Biobeton en biogene bouwmaterialen

Fraunhofer-onderzoekers hebben een methode ontwikkeld om biogene bouwmaterialen te maken op basis van cyanobacteriën. De bacteriën vermenigvuldigen zich in een voedingsoplossing, aangedreven door fotosynthese. Wanneer aggregaten en vulstoffen zoals zand, basalt of hernieuwbare grondstoffen worden toegevoegd, ontstaan ​​er rotsachtige vaste structuren. In tegenstelling tot de traditionele betonproductie stoot dit proces geen kooldioxide uit, wat schadelijk is voor het milieu. In plaats daarvan wordt de koolstofdioxide in het materiaal zelf gebonden.

Onderzoekers van het Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS en het Fraunhofer-Instituts für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP introduceren een milieuvriendelijke, biologisch geïnduceerde methode voor de productie van biogene bouwmaterialen als onderdeel van het ‘BioCarboBeton’-project. Het proces stoot zelf geen koolstof uit. Integendeel, het klimaatschadelijke gas wordt voor het proces gebruikt en vervolgens in het materiaal gebonden.

Het middelpunt van de nieuwe methode zijn cyanobacteriën, voorheen bekend als blauwgroene algen. Deze bacterieculturen zijn in staat tot fotosynthese. Terwijl licht, vocht en temperatuur op elkaar inwerken, vormen ze structuren die bekend staan ​​als stromatolieten gemaakt van kalksteen. Deze rotsachtige biogene structuren bestaan ​​al 3,5 miljard jaar in de natuur, wat getuigt van de veerkracht en duurzaamheid van dit biologische proces. Net als toen wordt CO₂ als onderdeel van het mineralisatieproces uit de atmosfeer gehaald. Dit CO₂ wordt vervolgens gebonden in het biogene gesteente.

De Fraunhofer-onderzoekers zijn erin geslaagd dit natuurlijke proces met een technologische methode na te bootsen. Onder projectleiding van initiatiefnemer Dr. Matthias Ahlhelm, die ook het idee inbracht, ontwikkelt Fraunhofer IKTS materialen en processen, selecteert hij potentiële vul- en bindmiddelen en zorgt hij voor de vorm en structuur.

Onderzoekers van Fraunhofer FEP, onder leiding van dr. Ulla König, stellen de methoden vast voor het kweken van de cyanobacteriën, de complementaire microbiologische analyse en de te bereiken opschaling van de biomassaproductie.

Bacteriële oplossing wordt vast

In de eerste stap om biomassa te produceren worden de lichtgevoelige cyanobacteriën gekweekt in een voedingsoplossing. De intensiteit en kleur van de gebruikte lichtbron beïnvloeden de bacteriële fotosynthese en het metabolisme. Om ervoor te zorgen dat de bacteriële oplossing mineralisatie kan ondergaan om stromatolietachtige structuren te produceren, worden calciumbronnen zoals calciumchloride toegevoegd. Daarna maken de onderzoekers een mengsel van hydrogels en verschillende vulstoffen, zoals verschillende soorten zand, waaronder zee- of kwartszand. Extra CO₂ wordt toegevoegd om het gehalte aan opgeloste kooldioxide te verhogen en het proces te ondersteunen.

Het bacteriemengsel wordt tot homogeniteit geroerd en vervolgens gestructureerd, bijvoorbeeld door het over te brengen in mallen. Deze moeten bij voorkeur doorschijnend zijn, zodat de bacteriële metabolische en fotosyntheseprocessen kunnen doorgaan. Daaropvolgende mineralisatie leidt tot de uiteindelijke verharding. Het bacteriële mengsel kan ook worden gevormd door middel van sproeien, schuimen, extrusie of additieve productie, waardoor het de vorm krijgt waarin de laatste stadia van mineralisatie plaatsvinden.

Alternatief

Als alternatief kunnen ook poreuze substraten worden geproduceerd en vervolgens worden behandeld met de cyanobacteriëncultuur. “De zich ontwikkelende vaste structuur is nog steeds poreus tijdens het proces, dus licht komt naar binnen en drijft de koolstofdioxidefixatie aan via kalksteenmineralisatie. We kunnen het proces stoppen door het licht en vocht te verwijderen of de temperatuur te veranderen”, legt Ahlhelm uit. Op dat moment sterven alle bacteriën gewoon af. Het resultaat is een stevig product op basis van biogeen calciumcarbonaat en vulstoffen dat potentieel als baksteen kan worden gebruikt. De biobased bouwmaterialen gemaakt van cyanobacteriën bevatten geen giftige stoffen.

Doelen

Eén van de doelen van het BioCarboBeton-project is het bepalen van de mogelijke materiaal- en mechanische eigenschappen van de te produceren biogene materialen. Daarnaast kijkt men naar het opschalen van de processen. De onderzoekers denken al na over een circulair procesontwerp. De kooldioxide zou bijvoorbeeld afkomstig kunnen zijn van industriële afvalgassen. Het team werkt momenteel met biogas. Basalt en mijnafval kunnen worden gebruikt als bronnen van calcium, maar dat geldt ook voor melkresten van zuivelactiviteiten. En naast zand kunnen ook bouwafval of hernieuwbare grondstoffen als vulstof worden gebruikt.

Toepassingen – van isolatie tot mortel

Gerichte selectie van vulstoffen en beheer van proces- en mineralisatieparameters maken de productie van producten voor een breed scala aan verschillende toepassingsscenario’s mogelijk. Mogelijke toepassingen zijn onder meer isolatiemateriaal, baksteen, bekistingsvulling en zelfs mortel of stucwerk dat uithardt of uithardt nadat het is aangebracht.

Nu het team van onderzoekers het proces bij Fraunhofer IKTS en Fraunhofer FEP heeft opgezet en getest, werken ze aan het opschalen van de volumes en het bepalen van de gewenste vaste eigenschappen. Het doel is om fabrikanten in staat te stellen de milieuvriendelijke biogebaseerde bouwmaterialen in de benodigde volumes, snel en kosteneffectief te produceren.

Ahlhelm en König geloven in het proces: “Onze methode laat het enorme potentieel zien dat kan worden ontsloten door biologiseringstechnologie. Over het geheel genomen is ons BioCarboBeton-project een kans voor een grote stap in de richting van een circulaire economie in de bouwsector en daarbuiten.”

• Onderzoeksnieuws juli 2024 – Biobeton en biogene bouwmaterialen met cyanobacteriën
• Fraunhofer Instituut voor Keramische Technologieën en Systemen IKTS  (ikts.fraunhofer.de)
• Fraunhofer Instituut voor Elektronenbundel- en Plasmatechnologie FEP  (fep.fraunhofer.de)