Resumen:
Investigadores del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zurich han desarrollado una nueva tecnología de fabricación de materiales de construcción que utiliza bacterias vivas para combinar granos de arena sueltos en componentes de construcción resistentes. A diferencia de la producción tradicional de cemento, que consume mucha energía y se cuece a altas temperaturas, esta tecnología, llamada biocementación, puede completar la solidificación mineral a temperatura ambiente y se espera que proporcione una solución de fabricación de materiales más respetuosa con el medio ambiente para la industria de la construcción.
El cemento es uno de los materiales básicos más importantes en la industria de la construcción moderna, pero la producción del cemento Portland tradicional requiere calentar las materias primas a altas temperaturas, lo que consume mucha energía y produce considerables emisiones de dióxido de carbono. Por lo tanto, encontrar materiales alternativos que puedan reducir el consumo de energía y las emisiones de carbono siempre ha sido una dirección importante en el campo de la investigación de materiales de construcción. La idea central de esta investigación no es rediseñar el proceso tradicional de cocción del cemento, sino utilizar las actividades metabólicas de los propios microorganismos para formar minerales naturales entre los granos de arena y combinar las partículas originalmente sueltas en un todo con cierta fuerza.
La bacteria utilizada por el equipo de investigación se llama Sporosarcina pasteurii. En las condiciones adecuadas, esta bacteria puede promover la formación de carbonato de calcio. El carbonato de calcio se encuentra ampliamente en materiales naturales como la piedra caliza, la tiza y las conchas. Cuando precipita y forma pequeños cristales entre los granos de arena, actúa como un aglutinante mineral, conectando los granos de arena entre sí para formar un material sólido con cierta resistencia.
Este proceso se llama precipitación de carbonato de calcio inducida microbianamente, o MICP, y también se conoce como tecnología de biocementación. Anteriormente, los investigadores habían intentado utilizarlo en áreas como refuerzo de suelos, estabilización de cimientos y reparación de grietas de hormigón. Lo diferente de esta investigación de ETH Zurich es que intenta procesar directamente arena para convertirla en materiales de construcción independientes, en lugar de simplemente utilizar bacterias para mejorar las propiedades de los materiales existentes.
El equipo de investigación, liderado por Karen Antorveza Páez, propuso dos métodos de fabricación. El primer método combina la tecnología de biocementación con la impresión 3D. Los investigadores desarrollaron una biotinta especial que contiene agua, arena, bacterias vivas e ingredientes químicos relacionados. La mezcla tiene una consistencia similar a un gel y se puede moldear en formas predeterminadas utilizando equipos de impresión 3D para crear componentes de construcción estructuralmente complejos.
Después de la impresión, los componentes deben sumergirse en una solución que contenga urea y cloruro de calcio durante aproximadamente tres días. Durante este proceso, las bacterias promueven la formación de cristales minerales, que gradualmente fusionan los granos de arena. A continuación, los bloques de construcción se secan durante unos dos días a temperatura ambiente, las bacterias ya no permanecen activas y finalmente se forma una estructura sólida. Todo el proceso, desde la impresión hasta el curado completo, lleva unos cinco días y no requiere el uso de equipos tradicionales de cocción a alta temperatura.
Los investigadores compararon el proceso con hornear un pastel: el material inicialmente formado permanece suave y fácilmente deformable, lo que requiere un procesamiento posterior para lograr una estructura fuerte. La diferencia es que el horneado tradicional depende del calor para completar el curado, mientras que esta tecnología se basa en bacterias para promover la producción de minerales y completar una transformación similar a temperatura ambiente.
El segundo método utiliza tecnología de pulverización robótica. El brazo robótico rocía arena, bacterias y materiales necesarios para la mineralización sobre la superficie objetivo en secuencia, formando una estructura multicapa mediante superposiciones repetidas. A medida que se acumula el carbonato de calcio, las capas de arena se combinan para formar una superficie sólida o un componente de construcción. El equipo de investigación ha tenido el sistema funcionando de forma continua durante seis meses, lo que demuestra su potencial para automatizar el trabajo y reducir la dependencia de la intervención humana continua.
Ambos métodos tienen sus propios escenarios aplicables. La impresión 3D es más adecuada para fabricar piezas de construcción con formas complejas y geometrías específicas, mientras que la pulverización robótica es más adecuada para materiales de construcción capa por capa en la superficie. El equipo de investigación ha utilizado esta tecnología para crear componentes de fachadas de edificios, que se espera que se utilicen en componentes de edificios como instalaciones de sombra y tabiques en el futuro.
Sin embargo, esta tecnología aún está lejos de tener una aplicación comercial a gran escala. Un tema importante son los subproductos del proceso de fabricación. Las soluciones mineralizadas utilizadas en los métodos de impresión 3D producen sustancias a base de amonio que pueden ser perjudiciales para el medio ambiente si no se manipulan adecuadamente. Los investigadores necesitan encontrar métodos eficaces de reciclaje o neutralización para aumentar aún más la producción; de lo contrario, los beneficios medioambientales de este material pueden ser limitados.
La resistencia del material también es una cuestión clave que debe resolverse. En la actualidad, el equipo investigador cree que este tipo de biocemento se acerca más a un mortero que a un material estructural que pueda sustituir directamente al hormigón portante. El mortero se utiliza principalmente para unir ladrillos y rellenar juntas, mientras que el hormigón se utiliza ampliamente en estructuras portantes como suelos, columnas y cimientos. Para utilizar biocemento en una gama más amplia de proyectos de construcción, se necesita una mayor verificación de sus propiedades mecánicas, durabilidad a largo plazo y estabilidad en diferentes condiciones ambientales.
Además, el tamaño de los granos de arena y la forma en que están dispuestos afectan las propiedades del material final. Los investigadores todavía están explorando cómo lograr propiedades estructurales y de resistencia más estables ajustando las materias primas y los parámetros de fabricación. Esto significa que las investigaciones futuras no sólo necesitarán mejorar el proceso de mineralización inducida por bacterias, sino también establecer estándares de diseño de materiales y control de calidad adecuados para diferentes usos de construcción.
A pesar de estas limitaciones, esta investigación demuestra una nueva dirección en la fabricación de materiales de construcción: convertir materiales granulares naturales en componentes de construcción con formas y propiedades específicas mediante el uso de microorganismos para guiar el crecimiento de minerales entre las partículas. Si en el futuro se pueden resolver problemas como el tratamiento de subproductos, la resistencia del material y la producción a gran escala, se espera que la tecnología de biocementación se aplique a la producción de algunos morteros y componentes de construcción tradicionales, reduciendo la dependencia de procesos de fabricación que consumen mucha energía.
En comparación con la sustitución directa del hormigón tradicional, un objetivo más realista a corto plazo de esta tecnología es introducirse primero en campos de aplicación como los componentes de carga no principales y los materiales de superficie de construcción. Los resultados del equipo de investigación muestran que las bacterias no sólo pueden participar en el refuerzo del suelo y la reparación de edificios, sino que también pueden convertirse en una herramienta para fabricar nuevos materiales de construcción, proporcionando otra vía técnica para reducir el consumo de energía y las emisiones de carbono en la industria de la construcción.
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