EP4522579A1 - Verfahren zur herstellung von calciumcarbonat-materialien oder calciumcarbonat- enthaltenden materialien - Google Patents

Verfahren zur herstellung von calciumcarbonat-materialien oder calciumcarbonat- enthaltenden materialien

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Publication number
EP4522579A1
EP4522579A1 EP23725599.7A EP23725599A EP4522579A1 EP 4522579 A1 EP4522579 A1 EP 4522579A1 EP 23725599 A EP23725599 A EP 23725599A EP 4522579 A1 EP4522579 A1 EP 4522579A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
calcium
cyanobacteria
materials
light
calcium carbonate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23725599.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Ahlhelm
Alexander Michaelis
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4522579A1 publication Critical patent/EP4522579A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/10—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by using foaming agents or by using mechanical means, e.g. adding preformed foam
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/08—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by adding porous substances

Definitions

  • the invention relates to the fields of materials science and construction and relates to a method for producing calcium carbonate materials or calcium carbonate-containing materials, such as those used in construction as biogenic building and construction materials in various shapes and structures, such as panels or parts of Facades or for light concrete, for shaped stones, for formwork elements or for biogenic bricks or bricks, or for large structures, such as in the area of foundation structures for (offshore) wind turbines, e.g. for the foundation base for a jacket structure, for anchor points for floating offshore Wind turbines or foundation bases for gravity foundations can be used.
  • Cement is an inorganic and non-metallic building material.
  • the natural raw materials limestone and clay are used for production.
  • the raw materials are ground into raw meal and then heated to around 1,450 °C and cement clinker receive.
  • the carbon dioxide bound in the lime is released (Wikipedia, keyword cement).
  • Litracon Classic® is a completely handcrafted product that creates an individual light pattern in each piece (www.litracon.hu).
  • Litracon pXL® does not use optical fibers to transmit light, but rather a specially shaped plastic unit.
  • the panels produced are reinforced with this plastic unit and can be storey high.
  • the light points appear evenly distributed on the surface of the pXL® panels, like pixels on an LCD screen. It is also possible to use the Litracon pXL® technology to create not only simple panels, but also 3D objects such as folded or curved shapes and hollow bodies.
  • the first approaches were developed to produce building materials from urine, sand and bacteria: human urine and urine mixed with CaOH2 stabilizes urease. This enzyme was then used to initiate calcification with bacteria of the species Sporosarcina pasteurii, to form calcium carbonate and to ensure that the mass hardens.
  • bioconcretes produced only had strengths of 2.7 MPa (Lambert, S.E, et al; Water Research 160(1) (2019), 158 - 166).
  • bacterial cells are added to gelatin hydrogels, they can be enhanced by microbially induced calcium carbonate precipitation (MICP).
  • MIMP microbially induced calcium carbonate precipitation
  • Green Basilisk www.basiliskcon-crete.com
  • spores can remain in the concrete matrix for years before they are “awakened” by water penetration (after crack formation) and transform into active bacteria. They then begin to digest lactate and produce CO2 - the concrete heals itself as the calcium ions released from the calcium lactate combine with the CO2 to form calcium carbonate due to the high pH value in the concrete.
  • Microorganism-polymer-mineral-based engineering materials are most likely offered by the biotech company bioMASON INC (biomason.com), which uses a urea-producing wild-type Bacillus strain that can glue rock and sand grains together into stable tile-like structures.
  • the bacteria hydrolyze urea as a starting material to CO2, which combines with calcium ions to form calcium carbonate. This binds the surrounding rock grains into a solid matrix within a tile shape.
  • these bioLITH® tiles are dimensionally stable like wet sand castles and only need to dry at room temperature before they can be used for walls or floors (Jeong, J.H., et al: (2017) J. Microbiol. Biotechnol. 27, 1331 -1335).
  • CO2 is generated in-situ, but calcium carbonate must first be thermally decomposed. CO2 is not removed from the atmosphere.
  • the use of particulate raw materials cannot be dispensed with.
  • biologically-induced carbonate precipitation (MICP; microbially-induced carbonate precipitation), which also occurs there, is known as a possibility for in-situ CaCOs mineral production using microorganisms (see above for comparison).
  • the light reaction is a complex electron transport chain that involves the formation of energy-rich molecules (in the form of ATP & NADPH), the oxidation of water and the release of oxygen. This leads to the consumption of H + and thus contributes to alkalinization.
  • This alkalinization is the driving force for calcium carbonate formation by CynanoprokaryotaZ bacteria.
  • Cyanobacteria are blue (green) algae, the oxygen photosynthetically active bacteria (prokaryotes), which are currently taxonomically called “Cyanoprokaryota” (Minerals, 2012, 2, 338-364).
  • the dark reaction is a complex biochemical process in which carbon dioxide is fixed in the form of sugar using the energy-rich molecules from photosynthesis.
  • the Calvin cycle is based on the CO2-binding enzyme RuBisCO (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylaseZ-oxygenase), which is a key enzyme for CO2 fixation.
  • RuBisCO ribulose-1,5-bisphosphate carboxylaseZ-oxygenase
  • the enzyme transfers a CO2 molecule to ribulose-1,5-bisphosphate and two molecules of 3-phosphoglycerate are formed.
  • cyanobacteria the synthesis takes place in the carboxysome.
  • the reaction relies on CO2 as a substrate.
  • Means Carbon concentration mechanisms (CCM) a system for enriching the internal CO2 pool, can compensate for undersaturation of the enzyme.
  • the dissolved CO2 is mainly present as COs 2 ' and leads to the precipitation of calcium carbonate through the accumulation of calcium.
  • the calcium is present in dissolved ion form Ca 2+ , such as in water.
  • Other important factors for calcium carbonate formation are cellular surface structures, so-called S-layer proteins and exopolysaccharides (EPS), which act as crystallization nuclei. Cyanobacteria are therefore of great ecological importance in the global carbon and nitrogen cycle.
  • a method and a device for the continuous production of foams are known, in which foaming material is continuously introduced through a hollow body in which a static mixer is located, and gas/gas mixtures or liquid/gas are passed through the porous hollow body wall. Liquid mixtures are forced through by setting the gas or liquid pressure in the free volume higher than the pressure in the cavity of the hollow body and the counterpressure of the porous hollow body wall, then the foamed material is continuously removed from the hollow body and converted into a solid foam state.
  • the object of the present invention is to provide a method for producing calcium carbonate materials or materials containing calcium carbonate, in which a sustainable production of calcium carbonate materials or materials containing calcium carbonate is realized and in particular the CO2 emissions are not only reduced, but CO2, for example from the environment, is also consumed.
  • microbiologically-induced calcium carbonate production is achieved at least
  • Natural calcium powder, calcium silicate powder, sand, recycled building materials, building rubble, mineral rocks, silicates, gravel, gravel, Granites, basalts, clays, ceramic powders, polyurethanes are used, and in the case of introducing non-calcium-containing or non-calcium material as starting materials, a calcium-containing or calcium material is introduced with the cyanobacteria, advantageously as a liquid, in which the cyanobacteria are located, the nutrient solution of the cyanobacteria is used, which in the case of the introduction of calcium-containing or calcium material with the cyanobacteria also has calcium-containing or calcium material.
  • the introduction of pores or the adjustment of pore sizes in a calcium-containing or calcium material is carried out by introducing gases, such as carbon dioxide or carbon dioxide-containing gases, into the calcium-containing or calcium material or by applying calcium-containing or Calcium materials on foams or by introducing placeholders that are removed, or realized by freeze foaming, whereby gases are advantageously introduced into the calcium-containing or calcium material by chemically or physically induced or by pressure foaming, by stirring or is realized by gas input, for example by compressed air, and / or even more advantageously calcium-containing or calcium materials are applied to foams made of polymers or ceramic materials and solidified on their surface, whereby the foam materials can be subsequently removed, and / or still
  • a suspension is produced from the calcium-containing or calcium material and / or from the non-calcium-containing or non-calcium material with a suspension medium and this is subjected to a suppression and / or a decrease in temperature and the suspension medium is sublimed.
  • a pore size of the calcium-containing or calcium material or the non-calcium-containing or non-calcium material is from 0.3 to 10,000 pm, more advantageously from 10 to 5,000 pm, more advantageously from 100 to 1,000 pm, exists or is introduced or discontinued.
  • ambient air or industrially produced gases such as CO2 produced in industrial processes, which may have been purified and concentrated, are used as the environment containing carbon dioxide and water or water vapor.
  • cyanobacteria a strain of Cyanoprokarvota is used as the cyanobacteria, the cyanobacteria also being in combination with urease-producing and urea-decomposing bacteria, such as Helicobacter pylori, Klebsiella, Proteus, Staphylococcus saprophyticus, Yersinia or species of Enterobacter and Citrobacter, can be used.
  • urease-producing and urea-decomposing bacteria such as Helicobacter pylori, Klebsiella, Proteus, Staphylococcus saprophyticus, Yersinia or species of Enterobacter and Citrobacter
  • cyanobacteria are used together with a nutrient solution for these cyanobacteria, at least in the case of the presence of only non-calcium-containing or non-calcium material with the cyanobacteria via the nutrient solution also calcium-containing or calcium material is introduced.
  • cyanobacteria with at least one calcium-containing or calcium material and / or with at least one non-calcium-containing or non-calcium material or with a lumpy or powdery non-calcium-containing material, and with a material are brought together to immobilize the cyanobacteria
  • the materials for immobilizing the cyanobacteria advantageously being gels, gelatin, Hydrogels, crosslinking and/or polymerizing and/or hardening sols and/or additives can be used.
  • sunlight and/or artificial light and/or light is introduced as light to realize the photosynthesis of the cyanobacteria, which is realized via at least one light-conducting and light-emitting material or component, advantageously light guides as light-conducting and light-emitting materials or components , optical fibers, LEDs, OLEDs, diodes, glass components are introduced.
  • the calcium carbonate-containing material produced is finished as a building material or is further processed as a semi-finished product or is further used as a building material.
  • the present invention makes it possible for the first time to provide a method for producing calcium carbonate materials or materials containing calcium carbonate, in which a sustainable production of calcium carbonate materials or materials containing calcium carbonate is realized and in particular CO2 emissions are not only reduced, but CO2 is also consumed from the environment, for example.
  • the particular advantage of the solution according to the invention is that the production of calcium carbonate materials or materials containing calcium carbonate is sustainable and after the desired product has been completed, living cyanobacteria can still be present, which can also continue to convert it into calcium carbonate. This can result in a “living” material that continues to not only consume CO2 from the air, but also release oxygen.
  • Natural calcium powder, calcium silicate powder, sand, recycled building materials, building rubble, mineral rocks, silicates, gravel, gravel, Granites, basalts, clays, ceramic powders, polyurethanes are used. If non-calcium-containing or non-calcium material is used as starting materials, a calcium-containing or calcium material must be introduced with the cyanobacteria, for example as a component of the liquid in which the cyanobacteria are located.
