本文介绍了一种利用石油化学品和污染性材料制备基于菌丝体的复合材料(MBCs)以用于隔热应用的优化方法。为了实现碳中和与可持续发展,诸如菌丝体生物复合材料等生物基且可堆肥的材料可能成为解决方案。为确定其是否符合建筑标准,已开展了多项实验。
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本文介绍了一种利用石油化学品和污染性材料制备基于菌丝体的复合材料(MBCs)以用于隔热应用的优化方法。为了实现碳中和与可持续发展,诸如菌丝体生物复合材料等生物基且可堆肥的材料可能成为解决方案。为确定其是否符合建筑标准,已开展了多项实验。
本研究旨在通过开发菌丝体生物复合材料作为创新的生物基保温材料,以满足对可持续建筑材料日益增长的需求。利用菌丝体结合的本地农业木质纤维素残余副产物,这类材料为化石基材料提供了一种极具前景的循环替代方案。本文稿是Mythic项目的精简概述,重点在于优化生长技术与材料性能,以确保其技术可行性。
在生长优化阶段,采用回收纤维素替代基于谷物籽粒的菌种接种方法,显著提高了生长速度和基质定殖能力,缩短了培养时间,更符合工业化生产需求。
材料性能优化主要关注热性能、防火性能和湿气行为——这些是保温材料的关键特性。菌丝体生物复合材料的导热系数达到0.034–0.039 W/m·K,与传统保温材料相当。其湿气行为性能被认为足以满足作为保温材料的使用要求。通过涂层增强了材料的疏水性,从而提高了在潮湿环境下的耐久性。这些创新确保菌丝体生物复合材料能够满足多种应用中的行业标准。
2022年,建筑业占全球温室气体排放量的21%,并在欧盟产生了38.4%的总废弃物1,2。其中很大一部分环境影响来自传统保温材料(如膨胀聚苯乙烯(EPS)和聚异氰脲酸酯(PIR)泡沫)的生产和处置。这些材料以石化产品为基础,生产过程能耗高,且由于难以生物降解并具有较高的隐含碳,长期来看对环境构成风险3,4。
为应对这些挑战,本研究提出了一种用于制备具有隔热性能的菌丝体基复合材料(MBCs)的优化方法。该方法的主要目标是建立一种可重复、可在实验室规模实施并能够扩展至工业应用的工艺,利用在油菜秸秆(RS)上培养的灵芝属树脂灵芝(Ganoderma resinaceum,GR)进行生产。该技术旨在制备一种完全生物基、碳负性的隔热材料,具备优良且具有竞争力的热学性能和湿度调节性能。
菌丝体基复合材料(MBCs)相较于传统绝缘材料具有显著优势。它们由农业废弃物制成,生产过程中能耗极低,在使用寿命期间可充当碳汇,并在使用寿命结束后自然降解,因此成为循环建筑系统的理想候选材料5,6。与其他生物基替代材料(如纤维素或大麻混凝土)相比,MBCs 能够独特地将低热导率、结构内聚性以及可调控的疏水性相结合,这些特性可通过生长控制和后处理技术实现7,8。
越来越多的文献支持菌丝体基复合材料(MBCs)的相关性。综述文章和实证研究表明,MBCs适用于热学和声学绝缘,能够适应不同的基底-真菌配对,并具备在建筑尺度上进行模块化或原位生产的潜力6,9,10。例如,在受控条件下测试的GR-RS型MBCs表现出约0.045 W/m·K的导热系数、1800 J/kg·K的比热容以及高达0.5 MPa的抗压强度,表明其性能适用于墙体和屋顶等非承重隔热板6,7,8。此外,仿生学方法已逐渐兴起,将MBCs视为建筑研究中的响应式设计材料11。然而,确保MBCs在不同尺度下的力学性能一致性和耐久性仍是当前活跃的研究领域12。
MNEXT启动了名为“神话”(Mytherials)的项目——利用菌丝体材料实现建筑隔热。该项目在先前研究发现葡萄糖酸杆菌(GR)与根霉菌(RS)是开发菌丝体基复合材料(MBC)的理想组合基础上,进一步优化其生长条件,依据与隔热应用相关的ISO标准进行材料性能测试,并评估未来规模化生产所需的经济性及用户接受度参数。
该技术对于探索具有循环生命周期的低环境影响建筑材料的研究人员、建筑师和制造商尤为相关。该方法侧重于墙体、屋顶和地面的隔热应用,其中低密度、热调节性能和湿气行为至关重要。关键的背景因素包括基底材料和真菌种类的本地可获得性、接种与生长过程的可扩展性,以及对建筑性能标准的符合性。该方法学包含对导热系数、比热容、湿气响应性和防水性的评估,使用户能够根据环境条件和监管要求判断其适用性。
本文介绍了该项工作的成果:一种可在实验室规模实施且具有可扩展性的GR-RS菌丝体生物复合材料(MBC)制备方法,包括优化的生长参数和材料测试方案。尽管本研究以GR-RS为重点,但该方案可适用于其他真菌种类和基质,因此适用于不同地理区域和原料可获得性条件。尽管该方法在实验室或中试规模上已证明有效,但在大规模应用时可能需要进一步调整,以确保工艺的一致性和成本效益。
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本文所使用的材料、设备、仪器及相关软件列于材料表中。本实验方案分为两个主要部分:MBC 的制备与材料测试。
1. MBC 的制备
2. 材料测试
注意:补充文件中提供了软件使用的分步截图,适用于热性能测试(补充文件1)和抗压强度测量(补充文件2)。所有测试样品在测试前均需在(23 ± 5)°C的恒定室温和50 ± 20%相对湿度条件下调节48小时。





