Methodenartikel

Productie en analyse van Sporosarcina pasteuri biocement bakstenen met behulp van op maat gemaakte 3D-geprinte mallen voor onbeperkte compressietests

DOI:

10.3791/68065

⸱

7 maart 2025

 ,  ,  ,  , 
1Biology Department, United States Air Force Academy, 2United States Air Force Academy Life Sciences Research Center

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sporosarcina pasteurii is een ureolytische bacterie die ureum afbreekt tot carbonaat en ammonium. Het carbonaat combineert met calcium om calciumcarbonaat te vormen, waardoor een kristalrooster ontstaat dat omringende deeltjes aan elkaar verankert om biocement te produceren. Dit is een handig protocol voor het gebruik van 3D-geprinte mallen om biocementstenen te maken die geschikt zijn voor compressietesten.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Cement is een belangrijk bouwmateriaal dat in veel bouwwerken over de hele wereld wordt gebruikt, van funderingen voor huizen tot historische monumenten en wegen. Het is wereldwijd een cruciaal en overvloedig materiaal. De traditionele productie van cement levert echter een belangrijke bijdrage aan door de mens veroorzaakte atmosferische CO2 , wat leidt tot de uitstoot van broeikasgassen en klimaatverandering. Microbieel geïnduceerde calcietprecipitatie (MICP) is een biologisch proces waarbij Sporosarcina pasteurii of andere bacteriën een cementmateriaal produceren dat net zo sterk is als traditioneel cement, maar biocement is koolstofneutraal. Deze MICP-methode voor het produceren van biocement is een veelbelovende technologie en wordt momenteel actief onderzocht door veel bedrijven, landen en onderzoeksgroepen. Het hier gepresenteerde protocol maakt gebruik van op maat ontworpen, herbruikbare, 3D-geprinte mallen voor doorstroom-MICP-behandeling van grond of zand, waardoor cilindrische stenen worden geproduceerd die voldoen aan de standaardspecificaties voor onbeperkte compressietests. De afzonderlijke, vrijstaande mallen met reservoirblad maken het gemakkelijk mogelijk om meerdere variabelen en replica's parallel te testen. Dit protocol schetst de S. pasteurii MICP-reactie en het maken, assembleren en gebruiken van de 3D-geprinte mallen om cilindrische bakstenen van biocement te genereren.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Beton is het belangrijkste bouwmateriaal voor bouwprojecten over de hele wereld 1,2. Uit een studie bleek dat cement het op één na meest geconsumeerde materiaal ter wereld is, na alleen water3. Elk jaar wordt bijna 4,1 miljard ton cement geproduceerd 4,5. Traditionele productie, verwerking en toepassing van cement resulteert in bijna 8% van de wereldwijde CO2 -uitstoot per jaar6. Vanwege de grote vraag en de toch schadelijke effecten van de traditionele cementproductie, is een nieuwe koolstofneutrale methode voor cementatie een topprioriteit voor de wereldwijde duurzaamheidsdoelstellingen 7,8,9,10.

Biocementatie is het proces waarbij micro-organismen worden gebruikt om een cement, lijm of stof te produceren die kan worden gebruikt om een vast oppervlak of structuur te creëren 1,11. Het meest goed gedefinieerde biocementatieproces omvat het gebruik van ureolytische bacteriën om calciumcarbonaat neer te slaan, waarbij deeltjes aan elkaar worden gekoppeld tot een gehard cementmateriaal12,13.

