CN115485252A - 改善的混凝土组合物及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用产生生化物质的微生物和/或由微生物合成的副产物来改善混凝土的组合物。本发明还涉及用所述微生物菌株和/或其副产物增强混凝土性能的方法。

Description

改善的混凝土组合物及其生产方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年2月20日提交的、专利申请号为62,979,161的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

背景技术

混凝土是最常见的建筑材料之一，远比钢铁、塑料或木材更常见。目前生产混凝土的方法是将水泥、沙子和水与改变混凝土特性的添加化学物质相混合。例如，添加剂可为用作塑化剂的化学表面活性剂。塑化剂尤其适用于生产高强度混凝土和纤维增强混凝土。

增加混凝土混合物中的水含量会降低混凝土强度。水含量每增加1％，混凝土的极限强度就会降低5％。然而，如果混凝土混合物中水含量不足，混凝土无法流动或被加工成所需的形态。

混凝土塑化剂被添加到混凝土中，以减少加工所需的水量。塑化剂的添加浓度通常为0.1％至0.4％。在添加上述浓度的塑化剂情况下，为保持混凝土塑性，需要将水减少了5％至15％。

微生物(如细菌、酵母或真菌)的培养对于生产多种有用的生物制剂意义重大。微生物在例如食品工业、制药工业、农业、采矿、环境修复和废物管理中起着至关重要的作用。在多个工业领域中，微生物的应用有着巨大的潜力。

由于微生物的生物表面活性剂的多样性、环境友好性、选择性、极端条件下的性能以及在环境保护中的潜在应用，对微生物的生物表面活性剂的关注度稳步提高。生物表面活性剂是可以降低相之间的界面张力的微生物来源的化学物质。槐糖脂(SLP)是属于由非致病酵母产生的糖脂类的生物表面活性剂。SLP可用于农业、食品保鲜、生物医学、化妆品和其他行业。

发明内容

本发明提供了微生物及其生长副产物(如生物表面活性剂)的特有的有利的用途。在具体实施例中，本发明提供了一种基于微生物的产品，及其在改进的混凝土组合物中的用途。

具体地说，在优选的实施例中，本发明提供了节约成本、环境友好的用于改善混凝土的各种特性的方法。有利的是，这些方法可以在广泛的环境条件下实施，包括水下和温度变化显著的区域。

在某些实施例中，本发明提供了通过使用微生物和/或其生长副产物改善混凝土各种性能的组合物。在混凝土的初始混合过程中，微生物和/或其生长副产物可以被添加到水、水泥和骨料以及混凝土产品的其他所需成分中。可替换地，微生物和/或生长副产品可以在混凝土开始浇注后的任何时候使用，例如混凝土完全定型后。

在某些实施例中，本发明利用酵母菌株和/或其生长副产物。在一个实施例中，本发明的组合物和方法中使用的微生物是产生生物表面活性剂的酵母。例如，本发明提供了一种基于微生物的产品，其包含培养的熊蜂生斯塔莫酵母ATCC22214和/或该微生物的生长产物。此外，本发明提供了一种基于微生物的产品，其包含培养的异常威克汉姆酵母和/或其生长副产物。微生物可以处于不同的生长期，包括营养期或孢子形式。

在某些实施例中，本发明还包含一种或多种附加成分，例如，加速剂、粘合剂、腐蚀抑制剂、引气剂、结晶外加剂、颜料、塑化剂、超塑化剂、泵送助剂、缓凝剂、减水剂、减缩剂、水合控制外加剂、碱硅反应抑制剂、防潮外加剂、减渗外加剂、发气外加剂、抗分散外加剂、发泡外加剂和/或增和易性外加剂。

在某些实施例中，本发明提供了提高混凝土性能的方法，其中将根据本发明的包含微生物培养物和/或微生物生长副产物的组合物添加到混凝土混合物中和/或施加到养护或已养护混凝土的表面。可以通过例如减少混凝土组合物中的用水量、增加混凝土的塑性、降低混凝土的孔隙率、改变混凝土的养护时间和/或提高对生物和/或非生物压力的耐受性来提高混凝土的性能。

具体实施方式

本发明提供了微生物及其生长副产物(如生物表面活性剂)的有利的用途。在某些实施例中，本发明提供了一种基于微生物的产品，及其在改进的混凝土组合物中的用途。

在具体实施例中，本文所述的方法和组合物利用微生物和/或微生物生长副产物作为混凝土的外加剂。在一个实施例中，本发明的方法中使用的微生物是产生生物表面活性剂的酵母。

在某些实施例中，本发明利用酵母菌株和/或其生长副产物。本发明提供了例如基于微生物的产品，其包含例如培养的异常威克汉姆酵母和/或其生长副产物。此外，本发明提供了基于微生物的产品，其包含培养的斯塔莫(Starmerella)分支酵母，优选熊蜂生斯塔莫酵母(假丝酵母)，和/或其生长副产物。

在优选的实施例中，本发明提供了一种通过向混凝土使用一种或多种微生物和/或微生物来源的生物表面活性剂改善混凝土的一种或多种性能的方法。在具体实施例中，该方法包括将一种或多种衍生自酵母菌株的诸如熊蜂生斯塔莫酵母或异常威克汉姆酵母生物表面活性剂用于混凝土。

在某些实施例中，该方法还可以包括将微生物本身和/或其副产物与一种或多种传统上用于混凝土的外加剂一起使用。

在具体实施例中，本文所述的方法和组合物利用微生物生长副产物作为混凝土养护期间或之后的使用产品。微生物和/或副产物可以渗透到混凝土中，也可以保留在混凝土的表面上。

在一个实施例中，根据本发明的组合物通过从小规模到大规模的培养过程获得。这些培养方法包括但不限于，深层培养/发酵、表面培养、固态发酵(SSF)及其组合。

有利的是，本发明在使用期间可以不向环境中释放大量无机化合物。此外，所述组合物和方法利用可生物降解且安全无毒的成分。因此，本发明可以作为“绿色”处理用于所有可能的涂层(和其他应用)。

选定的定义

本文所用的“基于微生物的组合物”是指包含微生物或其他细胞培养物的生长而产生的成分的组合物。因此，基于微生物的组合物可以包含微生物本身和/或微生物生长副产物。细胞可以是营养期或孢子形式，或两者的混合物。细胞可以是浮游的或生物膜形式，或两者的混合物。生长副产物可以是例如代谢物、细胞膜成分、表达的蛋白质和/或其他细胞成分。细胞可以是完整的或裂解的细胞。在一些实施例中，细胞与它们在其中生长的液体培养基一起存在于基于微生物的组合物中。细胞可以以例如组合物每毫升至少1×10⁴、1×10⁵、1×10⁶、1×10⁷、1×10⁸、1×10⁹、1×10¹⁰或1×10¹¹或更多个细胞的浓度存在。

本发明进一步提供了“基于微生物的产品”，将其用到实践中可以获得预期结果。基于微生物的产品可以就是从微生物培养过程中收获的基于微生物的组合物。可替换地，基于微生物的产品可以包含已经添加的其他成分。这些额外的成分可以包括例如缓冲剂、合适的载体(例如水)、用于支持微生物进一步生长的添加营养物、和/或促进在其使用的环境中追踪微生物和/或组合物的试剂。基于微生物的产品也可以包含基于微生物的组合物的混合物。基于微生物的产品还可以包含一种或多种基于微生物的组合物的成分，这些成分已经以某种方式进行了处理，例如但不限于过滤、离心、裂解、干燥、纯化等。

本文所用的“分离的”或“纯化的”生物表面活性剂或其它微生物来源的生化物质基本上不含在自然界中与其相关的诸如细胞物质的其它化合物。本文所用的“分离的”是指将菌株从其天然存在的环境中移除。因此，分离的菌株可以以诸如生物学纯培养物或孢子(或菌株的其他形式)存在。

“代谢物”是指通过代谢产生的任何物质(例如，生长副产物)或参与特定代谢过程所必需的物质。代谢物的示例包括但不限于生物表面活性剂、生物聚合物、酶、酸、溶剂、醇、蛋白质、维生素、矿物质、微量元素和氨基酸。

