CN107406320A - 用于粉尘控制和建筑材料制造的组合物和方法 - Google Patents

Abstract

用于建筑材料制造和利用产生酶的细胞、氮源如尿素的量和钙如氯化钙的量进行粉尘控制的组合物和方法。钙有助于形成碳酸钙，其产生固体结构、层或防护物。本发明的组合物可以喷涂或以其它方式施加到表面，用于侵蚀控制、地基支撑，防止塌陷坑形成或其它应用。该方法的氨、水和其它副产物可以再循环和再利用，用于相同或其它目的，包括例如作为肥料和能源，或者可以独立地从选择性栽培的微生物中发酵而来。

Description

用于粉尘控制和建筑材料制造的组合物和方法

相关申请的参考

本申请要求2015年8月3日提交的编号为62/200,288的美国临时申请、2015年7月3日提交的编号为62/188,556的美国临时申请和2015年3月10日提交的编号为62/130,854的美国临时申请的优先权，特此通过引用并入其每个的全部内容。

技术领域

本发明涉及用于建筑材料制造和用于粉尘控制的试剂盒、组合物、工具和方法。更具体地，本发明涉及用于砖块和砌筑块的制造的材料和方法，以及用分离的酶、产酶细菌或细胞或者产生产酶微生物的孢子进行粉尘抑制的材料和方法。

背景技术

建筑环境的构筑主要使用有限颜料的传统材料：粘土，混凝土，玻璃，钢铁和木材。在整个历史上普遍使用的砌体施工继续占据建筑环境的很大一部分，用于承重结构和单板施工。据Chaisson统计，全球传统粘土砖制造年产量超过1.23万亿单位，严重依赖不可再生自然资源。燃煤窑制造的粘土砖每单位排放约1.3磅二氧化碳。据Burke的说法，砖制造业总计每年排放超过8亿吨的人造二氧化碳，却代表目前用于建筑施工的仅仅一种材料。

可以在3-20天之间制造出烧结粘土砖，这取决于所使用的设备和工艺。这个范围代表了能够在没有手工的情况下处理砖块的现代化的自动化工厂，而不是许多发展中国家所使用的将砖块堆放在燃烧火焰周围的钳制方法。

作为承重烧结粘土砖的替代方案，混凝土砌块单元[CMU]被广泛使用，因为它们更经济，制造更快，并且可以作为全球建筑的结构类型。由混凝土组成的这些单元采用波特兰水泥、大型骨料和砂填料制成。据美国环境保护局Hanley介绍，2000年水泥生产的全球二氧化碳(CO₂)排放量约为8.29亿吨二氧化碳。

这些传统材料含有高蕴藏能量，混凝土和钢铁的成分由不可再生资源开采。大约有40％的全球二氧化碳与建筑业有关，主要是由于材料的生产和处置。生物生长的材料可以是无污染的，并且如果作为当地生态系统的一部分生产，其含有低蕴藏能量。

天然水泥是通过化学沉积和与风化作用相关的化学工艺产生的，并且可以在地壳的各个位置找到。天然砂岩的形成主要归因于方解石水泥的沉淀。作为天然沉积的替代方案，已经用脲酶制造的巴斯德芽孢八叠球菌(Sporosarcina Pasteurii)生产了一种天然水泥，非致病性的普通土壤细菌具有通过化学反应诱导方解石生产的能力。该结果是在被Stocks-Fischer称为微生物诱导的方解石沉淀[MICP]的工艺中形成的硬化材料。应用包括污染的土壤的环境稳定和在天然土壤和酸性尾矿中危险和其它污染物的包埋。Ramachandran和Jonkers已经提出使用微生物修复混凝土结构中的裂缝和遗迹中的裂缝。据DeJong和Whiffin介绍，美国、澳大利亚和荷兰的土木工程研究人员已经提出使用MICP进行土壤稳定和侵蚀控制。

需要一种制造建筑材料的方法，该建筑材料不会耗费与制造粘土砖和其它常规石材替代物相关的高能耗成本，而是使用容易获得的材料并且是经济的和环境上安全的。

发明内容

本发明克服了与当前策略和设计相关的问题和缺点，并提供了用于建筑材料制造的新工具、组合物和方法。

本发明的一个实施例涉及包含与产生脲酶的细胞或细胞孢子耦合的支撑材料以及运输介质和任选的营养混合物的组合物。优选地，支撑材料是有机的或无机的，并且包括岩石、玻璃(例如Poraver)、木材、纸、金属、塑料、聚合物、矿物或其组合。优选地，组合物是液体、凝胶、沉淀物、可泵送的浆料、干粉或晶体，而支撑材料为珠、颗粒、条棒、线、纤维、薄片、粉末状或碎块状的石头、晶体、细粉或其组合的形式。优选地，支撑材料是沙子，玻璃、木材(例如残留物，纸浆，锯屑，木质素)、金属、聚合物、细粉(例如微纤维素)、废料(例如灰，洗涤废物，残留物)、共培养微生物或其组合，而产生脲酶的细胞或细胞孢子包括酵母、藻类、细菌或真核细胞、细胞孢子、厌氧细胞或兼性厌氧细胞。优选的细菌是巴斯德芽孢八叠球菌(Sporosarcina pasteurii)、脲芽孢八叠球菌(Sporosarcina ureae)、普通变形杆菌(Proteus vulgaris)、球形芽孢杆菌(Bacillus sphaericus)、黄色黏球菌(Myxococcusxanthus)、奇异变形杆菌(Proteus mirabilis)、幽门螺杆菌(Helicobacter pylori)、或其变体、血清型、突变或组合，而优选的酵母、藻类、细菌或真核细胞或细胞孢子是经基因工程处理过的。支撑材料和细胞优选通过疏水键、亲水键、离子键、非离子键、共价键、范德华力或其组合耦合，和/或支撑材料至少部分或全部被促进产生脲酶的细胞的结合的膜所包围。优选的膜包含聚合物或细胞营养物，并且优选地，组合物含有着色剂，其可以是红色、蓝色、绿色、黄色或其任何组合或渐变。优选地，组合物含有识别剂或可检测的标记物如微观标记、颜色、核酸或肽、酶或其它物质。

