Bio-cemento dall'urina
Studio di fattibilità: come trasformare l'urina in un materiale da costruzione sostenibile
I ricercatori dell'Università di Stoccarda hanno utilizzato processi microbici per produrre bio-cemento ecologico dall'urina come parte di una catena di valore "acque reflue-bio-cemento-fertilizzante". Con l'estensione del progetto concessa dal Ministero della Scienza, della Ricerca e delle Arti del Baden-Württemberg, l'attenzione si sposta ora sull'ottimizzazione del prodotto e sulla sperimentazione pratica.
I ricercatori di tre istituti dell'Università di Stoccarda stanno sviluppando un nuovo tipo di materiale da costruzione: il biocalcestruzzo.
ILEK / IMB / ISWA Universität Stuttgart
Il cemento è in piena espansione. Ogni anno, in tutto il mondo, circa 4 miliardi di tonnellate di cemento vengono trasformate in calcestruzzo e utilizzate. Con gravi conseguenze per l'ambiente. "Il cemento convenzionale viene tipicamente cotto a temperature di circa 1.450 gradi. Questo consuma molta energia e rilascia grandi quantità di gas serra", afferma il professor Lucio Blandini, responsabile dell'Istituto per le strutture leggere e la progettazione concettuale (ILEK) dell'Università di Stoccarda.
Processo di produzione microbico ecologico
I ricercatori di tre istituti dell'Università di Stoccarda stanno sviluppando un nuovo tipo di materiale da costruzione: il biocalcestruzzo. Grazie alla sua elevata resistenza alla compressione, non solo può sostituire la tradizionale pietra arenaria e, in alcuni casi, il calcestruzzo a base di cemento. Può anche essere prodotto interamente con materiali di scarto e quindi ha un'impronta ecologica significativamente inferiore. I ricercatori utilizzano una materia prima abbondante ma finora trascurata: l'urina umana. Hanno testato con successo il loro metodo in uno studio di fattibilità finanziato dal Ministero della Scienza, della Ricerca e delle Arti del Baden-Württemberg.
"Il biocalcestruzzo viene prodotto attraverso la biomineralizzazione. Si tratta di un processo biotecnologico in cui gli organismi viventi producono materiale inorganico attraverso reazioni chimiche", spiega Maiia Smirnova, ricercatrice dell'ILEK. "Mescoliamo una polvere contenente batteri con sabbia, mettiamo la miscela in uno stampo e poi la laviamo con urina arricchita di calcio nel corso di tre giorni in un processo automatizzato. La scomposizione dell'urea da parte dei batteri, unita all'aggiunta di calcio all'urina, provoca la crescita di cristalli di carbonato di calcio. In questo modo la miscela di sabbia si solidifica in biocemento. Alla fine del processo, si ottiene un solido chimicamente simile all'arenaria calcarea naturale. A seconda dello stampo, si possono creare elementi di varie forme e dimensioni, con una profondità massima attuale di 15 centimetri.
I primi campioni prodotti mostrano proprietà promettenti del materiale. Utilizzando l'urea tecnica, il team ha ottenuto una resistenza alla compressione di oltre 50 megapascal, superando in modo significativo la resistenza dei materiali da costruzione precedentemente disponibili prodotti attraverso la biomineralizzazione. Con l'urea contenuta nell'urina artificiale è stata raggiunta una resistenza alla compressione di 20 megapascal. Utilizzando urina umana vera, il valore era di cinque megapascal, poiché i batteri perdono la loro attività nel corso del periodo di biomineralizzazione di tre giorni. Ora è necessario migliorare la situazione. Secondo gli scienziati, una resistenza di 30-40 megapascal nel materiale biomineralizzato sarebbe sufficiente per costruire edifici di due o tre piani. Attualmente stanno effettuando test di congelamento e scongelamento per determinare se il materiale può essere utilizzato all'esterno.
Puntare su un'economia circolare: Da prodotto di scarto a materiale da costruzione
"Il processo di produzione del nostro biocalcestruzzo consuma molta meno energia e provoca meno emissioni rispetto alla produzione di cemento tradizionale. Ma il nostro approccio è anche sostenibile perché inseriamo il prodotto in una catena di valore circolare", spiega Blandini. I ricercatori hanno sviluppato un concetto che mostra come l'urina potrebbe essere separata e trattata dal flusso parziale di acque reflue in luoghi con un alto volume di persone, come un aeroporto, al fine di utilizzarla come materia prima per la produzione di biocalcestruzzo. Allo stesso tempo, questo processo potrebbe recuperare sostanze secondarie di valore dalle acque reflue per produrre fertilizzanti per l'agricoltura. "Producendo due prodotti allo stesso tempo, aumentiamo i benefici per l'ambiente", afferma Smirnova.
Seconda fase del progetto: Ottimizzazione del processo di produzione e test pratici
Dopo aver completato con successo gli studi preliminari, il progetto è stato prorogato per tre anni dal Ministero della Scienza, della Ricerca e delle Arti del Baden-Württemberg. In ulteriori test di laboratorio, i ricercatori vogliono identificare le sostanze presenti nell'urina umana che hanno un effetto negativo sull'attività dei batteri e quindi sulla qualità del biocemento. Il processo di produzione deve essere ottimizzato su questa base. Il team, insieme al Centro per l'Agricoltura Biologica dell'Università di Hohenheim, si sta concentrando anche sulla produzione simultanea di fertilizzanti.
Una volta completati i test di laboratorio, il concetto sarà testato in condizioni reali: È previsto un impianto pilota presso l'aeroporto di Stoccarda, dove l'urina sarà raccolta e trasformata in biocemento e fertilizzante.
Il progetto "SimBioZe": Produzione simultanea di biocemento e fertilizzante dalle acque reflue
"Il progetto "SimBioZe" è finanziato nell'ambito del programma "Microorganismi come aiutanti nella protezione del clima - Utilizzo di processi microbici per un futuro neutrale dal punto di vista climatico con metodi innovativi". Il Ministero della Scienza, della Ricerca e delle Arti del Baden-Württemberg ha sostenuto nove progetti per un anno nell'ambito di questo programma. Quattro di essi sono stati prorogati per altri tre anni, tra cui "SimBioZe".
Tre istituti dell'Università di Stoccarda stanno unendo le loro competenze nel progetto interdisciplinare "SimBioZe": l'Istituto di strutture leggere e progettazione concettuale (ILEK), l'Istituto di microbiologia (IMB) e l'Istituto di ingegneria sanitaria, qualità dell'acqua e gestione dei rifiuti solidi (ISWA). Nella seconda fase del progetto, il Centro per l'agricoltura biologica dell'Università di Hohenheim si unirà come nuovo partner. È prevista anche la collaborazione con partner industriali, tra cui l'aeroporto di Stoccarda.
Team del progetto: ILEK: Prof. Lucio Blandini (Direttore dell'Istituto), Maiia Smirnova, IMB: Prof. Beat Christen (Direttore dell'Istituto), Prof. Andreas Stolz, Daniele Funaro, ISWA: Carsten Meyer, Axel Steffens, Dr. Gerold Hafner, Università di Hohenheim, Centro per l'agricoltura biologica: Dr. Sabine Zikeli (Direttore dell'Istituto).
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