“调节”是指改变(增加或减少)。这种改变通过标准的本领域已知的方法检测，例如本文描述的方法。

本文提供的范围被理解为代表该范围内所有值。例如，1-50的范围被理解为包含选自1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49或50的任何数字、数字组合或子范围以及上述整数间的所有居中十进制值，例如1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8和1.9。特别考虑子范围中的从范围的任一端点开始的“嵌套子范围”。例如，1-50的示例性范围的嵌套子范围可以在一个方向上包括1-10、1-20、1-30和1-40，或者在另一个方向上包括50-40、50-30、50-20和50-10。

“减少”是指至少达到1％、5％、10％、25％、50％、75％或100％的负变化。

“增加”是指至少达到1％、5％、10％、25％、50％、75％或100％的正变化。

“参考”是指标准或对照条件。

本文所用的“生物膜”是复杂的微生物(如细菌)的聚集体，其中细胞利用胞外多糖基质相互粘附和/或粘附于一表面。生物膜中的细胞在生理上不同于同一生物体的浮游细胞，浮游细胞是可以在液体培养基中漂浮或游动的单细胞。

本文所用的“表面活性剂”是指降低两种液体之间或液体和固体之间的表面张力(或界面张力)的化合物。表面活性剂用作洗涤剂、湿润剂、乳化剂、起泡剂和/或分散剂等。由微生物产生的表面活性剂被称为“生物表面活性剂”。

本文所用的“生物压力”是由活生物体如细菌、真菌或藤壶引起的对组合物和/或物体的压力。“生物压力源”不同于“非生物压力源”，因为“非生物压力源”是非生物因素的结果，如紫外线辐射、冻融循环或盐水。

本文所用的“加速剂”、“水泥速凝剂”、“速凝剂”和“混凝土速凝剂”是用于混凝土、水泥、砂浆、抹灰或找平层中的成分，其加速混凝土组合物的定型时间。促进剂可用于消除寒冷天气(无论是否下雨)等恶劣天气带来的延迟定型时间或损坏混凝土等影响。加速剂包括但不限于硝酸钙、亚硝酸钙、甲酸钙、氯化钙、三乙醇胺和硫氰酸钠。

本文所用的“粘合剂”、“黏合剂”、“树脂”和“环氧树脂”是混凝土中使用的成分，它们可以将混凝土粘结到现有结构上，例如混凝土、灰泥和石膏。没有粘合剂，新混凝土不能粘附到已养护的混凝土结构上。粘合剂包括但不限于聚氯乙烯、聚醋酸乙烯酯、丙烯酸树脂和丁二烯-苯乙烯共聚物。

本文所用的“腐蚀抑制剂”是混凝土中使用的成分，其可以通过限制氯化物和大气CO₂与水泥的反应来防止钢筋混凝土的过早失效。除冰盐等来源的氯化物渗到埋在地下的钢筋，从而导致生锈。腐蚀抑制剂包括但不限于氨基醇、亚硝酸钙和单氟磷酸钠。

本文所用的“引气剂”是在混凝土中用于在组合物中产生微小气泡的化合物。引气剂通过允许空气在温度循环过程中膨胀和凝结来促进混凝土中气穴的形成，从而提高耐久性，改善混凝土的和易性和粘结性，并减少混凝土的离析和泌水。引气剂包括木材树脂的盐、合成洗涤剂、磺化木质素的盐、石油酸的盐、蛋白质类物质的盐、脂肪酸和树脂酸及其盐、烷基苯磺酸盐和磺化烃的盐。

本文所用的“结晶外加剂”或“降渗剂”会降低加入其中的混凝土的渗透性。在某些情况下，加入适量的结晶外加剂，混凝土可能变得几乎不透水。结晶外加剂包括但不限于胶乳和硬脂酸钙。

本文所用的“塑化剂”、“超塑化剂”、“增和易性外加剂”和“减水剂”被添加到混凝土中，以减少操作所需的水量，增加流动性，和/或降低水灰比。化学塑化剂包括但不限于木素磺酸钙、聚葡萄糖酯、碳水化合物和羟基化羧酸。还存在超塑化剂，包括改性木质素硫酸盐、磺化萘甲醛，它们在允许混凝土的和易性方面的能力优于塑化剂，最多可减少30％的水。

本文所用的“泵送助剂”用作润滑物，其允许混凝土轻易流过管道、通道、筒或用于混凝土运输或保持室的其它物体。泵送助剂包括但不限于有机和合成聚合物、有机絮凝剂、石蜡有机乳液、煤焦油沥青、丙烯酸树脂、膨润土和热解硅石以及熟石灰。

本文所用的“缓凝剂”为减少混凝土定型时间的物质。缓凝剂包括但不限于木质素、硼砂、糖、酒石酸和盐。类似地，“水合控制外加剂”也能减少混凝土的定型时间，但是在蒸发过程开始后，水合控制外加剂通常更容易定型(more forgiving)。水合控制外加剂可以比作一种定时释放的胶囊。

根据本发明，当混凝土定型时，“减缩剂”限制混凝土的收缩。减缩剂包括但不限于聚氧乙烯烷基醚和丙二醇。

本文所用的“碱硅反应抑制剂”通过抑制碱性水泥浆和硅石之间的反应抑制在混凝土的整个寿命期间可能发生的膨胀。在反应中产生硅酸钠，进而产生暴露于水时体积增加的吸湿凝胶。碱硅反应抑制剂包括但不限于钡盐、硝酸锂、碳酸锂和氢氧化锂。

本文所用的“防潮”剂防止或阻止水分渗入混凝土。防潮通常用于防止周围环境中的水分渗入混凝土。这些水分来源可能是地下室墙壁、混凝土板或人行道混凝土周围的土壤或沙子。防潮通常是作为混凝土的外部涂层，而不是混合在整个混凝土组合物中的添加剂。可用于混凝土防潮的一些材料包括油酸钙或硬脂酸铵皂、油酸钙或油酸铵皂、硬脂酸丁酯和各种石油产品。

本文所用的“防水”剂类似于防潮外加剂，但旨在防止液态水渗透，尤其是在地下水位高、经常淹水的环境中或在水池中。防水材料也使用于混凝土的外表面。可用于防水混凝土的一些材料包括橡胶沥青涂层、膨润土、橡胶涂层和聚氨酯涂层。

本文所用的“发气”剂是在混凝土养护前用于膨胀混凝土的物质。最常见的发气外加剂是铝粉、活性炭和过氧化氢。这些添加的化学物质在混凝土中形成氢气泡。除了防止定型在混凝土上之外，氢气的存在还可以防止混凝土泌水。混凝土泌水是指水被向上推，密度较大的水泥颗粒下沉。发气外加剂也可以制造轻质混凝土。

本文所用的“抗分散”剂通常被添加到用于水下使用的混凝土中，以减轻水的运动引起的水压和摩擦的影响。抗分散外加剂可提高混凝土的粘结性，防止水泥浆流失。混凝土可以是自密实混凝土。纤维素和丙烯酸聚合物可用于抗分散组合物。

本文所用的“发泡”剂通过向混凝土组合物中添加表面活性剂或其它化学物质，如水解蛋白质，产生更轻、密度更小的混凝土。不同于结构支撑，含有发泡混合物的混凝土通常用于空隙填充。

本文所用的“骨料”或“建筑骨料”与水和水泥构成制造混凝土的三种基本成分，骨料是颗粒材料。骨料通常构成混凝土组合物的主要部分，包括沙、石、砾石、玻璃、硅石、高炉矿渣、再生混凝土、岩石或其他相关成分。

与“包含”或“含有”同义的过渡术语“包括”是包含性的或开放式的，并且不排除另外的未列举的元件或方法步骤。相比之下，过渡短语“包含”排除了权利要求中未指定的其他元件、步骤或成分。过渡短语“基本上包括”将权利要求的范围限制为特定的材料或步骤“以及那些不会实质上影响所要求保护的发明的基本和新颖特征的材料或步骤”。术语“包括”的使用考虑了“由”或“基本上由”所述元件组成的实施例。

除非具体说明或从上下文中显而易见，否则本文所用的术语“或”应理解为包含性的。除非具体说明或从上下文中显而易见，否则本文所用的术语“个”、“一个”和“该”应理解为单数或复数。

除非具体说明或从上下文中显而易见，本文所用的术语“约”被理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的2个标准偏差内。约可以理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之内。

本文变量的任何定义中的化学基团列表的描述包括该变量作为任何单个基团或所列基团的组合的定义。本文对变量或方面的实施例的描述包括作为任何单个实施例或与任何其他实施例或其部分相结合的实施例。