  • the nutrient solution of the cyanobacteria can be used as the liquid in which the cyanobacteria are located, which in the case of the introduction of calcium-containing or calcium material with the cyanobacteria also has calcium-containing or calcium material.
  • the calcium-containing or calcium material used according to the invention can also contain a small proportion of natural limestone, which can act as a kind of “seed material”.
  • the solution according to the invention is intended to replace natural limestone as a material and thus conserve resources.
  • CaSC, CaHPC or CaCl2 or other Ca salts or Ca sols can be used as calcium powder, or mineral rocks such as basalt or sea water can be obtained from Ca-containing rocks and Ca-containing rocks.
  • the respective calcium powder can also contain portions of CaCOs, which can serve as “inoculation seeds”.
  • calcium-containing materials can also be aggregates such as building rubble, recycled building rubble, sands, gravels, granites, clays, ceramic powders or mineral powders, and calcium can also be added to these materials.
  • matrix materials that contain calcium in any form or phase or into which additional calcium is added, such as polyurethane or silicon dioxide sols, colloidal silicon dioxide, (hydro)gels or gelatin, agar, sodium alginates, can be used as calcium-containing materials according to the invention. Porosity can arise during the production of these materials. Of course, mixtures of all of the calcium-containing materials mentioned can also be used according to the invention.
  • a material which already has pores can be used as the calcium-containing material, or another porous material can be used together with a calcium-containing material.
  • the advantage according to the invention is that the solution according to the invention can be used to introduce a desired amount and size of pores into a material, in particular into a calcium-containing or calcium material which has no or insufficient pores.
  • a pore size of the pores of the calcium-containing or calcium material or the non-calcium-containing or non-calcium material should be from 0.3 to 10,000 pm, advantageously from 10 to 5,000 pm, even more advantageously from 100 to 1,000 pm, be present or introduced or discontinued.
  • a porosity factor P is specified for such building materials, which is defined as the product of the specific permeability coefficient K and the maximum M of the differential pore distribution, for example, or the permeability coefficient alone.
  • compaction pores such as compaction pores, air pores, capillary pores or gel pores.
  • the pore size of compaction and air pores are of a magnitude that can either be perceived with the naked eye or at least with the light microscope (determination of the air pore parameters in hardened concrete in the ⁇ NORM B3303 concrete test) and are in the size range from 10 pm to 10,000 pm Pore sizes of the so-called gel and capillary pores in the size range from 0.001 to 10 pm. According to the invention, all such pores can be present and/or introduced in the entire pore size range mentioned.
  • the realization of an environment containing carbon dioxide and water or water vapor is possible in such pores, as is bringing them into contact with cyanobacteria.
  • the pore size for contacting and calcium carbonate production/calcium carbonate precipitation (MICP) via microbiologically induced processes is limited by the size of the cyanobacteria that should get into the pores, otherwise calcium carbonate production cannot take place in the pores.
  • the diameter or largest dimension of cyanobacteria cells generally varies from 0.3 to 1 pm to 60 pm.
  • the pores in a calcium-containing or calcium material and/or in a non-calcium-containing or non-calcium material can advantageously be introduced and/or their pore size can be adjusted, for example by introducing gases into the calcium-containing or Calcium material and/or into the non-calcium containing or non-calcium material or by applying such materials to or into foams.
  • the calcium-containing or calcium materials and/or the non-calcium-containing or non-calcium materials are advantageously in a suspension or solution.
  • a method for the continuous production of foams in which the material to be foamed is continuously introduced through at least one inlet into a hollow body in which a static mixer is located.
  • the material to be foamed is continuously transported through the hollow body, with gas/gas mixtures or liquid/liquid mixtures passing through at least areas of the hollow body wall that are porous Hollow body wall is pressed through, and the material to be foamed is processed using the static mixer with the gas to form foam or with the liquid to form a dispersion, whereby when using a liquid, the distributed liquid drops are only removed outside the device by drying or selective dissolution from the dispersion and so that a foam is created, and the foamed or dispersed material is continuously transported out of the hollow body through at least one exit, and the foamed or dispersed material is converted into a solid foam state (DE 10 2010 039 322 A1).
  • the pores can advantageously also be introduced into calcium-containing or calcium material and/or into non-calcium-containing or non-calcium material.
  • the introduction of pores into these materials can be achieved, for example, using the Schwartzwalder, placeholder or direct foaming processes.
  • calcium-containing or calcium materials and/or non-calcium-containing or non-calcium materials can be applied to foams made of polymers or ceramic materials that have been solidified via the Schwartzwalder, placeholder, direct foam or freeze foam processes.
  • calcium-containing or calcium material and/or non-calcium-containing or non-calcium material are processed into a suspension with a suspending agent and subjected to a negative pressure and/or a reduction in temperature to solidify/solidify/freeze the suspension . Subsequently, the suspending agent is sublimated and removed and the solidified porous calcium-containing or calcium material and/or the non-calcium-containing or non-calcium material can then be further processed, for example heat treated.
  • porous calcium-containing or calcium material and/or in a non-calcium-containing or non-calcium material is then brought into contact with cyanobacteria in an environment containing carbon dioxide and water or water vapor. Furthermore, it is according to the invention that in the calcium-containing or calcium
  • Material and / or non-calcium-containing or non-calcium material predominantly open pores, advantageously if possible only open pores, are generated and / or the pore size is adjusted so that the cyanobacteria are advantageously as much as possible in the entire or in the desired volume of these
  • Ambient air or industrially produced gases such as CO2 produced in industrial processes, which may have been purified and concentrated, are advantageously used as the environment containing carbon dioxide and water or water vapor.
  • the amount of carbon dioxide and water or water vapor is determined by the amount of cyanobacteria and photosynthetic activity. If there is too little carbon dioxide and water or water vapor in the area of the cyanobacteria, no calcium carbonate production/calcium carbonate precipitation (MICP) will be achieved using microbiologically induced processes. Likewise, calcium carbonate production/calcium carbonate precipitation (MICP) via microbiologically induced processes will not occur if there is too little light at the respective position.
  • cyanobacteria are to be understood as meaning bacteria that can be assigned to the Cyanoprokaryota, such as cyanophytes, Synechocystis sp. PCC 6803, Synechococcus sp. PCC 7002, Synechococcus elongatus PCC 7942, 11801 11802, 11901 , UTEX 2973.
  • the cyanobacteria used can be used together with a nutrient solution for these cyanobacteria, at least in the case of the presence of only non-calcium-containing or non-calcium material with the cyanobacteria via the liquids in which the cyanobacteria are located, advantageously Nutrient solution of the cyanobacteria, also calcium-containing or calcium material, must be introduced.
  • the cyanobacteria can advantageously be coated with at least one calcium-containing or calcium material and/or with at least one non-calcium-containing or non-calcium material or with a lumpy or powdery non-calcium-containing material, and with a material for immobilizing the Cyanobacteria are brought together, gels, gelatin, hydrogels, crosslinking and/or polymerizing and/or hardening sols and/or additives being used as materials for immobilizing the cyanobacteria.
  • a combination of cyanobacteria with urease-producing and urea-decomposing bacteria such as Helicobacter pylori, Klebsiella, Proteus, Staphylococcus saprophyticus, Yersinia or species of Enterobacter and Citrobacter, can also be used according to the invention.
  • the light to be introduced advantageously has a wavelength of 380 nanometers (nm) to 780 nm, although several wavelengths can also be used together, such as 660 nm and 730 nm, which are necessary and advantageous for realizing photosynthesis in cyanobacteria.
  • the calcium-containing or calcium material and/or the non-calcium-containing or non-calcium material or the material for immobilizing the cyanobacteria can be subjected to a heat treatment.
  • a calcium carbonate material produced according to the invention or a material containing calcium carbonate which can advantageously be further processed as a building material or used as a building material.
  • the process of microbiologically-induced calcium carbonate production does not need to be completely completed if the calcium carbonate materials or materials containing calcium carbonate produced in this way are further processed or used.
  • the wall After hardening, the wall is removed and can be monitored for service life, damage, etc. using ultrasonic measurement technology.
  • the wall After hardening, the wall is removed and can be monitored for service life, damage, etc. using ultrasonic measurement technology.
  • a suspension is poured into a geometric shape (L x W x H, 30 cm x 30 cm x 10 cm).
  • OLED arrays were introduced into the mold and were surrounded by the suspension after the suspension was introduced.
  • the OLEDs guide light into the interior of the mold and into the suspension.
  • the process of converting calcium into calcium carbonate can continue even after demoulding.
  • the suspension with the OLEDs inside the mold is then hardened.
  • gaseous CO2 calcium carbonate is formed by MICP.
  • the process of converting calcium into calcium carbonate can continue even after demoulding.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Materialwissenschaft und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Calciumcarbonat-Materialien oder Calciumcarbonat-enthaltenden Materialien, wie sie beispielsweise im Bauwesen als biogenen Bau- und Konstruktionsmaterialien eingesetzt werden können. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens, bei dem eine nachhaltige Herstellung von Calciumcarbonat-Materialien realisiert wird und insbesondere CO2 beispielsweise aus der Umgebung verbraucht wird. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem zur Realisierung einer mikrobiologisch-induzierten Calciumcarbonat-Erzeugung mindestens ein Calcium- Material oder nicht-Calcium-Material mit Poren in einer Kohlendioxid- und Wasser- oder Wasserdampf-enthaltenden Umgebung in Kontakt mit mindestens Cyanobakterien gebracht wird, wobei mindestens im Falle des Vorhandenseins von nur nicht-Calcium-Material mit mindestens den Cyanobakterien auch Calcium- enthaltendes oder Calcium-Material eingebracht wird, und weiterhin mindestens Licht zur Realisierung der Photosynthese der Cyanobakterien eingebracht wird, und nach der mikrobiologisch-induzierten Calciumcarbonat-Erzeugung das hergestellte Calciumcarbonat-Material fertiggestellt ist.

Description

Verfahren zur Herstellung von Calciumcarbonat-Materialien oder Calciumcarbonatenthaltenden Materialien
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Materialwissenschaft und des Bauwesens und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Calciumcarbonat-Materialien oder Calciumcarbonat-enthaltenden Materialien, wie sie beispielsweise im Bauwesen als biogenen Bau- und Konstruktionsmatenalien in diversen Formen und Strukturen, wie Paneelen oder Teilen von Fassaden oder für Lichtbeton, für Formsteine, für Verschalungselemente oder für biogene Ziegelsteine oder Mauersteine, oder für Großstrukturen, wie im Bereich von Gründungsstrukturen für (Offshore)Windanlagen, so z.B. für die Gründungsbasis für eine Jacket-Struktur, für Ankerpunkte für Floating- Offshore-Windenergieanlagen oder auch für Gründungssockel für Schwerkraftfundamente, eingesetzt werden können.
Für den Industriesektor wird bis 2030 eine Halbierung der CC -Emissionen angestrebt. Noch in 2017 lagen die Emissionen in der Industrie bei 193 Mio. t CO2, wovon allein 20,5 Mio. t CO2 auf die Zementproduktion und 121 Mio. t CO2 auf den Gebäudebau zurückzuführen waren.
