Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Производство и анализ биоцементного кирпича Sporosarcina pasteurii с использованием изготовленных на заказ 3D-печатных форм для испытаний на неограниченное сжатие

2.8K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/68065

⸱

7 марта 2025 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Sporosarcina pasteurii – уреолитическая бактерия, расщепляющая мочевину на карбонат и аммоний. Карбонат соединяется с кальцием с образованием карбоната кальция, создавая кристаллическую решетку, которая связывает окружающие частицы вместе для производства биоцемента. Это удобный протокол использования напечатанных на 3D-принтере пресс-форм для создания биоцементных кирпичей, пригодных для испытаний на сжатие.

Аннотация

Цемент является ключевым строительным материалом, используемым во многих конструкциях по всему миру, от фундаментов домов до исторических памятников и дорог. Это критически важный и обильный материал во всем мире. Тем не менее, традиционное производство цемента является основным источником антропогенногоCO2 в атмосфере, что приводит к выбросам парниковых газов и изменению климата. Микробно-индуцированное осаждение кальцита (MICP) — это биологический процесс, при котором Sporosarcina pasteurii или другие бактерии производят цементный материал, который так же прочен, как и традиционный цемент, но биоцемент является углеродно-нейтральным. Этот метод производства биоцемента является перспективной технологией и в настоящее время активно исследуется многими компаниями, странами и исследовательскими группами. В представленном здесь протоколе используются специально разработанные, многоразовые, напечатанные на 3D-принтере формы для проточной обработки почвы или песка методом MICP, в результате чего изготавливаются цилиндрические кирпичи, которые соответствуют стандартным спецификациям для испытаний на сжатие без ограничений. Отдельные, отдельно стоящие формы с резервуаром обеспечивают удобное параллельное тестирование нескольких переменных и реплик. В этом протоколе описывается реакция S. pasteurii MICP, а также создание, сборка и использование напечатанных на 3D-принтере форм для производства биоцементных цилиндрических кирпичей.

Введение

Бетон является основным строительным материалом для строительных проектов по всему миру 1,2. Одно исследование показало, что цемент является вторым по потреблению материалом в мире, уступая только воде3. Ежегодно производится почти 4,5 млрд тонн цемента4,5. Традиционное производство, переработка и применение цемента приводит к почти 8% глобальных выбросовCO2 в год6. В связи с высоким спросом и в то же время разрушительным воздействием традиционного производства цемента, новый углеродно-нейтральный метод цементирования является главным приоритетом для достижения глобальных целейустойчивого развития 7,8,9,10.

Биоцементация – это процесс использования микроорганизмов для производства цемента, клея или вещества, которое может быть использовано для создания твердой поверхности или структуры 1,11. Наиболее четко определенный процесс биоцементации включает использование уреолитических бактерий для осаждения карбоната кальция, связывая частицы вместе в затвердевший цементный материал12,13.

При рассмотрении экологически чистой альтернативы традиционному цементу альтернатива также должна соответствовать ожиданиям по прочности цемента. Испытание на неограниченное сжатие представляет собой аналитическое измерение, используемое для определения прочности на сдвиг породы, строительного материала или образца почвы14. Для эффективного испытания на сдвиг образец должен быть подготовлен в соответствии с отраслевыми стандартами, которые включают отношение диаметра к высоте 1:2 и цилиндрическую форму15. Специально разработанная 3D-печатная форма была создана для соответствия этим стандартам и повышения эффективности выполнения протокола MICP. Эти специально разработанные формы обеспечивают проточное нанесение и дренаж при последовательной обработке MICP. Бактериальная культура и цементационный раствор могут быть легко нанесены на верхний резервуар, который затем проходит через форму и проходит через сетчатое отверстие в основании формы. Формы предназначены для установки на верхнюю часть стакана или другого контейнера для сбора отходов. Форма разделена пополам по вертикали, чтобы обеспечить легкую разборку цементированного кирпича. Он удерживается вместе восемью магнитами, прикрепленными к раме формы и герметизированными эпоксидной смолой, чтобы предотвратить повреждение магнитов от воздействия растворов MICP. Две половины также содержат вставную канавку для размещения резиновой прокладки, которая помогает герметизировать форму и предотвращает утечку. На внутренней стороне цилиндрической формы есть канавка для указания уровня заполнения песка/почвы для получения кирпича высотой 3 дюйма; Пространство над этой канавкой предназначено для использования в качестве резервуара для нанесения очистных растворов. Кусок проволочной сетки, помещенный над нижним отверстием внутри формы, при сборке предотвращает выпадение песка или почвы через дно формы. Кроме того, на поверхность песка или почвы кладется кусок проволочной сетки, чтобы помочь равномерно распределить нанесенные растворы и обеспечить ровную поверхность формируемого кирпича без острых гребней, которые могут повлиять на результаты испытаний на сжатие без ограничений.