根据本发明的酵母菌株

在优选的实施例中，本发明利用产生生化物质的酵母。酵母可以是天然的或基因修饰的微生物。例如，可以用特定的基因转化酵母以显示特定的特征。酵母也可以是所需菌株的突变体。本文所用的“突变体”指标准菌的菌株、遗传变异体或亚型，其中与标准菌相比，突变体具有一种或多种遗传变异(例如，点突变、错义突变、无义突变、缺失、复制、移码突变或重复扩增)。制备突变体的方法在微生物领域是众所周知的。例如，为此广泛使用了紫外线诱变和亚硝基胍。

适用于本发明的酵母和真菌物种的示例包括但不限于无梗囊霉属、曲霉属、短梗霉属(例如，黑酵母菌)、布拉氏霉属、假丝酵母属(例如，白假丝酵母、假丝酵母)、隐球菌属、德巴利氏酵母属(例如，汉逊德巴利酵母)、虫霉属、镰孢属、汉逊酵母属(例如，葡萄汁有孢汉逊酵母)、汉逊酵母属、伊萨酵母属、克鲁维酵母菌属、被孢霉属、毛霉属(例如，梨形毛霉)、迈耶氏酵母(例如，季也蒙迈耶氏酵母)、青霉菌属、腐霉属、须霉、毕赤酵母属(例如，异常毕赤酵母、季也蒙毕赤酵母、西方毕赤酵母、库德毕赤酵母)、酵母菌(例如，蚜虫假酵母菌)、根霉、酵母(酿酒酵母、布拉氏酵母菌继代(Saccharomyces boulardii sequela)、酿酒圆酵母)、斯塔莫酵母(例如熊蜂生斯塔莫酵母)、球拟酵母属、壶菌、木霉属(例如，里氏木霉、哈茨木霉、绿色木霉)、黑粉菌属(例如，玉米黑粉菌)、威克汉姆酵母属(例如，异常威克汉姆酵母)、拟威尔酵母属和接合酵母属(例如，拜耳接合酵母)。

在一些实施例中，酵母是“嗜杀酵母”，即以分泌毒性蛋白质或糖蛋白为特征的酵母菌株，该菌株本身具有免疫性。由嗜杀酵母分泌的外毒素能够杀死酵母、真菌或细菌等其他菌株。嗜杀酵母可以包括但不限于威克汉姆酵母属中的多个种(异常威克汉姆酵母)、毕赤酵母属、汉逊酵母属、酵母、汉逊酵母属(例如，葡萄汁有孢汉逊酵母)、玉米黑粉菌、汉逊德巴利酵母、假丝酵母属中的多个种(白假丝酵母、皱褶假丝酵母、热带假丝酵母、解脂假丝酵母、白色球拟酵母)、斯塔莫酵母中的多个种(熊蜂生斯塔莫酵母)、隐球菌属、克鲁维酵母菌属、球拟酵母属、黑粉菌属、拟威尔酵母属、接合酵母属和其他。

在某些实施例中，微生物是斯塔莫酵母中多个种酵母和/或假丝酵母属中多个种酵母、熊蜂生斯塔莫酵母(假丝酵母)、蜜生假丝酵母(Candida apicola)、巴蒂斯塔假丝酵母(Candida batistae)、花假丝酵母(Candida floricola)、里约克假丝酵母(candidariodocensis)、星状假丝酵母(Candida stellate)和/或郭氏假丝酵母(Candida kuoi)。在一具体实施例，微生物是熊蜂生斯塔莫酵母，例如ATCC 22214菌株。

在某些优选的实施例中，微生物是异常威克汉姆酵母。

根据本发明，可以使用其他微生物菌株，包括诸如能够积累大量糖脂生物表面活性剂或碳水化合物、多元醇、脂质、酯和/或蛋白质等其他有用代谢物的其他真菌菌株。根据本发明有用的其他代谢物和/或微生物成分包括甘露糖蛋白、β-葡聚糖和其他具有生物乳化和表面/界面张力降低属性的物质。

根据本发明的酵母的生长

本发明利用培养微生物和生产微生物代谢物和/或其它微生物生长副产物的方法。微生物培养系统通常使用深层培养发酵，但也可以使用表面培养和混合系统。

本文所用的“发酵”是指细胞在受控条件下的生长。生长可以是在有氧的环境或者无氧环境中进行。除非上下文另有要求，否则该术语旨在包括该过程的生长期和产物生物合成期。

本文所用的“液体培养基”、“培养液体培养基”或“发酵液”是指至少包含营养物的培养基。如果在发酵过程之后提及液体培养基，则液体培养基也可能包含微生物生长副产物和/或微生物细胞。

在一个实施例中，本发明提供了用于生产生物质(例如，活细胞物质)、胞外代谢物(例如，小分子和分泌的蛋白质)、残余营养物和/或胞内成分(例如，酶和其他蛋白质)的材料和方法。

根据本发明使用的微生物生长容器可以是任何用于工业用途的发酵罐或培养反应器。本文所用的术语“反应器”、“生物反应器”或“发酵反应器”包括由一个或多个容器和/或塔或管道布置组成的发酵装置。反应器包括但不限于连续搅拌釜式反应器(CSTR)、固定化细胞反应器(ICR)、滴流床反应器(TBR)、泡塔反应器、气升发酵罐、静态混合器或其它容器或其它适于气-液接触的装置。在一些实施例中，生物反应器可以包括第一生长反应器和第二发酵反应器。因此，当提及向生物反应器或发酵反应器中添加基质时，应理解为包括向任一个或两个合适的反应器中添加基质。

在一个实施例中，容器可以具有功能控制/传感器，或者可以连接到功能控制/传感器，以测量培养过程中的重要因素，例如pH、氧气、压力、温度、搅拌器轴功率、湿度、粘度和/或微生物密度和/或代谢物浓度。

在另一个实施例中，容器还能够监控容器内微生物的生长(例如，测量细胞数量和生长期)。可替换地，每日可以从容器中取出样品，并通过本领域已知的稀释平板技术等技术进行计数。稀释平板法是一种用于估算样品中细胞数量的简单方法。该技术还可以提供一个指数，通过这个指数可以比较不同的环境或处理方法。

在一个实施例中，该方法包括向培养物补充氮源。氮源可以包括诸如硝酸钾、硝酸铵、硫酸铵、磷酸铵、氨、尿素和/或氯化铵。这些氮源可以单独或组合使用。

培养方法可以为生长中的培养物进行氧化处理。一个实施例中，利用空气的缓慢运动去除低氧含量的空气并引入含氧空气。含氧空气可以是每天通过机械装置补充的空气，机械装置包括用于液体机械搅拌的叶轮和用于向液体提供气泡以将氧气溶解到液体中的空气喷布器。

该方法可以进一步包括向培养物补充碳源。碳源通常为碳水化合物，例如葡萄糖、蔗糖、乳糖、果糖、海藻糖、甘露糖、甘露醇和/或麦芽糖；有机酸，例如乙酸、富马酸、柠檬酸、丙酸、苹果酸、丙二酸和/或丙酮酸；醇，例如乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇、异丁醇和/或甘油；脂肪和油，例如大豆油、米糠油、橄榄油、玉米油、芝麻油和/或亚麻子油。这些碳源可以单独或组合使用。

在一个实施例中，培养基中包括微生物的生长因子和微量营养物。在一个实施例中，还可以包括无机盐。在某些实施例中，培养方法可以进一步包括：在培养过程之前和/或期间在液体培养基中添加额外的酸和/或抗菌剂。抗菌剂或抗生素用于保护培养物免受污染。此外，还可以加入消泡剂，防止培养过程中气体产生时形成和/或积聚泡沫。

混合物的pH值应该适合研究的微生物。缓冲剂和pH调节剂，如碳酸盐和磷酸盐，可用于将pH稳定在优选值附近。当金属离子浓度高时，就有必要在液体培养基中使用螯合剂。

微生物可以浮游形式或生物膜形式生长。在生物膜的情况下，容器内可以具有基质，微生物可以在该基质上以生物膜状态生长。该系统还可以具有施加刺激(例如剪切应力)等能力，以促进和/或改善生物膜生长特征。

在一个实施例中，培养微生物的方法实施温度约在5℃-100℃，优选15℃-60℃，更优选25℃-50℃。在另一个实施例中，培养可以在恒温下连续进行。在另一个实施例中，培养可以在温度变化条件下进行。

