BIOCEMENTO: REPLANTEANDO LA INDUSTRIA DEL CONCRETO DESDE LA BIOTECNOLOGÍA

Por: Edwin Ccoyllo

 

Octubre 26, 2020
Figura 1. Una cantera de piedra caliza aledaña a un fábrica de cemento, ambas representan enormes fuentes de contaminación ambiental (1).

Impacto del concreto y el cemento

El concreto u hormigón es un pilar del desarrollo moderno y se convertirá en una de las huellas de la humanidad sobre el planeta. Desde el inicio de su fabricación industrial a mediados del siglo XIX, es el material más utilizado del mundo, con una tasa de producción global anual de 10 km3 equivalente a rellenar 4000 veces el Estadio Nacional del Perú (2). Solo en 2016 se produjeron 30 billones de toneladas de concreto (3), cuya fabricación consume cantidades masivas de agua. Un estudio publicado en Nature Sustainability reveló que la industria del concreto fue responsable del 9% del uso mundial de agua industrial, lo que equivale al 1.7% de toda el agua extraída en el planeta (4).

Patentado como una forma de «piedra artificial» por Joseph Aspdin en 1824, el cemento Portland es el principal componente del concreto, dada su propiedad aglutinante (1). Para la elaboración de la mezcla del concreto también se emplea agua, agregados naturales como roca triturada, grava o arena, y aditivos de cementación (5). De acuerdo a Peplow (6), cada año se producen en el mundo más de 4 billones de toneladas de cemento Portland; esta actividad industrial genera aproximadamente el 8% de las emisiones globales de CO2, es decir, 2.88 billones de toneladas de CO2 liberadas a la atmósfera (7) ocasionadas, principalmente, por la calcinación de roca caliza (clinkerización) y el uso de carbón como fuente de energía (8).

Los procesos de fabricación del cemento, también generan un elevado contenido de material particulado en el ambiente de trabajo y zonas aledañas en donde se han registrado valores superiores a los máximos permisibles (9) y cuyos efectos perjudiciales para la salud son reconocidos. Cabe resaltar, que las materias primas para la fabricación de cemento y para obtener los agregados naturales del concreto, son recursos naturales no renovables, cuyos procesos de extracción afectan a los ecosistemas, desde el agotamiento de canteras hasta la destrucción de playas, bordes de ríos y lagos (10).

Si bien, el concreto presenta grandes ventajas como material de construcción dadas sus propiedades mecánicas, versatilidad arquitectónica, fácil transporte y bajo costo de producción (11), su fabricación genera grandes emisiones de gases de efecto invernadero e implica un alto consumo de recursos naturales. Por lo tanto, resulta sustancial replantear la industria del cemento y el concreto bajo una concepción holística de sostenibilidad, para reducir su huella de carbono y resolver las principales problemáticas de su fabricación.

Aproximación biotecnológica a la producción de concreto

Figura 2. Uno de los mayores problemas del concreto es su tendencia a agrietarse, lo cual acorta la vida útil de las estructuras.

A pesar de tener una buena dureza, el concreto tiene una alta tendencia a formar grietas y poros, los cuales permiten el ingreso de agua u otras sustancias que corroen el acero interno y debilitan toda la estructura (12). Factores como la calidad de sus componentes, su carga mecánica y las condiciones de exposición (congelamiento, sales o químicos agresivos) influyen en la vida útil de las estructuras de concreto (11). El mantenimiento o reparación de grietas representa un gasto elevado y recurrente que, según Silva y colaboradores (13), es 225% mayor al costo de producción del concreto. Actualmente, existen tratamientos pasivos y activos para reparar grietas, sin embargo, no son efectivos en el largo plazo (14).

