Bioconcrete- a sustainable substitute for concrete?

Abstract

Today the application of concrete is rapidly increasing worldwide; it is already the most used manmade material in the world as it is relatively cheap and its basic ingredients (sand/ gravel/ water) are readily available. However, the development of a sustainable concrete is urgently needed for environmental reasons. It is clear that cement, the key binder ingredient in concrete has a high environmental impact. Presently about 10% of the total anthropogenic CO2 is due to the cement production solely. Today innovation is leadingly being inspired by nature as a sustainable alternative. Hence, taking notes from biomimicry and biotechnology, investigation is being conducted to create concrete the way nature does with microorganisms. Therefore, a bioconcrete would be a suitable substitute for cement based concrete. Naturally, bio-mineralisation process occurs at a very slow rate over geological times like the formation of limestone, sandstone, etc. Bioconcrete would be this process, achieved at a much shorter timescale. Among the three natural methods of Microbially Inducing Precipitation of Calcium carbonate (the cementing agent); this dissertation looks into the method where organisms are involved in the nitrogen cycle such as ureolytic bacteria for the biocementation process. The urease enzyme present in these bacteria hydrolyses urea to produce carbonate; and in presence of a calcium source, calcium carbonate is readily precipitated under these conditions. This thesis analyses the feasibilities of bioconcrete as a construction material, as an environment friendly material and as an alternative to existing concrete; the latter two were analysed by means of Life-Cycle-Assessment (LCA) framework. (i) Based on research literature, biocementation is being used for variety of applications that make it a compatible alternative to cement. In particular this method used for consolidation of sand (aggregate) and the attainable strengths comparable to that of concrete, make it a practicable substitute to concrete. However, at large scale no suitable application method is established and uniform distribution of strengths is yet to be mastered. (ii) The largest environmental impacts caused by bioconcrete are due to Fossil fuel consumption, which is mainly caused by urea production. However, for many of its major raw materials like urea exists the possibility of acquiring them from waste products and by-products from other industrial processes. (iii) Based on the assumptions and estimations made in these LCA’s, it can be concluded that the environmental impact of bioconcrete is half that of concrete, even though the production of the inputs in bioconcrete have a 37% higher environmental impact as that of concrete. This is mainly due to the possibility of bioconcrete being total recyclable, into aggregates to re-produce more bioconcrete hence forming a closed loop by closing its cycle.

Hoy en día la aplicación del hormigón está aumentando rápidamente en todo el mundo, ya es el material artificial más utilizado, ya que es relativamente barato y sus ingredientes básicos (arena / grava / agua) están disponibles. Sin embargo, el desarrollo de un hormigón sostenible es urgente por razones medioambientales. Está claro que el cemento, el ingrediente clave para aglomerar en el hormigón, tiene un alto impacto ambiental. En la actualidad alrededor del 10% del total de CO2 antropogénico es debido a la producción de cemento solamente. Hoy la mayoría de la innovación se inspira en la naturaleza como una alternativa sostenible. Por lo tanto, tomando notas de la Biomimetismo y la Biotecnología, la investigación se lleva a cabo para crear hormigón de la forma que hace la naturaleza con los microorganismos. Por lo tanto, biohormigón sería un sustituto adecuado para el hormigón. Naturalmente, el proceso de la bio-mineralización se produce a un ritmo muy lento en los tiempos geológicos como la formación de piedra caliza, arenisca, etc Biohormigón sería este proceso, alcanzado en un periodo de tiempo mucho más corto. Entre los tres métodos naturales de inducir precipitación de carbonato de calcio por microorganismos (el agente de cementación), esta tesina se trata sobre el método de los organismos que intervienen en el ciclo del nitrógeno, como las bacterias ureolíticos para el proceso de biocementación. La enzima ureasa presente en las bacterias, hidroliza la urea para producir carbonato, y en presencia de una fuente de calcio, precipita el carbonato de calcio fácilmente. Esta tesina analiza la factibilidad de biohormigón como material de construcción, como material favorable al medio ambiente y como una alternativa al hormigón existente, estos dos últimos se analizaron por medio del marco del Análisis de ciclo de vida (ACV). (i) Basado en la literatura de investigación, la biocementación está siendo utilizada para una variedad de aplicaciones que convierten en una alternativa comparable con el cemento. En particular este método utilizado para la consolidación de la arena (agregado) y la resistencia posible es comparable a la del hormigón, así lo convierten en un sustituto viable para hormigón. Sin embargo, a gran escala no existe un método de aplicación adecuado establecido, ni una distribución uniforme de resistencia, que es necesario alcanzar. (ii) El más grande de los impactos ambientales causados por biohormigón se deben al consumo de combustibles fósiles, la producción de urea es la principal causa de este impacto. Sin embargo, para muchos de sus principales materias primas como la urea, existe la posibilidad de adquirir los productos de los residuos y subproductos de otros procesos industriales. (iii) Basándonos en los supuestos y estimaciones realizadas en los ACV’s, se puede concluir que el impacto ambiental de biohormigón es la mitad que del hormigón, a pesar de que en la fase de la producción de los insumos en biohormigón son el impacto ambiental es 37% más que del hormigón. Esto se debe principalmente a la posibilidad de total reciclaje de biohormigón, en los agregados y re-utilizado para producir más biohormigón, formando así un circuito cerrado de su ciclo.

