Le applicazioni delle Construction Biotechnology

Nell’articolo Construction biotechnology sono stati proposti alcuni esempi di construction biotechnology, ma è in questo articolo che andremo a fare una panoramica più dettagliata riguardante le applicazioni di questa nuova area biotech. Per semplificare la trattazione, le applicazioni verranno suddivisi in 4 aree distinte, anche se a livello pratico vi può essere una fruttuosa commistione.

Bioplastiche

Analizzando una situazione di cantiere, piuttosto che il contenimento di suoli per specifiche operazioni, lo scarto preponderante alla fine dei lavori risulta essere di tipo plastico: teli, coperture, film per delimitare le aree sono alcuni degli esempi. Chiaramente tutto questo materiale va prelevato dal sito e smaltito in maniera adeguata, che non sempre purtroppo si concretizza nel riciclo.

Oltre alla praticità, un’ottica di sostenibilità economica e ambientale il ricorso a bioplastiche biodegradabili sarebbe auspicabile: pensiamo ad esempio al non dover rimuovere i teli da un cantiere e soprattutto al risparmio che queste non-operazioni generebbero alle voci recupero rifiuti e smaltimento.

Le bioplastiche studiate per questo tipo di applicazioni sono i poliidrossialcanoati (PHA), poliesteri sintetizzati da diversi generi di batteri (Bacillus, Rhodococcus, Pseudomonas, ecc.) a seguito della fermentazione di zuccheri e lipidi, con funzione di riserva e stoccati in granuli all’interno delle cellule raggiungendo fino il 90% del peso secco della biomassa.

Tipicamente la coltura dei microrganismi avviene in fermentatori e i granuli prodotti vengono termoformati a dare bioplastiche dalle caratteristiche tecniche molto interessanti. Tuttavia c’è un problema non trascurabile. Così come descritto, la bioplastica prodotta costa circa 7 volte in più di una plastica petrol-based!

In tal senso, alcune soluzioni per abbattere i costi sono rappresentante da:

• l’utilizzo di scarti del comparto agro-industriale per la crescita dei microrganismi;
• la biosintesi di PHA in condizioni non sterili;
• un ridotto o nullo grado di purificazione del PHA dalla biomassa di partenza.

Risolti i problemi legati alla convenienza del materiale, le applicazioni sarebbero immense, come ad esempio:

• muri portanti e parete divisorie di opere temporanee e manufatti leggeri;
• teli di vario tipo, generalmente posti sul suolo per migliorarne le proprietà fisico chimiche;
• filtri recinzione (dust fences), dispositivi plastici utilizzati nei cantieri per evitare la movimentazione di sedimenti verso corpi idrici vicini.

Biomiscele

Come già approfondito, i primi approcci legati all’uso di fonti biologiche nella costruzione hanno origini lontanissime. Sostanze provenienti da fonti animali e vegetali venivano aggiunte a malte e cementi per creare miscele con migliorate proprietà tecniche. Con le conoscenze odierne ci è possibile selezionare specifiche classi di molecole sintetizzate dai microrganismi, piuttosto che prodotte dai medesimi scarti animali-vegetali (e non solo) per migliorare specifiche proprietà dei materiali da costruzione.

Per esempio differenti polisaccaridi hanno dato prova di agire come agenti viscosizzanti e ritardanti, in grado cioè di mantenere la lavorabilità del calcestruzzo per un tempo maggiore (set retarder). Alcuni polisaccaridi dotati delle sovracitate proprietà sono le gomme xantaniche e welaniche prodotte rispettivamente dai generi batterici Xantomonas e Alcaligenes, piuttosto che i pullulani prodotti dal fungo Aureobasidium pulllulans. Le carragenine, polisaccaridi lineari solforati estratti dalle alghe rosse, quando miscelate al calcestruzzo creano una schiuma che preserva il calcestruzzo appena colato dall’essiccazione prematura, durante la costruzione di autostrade.

Anche materie caratterizzati da costi inferiori possono trovare applicazioni in questo campo, come nel caso delle ceneri derivanti dalla combustione di fanghi di depurazione, infatti le proprietà idrauliche di tipo pozzolanico di queste ceneri sono in grado di aumentare la forza di compressione di della malta.

Biocementi

Con il termine biocementi si fa riferimento all’azione esplicata da differenti gruppi di microrganismi su diverse matrici, come suolo, impasti quali malte e calcestruzzi, oltre che su manufatti ad uso edile già costituiti. L’azione di coesione delle componenti di queste matrici eterogenee prende il nome di biocementificazione e a seconda del tipo di reazione impiegata dal microrganismo e la matrice da compattare, avviene secondo dinamiche differenti: vi sono infatti svariati tipi di reazioni, che verranno solo accennate.