Пресс-формы были спроектированы с использованием программного обеспечения для автоматизированного проектирования (САПР), а из файла САПР (Дополнительный файл 3 и Дополнительный файл 4) был сгенерирован файл STL (Дополнительный файл 1 и Дополнительный файл 2). Этот STL-файл был загружен в программу 3D-принтера и впоследствии распечатан. После того, как формы были напечатаны, с помощью водоструйной системы удалили вспомогательный материал, полученный на 3D-принтере, оставив окончательную 3D-печатную структуру. Также в комплект входит файл для печати подбивочного устройства, помогающего уплотнять песок/почву в форме и создавать ровную верхнюю поверхность.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Подробная информация об используемых реагентах, оборудовании и программном обеспечении приведена в Таблице материалов.

1. Приготовление растворов и сред

  1. Brain-Heart Infusion (BHI) - среда мочевины (1 л)
    1. Взвесьте 37 г порошка BHI с помощью весов и добавьте в колбу или стакан объемом 1 л.
    2. Взвесьте 20 г мочевины с помощью весов и добавьте в ту же 1 л колбу или стакан, содержащий порошок BHI.
      ВНИМАНИЕ: Не автоклавируйте и не добавляйте отбеливатель в материалы, содержащие мочевину. Мочевина распадается на аммиак, который может быть вреден в виде улетучивающегося газа и может вступать в реакцию с отбеливателем с образованием токсичного горчичного газа. Утилизируйте все отходы как опасные в соответствии с протоколами безопасности учреждения.
    3. Наполните колбу или стакан объемом 1 л, содержащий порошок BHI и мочевину, 1 л H2O.
    4. Перемешайте и отфильтруйте стерилизованную среду с помощью фильтра 0,45 мкМ в автоклавную колбу или стакан.
  2. Цементационный раствор (1 л)
    1. Взвесьте 20 г мочевины с помощью весов и добавьте в колбу или стакан объемом 1 л.
    2. Взвесьте 10 г NH4Cl (хлорид аммония) с помощью весов и добавьте в ту же колбу или стакан объемом 1 л с мочевиной.
      ВНИМАНИЕ: Не автоклавируйте и не добавляйте отбеливатель к любым материалам, содержащим хлорид аммония. Хлорид аммония образует равновесие с газообразным аммиаком, который может быть вреден в виде испаряющегося газа и может вступать в реакцию с отбеливателем с образованием токсичного горчичного газа. Утилизируйте все отходы как опасные в соответствии с протоколами безопасности вашего учреждения.
    3. Взвесьте 49 г CaCl4,2H 2O (хлорид кальция) с помощью весов и добавьте в ту же 1 л колбу или стакан, содержащий мочевину и хлорид аммония.
    4. Наполните колбу или стакан объемом 1 л, содержащий мочевину, хлорид аммония и хлорид кальция, 1 л H2O.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Этот раствор не стерилизован; Готовьте в свежем виде и используйте в течение 48 часов.
  3. Печать и подготовка кирпича (выполняется за несколько дней до обработки MICP)
    1. Загрузите файл STL для кирпичной формы (Дополнительный файл 1) и подбивочного устройства (Дополнительный файл 2) в соответствующую программу для 3D-принтера.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Конкретная используемая программа может отличаться при использовании другого 3D-принтера. Используйте программу, соответствующую используемому принтеру.
    2. Распечатайте пресс-формы и подбивочные устройства (рисунок 1).
    3. Обработайте пресс-формы в соответствии с требованиями принтера.
    4. Поместите по одному магниту в каждую из соответствующих прорезей для магнитов в форме, убедившись, что заряды расположены таким образом, чтобы две половины формы притягивались, а не отталкивались друг от друга.
    5. После того, как магниты будут правильно размещены, запечатайте каждый магнит эпоксидной смолой.
    6. Выберите два круга проволочной сетки диаметром 1,5 дюйма и отложите в сторону.

2. Подготовка кирпича (день 0)

ПРИМЕЧАНИЕ: Подробности по приготовлению одного кирпича приведены здесь.

  1. Фильтр стерилизуют 150 мл среды BHI-мочевины. Автоклавируйте колбу объемом 250 мл.
  2. Приготовьте 250 мл цементационного раствора; Не помещайте его в автоклавную колбу объемом 250 мл.
  3. Приготовьте изолированную культуру полос S. pasteurii на чашке Петри с агаром мочевины BHI и инкубируйте при 30°С в течение 24-48 ч (S. pasteurii из замороженного глицеринового бульона).
  4. Закваска S. pasteurii (День 1)
    1. Сделайте закваску объемом 1,6 мл, добавив 1,6 мл среды BHI-мочевины в пробирку для культивирования.
    2. Инокулируйте культуру 1 колонией из пластины с полосой Дня 0.
    3. Выращивайте закваску в шейкере (150 об/мин) при температуре 30 °C в течение ночи.
  5. Рост культуры (День 2)
    1. Осмотрите закваску, чтобы подтвердить рост (проявляющийся в повышенной мутности).
    2. Добавьте 40 мл среды BHI-мочевины в 250 мл автоклавной колбы. Высыпаем в колбу закваску объемом 1,6 мл. Инкубировать и встряхивать при 30 °C в течение 7 часов.
    3. Добавьте в колбу еще 40 мл среды BHI-мочевины. Поместите колбу в шейкер при температуре 20 °C на ночь (~16 часов).
  6. Обработка кирпичом S. pasteurii (День 3)
    1. Добавьте еще 40 мл среды BHI-мочевины в колбу для ночных культур и продолжайте инкубацию S. pasteurii при 20 °С.
  7. Подготовьте формы для кирпича (день 3) (см. рисунок 2).
    1. Разместите резиновые прокладки в соответствующих местах на формочках. Соедините две половины форм, убедившись, что прокладки герметичны и все магниты соединены.
    2. Добавьте круг из мелкой проволочной сетки на дно цилиндрической формы для кирпича, чтобы песок не попадал через отверстие в форме.
    3. Заполните форму песком или другим материалом до линии на внутренней стороне формы и плотно утрамбуйте.
    4. Положите еще один круг из проволочной сетки поверх песка, чтобы покрыть всю верхнюю поверхность, и снова утрамбуйте.
    5. Поместите форму на контейнер для отходов, чтобы пропустить поток.
  8. Процедура лечения (День 3)
    1. Насыпьте 40 мл культуры S. pasteurii поверх песка и дайте ему впитаться. Подождите 45 минут.
    2. Сверху на песок налейте 80 мл цементационного раствора. Подождите 30 минут.
    3. Сверху на песок насыпьте 40 мл культуры S. pasteurii . Подождите 30 минут.
    4. Сверху на песок налейте 80 мл цементационного раствора. Подождите 30 минут.
    5. Сверху на песок насыпьте 40 мл культуры S. pasteurii . Подождите 30 минут.
    6. Сверху на песок налейте 80 мл цементационного раствора. Оставьте кирпич в покое не менее чем на 48 часов или пока песок не станет сухим.
  9. Проверьте конечный продукт (день 5).
    1. Осторожно откройте формы, разделив форму пополам и сбросив давление с магнитов. Аккуратно выньте кирпич из формы.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если песок кажется влажным, плесень нужно будет высушить еще день или два, прежде чем вынимать кирпич из формы (чем суше кирпич, тем легче его снять).
    2. Положите кирпич на бумажное полотенце, чтобы он продолжал сохнуть в течение 3 недель, прежде чем проводить испытание на сжатие.
  10. Чистка форм (День 5)
    1. Как только кирпич будет извлечен из формы, отделите прокладки и проволочную сетку от каждой половины формы.
    2. Замочите сетку в растворе 70% этанола на 24 часа перед промывкой водой. Для очистки сетки может потребоваться небольшая чистка.
    3. Промойте формы с 70% этанолом и потрите щеткой с мягкой щетиной, губкой или другим чистящим средством не менее 3 раз; Затем очистите водой с мылом и последующим высушиванием на воздухе
    4. Промойте прокладки 70% этанолом, а затем очистите их водой с мылом, после чего высушите на воздухе.