Bij het overwegen van een milieuvriendelijk alternatief voor traditioneel cement, moet het alternatief ook voldoen aan de sterkteverwachtingen voor cement. De onbeperkte compressietest is een analytische meting die wordt gebruikt om de afschuifsterkte van een gesteente, bouwmateriaal of grondmonsterte bepalen 14. Voor effectieve afschuiftests moet het monster worden voorbereid volgens industrienormen, waaronder een diameter-hoogteverhouding van 1:2 en een cilindrische vorm15. Er is een op maat ontworpen 3D-geprinte mal gemaakt om aan deze normen te voldoen en de efficiëntie bij het uitvoeren van een MICP-protocol te verhogen. Deze op maat ontworpen mallen maken de doorstroomtoepassing en afvoer van sequentiële MICP-behandelingen mogelijk. Bacteriecultuur en cementeringsoplossing kunnen eenvoudig op het bovenste reservoir worden aangebracht, dat vervolgens door de mal loopt en door een met gaas beklede opening aan de onderkant van de mal gaat. De mallen zijn ontworpen om op een bekerglas of andere afvalcontainer te rusten. De mal wordt verticaal in tweeën gesplitst om de gecementeerde steen gemakkelijk uit de vorm te kunnen halen. Het wordt bij elkaar gehouden door acht magneten die op het frame van de mal zijn bevestigd en met epoxy zijn afgedicht om schade aan de magneten door blootstelling aan de MICP-oplossingen te voorkomen. De twee helften bevatten ook een inzetgroef om een rubberen pakking te plaatsen, die helpt de mal af te dichten en lekken te voorkomen. Aan de binnenkant van de cilindrische mal bevindt zich een groef om het vulniveau voor zand/aarde aan te geven om een baksteen van 3 inch hoog te produceren; De ruimte boven die groef is bedoeld om te worden gebruikt als reservoir voor het aanbrengen van behandelingsoplossingen. Een stuk gaas dat over de bodemopening aan de binnenkant van de mal wordt geplaatst, voorkomt bij het construeren dat het zand of de grond door de bodem van de mal naar buiten valt. Bovendien wordt een stuk gaas op de bovenkant van het zand of de grond geplaatst om te helpen bij het gelijkmatig verdelen van de aangebrachte oplossingen en ervoor te zorgen dat de gevormde steen een gelijkmatige bovenkant heeft zonder scherpe ribbels, die de onbeperkte compressietestresultaten zouden kunnen beïnvloeden.

De mallen zijn ontworpen met behulp van CAD-software (Computer-Aided Design) en op basis van het CAD-bestand (Aanvullend Bestand 3 en Aanvullend Bestand 4) is een STL-bestand (Aanvullend Bestand 1 en Aanvullend Bestand 2) gegenereerd. Dit STL-bestand is geüpload in het 3D-printerprogramma en vervolgens geprint. Nadat de mallen waren geprint, werd een waterstraalsysteem gebruikt om het ondersteunende materiaal dat uit de 3D-printer werd gegenereerd, te verwijderen, waardoor de uiteindelijke 3D-geprinte structuur overbleef. Het bestand voor het printen van een aanstampapparaat om te helpen bij het verdichten van het zand/de grond in de mal en het creëren van een vlak bovenoppervlak is ook bijgevoegd.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De details van de gebruikte reagentia, apparatuur en software staan vermeld in de materiaaltabel.

1. Bereiding van oplossingen en media

  1. Hersenen-hartinfusie (BHI) - ureum medium (1 L)
    1. Weeg 37 g BHI-poeder af met behulp van een weegschaal en voeg toe aan een kolf of bekerglas van 1 l.
    2. Weeg 20 g ureum af met behulp van een weegschaal en voeg toe aan dezelfde kolf of beker van 1 l die BHI-poeder bevat.
      LET OP: Autoclaveren niet en voeg geen bleekmiddel toe aan materialen die ureum bevatten. Ureum wordt afgebroken tot ammoniak, dat schadelijk kan zijn als vervluchtigd gas en kan reageren met bleekmiddel om giftig mosterdgas te vormen. Gooi al het afval weg als gevaarlijk afval volgens de veiligheidsprotocollen van de instelling.
    3. Vul de kolf of het bekerglas van 1 l met BHI-poeder en ureum met 1 l H2O.
    4. Meng en filtreer, steriliseer het medium met een filter van 0,45 μM in een geautoclaveerde kolf of bekerglas.
  2. Cementeeroplossing (1 L)
    1. Weeg 20 g ureum af met behulp van een weegschaal en voeg toe aan een kolf of bekerglas van 1 l.
    2. Weeg 10 g NH4Cl (ammoniumchloride) af met een weegschaal en voeg toe aan dezelfde ureumhoudende kolf of beker van 1 l.
      LET OP: Autoclaveren niet en voeg geen bleekmiddel toe aan materialen die ammoniumchloride bevatten. Ammoniumchloride vormt een evenwicht met ammoniakgas, dat als vervluchtigd gas schadelijk kan zijn en met bleekmiddel kan reageren tot giftig mosterdgas. Gooi al het afval weg als gevaarlijk afval volgens de veiligheidsprotocollen van uw instelling.
    3. Weeg 49 g CaCl 4,2H 2O (calciumchloride) af met behulp van een weegschaal en voeg toe aan dezelfde kolf of beker van 1 l die ureum en ammoniumchloride bevat.
    4. Vul de kolf of beker van 1 l die ureum, ammoniumchloride en calciumchloride bevat, met 1 l H2O.
      OPMERKING: Deze oplossing is niet gesteriliseerd; Vers bereiden en binnen 48 uur gebruiken.
  3. Baksteen printen en voorbereiden (enkele dagen voor de MICP-behandeling uitgevoerd)
    1. Laad het STL-bestand voor de steenmal (aanvullend bestand 1) en het stopapparaat (aanvullend bestand 2) in het juiste programma voor de 3D-printer.
      OPMERKING: Het specifieke programma dat wordt gebruikt, kan afwijken met een andere 3D-printer. Gebruik het juiste programma voor de printer die u gebruikt.
    2. Print de mallen en aanstampapparaten (Figuur 1).
    3. Verwerk de mallen volgens de printervereisten.
    4. Plaats één magneet in elk van de juiste magneetsleuven in de mal en zorg ervoor dat de ladingen zo zijn geplaatst dat de twee helften van de mal elkaar aantrekken en elkaar niet afstoten
    5. Zodra de magneten op de juiste manier zijn geplaatst, verzegelt u elke magneet met epoxy.
    6. Selecteer twee cirkels van gaas met een diameter van 1.5 inch en zet apart.