Uno dei meccanismi più studiati della biocementificazione è la precipitazione del carbonato di calcio indotta da microrganismi (MICCP), i quali sono in grado di formare precipitazioni del sale CaCO₃ utilizzando come substrati di reazione urea e cloruro di calcio. I ceppi in grado di effettuare questo tipo di reazione devono necessariamente presentare l’enzima ureasi necessario per l’idrolisi dell’ammoniaca e della CO₂ costituenti l’urea, e dell’enzima carbonato deidratasi, che partendo dall’anidride carbonica liberata, catalizza l’idratazione dell’acido carbonico risultante verso il bicarbonato. Lo ione carbonato e lo ione calcio del CaCl₂ andranno poi a coprecipitare, esplicando l’azione legante. Nella preparazione della matrice da trattare sarà quindi importante verificare e eventualmente integrare, via ammendamento, urea e cloruro di calcio, oltre al seed microbico. La formazione di precipitato fra le particelle di suolo andrà ad esplicare un’azione legante fra le stesse, che permette di impiegare la MICCP per numerose applicazioni nelle CPB, quali: stabilizzazione di scarpate e suoli declivi, riduzione dell’erosione tramite formazione di croste superficiali, costruzione di canali irrigui e bacini idrici, mediante la formazione di un letto impermeabile, e riduzione della polverosità dei suoli. Tuttavia, anche nelle CMB le opportunità sono numerose, infatti l’azione di precipitazione può essere sfruttata per la produzione di mattoni, il riempimento di crepe nei calcestruzzi o nella roccia al fine di aumentarne la durata e nella produzione di calcestruzzi e malte.

Vi sono poi altri ceppi microbici che a seconda del pattern enzimatico e degli ioni presenti nelle matrici, sono in grado di precipitare differenti sali, come carbonato di ferro e magnesio, o fosfato di calcio, solo per citarne alcuni. Tuttavia, vi sono casi in cui la biocementificazione non è da considerarsi come un trattamento volto a aumentare la coesione, ma paradossalmente a ridurla. Nel fenomeno della liquefazione dei suoli, causata da terremoti, abbiamo terreni privi di forza e rigidità, con tutte le problematiche di stabilità e sicurezza che ne conseguono. Il trattamento convenzionale della liquefazione consiste in pratiche quali vibroreplacement, stuccature e compattamenti profondi, tecniche accomunate dall’elevato consumo di energia e dall’alto costo. Per di più non sempre è possibile adottare questo tipo di soluzioni in aree antropizzate, caratterizzate dalla presenza di edifici. In questo caso, l’impiego di microrganismi in grado di produrre bolle di gas durante l’attività metabolica, in grado di riempire i pori del suolo, sta dimostrandosi efficace nell’aumentare la resistenza alla liquefazione. Tipicamente si utilizzano batteri denitrificanti, che in presenza di nitrati e fonti di carbonio organico, vanno a ridurre l’azoto, producendo azoto atmosferico, gas inerte e dalla bassa solubilità.

Biorisanamento

Il biorisanamento sta assumendo un valore sempre maggiore, come alternativa trattamenti di tipo chimico-fisico, per la bonifica di suoli contenenti sostanze inquinanti sopra i limiti di legge. Ormai il biorisanamento è una realtà e impiega tipicamente microrganismi in grado di detossificare i suoli mediante reazioni di vario tipo, come ossidazioni, riduzioni e trasformazioni chimiche di altro tipo degli agenti inquinanti, rendendo le molecole in questione non più tossiche o non più biodisponibili. Benché la tematica verrà approfondita in un articolo a sé stante, la biocementificazione può costituire una risposta nell’immediato, volta ad evitare un ingigantimento del problema. Come osservato da Warren, l’attività di crostificazione superficiale, mediata dall’attività MICCP batterica, ha portato a una riduzione della dispersione atmosferica del 99,8 % delle polveri, del 92,7 % del fenantrene (un pericoloso idrocarburo policiclico aromatico), del 94,4 % del nitrato di piombo e del 99,8 % delle cellule del batterio Bacillus megaterium. Questo esempio dimostra come in caso di contaminazione di tipo chimico-biologico, la biocementificazione possa essere una early solution da adottare per evitare la dispersione di agenti nocivi nelle aree contigue al sito contaminato.

Fine dei lavori

Le construction biotechnology comprendono la produzione di biomateriali ad uso edile e processi d’ingegneria civile e ambientale condotti per via biologica. Se in alcuni casi, come nella sintesi di PHA, i costi proibitivi ostacolano l’adozione di queste soluzioni bio-based, ve ne sono altre dove vi è addirittura una convenienza economica, come nel caso dei cementi microbici, rispetto a quelli convenzionali. Tenendo in considerazione la progressiva depauperazione delle risorse naturali, il ricorso a fonti biologiche per la produzione di materiali edili è auspicabile. Inoltre, un progresso in questa disciplina può avere risvolti spaziali! Infatti, utilizzando simulanti della regolite marziana, ovvero materiali terrestri che simulano le proprietà chimiche e meccaniche del suolo di Marte, in presenza di urea e CaCl₂, un ceppo della microalga Thraustochytrium striatum ha compiuto una biocementificazione. Tramite la MICCP, sono state prodotte colonne di regolite legate dal CaCO₃ precipitato, che mostravano forze di compressione di 732 kPa. Pensando a scenari futuri di questo tipo, la possibilità di poter essere indipendenti dal trasporto di materiali cementizi risulta estremamente interessante.

Vista la corsa alla colonizzazione spaziale, quale miglior occasione per far maturare queste tecnologie sul nostro pianeta!

Con le applicazioni delle construction biotechnology concludiamo il percorso in questa particolare ma corposa sezione delle biotecnologie!

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BGreen Team