本发明的另一个实施例涉及用于制备固体形态的试剂盒，包括：本发明的组合物，含有用于产生脲酶的细胞增殖和/或细胞孢子发芽的营养物的第二组合物；多组模板，其中每组包覆至少一种固体形态的形状并且包含一个或多个多孔板；以及包含钙源(例如CaCl₂)、氮源(例如尿素)或钙源和氮源两者的第三组合物。优选地，试剂盒用于产生固体形态，例如矩形、正方形、圆形、椭圆形或不规则形状。优选的固体形态包括但不限于块、板、砖、铺路材料、嵌板、瓷砖或单板。优选地，本发明的试剂盒用于制造块，例如混凝土砌块、煤渣砖、基础块、焦渣块、空心块、实心块、贝瑟块、煤渣砌块，高或低密度块或充气块。优选地，营养物包括氨基酸、蛋白质、多糖、脂肪酸、维生素和矿物质。

本发明的另一个实施例涉及制备固体形态的方法，包括：将本发明的组合物与骨料和水混合以形成混合物，其中骨料主要由5毫米或更大的颗粒或者直径超过5毫米或更小的颗粒(例如细粉)组成；任选地将混合物分配进多种模板，其中每种模板包含至少一个多孔板；向混合物中加入第二组合物，其中第二组合物含有促进产生脲酶的细胞增殖的营养物；向混合物中加入第三组合物，其中第三组合物是含有钙的液体；培育混合物一段时间以在颗粒之间形成共价键；以及从模板中移除固体形态。骨料优选包括岩石、玻璃、木材、纸、金属、塑料、聚合物、矿物或其组合，和/或混合包括将组合物作为液体喷涂到骨料上。优选地，在培育期间，模板基本上被浸没，并且空气被鼓泡到被浸没的模板。优选地，第三组合物在培育期间重复地加入到混合物中，其通过底板排出，并且任选地再循环。优选地，在环境条件下进行培养，并且第三组合物含有氯化钙、乙酸钙、磷酸钙、碳酸钙、乳酸钙、硝酸钙或钙盐。优选地，在培育期间监测混合物的pH。优选地，固体形态是块、板、砖、薄砖、铺路材料、嵌板、瓷砖、或单板、石头(制造，培养，着色)，而混合物还含有纤维或纳米纤维，例如木材、玻璃、塑料、金属或聚合物的纤维或纳米纤维。优选的纤维包括例如聚丙烯，高密度聚乙烯(HDPE)，包括高强度碳纤维的碳纤维，人造纤维和可生物降解的和不可生物降解的纤维，例如聚乳酸、纤维素纤维、矿物质、几丁质、木质素和其它植物材料的聚合物。优选在培育期间加入额外的营养物，并干燥从模板中移除的固体形态。

本发明的另一个实施例包括含有产生脲酶的细胞或细胞孢子的组合物，所述细胞或细胞孢子被包封或涂覆有营养培养基，例如蛋白质或多糖，或聚合物，诸如水溶性聚乳酸。优选地，营养培养基还含有另外的产生脲酶的细胞或细胞孢子。

本发明的其它实施例和优点部分地阐述在下面的描述中，并且部分地从本描述中可以是显而易见的，或者可以从本发明的实践中获悉。

具体实施方式

传统的建筑材料如粘土砖和混凝土在制造过程中需要大量的能量。这些过程严重依赖于燃烧自然资源如石油、煤炭和木材。这种依赖导致大量能源的消耗和同样大量的二氧化碳的排放，因此对有限的能源有很大的依赖。已经描述了使用由微生物细胞产生的酶进行制造而需求的能量少得多的替代方案。通常，细胞是需氧和/或兼性厌氧细胞，并且包括例如巴斯德芽孢八叠球菌、脲芽孢八叠球菌、普通变形杆菌、球形芽孢杆菌、黄色黏球菌、奇异变形杆菌、幽门螺杆菌和其它菌株、血清型、变体、突变和CRISPR修饰(成簇地、固定间隔地插置短回文重复序列)。细胞产生脲酶，其在钙和氮源的存在下形成方解石晶体。该方法通常指微生物诱导的方解石沉淀(MICP)，其可以用细胞或纯化酶进行。由于几乎没有必要加热，所以在费用和效率方面的节能是巨大的。

酶和/或产生酶的细胞分散在含有氮源和钙源的组合物中，所述氮源和钙源例如尿素和具有骨料的氯化钙，所述骨料催化氨和二氧化碳的生成，增加组合物的pH水平。pH的升高形成了将钙与二氧化碳结合的矿物沉淀物。细胞或其它颗粒作为成核位点，将矿物离子从钙吸引到形成碳酸钙晶体(例如方解石晶体或其它碳酸钙多晶型物)的颗粒表面。矿物生长填充骨料的颗粒、形成固体的生物固结或粘结骨料颗粒之间的间隙。所得材料表现出与天然形成的砂岩类似的组成和物理性质，但其硬度可以至少基于初始组分的结构和所需的孔径而预先确定。

已经惊奇地发现了新的工具、组合物、技术和方法，用于生产使用MICP工艺的骨料形成的固体。已经令人惊讶地发现，可以产生包含与可以任选地包含营养组合物的产生脲酶的细胞或细胞孢子耦合的支撑材料的组合物。将细胞或酶与支撑材料接触允许大量制造和商业开发用于建筑材料制造的MICP工艺。脲酶的商业来源包括例如洋刀豆。酶可以保持为液体，但是优选冻干以便于储存和运输，并且在使用之前用水、缓冲水或保留酶活性的另外的保湿剂进行再水化。优选地，纯酶被包封在碳水化合物、脂质或其它聚合物微壳或球体中。包封技术包括例如在纳米组织的微壳中的包封以及在海藻酸黄原胶球体中的包封。在0.1M磷酸盐缓冲液、pH7.6中优选的酶浓度为0.5-5mg/ml。优选酶浓度为约0.1至100毫克/毫升，更优选约0.5至3.0毫克/毫升，更优选约0.5至2.0毫克/毫升，更优选约1.0毫克/毫升。酶可以在使用前进一步稀释以获得0.02-0.04ΔA/分钟的速率。酶活性可以通过该反应测定：