在一个实施例中，该方法和培养过程中使用的设备为无菌设备。培养设备如反应器/容器可以与消毒单元如高压灭菌器分立而又相连。培养设备还可以具有在接种前现场消毒的消毒单元。空气可以通过本领域已知的方法进行消毒。例如，环境空气在被引入容器之前可以通过至少一个过滤器。在其他实施例中，培养基可以经巴氏灭菌，或者可选择不通过加热消毒，可以利用低水活度和低pH来控制细菌生长。

发酵液的生物质含量可以为5g/l-180g/l或更高含量。在一个实施例中，液体培养基的固体含量为10g/l-150g/l。

在一个实施例中，本发明进一步提供了一种生产微生物代谢物的方法，微生物代谢物包括但不限于乙醇、多元醇、酯、乳酸、β-葡聚糖、蛋白质、肽、代谢中间物、多不饱和脂肪酸、生物表面活性剂和脂质。通过该方法产生的代谢物含量可以达到至少20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％。

由研究的微生物产生的微生物生长副产物可以保留在微生物中或分泌到液体培养基中。在另一个实施例中，生产微生物生长副产物的方法可以进一步包括浓缩和纯化研究的微生物生长副产物的步骤。在另一个实施例中，液体培养基可以包含稳定微生物生长副产物活性的化合物。

在优选的实施例中，微生物生长副产物为生物表面活性剂。根据本发明的特定生物表面活性剂包括，例如，低分子量糖脂(GL)、脂肽(LP)、黄素脂质(FL)、磷脂和高分子量聚合物，例如脂蛋白、脂多糖-蛋白质复合物和多糖-蛋白质-脂肪酸复合物。

在一个实施例中，微生物生物表面活性剂为糖脂，例如鼠李糖脂(RLP)、槐糖脂(SLP)、海藻糖脂或甘露糖赤藓糖醇脂(MEL)。在一个实施例中，微生物生物表面活性剂为脂肽，例如伊枯草菌素、丰原素或表面活性素。

在一个实施例中，基于酵母的组合物包含这些生物表面活性剂的任意混合物。优选地，该混合物包含槐糖脂，以及可选地，一种或多种甘露糖赤藓糖醇脂、表面活性素、伊枯草菌素和/或鼠李糖脂。

在某些实施例中，微生物生长副产物包含碳水化合物、多元醇、脂质、糖脂、酯和/或蛋白质。这些成分可能是发酵产生的废弃副产物。生长副产物也可能是酵母细胞死亡后残留的化学物质。

在某些实施例中，纯化的化合物至少为研究的化合物的60wt％。优选地，该制剂至少为研究的化合物的75wt％，更优选90wt％，最优选99wt％。例如，纯化的化合物至少为所需化合物的90wt％、91wt％、92wt％、93wt％、94wt％、95wt％、98wt％、99wt％或100wt％(w/w)。纯度通过任何合适的标准方法测量，例如，柱色谱、薄层色谱或高效液相色谱(HPLC)分析。

用于培养微生物和生产微生物副产物的方法和设备可以在分批、准连续或连续过程中进行。

在一个实施例中，在培养完成时(例如，在达到期望的细胞密度或液体培养基中特定代谢物的密度时)，除去所有的微生物培养组合物。在该分批过程中，在第一批完成后，开始新的另一批培养。

在另一个实施例中，在任一时间只移除一部分发酵产物。在该实施例中，具有活细胞的生物质作为新的培养批次的接种物保留在容器中。被去除的组合物可以含或不含细胞的液体培养基。以这种方式，建立准连续系统。

有利的是，该方法不需要复杂的设备，也不会产生高能耗。研究的微生物可以在现场不同规模地培养和利用，甚至还能保持与培养基混合。类似地，微生物代谢物也可以在需要时大量生产。

有利的是，基于微生物的产品可以在远程位置生产。微生物生长设施可以通过利用诸如太阳能、风能和/或水力发电脱离电网运行。

基于酵母的产品的制备

本发明的一种基于酵母的产品仅是含有酵母和/或由酵母产生的微生物代谢物和/或任何残留营养物的发酵液。发酵产物可以不经提取或纯化直接使用。如果需要，也可使用文献中的标准的提取和/或纯化方法或技术轻松实现提取和纯化。

基于酵母的产品中的酵母可以是活性或非活性形式，或者兼具活性和非活性。基于酵母的产品无需进一步稳定、保存和储存即可使用。有利的是，直接使用这些基于酵母的产品确保微生物的高生存力，降低外来物质和不良微生物污染的可能性，并保持微生物生长副产物的活性。

在一个实施例中，命名为“Star 3+”的第一种酵母发酵产物可以通过改良的固态发酵形式使用培养酵母(例如异常威克汉姆酵母)来获得。异常威克汉姆酵母经常与食物和谷物生产有关，并且还有效用于生产各种溶剂、酶、毒素、甘油三酯以及生物表面活性剂(例如磷脂)。培养物可以在具有足够表面积的基质上生长，酵母可以附着于该基质上并繁殖，例如大米、大豆、鹰嘴豆、意大利面、燕麦片或豆类。可以在25-30℃下培养3-5天后获得含全部生长的酵母细胞的整个发酵培养基及其任何生长副产物(例如，酶、溶剂和/或生物表面活性剂)。可以将培养物与基质混合，研磨和/或微粉化，并可选择干燥。其中包括Star 3+产品。该组合物每克可以包含诸如1×10¹⁰-10¹²个细胞，在与其他成分混合之前，可以稀释10倍、50倍、100倍、500倍或1000倍等。

在一个实施例中，酵母发酵产物可以通过异常威克汉姆酵母的深层培养获得。在25℃-30℃下培养7天后的发酵液可含有酵母细胞悬浮液和例如至少1g/L-100g/L、2g/L-80g/L、3g/L-60g/L、4g/L-40g/L、5g/L-20g/L或6g/L-10g/L的生物表面活性剂。

在一个实施例中，酵母发酵产物也可以通过培养产生生物表面活性剂的酵母熊蜂生斯塔莫酵母获得。本菌种可有效用于生产糖脂生物表面活性剂，如SLP。在25℃下培养5天后的发酵液可以包含酵母细胞悬浮液和例如至少1g/L-150g/L、2g/L-120g/L、3g/L-100g/L、4g/L-80g/L、5g/L-60g/L或6g/L-50g/L的糖脂生物表面活性剂。

在具体实施例中，主题组合物的生物表面活性剂包含一种或多种糖脂生物表面活性剂。在具体的优选的实施例中，糖脂为槐糖脂。

槐糖脂是糖脂生物表面活性剂，由例如斯塔莫酵母分支的酵母产生，在一些实施例中，由异常威克汉姆酵母产生。SLP由与长链羟基脂肪酸相连二糖槐糖组成。可以包含部分乙酰化的2-O-β-D-吡喃葡萄糖基-D-吡喃葡萄糖单元，以β-糖苷键连接到17-L-羟基十八烷酸或17-L-羟基-Δ9-十八碳烯酸上。羟基脂肪酸通常含有16个或18个碳原子，并且可以含有一个或多个不饱和键。此外，槐糖残基可以在6-位和/或6’-位被乙酰化。脂肪酸羧基可以是游离形式(酸性或直链形式(通式1))或在4”-位内部酯化(内酯形式(通式2))。熊蜂生斯塔莫酵母产生一种特殊的酶，称为熊蜂生斯塔莫酵母内酯酯酶，催化直链SLP的酯化反应产生内酯型SLP。

式中，R¹和R^1’分别代表具有8-20个(具体为12-18个，更优选14-18个)碳原子的饱和烃链或单个或多个(特别是单个)不饱和烃链，其可以是直链或支链，并且可以包含一个或多个羟基，R²和R^2’分别代表氢原子或饱和烷基官能团或单个或多个(特别是单个)具有1-9个(更优选1-4个)碳原子的不饱和烷基官能团，其可以是直链或支链，并且可以包含一个或多个羟基，并且R³、R^3’、R⁴和R^4’分别表示氢原子或乙酰基。

