Producción y análisis de ladrillos de biocemento Sporosarcina pasteurii utilizando moldes personalizados impresos en 3D para ensayos de compresión no confinados
7 de marzo de 2025
Sporosarcina pasteurii es una bacteria ureolítica que descompone la urea en carbonato y amonio. El carbonato se combina con el calcio para formar carbonato de calcio, creando una red cristalina que ancla las partículas circundantes para producir biocemento. Este es un protocolo conveniente para usar moldes impresos en 3D para crear ladrillos de biocemento adecuados para pruebas de compresión.
La investigación investiga la precipitación de calcita inducida por microbios utilizando S. pasteurii para producir ladrillos de biocemento. Explora la eficacia de los moldes impresos en 3D para optimizar la producción de biocemento y las pruebas de resistencia. Actualmente, este experimento requiere un compromiso de tiempo significativo, ya que toma aproximadamente cinco días de principio a fin, y no hay un momento ideal para pausar el experimento una vez iniciado.
Nuestro protocolo utiliza moldes reutilizables impresos en 3D para el flujo a través del tratamiento MICP, lo que permite ladrillos cilíndricos estandarizados para pruebas de compresión no confinadas, al tiempo que permite pruebas paralelas convenientes de múltiples variables y réplicas. Para empezar, esterilizar por filtro 150 mililitros de medio de urea BHI y esterilizar en autoclave un matraz de 250 mililitros. Prepare 250 mililitros de solución de cementación.
Agregue 1,6 mililitros de medio de urea BHI en un tubo de cultivo e inocule el medio con una colonia de la placa de rayas del día cero. Cultive el cultivo iniciador en un agitador a 150 revoluciones por minuto a 30 grados centígrados durante la noche. Al día siguiente, inspeccione el cultivo iniciador para ver si crece, lo que se confirma con el aumento de la turbidez.
Ahora, agregue 40 mililitros de medio de urea BHI al matraz de 250 mililitros esterilizado en autoclave. Vierta el cultivo iniciador de 1,6 mililitros en el matraz e incube en una coctelera a 30 grados centígrados durante siete horas. Después de la incubación, agregue 40 mililitros adicionales de medio de urea BHI al matraz y coloque el matraz en un agitador a 20 grados centígrados durante la noche o durante 16 horas.
Ahora, agregue 40 mililitros adicionales de medio de urea BHI al matraz de cultivo durante la noche y continúe incubando Sporosarcina pasteurii a 20 grados Celsius. Coloque juntas de goma en los espacios apropiados de los moldes. Conecte las dos mitades de los moldes, asegurándose de que las juntas estén selladas y que todos los imanes estén conectados.
Agregue un círculo de malla de alambre fino a la parte inferior del molde de ladrillo cilíndrico para evitar que la arena caiga a través del agujero. Ahora, llene el molde con arena u otro material hasta la línea interna y apisone firmemente. Luego, coloque otro círculo de malla de alambre en la parte superior de la arena para cubrir toda la superficie y apisonar nuevamente.
Ahora, coloque el molde encima de un contenedor de residuos para atrapar el flujo. Vierte 40 mililitros de cultivo sobre la arena y déjalo absorber durante 45 minutos. Luego, vierte 80 mililitros de solución de cementación sobre la arena.
Después de 30 minutos, vierta 40 mililitros de cultivo sobre la arena y espere otros 30 minutos. Nuevamente, vierta 80 mililitros de solución de cementación sobre la arena y luego vierta 40 mililitros de cultivo encima después de 30 minutos. Después de media hora de incubación, vierta 80 mililitros de solución de cementación sobre la arena y deje el ladrillo sin tocar durante al menos 48 horas o hasta que la arena parezca seca.
En el quinto día, divida el molde por la mitad y libere la presión de los imanes para eliminar el ladrillo del molde. Luego, coloque el ladrillo sobre una toalla de papel para continuar secándose durante tres semanas antes de realizar la prueba de compresión. Para la prueba de compresión, coloque el ladrillo en la placa de carga inferior de la máquina de prueba de compresión no confinada y una placa de carga plana en la parte superior del ladrillo.
Con la máquina de prueba de compresión, aplique aproximadamente una libra de presión al ladrillo, luego use la lectura digital para restablecer la medición de presión. Finalmente, aplique una carga creciente de manera continua de acuerdo con las especificaciones de la máquina hasta que el ladrillo alcance la falla estructural. Registre la carga máxima de soporte de peso para cada ladrillo.
El molde impreso en 3D conservó con éxito la forma del ladrillo, produciendo ladrillos que parecían sólidos después de tres semanas de secado con una pérdida mínima de material al manipularlos. Los ladrillos que presentaban desmoronamiento o pérdida significativa de material al tacto indicaban un error en la preparación del medio o del cultivo. Se utilizaron moldes para probar sustratos de arena gruesa y fina, produciendo cuatro ladrillos para cada tipo.
La carga máxima promedio para los ladrillos de arena gruesa fue de 95.125 libras por pulgada cuadrada, mientras que los ladrillos de arena fina soportaron una carga máxima promedio de 49.625 libras por pulgada cuadrada. La capacidad de imprimir moldes en 3D según fuera necesario permitió realizar pruebas simultáneas de variables, lo que redujo la variación experimental.