和

其将氨生成与谷氨酸脱氢酶反应耦合。因此，一单位的酶导致在25℃和pH7.6下每分钟氧化一微摩尔NADH。

这种通过诱导黏结制造建筑材料的方法表现出低蕴藏能量，并且可以在环境压力或更高或更低压力和环境温度或更高或更低温度下发生。例如，优选的压力为约10psi至约100psi以及其间的所有压力值，也优选约14psi至约50psi。虽然可以使用更高的压力，但是通常不需要所需的能量成本。优选的温度范围为至少-20℃至高于80℃，优选约5℃至约50℃，优选约15℃至约30℃，优选约20℃至约25℃。优选地，温度范围低于30℃，低于40℃，低于50℃，低于60℃或低于70℃。环境温度和条件以及可用骨料的含量可以确定纯酶、冻干酶、孢子或活细胞是否用作起始组分。活细胞可用于存在温和天气条件的温度，而纯酶在更极端的寒冷或热条件下可能有利。当不需要立即钙化并且孢子被提供足够的时间以发芽和表达酶时，使用孢子。

制程还包括生产大量的副产物如氨，并非所有副产物都用于方解石形成。本发明的另一个实施例包括与生产方法相结合的废水回收系统。从废水中回收氨将废水转化为可再循环或处理的清水，无需额外的去污程序。优选的氨回收方法包括例如离子交换树脂和商业上可得的制程如氨电解、沸石、斜发沸石及其组合。优选地，回收的氨可用于肥料，转化为氮气，用于能量产生或用于其它应用。

本发明的一个实施例涉及包含产生脲酶的细胞或细胞孢子、在运输介质中的脲酶(例如粗提取物，或未纯化或纯化的酶)和任选的营养培养基的组合物。运输介质包括例如用于产生脲酶和/或其它支撑细胞的生长培养基、酶稳定培养基、试剂培养基、缓冲溶液及其组合。组合物可以包含可以是有机的或无机的支撑材料或与其组合，并且优选地是固体或半固体，并且优选地包含孔或穿孔和/或是多孔的其它方式。有机支撑材料包括例如生物质，例如，优选苔藓、干草、稻草、草、树枝、叶、藻类、泥土、灰、尘土、颗粒材料、垃圾及其组合。无机材料包括例如矿物质、补充水泥质材料(SCM)、粉末状或碎块状岩石、细粉及其组合。纤维材料包括粗麻布、纸、木材(例如残留物)、棉花、或另外的天然或合成纤维的片材或油布。也可以使用非天然的和制造的材料，例如塑料、玻璃、玻璃纤维、乙烯基、橡胶、合成织物或其组合的片材。施用固体支撑物或以其它方式引入的是产生脲酶的细胞、脲酶或仅仅是其它细胞。优选地，这些其它细胞可用于支持产生脲酶的细胞的生长或增强涉及的化学工艺，而不是干扰MICP工艺或作为成核位点。优选地，这些其它细胞是当地环境中天然的或潜伏的微生物或者与混合物一起提供的，非致病性的、无毒的和/或使用量相对无害的，并且易于获得的，存在于当地环境中的或由其提供的。细胞可以直接在支撑材料上增殖，并且在所需的密度或生长阶段，将有机材料均匀分散和/或充分混合到用于制造建筑工具和产品的骨料中。可以使用的无机材料包括例如岩石(例如细粉)，沙子，玻璃，木材，纸，金属，塑料，聚合物，矿物质，制造或加工废物如灰分、碳或木材残留物，其中任何可以粉碎或整体使用或其组合。组合物还可以由以其他方式有害的废物(例如，放射性物质，具有危险金属或毒物含量的物质，来自洗涤器的污染物或其它有害物质)形成，并形成可稳定存储或以其它方式安全处置的固体结构。

本发明的组合物可以喷涂到或以其它方式施加到片材或垫子或天然或非天然材料上，例如，片材用于通过在表面、桩、峭壁或其它易于受到侵蚀的结构上形成碳酸钙外壳防止侵蚀。通过使用穿孔或多孔片材或垫子，外壳通过附着有其上已经放置片材的材料的支撑材料形成。用于方解石形成的成核位点可以包括例如聚合物、纤维、细粉、SCM、添加的波特兰水泥、粉末、共培养的微生物及其组合。在原位可形成一层或多层外壳。以这种方式，可以在限定的区域中大幅减少或消除侵蚀和粉尘控制。重要的是，以这种方式，片材可以随时间容易地更换，和/或根据需要或依照要求将本发明的新鲜组合物重新施加到表面。一旦操作已经停止，垫子就为复原提供“播种”位点的额外好处，从而允许进行位点恢复工作，例如将位点恢复到自然状态。这尤其适用于采矿作业已经停止的采矿位点。

在本发明的优选实施例中，将本发明的组合物作为液体、凝胶、浆体、沉淀物、半固体或干粉末施用于表面区域。本发明组合物的孢子和/或微生物产生催化在液体存在下碳酸钙外壳的形成的酶，所述液体优选为水、缓冲水或其它水性物质。适用于特定微生物的营养混合物可以包含细胞。当组合物干燥时，外壳保持不动，细胞休眠。随着细胞自我繁殖，存在所提供的足够的营养物和/或基质，每当提供足够的水性液体时，将形成新的外壳。在优选的实施例中，营养物和/或基质可以缓释或定时释放的形式分布在感兴趣的表面区域上，例如具有预定溶解速率的干组分。重构可以仅仅是再次施用溶解营养物和/或基质的水的问题，从而再次激活微生物。再活化的微生物产生形成外壳的酶。可以通过或者不通过微生物、营养物和/或基质的再次施用来重复这个工艺，或者通过仅是偶尔的添加物来重复这个工艺。这个工艺可以与天气事件相结合，以便雨水提供水源。通过提供供给微生物和/或孢子并且含有缓释营养物和/或基质的组合物，可以在很长一段时间内在一个区域重复地重构外壳。