Zement ist ein anorganischer und nichtmetallischer Baustoff. Zur Herstellung werden die natürlichen Rohstoffe Kalkstein und Ton verwendet. Die Rohstoffe werden zu Rohmehl gemahlen und anschließend auf etwa 1.450 °C erhitzt und Zementklinker erhalten. Beim Brennen wird das im Kalk gebundene Kohlendioxid freigesetzt (Wikipedia, Stichwort Zement).
Mit steigendem Wirtschaftswachstum werden mehr und mehr groß angelegte Bauwerke, Hochhäuser und/oder unterirdische Anlagen gebaut. Dadurch wird der globale Zementverbrauch laut Prognosen aufgrund der Bevölkerungsentwicklung, der Urbanisierung und dem zunehmenden Infrastrukturaufbau bis 2050 deutlich steigen.
Diese wirtschaftlich guten Aussichten sind jedoch ein Problem für das Klima, da die Zementherstellung hohe Treibhausgas-Emissionen verursacht.
Jedoch werden auch die zur Herstellung von diversen gängigen Zementen und Betonen benötigten Rohstoffe, wie Sand und Kies, zunehmend knapp oder sind mit zunehmend hohen Kosten verbunden.
Daher besteht ein Bedarf an intelligenten Konstruktionen und wirtschaftlich tragfähigen Ersatzlösungen und der Ersatz durch nachwachsende Rohstoffe, alternative Zemente (Low Carbon Cement), Recycling-Betone, energieeffiziente Carbon Capture and Storage- und vor allem Carbon Capture and Utilization-Herangehensweisen gewinnt zunehmend an Bedeutung.
Aber auch in Anbetracht der der raschen Verstädterung weltweit werden die meisten großen Gebäude nahe beieinander gebaut, so dass natürliches Sonnenlicht an und in den Gebäuden stark reduziert ist. Damit und auch im Zusammenhang mit dem Bestreben nach „Well-being und Health“ werden Lösungen gebraucht, die zum einen dem steigenden Umweltbewusstsein nach alternativen „grünen“ Zementen und Betonen und Baumaterialien nachkommen und zum anderen dem Wohlgefühl bei natürlichem Licht und/oder dem Bedarf nach Licht zur Förderung/Aufrechterhaltung biologischer Stoffwechselaktivitäten von Lebewesen ermöglichen.
Zur Bereitstellung von mehr Licht und auch aus architektonisch/künstlicheren Aspekten wurde „Lichtdurchlässiger Beton; Lichtbeton“ erstmals 2001 vom ungarischen Architekten Aron Losonczi entwickelt (Light Transmitting Concrete, Litracon) (EP 2 179 105 A2). Der weltweit erste kommerziell erhältliche transparente Beton Litracon Classic® ist eine Kombination aus optischen Fasern und Feinbeton. Eine Herstellung als vorgefertigte Bausteine ist möglich, indem schichtweise in vorgefertigten Formen gegossen werden. Aufgrund der geringen Größe der Fasern werden sie kaum sichtbar im Beton integriert.
Zwei Materialien - Glas in Beton - werden vermischt und ein Verbundmaterial liegt vor, das sowohl in seiner inneren Struktur als auch an seinen Hauptoberflächen homogen ist. Litracon Classic® ist ein vollständig handgefertigtes Produkt, das in jedem Stück ein individuelles Lichtmuster erzeugt (www.litracon.hu).
Da der Anteil der Glasfasern in Litracon mit 4% gering ist und diese zudem einen kleinen Durchmesser von 2 Mikrometer bis 2 Millimeter aufweisen, entspricht die Stabilität der von gewöhnlichem Beton.
Je mehr optische Fasern eingefügt und je dichter sie gepackt werden, desto transparenter ist das Material. Die annähernd verlustfreie Lichtleitung durch die optischen Fasern ermöglicht es selbst bei größeren Wanddicken, Licht, Schattenwürfe oder sogar Farben zu sehen. Im Gegensatz zu Litracon Classic® werden in Litracon pXL® keine optischen Fasern zur Lichtübertragung verwendet, sondern eine speziell geformte Kunststoffeinheit. Die hergestellten Platten sind mit dieser Kunststoffeinheit verstärkt und können geschosshoch sein. Die Lichtpunkte erscheinen in gleichmäßiger Verteilung auf der Oberfläche der pXL®-Paneele, wie Pixel auf einem LCD-Bildschirm. Auch ist es möglich, mit der Litracon pXL®-Technologie nicht nur einfache Platten, sondern auch 3D-0bjekte wie z.B. gefaltete oder gebogene Formen und Hohlkörper zu erstellen.
Diese Materialien können damit in einer Vielzahl von architektonischen und innenarchitektonischen Anwendungen eingesetzt werden, einschließlich Verkleidungen und Trennwänden.
Für eine ökologische Nachhaltigkeit aber ist die Verwendung von erneuerbaren Baumaterialien und Verfahren zum Recycling sehr entscheidend. Bei konventionellem Beton jedoch ist die Beeinflussung der chemischen Reaktivität mit der Hydratation und Erhärtung des Zements erschöpft. Die Betonrecyclingtechnologie ist daher auf die Verwendung von Abfallbeton als Zuschlagstoff beschränkt (Tam,V.W. J. Clean. Prod. 17 (2009), 688-702; Kou, S.C, et al: Cement Concrete Compos. 32 (2010), 649 - 654). Als alternative Herstellungsroute zu neuartigen Betonen und alternativen Zementen - auch für den für Litracon zugrundeliegenden verwendeten Zementen und Betonen - werden zunehmend biologisch-inspirierte Routen ins Auge gefasst, so z.B. die Herstellung von sogenannten Living Building Materials (LBM) unter Verwendung von Mikroorganismen-Polymer-Kompositen zur Erzeugung von Baumaterialien.
Erste Ansätze wurden entwickelt, um Baustoffe aus Urin, Sand und Bakterien zu produzieren: menschlicher und mit CaOH2 versetzter Urin stabilisiert Urease. Dieses Enzym wurde dann genutzt, um mit Bakterien der Art Sporosarcina pasteurii eine Calcifizierung in Gang zu setzen, Calciumcarbonat zu bilden und für eine Aushärtung der Masse zu sorgen. Hergestellte Biobetone wiesen jedoch nur Festigkeiten von 2,7 MPa auf (Lambert, S.E, et al; Water Research 160(1 ) (2019), 158 - 166).
In Arbeiten von Pilehvar et al: J. of Cleaner Production 247 (2020) 119177 wurde ein synthetisches pulverförmiges Mondgestein, Regolith-Simulant, verwendet, um zusammen mit Urease-basierter Calcifizierung einen festen Strukturkörper herzustellen. Über Materialextrusion konnten kleinere, teils schichtweise Stränge, aufgebaut werden. Die Festigkeiten beliefen sich auf 32 MPa. Hintergrund dieser, vor allem für weltraum-spezifische Ansätze, ist das Verwenden der Mittel vor Ort (Gestein vom Mond, Urin vom Menschen), um Materialien herzustellen.
Noch einen Schritt weiter gehen Forschungen von A.D. Roberts, et al: Materials Today Bio, Volume 12, (2021 ), 100136, die Lunar Highlands Simulant 1 (LHS-1 ) und Martian Global Simulant 1 (MGS-1 ) nutzten, um mit menschlichem Serum-Albumin als Binder und Urin eine Verfestigung zu „extraterrestrial regolith biocomposites (ERBs)“ realisieren. Festigkeiten von bis zu 37,9 MPa wurden erreicht. Auch hier fand eine einfache Materialextrusion zu rudimentären schichtweisen Aufbauten statt.
Werden Gelatine-Hydrogelen Bakterienzellen zugesetzt, können diese durch mikrobiell induzierte Calciumcarbonatausfällung (MICP) verstärkt werden. Diese Technologie ist u.a. zur Verbesserung von Böden (Ivanov, V., et al: (2008) Rev. Environ. Sei. Biol. Technol. 7, 139-153; Van Paassen, L.A., et al:(2010) Ecol. Eng. 36, 168-175; Chu, J., et al: (2012) Geomicrobiol. J. 29, 544-549) und Betonen eingesetzt worden (De Muynck, W., et al: (2010) Ecol. Eng. 36, 118-136; Ghosh, S., et al:(2009) Cement Concrete Compos. 31 , 93-98; Jeong, J.H. et al: (2017). J. Microbiol. Biotechnol. 27, 1331-1335). Sollten die Gelatine-Gele austrocknen, können diese unter leicht erhöhter Temperatur wieder in Wasser aufgelöst werden, die Lösung mit Bakterien recycelt werden und zur Herstellung neuer LBMs wiederverwendet werden (Qiu et al: iScience 24, 102083, February 19, 2021 ).
Jährlich geben die Regierungen weltweit Milliarden von Dollar aus, um Risse in Betonbauwerken zu reparieren und die Infrastruktur aufrecht zu erhalten. Um dem entgegenzuwirken, verbindet Green Basilisk (www.basiliskcon-crete.com) Beton mit Bakteriensporen und Calciumlactat. Die Sporen können als solche jahrelang in der Beton-Matrix verbleiben, bevor sie durch Wassereintritt (nach Rissbildung) „geweckt“ werden und sich in aktive Bakterien verwandeln. Dann beginnen diese, Lactat zu verdauen und CO2 zu produzieren - der Beton heilt sich damit selbst, da die aus dem Calciumlactat freigesetzten Calciumionen sich durch den hohen pH-Wert im Beton mit dem CO2 zu Calciumcarbonat verbinden.
Konstruktionsmatenalien auf Mikroorganismen-Polymer-Mineralbasis werden am ehesten durch das Biotech-Unternehmen bioMASON INC (biomason.com) angeboten, das einen Urea-bildenden Wildtyp-Bacillus-Stamm verwendet, der Gesteins- und Sandkörner zu stabilen kachelartigen Strukturen zusammenkleben kann. Die Bakterien hydrolysieren Harnstoff als Ausgangsmaterial zu CO2, das sich mit Calciumionen zu Calciumcarbonat verbindet. Dieses bindet die umgebenden Gesteinskörner zu einer festen Matrix innerhalb einer Fliesenform. Nach drei Tagen sind diese bioLITH®-Fliesen formstabil wie nasse Sandburgen und müssen nur noch bei Raumtemperatur trocknen, bevor sie für Wände oder Böden verwendet werden können (Jeong, J.H., et al: (2017) J. Microbiol. Biotechnol. 27, 1331-1335). Hier wird CO2 in-situ erzeugt, aber es muss vorher Calciumcarbonat thermisch zersetzt werden. CO2 wird nicht aus der Atmosphäre genommen. Zudem kann auf das Einsetzen von partikulärem Rohstoff nicht verzichtet werden.