Vea la transcripción completa y acceda a miles de videos científicos
Descripción general
Este estudio investiga la producción de ladrillos de biocemento utilizando la bacteria ureolítica Sporosarcina pasteurii. La investigación se centra en optimizar la producción de biocemento mediante el uso de moldes impresos en 3D y evalúa la resistencia de los ladrillos resultantes.
Componentes Clave del Estudio
Área de la Ciencia
- Biotecnología microbiana
- Ciencia de materiales
- Ingeniería ambiental
Antecedentes
- Sporosarcina pasteurii descompone la urea en carbonato y amonio.
- El carbonato de calcio forma una red cristalina que une las partículas.
- El biocemento es una alternativa sostenible a los materiales de construcción.
- El protocolo actual requiere un tiempo considerable para su finalización.
Objetivo del estudio
- Explorar la eficacia de los moldes impresos en 3D en la producción de biocemento.
- Normalizar la producción de ladrillos cilíndricos para pruebas.
- Permitir la realización simultánea de pruebas con múltiples variables y réplicas.
Métodos Utilizados
- Precipitación de calcita inducida microbianamente (MICP) utilizando S. pasteurii.
- Preparación del medio de BHI con urea y de la solución de cementación.
- Uso de moldes reutilizables impresos en 3D para el tratamiento con flujo continuo.
- Ensayos de compresión no confinada para evaluar la resistencia del ladrillo.
Resultados principales
- Producción exitosa de ladrillos de biocemento utilizando el protocolo descrito.
- Los moldes impresos en 3D optimizaron el proceso de producción de biocemento.
- Los ladrillos estandarizados permitieron pruebas de resistencia efectivas.
- La prueba paralela facilitó la evaluación de múltiples variables.
Conclusiones
- El estudio demuestra un método viable para producir ladrillos de biocemento.
- La tecnología de impresión 3D mejora la eficiencia en la producción de biocemento.
- Este enfoque tiene aplicaciones potenciales en la construcción sostenible.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
La producción estandarizada y el análisis cuantitativo de ladrillos de biocemento utilizando Sporosarcina pasteurii y moldes personalizados impresos en 3D permiten pruebas sólidas de hipótesis para la innovación de materiales sostenibles. La paralelización y reproducibilidad del protocolo apoyan la reducción temprana de riesgos mecanicistas y facilitan la comparación confiable de variables de sustrato y de proceso. Este enfoque fortalece la confianza predictiva en la intersección entre biotecnología microbiana y ciencia de materiales, orientando las decisiones estratégicas en investigación y desarrollo de construcción sostenible.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Permite la interrogación sistemática de los mecanismos de precipitación microbiana de calcita bajo condiciones controladas.
- Apoya la validación funcional de S. pasteurii como agente de biocementación en diversos sustratos.
- Facilita la reducción mecanicista de riesgos mediante el aislamiento del impacto de los parámetros del proceso sobre la resistencia del material.
Desarrollo de Pruebas y Cribado
- Proporciona formatos de ladrillo estandarizados y reproducibles para pruebas cuantitativas de compresión no confinada.
- Permite la evaluación paralela de múltiples variables y réplicas, reduciendo la variación experimental.
- Posibilita la selección escalable de tipos de sustrato y modificaciones del proceso para la optimización de materiales.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Alinea la producción de biocemento a escala de laboratorio con estándares industriales relevantes de pruebas mecánicas.
- Apoya la continuidad desde el descubrimiento del proceso microbiano hasta la validación preclínica del rendimiento del material.
- Orienta el avance ajustado al riesgo de candidatos de materiales sostenibles para desarrollos posteriores.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
Este protocolo integra desde el descubrimiento inicial de los mecanismos de biocementación microbiana hasta la validación de materiales en fases de cribado y preclínica, apoyando la optimización iterativa y la toma de decisiones.
- Biología de Descubrimiento: Cuantifica el efecto de las variables microbianas y del sustrato sobre la precipitación de calcita y la resistencia del material.
- Selección: Proporciona resultados cuantitativos reproducibles para la comparación directa de condiciones experimentales.
- Análisis: Ofrece datos de carga máxima soportada provenientes de ensayos de compresión no confinada para orientar la selección de materiales.
- Investigación Translacional: Conecta los hallazgos de laboratorio con estándares preclínicos para materiales de construcción sostenibles.
- Reutilización Empresarial: Ofrece una plataforma reutilizable y modular para la innovación continua de materiales y la optimización de procesos.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva en los resultados de la biocementación microbiana y el rendimiento del material.
- Valor operativo: Mejora la reproducibilidad, la estandarización y el rendimiento en los flujos de trabajo de pruebas de materiales.
- Valor estratégico: Apoya decisiones basadas en datos sobre la viabilidad o no viabilidad de candidatos a materiales sostenibles.
- Impacto en la cartera: Permite la priorización ajustada al riesgo de tecnologías de biocementación para su posterior desarrollo.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en cultivo microbiano, manipulación de materiales y pruebas mecánicas.
- Necesita acceso a impresión 3D, técnica estéril e instrumentación para pruebas de compresión no confinada.
- Exige una estandarización rigurosa entre equipos en la preparación de moldes y los protocolos de ensayo.
- Adaptable a diferentes tipos de arena o sustrato para una evaluación más amplia de materiales.
- Limitado por la duración del experimento y la necesidad de un flujo de trabajo ininterrumpido una vez iniciado.
