Produzione e analisi di mattoni in biocemento Sporosarcina pasteurii utilizzando stampi personalizzati stampati in 3D per prove di compressione non confinate
7 marzo 2025
La Sporosarcina pasteurii è un batterio ureolitico che scompone l'urea in carbonato e ammonio. Il carbonato si combina con il calcio per formare carbonato di calcio, creando un reticolo cristallino che ancora le particelle circostanti per produrre biocemento. Questo è un protocollo conveniente per l'utilizzo di stampi stampati in 3D per creare mattoni di biocemento adatti ai test di compressione.
La ricerca studia la precipitazione di calcite indotta microbicamente utilizzando S.pasteurii per produrre mattoni di biocemento. Esplora l'efficacia degli stampi stampati in 3D nell'ottimizzazione della produzione di biocemento e dei test di resistenza. Attualmente questo esperimento richiede un notevole impegno di tempo in quanto richiede circa cinque giorni dall'inizio alla fine e non esiste un momento ideale per mettere in pausa l'esperimento una volta avviato.
Il nostro protocollo utilizza stampi riutilizzabili stampati in 3D per il flusso attraverso il trattamento MICP, consentendo mattoni cilindrici standardizzati per test di compressione non confinati e consentendo al contempo di eseguire comodamente test paralleli di più variabili e repliche. Per iniziare, filtrare sterilizzare 150 millilitri di terreno ureico BHI e autoclavare in autoclave un pallone da 250 millilitri. Preparare 250 millilitri di soluzione cementizia.
Aggiungere 1,6 millilitri di terreno di urea BHI in una provetta di coltura e inoculare il terreno con una colonia dalla piastra di striatura del giorno zero. Coltiva la coltura starter in uno shaker a 150 giri al minuto a 30 gradi Celsius durante la notte. Il giorno successivo, ispezionare la coltura starter per la crescita, che è confermata da un aumento della torbidità.
Ora, aggiungi 40 millilitri di terreno di urea BHI al pallone autoclavato da 250 millilitri. Versare la coltura starter da 1,6 millilitri nel pallone e incubarla in uno shaker a 30 gradi Celsius per sette ore. Dopo l'incubazione, aggiungere altri 40 millilitri di terreno di urea BHI al pallone e porre il pallone in uno shaker a 20 gradi Celsius per una notte o per 16 ore.
Ora, aggiungere altri 40 millilitri di terreno di urea BHI al pallone di coltura notturna e continuare a incubare Sporosarcina pasteurii a 20 gradi Celsius. Posizionare le guarnizioni in gomma negli appositi spazi sugli stampi. Collegare le due metà degli stampi, assicurandosi che le guarnizioni siano sigillate e che tutti i magneti siano collegati.
Aggiungi un cerchio di rete metallica sottile sul fondo dello stampo cilindrico in mattoni per evitare che la sabbia cada attraverso il foro. A questo punto, riempite lo stampo con sabbia o altro materiale fino alla linea interna, e tamponate con decisione. Quindi, posiziona un altro cerchio di rete metallica sulla parte superiore della sabbia per coprire l'intera superficie e tampona di nuovo.
Ora, posiziona lo stampo sopra un contenitore per rifiuti per raccoglierne il flusso. Versare 40 millilitri di coltura sopra la sabbia e lasciarla in ammollo per 45 minuti. Quindi, versare 80 millilitri di soluzione cementante sopra la sabbia.
Dopo 30 minuti, versare 40 millilitri di coltura sopra la sabbia e attendere altri 30 minuti. Ancora una volta, versare 80 millilitri di soluzione di cementazione sopra la sabbia e poi versare sopra 40 millilitri di coltura dopo 30 minuti. Dopo mezz'ora di incubazione, versare 80 millilitri di soluzione cementante sopra la sabbia e lasciare il mattone indisturbato per almeno 48 ore o fino a quando la sabbia non appare asciutta.
Il quinto giorno, dividi lo stampo a metà e rilascia la pressione dai magneti per rimuovere il mattone dallo stampo. Quindi posizionare il mattone su un tovagliolo di carta per continuare ad asciugare per tre settimane prima di eseguire il test di compressione. Per la prova di compressione, posizionare il mattone sulla piastra di carico inferiore della macchina per prove di compressione non confinata e una piastra di carico piatta sopra il mattone.
Utilizzando la macchina per prove di compressione, applicare circa un chilo di pressione al mattone, quindi utilizzare la lettura digitale per ripristinare la misurazione della pressione. Infine, applicare un carico crescente in modo continuo secondo le specifiche della macchina fino a quando il mattone non raggiunge il cedimento strutturale. Registrare il carico massimo portante per ogni mattone.
Lo stampo stampato in 3D ha mantenuto con successo la forma del mattone, producendo mattoni che apparivano solidi dopo tre settimane di essiccazione con una perdita minima di materiale durante la manipolazione. I mattoni che presentavano sgretolamento o una significativa perdita di materiale al tatto indicavano un errore nella preparazione dei terreni o della coltura. Gli stampi sono stati utilizzati per testare substrati di sabbia grossolana e fine, producendo quattro mattoni per ogni tipo.
Il carico massimo medio per i mattoni di sabbia grossolani era di 95,125 libbre per pollice quadrato, mentre i mattoni di sabbia fine hanno resistito a un carico massimo medio di 49,625 libbre per pollice quadrato. La capacità di stampare in 3D gli stampi secondo necessità ha consentito di eseguire test variabili simultanei, riducendo la variazione sperimentale.
