Biogene Baumaterialien durch Cyanobakterien Wie Bakterien den Beton der Zukunft bilden

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Zement ist aus der Bauwirtschaft nicht wegzudenken. Leider entsteht bei der Zementherstellung viel CO₂ – untragbar für eine klimafreundliche Zukunft. Hier könnten Bakterien helfen, die gesteinsartige feste Strukturen bilden und dabei sogar CO₂ aus der Luft binden. Ein Fraunhofer Projekt zeigt, was bereits geht.

Die Bauindustrie hat ein Problem, und es heißt Zement. Denn die Hauptkomponente für Beton, dem vermutlich meistgenutzten Baustoff unserer Zeit, ist ein regelrechter Klimakiller. Nach Angaben des Umweltbundesamts entstanden 2018 allein in Deutschland etwa 20 Millionen Tonnen CO₂ bei der Zementherstellung; das ergab einen Anteil von rund 5 % an den Gesamtemissionen aller im Emissionshandel erfassten Anlagen.

Forschende des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS und des Fraunhofer-Instituts für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP stellen nun im Projekt „BioCarboBeton“ ein umweltfreundliches, biologisch induziertes Verfahren zur Herstellung von biogenen Baumaterialien vor. Dies ist nicht nur frei von CO₂-Emissionen, sondern bindet sogar das klimaschädliche Gas im Material.

Bakterien das Bauen beibringen

Grundlage für die Herstellung der biogenen Baustoffe sind Cyanobakterien, auch Blaugrünbakterien genannt. Diese zur Photosynthese fähigen Bakterienkulturen bilden im Wechselspiel von Licht, Feuchtigkeit und Temperatur Kalkstein aus und formen dabei Stromatolithen. Das sind gesteinsartige Strukturen, die es schon vor 3,5 Milliarden Jahren gab, was die Robustheit dieses biologischen Prozesses zeigt. Wie schon damals wird beim Prozess der Mineralisierung CO₂ aus der Atmosphäre fixiert und im biogenen Gestein gebunden. Den Fraunhofer-Forschenden ist es gelungen, diesen natürlichen Prozess in einem technischen Verfahren nachzubilden.

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So wird aus Bakterienlösung ein Feststoff

Im ersten Schritt werden zur Erzeugung von Biomasse die lichtsensitiven Cyanobakterien in einer Nährlösung kultiviert, wobei die Intensität und Farbe der eingesetzten Lichtquelle deren Photosynthese und Stoffwechsel beeinflussen. Damit es in der Bakterienlösung zur Mineralisierung nach dem Vorbild der Stromatolithen kommen kann, werden Calciumlieferanten wie Calciumchlorid zugegeben. Dann stellen die Forschenden eine Mischung aus Hydrogelen und verschiedenen Füllstoffen her, beispielsweise unterschiedliche Sandsorten wie etwa Meer- oder Quarzsand. Zusätzliches Einspeisen von CO₂ erhöht den Gehalt an gelöstem Kohlendioxid und unterstützt den Prozess.

Das homogen verrührte Bakterien-Mischmaterial wird in Struktur gebracht, indem es beispielsweise in Formen gefüllt wird. Diese sind vorzugsweise lichtdurchlässig, damit Stoffwechsel und Photosynthese der Bakterien weitergehen können. Die anschließende Mineralisierung führt dann zur finalen Verfestigung. Die Bakterien-Mischmasse kann auch durch Aufsprühen, Schäumen, Strangpressen oder additive Fertigung in die Form gebracht werden, in der sie ausmineralisiert.

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Ziegel aus biogenem Calciumcarbonat

Ein alternativer Herstellungsweg setzt auf poröse Substrate, die nachträglich mit der Cyanobakterienkultur behandelt werden: „Der entstehende Festkörper ist während des Prozesses noch porös, so dringt Licht ins Innere ein und treibt die CO₂-Fixierung durch Kalkstein-Mineralisierung voran“, erklärt Dr. Matthias Ahlhelm vom Fraunhofer IKTS. „Durch Entzug von Licht und Feuchtigkeit oder durch Änderung der Temperatur stoppen wir den Prozess.“ Alle Bakterien sterben dann vollständig ab. So entsteht ein Festprodukt auf Basis von biogenem Calciumcarbonat und Füllstoffen, das beispielsweise als Ziegel benutzt werden kann. Die Bio-Baustoffe aus Cyanobakterien enthalten keine giftigen Substanzen.

Zu den Zielen des Projekts gehört es, die möglichen Material- und Festigkeitseigenschaften der herzustellenden Festkörper zu bestimmen und Prozesse aufzuskalieren. Dabei denken die Forschenden bereits an eine Kreislauf-Prozessführung. So könnten die Quellen für Kohlendioxid beispielsweise aus industriellen Abfallgasen bezogen werden. Aktuell wird mit Biogas gearbeitet. Als Calciumquellen könnten Basalte und Minenabfälle dienen, aber auch Milchreste aus Molkereien. Und als Füllstoff sind neben Sand auch zerkleinerter Bauschutt oder nachwachsende Ressourcen verwendbar.

Vom Dämmmaterial bis zum Mörtel

Durch die gezielte Auswahl der Füllstoffe und die Steuerung der Prozess- und Mineralisierungsparameter lassen sich Produkte für unterschiedliche Anwendungsszenarien erzeugen. Diese reichen potenziell vom Dämmmaterial über Ziegel und Verschalungsverfüllung bis hin zum Mörtel oder Fassadenputz, der nach dem Auftragen aushärtet.

Nachdem das Team der Forschenden den Prozess am Fraunhofer IKTS und am Fraunhofer FEP etabliert und erprobt hat, arbeitet es nun an der Skalierung der Mengen und Bestimmung der gewünschten Festkörpereigenschaften. Ziel ist es, den Herstellern zu ermöglichen, die umweltfreundlichen Bio-Baustoffe schnell und wirtschaftlich in den erforderlichen Mengen zu produzieren. Ahlhelm und seine Kollegin Dr. Ulla König vom Fraunhofer FEP sind überzeugt: „Das Verfahren zeigt, welch enormes Potenzial in der Biologisierung der Technik liegt. Insgesamt bietet unser Projekt ‚BioCarboBeton‘ nicht nur für die Bauwirtschaft die Chance, einen großen Schritt in Richtung Kreislaufwirtschaft zu tun.“

Weiterführende Literatur: Olena Reinhardt, Stephanie Ihmann, Matthias Ahlhelm, Michael Gelinsky: 3D bioprinting of mineralizing cyanobacteria as novel approach for the fabrication of living building materials, Front. Bioeng. Biotechnol., 03 April 2023, Sec. Biomaterials, Volume 11 - 2023; DOI: 10.3389/fbioe.2023.1145177

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