优选地，包含所有必需组分如微生物、孢子和/或酶、氮源和钙源以及任选的成核位点(例如，粉末，细粉，共培养的微生物和/或其他它材料)的本发明的组合物是施加到表面，例如土路、或诸如山丘或峭壁的结构。微生物增殖并产生能催化路面上碳酸钙外壳的形成的酶。当车辆行驶在路上时，外壳破碎，最终将外壳变成粉尘。定期地，地理区域经历下雨或其它形式的降水，其溶解缓释营养物和/或基质，从而促进休眠微生物的增殖。微生物产生催化路面上新的外壳的形成的酶。在降水减少的时期，将水溶液重新施加到道路上以活化可能含有或可能不含有额外营养物和/或基质的微生物。优选地，组合物是液体、凝胶、浆体、沉淀物或干粉，而支撑材料可以是珠、颗粒、条棒、线、纤维、薄片、泥土、生物质、沙子、粉末状或碎块状石头、细粉、补充水泥质材料(SCM)、晶体、共培养微生物或其组合的形式。细粉粒度优选等于或小于250目(mesh)，更优选等于或小于200目，更优选等于或小于150目，或更优选等于或小于100目(参考实例包括海滩沙子的网目尺寸＝700，细砂的网目尺寸＝250；波特兰水泥的网目尺寸＝74；泥沙的网目尺寸＝44；烟的网目尺寸＝2)。支撑材料和骨料可以相同或不同。优选地，支撑材料或骨料是沙子、玻璃、金属、添加的波特兰水泥、SCM、细粉、共培养的微生物(例如天然的、潜伏的、局部的、添加的或转基因的微生物)或其组合，而产生脲酶的细胞或细胞孢子包括酵母、藻类、厌氧细胞、兼性厌氧细胞、细菌或真核细胞或细胞孢子。优选的细菌是巴斯德芽孢八叠球菌、脲芽孢八叠球菌、普通变形杆菌、球形芽孢杆菌、黄色黏球菌、奇异变形杆菌、幽门螺杆菌、或其变体、血清型，突变或组合，而优选的酵母、藻类、细菌或真核细胞或细胞孢子是经基因工程处理过的。能够生物黏结的其它产酶细菌包括脲芽孢八叠球菌、普通变形杆菌、球形芽孢杆菌、黄色黏球菌、奇异变形杆菌和幽门螺杆菌，然而对病原菌株应有适当的考虑。也可以使用任何这些菌株的组合以及功能性变体、突变和遗传修饰的菌株。支撑材料和细胞优选通过疏水键、亲水键、离子键、非离子键、共价键、范德华力或其组合耦合，和/或支撑材料至少部分或全部被促进产生脲酶的细胞结合的膜所包围。优选的膜包含聚合物或细胞营养物，并且优选地，组合物含有着色剂，其可以是红色、蓝色、绿色、黄色或其任何组合或渐变。优选地，组合物含有识别剂或可检测的标记物，例如微观标记、颜色、酶或其它物质。

支撑材料和/或骨料可以包含为建筑材料提供优势的附加成分。例如，可以包括产生用于分解污渍的酶、辅酶因子和/或其它化学物质的化学物质和/或附加细胞(例如，天然的、局部的或潜伏的细菌，酵母，真核细胞，藻类及其重组的变体)，所述污渍位于最终产品和/或附加的成核位点中和/或通过最终产品和/或附加的成核位点来获得。污渍包括来自空气污染、烟灰、霉菌或动物排泄产物的污渍。或者，化学品或酶可以赋予最终产品颜色、质地或期望的功能或外观。

本发明的另一个实施例涉及用于制备固体形态的试剂盒，包括：本发明的组合物，含有用于产生脲酶的细胞的增殖和/或细胞孢子的发芽的营养物的第二组合物；多组模板，其中每组包含至少一种固体形态的形状并且包含一个或多个多孔板；以及包含钙源(例如CaCl₂)、氮源(例如尿素)或钙源和氮源两者的第三组合物。优选地，试剂盒用于产生固体形态，例如矩形、正方形、圆形、椭圆形或不规则形状。优选的固体形态包括但不限于块、板、砖、铺路材料、嵌板、瓷砖、台面或单板。优选地，本发明的试剂盒用于制造块，例如混凝土砌块、煤渣砖、基础块、焦渣块、空心块、实心块、贝瑟块、煤渣砌块、高或低密度块、或充气块、薄砖、人造石、培养或彩色石。本发明的营养组合物可以含有营养培养基以维持和/或允许细胞繁殖和增殖。用于细胞，特别是本发明的细菌细胞的各种类型营养培养基是已知的并且可商购获得，并且包括通常用于运输以保持活力而不增殖的至少最小限度的培养基(或转运培养基)和通常用于生长和繁殖的酵母提取物、糖蜜和玉米浆。优选地，营养物包括氨基酸、蛋白质、多糖、脂肪酸、维生素和矿物质。

本发明的另一个实施例涉及制备固体形态的方法，包括：将本发明的组合物与骨料和水混合以形成混合物，其中骨料主要由直径小于5毫米(例如小于或约4毫米，小于或约3毫米，小于或约2毫米，或者小于或约1毫米)的颗粒组成；将混合物分配进多个模板，其中每个模板包含至少一个多孔板；向混合物中加入第二组合物，其中第二组合物含有促进产生脲酶的细胞增殖的营养物；向混合物中加入第三组合物，其中第三组合物是含有钙的液体、粉末或糊状物；将混合物培育一段时间以在颗粒之间形成共价键；以及从模板中移除固体形态。或者，这些组合物可以组合并一起加入到模板中的材料中，或者在加入到模板之前与该材料组合。

本发明的另一个实施例涉及模板的结构和组成。优选的模板包括可以模塑或挤压成所需形状的热塑性材料。优选的热塑性塑料包括但不限于塑料，如聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯(包括HDPE(高密度聚乙烯)，LPDE和再生LDPE(低密度聚乙烯)以及交联聚乙烯)、玻璃和大多数任何可成形聚合物。优选地，聚合物材料提供为厚度和均匀度在一范围内的小球或透镜形状。将小球填充在多孔模具中并在压力下蒸(模具不处于压力下，压力刚好来自蒸汽)。所得到的产品提供了设计的流动方向材料，并且渐变的变化影响流动方向、速度和保持的饱和度。

本发明的另一个实施例涉及不需要模板(例如无框架制造)的组合物和结构，其中结构由本发明的组分与聚合物和/或热塑性塑料组合形成，所述聚合物和/或热塑性塑料用压实装置压缩并保持所需结构。优选的压缩装置包括液压机，并且优选的压力为100psi或更大、250psi或更大、500psi或更大、1000psi或更大、2000psi或更大、3000psi或更大、4000psi或更大、5000psi或更大，本发明的优选组分包括以沉淀物或糊状物的形式形成碳酸钙结构的所有组分。压实装置利用附加压力将组分压缩成进行维持和干燥不会使所得到的形态发生显著改变的形态。优选的聚合物和热塑性塑料包括但不限于塑料，如聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯(包括HDPE(高密度聚乙烯)，LPDE和再生LDPE(低密度聚乙烯)以及交联聚乙烯)、玻璃、碳水化合物(例如淀粉，木质素)和大多数任何可成形的聚合物。所压缩成的形态可以从理想浆体或沉淀物快速生成，并在方解石形成过程中保持其形状。优选地，在含有增加的蒸气压或喷雾或雾化的蒸汽室(例如，在大于环境压力下)中完成方解石的形成，其中蒸汽、雾或喷雾优选包含营养物或化学基质。优选的形态包括块、砖、薄砖、人造或培养的石头、铺路材料或任何有用的结构。

