Biobeton en biogene bouwmaterialen
met cyanobacteriën

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 rotsachtige solide structuren. In tegenstelling tot de traditionele betonproductie stoot dit proces geen kooldioxide uit. In plaats daarvan wordt de koolstofdioxide gebonden in het materiaal zelf.

De bouwsector heeft een probleem. Cement, het hoofdbestanddeel van beton is slecht voor het klimaat. De CO2-uitstoot van cementproductie is zeer hoog. Onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS en het Fraunhofer Institute for Electron Beam and Plasma Technology FEP hebben de koppen bij elkaar gestoken. Ze introduceren nu een milieuvriendelijke, biologisch geïnduceerde methode om biogene bouwmaterialen te produceren op basis van cyanobacteriën. Dit als onderdeel van het “BioCarboBeton” project. Niet alleen stoot het proces zelf geen koolstof uit. Integendeel, het klimaatschadelijke gas wordt gebruikt voor het proces en vervolgens gebonden in het materiaal.

Blauwalgen

De kern van de nieuwe methode zijn cyanobacteriën, voorheen bekend als blauwalgen. Deze bacterieculturen zijn in staat tot fotosynthese. Als licht, vocht en temperatuur op elkaar inwerken, vormen ze structuren die bekend staan als stromatolieten van kalksteen. Deze rotsachtige biogene structuren bestaan al 3,5 miljard jaar in de natuur. Dat getuigt van de veerkracht en duurzaamheid van dit biologische proces. Net als toen wordt CO2 uit de atmosfeer gevangen als onderdeel van het mineralisatieproces en vervolgens gebonden in het biogene gesteente.

Technologische methode

De Fraunhofer-onderzoekers zijn erin geslaagd om dit natuurlijke proces na te bootsen met een technologische methode. Onder projectleiding van initiatiefnemer Dr. Matthias Ahlhelm, die ook het idee heeft aangedragen, ontwikkelt Fraunhofer IKTS materialen en processen, selecteert het potentiële vulstoffen en bindmiddelen en zorgt het 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 aanvullende microbiologische analyse en de opschaling van de te bereiken biomassaproductie.

Structuur

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 creëren de onderzoekers een mengsel van hydrogels en verschillende vulstoffen, zoals verschillende soorten zand, waaronder zee- of kiezelzand. Extra CO2 wordt toegevoegd om het gehalte opgeloste koolstofdioxide te verhogen en het proces te ondersteunen.

Laatste stadia van mineralisatie

Het bacteriële mengsel wordt geroerd tot het punt van homogeniteit. Het krijgt dan structuur door het over te brengen in bijvoorbeeld mallen. De mallen moeten bij voorkeur doorzichtig zijn zodat de bacteriële stofwisselings- en fotosyntheseprocessen door kunnen gaan. De daaropvolgende mineralisatie leidt tot de uiteindelijke stolling. Het bacteriële mengsel kan ook worden gevormd door spuiten, schuimen, extrusie of additieve vervaardiging. Daardoor krijgt het de vorm waarin de laatste stadia van mineralisatie plaatsvinden.

Cyanobacteriën

Als alternatief kunnen ook poreuze substraten worden gemaakt en vervolgens worden behandeld met de cyanobacteriecultuur: “De zich ontwikkelende vaste structuur is tijdens het proces nog steeds poreus, zodat er licht naar binnen valt en de kooldioxide-fixatie wordt aangestuurd door 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 vast product op basis van biogeen calciumcarbonaat en vulstoffen. Dit kan worden gebruikt als bijvoorbeeld baksteen. De biogebaseerde bouwmaterialen gemaakt van cyanobacteriën bevatten geen giftige stoffen.

Circulair procesontwerp

Een van de doelen van het BioCarboBeton project is het bepalen van de mogelijke materiaal- en mechanische eigenschappen van de te produceren biogene materialen en het opschalen van de processen. De onderzoekers denken al na over een circulair procesontwerp. De koolstofdioxide zou bijvoorbeeld afkomstig kunnen zijn van industriële afvalgassen. Het team werkt momenteel met biogas. Basalt en mijnafval zouden gebruikt kunnen worden als calciumbron, maar dat geldt ook voor melkresten van zuivelbedrijven. En naast zand kunnen ook bouwafval of hernieuwbare bronnen worden gebruikt als vulmiddel.

Toepassingen – van isolatie tot mortel

Dankzij de gerichte selectie van vulstoffen en het beheer van proces- en mineralisatieparameters kunnen producten worden gemaakt voor een groot aantal verschillende toepassingsscenario’s. Potentiële toepassingen zijn onder andere isolatiemateriaal, baksteen, bekistingsvulling en zelfs mortel of stucwerk dat uithardt of verhardt nadat het is aangebracht.

Opschalen

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

Circulaire economie

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

Openingsfoto: Fotobioreactor van Fraunhofer FEP op laboratoriumschaal voor het kweken van cyanobacteriën onder gedefinieerde licht-, temperatuur- en gasomstandigheden Foto: Fraunhofer FEP

Lees ook: Digitaal bouwen: efficiënt en kosteneffectief