Ontwikkeling van biobased klimaatneutrale bouwmaterialen door biogene materiaalwinning met gebruik van fototrofe micro-organismen

REAMODE – Testinstallatie voor de modificatie van organische materialen met versnelde elektronen. © Fraunhofer FEP, Finn Hoyer / REAMODE – Testfaciliteit voor de modificatie van organische materialen met versnelde elektronen. © Fraunhofer FEP, Finn Hoyer

Photobioreactor van het Fraunhofer FEP voor de kweek van fototrofe micro-organismen op laboratoriumschaal onder gedefinieerde licht-, temperatuur- en gasomstandigheden. © Fraunhofer FEP, Finn Hoyer / Fraunhofer FEP photobioreactor voor de kweek van fototrofe micro-organismen op laboratoriumschaal onder gedefinieerde licht-, temperatuur- en gasomstandigheden. © Fraunhofer FEP, Finn Hoyer

Het Fraunhofer-Instituut voor Elektronenstraal- en Plasmatechnologie FEP in Dresden biedt, gebaseerd op een industriegerichte competentieportfolio, een breed scala aan schaalbare onderzoeks- en ontwikkelingsmogelijkheden. Daarbij is het onze missie om ons technologische innovatietalent toe te passen op nieuwe productieprocessen en deze te benutten voor maatschappelijke behoeften aan hulpbronnenefficiëntie en klimaatneutraliteit. Gezien de toenemende vraag naar klimaatneutrale bouwmaterialen wordt ook in de bouwsector gezocht naar nieuwe fabricagemethoden. Bij Fraunhofer FEP wordt onderzoek gedaan naar innovatieve elektronenstraal-ondersteunde processen voor de verhoogde biogene kalksynthese met behulp van fototrofe micro-organismen, om de decarbonisering van de cementindustrie te ondersteunen. Hierdoor kan in de toekomst de CO2-voetafdruk van cementformuleringen verder worden verminderd en fossiele kalksteen stap voor stap worden vervangen als primaire grondstof. Dit onderzoeksproject wordt gepresenteerd op de Bouwbeurs in München, van 13 tot 17 januari 2025, op de gezamenlijke stand van de Fraunhofer-Allianz BAU in hal C2, stand nr. 528.

De nauwe koppeling van Fraunhofer FEP met de industrie stelt ons in staat om samen met onze partners resultaten uit toegepast onderzoek te vertalen naar diverse toepassingen en producten. Daarbij staan vooral de strategische onderzoeksvelden duurzaamheid, Life Science en milieutechnologie centraal. Belangrijke toepassingsgebieden zijn bijvoorbeeld de bouwsector en het domein van slimme gebouwen. Vooral de laagenergetische, niet-thermische elektronenstraaltechnologie beschikt als multifunctioneel gereedschap over alomtegenwoordige toepassingsmogelijkheden voor een breed scala aan milieutechnische en biotechnologische toepassingen en kan worden geïntegreerd in bestaande productielijnen. Door de groeiende eisen aan duurzame en hulpbronnenefficiënte processen en het behalen van klimaatdoelstellingen groeit ook de behoefte aan biobased substitutieprocessen in de bouwsector. Voor ecologisch relevante vraagstukken, zoals de biotechnologische winning van hulpbronnen, kunnen de wetenschappers van Fraunhofer FEP de chemische en biologische effecten van laagenergetisch versnelde elektronen benutten voor toepassingsgerichte procesontwikkeling.

Als ambitieus doel heeft Duitsland zich via de klimaatbeschermingswetgeving gecommitteerd aan klimaatneutraliteit tegen 2045 en het verminderen van broeikasgasemissies, wat tegelijkertijd een enorme uitdaging voor de industrie betekent. De bouwsector is een van de grootste economische sectoren wereldwijd, waardoor klimaatneutraal en circulair bouwen van de toekomst diverse transformaties vereist. De ontwikkeling van nieuwe biobased en duurzame materialen voor de blijvende binding van CO2 is een aandachtsgebied voor onderzoek en ontwikkeling, waarmee projectleideres Dr. Ulla König zich bij Fraunhofer FEP in haar groep Biocompatibele Materialen bezighoudt.

Cement, het wereldwijd meest geproduceerde materiaal, is onmisbaar als bindmiddel in de bouwindustrie, waarbij het wereldwijde cementverbruik blijft toenemen door bevolkingsgroei, urbanisatie en de uitbreiding van infrastructuur. De cementindustrie is een belangrijke veroorzaker van broeikasgasemissies, waardoor klimaatneutraliteit in deze sector alleen kan worden bereikt door alternatieve benaderingen. Decarbonisatie vormt hierbij een veelbelovende strategie, waarbij de ontwikkeling van CO2-reducerende cementen een essentiële taak zal zijn.

Bij Fraunhofer FEP houden de onderzoekers van de groep Biocompatibele Materialen, in samenwerking met het eigen biomedisch servicelaboratorium van het instituut, zich intensief bezig met de biogene materiaalontwikkeling van secundair kalksteen met behulp van fototrofe micro-organismen onder CO2-verbruik. Deze zijn in staat om via fotosynthese kooldioxide uit de atmosfeer te fixeren en om te zetten. De onderzoekslijn richt zich op het technisch realiseren van het proces van microbiologische kalksteenvorming dat al miljarden jaren in de natuur bestaat, en het verbeteren van de productiviteit ervan, zodat in latere stappen emissiearme bouwmaterialen kunnen worden geproduceerd die CO2 permanent binden en zo bijdragen aan een duurzame kringloopwirtschaft.

Groepsleider Dr. Ulla König legt uit: “De optimalisatie en schaalbaarheid van de biogene kalksteinsynthese op basis van het microbiële biomineralisatieproces speelt een essentiële rol voor toekomstige grootschalige toepassingen. Daarom hebben wij bij Fraunhofer FEP de optimalisatie van de biomineralisatie van fototrofische micro-organismen gekoppeld aan een innovatieve oplossingsaanpak. Daarbij maken we gebruik van het biostimulerende potentieel van elektronenstraaltechnologie. We onderzoeken de dosisafhankelijke biopositieve werking van laagenergetische, niet-thermische elektronenstraalprocessen op de stofwisselingsprocessen van fototrofe micro-organismen, om de biogene kalksteinsynthese in effectiviteit en kostenefficiëntie te verbeteren.”

In het kader van samenwerkingen kunnen in de volgende ontwikkelingsfase circulaire fabricageprocessen worden ontwikkeld, waarbij ook recycling van afval- en reststoffen wordt toegepast, voor duurzame, biobased bouw- en constructiematerialen. Tijdens de Bouwbeurs 2025 in München, van 13 tot 17 januari 2025, presenteren de wetenschappers deze nieuwe onderzoeksbenaderingen en andere perspectieven op de gezamenlijke stand van de Fraunhofer-gemeenschap en staan zij klaar voor discussies over gezamenlijke projectideeën en onderzoeksinitiatieven.