槐糖脂可以以纯净物或发酵产物的混合物形式存在。槐糖脂可以以0.001wt％-90wt％(wt％)的浓度加入到混凝土组合物中，优选0.01wt％-50wt％，更优选0.1wt％-20wt％。在另一个实施例中，纯净的SLP可以与可接受的载体组合，其中SLP的浓度可以为0.001％-50％(v/v)，优选0.01％-20％(v/v)，更优选0.02％-5％(v/v)。

由酵母生长产生的酵母和/或液体培养基可以从生长容器中取出，并通过例如管道输送以立即使用。

酵母发酵产物可以包含酵母细胞和发酵液，或者可以包含从酵母细胞中分离的发酵液。在一个实施例中，液体培养基中的生物表面活性剂或其他生长副产物被进一步从液体培养基中分离并纯化。

在其他实施例中，在考虑诸如预期用途、计划的使用方法、发酵罐的尺寸和从微生物生长设施到使用地点的可用运输方式后，可将组合物(酵母、液体培养基或酵母和液体培养基)放置在适当尺寸的容器中。基于上述考虑，盛放基于酵母的组合物的容器可以是1加仑-2000加仑或更大尺寸。在其他实施例中，容器是2加仑、5加仑、25加仑、250加仑或更大尺寸。

在某些实施例中，本发明的组合物具有优于诸如单独的生物表面活性剂的优点，包括以下一项或多项：作为酵母细胞壁外表面一部分的高浓度甘露糖蛋白(甘露糖蛋白是高效的生物乳化剂)；酵母细胞壁中存在生物聚合物β-葡聚糖(一种乳化剂)；以及培养物中存在生物表面活性剂、代谢物和溶剂(例如，乳酸、乙醇、乙酸乙酯等)。

根据本发明有用的其它化学物质包括甘露糖蛋白、β-葡聚糖、乙醇、乳酸和其它具有诸如生物乳化和表面/界面张力降低属性的代谢物。

在某些实施例中，微生物培养物和/或生长副产物组合物可以添加到混凝土中。这些组合物可以在混凝土成分的初始混合期间添加，或者微生物培养物和/或生长副产物组合物可以在初始混凝土使用之后添加，即在养护过程期间或之后添加。

混凝土有三种基本成分：水、水泥和骨料。骨料，例如沙、石、岩石、砾石、再生混凝土、玻璃或高炉矿渣，构成了混凝土的大部分，构成了混凝土的基本结构。在某些实施例中，骨料可以包含单一成分，例如沙，也可包含不同骨料的组合，例如沙、再生混凝土和玻璃。水泥被用作黏合剂，将骨料彼此粘合在一起。加入水，使混合物成为均匀的、具有和易性的组合物。这种混凝土混合物可以根据用途制成各种形状和组合物。

混凝土混合物中加入了各种外加剂。具体包括诸如加速剂、粘合剂、腐蚀抑制剂、引气剂、结晶外加剂、颜料、塑化剂、超塑化剂、泵送助剂、缓凝剂、减水剂、减缩剂、水合控制外加剂、碱硅反应抑制剂、防潮外加剂、减渗外加剂、发气外加剂、抗分散外加剂、发泡外加剂和/或增和易性外加剂。

在某些实施例中，加速剂用于微生物培养物和/或生长副产物组合物中，或与其结合使用。氯化钙、硝酸钙、亚硝酸钙、甲酸钙、氯化钙、三乙醇胺和硫氰酸钠可用于混凝土组合物中，但通常会导致腐蚀问题，因此需要使用腐蚀抑制剂。

在某些实施例中，腐蚀抑制剂用于微生物培养物和/或生长副产物组合物中，或与其结合使用。腐蚀抑制剂包括但不限于氨基醇，例如2-氨基甲基丙醇；苯并三唑，例如二甲基乙醇胺苯并三唑和甲基苯并三唑；亚硝酸钙；和单氟磷酸钠。

微生物培养物和/或生长副产物可以与促进微生物培养物和/或生长副产物粘附到待处理表面的组合物一起使用。粘附促进物质可以是微生物培养物和/或生长副产物的一种成分，或者可以与基于酵母的产品按顺序使用。粘合剂、黏合剂、树脂和环氧树脂是混凝土中使用的成分，可以将混凝土粘合到现有结构上，或者将额外的化学物质粘合到混凝土表面上。粘合剂有助于新混凝土粘附到已养护的混凝土结构上。可用于本发明的粘合剂包括但不限于聚氯乙烯、聚醋酸乙烯酯、丙烯酸树脂和丁二烯-苯乙烯共聚物。

在某些实施例中，引气剂用于微生物培养物和/或生长副产物组合物中，或与其结合使用。引气剂包括木材树脂的盐、合成洗涤剂、磺化木质素的盐、石油酸的盐、蛋白质类物质的盐、脂肪酸和树脂酸及其盐、烷基苯磺酸盐和磺化烃的盐。

在某些实施例中，结晶外加剂用于微生物培养物和/或生长副产物组合物中，或与其结合使用，包括但不限于乳胶和硬脂酸钙。

在某些实施例中，本发明的微生物培养物和/或生长副产物组合物包含颜料或染料，其可提供油漆或其它涂层的颜色，但可额外地保护表面或物体免受(例如)紫外线照射。颜料或染料可以为天然、合成、无机或有机。颜料或染料可以选自例如二氧化钛、氧化锌、锌黄、黄色染料、联苯胺黄、氧化铬绿、酞菁绿、酞菁蓝、群青蓝、朱红、颜料棕6、红170、二噁嗪紫、炭黑、氧化亚铁、石英砂(SiO₂)、滑石、重晶石(BaSO₄)、高岭土和石灰石(CaCO₃)。

在某些实施例中，塑化剂、超塑化剂、增和易性外加剂和减水剂可以添加到微生物培养物和/或生长副产物组合物中，或者与其结合使用。化学塑化剂包括但不限于木素磺酸钙、聚葡萄糖酯、碳水化合物和羟基化羧酸。还存在超塑化剂，包括诸如改性木质素硫酸盐、磺化萘甲醛，它们在允许混凝土的和易性方面的能力优于塑化剂。

在某些实施例中，泵送助剂可以添加到微生物培养物和/或生长副产物组合物中，或者与其结合使用。泵送助剂包括但不限于有机和合成聚合物、有机絮凝剂、石蜡有机乳液、煤焦油沥青、丙烯酸树脂、膨润土和热解硅石以及熟石灰。

在某些实施例中，缓凝剂和水合控制外加剂可以添加到微生物培养物和/或生长副产物组合物中，或者与其结合使用。缓凝剂包括但不限于木质素、硼砂、糖、酒石酸和盐。

在某些实施例中，减缩剂可以添加到微生物培养物和/或生长副产物组合物中，或者与其结合使用，包括但不限于聚氧乙烯烷基醚和丙二醇。

碱硅反应抑制剂可用于微生物培养物和/或生长副产物组合物中，或与其结合使用。碱硅反应抑制剂包括但不限于钡盐、硝酸锂、碳酸锂和氢氧化锂。

防潮外加剂可用于微生物培养物和/或生长副产物组合物中，或与其结合使用。可用于混凝土防潮的一些化学物质包括诸如油酸钙或硬脂酸铵皂、油酸钙或油酸铵皂、硬脂酸丁酯和各种石油产品。防水材料也使用于混凝土的外表面。可用于防水混凝土的一些材料包括橡胶沥青涂层、膨润土、橡胶涂层和聚氨酯涂层。

在某些实施例中，发气外加剂可以添加到微生物培养物和/或生长副产物组合物中，或者与其结合使用。最常见的发气外加剂包括但不限于铝粉、活性炭和过氧化氢。

在某些实施例中，抗分散外加剂可以添加到微生物培养物和/或生长副产物组合物中，或者与其结合使用。纤维素和丙烯酸聚合物是可用于抗分散外加剂的示例性物质。

在某些实施例中，发泡外加剂可以添加到微生物培养物和/或生长副产物组合物中，或者与其结合使用，包括但不限于表面活性剂和水解蛋白质。在某些实施例中，混凝土组合物包含浓度为约0.001％至约50％(重量或体积百分比)、约0.01％至约10％、约0.05％至约1％或约0.1％至约0.5％的微生物生长副产物。

在某些实施例中，使用于混凝土表面的组合物含有浓度为约0.001％至约50％(组合物的重量或体积百分比)、约0.01％至约10％、约0.01％至约1％或约0.1％至约0.5％的微生物生长副产物。