分别代表 l、b 或 t。






表1:比热容测定的阶梯温度。 本表列出了用于评估MBC样品比热容的设定温度区间(单位:°C)。每个阶梯代表在受控加热过程中使用的一个温度范围,必须作为输入参数用于热流法测量仪(HFM)。请点击此处下载该表格。

图1:吸湿-解吸实验装置。该示意图展示了用于测试菌丝体生物复合材料(MBCs)吸湿与解吸行为的实验装置。样品被置于受控的温度和湿度条件下。由于仅为定性示意图,无需比例尺。请点击此处查看该图的放大版本。

图2:测量MBC的尺寸。该示意图展示了在湿度循环前后测量MBC尺寸变化的位置。使用游标卡尺(精度±0.1 mm)对每个样品(n = 5)在多个等距点测量长度、基底和厚度。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:用于疏水性测试的表面分区。 该示意图展示了每个样品如何被均分为四个等距象限,以进行系统的水滴测试。请点击此处查看该图的放大版本。
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MBC 的制备
MBC 表面应大部分呈白色。样品应与图 4和图 5中样品的结构、颜色和均一性相似。

图 4:合格的 MBC 示例 - 样本 1。根据白度水平和表面均匀性,该 MBC 样本被归类为结构合格。其表面完整、平整且无变形,代表高质量 MBC 的理想外观。
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制备菌种是菌丝体复合材料(MBCs)开发过程中的关键步骤,必须由经过培训的实验室技术人员在严格的无菌条件下完成。该过程对污染极为敏感,要求操作者具备高水平的无菌操作技术。接受生物安全和实验室操作的适当培训至关重要,因为菌种质量直接影响最终材料的定植效率和均一性。整个菌种制备过程应在一次连续操作中完成,以确保不同实验批次之间的一致性。必须使用已完全定植且含有新鲜菌丝体的培养皿,因为这会显著影响菌丝体在基质中的生长速率。由于不同物种的生长速率存在差异,因此有必要提前评估所选物种的生长动态。即使在同一物种的不同菌株之间,也可能出现显著的生长行为差异。成型阶段同样关键,表面不平整或均一性差会影响材料的抗压强度、疏水性以及热性能测试结果。进行热性能测试时,样品必须平整且尺寸精确(19.8–20.5 cm2),以确保与热流计(HFM)测试板之间实现准确接触。不符合这些标准的样品应排除在测试之外。
为了适应微生物矿化材料(MBCs)的独特性质,需要进行多项调整并采取相应的故障排除措施。在进行抗压强度测试时,必须考虑样品本身存在的不均匀性,因此在每个样品上选取六个不同位置测量...
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作者声明无利益冲突,且无相关披露信息。
Mythic 是一个由 SIA Regio-orgaan 资助的公共资助研究项目,以联盟形式开展。所有项目成果均完全符合 FAIR 原则(可发现、可访问、可互操作和可重用)。衷心感谢以下合作伙伴在整个项目过程中所做出的宝贵贡献、专业支持与通力合作。按字母顺序排列:
Agrodome B.V.,Fred van den Burgh;
Avans 应用科学大学 - Caradt,Simone van de Broek
FRAAi 建筑事务所,Lydia Fraaije
HZ 应用科学大学,Lennart Zoeter
Impershield Europe B.V.,Willem Kemmers
Mogu S.R.L.,Annalisa Moro
Nýlausn,Hörður Sveinsson
Recell B.V.,Yme Flapper
Troldtekt B.V.,Janine van Cann
乌得勒支大学,J.F. (Jordi) Pelkmans 博士和 H.A.B. (Han) Wösten 教授
Verbruggen-蘑菇公司 B.V.,John Verbruggen
他们的投入与合作对本研究的开展和成功起到了关键作用。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1 L 锥形瓶 | Glazen-en-potten.nl | GT00148 | |
| 1 L 量筒 | Sigma-Aldrich | 213905408 | |
| 50 mL 量筒 | Sigma-Aldrich | Z740856 | Aldrich Essentials 刻度量筒,A 级,符合 DIN ISO 4788 标准 |
