciumchloride toegevoegd. Vervolgens maken de onderzoekers een mengsel van hydrogelen en verschillende vulstoffen, bijvoorbeeld verschillende soorten zand zoals zee- of kwartszand. Extra toevoer van CO2 verhoogt het gehalte opgelost kooldioxide en ondersteunt het proces.

Het homogeen gemengde bacteriemengsel wordt nu in structuur gebracht, bijvoorbeeld door het in vormen te gieten. Deze vormen zijn bij voorkeur doorzichtig zodat stofwisseling en fotosynthese van de bacteriën kunnen doorgaan. De daaropvolgende mineralisatie leidt tot de uiteindelijke versteviging. Het bacteriemengsel kan ook worden gespoten, gespoten, geëxtrudeerd of via additieve productie in de vorm worden gebracht, waarin het vervolgens wordt gemineraliseerd.

Alternatief kunnen poreuze substraten worden vervaardigd, die achteraf worden behandeld met de cyanobacteriekweek: »Het gevormde vaste lichaam is tijdens het proces nog poreus, zodat licht naar binnen kan dringen en de CO2-fixatie door kalksteenmineralisatie wordt bevorderd. Door het wegnemen van licht en vocht of door temperatuurveranderingen stopt het proces«, legt Matthias Ahlhelm uit. Alle bacteriën sterven dan volledig af. Zo ontstaat een vast product op basis van biogebaseerd calciumcarbonaat en vulstoffen, dat bijvoorbeeld als baksteen kan worden gebruikt. De bio-bouwmaterialen uit cyanobacteriën bevatten geen giftige stoffen.

Een doel van het »BioCarboBeton«-project is het bepalen van de mogelijke materiaaleigenschappen en sterkte-eigenschappen van de te vervaardigen vaste stoffen en het opschalen van processen. Daarbij denken de onderzoekers al aan een circulair procesbeheer. Zo zouden de bronnen voor kooldioxide bijvoorbeeld uit industriële afvalgassen kunnen worden gehaald. Momenteel wordt gewerkt met biogas. Als calciumbronnen kunnen basalt en mijnbouwafval dienen, maar ook melkrestanten uit zuivelfabrieken. En als vulstof kunnen naast zand ook versnipperd bouwafval of hernieuwbare bronnen worden gebruikt.

Van isolatiemateriaal tot mortel

Door gerichte selectie van vulstoffen en het regelen van de proces- en mineralisatieparameters kunnen producten voor verschillende toepassingsscenario's worden vervaardigd. Deze variëren mogelijk van isolatiemateriaal tot bakstenen en bekistingsvulling tot mortel of gevelpleister, die na het aanbrengen uithardt.

Nadat het team van onderzoekers het proces bij IKTS en FEP heeft opgezet en getest, werkt het nu aan het opschalen van de hoeveelheden en het bepalen van de gewenste vastestoffeneigenschappen. Het doel is om fabrikanten in staat te stellen de milieuvriendelijke bio-bouwmaterialen snel en kosteneffectief in de benodigde hoeveelheden te produceren.

Matthias Ahlhelm en Ulla König zijn ervan overtuigd: »De methode toont het enorme potentieel van de biologie in de techniek. In totaal biedt ons project »BioCarboBeton« niet alleen de bouwsector de kans om een grote stap richting circulaire economie te zetten.«