Method Article
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.
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.
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.
Подробная информация об используемых реагентах, оборудовании и программном обеспечении приведена в Таблице материалов.
1. Приготовление растворов и сред
2. Подготовка кирпича (день 0)
ПРИМЕЧАНИЕ: Подробности по приготовлению одного кирпича приведены здесь.
3. Испытание на сжатие (День 25)
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 ошибка при подготовке среды или культуры. Примеры положительных и отрицательных результатов кирпича можно увидеть на рисунке 3.
Как показано на рисунке 4, формы использовались для одновременного испытания двух различных подложек: крупного и мелкого песка. В общей сложности четыре кирпича с использованием крупного песка и четыре кирпича с использованием мелкого песка были изготовлены в соответствии с описанным здесь протоколом S. pasteurii и подвергнуты испытанию на сжатие без ограничений. Ранее задокументированные результаты измерения прочности биоцементированных грунтов на неограниченное сжатие с использованием S. pasteurii указывают на диапазон 48-12 400 кПа в зависимости от типа почвы или песка и уреазной активности S. pasteurii17. Средняя максимальная нагрузка для крупнозернистого песчаного кирпича составила 95,125 фунтов на квадратный дюйм (655 кПа), в то время как мелкозернистый песчаный кирпич выдержал среднюю максимальную нагрузку 49,625 фунтов на квадратный дюйм (321,46 кПа). Возможность легко напечатать на 3D-принтере любое количество пресс-форм по мере необходимости позволила одновременно протестировать все переменные, сводя к минимуму возможные отклонения.
Рисунок 1: Кирпичная форма. На этом рисунке показана карта 3D-печати для напечатанных на 3D-принтере пресс-форм. Каждая половинка формы печатается отдельно. После обработки пресс-формы магниты помещаются в обозначенные восемь мест и герметизируются эпоксидной смолой. Внутренняя поверхность форм содержит две утопленные области, где соединяются две половинки. Материал резиновой прокладки разрезается в соответствии с этими углублениями, чтобы обеспечить водонепроницаемое уплотнение формы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 2: Построение, обработка и извлечение из формы пресс-формы. На этом рисунке показан пошаговый процесс сборки форм и создания образцов кирпича: Шаг 1: Форма собирается путем резки материала прокладки в соответствии со спецификациями файла, при этом каждый из 16 магнитов вставляется в назначенные отверстия и герметизируется эпоксидной смолой. Шаг 2: Прокладки помещаются в соответствующие углубления в форме. Шаг 3: Две половины формы соединяются. Шаг 4: (a) Круглый кусок проволочной сетки вставляется через верхнюю часть формы, чтобы закрыть нижнее отверстие, предотвращая попадание песка; (b) Песок или земля добавляются в форму до линии заполнения, отмеченной на внутренней стороне формы; c) второй круглый кусок проволочной сетки помещается поверх песка или почвы; (d) Подбивочное устройство используется для плотного прижима к верхнему слою проволочной сетки, обеспечивая ровный и ровный верхний слой для кирпича. Шаг 5: Форма с песком размещается на верхней части стакана или другой емкости для сбора проточного раствора. Шаг 6: Процедуры применяются в соответствии с протоколом. Шаг 7: После периода сушки форму кладут на бок, а верхнюю половину формы аккуратно отделяют от нижней. При необходимости кирпичу дают продолжить сушку в нижней половине формы, пока он не станет достаточно твердым, чтобы его можно было вытащить одним куском. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 3: Ожидаемые результаты в соответствии с протоколом кирпича. (А) показывает ожидаемый положительный результат, характеризующийся четкими краями и твердой цилиндрической структурой. (В) показывает ожидаемый отрицательный результат, характеризующийся крошением и отсутствием структурной устойчивости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 4: Испытание на сжатие. На этом рисунке представлены результаты испытаний на неограниченное сжатие восьми кирпичей, произведенных одновременно с использованием 3D-печатных форм. Средняя прочность крупнозернистого песка составила 95,125 фунтов на квадратный дюйм, в то время как средняя прочность мелкого песка составила 49,625 фунтов на квадратный дюйм. Полосы погрешностей указывают на стандартное отклонение. Для вычисления p-значения для статистического анализа был проведен t-критерий Стьюдента. Кирпичи, изготовленные на грубой основе, были значительно прочнее, чем кирпичи, изготовленные на подложке с мелкими частицами (p-значение < 0,005). Все кирпичи были обработаны растворами из одной партии и высушены в идентичных условиях, чтобы свести к минимуму экспериментальные несоответствия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Дополнительный файл 1: STL-файл для пресс-формы. Этот файл содержит STL-файл для 3D-печати для проектирования пресс-формы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 2: STL-файл для подбивочного устройства. Этот файл включает в себя файл STL для 3D-печати для подбивочного устройства. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 3: Файл САПР по пресс-форме. Этот файл содержит файл САПР для проектирования пресс-формы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 4: Файл CAD подбивочного устройства. Этот файл содержит файл САПР для проектирования подбивочного устройства. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
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 дюйма, чем опуститься ниже. При обработке немного теряется высота из-за оседания песка/почвы; Таким образом, перед первичной обработкой рекомендуется немного переполнить форму. Круг из проволочной сетки, помещенный поверх песка/почвы перед обработкой, помогает распределить нанесенный раствор и создать более ровную поверхность16. Тщательная очистка форм, сетки и прокладок имеет решающее значение для минимизации риска перекрестного загрязнения будущих кирпичей. Также важно очистить сетку или использовать новую сетку, потому что со временем она станет биоцементированной / засорится и может снизить скорость прохода, если ее не очистить или не заменить13,17.