3. Испытание на сжатие (День 25)

  1. Проанализируйте все кирпичи на прочность с помощью испытания на неограниченное сжатие16.
    1. Убедитесь, что круглые концы кирпича плоские и ровные. Если концы неровные, используйте напильник или другое приспособление, чтобы выровнять поверхности.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Концы кирпича должны быть в основном плоскими, если проволочная сетка была применена правильно. Очень важно, чтобы торцы кирпича были как можно более ровными, чтобы обеспечить точное измерение прочности.
  2. Поместите кирпич в полиэтиленовый пакет с застежкой-молнией или герметичным полиэтиленовым пакетом и расположите его в полиэтиленовом пакете так, чтобы плоские поверхности кирпича не были закрыты швом, чтобы получить гладкое плоское покрытие.
  3. Положите кирпич на нижнюю загрузочную плиту. Положите плоскую и ровную загрузочную плиту поверх кирпича.
  4. Приложите давление около 1 фунта к кирпичу с помощью машины для испытаний на сжатие без ограничений.
  5. Сведите цифровое считывание.
  6. Непрерывно прилагайте возрастающую нагрузку в соответствии со спецификациями машины до тех пор, пока не будет достигнут полный структурный выход кирпича из строя.
  7. Запишите максимальную несущую нагрузку для каждого кирпича. Выполните требуемый статистический анализ для оценки результатов.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Конструкцию напечатанной на 3D-принтере формы можно увидеть на рисунках 1 и 2. Положительные результаты следует рассматривать как кирпич, который сохраняет свою форму при извлечении из формы и после 3 недель сушки выглядит как прочная конструкция, с которой можно легко обращаться с минимальными потерями материала от прикосновения. Если кирпич не прочный и есть крошение или значительные потери материала от прикосновения или движения, возможно, была допущена ошибк...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Критические шаги
В этом протоколе биоцементации используется S. pasteurii MICP для производства биоцементированных цилиндрических кирпичей, которые подходят для испытаний на сжатие без ограничений. Одним из наиболее важных факторов при испытании на неограниченное сжатие является форма и структура образца. Убедитесь, что верхняя и нижняя части цилиндрического изделия плоские, а высота кирпича максимально близка к 3 дюймам; Лучше немного превысить отметку в 3 д...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Данная рукопись была одобрена для публичного распространения. Номер PA: USAFA-DF-2024-777. Мнения, выраженные в этой статье, принадлежат авторам и не обязательно отражают официальную позицию или политику правительства США, Министерства обороны или Министерства военно-воздушных сил.

Благодарности

Этот материал основан на исследованиях, спонсируемых Академией ВВС США и Исследовательской лабораторией ВВС США под номером FA7000-24-2-0005 (MG). Правительство США имеет право воспроизводить и распространять репринты в государственных целях, невзирая на какие-либо отметки об авторских правах.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
3D-принтерStratasysObjet 30 V3Objet30 Pro V3.0 Настольный 3D-принтер
Материал 3D-принтераStratasysOBJ-04066Rigur RGD450 Материал модели
3D-принтера МатериалStratasysOBJ-04020Sup 705 Материал поддержки
Хлорид аммонияFisher ScientificA661-500Любой другой хлорид аммония должен подойти, производитель не имеет значения
Мозговой инфузионный бульонMillipore53286Любой другой инфузионный бульон для мозгового сердца должен работать, производитель не должен иметь значения
Дигидрат хлорида кальцияVWR BDH9224Любой другой дигидрат хлорида кальция должен подойти, производитель не должен иметь значения
Coarse SandWard' s470016-902Специальная песчано-гравийная смесь и напряженная глина
Настольная гидроабразивная установкаStratasysOBJ-01400Система гидроабразивной резки для постобработки 3D-отпечатков
Эпоксидныйклей Gorilla 4200102GORILLA Эпоксидный клей: эпоксидная смола, 0,8 жидких унции, шприц, прозрачный, густой жидкий
мелкий песокSandtastikPLA25  Играть Песок в сверкающем белом
материале прокладкиMcMaster-Carr8525T65Этилен-пропилен-диеновый мономер (EPDM) толщиной 1/16 дюйма
GrabCADStratasysПрограммное обеспечение для 3D-принтераGrabCAD
МагнитыK& J MagneticsD64-N52Неодимовый магнит Марка N52
SolidWorks 2021Dassault Systè mesSolidWorks 2021программное обеспечение САПР
Sporosarcina pasteuriiШтамм: ATCC 11859 / DSM 33
Вакуумная фильтрационная чашка 0,45&микро; mVWR10040-450
Сетка проволочная 1,5" Диаметр дисковMcMaster-Carr2812T43Материал стальной проволочной сетки

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Микробноиндуцированное осаждение кальцита3D-печатные формыиспытание на одноосное сжатиецементирующий растворпроточное MICPпесчаные субстратыиспытания на сжатиесреда BHI с мочевиной
Производство и анализ биоцементного кирпича Sporosarcina pasteurii с использованием изготовленных на заказ 3D-печатных форм для испытаний на неограниченное сжатие
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.