In US 2012137931 A1 werden Bakterien verwendet, die eine Biosilizifierung, also ein biologisch getriggertes Entstehen von SiC>2, erlauben und somit, unter Verwendung von zementartigem Material, Sand und Kies (oder einer Kombination davon), die Herstellung spezieller Betonzusammensetzungen und Zemente ermöglichen, die Biomoleküle mit Silica-freilassender Aktivität beinhalten (auch Proteine). Weiter ist die Herstellung von ziegelsteinartigen Baustoffen aus Mischungen aus Gelatine, Sand und dem Cyanobakterium Synechoccocus sp. PC 7002 bekannt, welches durch Calciumcarbonat-Mineralisierung mit der Zeit eine Verfestigung der Kompositmatrix bewirkt (Qiu et al: iScience 24, 102083, February 19, 2021 ; Heveran, C.M et al, Matter 2020, 2, 481 - 494). Dieses neuartige LBM erlaubt sogar ein vollständiges Materialrecycling. Für einen Einsatz als lasttragendes Material sind die dort verwendeten organischen Hydrogele ohne Zusätze jedoch zu weich und daher nur für Anwendungen wie Tissue Engineering geeignet. Die maximale Druckfestigkeiten lagen bei ca. 4 MPa.
Die auch dort ablaufende „biologisch-induzierte Carbonatausfällung“ (MICP; microbially-induced carbonat precipitation) ist als Möglichkeit der in-situ CaCOs- Mineralerzeugung mittels Mikroorganismen bekannt (Vergleich siehe oben).
Etwa 20-30% der globalen photosynthetischen Kohlendioxidfixierung erfolgt beispielsweise durch Cyanobakterien. Die Photosynthese findet dabei durch zwei Reaktionen statt, durch die Lichtreaktion und die Dunkelreaktion.
Bei der Lichtreaktion handelt es sich um eine komplexe Elektronentransportkette, die mit der Bildung von energiereichen Molekülen (in Form von ATP & NADPH), der Oxidation von Wasser und der Freisetzung von Sauerstoff einhergeht. Dies führt zum Verbrauch von H+ und trägt damit zur Alkalisierung bei. Diese Alkalisierung ist die treibende Kraft für die Calciumcarbonatbildung durch CynanoprokaryotaZ-bakterien. Cyanobakterien sind Blau(grün)algen, die oxygen photosynthetisch aktive Bakterien (Prokaryonten), die taxonomisch aktuell “Cyanoprokaryota“ genannt werden (Minerals, 2012, 2, 338-364).
Bei der Dunkelreaktion, dem sogenannten Calvin-Zyklus, handelt es sich um einen komplexen biochemischen Vorgang, bei dem Kohlenstoffdioxid unter Verbrauch der energiereichen Moleküle aus der Photosynthese in Form von Zucker fixiert wird. Der Calvin-Zyklus basiert auf dem CO2-bindenden Enzym RuBisCO (Ribulose-1 ,5- bisphosphat-carboxylaseZ-oxygenase) welches ein Schlüsselenzym für die CO2- Fixierung ist. Das Enzym überträgt ein CO2-Molekül auf Ribulose-1 ,5-bisphosphat und es entstehen 2 Moleküle 3-Phosphoglycerat. Die Synthese erfolgt bei Cyanobakterien im Carboxysom. Die Reaktion ist dabei auf CO2 als Substrat angewiesen. Mittels Kohlenstoff-Konzentrations-Mechanismen (CCM), einem System zur Anreicherung des internen CO2-Pools, kann eine Untersättigung des Enzyms ausgeglichen werden. Danach kommt es dann zur Calciumcarbonatbildung indem der Kohlenstoff im Cytosol in Form von CO2 über Diffusion in die Zelle aufgenommen und enzymatisch in HCOs’ umgewandelt wird. Das HCOs’ wird anschließend ins Carboxysom transportiert und über die Carbonanhydrase in CO2 umgewandelt, damit es als Substrat für RuBisCo dient. Während der enzymatischen Umwandlung in CO2 kommt es zu einem Verbrauch von H+ und einer Freisetzung von OH’ (Dunkelreaktion). Zusätzlich kommt es während der Photosynthese zu einem Verbrauch von H+ (Lichtreaktion). Das führt zur Alkalisierung der Zellaußenseite und beeinflusst maßgeblich die Calciumcarbonatbildung außerhalb der Zellmembran. In Folge der Alkalisierung liegt das gelöste CO2 hauptsächlich als COs2’ vor und führt durch Akkumulation von Calcium zur Präzipitation von Calciumcarbonat. Das Calcium liegt dabei in gelöster lonenform Ca2+, wie beispielsweise in Gewässern, vor. Weitere wichtige Faktoren für die Calciumcarbonatbildung sind auch zelluläre Oberflächenstrukturen, sogenannte S- Layer-Proteine und Exopolysaccharide (EPS), die als Kristallisationskeime fungieren. Damit haben Cyanobakterien große ökologische Bedeutung im globalen Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf.
Weiterhin sind aus der DE 102010 039322 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung von Schäumen bekannt, bei dem schäumendes Material kontinuierlich durch einen Hohlkörper eingebracht wird, in dem sich ein statischer Mischer befindet, und durch die poröse Hohlkörperwandung Gas/Gasgemische oder Flüssigkeit/Flüssigkeitsgemische hindurchgepresst werden, indem der Gas- oder Flüssigkeitsdruck in dem freien Volumen höher eingestellt wird, als der Druck im Hohlraum des Hohlkörpers und der Gegendruck der porösen Hohlköperwandung, dann das geschäumte Material kontinuierlich aus dem Hohlkörper entfernt und in einen festen Schaumzustand überführt wird.
Nachteile der Lösungen des Standes der Technik sind meist die noch nicht ausgereiften Technologien für die Herstellung von „grünen“ Calciumcarbonatenthaltenden Materialien oder Calcium-Produkte, die aus Calciumcarbonatenthaltenden Ausgangsmatenalien entstehen, auch in ausreichenden Mengen, und bei der Herstellung von Calciumcarbonat-enthaltenden Materialien nach den langbekannten Methoden die fehlende Nachhaltigkeit der Herstellung und ein hoher CO2-Ausstoß bei der Herstellung derartiger Materialien.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens zur Herstellung von Calciumcarbonat-Materialien oder Calciumcarbonat-enthaltenden Materialien, bei dem eine nachhaltige Herstellung von Calciumcarbonat-Materialien oder Calciumcarbonat-enthaltenden Materialien realisiert wird und insbesondere der CO2-Ausstoß nicht nur reduziert, sondern auch CO2 beispielsweise aus der Umgebung verbraucht wird.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Ansprüche im Sinne einer und-Verknüpfung einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Calciumcarbonat- Materialien oder Calciumcarbonat-enthaltenden Materialien wird zur Realisierung einer mikrobiologisch-induzierten Calciumcarbonat-Erzeugung mindestens
- ein Calcium-enthaltendes oder Calcium-Material mit Poren oder ein Calciumenthaltendes oder Calcium-Material, in welches Poren eingebracht worden sind und/oder welche hinsichtlich der Porengröße eingestellt werden, und/oder
- ein nicht-Calcium-enthaltendes oder nicht-Calcium-Material mit Poren oder in welches Poren eingebracht worden sind und/oder hinsichtlich der Porengröße eingestellt werden, oder ein stückiges oder pulverförmiges nicht-Calcium-enthaltendes Material, in einer Kohlendioxid- und Wasser- oder Wasserdampf-enthaltenden Umgebung in Kontakt mit mindestens Cyanobakterien gebracht, wobei mindestens im Falle des Vorhandenseins von nur nicht-Calcium-enthaltendem oder nicht-Calcium-Material mit mindestens den Cyanobakterien auch Calcium-enthaltendes oder Calcium-Material eingebracht wird, und weiterhin mindestens Licht zur Realisierung der Photosynthese der Cyanobakterien mindestens zu den Cyanobakterien eingebracht wird, und nach der mikrobiologisch-induzierten Calciumcarbonat-Erzeugung das hergestellte Calciumcarbonat-Material oder das hergestellte Calciumcarbonat-enthaltende Material fertiggestellt ist oder weiterverarbeitet werden kann.
Vorteilhafterweise werden als Calcium-enthaltendes oder Calcium-Material und/oder als nicht-Calcium-enthaltendes oder nicht-Calcium-Material natürliche Calcium-Pulver, Calcium-Silikatpulver, Sand, recycelte Baumaterialien, Bauschutt, mineralische Gesteine, Silikate, Kiese, Schotter, Granite, Basalte, Tone, keramische Pulver, Polyurethane eingesetzt wird, und wobei im Falle der Einbringung von nicht-Calcium- enthaltendem oder nicht-Calcium-Material als Ausgangsstoffe ein Calciumenthaltendes oder Calcium-Material mit den Cyanobakterien eingebracht, wobei noch vorteilhafterweise als Flüssigkeit, in dem sich die Cyanobakterien befinden, die Nährlösung der Cyanobakterien eingesetzt wird, die im Falle der Einbringung von Calcium-enthaltendes oder Calcium-Material mit den Cyanobakterien auch Calciumenthaltendes oder Calcium-Material aufweist.
Weiterhin vorteilhafterweise wird die Einbringung von Poren oder die Einstellung von Porengrößen in einem Calcium-enthaltenden oder Calcium-Material durch die Einbringung von Gasen, wie Kohlendioxid oder Kohlendioxid-enthaltende Gase, in das Calcium-enthaltende oder Calcium-Material oder durch Aufbringen von Calciumenthaltenden oder Calcium-Materialien auf Schäume oder durch Einbringen von Platzhaltern, die entfernt werden, oder durch Gefrierschäumung realisiert, wobei noch vorteilhafterweise das Einbringen von Gasen in das Calcium-enthaltende oder Calcium-Material durch chemisch- oder physikalisch induziertes oder durch Druck- Aufschäumen, durch Rühren oder durch Gaseintrag, beispielsweise durch Druckluft, realisiert wird, und/oder noch vorteilhafterweise Calcium-enthaltende oder Calcium- Materialien auf Schäume aus Polymeren oder keramischen Materialien aufgebracht und auf deren Oberfläche verfestigt werden, wobei die Schaummaterialien nachfolgend entfernt werden können, und/oder noch vorteilhafterweise aus dem Calcium-enthaltenden oder Calcium-Material und/oder aus dem nicht-Calcium- enthaltenden oder nicht-Calcium-Material mit einem Suspensionsmedium eine Suspension hergestellt und diese einem Unterdrück und/oder einer Temperaturerniedrigung ausgesetzt und das Suspensionsmedium sublimiert wird. Ebenfalls vorteilhafterweise ist eine Porengröße des Calcium-enthaltenden oder Calcium-Materials oder des nicht-Calcium-enthaltenden oder nicht-Calcium-Materials von 0,3 bis 10.000 pm, noch vorteilhafterweise von 10 bis 5.000 pm, noch vorteilhafterweise von 100 bis 1.000 pm, vorhanden oder wird eingebracht oder eingestellt.