优选地，多个模板或压缩装置一次形成5、10、50、100、500、1000、10000、100000、1000000或更多的形态。可以同时使用的模板或压缩装置的数量仅受到力学和可用空间的复杂性的限制。这些模板或装置可以堆叠或提供在单层或托盘中。模板可以具有垂直的壁，其连接在一起形成在其间容纳骨料的腔体。模板也可以具有地板，或者，如果由多孔表面如土壤或骨料支撑，模板的底部可以保持打开，并且可以混合组合物并将其压制或挤压成模具。优选地，垂直壁至少是其内表面，由非反应性、非多孔材料或涂层制成，例如铸塑或挤压成的丙烯酸树脂。这样可以使建筑材料或砖块在固化后轻松地从模板中取出。此外，模板或压力装置的垂直壁和地板可以具有在所得砖块或其它结构中形成表面纹理(例如，线、圆、波浪、小树林、素描、图像等)的设计。

优选地，骨料包括岩石、玻璃、玻璃纤维、木材(残余物，纸浆，锯屑，木质素)、生物质、纸、金属、塑料、聚合物、橡胶、人造橡胶、乙烯基、矿物质、共培养微生物、废料(例如，灰、碳、洗涤器废物、放射性小球)或其组合，和/或混合包括将组合物作为液体喷雾到骨料上。优选地，在培育期间，模板基本上被浸没，并且空气被鼓泡到被浸没的模板。优选地，在培育期间重复将第三组合物加入到混合物中，其通过底板排出，并且任选地再循环。优选地，在环境条件下进行培育，并且第三组合物含有氯化钙、乙酸钙、磷酸钙、碳酸钙、乳酸钙、硝酸钙或钙盐。优选地，在培育期间监测混合物的pH。优选地，固体形态是块、板、铺路材料、嵌板、瓷砖或单板，并且混合物还包含纤维或纳米纤维，例如木材、玻璃、塑料、金属或聚合物的纤维或纳米纤维。固体形态可以部分或均匀地多孔，包含孔或间隙的网络。孔可以具有预定尺寸和/或结构，例如直径至少5微米、至少10微米、至少20微米或至少50微米。或者，固体形态可以用几乎没有孔或有很少孔的材料来制造。例如，将无孔材料添加到骨料混合物中可以产生复杂且延伸的通道，使得形态对流体不能渗透。

本发明的另一个实施例包括含有产生脲酶的细胞或细胞孢子的组合物，其涂覆有营养培养基。优选地，营养培养基还含有另外的产生脲酶的细胞或细胞孢子，和/或营养物，以促进添加到骨料中有益于最终产品的附加细胞的增殖。

本发明的另一实施例涉及用于处理由具有包含一种或多种氮源(例如尿素)、钙源(例如钙离子)和脲酶或产生脲酶的细胞的组分的颗粒组成的骨料的组合物、方法和系统。优选地，颗粒具有约50毫米或更小、优选约25毫米或更小、优选约20毫米或更小、优选约10毫米或更小、优选约5毫米或更小的直径(例如，实际、平均或有效直径)。在一个优选实施例中，骨料也可以为约1毫米或更小、优选约0.5毫米或更小、更优选约0.1毫米或更小、更优选约50微米(μm)或更小。特别优选的颗粒尺寸包括约10微米至约1毫米、约100微米至约0.5毫米、约200微米至约1毫米、约1微米至约200微米、约10纳米至约1微米和约10纳米至约40纳米及其各种组合。颗粒包括例如来自水泥或砖制造、水泥块制造、铸造操作、研磨石灰石、砂尾矿、采矿、冶炼厂、油漆制造以及其它制造工艺的副产物(如炉渣)的孢子、碳粉、粉尘或烟灰。可以从可用的或实施的粉尘控制程序获得和收集颗粒。颗粒可以是混合尺寸，包括但不限于等于和大于优选尺寸的尺寸、等于和小于优选尺寸的颗粒以及优选尺寸及其混合物的组合。作为骨料和更可观的颗粒的颗粒可以包括再循环的和/或可再循环的材料。组合物的氮源可以是单一化学品，例如任何等级和纯度的尿素，并且优选是商业上获得的。钙离子优选从商业上可购得的来源，例如氯化钙获得。可以在组合物中包含脲酶或产生脲酶的细菌。产生脲酶的细菌包括但不限于巴斯德芽孢八叠球菌、脲芽孢八叠球菌、普通变形杆菌、球形芽孢杆菌、黄色黏球菌、奇异变形杆菌、幽门螺杆菌及其组合。产生脲酶的细胞包括含有酶的非活细胞，例如mycells、由脂质或脂肪酸组成的细胞以及含脲酶的细胞。脲酶和/或产生脲酶的细胞可以在规定的时间内产生或释放预定量的酶。优选地，每个细胞释放的脲酶的量足够快以允许在氮和钙离子的存在下快速产生碳酸钙。

优选地，颗粒与氮源(例如尿素)、脲酶和/或产生脲酶的细胞、钙离子和优选水组合以产生均匀的浆体。浆体可以涂刷或喷涂到产生层或外壳的物体和/或表面上，模塑成形态，该形态固化成可以是完全或部分固体的物体，或相反，淤积浆体材料以浸没或浸渍待涂覆的物体，以再次在物体表面上产生层或外壳。物体可以根据需要包含一层或多层，并且层可以是水可渗透的或不可渗透的，或者层可以改善耐天气条件(如太阳损伤、雪、冰和雨)的磨损。提供增加抗性的浆体优选由骨料组成，该骨料是直径小于0.1毫米的颗粒。当液体干燥时，在颗粒之间和/或在颗粒和物体之间形成碳酸钙键。其结果可以是包含硬化碳酸钙或成形结构的外壳的物体。根据本发明可以制造和/或用本发明的外壳或涂层分层的物体包括但不限于砖、水泥砖、铺路材料、台面、玻璃、玻璃纤维、聚合物和丙烯酸结构、壁板、墙体、院子艺术、石板和岩石结构、瓷砖、铺路石、台阶、屋顶材料、水槽、水泥墙和木板、天井、阳台、围栏及其组合。

