Lehrgebiet für Bioverfahrenstechnik (BioVT)

Nachhaltiges Bauen – Biosandstein durch mikrobiologisch induzierte Calciumcarbonatfällung

Mit mehr als 10 km³ pro Jahr ist Beton das weltweit meistgenutzte Baumaterial. Eine Hauptkomponente von Beton ist Zement, welcher bei hohen Temperaturen aus Kalkstein hergestellt wird. Beim sogenannten Brennen von Zementklinkern betragen die Temperaturen etwa 1450 °C. Durch diesen Herstellungsprozess fallen durch die Produktion von Zement etwa 8,6 % der weltweiten anthropogenen CO2 Emissionen an. Daher gibt es von Forschern weltweit Bestrebungen alternativen für den Einsatz von Zement zu finden. Ein vielversprechender Ansatz ist die Mikrobiologisch induzierte Cacliumcarbonatfällung (Microbial Induced Calcium Carbonate Precipitation - MICP) Diese ist ein Vorgang bei dem durch verschiedene mikrobiologische Stoffwechselwege Calciumcarbonat gebildet wird. Wenn die Bildung in Hohlräumen von mineralischen Partikeln geschieht, können sich Calciumcarbonatbrücken zwischen Partikeln bilden und diese so zusammenhalten. Die MICP läuft dabei mit Temperaturen zwischen 20-50 °C ab. Diese Temperaturen liegen deutlich niedriger als bei der Herstellung von Zement. Sie besitzt somit das Potential zur Produktion von Baumaterialen, die einen geringeren Energiebedarf benötigen als herkömmlicher Zement. Verschiedene Studien konnten zeigen, dass die MICP das Potential hat, bestehende Baumaterialien, wie Zementmörtel und Sandstein in ihrer Festigkeit und Wasserpermeabilität zu verbessern, Risse in Baumaterialien zu reparieren, und neue Materialien zu produzieren, die eine nachhaltigere und ökologischere Alternative zu herkömmlichen Baumaterialien, wie Beton, darstellen könnten. Der am meisten Mechanismus der MICP ist die Fällung von Calciumcarbonat durch ureolytische Bakterien, wie beispielsweise Sporosarcina pasteurii und Bacillus megaterium. Die grundlegenden Mechanismen dieses Prozesses werden am Lehrgebiet Bioverfahrenstechnik untersucht. Bisher gibt es Lücken in den Erkenntnissen über das Zusammenspiel von Einflüssen auf die MICP wie der Ureolytischen Aktivität, des eingesetzten Mikroorganismus und den Konzentrationen der essenziellen Rohstoffe Harnstoff und Calcium-Ionen während der MICP. Diese Faktoren beeinflussen sich teilweise gegenseitig und nehmen Einfluss auf die Gestalt und Größe gebildeter Calciumcarbonatkristalle. Diese wiederum beeinflussen maßgeblich Festigkeitsparameter des gebildeten Biosandsteins. Die Untersuchung dieser Einflüsse auf mikroskopischer und makroskopischer Ebene stehen daher im Zentrum der Forschung am Lehrgebiet Bioverfahrenstechnik. Ein weiteres Ziel ist die Umsetzung dieser Technologie im Bereich des 3D-Drucks. In Kooperation mit dem Lehrstuhl für Computional Physics in Engineering wird an einer Möglichkeit geforscht diese neuartige Anwendung der MICP zu realisieren. Dazu ist es nicht nur notwendig die mikrobiologischen Aspekte der MICP zu optimieren, sondern auch fluiddynamische Probleme bei der Verteilung und Durchmischung der Bakterien und Rohstoffe im Sandbett besser zu verstehen.

KooperationspartnerLehrstuhl für Computional Physics in Engineering
StatusLaufendes Projekt
FördermittelgeberLandesförderung Rheinland-Pfalz (Grundfinanzierung)
Förderzeitraumseit 2021
Förderkennzeichen-
Mitarbeiterinnen

M.Sc. Niklas Erdmann

Veröffentlichungen und Tagungsbeiträge

Veröffentlichungen

2022

  • N. Erdmann, D. Strieth, Influencing factors on ureolytic microbiologically induced calcium carbonate precipitation for biocementation. World J Microbiol Biotechnol 39, 61 (2023). https://doi.org/10.1007/s11274-022-03499-8
  • N. Erdmann, K.M. de Payrebrune, R. Ulber, D. Strieth; Optimizing compressive strength of sand treated with MICP using response surface methodology; SN Applied Sciences (2022), https://doi.org/10.1007/s42452-022-05169-8
  • N. Erdmann, F. Kästner, K.M. de Payrebrune, D. Strieth; Sporosarcina pasteurii can be used to print a layer of calcium carbonate; Engineering in Life Sciences (2022), https://doi.org/10.1002/elsc.202100074 

VORTRÄGE

2022

  • N. Erdmann, M. Lorenz, K. de Payrebrune, D. Strieth: Investigation of the rate of ureolysis during microbially induced calcium carbonate precipitation under high concentrations of urea and calcium salts; (Bio)Process Engineering – a Key to Sustainable Development (2022), Aachen, Germany; https://doi.org/10.1002/cite.202255162  
  • N. Erdmann, M. Lorenz, K. de Payrebrune, D. Strieth; Investigation of the efficiency of microbiologically induced Calcium carbonate precipitation; Himmelfahrtstagung on Bioprocess Engineering (2022), Mainz, Germany

Poster

2023

  • D. Strieth, N. Erdmann, S. Schäfer, E. Hagen, U. Bröckel; An innoviative methode for the utilization of quarry sand; 15th Annual International Conference on Porous Media (2023); Edinburgh, United Kingdoms
  • N. Erdmann, S. Schaefer, U. Bröckel, D. Strieth, Investigation of reaction rates during microbiologically induced calcium carbonate precipitation; 15th Annual International Conference on Porous Media (2023); Edinburgh, United Kingdoms

2021

  • N. Erdmann, K.M. de Payrebrune, R. Ulber, D. Strieth, Optimization of the microbial induced calcium carbonate precipitation for the production of biocement, Himmelfahrtstagung on Bioprocess Engineering 2021 - New Bioprocesses, New Bioproducts (2021) Digital
  • N. Erdmann , K.M. de Payrebrune , E. Kharik , D. Strieth, Enhancement of the strength of sand treated with microbial induced calcium carbonate precipitation, 13th European Congress of Chemical Engineering and 6th European Congress of Applied Biotechnology (2021), Digital
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