Avui dia l'aplicació del formigó està augmentant ràpidament a tot el món, ja és el material artificial més utilitzat, ja que és relativament economic i els seus ingredients bàsics (sorra / grava / aigua) estan disponibles. No obstant això, el desenvolupament d'un formigó sostenible és urgent per raons mediambientals. És clar que el ciment, l'ingredient clau per aglomerar en el formigó, té un alt impacte ambiental. En l'actualitat al voltant del 10% del total de CO2 antropogènic és degut a la producció només del ciment. Avui la majoria de la innovació s'inspira en la naturalesa com una alternativa sostenible. Per tant, prenent notes de la biomimètica i la Biotecnologia, la investigació es porta a terme per crear formigó de la manera que fa la natura amb els microorganismes. Per tant, el bioformigó seria un substitut adequat per al formigó. Naturalment, el procés de la biomineralització es produeix a un ritme molt lent en els temps geològics com la formació de pedra calcària, gres, etc. Bioformigó seria aquest procés, assolit en un període de temps molt més curt. Entre els tres mètodes naturals d'induir precipitació de carbonat de calci per microorganismes (l'agent de cementació), aquesta tesina tracta sobre el mètede dels organismes que intervenen en el cicle del nitrogen, com els bacteris ureolíticos per al procés de biocementación. L'enzim ureasa present en els bacteris, hidrolitza la urea per produir carbonat, i en presència d'una font de calci, precipita el carbonat de calci fàcilment. Aquesta tesina analitza la factibilitat de bioformigó com a material de construcció, com a material favorable al medi ambient i com una alternativa al formigó existent, aquests dos últims es van analitzar mitjançant el marc de l'Anàlisi de Cicle de Vida (ACV). (i) Basat en la literatura de recerca, la biocementación està sent utilitzada per una varietat d'aplicacions que la converteixen en una alternativa comparable al ciment. En particular aquest mètode utilitzat per a la consolidació de la sorra (agregat) i la resistència possible és comparable a la del formigó, així el converteixen en un substitut viable per a formigó. No obstant això, a gran escala no hi ha un mètode d'aplicació adequat establert, ni una distribució uniforme de resistència, que cal assolir. (ii) El més gran dels impactes ambientals causats per bioformigó es deuen al consum de combustibles fòssils, la producció d'urea és la principal causa d'aquest impacte. No obstant això, per a molts de les seves principals matèries primes com la urea, hi ha la possibilitat d'adquirir els productes dels residus i subproductes d'altres processos industrials. (iii) Basant-nos en els supòsits i estimacions realitzades en els ACV 's, es pot concloure que l'impacte ambiental de bioformigó és la meitat que del formigó, tot i que en la fase de la producció de les entrades del bioformigó l'impacte ambiental és del 37% més que del formigó. Això meitat impacte es deu principalment a la possibilitat de total reciclatge de bioformigó, en els agregats i reutilitzat per produir més bioformigó, formant així un circuit tancat del seu cicle.