Una aproximación biotecnológica innovadora ha sido el aprovechamiento de la precipitación microbiana de carbonato de calcio (CaCO3) por biomineralización para la fabricación de concreto autorregenerante (15,16), aunque también puede emplearse en el mantenimiento y reparación de estructuras de concreto. La biomineralización es un proceso natural que ocurre por la reacción de productos metabólicos con iones del ambiente. Un ejemplo conocido es la formación de arrecifes de coral, mediante precipitación biogénica de CaCO3, empleando el carbono inorgánico disuelto del océano (17). En el Biocemento, la precipitación de CaCO3 ocurre en presencia de una fuente de iones Ca2+ (lactato de calcio, cloruro de calcio o nitrato de calcio) y un inóculo microbiano capaz de producir iones CO32- o HCO3- extracelularmente, por vías autotróficas como Metanogénesis no-metilotrófica y fotosíntesis oxigénica y anoxigénica; o por vías heterotróficas como la conversión metabólica de ácidos orgánicos, ciclo del azufre y ciclo del nitrógeno (12).

Esta última ruta metabólica es la más aprovechada para la producción de biocemento y su aplicación en matrices de concreto, ya que permite usar la urea como nutriente costo-efectivo y bacterias ureolíticas como Bacillus sphaericus, B. cereus, B. massiliensis, Sporosarcina pasteurii, S. soli, Arthrobacter crystallopoietes y Lysinibacillus fusiformis. Para la fabricación de un bloque de biocemento (figura 3) se utiliza un molde en el cual se agregará arena como único elemento natural, bacterias y medio de cultivo suplementado con urea y una fuente de calcio. Los iones Ca2+ son atraídos a la membrana celular negativamente cargada, mientras que la ureasa bacteriana degrada la urea en iones amonio (NH4+) y carbonato (CO32-), este último reacciona con el calcio para formar cristales de CaCO3, generalmente en forma de calcita (18), que sirven de aglutinante entre las partículas de arena cercanas.

Figura 3. Precipitación de bloques de biocemento por bacterias ureolíticas (19).

La percepción del desarrollo biotecnológico

Se han reportado diversas aplicaciones adicionales para la biocementación como la biobstrucción de suelos y restauración de monumentos de piedra (20). Recientemente, Lezzi y colaboradores. (19) analizaron el ciclo de vida de bloques de bioconcreto y los compararon con bloques de concreto convencionales, determinando que los primeros tienen menos de un tercio del potencial de calentamiento global (índice GWP), pero más del doble del potencial de eutrofización que su contraparte. Este último indicador podría deberse a la presencia de subproductos nitrogenados del metabolismo microbiano y se presenta como una ventana a futuras investigaciones desde el descubrimiento de nuevos microorganismos potenciales hasta la ingeniería metabólica de los ya empleados, así como la optimización del proceso productivo.

El reto más grande para esta nueva bio-industria es la aceptación por parte de los actores de la industria de la construcción debido a que las bacterias son percibidas como un potencial riesgo para la salud (21), argumento que resulta inconsistente desde el punto de vista biotecnológico. A pesar de estas limitaciones, actualmente existen startups pioneras como ‘‘Green Basilisk’’, ‘‘bioMASON’’ y ‘‘Costain’’ que vienen innovando la industria de la construcción y sentando las bases para los biomateriales del futuro (6).

A modo de conclusión, podemos señalar que la invención del cemento hace dos siglos revolucionó el desarrollo de las ciudades y sigue cambiando el mundo hacia una tonalidad cada vez más gris. Las estructuras de concreto crean una sensación de protección frente a la naturaleza, mientras nos aíslan en ciudades cada vez más calientes y contaminadas. Conscientes del efecto de esta industria global, en líneas anteriores hemos expuesto el impacto del concreto sobre el planeta y presentado una alternativa biotecnológica sostenible con sus propias ventajas y limitaciones. A pesar de ello, sabemos que no son suficientes para lograr una verdadera reducción en el impacto ambiental de la industria de la construcción si no se complementan con medidas sociopolíticas y económicas como regulaciones gubernamentales, presión de movimientos sociales, impuestos sobre el carbono y, en especial, la demanda de mercado. La percepción de nuestra sociedad hacia estas alternativas jugará un rol fundamental en el desarrollo de ciudades sostenibles.

Bibliografía

  1. Watts J. Concrete: The most destructive material on Earth [Internet]. TheGuardian.com. 2019 [cited 2020 Aug 15]. Available from: www.theguardian.com/cities/2019/feb/25/concrete-the-most-destructive-material-on-earth

  2. Gartner E. Potential improvements in cement sustainability. In: 31st Cement and Concrete Science Conference. 2011. p. 13.