Модификации/устранение неполадок
Формы
Для удовлетворения потребностей исследователей могут использоваться многие другие печатающие устройства и материалы. Файл САПР также можно модифицировать в соответствии с различными потребностями и создавать более крупные, меньшие или альтернативные формы форм. Кроме того, можно использовать любой материал прокладки или магниты; просто убедитесь, что они соответствуют размерам в файле САПР, или измените файл САПР в соответствии с различными потребностями. Проволочную сетку также можно заменить на другую сетку или потенциально фильтровальную бумагу; Убедитесь, что поры достаточно малы, чтобы предотвратить попадание твердых частиц. Если частицы попадают через нижнее отверстие, это часто вызвано неправильным размещением проволочной сетки и наличием зазора между сеткой и формой. Проверьте расположение сетки. Если наблюдается значительная утечка нанесенных растворов с боковых сторон пресс-форм, скорее всего, проблема связана с материалом прокладки. В процессе резки могла возникнуть проблема или прокладки могли быть неправильно расположены. Если регулировка размещения не устраняет проблему, возможно, потребуется обрезать новые прокладки. Если в формах наблюдается перекрестное загрязнение, может потребоваться замачивание форм, сетки или прокладок в 70% растворах этанола или замена их новыми формами, сетками или прокладками14,15.
МИКП
Процесс нанесения MICP может быть изменен в соответствии с различными потребностями, например, замена колб/стаканов и т.д. Процесс культивирования не требует описанного пластинчатого метода; Здесь может быть применена жидкая культура из глицеринового сырья или любой другой метод культивирования12. Обработки могут быть применены к образцу почвы с помощью автоматических пипеток или заливки из градуированного цилиндра или любыми другими средствами, позволяющими контролировать объем. Иногда бактериальные культуры могут расти неправильно; Это можно отметить по отсутствию помутнения после инкубации. Если это произошло, возобновите процесс культивирования с новой колонией или закваской. Рекомендуется провести этап количественной оценки, который заключается в измерении OD600 или количества колоний, чтобы контролировать и документировать концентрацию бактерий, наносимых на каждый кирпич16.
Ограничения
Это длительный процесс, который занимает несколько дней и требует подготовки перед началом. Нет никаких возможностей приостановить эксперимент после того, как протокол 1-го дня начался.
Значение
В этом протоколе описывается метод производства цилиндрических биоцементных кирпичей, пригодных для испытаний на прочность на сжатие без ограничений, обеспечивая средства для тестирования методов биоцементации для геотехнических применений13,17.
Будущие приложения
Важность этого протокола заключается в его эффективности в оптимизации протоколов биоцементации при одновременном тестировании нескольких переменных в процессе. Многоразовые формы позволяют формировать цилиндрические кирпичи определенных размеров, используемых для испытаний на неограниченное сжатие, а резервуары в верхней части форм позволяют наносить растворы MICP в больших количествах, а не медленно наносить растворы понемногу, ожидая, пока они пройдут через материал в форме. Любое количество отдельных форм может быть напечатано и использовано параллельно, что позволяет легко сравнивать различные переменные, такие как изменения в химическом составе цементационного раствора или использование различных микроорганизмов. Поскольку формы предназначены для установки на вершине контейнера для сбора проточных отходов, проточный поток может быть измерен и оценен по количеству бактерий, pH, содержанию ионов или любой другой тестовой переменной. В некоторых исследованиях, таких как оценка способности генетически модифицированной Escherichia coli к экспрессии фермента уреазы, измерялась кинетика осаждения путем измерения истощения кальция, с акцентом на прямое сравнение различных штаммов бактерий или различных плазмидных конструкций; Этот протокол идеально подходит для такого рода оценочных или оптимизационных исследований18.
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.
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.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
3D-Printer | Stratasys | Objet 30 V3 | Objet30 Pro V3.0 Desktop 3D-Printer |
3D-Printer Material | Stratasys | OBJ-04066 | Rigur RGD450 Model Material |
3D-Printer Material | Stratasys | OBJ-04020 | Sup 705 Support Material |
Ammonium Chloride | Fisher Scientific | A661-500 | Any other Ammonium Chloride should work, manufacturer should not matter |
Brain Heart Infusion Broth | Millipore | 53286 | Any other Brain Heart Infusion Broth should work, manufacturer should not matter |
Calcium Chloride Dihydrate | VWR | BDH9224 | Any other Calcium chloride Dihydrate should work, manufacturer should not matter |
Coarse Sand | Ward’s | 470016-902 | Special Sand-Gravel Mix and Stress Clay |
Desktop Water Jet | Stratasys | OBJ-01400 | Water jet system for post-processing of 3D prints |
Epoxy | Gorilla Glue | 4200102 | GORILLA Epoxy Adhesive: Epoxy, 0.8 fl oz, Syringe, Clear, Thick Liquid |
Fine Sand | Sandtastik | PLA25 | Play Sand in Sparkling White |
Gasket Material | McMaster-Carr | 8525T65 | Ethylene-propylene diene monomer (EPDM) 1/16” thickness |
GrabCAD | Stratasys | GrabCAD | 3D printer software |
Magnets | K&J Magnetics | D64-N52 | Neodymium Magnet Grade N52 |
SolidWorks 2021 | Dassault Systèmes | SolidWorks 2021 | CAD software |
Sporosarcina pasteurii | Strain: ATCC 11859 / DSM 33 | ||
Vacuum Filtration cup 0.45µm | VWR | 10040-450 | |
Wire Mesh 1.5” Diameter Discs | McMaster-Carr | 2812T43 | Steel Wire Mesh Material |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены