O.S.E.L. - Cement tvořený bakteriemi z odpadních materiálů
 Cement tvořený bakteriemi z odpadních materiálů
Singapurští vědci smíchali odpadní produkty z místních chemických výrob, přidali moč a bakterie, čímž získali kapalinu, jež stmeluje nejen písek lépe než ve vodě rozmíchaný cement.

Zkušební vzorek poškozené Buddhovy ruky ze známých Skalních reliéfů v čínském Ta-cu (památka UNESCO). Opravu pomocí biocementu provedl Dr. Yang Yang na univerzitě v Chongqingu v Číně. Roztok biocementu je bezbarvý, takže restaurátorské práce umožňují zachovat původní barvu památky. Kredit: Nanyang Technological University, Singapore.
Zkušební vzorek poškozené Buddhovy ruky ze známých Skalních reliéfů v čínském Ta-cu (památka UNESCO). Opravu pomocí biocementu provedl Dr. Yang Yang na univerzitě v Chongqingu v Číně. Roztok biocementu je bezbarvý, takže restaurátorské práce umožňují zachovat původní barvu památky. Kredit: Nanyang Technological University, Singapore.

Že i stavební materiály postihl překotný růst cen, vědí i ti, co zrovna nic nestaví a nerekonstruují. I v této oblasti pravděpodobně půjde vývoj, jestli na něj při inflaci a výdajích na zbrojení zůstanou finance, cestou hledání alternativních levnějších zdrojů a výrobních postupů – navíc zohledňujících i ekologickou stránku. Jak ale například  nahradit ve stavebnictví nezbytný cement, k jehož výrobě je nutné vytěžit vápenec a jíl, rozdrtit je, rozemlít a vypálit při vysoké teplotě až 1450 °C. Vznikne takzvaný slinek, jenž se po zchlazení opět mele na výsledný cementový prach (1 a 2).

 

První autor studie, postdoktorand Yang Yang ze Stavební fakulty čínské University v Chongqingu při precizní práci s biocementem na rekonstrukci poškozené ruky kamenného Buddhy. Kredit: Nanyang Technological University, Singapore
První autor studie, postdoktorand Yang Yang ze Stavební fakulty čínské University v Chongqingu při precizní práci s biocementem na rekonstrukci poškozené ruky kamenného Buddhy. Kredit: Nanyang Technological University, Singapore

Na straně druhé jsou výroby, při nichž vzniká velké množství odpadních produktů, kterých je nutné se nějak zbavit, nejlépe pro přírodu i lidi bezpečným způsobem, což představuje dodatečné náklady. Hledání způsobů, jak právě takové odpady využít na suroviny pro další energeticky nenáročnou výrobu něčeho potřebného, patří k těm nejracionálnějším ekonomickým a ekologickým cílům. Vytyčit si je ale musí v první řadě vědci s dostatkem vědomostí a technických možností pro výzkum, ne ziskuchtivé neziskovky.


V odborném časopisu Journal of Environmental Chemical Engineering se nedávno objevil volně dostupný článek, v němž čtyřlístek singapurských a čínských výzkumníků popisuje, jak z nevyužitých vedlejších produktů chemických výrob, moče a běžných bakterií připravili roztok, kterým lze nahradit cement. Stačí ho smíchat třeba s pískem. Po nalití na povrch sypkého materiálu zkompaktní v mezerách mezi částicemi, čímž ho zpevní do hloubky, kterou prosákne. Stmelující tekutina je sice zakalená, ale bezbarvá, lze ji v kombinaci s vhodným materiálem použít na opravu kamenných památek a dosáhnout jejich původního odstínu, nebo téměř neviditelně lepit úlomky či spravovat praskliny. Vědci nyní zkoušejí další aplikace, například vytmelení trhlin v tunelech, i těch podvodních, nebo použití s vhodnou, například asfaltovou drtí při opravách výmolů na silnicích. Zkoušky totiž prokázaly, že bio-cement vytvrzuje lépe a pevněji než běžný cement.

Z jakých tajných odpadních ingrediencí se nadějný vytvrzující roztok zatím jen v laboratorní kuchyni „vařil“?


1) Kal, který je odpadním produktem při výrobě acetylenu (C2H2) z karbidu vápenatého a vody. Vedlejší chemikálií reakce je roztok hydroxidu vápenatého (Ca(OH)2). Pro výrobu nového biocementu se tento odpadní kal stal zdrojem nezbytného vápníku.


2) Kyselina dusičná, kterou, jak autoři studie uvádějí, získali jako vedlejší odpadní látku v lokální chemické fabrice. Je to zvláštní poznámka, protože jinde se HNO3 cíleně vyrábí i relativně draze prodává. Je ale možné, že jako vedlejší produkt nějakého výrobního procesu není dostatečně chemicky čistá nebo vhodně koncentrovaná.