2. Voorbereiding van de stenen (dag 0)

OPMERKING: De details voor de voorbereiding van één steen worden hier gegeven.

  1. Filter steriliseer 150 ml BHI-ureum medium. Autoclaaf een kolf van 250 ml.
  2. Bereid 250 ml cementeringsoplossing voor; plaats het niet in de geautoclaveerde kolf van 250 ml.
  3. Bereid de S. pasteurii geïsoleerde streepcultuur op een petrischaaltje met BHI-ureumagar en incubeer gedurende 24-48 uur bij 30° C (S. pasteurii uit bevroren glycerolbouillon).
  4. Startercultuur van S. pasteurii (dag 1)
    1. Maak een startercultuur van 1,6 ml door 1,6 ml BHI-Ureum-medium toe te voegen aan een kweekbuis.
    2. Inoculeer de cultuur met 1 kolonie van de Dag 0 streepplaat.
    3. Kweek de startercultuur een nacht in een shaker (150 toeren) bij 30 °C.
  5. Cultuurgroei (dag 2)
    1. Inspecteer de startercultuur om de groei te bevestigen (duidelijk als verhoogde troebelheid).
    2. Voeg 40 ml BHI-ureum medium toe aan de geautoclaveerde kolf van 250 ml. Giet de startercultuur van 1,6 ml in de kolf. Incubeer en schud gedurende 7 uur bij 30 °C.
    3. Voeg nog eens 40 ml BHI-ureummedium toe aan de kolf. Plaats de kolf een nacht (~16 uur) in een shaker bij 20 ° C.
  6. Baksteenbehandeling met S. pasteurii (dag 3)
    1. Voeg nog eens 40 ml BHI-ureummedium toe aan de nachtkweekkolf en ga door met het incuberen van de S. pasteurii bij 20 ° C.
  7. Bereid bakstenen mallen voor (dag 3) (zie afbeelding 2).
    1. Plaats rubberen pakkingen op de juiste plaatsen op de mallen. Verbind de twee helften van de mallen en zorg ervoor dat de pakkingen zijn afgedicht en alle magneten zijn aangesloten.
    2. Voeg een cirkel van fijn gaas toe aan de bodem van de cilindrische bakstenen mal om te voorkomen dat er zand door het gat in de mal valt.
    3. Vul de vorm met zand of ander materiaal tot aan de lijn aan de binnenkant van de vorm en druk stevig aan.
    4. Plaats nog een cirkel gaas op de bovenkant van het zand om het hele bovenoppervlak te bedekken en druk opnieuw aan.
    5. Plaats de vorm op een afvalcontainer om de stroom op te vangen.
  8. Behandelingsprocedure (dag 3)
    1. Giet 40 ml S. pasteurui-cultuur op het zand en laat het intrekken. Wacht 45 minuten.
    2. Giet 80 ml cementoplossing op het zand. Wacht 30 minuten.
    3. Giet 40 ml S. pasteurui-cultuur op het zand. Wacht 30 minuten.
    4. Giet 80 ml cementoplossing op het zand. Wacht 30 minuten.
    5. Giet 40 ml S. pasteurui-cultuur op het zand. Wacht 30 minuten.
    6. Giet 80 ml cementoplossing op het zand. Laat de steen minstens 48 uur met rust of tot het zand droog lijkt.
  9. Controleer het eindproduct (dag 5).
    1. Open de mallen voorzichtig door de mal in tweeën te splitsen en de druk van de magneten te laten ontsnappen. Haal de steen voorzichtig uit de mal.
      OPMERKING: Als het zand nat lijkt, moet de vorm nog een dag of twee drogen voordat de steen uit de vorm wordt gehaald (hoe droger de steen is, hoe gemakkelijker deze te verwijderen is).
    2. Leg de steen op een papieren handdoek om 3 weken te blijven drogen voordat u een compressietest uitvoert.
  10. Reinigen van mallen (Dag 5)
    1. Zodra de steen uit de mal is gehaald, scheidt u de pakkingen en het gaas van elke helft van de mal.
    2. Week het gaas 24 uur in een oplossing van 70% ethanol voordat u het met water afspoelt. Een lichte schrobbeurt kan nodig zijn om het gaas schoon te maken.
    3. Spoel de mallen af met 70% ethanol en schrob minstens 3 keer met een zachte borstel, spons of ander reinigingsapparaat; Reinig vervolgens met water en zeep, gevolgd door drogen aan de lucht
    4. Spoel de pakkingen af met 70% ethanol en reinig ze vervolgens met water en zeep, gevolgd door drogen aan de lucht.