在某些实施例中，微生物细胞可以以例如组合物每毫升至少1×10⁴、1×10⁵、1×10⁶、1×10⁷、1×10⁸、1×10⁹、1×10¹⁰或1×10¹¹或更多个细胞的浓度存在。

有利的是，根据本发明，微生物培养物和/或生长副产物可以包括微生物在其中生长的液体培养基。该产品可以至少达到液体培养基的1wt％、5wt％、10wt％、25wt％、50wt％、75wt％或100wt％。产品中生物质的量可以达到0wt％-100wt％的任何值，包括其间的所有百分比。

任选地，产品可以在使用前储存。优选较短的储存时间。因此，储存时间可以少于60天、45天、30天、20天、15天、10天、7天、5天、3天、2天、1天或12小时。在一个优选的实施例中，如果活细胞存在于产品中，则产品储存在低温下，例如低于20℃、15℃、10℃或5℃。另一方面，生物表面活性剂组合物通常可以储存在常温下。

本文提供的任何组合物或方法可以与本文提供的任何其它组合物和方法中的一种或多种组合。

通过下文对优选实施例的描述以及权利要求，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。本文引用的所有参考文献均通过引用并入本文。

微生物及其生长副产物在混凝土中的使用

使用包含根据本发明的组合物的混凝土将产生多个优势。在用于混凝土混合物时，微生物培养物和/或生长副产物可以在混凝土的各种成分(包括水、水泥、骨料和任选的外加剂)的初始混合过程中加入。

酸性和内酯型槐糖脂都可以使用。这两种类型的槐糖脂之间的混合物可以根据每种产品使用的所需特征进行调整。槐糖脂和包括酵母细胞在内的其他成分之间的比例可以根据每次使用进行调整。槐糖脂可以从产生化学物质和/或生长培养基的生物中纯化。可替换地，槐糖脂可以以未纯化的形式使用。用于产生生物表面活性剂的生物体可以从组合物中除去，而生长培养基的其它成分和由生物体产生的其它副产物可以保留在混合物中，以加入到混凝土组合物中。

本文所用的“使用”组合物或产品是指将其与目标、地点或材料接触，使得组合物或产品可以对该目标、地点或材料产生影响。该效果可能是例如微生物生长和/或生物表面活性剂或其他生长副产物的作用。例如，基于微生物的组合物或产品可以在混凝土搅拌设备和/或在混凝土产品的使用地点通过倾倒、喷洒、混合、摊铺和/或浇注以液体或干燥形式加入混凝土混合物中。

当在养护时或之后将微生物培养物和/或生长副产物组合物使用于混凝土时，可以使用例如喷雾瓶或加压喷雾装置进行喷雾。该组合物也可以使用布或刷子涂抹、铺展或刷涂到表面。此外，可以通过将表面浸入、浸泡或浸没到其中盛放组合物的容器中将组合物施加到表面上。

在一个实施例中，可将材料和/或表面浸泡在其上的组合物浸泡。例如，根据需要，浸泡时间可为至少5秒、30秒、1分钟、30分钟、60分钟、12小时、24小时、36小时、48小时或72小时或更长时间。

在某些实施例中，微生物培养物和/或生长副产物可以通过增加混凝土的强度、减少混凝土组合物中使用的水量、增加混凝土的和易性、减少混凝土的孔隙率、改变混凝土定型的速度和/或增加混凝土对生物和非生物压力的耐受性来改善混凝土。

混凝土组合物

微生物培养物和/或生长副产物组合物可用于建筑用普通类型的混凝土/水泥，例如波特兰水泥。此外，微生物培养物和/或生长副产物组合物可用于通常用到道路、停车场、机场和水坝的沥青混凝土。透水混凝土、纳米混凝土、微生物混凝土和聚合物混凝土都可以使用微生物培养物和/或生长副产物作为混合物成分。

此外，生物表面活性剂可用于混凝土涂层。通常，涂覆混凝土进行密封，防止水、盐和/或空气的渗透，进而防止表面损坏、腐蚀和污染。在某些实施例中，微生物培养物和/或生长副产物仅覆盖表面，而在其他实施例中，微生物培养物和/或生长副产物可以渗透到混凝土中并保留在表面上。

增强混凝土的强度

混凝土的强度通常与混凝土混合物中的水量成反比。混凝土中水的浓度每减少1％，混凝土的强度就会提高大约5％。但在某些情况下，减少水含量会降低混凝土的和易性以及缩短养护时间。

根据本发明，添加微生物培养物和/或生长副产物，优选槐糖脂和异常威克汉姆酵母，可以增加混凝土的和易性而不损害强度。塑化剂和超塑化剂目前用于混凝土混合物中，以保持混凝土的和易性，同时提高混凝土强度。

混凝土的强度可以通过多种方法组合或单一方法提高。这些方法包括但不限于降低混凝土组合物中的水量和降低混凝土的孔隙率。当在定型过程中水从混凝土中蒸发时，混凝土中存在空隙；因此，空隙体积越小，混凝土越坚固。这些产生的空隙决定了混凝土的孔隙率。使用微生物培养物和/或生长副产物来减少初始混凝土混合物中的水量也可以降低混凝土的孔隙率。混凝土的孔隙率可以由添加到混凝土中的微生物培养物和/或生长副产物的浓度来确定，与不使用微生物培养物和/或生长副产物的混凝土混合物相比，混凝土强度提高的同时还保持了和易性。

在某些实施例中，向混凝土混合物中添加浓度为约0.01％-0.5％的槐糖脂和浓度为约0.1％-0.5％的酵母细胞发酵废物可以显著增加混凝土的强度。酵母细胞发酵废物可以是活酵母细胞或死亡酵母细胞的产物。因此，可以按照约0.1g/L-100g/L的浓度添加酵母细胞。随着酵母细胞、槐糖脂和/或其他生长副产物的添加，水消耗也可以减少约1％-50％、10％-25％、或15％-20％。这种任选的水量减少可以改变混凝土的养护时间。

改变混凝土的养护时间

通过向混凝土混合物中添加微生物培养物和/或生长副产物组合物，可以改变养护时间。混凝土的水浓度决定了养护时间的长短(在影响蒸发的所有其他变量相同的情况下)。当水浓度较低时，蒸发较快，养护时间较短，而水浓度较高时，水蒸发较慢，养护时间较长。有利的是，在某些实施例中，向混凝土混合物中加入本发明的组合物可以减少混凝土保持和易性所需的水量。因此，在一些实施例中，可以缩短混凝土的养护时间。

可替换地，在某些实施例中，通过将微生物培养物和/或生长副产物组合物添加到混凝土混合物中，可在延长养护时间的同时，保持或甚至提高混凝土强度。混凝土在更长的时间内具有更高的可塑性。

提高混凝土对生物和非生物压力的耐受性

在某些实施例中，微生物培养物和/或生长副产物组合物可被添加到混凝土混合物中或被用于已定型或正在定型的混凝土的表面，以增加对环境压力的耐受性。该压力包括生物压力，例如细菌和藤壶，以及非生物压力，包括高温和低温、冻融循环、盐、高压或低压、风、降水、波浪、水、紫外线辐射、混凝土混合物或混凝土涂层中的杂质、静水压、研磨剂(例如沙尘暴)，以及用卡车运输已定型的混凝土板等情况下混凝土的运动。

在某些实施例中，通过添加微生物培养物和/或生长副产物，可使得混凝土抗冻。抗冻性是指混凝土在0℃温度以下保持其预期用途的能力。为实现抗冻性，通过防止水或湿气渗透混凝土，从而防止冰在混凝土内形成，从而防止混凝土破裂。此外，因为组合物中的水浓度较低和/或混凝土中夹带的空气量增加，微生物培养物和/或生长副产物可使混凝土抵抗低于冰点的温度导致的混凝土断裂，包括约-30℃、-15℃或-5℃以下。

在某些实施例中，微生物培养物和/或生长副产物组合物通过防止生物活体或非活物质的结垢延长混凝土的寿命。本发明可用于防止沉积的发生。

在某些实施例中，微生物培养物和/或生长副产物组合物密封了混凝土，防止水、盐和/或空气渗透。生物表面活性剂组合物可以保留在混凝土的表面上，或者该组合物可以渗透到混凝土中。穿透深度可达到混凝土总深度的约0.1％-1％，0.5％-5％，1％-10％，5％-50％或100％。