Vedoucí výzkumný pracovník dr. Shifan Wu (vlevo) a profesor Jian Chu (vpravo) z Fakulty stavebního a environmentálního inženýrství Technické university v Nanyangu se vzorky biocementu v rukou. Kredit: Nanyang Technological University, Singapore
Vedoucí výzkumný pracovník dr. Shifan Wu (vlevo) a profesor Jian Chu (vpravo) z Fakulty stavebního a environmentálního inženýrství Technické university v Nanyangu se vzorky biocementu. Kredit: Nanyang Technological University, Singapore.

 

Smícháním obou ingrediencí – zásaditého vápenatého kalu a kyseliny dusičné dochází k neutralizaci, výsledkem které je ve vodě rozpuštěný dusičnan vápenatý. Chemizmus takového prostředí již umožňuje metabolickou aktivitu hlavního živého aktéra dalšího procesu:


3) Bakterie. Ne však ledajaké. Singapurští vědci použili vzorky biologicky aktivovaného kalu používaného v čističce odpadních vod s vysokým obsahem půdních anaerobních, heterotrofních bakterií rodu Sporosarcina. Jako bezpočet jiných mikroorganismů, i tyto nám pomáhají na naší planetě přežít tím, že likvidují naše odpadní produkty. Do svého bezprostředního okolí totiž vylučují enzym ureázu, kterým rozkládají močovinu CO(NH2)2 – podstatnou složku nejen naší moče. Bakterie ji potřebují jako zdroj dusíku a uhlíku. Z toho je zřejmé, že do seznamu surovin pro výrobu biocementu musíme přidat:


4) Moč. Tu vědci nejdříve sterilizovali UV zářením, aby ji zbavili nežádoucích patogenů a pak přefiltrovali. Část takto upravené tělní tekutiny použili k namnožení bakterií.

 

Budova známá jako Úl (The Hive), jedna z několika architektonických skvostů singapurské Technické university v Nanyangu (Nanyang Technological University, Singapore). Universita patří k světové špičce, její hlavní kampus se rozkládá na ploše 200 hektarů (2 km2)  Kredit: Wikipedia, autor Supanut Arunoprayote
Budova známá jako Úl (The Hive), jedna z několika architektonických skvostů singapurské Technické university v Nanyangu (Nanyang Technological University, Singapore). Universita patří k světové špičce, její hlavní kampus se rozkládá na ploše 200 hektarů (2 km2) Kredit: Wikipedia, autor Supanut Arunoprayote.

 

Co se stane, když smícháme tři takto připravené tekutiny – roztok dusičnanu vápenatého (vznikl reakcí složek 1+2), moč a koncentrovanou bakteriální kulturu? Mikroorganismy se pustí do práce a hydrolyzují močovinu na ionty NH4+ a CO32-. Rozpuštěný hydroxid vápenatý nabízí ionty Ca2+ a OH-. Příznivci chemie již tuší, kam to spěje – k uhličitanu vápenatému, CaCO3. Ve směsi surovin však vede k tomuto cíli delší kaskáda reakcí souvisejících s bakteriálním metabolizmem a díky ní z tuhnoucího biocementu neuniká žádný čpavek, jak by to z jednoduchých chemických rovnic vyplývalo, protože ho mikroby využijí.


Třísložkový roztok biocementu prý umožňuje stmelit písek pevněji než naše pracně vyráběné cementy. Přesto s velikou pravděpodobností tato metoda – i když se ukáže být perspektivní alespoň pro nějaké aplikace, jistě pytle se šedým prachem zcela nenahradí. Aniž by to snižovalo význam výzkumu, který si snad najde cestu k praktické realizaci, je vhodné dodat, že biomineralizační schopnost bakterií Sporosarcina je již nějakou dobu známa, a v přírodě, kde mají zdroj vápníku a močoviny, dokážou tyto neviditelné, asi jen 2 až 4 μm podlouhlé mikroorganismy odolným vápenatým pojivem stmelit okolní zrna písku doslova do podoby horniny – pískovce.

 

Video: Vědci z NTU (Nanyang Technological University) v Singapuru vynalezli ekologický způsob, jak využít odpadní materiály, jako je moč a průmyslové kaly, na produkci pevného biobetonu. Nová metoda prý umožňuje zpevnit stavební půdu lépe než běžným betonem a v dohledné době ji v Singapuru vyzkouší na ochranu pláží před erozí. Na rozdíl od vysokoteplotních procesů používaných k výrobě konvenčního betonu, biobetonu stačí běžné teploty, přičemž neprodukuje žádný oxid uhličitý. Kredit: Nanyang Technological University, Singapore


Autor: Dagmar Gregorová
Datum:16.05.2022