  3. Mindess S. Sustainability of concrete. In: Developments in the Formulation and Reinforcement of Concrete [Internet]. Elsevier LTD; 2019. p. 3–17. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-08-102616-8.00001-0

  4. Miller S, Horvath A, Monteiro P. Impacts of booming concrete production on water resources worldwide. Nat Sustain. 2018;1:69–76.

  5. Soutsos MN, Tang K, Millard SG. Concrete building blocks made with recycled demolition aggregate. Constr Build Mater [Internet]. 2011;25(2):726–35. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2010.07.01

  6. Peplow M. Bioconcrete presages new wave in environmentally friendly construction. Nat Biotechnol. 2020;38(7):776–8.

  7. Ritchie H, Roser M. CO₂ and Greenhouse Gas Emissions [Internet]. OurWorldInData.org. 2017 [cited 2020 Aug 15]. Available from: www.ourworldindata.org/co2-and-other-greenhouse-gas-emissions

  8. Johansen V. Cocción de clínker de cemento portland en hornos rotatorios. Mater Construcción [Internet]. 1977 Sep 30;27(166–167):85–101. Available from: http://materconstrucc.revistas.csic.es/index.php/materconstrucc/article/view/1172/1305

  9. Castillo E, Seijas S. Minimización de material particulado generado en el proceso de clinkerización mediante el empleo de filtros de mangas. Rev Cienc y Tecnol. 2019;15(3):169–81.

  10. Barbieri A. La arena, una emergencia medioambiental de la que nadie habla [Internet]. LaVanguardia.com. 2017 [cited 2020 Aug 16]. Available from: https://www.lavanguardia.com/natural/20170430/422038159271/arena-mergencia-medioambiental.html

  11. Sonebi M, Ammar Y, Diederich P. Sustainability of cement, concrete and cement replacement materials in construction. In: Sustainability of Construction Materials [Internet]. 2nd ed. Elsevier Ltd.; 2016. p. 371–96. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-08-100370-1.00015-9

  12. Seifan M, Samani AK, Berenjian A. Bioconcrete: next generation of self-healing concrete. Appl Microbiol Biotechnol. 2016;100(6):2591–602.

  13. Silva F, Boon N, De Belie N, Verstraete W. Industrial application of biological self-healing concrete: Challenges and economical feasibility. J Commer Biotechnol. 2015;21:31–38.

  14. Li V, Herbert E. Robust self-healing concrete for sustainable infrastructure. J Adv Concr Technol. 2012;10:207–218.

  15. Jonkers HM, Thijssen A, Muyzer G, Copuroglu O, Schlangen E. Application of bacteria as self-healing agent for the development of sustainable concrete. Ecol Eng. 2010;36(2):230–5.

  16. Jonkers HM. Healing agent for self-healing cementious materials. NL; WO126361, 2011. p. 30.

  17. Takeshita Y, Cyronak T, Martz T, Kindeberg T, Andersson A. Coral Reef Carbonate Chemistry Variability at Different Functional Scales. Front Mar Sci. 2018;5(175):1–12.

  18. Kaur G, Dhami N, Goyal S, Mukherjee A, Reddy M. Utilization of carbon dioxide as an alternative to urea in biocementation. Constr Build Mater. 2016;123:527–33.

  19. Lezzi B, Brady R, Sardag S, Eu B, Skerlos S. Growing bricks: Assesing biocement for lower embodied carbon structures. In: 26th CIRP Life Cycle Engineering (LCE) Conference. 2019. p. 470–5.

  20. Reddy MS, Joshi S. Carbon dioxide sequestration on biocement-based composites [Internet]. Carbon Dioxide Sequestration in Cementitious Construction Materials. Elsevier Ltd; 2018. 225–243 p. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-08-102444-7.00010-1

  21. Achal V, Mukherjee A. A review of microbial precipitation for sustainable construction. Constr Build Mater [Internet]. 2015;93:1224–35. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.04.051

     

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