Und auch vorteilhafterweise werden in dem Calcium-enthaltenden oder Calcium- Material oder in dem nicht-Calcium-enthaltenden oder nicht-Calcium-Material überwiegend offene Poren, vorteilhafterweise möglichst nur offene Poren, erzeugt und/oder deren Porengröße eingestellt.
Vorteilhaft ist es auch, wenn als Kohlendioxid- und Wasser- oder Wasserdampfenthaltenden Umgebung Umgebungsluft oder industriell erzeugte Gase, wie in industriellen Prozessen entstandenes CO2, dass gegebenenfalls gereinigt und aufkonzentriert worden ist, eingesetzt wird.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn als Cyanobakterien ein Stamm der Cyanoprokarvota eingesetzt wird, wobei die Cyanobakterien auch in Kombination mit Urease-bildenden und Harnstoff-zersetzenden Bakterien, wie Helicobacter pylori, Klebsiella, Proteus, Staphylococcus saprophyticus, Yersinia oder Arten von Enterobacter und Citrobacter, eingesetzt werden können.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn Cyanobakterien gemeinsam mit einer Nährlösung für diese Cyanobakterien eingesetzt werden, wobei mindestens im Falle des Vorhandenseins von nur nicht-Calcium-enthaltendem oder nicht-Calcium-Material mit den Cyanobakterien über die Nährlösung auch Calcium-enthaltendes oder Calcium- Material eingebracht wird.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn Cyanobakterien mit mindestens ein Calciumenthaltendes oder Calcium-Material und/oder mit mindestens ein nicht-Calcium- enthaltendes oder nicht-Calcium-Material oder mit einem stückigen oder pulverförmigen nicht-Calcium-enthaltendes Material, und mit einem Material zur Immobilisierung der Cyanobakterien zusammengebracht werden, wobei als Materialien zur Immobilisierung der Cyanobakterien vorteilhafterweise Gele, Gelatine, Hydrogele, vernetzende und/oder polymerisierenden und/oder aushärtende Sole und/oder Zuschlagstoffe, eingesetzt werden.
Von Vorteil ist es auch, wenn Licht mit einer Wellenlänge von 380 Nanometern (nm) bis 780 nm zur Realisierung der Photosynthese der Cyanobakterien zu den Cyanobakterien eingebracht wird, wobei auch mehrere Wellenlängen gemeinsam eingesetzt werden können, wie beispielsweise 660nm und 730nm.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn als Licht zur Realisierung der Photosynthese der Cyanobakterien Sonnenlicht und/oder Kunstlicht und/oder Licht eingebracht wird, welches über mindestens ein lichtleitendes und lichtabgebendes Material oder Bauelement realisiert wird, wobei vorteilhafterweise als lichtleitende und lichtabgebende Materialien oder Bauelemente Lichtleiter, optische Fasern, LED's, OLED's, Dioden, Glaskomponenten eingebracht werden.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn lichtleitende und lichtabgebende Materialien oder Bauelemente vorher, gleichzeitig oder unmittelbar nachfolgend mit der Einbringung von Poren und/oder mit der Einstellung hinsichtlich einer Porengröße in einem Calcium-enthaltenden oder Calcium-Material eingebracht werden.
Und auch von Vorteil ist es, wenn lichtleitende und lichtabgebende Materialien oder Bauelemente vorher, gleichzeitig oder unmittelbar nachfolgend mit der Einbringung von immobilisierenden Materialien für die Cyanobakterien eingebracht werden.
Und ebenfalls von Vorteil ist es, wenn nach der mikrobiologisch-induzierten Calciumcarbonat-Erzeugung das hergestellte Calciumcarbonat-enthaltende Material als Baumaterial fertiggestellt ist oder als Halbzeug weiterverarbeitet oder als Baustoff weiterverwendet wird.
Mit der vorliegenden Erfindung wird es erstmals möglich, ein Verfahren zur Herstellung von Calciumcarbonat-Materialien oder Calciumcarbonat-enthaltenden Materialien anzugeben, bei dem eine nachhaltige Herstellung von Calciumcarbonat-Materialien oder Calciumcarbonat-enthaltenden Materialien realisiert wird und insbesondere der CO2-Ausstoß nicht nur reduziert, sondern auch CO2 beispielsweise aus der Umgebung verbraucht wird.
Erreicht wird dies durch ein Verfahren zur Herstellung von Calciumcarbonat- Materialien oder Calciumcarbonat-enthaltenden Materialien, bei dem die Calciumcarbonaterzeugung/Calciumcarbonatausfällung (MICP) über mikrobiologischinduzierte Verfahren realisiert wird.
Darin besteht der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung, dass die Herstellung von Calciumcarbonat-Materialien oder Calciumcarbonat-enthaltenden Materialen nachhaltig ist und nach der Fertigstellung des gewünschten Produktes noch lebende Cyanobakterien vorhanden sein können, die auch weiter eine Umsetzung zu Calciumcarbonat realisieren können. Dies kann zu einem „lebenden“ Material führen, welches weiterhin nicht nur CO2 aus der Luft verbraucht, sondern auch Sauerstoff abgibt.
Zur erfindungsgemäßen Realisierung des Calciumcarbonaterzeugung wird mindestens
- ein Calcium-enthaltendes oder Calcium-Material mit Poren oder ein Calciumenthaltendes oder Calcium-Material, in welches Poren eingebracht worden sind und/oder hinsichtlich der Porengröße eingestellt werden, und/oder
- ein nicht-Calcium-enthaltendes oder nicht-Calcium-Material mit Poren oder in welches Poren eingebracht worden sind und/oder hinsichtlich der Porengröße eingestellt werden, oder ein stückiges oder pulverförmiges nicht-Calcium-enthaltendes Material, in einer Kohlendioxid- und Wasser- oder Wasserdampf-enthaltenden Umgebung in Kontakt mit mindestens Cyanobakterien gebracht.
Als Calcium-enthaltendes oder Calcium-Material und/oder als nicht-Calcium- enthaltendes oder nicht-Calcium-Material werden vorteilhafterweise natürliche Calcium-Pulver, Calcium-Silikatpulver, Sand, recycelte Baumaterialien, Bauschutt, mineralische Gesteine, Silikate, Kiese, Schotter, Granite, Basalte, Tone, keramische Pulver, Polyurethane eingesetzt. Sofern nicht-Calcium-enthaltendes oder nicht-Calcium-Material als Ausgangsstoffe eingesetzt werden, muss ein Calcium-enthaltendes oder Calcium-Material mit den Cyanobakterien, beispielsweise als Bestandteil der Flüssigkeit, in dem sich die Cyanobakterien befinden, eingebracht werden.
Dabei kann als Flüssigkeit, in dem sich die Cyanobakterien befinden, die Nährlösung der Cyanobakterien eingesetzt werden, die im Falle der Einbringung von Calciumenthaltendes oder Calcium-Material mit den Cyanobakterien auch Calciumenthaltendes oder Calcium-Material aufweist.
Das erfindungsgemäß eingesetztes Calcium-enthaltende oder Calcium-Material kann auch einen geringen Anteil an natürlichem Kalkstein enthalten, welches quasi als „Animpfmaterial“ wirken kann. Grundsätzlich soll aber mit der erfindungsgemäßen Lösung gerade natürlicher Kalkstein als Material ersetzt werden und so Ressourcen geschont werden.
Als Calcium-Pulver kann erfindungsgemäß beispielsweise CaSC , CaHPC oder CaCl2 oder andere Ca-Salze oder Ca-Sole eingesetzt werden oder aus Ca- enthaltenden Gesteinen und Ca-enthaltenen mineralische Gesteine, wie Basalt oder auch aus Meerwasser gewonnen werden.
Dabei kann das jeweilige Calcium-Pulver, wie bereits angegeben, auch schon Anteile von CaCOs enthalten, welches als „Animpfkeime“ dienen kann.
Andere Lieferanten für Calcium-enthaltende Materialien können auch Zuschlagstoffe, wie Bauschutt, recycelter Bauschutt, Sande, Kiese, Granite, Tone, keramische Pulver oder mineralische Pulver sein, wobei zu diesen Materialien auch Calcium zugegeben werden kann.
Ebenso können „Matrixmaterialien“, die Calcium in irgendeiner Form oder Phase enthalten oder in die zusätzlich Calcium hingebracht wird, wie Polyurethan oder Siliziumdioxidsole, kolloidales Siliziumdioxid, (Hydro)Gele oder Gelatine, Agar, Natriumalginate, als Calcium-enthaltende Materialien erfindungsgemäß eingesetzt werden. Bei der Herstellung dieser Materialien kann bereits Porosität entstehen. Selbstverständlich können auch Mischungen aller genannten Calcium-enthaltenden Materialien erfindungsgemäß eingesetzt werden.
Aber auch andere Materialien, die selbst kein Calcium enthalten, aber für das gewünschte Produkt erforderlich sind, wie beispielsweise MgSC oder Magnesiumsalze, können eingesetzt werden.
Dabei kann als Calcium-enthaltendes Material ein Material eingesetzt werden, welches bereits Poren aufweist, oder es kann ein anderes poröses Material mit einem Calciumenthaltende Material gemeinsam eingesetzt werden.
Von erfindungsgemäßem Vorteil ist es, dass durch die erfindungsgemäße Lösung in ein Material, insbesondere in ein Calcium-enthaltendes oder Calcium-Material, welches keine oder keine ausreichenden Poren aufweist, eine gewünschte Menge und Größe an Poren eingebracht werden kann.
Vorteilhafterweise sollte eine Porengröße der Poren des Calcium-enthaltenden oder Calcium-Materials oder des nicht-Calcium-enthaltenden oder nicht-Calcium-Materials von 0,3 bis 10.000 pm, vorteilhafterweise von 10 bis 5.000 pm, noch vorteilhafterweise von 100 bis 1 .000 pm, vorhanden sein oder eingebracht oder eingestellt werden.
Im Falle des Einbringens von Materialien, die nach Fertigstellung Beton ergeben, ist für solche Baustoffe ein Porositätsfaktor P angegeben, der als das Produkt aus dem spezifischen Permeabilitätskoeffizienten K und dem Maximum M der differentiellen Porenverteilung z.B. oder dem Permeabilitätskoeffizienten allein, definiert ist.
Bekannt sind bei Beton verschiedene Poren mit unterschiedlichen Porengrößen, wie Verdichtungsporen, Luftporen, Kapillarporen oder Gelporen. Während die Porengröße von Verdichtungs- und Luftporen in einer Größenordnung sind, die entweder noch mit freiem Auge oder zumindest mit dem Lichtmikroskop wahrgenommen werden können (Bestimmung der Luftporenkennwerte im Festbeton in der ÖNORM B3303 Betonprüfung) und im Größenbereich von 10 pm bis 10.000 pm liegen die Porengrößen der sogenannten Gel- und Kapillarporen im Größenbereich von 0,001 bis 10 pm. Erfindungsgemäß können alle solche Poren im gesamten genannten Porengrößenbereich vorhanden sein und/oder eingebracht werden. Die Realisierung einer Kohlendioxid- und Wasser- oder Wasserdampf-enthaltenden Umgebung ist in solchen Poren möglich, ebenso, wie die in Kontaktbringung mit Cyanobakterien.