在某些实施例中，微生物培养物和/或生长副产物组合物可以防止混凝土与诸如波浪和风之类的磨蚀因素直接接触。

评估混凝土

为了识别和评估混凝土组合物或混凝土涂层的各种性质，可以进行各种测试。这些测试可用于验证混凝土是否满足结构要求。可替换地，这些试验可用于确定各种外加剂的最佳浓度，以产生所需的混凝土性能。

吸收试验

测试混凝土中的水分含量是确定混凝土样品防水性的常用方法。一种BS1881-122:2011中可用的普通吸收试验。

英国标准(BS)1881-122:2011和英国标准1881-122:1983试验测量浸没时渗入混凝土样品的水量。本领域技术人员熟知这些试验和试验变量。在这两种试验中，可能需要进行不同项目，包括：使用天平称量试样；岩心钻机用于切割直径约为75mm的土心；在大约105℃的温度下使用干燥炉；至少125mm深的水箱装有温度保持在约20℃的清水；和一个干燥、密封的容器可用作干燥器，其容量足以容纳三个待测样品。根据这些本领域公认的透水性测试对每个样品进行处理。

快速氯离子渗透试验

快速氯离子渗透试验通过监测通过圆柱形样品的电荷量来评估混凝土抵抗氯离子渗透的能力。该试验的示例可参考现行标准试验方法(ASTM)C1202。在该试验中，在六个小时，使电荷通过混凝土。通过混凝土的总电荷与试样抗氯离子渗透的能力有关。通过的电荷水平越低，表示电阻越高。本领域技术人员熟知该氯离子渗透试验。

透水性试验

透水性试验确定水在静水压下渗入混凝土样品的深度。透水性试验的两个示例可参考BS(欧洲标准)EN 12390-8和DIN 1048第5部分，测试当混凝土样品在3天内经受0.5MPa的静水压力时水渗透的深度。浇注混凝土样品并养护28天，然后放入测试装置中。样品架两端开口，一端承受静水压。3天后，将样品从测试装置中取出，垂直分成两半，测量水渗透的最大深度。

考虑到该试验测量水在静水压下渗入混凝土的程度，所以该试验可用于测试用于地下室、隧道、水坝和水库等结构中的混凝土。如果混凝土结构在其使用寿命期间不会承受静水压力，该透水性试验可与吸收试验结合。

抗压强度试验

抗压强度试验检查混凝土在静态或动态荷载下的充分表现性能的能力。一些标准测试包括ASTM C31、ASTM C39、ASTM C192、AASHTO T-22、AASHTO T-23、AASHTO T-126、EN1290-1、EN 12390-2、EN 12390-3、EN 12390-4和EN 12504-1。

该试验可用于确定适应所需载荷、质量控制、设计混合物批准和可接受性所需的尺寸或结构部件。试验可以在混凝土使用现场或生产地进行。

为了测量抗压强度，将圆柱形或立方体混凝土样品放入压缩试验机中，以恒定速率加载，然后测量断裂载荷(混凝土断裂时的载荷)。强度的计算方法是将断裂载荷除以垂直于载荷方向的试样横截面积。强度的单位可以是psi、kg/cm²或MPa，以及其他压力单位。

最终测试结果来自于相同样品浇铸的几个试样的平均强度，并在相同的养护龄期进行测试，通常规定在28天时具有完全设计的能力(28天强度)。三次连续测试结果必须达到或超过规定强度，且任何测试都不得低于规定强度的某个百分比。

除了压缩试验机之外，还需要使用模具、混合器、测试设备和样品养护设备。

抗拉强度试验

抗拉强度试验确定施加张力时混凝土的抗断裂能力。这种测试的部分标准包括ASTM C31、ASTM C78、ASTM C192、AASHTO T-23、AASHTO T-97、AASHTO T-126、EN 12390-5、EN 1339、EN 1340和EN 1521。

通常，混凝土的设计并不旨在抵抗直接拉伸载荷，因为混凝土的拉伸强度可能只为抗压强度的10％-15％。有几种类型的抗拉强度试验可用于确定混凝土的特性，包括直接张力使用、弯曲、间接劈裂圆柱体试验以及很少的单轴拉伸。

弯曲试验是一种常见的试验，包括使用对称的两点或三点载荷向未加固的混凝土棱柱或梁施加弯曲载荷。混凝土梁将在载荷下弯曲，当梁失效时，失效点的载荷用于计算抗拉强度和/或断裂模量。在劈裂圆柱体试验中，圆柱形试样的放置使其长轴水平地位于压缩机器的压板之间，并且载荷递增地施加到试样的侧面，直到使圆柱体沿着其轴劈裂。

需要使用模具、混合器、测试设备和样品养护设备。对于弯曲试验，弯曲梁框架或弯曲压板安装在压缩机器上。对于劈裂圆柱体试验，需要试验夹具和木条来施加劈裂载荷。

密度测试

可通过不同试验来确定混凝土的密度，主要是通过浮力平衡法和屈服桶法，在浮力平衡法中，已知体积在干燥和浸没条件下称重，在屈服桶法中，将新拌混凝土样品放入已知体积的金属容器中。将新拌混凝土压实到容器中，填充到顶部，刮平顶部，然后称重。通过简单的重量/体积计算确定密度。可以使用的部分标准试验有ASTM C29、ASTM C138、AASHTOT-19、AASHTO T-121、EN 12390-7和EN 1097-3。

需要使用模具、搅拌器、浮力天平和框架、天平、捣棒、刮平板和样品养护设备。

高密度混凝土可用于铸造预拉伸增强元件，如拉伸电缆或钢筋。混凝土浇注在预拉伸的电缆上，以在钢筋和混凝土之间提供额外的粘结强度。一旦混凝土硬化，钢筋被释放，造成混凝土构件的压缩。该混凝土用于高强度的元件，如桥梁和预拉楼板。低密度混凝土和加气混凝土用于地面楼板，以提高恶劣天气条件下的性能。混凝土密度的变化取决于其成分的密度，包括生物表面活性剂、骨料和水泥以及空气含量。

坍落度试验

混凝土坍落度试验用于测量新拌混凝土的稠度、和易性以及流动性。一般来说，试验显示了水与水泥的比率，较高的含水量显示了较高的坍落度值。坍落度是硬化混凝土抗压强度的指标。一般来说，对于标准重量的混凝土，含水量越高，强度越低。然而，包括生物表面活性剂的外加剂可以通过改变必要的流动性所需的水与水泥的比例来影响坍落度值。可以使用的部分标准试验有ASTM C143、AASHTO T-119和EN 12350-2。

该试验是用一个被称为坍落度筒或Abrams筒的标准尺寸的锥形模具进行，该模具中充满了新拌混凝土。当移除筒时，新拌混凝土垂直沉降，坍落度值是从原始高度开始的垂直沉降或坍落度的测量值。需要使用金属坍落度筒、捣棒、坍落度筒底座、卷尺、模具、搅拌器、试验设备和样品养护设备。

高流态混凝土用于在重型钢筋模板内浇筑混凝土，以确保充分和均匀的混凝土混合物分布在整个钢筋混凝土构件中。因此，测量坍落度的主要目的是达到可接受的和易性。

空气含量试验

空气含量试验用于确定混凝土中的空气量。试验通常使用压力法。混凝土被放入一个已知体积的容器中，并从顶部排出。该方法基于波义耳定律，其中空隙中的空气柱与施加的压力成比例。通过连接一个配有泵的独立气室向密封测试容器施加压力。当阀门关闭时，气室被加压至标定的工作压力，压力表被标定。当阀门打开时，混凝土中的空气膨胀到试验室中，一个计量器提供以空气含量为单位的读数。需要使用输气计、刮尺、橡皮锤、混合器、测试设备和样品养护设备。可以使用的部分标准测试有ASTM C231、AASHTO T-152和EN12350-7。

在混凝土暴露于冻融循环的区域，通常需要在混凝土中引入较高含量的空气。水在冻结时会膨胀，从而可能会产生超过混凝土构件粘结强度或拉伸强度的内力，导致开裂。非常小的气泡形式的空气在混凝土内提供空隙空间，作为水可以沉积和膨胀的水库，在冷冻循环中释放内部压力，并为混凝土提供保护。使用搅拌叶片将空气均匀分布在混凝土混合物中。在搅拌过程中使用添加剂来稳定夹带的气泡，这样一旦混凝土硬化，气泡就会保留下来。