本发明的另一优选实施例包括通过微生物(例如产生氨单加氧酶、羟胺氧化还原酶、硝化细菌的微生物)的发酵来生产氨和/或其它化合物(例如氨，有机酸，醇类，酚类，硫化物)。优选选择性培养微生物以最大限度地产生所需的酶。产生高氨的微生物包括例如反刍动物衍生的微生物、肠道微生物、消化链球菌属(Peptostreptococcus sp.)、梭菌属(Clostridium sp.)、朱缨花属(Calliandra sp.)、奇异菌属(Atopobium sp.)、脱硫单胞菌属(Desulfomonas sp.)等。分离的氨可以再循环或用于其它工艺，如化肥和能源生产。

本发明的另一实施例包括将本发明的浆体喷涂到天然地质或人造表面上，例如悬崖、沙丘、骨料桩、凸沿、支承墙、矿石、地基、采矿、尾矿、来自制造工艺的成堆废料或者需要额外支撑或结构化的另一结构。与向常规建筑系统提供感兴趣的结构的额外支撑相比，这种支撑在便利和财务因素方面是有利的。此外，并且优选地，本发明的浆体可以提供给地质表面，例如建筑物周围的土壤，以提供建筑物支撑、侵蚀抑制、塌陷坑的预防和/或修复，或者创建地基结构，以提供建筑物和其它结构的固体支撑物和/或稳定化，以及上述的组合。

本发明的另一实施例涉及包含浆体的组合物、方法和系统，该浆体包含水、氮源(例如尿素)、钙源(例如CaCl₂)和脲酶或产生脲酶的细胞中的一种或多种，但不含添加剂或任何骨料，例如没有沙子、土壤、粉尘、淤泥或其它作为骨料的颗粒。优选地，浆体至少含有水、氮源(例如尿素)、钙源(例如CaCl₂)和脲酶或产生脲酶的微生物，其可以适当地包括微生物营养物。该液体浆料被喷涂、涂刷或以其它方式直接放置到骨料上或骨料中，或者形成在包含骨料的大多数任何形状或结构的模具中。骨料和上述浆体的组合形成固化物体、覆盖物或层(或多个层)，例如作为建筑物地基、模塑物体、覆盖物体的层或另一种所需形态。这种技术的优点之一是骨料不需要运输，并且伴随着相关的节省。优选地，骨料在现场立即可获得或在可接受的距离内局部可获得。在运输或以其它方式移动骨料将会困难、低效或不切实际的情形下，对已经存在的骨料添加浆体有效地形成固体或更加硬化的结构形态，所述情形例如但不限于涉及建筑物地基的创建、维修或进一步支撑以及其它维修的情形。

本发明的另一实施例涉及包含与骨料结合的本发明的浆料的组合物和方法，所述浆料还包含多个固体结构，所述多个固体结构是中空的或以其它方式比所述骨料重量轻。所产生的包含附加物体的结构产生比仅由骨料和浆体制成的物体重量更轻的固体物体。或者，可以期望通过添加比骨料重的物体来增加物体的重量。这种较重的物体包括但不限于钢筋或重分网格、金属模板、强化材料和其它较重的材料。这些附加物体包括但不限于塑料、木材、钢、金属、聚合物、条棒、球几何结构，其可以是固体、穿孔或中空的。或者，可以包括具有美学特性的附加物体，例如预定颜色、材料、功能、属性和设计。当需要重量轻的物体时，这是有利的，其中该结构为预期目的保持足够的强度，例如特定的所需压缩强度、拉伸强度、屈服强度、极限强度、杨氏模量、弹性模量、弹性强度、刚度、硬度、韧性、耐应力及其组合。

本发明的另一实施例涉及包含与本发明的浆体组合的多种基质的组合物、方法和系统。向尿素、脲酶、钙和水中加入沙子、细粉、淤泥或粉尘(比土壤或其它骨料更轻且具有更小颗粒)会产生具有相等或几乎相等的支撑强度的较轻结构。较轻结构的优点包括较低的生产成本和更高的生产效率，以及其它益处，例如效率或结构的制造和形成。与使用产酶细胞相比，脲酶优选用于增加结构的固化。此外，酶的分子结构比细胞更小，并且酶将通过具有小孔径的聚骨料中的较小孔径。此外，还可以包括一种或多种化学物质或化合物，以增加液体组合物的密度和/或重量，使得组合物快速沉降到表面或足够粘到表面(例如，作为凝胶、泡沫或半固体)。

本发明的另一优选实施例包括用于形成根据本发明的固体或多孔固体结构的组合物、系统和方法，所述固体或多孔固体结构与由粘土或水泥组成的常规结构相比重量较轻。优选地，本发明包括在制造期间，随着结构变硬，在固体结构内产生空间间隙。该间隙可以是孔、管、气泡或任何其它三维形状的形式。由相同的骨料或材料或不同的、优选较轻的材料制成的预成型的形状可以浸入本发明的湿的、未硬化浆体中，无论浆体是否具有骨料。当浆体完全形成在所需形状周围时，所得到的物体将重量低于常规制备的物体，例如，粘土砖、水泥砖、铺路材料、石材复合材料或由一种或多种骨料组成的其它固体结构。所得到的固体物体具有增加的强度、新的或增强的美学或性能特征、添加剂或其组合。

本发明的另一优选实施例包括用于形成固体结构的保护层或覆盖物的组合物、系统和方法。优选地，本发明的浆体填充和封闭固体结构中的孔(例如，浸渍有一种或多种微生物、营养物质、基质材料、成核位点的织物)，以便提供对液体(例如水)、气体(例如污染物)或者可以浸渍或污染固体结构的其它物质的有效阻隔。这种组合物可用于侵蚀控制和结构支撑。

本发明的另一实施例包括用于例如步行路径、桩、悬崖、车辆道路和其它大表面的粉尘控制的组合物、系统和方法。本发明的浆体可以代替目前在泥土、砾石和其它路面上使用的油和其它粉尘控制组合物，以使车辆产生的粉尘的量最小化。本发明的浆体可以作为液体从卡车或其它车辆喷雾或蒸发到表面，或者作为在润湿时被活化的干燥组合物施用(例如喷洒)到表面，形成对道路或其它表面的硬化外壳。包含基质和活的产生脲酶的微生物加上营养物的浆体覆盖具有可自再生的外壳的路面。最初的应用可以包括微生物，并且任选地包括在仅包含基质材料的后续应用中。当车辆通过道路时，外壳可能会受到车辆重量的损害，但是由于生浆体的存在，外壳被重建和修复。优选用于粉尘控制的本发明的浆体不含有骨料或者含有仅是直径0.5毫米或更小的骨料。

本发明的另一实施例包括将本发明的浆体(无论是否含有骨料)添加到用于制造建筑材料，例如粘土砖、水泥砖、铺路材料和其它物质的常规方法中。根据需要可以在所得产品的干重的0.0001％至99％之间包含浆体添加物，或根据所使用的骨料类型经验性地确定。优选地，添加的浆体干重为1至50％、2至75％、30至60％、25至80％、10至25％或其中的任何组合。

本发明的另一个实施例包括制备本发明的浆体，其将在预定时间固化。优选地，浆体含有预定量的作为基质的氮源和钙源以及预定量的在期望的时间范围内固化的酶。固化条件可以包括使用温度，其可以包括在计算中以确定固化时间，优选实验性地或经验性地确定。

以下实例说明本发明的实施方案，但不应视为限制本发明的范围。

实例

实例1

MSHA(采矿版OSHA)规定要求减少表面采矿场所的粉尘。在工业中使用的当前方法包括使用各种聚合物或化学品，最常见的是连续喷洒水、油和其它防尘液体。露天矿山粉尘控制的目标是使细粉尘(骨料开采的副产品)比空气重，以防止呼吸系统和能见度危害。根据本发明，微生物用营养物和/或传输材料施用，或者与用于这种粉尘控制和/或表面黏结的任何常规处理相关联，并且包括与尿素(氮/碳)和钙源组合生产方解石水泥(CaCO₃)。在初始应用中包括细胞和/或营养物质，并且可选地在随后或后续应用中包括细胞和/或营养物质。优选地，应用的是轻质材料，使用与用于形成砖、铺路材料和其它固体形态的产生脲酶的细菌相同的菌株，轻质材料快速黏结。或者，除了产生脲酶的细菌之外，蓝藻细菌，一种将来自大气中的氮固定的光合微生物，作为替代或者作为附加物被使用，这减少了营养投入需求。

实例2

回收系统设法解决：(a)将废水返回到可行的状态，以再利用作为流入物(水成为资本费用而不是可消耗的材料)，和(b)从流出物流中提取商业上有价值的副产物。优选地，本发明的生物黏结方法可用于初级生产副产物作为产品，例如使用产生脲酶的微生物来制造氨/铵和/或游离方解石。副产物是通过优化减少的和/或在流入物配方中考虑的过剩材料。作为可回收的副产物的氨在肥料和替代燃料应用中具有商业价值。

至少有两种氨提取方法。首先，将颗粒状沸石斜发沸石矿物骨料用作用于提取氨气的空气过滤器，以及用于从流出物中提取铵的液体过滤器。氨饱和沸石具有作为肥料、肥料添加剂和/或肥料成分的潜在应用。第二，基于电极的系统用于转化水性氨/铵成为用于发电的氢燃料源。

废水，进一步处理与否，是其它氨基能源生产技术和再循环技术(包括水、方解石和副产物的循环利用)的燃料源。

沉淀池、筛网过滤器、织物和/或水力旋流器用于在溶液中除去游离方解石，其中，优选保留微生物。这种材料是新的生物黏结剂形成和肥料应用(可用于植物细胞壁形成的钙和可用于土壤脱氮的微生物)的接种来源。

实例3

使用在含有尿素的液体发酵培养基中生长的产生脲酶的微生物(巴斯德芽孢八叠球菌)制备生物形成的微晶碳酸钙。搅动该培养基以产生均匀悬浮物。在培养的晚期阶段生长，以氯化钙溶液的形式加入钙离子到与尿素的摩尔当量饱和度。尿素活性导致尿素(2NH₂CO)水解成铵(NH₄)和碳(C)。碳与钙(Ca)结合以产生碳酸钙(CaCO₃)。形成的碳酸钙晶体尺寸范围为50微米至0.1微米，且通常形状“规则”(例如，球形)。使用离心分离、沉淀池、水力旋流器或倾析中的一种或多种从溶液中分离碳酸钙。该方法用于分批工艺，也用于连续生产线。

该方法的变型用于通过使用细骨料产生团块来增加粒度，这也改善了液-固分离。在该变型中，在发酵过程中将尺寸为70的网眼规格的细骨料加入到溶液中，并且该细骨料的加入量以不超过搅动能力为限，以保持细骨料处于悬浮状态。加入钙离子后，方解石与细骨料黏合并结合在一起，产生更大更重的颗粒。

实例4

用第二生物Delaya venusta的共培养实施实例3的方法。用于在单个反应器内单次发酵、在单个反应器内交替发酵，或者通过在分离的反应器中的两个分离的发酵之间的循环培养基开发共培养方法，其中反应器是液态反应器(例如分批、分批投料或连续)或固体反应器，如聚合单元(例如砖)。

通过考虑本文公开的本发明的说明书和实践，本发明的其它实施例和用途对于那些本领域技术人员将是显而易见的。本文引用的所有参考文献，包括所有出版物、美国和外国专利和专利申请，均通过引用具体和全部并入。无论在何处使用的术语术语“包括”，其目的是包括术语“由以下组成”和“基本组成”。此外，术语包含、包括和含有不旨在是限制性的。意图是将说明书和实施例视为仅是示范性的，而由所附权利要求所指出本发明的真实范围和精神。

Claims (50)

1.一种组合物，其包含施加有产生脲酶的细胞或细胞孢子的支撑材料和运输介质。

2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述支撑材料包括有机或无机材料、岩石、玻璃、木材、纸、金属、塑料、聚合物、纤维、矿物或其组合。