Jedoch wird die Porengröße für die Inkontaktbringung und die Calciumcarbonaterzeugung/Calciumcarbonatausfällung (MICP) über mikrobiologischinduzierte Verfahren durch die Größe der Cyanobakterien, die in die Poren hineingelangen sollen begrenzt, da sonst in den Poren nicht die Calciumcarbonaterzeugung stattfinden kann. Der Durchmesser oder größte Abmessung von Cyanobakterien-Zellen variiert im Allgemeinen zwischen 0,3 und 1 pm bis 60 pm.
Die Poren in einem Calcium-enthaltenden oder Calcium-Material und/oder in einem nicht-Calcium-enthaltenden oder nicht-Calcium-Material können vorteilhafterweise eingebracht und/oder ihre Porengröße eingestellt werden, beispielweise durch die Einbringung von Gasen in das Calcium-enthaltende oder Calcium-Material und/oder in das nicht-Calcium-enthaltendes oder nicht-Calcium-Material oder durch Aufbringen von derartigen Materialien auf oder in Schäume. Dabei befinden sich die Calciumenthaltenden oder Calcium-Materialien und/oder die nicht-Calcium-enthaltenden oder nicht-Calcium-Materialien vorteilhafterweise in einer Suspension oder Lösung.
Im Falle des Einbringens von Gasen in das Calcium-enthaltende oder Calcium- Material und/oder in das nicht-Calcium-enthaltende oder nicht-Calcium-Material kann dies auch durch chemisch- oder physikalisch induziertes oder durch Druck- Aufschäumen, durch Rühren oder durch Gaseintrag, beispielsweise durch Druckluft, realisiert werden.
Bekannt ist dazu ein Verfahren zur kontinuierlichen Erzeugung von Schäumen, bei dem zu schäumendes Material kontinuierlich durch mindestens einen Eingang in einen Hohlkörper eingebracht wird, in dem sich ein statischer Mischer befindet. Das zu schäumende Material wird kontinuierlich durch den Hohlkörper hindurch transportiert, wobei dabei durch mindestens Bereiche der Hohlkörperwandung, die porös ausgebildet sind, Gas/Gasgemische oder Flüssigkeit/Flüssigkeitsgemische durch die Hohlkörperwandung hindurchgepresst wird, und das zu schäumende Material mittels des statischen Mischers mit dem Gas zu Schaum oder mit der Flüssigkeit zu einer Dispersion verarbeitet wird, wobei bei Verwendung einer Flüssigkeit die verteilten Flüssigkeitstropfen erst außerhalb der Vorrichtung durch Trocknung oder selektives Herauslösen aus der Dispersion entfernt werden und damit ein Schaum entsteht, und das geschäumte oder dispergierte Material kontinuierlich aus dem Hohlkörper durch mindestens einen Ausgang heraus transportiert wird, und das geschäumte oder dispergierte Material in einen festen Schaumzustand überführt wird (DE 10 2010 039 322 A1 ).
Die Poren können vorteilhafterweise auch in Calcium-enthaltendes oder Calcium- Material und/oder in nicht-Calcium-enthaltendes oder nicht-Calcium-Material eingebracht werden. Die Einbringung von Poren in diese Materialien kann beispielsweise über das Schwartzwalder-, Platzhalter- oder Direktschäumverfahren realisiert werden. Auch können Calcium-enthaltende oder Calcium-Materialien und/oder nicht-Calcium-enthaltende oder nicht-Calcium-Materialien auf Schäume aus Polymeren oder keramischen Materialien aufgebracht werden, die über das Schwartzwalder-, Platzhalter-, Direktschäum- oder Gefrierschäumverfahren verfestigt wurden.
Bei der Gefrierschäumung werden Calcium-enthaltendes oder Calcium-Material und/oder in nicht-Calcium-enthaltendes oder nicht-Calcium-Material mit einem Suspensionsmittel zu einer Suspension verarbeitet und einem Unterdrück und/oder einer Temperaturerniedrigung zur Verfestigung/Erstarrung/Einfrieren der Suspension ausgesetzt. Nachfolgend wird das Suspensionsmittel sublimiert und entfernt und das verfestigte poröse Calcium-enthaltende oder Calcium-Material und/oder das nicht- Calcium-enthaltende oder nicht-Calcium-Material kann dann weiterbearbeitet, beispielsweise wärmebehandelt werden.
Das poröse Calcium-enthaltende oder Calcium-Material und/oder in einem nicht- Calcium-enthaltende oder nicht-Calcium-Material wird dann in einer Kohlendioxid- und Wasser- oder Wasserdampf-enthaltenden Umgebung in Kontakt mit Cyanobakterien gebracht. Weiterhin ist es erfindungsgemäß, dass in dem Calcium-enthaltenden oder Calcium-
Materials und/oder nicht-Calcium-enthaltenden oder nicht-Calcium-Material überwiegend offene Poren, vorteilhafterweise möglichst nur offene Poren, erzeugt werden und/oder deren Porengröße eingestellt wird, damit die Cyanobakterien vorteilhafterweise möglichst in das gesamte oder in das gewünschte Volumen dieser
Materialien Vordringen und die die Calciumcarbonaterzeugung/
Calciumcarbonatausfällung (MICP) über mikrobiologisch-induzierte Verfahren realisieren können. In vorhandenen geschlossenen Poren kann die
Calciumcarbonterzeugung nicht realisiert werden.
Vorteilhafterweise wird als Kohlendioxid- und Wasser- oder Wasserdampfenthaltenden Umgebung Umgebungsluft oder industriell erzeugte Gase, wie in industriellen Prozessen entstandenes CO2, dass gegebenenfalls gereinigt und aufkonzentriert worden ist, eingesetzt.
Die Menge an Kohlendioxid und Wasser oder Wasserdampf wird durch die Menge an Cyanobakterien und der Photosyntheseaktivität bestimmt. Sind zu wenig Kohlendioxid und Wasser oder Wasserdampf im Bereich der Cyanobakterien, so wird keine Calciumcarbonaterzeugung/Calciumcarbonatausfällung (MICP) über mikrobiologischinduzierte Verfahren realisiert. Ebenso wird keine Calciumcarbonaterzeugung/Calciumcarbonatausfällung (MICP) über mikrobiologischinduzierte Verfahren stattfinden, wenn zu wenig Licht an der jeweiligen Position vorhanden ist.
Unter Cyanobakterien sollen im Rahmen der vorliegenden Erfindung Bakterien verstanden werden, die den Cyanoprokaryota zuzuordnen sind, wie Cyanophyten, Synechocystis sp. PCC 6803, Synechococcus sp. PCC 7002, Synechococcus elongatus PCC 7942, 11801 11802, 11901 , UTEX 2973.
Dabei können die eingesetzten Cyanobakterien gemeinsam mit einer Nährlösung für diese Cyanobakterien eingesetzt werden, wobei mindestens im Falle des Vorhandenseins von nur nicht-Calcium-enthaltendem oder nicht-Calcium-Material mit den Cyanobakterien über die Flüssigkeiten, in denen sich die Cyanobakterien befinden, vorteilhafterweise die Nährlösung der Cyanobakterien, auch Calciumenthaltendes oder Calcium-Material eingebracht werden muss. Weiter können vorteilhafterweise die Cyanobakterien mit mindestens einem Calciumenthaltenden oder Calcium-Material und/oder mit mindestens ein nicht-Calcium- enthaltendes oder nicht-Calcium-Material oder mit einem stückigen oder pulverförmigen nicht-Calcium-enthaltenden Material, und mit einem Material zur Immobilisierung der Cyanobakterien zusammengebracht werden, wobei als Materialien zur Immobilisierung der Cyanobakterien Gele, Gelatine, Hydrogele, vernetzende und/oder polymerisierenden und/oder aushärtende Sole und/oder Zuschlagstoffe, eingesetzt werden.
Auch kann eine Kombination der Cyanobakterien mit Urease-bildenden und Harnstoffzersetzenden Bakterien, wie Helicobacter pylori, Klebsiella, Proteus, Staphylococcus saprophyticus, Yersinia oder Arten von Enterobacter und Citrobacter, erfindungsgemäß eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin notwendig, dass Licht zur Realisierung der Photosynthese der Cyanobakterien mindestens zu den Cyanobakterien eingebracht wird.
Erst wenn lebende Cyanobakterien in Kontakt mit Calcium in irgendeiner Form, Phase oder Verbindung in einer Kohledioxid und Wasser- oder Wasserdampf-enthaltenden Umgebung und in Kontakt mit Licht gebracht werden, kann die mikrobiologischinduzierten Calciumcarbonat-Erzeugung stattfinden.
Erst durch das Licht kann die Photosynthese der Cyanobakterien stattfinden.
Das einzubringende Licht weist vorteilhafterweise eine Wellenlänge von 380 Nanometern (nm) bis 780 nm auf, wobei auch mehrere Wellenlängen gemeinsam eingesetzt werden können, wie beispielsweise 660 nm und 730 nm, die zur Realisierung der Photosynthese der Cyanobakterien notwendig und vorteilhaft sind.
Als Licht zur Realisierung der Photosynthese der Cyanobakterien kann vorteilhafterweise Sonnenlicht und/oder Kunstlicht und/oder Licht, welches über mindestens ein lichtleitendes und lichtabgebendes Material oder Bauelement zu den Cyanobakterien gelangt, eingebracht werden. Als lichtleitende und lichtabgebende Materialien oder Bauelemente können vorteilhafterweise Lichtleiter, optische Fasern, LED's, OLED's, Dioden, Glaskomponenten eingebracht werden.
Diese lichtabgebenden Materialien können in Form von Platten, Matten oder Fasersträngen, einzelnen LED's oder OLED's oder Dioden oder Array's davon eingesetzt werden.
Wie und welches Licht zu den Cyanobakterien eingebracht wird, hängt vom spezifischen Cyanobakterium ab, ob das Sonnenlicht und/oder Kunstlicht zu allen Cyanobakterien und zu den Poren im Material gelangen kann.
Üblicherweise gelangt Sonnenlicht und Kunstlicht nur auf der Oberfläche oder den offenen oberflächennahen Bereichen an dort befindliche Cyanobakterien.
Um auch im Inneren der Materialien, vorteilhafterweise ins gesamte Volumen des Materials, die mikrobiologisch-induzierten Calciumcarbonat-Erzeugung zu realisieren, müssen einerseits die Cyanobakterien dahin gelangen können, was durch das Übergießen oder Tauchen der Materialien mit den die Cyanobakterien enthaltenden Flüssigkeiten, auch durch Infiltrationsverfahren oder auch ganze Matenalmischungen mit Cyanobakterien realisiert werden kann. Andererseits muss auch das Licht dahin gelangen, was, mindestens in einem solchen Fall, aber auch unabhängig davon, erfindungsgemäß durch ein lichtleitendes und lichtabgebendes Material oder Bauelement realisiert werden kann, welche in und/oder an die Porosität des Calciumenthaltenden Materials eingebracht worden sind.