混凝土试验锤

试验锤用于确定现场混凝土的强度。混凝土试验锤也称为回弹锤或施密特锤。试验锤使用弹簧驱动的质量块，释放该质量块以设计的能量冲击混凝土样品的表面。然后测量撞击后的回弹距离。锤子垂直于被测试的表面，回弹根据样品点的硬度而变化。然后通过换算表将回弹测量值转换为抗压强度。生成了不同的换算表来补偿仪器方向。这些表是通过在混凝土样品受压压碎前对其进行回弹试验而制定。除了压缩试验机之外，还需要使用模具、混合器、测试设备和样品养护设备。

如前所述，该试验并不是测定抗压强度的标准试验。然而，进行压缩试验的混凝土样本数量通常太少，不能视为高于随机试验。在许多情况下，确定结构改造的老化混凝土构件的抗压强度、建模和分析也很重要。

超声波脉冲速度测试

超声波混凝土测试仪可以测量混凝土的均匀性，确定是否存在空隙、裂缝和其他缺陷，混凝土是否因老化或火灾霜冻或化学侵蚀而变质，测量层厚和弹性模量，以及确定混凝土强度。为了测试这些参数，超声波脉冲穿过混凝土，测量传播时间。

该试验可在成品混凝土上进行，以评估混凝土的质量。当观察到高速超声波脉冲时，就密度或缺陷的存在而言，混凝土整体上是均匀的和同质的。用这种方法可以探测地表和地下的问题。

示例

通过下面列举的示例，可以更好地理解本发明及其许多优点。以下示例说明了本发明的一些方法、应用、实施例和变型。该示例不应被认为是对本发明的限制。

示例1–用槐糖脂和异常威克汉姆酵母增加混凝土抗压强度

生物表面活性剂和酵母培养物的结合提高了混凝土的强度。通过用抗压强度试验评估样品的强度。每个样品包含波特兰水泥、沙和水。一些样品还包含异常威克汉姆酵母和内酯或酸性槐糖脂。

在以下试验条件下，将异常威克汉姆酵母和槐糖脂添加到包含水和

的常规混凝土混合物中，其中每千克

添加150ml水，不添加任何外加剂：

1.对照：0g/L的异常威克汉姆酵母和0ml/l的槐糖脂

2.组2：10g/L的异常威克汉姆酵母和0.05ml/l的内酯型槐糖脂

3.组3：10g/L的异常威克汉姆酵母和0.1ml/l的内酯型槐糖脂

4.组4：10g/L的异常威克汉姆酵母和0.3ml/l的酸性槐糖脂

5.组5：10g/L的异常威克汉姆酵母和0.1ml/l的酸性槐糖脂

6.组6：10g/L的异常威克汉姆酵母和0.05ml/l的酸性槐糖脂

将含有或不含酵母和生物表面活性剂的混凝土混合物倒入直径为50mm、高度为100mm的圆柱体中。将混凝土样品在室温(22℃)下干燥27天。

为了确定每个混凝土样品的抗压强度，使用了TORBAL FB高分辨率精密测力计。将每个混凝土样品圆柱体垂直放置在一个支架上，在此将量具调平并去皮重。施加压力，直到圆柱体完全破裂，无法继续测量力。产生的最大力记录在表1中。每个测试条件重复三次。对于每种试验条件，确定平均产生的最大压力。

基于表1中所示的结果，含有10g/l的异常威克汉姆酵母和0.05ml/l的内酯槐糖脂的混凝土混合物的抗压强度比不含酵母细胞或槐糖脂的对照混凝土高21.4％。

Claims (32)

1.一种用于改善混凝土的组合物，包含微生物培养物和/或其生长副产物以及混凝土混合物。

2.根据权利要求1所述的组合物，其中，所述混凝土混合物包含水、骨料和水泥。

3.根据权利要求2所述的组合物，其中，所述骨料选自以下的一种或组合：沙、砾石、石、岩石、高炉矿渣、玻璃和再生混凝土。

4.根据权利要求1所述的组合物，其中，所述生长副产物在所述组合物中的浓度为约0.001％至约5％。

5.根据权利要求1所述的组合物，其中，所述微生物培养物在所述组合物中的浓度为约0.1g/l至约100g/l。

6.根据权利要求1所述的组合物，其中，所述生长副产物为生物表面活性剂。

7.根据权利要求6所述的组合物，其中，所述生物表面活性剂为槐糖脂。

8.根据权利要求7所述的组合物，其中，所述槐糖脂为内酯型槐糖脂。

9.根据权利要求1所述的组合物，其中，所述生长副产物包含以下中的一种或组合：碳水化合物、多元醇、脂质、糖脂、酯或蛋白质。

10.根据权利要求1所述的组合物，其中，所述微生物培养物包括威克汉姆酵母属中多个种和/或斯塔莫酵母属中多个种。

11.根据权利要求1所述的组合物，其中，微生物处于营养期。

12.根据权利要求1所述的组合物，其中，微生物为孢子形式。

13.根据权利要求1所述的组合物，进一步包含混凝土外加剂。

14.根据权利要求13所述的组合物，其中，所述混凝土外加剂包括以下至少一种：

a)加速剂；

b)粘合剂；

c)腐蚀抑制剂；

d)引气剂；

e)结晶外加剂；

f)颜料；

g)塑化剂；

h)超塑化剂；

i)泵送助剂；

j)缓凝剂；

k)减水剂；

l)减缩剂；

m)水合控制外加剂；

n)碱硅反应抑制剂；

o)防潮外加剂；

p)减渗外加剂；

q)发气外加剂；

r)抗分散外加剂；

s)发泡外加剂；和

t)增和易性外加剂。

15.一种用于改善混凝土的一种或多种性能的方法，包括：向混凝土中添加微生物培养物和/或其生长副产物。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述混凝土包含水、骨料和水泥。

17.根据权利要求16所述的方法，进一步包含混凝土外加剂。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述混凝土外加剂选自以下的一种或组合：

a)加速剂；

b)粘合剂；

c)腐蚀抑制剂；

d)引气剂；

e)结晶外加剂；

f)颜料；

g)塑化剂；

h)超塑化剂；

i)泵送助剂；

j)缓凝剂；

k)减水剂；

l)减缩剂；

m)水合控制外加剂；

n)碱硅反应抑制剂；

o)防潮外加剂；

p)减渗外加剂；

q)发气外加剂；

r)抗分散外加剂；

s)发泡外加剂；和

t)增和易性外加剂。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述骨料选自以下的一种或组合：沙子、砾石、石头、岩石、高炉矿渣、玻璃和再生混凝土。

20.根据权利要求15所述的方法，其中，所述生长副产物为生物表面活性剂。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述生物表面活性剂为槐糖脂。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述槐糖脂为内酯型槐糖脂。

23.根据权利要求15所述的方法，其中，所述生长副产物包含以下中的一种或组合：碳水化合物、多元醇、脂质、糖脂、酯和蛋白质。

24.根据权利要求15所述的方法，其中，所述生长副产物的浓度为约0.001％至约50％。

25.根据权利要求15所述的方法，其中，所述微生物培养物在所述组合物中的浓度为约0.1g/l至约100g/l。

26.根据权利要求15所述的方法，其中，所述微生物培养物包括威克汉姆酵母属中多个种和/或斯塔莫酵母属中多个种。

27.根据权利要求15所述的方法，其中，微生物处于营养期。

28.根据权利要求15所述的方法，其中，微生物为孢子形式。

29.根据权利要求15所述的方法，其中，所述混凝土通过以下的一种或组合方式改善：

a)增加所述混凝土的强度；

b)减少所述混凝土组合物中的用水量；

c)增加所述混凝土的和易性；

d)降低所述混凝土的孔隙率；

e)改变所述混凝土的养护时间；和

f)提高所述混凝土对一种或多种环境压力的耐受性，所述一种或多种环境压力选自生物压力和非生物压力。

30.根据权利要求15所述的方法，其中，在使用所述混凝土之前，将所述混凝土、所述生长副产物和/或所述微生物培养物混合在一起。

31.根据权利要求15所述的方法，其中，当所述微生物培养物和/或所述生长副产物被施加到所述混凝土时，所述混凝土正在养护。

32.根据权利要求15所述的方法，其中，当将所述微生物培养物和/或所述生长副产物施加到所述混凝土时，所述混凝土完全养护。