3. Compressietesten (dag 25)

  1. Analyseer alle stenen op sterkte met behulp van een onbeperkte compressietest16.
    1. Zorg ervoor dat de ronde uiteinden van de steen vlak en gelijkmatig zijn. Als de uiteinden niet gelijk zijn, gebruik dan een vijl of ander apparaat om de oppervlakken te egaliseren.
      OPMERKING: De uiteinden van de steen moeten grotendeels plat zijn als het gaas correct is aangebracht. Het is van cruciaal belang dat de uiteinden van de steen zo gelijkmatig mogelijk zijn om een nauwkeurige meting van de sterkte te garanderen.
  2. Plaats een steen in een plastic zak met ritssluiting of verzegelde plastic zak en plaats de steen in de plastic zak zodat de platte vlakken van de steen niet worden bedekt door een naad om een gladde, vlakke dekking te krijgen.
  3. Plaats de steen op de onderste laadplaat. Leg een platte en vlakke laadplaat op de steen.
  4. Oefen ongeveer 1 pond druk uit op de steen via de onbeperkte compressietestmachine.
  5. Tarra de digitale uitlezing.
  6. Breng de toenemende belasting continu aan volgens de specificaties van de machine totdat de constructie volledig is bezweken.
  7. Noteer de maximale draagkracht voor elke steen. Voer de gewenste statistische analyse uit om de resultaten te evalueren.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De constructie van de 3D-geprinte mal is te zien in Figuur 1 en Figuur 2. Positieve resultaten moeten worden gezien als een baksteen die zijn vorm behoudt wanneer hij uit de mal wordt gehaald en na 3 weken drogen verschijnt als een solide structuur die gemakkelijk kan worden gehanteerd met minimaal materiaalverlies door aanraking. Als de steen niet massief is en er sprake is van afbrokkeling of aanzienlijk materiaalverlies door ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kritieke stappen
Dit biocementeringsprotocol maakt gebruik van S. pasteurii MICP om gebiocementeerde cilindrische stenen te produceren die geschikt zijn voor onbeperkte compressietests. Een van de meest kritische factoren voor onbeperkte compressietests is de vorm en structuur van het monster. Zorg ervoor dat de boven- en onderkant van het cilinderproduct vlak zijn en dat de hoogte van de steen zo dicht mogelijk bij 3 inch ligt; Iets over de hoogte van 3 inch...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs verklaren geen belangenconflict. Dit manuscript is goedgekeurd voor openbare publicatie. PA-nummer: USAFA-DF-2024-777. De standpunten in dit document zijn die van de auteurs en vertegenwoordigen niet noodzakelijkerwijs het officiële standpunt of beleid van de Amerikaanse regering, het ministerie van Defensie of het ministerie van de luchtmacht.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit materiaal is gebaseerd op onderzoek dat is gesponsord door de United States Air Force Academy en Air Force Research Lab onder overeenkomstnummer FA7000-24-2-0005 (MG). De Amerikaanse overheid is gemachtigd om herdrukken te reproduceren en te verspreiden voor overheidsdoeleinden, niettegenstaande enige copyrightvermelding daarop.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
3D-PrinterStratasysObjet 30 V3Objet30 Pro V3.0 Desktop 3D-Printer
3D-Printer MaterialStratasysOBJ-04066Rigur RGD450 Model Material
3D-Printer MaterialStratasysOBJ-04020Sup 705 Support Material
Ammonium ChlorideFisher ScientificA661-500Elk ander ammoniumchloride zou moeten werken, de fabrikant mag er niet toe doen
Brain Heart Infusion BrothMillipore53286Elk ander Brain Heart Infusion Broth zou moeten werken, de fabrikant mag er niet toe doen
Calcium Chloride DihydrateVWR BDH9224Elk ander Calcium chloride Dihydrate zou moeten werken, de fabrikant mag er niet toe doen
Coarse SandWard’s470016-902Special Sand-Gravel Mix and Stress Clay
Desktop Water JetStratasysOBJ-01400Water jet systeem voor nabewerking van 3D-afdrukken
EpoxyGorilla Glue4200102GORILLA Epoxy Adhesive: Epoxy, 0.8 fl oz, Syringe, Clear, Thick Liquid
Fine SandSandtastikPLA25 Play Sand in Sparkling White
Gasket MaterialMcMaster-Carr8525T65Ethyleen-propeen dieenmonomeer (EPDM) 1/16” dikte
GrabCADStratasysGrabCAD3D printer software
MagnetsK&J MagneticsD64-N52Neodymium Magnet Grade N52
SolidWorks 2021Dassault SystèmesSolidWorks 2021CAD software
Sporosarcina pasteuriiStrain: ATCC 11859 / DSM 33
Vacuum Filtration cup 0.45µmVWR10040-450
Wire Mesh 1.5” Diameter DiscsMcMaster-Carr2812T43Staaldraadgaas Materiaal

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Xiao, Y., He, X., Zaman, M., Ma, G., Zhao, C. Review of strength improvements of biocemented soils. Int J Geomech. 22 (11), 03122001(2022).
  2. Hottle, T., et al. Environmental life-cycle assessment of concrete produced in the United States. J Clean Prod. 363, 131834(2022).
  3. Miller, S. A., John, V. M., Pacca, S. A., Horvath, A. Carbon dioxide reduction potential in the global cement industry by 2050. Cem Concr Res. 114, 115-124 (2018).
  4. Cement Technology Roadmap: Carbon Emissions Reductions up to 2050. , IEA. Paris. https://www.iea.org/reports/cement-technology-roadmap-carbon-emissions-reductions-up-to-2050 (2009).
  5. Rodgers, L. Climate change: The massive CO2 emitter you may not know about. BBC News. 17 (12), https://www.bbc.com/news/science-environment-46455844 (2018).
  6. Imbabi, M. S., Carrigan, C., Mckenna, S. Trends and developments in green cement and concrete technology. Int J Sustain Built Environ. 1 (2), 194-216 (2012).
  7. THE 17 GOALS | Sustainable Development. , https://sdgs.un.org/goals (2024).
  8. Lehne, J., Preston, F. Making Concrete Change: Innovation in low-carbon cement and concrete. Chatham House. , https://www.chathamhouse.org/2018/06/making-concrete-change-innovation-low-carbon-cement-and-concrete (2018).
  9. Zhang, G. -Y., Wang, X. -Y. Materials. 16, 4705(2023).
  10. Jiang, K., et al. Zero-emission cement plants with advanced amine-based CO2 capture. Environ Sci Technol. 58 (16), 6978-6987 (2024).
  11. Iqbal, D. M., Wong, L. S., Kong, S. Y. Bio-cementation in construction materials: A review. Materials. 14 (9), 2175(2021).
  12. Liu, Y., et al. Microbial-induced calcium carbonate precipitation: Influencing factors, nucleation pathways, and application in wastewater remediation. Sci Total Environ. 860, 160439(2023).
  13. Fu, T., Saracho, A. C., Haigh, S. K. Microbially induced carbonate precipitation (MICP) for soil strengthening: A comprehensive review. Biogeotechnics. 1 (1), 100002(2023).
  14. Güneyli, H., Rüşen, T. Effect of length-to-diameter ratio on the unconfined compressive strength of cohesive soil specimens. Bull Eng Geol Environ. 75, 793-806 (2016).
  15. Gebresamuel, H. T., Melese, D. T., Boru, Y. T., Legese, A. M. Effect of specimens' height to diameter ratio on unconfined compressive strength of cohesive soil. Stud Geotech Mech. 45 (2), 112-132 (2023).
  16. Vigil, T. N., et al. Surface-displayed silicatein-α enzyme in bioengineered E. coli enables biocementation and silica mineralization. Front Syst Biol. 4, 1377188(2024).
  17. Choi, S. -G., et al. Review on geotechnical engineering properties of sands treated by microbially induced calcium carbonate precipitation (MICP) and biopolymers. Constr Build Mater. 246, 118415(2020).
  18. Heveran, C. M., et al. Engineered ureolytic microorganisms can tailor the morphology and nanomechanical properties of microbial-precipitated calcium carbonate. Sci Rep. 9 (1), 14721(2019).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

microbieel ge nduceerde calciet3D geprinte mallenonbeperkte compressietestcementatie oplossingflow through MICPzandsubstratencompressietestenBHI ureummedium

Gerelateerde artikelen