Dabei können die lichtleitenden und lichtabgebenden Materialien oder Bauelemente vorher, gleichzeitig oder unmittelbar nachfolgend mit der Einbringung von Poren und/oder mit der Einstellung hinsichtlich ihrer Porengröße in einem Calciumenthaltenden oder Calcium-Material und/oder in ein nicht-Calcium enthaltendes oder nicht-Calcium-Material eingebracht werden.
Ebenfalls ist es erfindungsgemäße vorteilhaft, wenn die lichtleitenden und lichtabgebenden Materialien oder Bauelemente vorher, gleichzeitig oder unmittelbar nachfolgend mit der Einbringung von immobilisierenden Materialien für die Cyanobakterien eingebracht werden. Im Fall, dass die lichtleitenden und lichtabgebenden Materialien oder Bauelemente in das Innere oder in das Volumen der Materialien eingebracht werden sollen, muss die Einbringung vor der Aushärtung oder Verfestigung der Calcium-enthaltenden oder Calcium-Materialien und/oder der nicht-Calcium enthaltenden oder nicht-Calcium- Materialien realisiert werden.
Diese lichtleitenden und lichtabgebenden Materialien oder Bauelemente können nach der Realisierung der mikrobiologisch-induzierten Calciumcarbonat-Erzeugung und der damit verbundenen Umsetzung des Calciums in Calciumcarbonat auch als Lichtquellen für andere Wellenlängen als die zur Realisierung der Photosynthese der Cyanobakterien, eingesetzt werden.
Zur Beschleunigung der Umsetzung des Calciums in Calciumcarbonat kann eine Wärmebehandlung zur Verbesserung der Bedingungen der Photosynthese der jeweils eingesetzten Cyanobakterien durchgeführt werden.
Ebenso kann zur schnelleren Aushärtung oder Verfestigung das Calcium-enthaltende oder Calcium-Material und/oder das nicht-Calcium enthaltende oder nicht-Calcium- Material oder das Material zur Immobilisierung der Cyanobakterien einer Wärmebehandlung unterzogen werden.
Nach der mikrobiologisch-induzierten Calciumcarbonat-Erzeugung liegt ein erfindungsgemäß hergestelltes Calciumcarbonat-Material oder ein Calciumcarbonatenthaltendes Material vor, welches vorteilhafterweise als Baumaterial weiterverarbeitet oder als Baustoff weiterverwendet werden kann.
Der Prozess der mikrobiologisch-induzierten Calciumcarbonat-Erzeugung braucht erfindungsgemäß nicht vollständig abgeschlossen zu sein, wenn die so hergestellten Calciumcarbonat-Materialien oder Calciumcarbonat-enthaltenden Materialen weiterverarbeitet oder weiterverwendet werden.
Sofern noch lebende Cyanobakterien und Calcium, Kohlendioxid und Feuchtigkeit/Wasser/Nährlösung und Licht für die Photosynthese vorhanden sind, kann und wird auch weiter eine Umsetzung zu Calciumcarbonat realisiert. Dies kann zu einem „lebenden“ Baumaterial führen. Durch die mikrobiologisch-induzierten Calciumcarbonat-Erzeugung erfolgt eine Biomineralisierung des Calcium-enthaltenden Materials, welches auch so als Baustoff, wie beispielsweise Lichtbeton, eingesetzt werden kann.
Insbesondere auch deshalb, da von dem bekannten auf photoaktive Cyanobakterien und MICP beruhenden Material mangels einer ausreichenden Anzahl und Größe an Poren nur kleine Probengrößen realisiert werden konnten. Durch das Fehlen einer ausreichenden Anzahl und Größe an Poren wird der Zutritt von Licht, Wasser oder Wasserdampf und CO2 limitiert, so dass die Cyanobakterien im Inneren absterben und keine mikrobiologisch-induzierten Calciumcarbonat-Erzeugung in größeren Volumen der Materialien mehr erfolgen kann.
Dies kann durch das erfindungsgemäße Verfahren deutlich verbessert werden.
Die erfindungsgemäß hergestellten Calciumcarbonat-Materialien oder Calciumcarbonat-enthaltenden Materialien können aber auch als Ausgangsstoff für die Zement- und Betonherstellung oder für andere Baumaterialien eingesetzt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Eine keramische Suspension wird mit 700 ml/min durch einen Stahlhohlzylinder mit einer porösen Außenwandung und einem statischen Mischer gepumpt. Die Suspension besteht aus 64 Ma.-% Basaltpulver (Kremer Pigmente GmbH & Co. KG), 30 Ma.-% deionisiertes Wasser, 4 Ma.-% 2-molare Natriumhydroxidlösung, 1 Ma.-% Tensid W53 (Zschimmer & Schwarz GmbH & Co KG) und 1 Ma.-% Plastifiziermittel Zusoplast PS1 (Zschimmer & Schwarz GmbH & Co KG), Kohlendioxid wird mit einem Druck von 0,3 MPa und einem Volumenstrom von 700 ml/min in den Innenraum des Stahlhohlzylindes geführt. Eine Schlauchpumpe pumpt die keramische Suspension durch den Innenraum des porösen Hohlzylinders. Durch den sich dort befindenden statischen Mischer wird die durchströmende keramische Suspension mit dem durch die poröse Außenwandung des Hohlzylinders strömenden Kohlendioxidblasen zu einem Schaum vermischt. Der Schaum verlässt die Vorrichtung über die 10mm konzentrische Öffnung an der Auslassstirnseite. Bezogen auf den Gesamtvolumenstrom, der durch die Vorrichtung befördert wird, werden 50 Volumen- % Kohlendioxid durch die poröse Wandung des Hohlzylinders in den Schaum eingebracht. Der austretende Schaum wird in eine Verschalung aus Holz für eine Wand mit der Abmessung von 15.000 cm3 (L x B x H, 50 cm x 50 cm m x 6 cm), gegossen.
In die Verschalung sind vor Einbringung des Schaumes SiC -Glasfasermatten eingebracht worden und diese werden vom Schaum umgeben. Durch die Glasfaserplatten wird Licht in das Innere der Wand geführt.
Nachfolgend erfolgt überwacht von Ultraschallmesstechnik die Aushärtung des Schaumes mit den SiC -Glasfasermatten im Inneren der durch die Verschalung zu realisierenden Wand. Durch die eingebrachten CC -Blasen ist die Wand porös. Während der Aushärtung sind Destabilisierungseffekte wie Drainage, Koaleszenz und/oder Ostwaldreifung möglichst zu vermeiden oder zu minimieren.
Der ausgehärtete Schaum in der Schalung wird wiederholt mit 2000 ml eines herkömmlichen Nährmediums A+ Medium (Algal Culture Medium, UTEX) mit einer Menge an OD730 = 0,3 an Cyanobakterien des Stammes Synechococcus PCC 7002 begossen und getränkt.
Nachfolgend wird bei Umgebungstemperatur von ca. 35 °C über die SiÜ2- Glasfasermatten für 8 h Licht der Wellenlänge im Bereich von 400-500 nm in das Innere der Wand in der Verschalung und damit in das Innere des porösen Schaumes geleitet, wodurch die Photosynthese der Bakterien ausgelöst und realisiert wird. Das in den Blasen vorhandene CO2 kann durch Lösungsprozesse des Nährmediums aus dem porösen Schaum zu den Organismen gelangen und wird mit dem Calcium und dem Wasser der Nährlösung und dem Licht durch die Bakterien mikrobiologischinduziert in Calciumcarbonat überführt. Dadurch wird die Porosität sukzessive mit biogen gewonnenem CaCOs ausgefüllt. Zur weiteren Umsetzung in Calciumcarbonat und/oder zur Eliminierung der Porosität kann die Schaumstruktur nochmals mit Nährmedium mit den Cyanobakterien übergossen und getränkt werden, bis sich ein bleibender Überstand bildet.
Nach erfolgter Aushärtung wird die Wand entschalt und kann mittels Ultraschallmesstechnik bezüglich Lebensdauer, Schadensnahme usw. überwacht werden.
Der Prozess der Umwandlung von Calcium in Calciumcarbonat kann auch nach der Entschalung weiter ablaufen.
Beispiel 2
Eine Suspension wird mit 700 ml/min durch einen Stahlhohlzylinder mit einer porösen Außenwandung und einem statischen Mischer gepumpt. Die Suspension besteht aus 20 Masse-% A+ Nährmedium (UTEX Culture Collection of Algae), mit einer Menge an OD730 = 0.3 an Cyanobakterien des Stammes Synechococcus PCC 7002 (The Pasteur Culture Collection) of Cyanobacteria, 69 Ma.-% Basaltpulver (Kremer Pigmente GmbH & Co. KG), 10 Masse-% deionisiertes Wasser und 1 Masse-% Tensid W53 (Zschimmer & Schwarz GmbH & Co KG).
Kohlendioxid wird mit einem Druck von 0,3 MPa und einem Volumenstrom von 700 ml/min in den Innenraum des Stahlhohlzylindes geführt. Eine Schlauchpumpe pumpt die Suspension durch den Innenraum des porösen Hohlzylinders. Durch den sich dort befindenden statischen Mischer wird die durchströmende keramische Suspension mit dem durch die poröse Außenwandung des Hohlzylinders strömenden Kohlendioxidblasen zu einem Schaum vermischt. Der Schaum verlässt die Vorrichtung über die 10mm konzentrische Öffnung an der Auslassstirnseite. Bezogen auf den Gesamtvolumenstrom, der durch die Vorrichtung befördert wird, werden 50 Volumen- % Kohlendioxid durch die poröse Wandung des Hohlzylinders in den Schaum eingebracht. Der austretende Schaum wird in eine Verschalung aus Holz für eine Wand, mit der Abmessung von 15.000 cm3 (L x B x H, 50 cm x 50 cm m x 6 cm), gegossen. In die Verschalung sind nach Einbringung des Schaumes SiO2-Glasfasermatten eingebracht worden und diese werden vom Schaum umgeben. Durch die Glasfaserplatten wird Licht in das Innere der Wand geführt.
Nachfolgend erfolgt überwacht von Ultraschallmesstechnik die Aushärtung des Schaumes mit den SiC -Glasfasermatten im Inneren der durch die Verschalung zu realisierenden Wand. Durch die eingebrachten CC -Blasen ist die Wand porös. Während der Aushärtung sind Destabilisierungseffekte wie Drainage, Koaleszenz und/oder Ostwaldreifung möglichst zu vermeiden oder zu minimieren.
Nachfolgend wird bei Umgebungstemperatur von ca. 35 °C über die SiÜ2- Glasfasermatten für 10 h Licht der Wellenlänge im Bereich von 400-500 nm in das Innere der Wand in der Verschalung und damit in das Innere des porösen Schaumes geleitet, wodurch die Photosynthese der Bakterien ausgelöst und realisiert wird. Das in den Blasen vorhandene CO2 kann durch Lösungsprozesse des Nährmediums aus dem porösen Schaum zu den Organismen gelangen und wird mit dem Calcium und dem Wasser der Nährlösung und dem Licht durch die Bakterien mikrobiologischinduziert in Calciumcarbonat überführt. Dadurch wird die Porosität sukzessive mit biogen gewonnenem CaCOs ausgefüllt.
Zur weiteren Umsetzung in Calciumcarbonat und/oder zur Eliminierung der Porosität kann die Schaumstruktur nochmals mit Nährmedium mit den Cyanobakterien übergossen und getränkt werden, bis sich ein bleibender Überstand bildet.
Nach erfolgter Aushärtung wird die Wand entschalt und kann mittels Ultraschallmesstechnik bezüglich Lebensdauer, Schadensnahme usw. überwacht werden.
Der Prozess der Umwandlung von Calcium in Calciumcarbonat kann auch nach der Entschalung weiter ablaufen. Beispiel 3
Eine Suspension wird in eine geometrische Form gegossen (L x B x H, 30 cm x 30 cm m x 10 cm). Die Suspension besteht aus 20 Masse-% A+ Nährmedium, mit einer Menge an OD730 = 0,3 an Cyanobakterien des Stammes Synechococcus PCC 7002 (The Pasteur Culture Collection of Cyanobacteria), 69 Ma.-% Calciumsilikapulver, 10 Masse-% deionisiertes Wasser und 1 Masse-% Tensid W53 (Zschimmer & Schwarz GmbH & Co KG).
In die Form sind vor Einbringung der Suspension OLED-Arrays eingebracht worden, die nach dem Einbringen der Suspension von der Suspension umgeben sind. Durch die OLEDs wird Licht in das Innere der Form und in die Suspension geführt.
Nachfolgend erfolgt überwacht von Ultraschallmesstechnik die Aushärtung der Suspension mit den OLEDs im Inneren der Form. Durch das Eindiffundieren des CO2 der Umgebungsluft oder durch Einleiten von gasförmigen CO2 kommt es zur Calciumcarbonatbildung durch MICP.
Nach erfolgter Aushärtung wird die Form entschalt.
Der Prozess der Umwandlung von Calcium in Calciumcarbonat kann auch nach der Entschalung weiter ablaufen.
Beispiel 4
1000 ml A+ Nährmedium (enthält 266 mg/L CaCk; UTEX Culture Collection of Algae) werden Synechococcus PCC 11801 (OD730 = 0,3; The Pasteur Culture Collection of Cyanobacteria) und mit 10 Ma.-% Gelatine bei 35°C erhitzt und für 30 min gemischt. Danach werden 60 Ma.-% Kaolin (bezogen auf die Gel-Mischung) langsam hinzufügt und alles für 1 h gerührt.
Die Suspension wird dann in eine geometrische Form gegossen (L x B x H, 35 cm x 15 cm m x 15 cm). In die Form werden vor dem Eingießen OLED-Arrays eingebracht. Durch die OLEDs wird Licht in das Innere der Form und in die Suspension geführt.
Nachfolgend erfolgt die Aushärtung der Suspension mit den OLEDs im Inneren der Form. Durch das Einleiten von gasförmigen CO2 kommt es zur Calciumcarbonatbildung durch MICP.
Nach erfolgter Aushärtung wird die Form entschalt.
Der Prozess der Umwandlung von Calcium in Calciumcarbonat kann auch nach der Entschalung weiter ablaufen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Calciumcarbonat-Materialien oder Calciumcarbonatenthaltenden Materialien, bei dem zur Realisierung einer mikrobiologisch-induzierten Calciumcarbonat-Erzeugung mindestens
- ein Calcium-enthaltendes oder Calcium-Material mit Poren oder ein Calciumenthaltendes oder Calcium-Material, in welches Poren eingebracht worden sind und/oder welche hinsichtlich der Porengröße eingestellt werden, und/oder
- ein nicht-Calcium-enthaltendes oder nicht-Calcium-Material mit Poren oder in welches Poren eingebracht worden sind und/oder hinsichtlich der Porengröße eingestellt werden, oder ein stückiges oder pulverförmiges nicht-Calcium-enthaltendes Material, in einer Kohlendioxid- und Wasser- oder Wasserdampf-enthaltenden Umgebung in Kontakt mit mindestens Cyanobakterien gebracht wird, wobei mindestens im Falle des Vorhandenseins von nur nicht-Calcium-enthaltendem oder nicht-Calcium-Material mit mindestens den Cyanobakterien auch Calcium-enthaltendes oder Calcium-Material eingebracht wird, und weiterhin mindestens Licht zur Realisierung der Photosynthese der Cyanobakterien mindestens zu den Cyanobakterien eingebracht wird, und nach der mikrobiologisch-induzierten Calciumcarbonat-Erzeugung das hergestellte Calciumcarbonat-Material oder das hergestellte Calciumcarbonat-enthaltende Material fertiggestellt ist oder weiterverarbeitet werden kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem als Calcium-enthaltendes oder Calcium- Material und/oder als nicht-Calcium-enthaltendes oder nicht-Calcium-Material natürliche Calcium-Pulver, Calcium-Silikatpulver, Sand, recycelte Baumaterialien, Bauschutt, mineralische Gesteine, Silikate, Kiese, Schotter, Granite, Basalte, Tone, keramische Pulver, Polyurethane eingesetzt werden, und wobei im Falle der Einbringung von nicht-Calcium-enthaltendem oder nicht-Calcium-Material als Ausgangsstoffe ein Calcium-enthaltendes oder Calcium-Material mit den Cyanobakterien eingebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem als Flüssigkeit, in dem sich die Cyanobakterien befinden, die Nährlösung der Cyanobakterien eingesetzt wird, die im Falle der Einbringung von Calcium-enthaltendes oder Calcium-Material mit den Cyanobakterien auch Calcium-enthaltendes oder Calcium-Material aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Einbringung von Poren oder die Einstellung von Porengrößen in einem Calcium-enthaltenden oder Calcium-Material durch die Einbringung von Gasen, wie Kohlendioxid oder Kohlendioxid-enthaltende Gase, in das Calcium-enthaltende oder Calcium-Material oder durch Aufbringen von Calciumenthaltenden oder Calcium-Materialien auf Schäume oder durch Einbringen von Platzhaltern, die entfernt werden, oder durch Gefrierschäumung realisiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Einbringen von Gasen in das Calciumenthaltende oder Calcium-Material durch chemisch- oder physikalisch induziertes oder durch Druck-Aufschäumen, durch Rühren oder durch Gaseintrag, beispielsweise durch Druckluft, realisiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem Calcium-enthaltende oder Calcium-Materialien auf Schäume aus Polymeren oder keramischen Materialien aufgebracht und auf deren Oberfläche verfestigt werden, wobei die Schaummaterialien nachfolgend entfernt werden können.
7. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem aus dem Calcium-enthaltenden oder Calcium- Material und/oder aus dem nicht-Calcium-enthaltenden oder nicht-Calcium-Material mit einem Suspensionsmedium eine Suspension hergestellt und diese einem Unterdrück und/oder einer Temperaturerniedrigung ausgesetzt und das Suspensionsmedium sublimiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem eine Porengröße des Calcium-enthaltenden oder Calcium-Materials oder des nicht-Calcium-enthaltenden oder nicht-Calcium- Materials von 0,3 bis 10.000 pm, vorteilhafterweise von 10 bis 5.000 pm, noch vorteilhafterweise von 100 bis 1.000 pm, vorhanden ist oder eingebracht oder eingestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem in dem Calcium-enthaltenden oder Calcium- Material oder in dem nicht-Calcium-enthaltenden oder nicht-Calcium-Material überwiegend offene Poren, vorteilhafterweise möglichst nur offene Poren, erzeugt werden und/oder deren Porengröße eingestellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem als Kohlendioxid- und Wasser- oder Wasserdampf-enthaltenden Umgebung Umgebungsluft oder industriell erzeugte Gase, wie in industriellen Prozessen entstandenes CO2, dass gegebenenfalls gereinigt und aufkonzentriert worden ist, eingesetzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem als Cyanobakterien ein Stamm der Cyanoprokarvota eingesetzt wird, wobei die Cyanobakterien auch in Kombination mit Urease-bildenden und Harnstoff-zersetzenden Bakterien, wie Helicobacter pylori, Klebsiella, Proteus, Staphylococcus saprophyticus, Yersinia oder Arten von Enterobacter und Citrobacter, eingesetzt werden können.
12. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem Cyanobakterien gemeinsam mit einer Nährlösung für diese Cyanobakterien eingesetzt werden, wobei mindestens im Falle des Vorhandenseins von nur nicht-Calcium-enthaltendem oder nicht-Calcium-Material mit den Cyanobakterien über die Nährlösung auch Calcium-enthaltendes oder Calcium-Material eingebracht wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem Cyanobakterien mit mindestens ein Calciumenthaltendes oder Calcium-Material und/oder mit mindestens ein nicht-Calcium- enthaltendes oder nicht-Calcium-Material oder mit einem stückigen oder pulverförmigen nicht-Calcium-enthaltendes Material, und mit einem Material zur Immobilisierung der Cyanobakterien zusammengebracht werden, wobei als Materialien zur Immobilisierung der Cyanobakterien vorteilhafterweise Gele, Gelatine, Hydrogele, vernetzende und/oder polymerisierenden und/oder aushärtende Sole und/oder Zuschlagstoffe, eingesetzt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem Licht mit einer Wellenlänge von 380 Nanometern (nm) bis 780 nm zur Realisierung der Photosynthese der Cyanobakterien zu den Cyanobakterien eingebracht wird, wobei auch mehrere Wellenlängen gemeinsam eingesetzt werden können, wie beispielsweise 660nm und 730nm.
15. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem als Licht zur Realisierung der Photosynthese der Cyanobakterien Sonnenlicht und/oder Kunstlicht und/oder Licht eingebracht wird, welches über mindestens ein lichtleitendes und lichtabgebendes Material oder Bauelement realisiert werden kann.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem als lichtleitende und lichtabgebende Materialien oder Bauelemente Lichtleiter, optische Fasern, LED's, OLED's, Dioden, Glaskomponenten eingebracht werden.
17. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem lichtleitende und lichtabgebende Materialien oder Bauelemente vorher, gleichzeitig oder unmittelbar nachfolgend mit der Einbringung von Poren und/oder mit der Einstellung hinsichtlich einer Porengröße in einem Calcium-enthaltenden oder Calcium-Material eingebracht werden.
18. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem lichtleitende und lichtabgebende Materialien oder Bauelemente vorher, gleichzeitig oder unmittelbar nachfolgend mit der Einbringung von immobilisierenden Materialien für die Cyanobakterien eingebracht werden.
19. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem nach der mikrobiologisch-induzierten Calciumcarbonat-Erzeugung das hergestellte Calciumcarbonat-enthaltende Material als Baumaterial fertiggestellt ist oder als Halbzeug weiterverarbeitet oder als Baustoff weiterverwendet wird.
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