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Panoramica
Questo studio analizza la produzione di mattoni in biocemento utilizzando il batterio ureolitico Sporosarcina pasteurii. La ricerca si concentra sull'ottimizzazione della produzione di biocemento mediante l'uso di stampi stampati in 3D e valuta la resistenza dei mattoni ottenuti.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Biotechnologia microbica
- Scienza dei materiali
- Ingegneria ambientale
Sfondo
- Sporosarcina pasteurii decompone l'urea in carbonato e ammonio.
- Il carbonato di calcio forma un reticolo cristallino che lega insieme le particelle.
- Il biocemento rappresenta un'alternativa sostenibile ai materiali da costruzione.
- Il protocollo attuale richiede un tempo significativo per essere completato.
Scopo dello studio
- Valutare l'efficacia degli stampi stampati in 3D nella produzione di biocemento.
- Standardizzare la produzione di mattoni cilindrici per i test.
- Consentire test paralleli di più variabili e repliche.
Metodi Utilizzati
- Precipitazione microbica di calcite (MICP) utilizzando S. pasteurii.
- Preparazione del mezzo BHI con urea e della soluzione di cementazione.
- Utilizzo di stampi riutilizzabili stampati in 3D per il trattamento in flusso.
- Prove di compressione non confinata per valutare la resistenza del mattone.
Risultati principali
- Produzione riuscita di mattoni in biocemento utilizzando il protocollo descritto.
- Gli stampi stampati in 3D hanno ottimizzato il processo di produzione del biocemento.
- Mattoni standardizzati hanno permesso test di resistenza efficaci.
- Test paralleli hanno facilitato la valutazione di più variabili.
Conclusioni
- Lo studio dimostra un metodo praticabile per la produzione di mattoni in biocemento.
- La tecnologia di stampa 3D aumenta l'efficienza della produzione di biocemento.
- Questo approccio ha potenziali applicazioni nell'edilizia sostenibile.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La produzione standardizzata e l'analisi quantitativa di mattoni in biocemento utilizzando Sporosarcina pasteurii e stampi personalizzati stampati in 3D permettono test robusti delle ipotesi nell'innovazione di materiali sostenibili. La parallelizzazione e la riproducibilità del protocollo supportano la riduzione del rischio meccanicistico nelle fasi iniziali e facilitano confronti affidabili tra variabili di substrato e di processo. Questo approccio rafforza la capacità predittiva nell'intersezione tra biotecnologia microbica e scienza dei materiali, orientando le decisioni strategiche nella ricerca e sviluppo per costruzioni sostenibili.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Bersaglio
- Permette un'analisi sistematica dei meccanismi di precipitazione della calcite microbica in condizioni controllate.
- Consente la validazione funzionale di S. pasteurii come agente di biocementazione su substrati variabili.
- Facilita la riduzione dei rischi meccanicistici isolando l'impatto dei parametri del processo sulla resistenza del materiale.
Sviluppo di Screening e Saggi
- Fornisce formati di mattoni standardizzati e riproducibili per test quantitativi di compressione non confinata.
- Consente la valutazione parallela di più variabili e repliche, riducendo la variabilità sperimentale.
- Permette un'analisi scalabile di tipi di substrato e modifiche di processo per l'ottimizzazione dei materiali.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Allinea la produzione di biocemento su scala di laboratorio agli standard meccanici di prova rilevanti per l'industria.
- Permette una transizione continua dalla scoperta del processo microbico alla validazione preclinica delle prestazioni del materiale.
- Fornisce indicazioni per lo sviluppo mirato a ridurre i rischi dei candidati a materiali sostenibili, orientandone il progresso verso ulteriori fasi di sviluppo.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo protocollo integra la fase iniziale della scoperta dei meccanismi di biocementazione microbica fino alla selezione e alla validazione preclinica dei materiali, sostenendo un'ottimizzazione iterativa e il processo decisionale.
- Biologia della scoperta: Quantifica l'effetto delle variabili microbiche e del substrato sulla precipitazione della calcite e sulla resistenza del materiale.
- Screening: Fornisce output riproducibili e quantitativi per il confronto diretto delle condizioni sperimentali.
- Analisi: Fornisce dati sul carico massimo sostenibile ottenuti da test di compressione non confinata per guidare la selezione dei materiali.
- Ricerca traslazionale: Collega i risultati di laboratorio agli standard preclinici per materiali da costruzione sostenibili.
- Riutilizzo aziendale: Offre una piattaforma modulare e riutilizzabile per l'innovazione continua dei materiali e il perfezionamento dei processi.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva nei risultati della biocementazione microbica e nelle prestazioni del materiale.
- Valore operativo: Migliora la riproducibilità, la standardizzazione e la produttività nei flussi di lavoro di prova dei materiali.
- Valore strategico: Supporta decisioni basate sui dati riguardo all'approvazione o meno di candidati materiali sostenibili.
- Impatto sul portafoglio: Permette una priorizzazione corretta rispetto ai rischi delle tecnologie di biocementazione per ulteriori sviluppi.
Considerazioni per l'Implementazione
- Richiede competenze nell'ambito della coltura microbica, della manipolazione dei materiali e dei test meccanici.
- Necessita dell'accesso a tecnologie di stampa 3D, a tecniche sterili e a strumentazione per test di compressione non confinata.
- Richiede una rigorosa standardizzazione condivisa tra i diversi gruppi di lavoro nelle procedure di preparazione degli stampi e nei protocolli di prova.
- Adattabile a diversi tipi di sabbia o substrati per una valutazione più ampia dei materiali.
- Limitato dalla durata dell'esperimento e dalla necessità di un flusso di lavoro ininterrotto una volta avviato.