| 70% 乙醇 | Boomlab | 8,00,12,02,72,500 | |
| 可高压灭菌袋 | SacO2 | PPD75/REH6/V37*53 | |
| 高压灭菌器 | VWR | TUTT210001 | |
| 高压灭菌指示胶带 | Sigma-Aldrich | BR61750 | |
| 封袋机 | Profipack | 101481 | 型号 HC-300 |
| Netzsch EPS 200 mm 校准标准件 | Netzsch | HFM446S0A95.001-00 | |
| 纤维素 | Recell | https://recell.eu/markets/#recell-compose | 由项目合作方提供 |
| Ganoderma resinaceum | Westerdijk 研究所 | CBS 194.76 | |
| 热流计(HFM) | Netzsch | https://analyzing-testing.netzsch.com/en/products/thermal-conductivity/hfm-446-lambda-eco-line-1 | HFM 446 Lambda Small Eco-line |
| 加热搅拌装置 | Labinco | 32000 | |
| Horizon 软件 | Horizon Software | https://www.tiniusolsen.com/product/horizon-software/ | 用于操作 UTM 的软件 |
| 疏水涂层 | Impershield Europe | https://impershield.eu/product/bioseal-mycelium/ | Impershield BioSeal Mycelium |
| ImageJ | ImageJ | https://imagej.net/ij/ | 图像处理软件 |
| 接种环 | VWR | DIFC220217 | |
| 厨房用棒式搅拌器 | Bosch | MSM6M810 | |
| 实验室搅拌机 | Labowebshop | AXMX1000XTEES | 2L Waring 实验室搅拌机 |
| 层流洁净工作台(LAF) | MSE Supplies | LS1309 | MSE PRO 43” 宽度水平层流洁净柜 |
| 水平仪 | Manutan | A830619 | 水泡水平仪 - I 型梁基础型 - Stanley |
| 麦芽提取物肉汤粉末 | BoomLab | 7,00,00,05,90,500 | |
| Medicarine | Ecolab | 3021760 | |
| 微量移液器 | Sigma-Aldrich | FA10006M | PIPETMAN P1000L 金属弹射头微量移液器 |
| 打孔铝箔 | Scabro | 414075 | |
| Proteus SmartMode 8.5 | Netzsch | https://analyzing-testing.netzsch.com/en/products/thermal-conductivity/hfm-446-lambda-eco-line-1 | 用于操作 HFM 的软件 |
| 电子天平 | VEVOR | https://www.vevor.nl/analytische-balans-c_11079/vevor-digitale-laboratoriumweegschaal-laboratorium-analytische-weegschalen-5000g-p_010521620455?lang=en&srsltid=AfmBOopchyZ-medHCTmpdHiqjXOtvV7xCOdhXZ VIKi9LowzUk6ibehSx | 型号 HZ-B50002 |
| 基质 | Greenport West-Holland | - | 由项目合作方提供的油菜秸秆 |
| 万能材料试验机(UTM) | Tinius Olsen | https://www.tiniusolsen.com/product/model-50st/ | 型号 50ST |
| 游标卡尺 | Sigma-Aldrich | Z136115 |
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