3.根据权利要求1所述的组合物，其是液体或干粉。

4.根据权利要求1所述的组合物，其中所述支撑材料为珠、颗粒、条棒、线、纤维、薄片、纤维、粉末状或碎块状的石头、晶体或其组合的形式。

5.根据权利要求1所述的组合物，其中所述支撑材料是沙子、玻璃、玻璃纤维、纸、灰、木材、金属、废料或其组合。

6.根据权利要求1所述的组合物，其中所述产生脲酶的细胞或细胞孢子包含酵母、藻类、细菌或真核细胞或细胞孢子。

7.根据权利要求6所述的组合物，其中所述细菌是巴斯德芽孢八叠球菌、脲芽孢八叠球菌、普通变形杆菌、球形芽孢杆菌、黄色黏球菌、奇异变形杆菌、幽门螺杆菌、或其变体、血清型，突变或组合。

8.根据权利要求6所述的组合物，其中酵母、藻类、细菌或真核细胞或细胞孢子是经基因工程处理过的。

9.根据权利要求1所述的组合物，其中所述支撑材料和细胞通过疏水键、亲水键、离子键、非离子键、共价键、范德华力或其组合耦合。

10.根据权利要求1所述的组合物，其中所述支撑材料至少部分地被促进产生脲酶的细胞的结合的膜包围。

11.根据权利要求10所述的组合物，其中膜包含聚合物或细胞营养物。

12.根据权利要求1所述的组合物，其含有着色剂。

13.根据权利要求1所述的组合物，其含有识别剂或可检测的标记物。

14.根据权利要求1所述的组合物，其中所述运输介质包含用于细胞生长的成分。

15.根据权利要求14所述的组合物，其中用于细胞生长的成分包括水、营养物、维生素、矿物质、氨基酸、蛋白质、油、脂肪酸、糖类和多糖中的一种或多种。

16.一种用于制备固体形态的试剂盒，包括：

权利要求1所述的组合物；

含有用于产生脲酶的细胞增殖和/或细胞孢子发芽的营养物的第二组合物；

多组模板，其中每组包含至少一种固体形态的形状并且包含一个或多个多孔板；以及

包含钙、氮或钙和尿素两者的第三组合物。

17.根据权利要求16所述的试剂盒，其中固体形态为矩形、正方形、圆形、椭圆形或不规则形状。

18.根据权利要求16所述的试剂盒，其中固体形态是块、板、砖、铺路材料、嵌板、瓷砖或单板。

19.根据权利要求18所述的试剂盒，其中块是混凝土砌块、煤渣砖、基础块、焦渣块、空心块、实心块、贝瑟块、煤渣砌块，高或低密度块或充气块。

20.根据权利要求16所述的试剂盒，其中营养物包括氨基酸、蛋白质、多糖、脂肪酸、维生素和矿物质。

21.一种用于制备固体形态的方法，包括：

将权利要求1所述的组合物与骨料和水混合以形成混合物，其中骨料主要由直径小于50毫米的颗粒组成；

将混合物分配进多种模板，其中每种模板包含至少一个多孔板；

向混合物中加入第二组合物，其中第二组合物含有促进产生脲酶的细胞增殖的营养物；

向混合物中加入第三组合物，其中第三组合物是含有钙的液体；

将混合物培育一段时间以在颗粒之间形成共价键；以及

从模板中移除固体形态。

22.根据权利要求21所述的方法，其中骨料包括岩石、玻璃、木材、纸、金属、塑料、聚合物、矿物或其组合。

23.根据权利要求21所述的方法，其中混合包括将组合物作为液体喷涂到骨料上。

24.根据权利要求21所述的方法，其中模板在培育期间基本上被浸没。

25.根据权利要求24所述的方法，其中将空气鼓泡到被浸没的模板。

26.根据权利要求21所述的方法，其中附加的第三组合物在培育期间重复加入到混合物中，其通过底板排出，并且任选地再循环。

27.根据权利要求21所述的方法，其中培育在环境条件下进行。

28.根据权利要求21所述的方法，其中培育在5℃至50℃之间进行。

29.根据权利要求21所述的方法，其中第三组合物含有氯化钙、乙酸钙、磷酸钙、碳酸钙、乳酸钙、硝酸钙或钙盐。

30.根据权利要求21所述的方法，其中在培育期间监测混合物的pH。

31.根据权利要求21所述的方法，其中固体形态是块、板、砖、铺路材料、嵌板、瓷砖或单板。

32.根据权利要求21所述的方法，其中混合物还含有纤维或纳米纤维。

33.根据权利要求32所述的方法，其中纤维或纳米纤维由木材、玻璃、塑料、金属或聚合物组成。

34.根据权利要求21所述的方法，其中在培育期间加入额外的营养物。

35.根据权利要求21所述的方法，其中从模板中移除的固体形态被干燥。

36.一种含有产生脲酶的细胞或细胞孢子的组合物，所述细胞或细胞孢子被包封、微囊化或涂覆有营养物、蛋白质、多糖、聚合物或其它培养基。

37.根据权利要求36所述的组合物，其中营养物培养基还含有另外的产生脲酶的细胞或细胞孢子。

38.一种包含脲酶和/或产生脲酶的细胞、氮源、钙源和水的组合物。

39.根据权利要求38所述的组合物，还包含平均直径小于0.05毫米的骨料。

40.根据权利要求38所述的组合物，还包含平均直径为1纳米至40纳米的骨料。

41.根据权利要求38所述的组合物，还包含平均直径为1.0毫米至50毫米的骨料。

42.根据权利要求38所述的组合物，其中氮源是尿素，钙源是氯化钙。

43.根据权利要求38所述的组合物，其含有为在指定时间内固化组合物的量的脲酶和/或产生脲酶的细胞、氮源、钙源和水。

44.根据权利要求38所述的组合物，其含有产生脲酶的细胞，并且还包含促进细胞生长的营养物。

45.一种用碳酸钙分层固体物质的方法，包括：

使固体物体与权利要求38所述的组合物接触，并促进碳酸钙的形成。

46.根据权利要求45所述的方法，其中所述接触包括用组合物喷涂固体物体和/或保持所需的蒸气压。

47.根据权利要求45所述的方法，其中所述接触包括用组合物浸渍、喷涂、雾化固体物体或将固体物体暴露于蒸汽。

48.一种粉尘控制方法，其包括将权利要求38所述的组合物喷涂在表面上。

49.根据权利要求48所述的方法，其中与未被喷涂的表面相比，被喷涂的表面更耐侵蚀。

50.根据权利要求48所述的方法，其中表面是步行路径、桩、悬崖或车辆道路。