Die Baubranche steht seit Jahren vor der Herausforderung, umweltfreundlichere und nachhaltigere Materialien zu entwickeln, die gleichzeitig den hohen Anforderungen an Festigkeit und Dauerhaftigkeit gerecht werden. Insbesondere der klassische Portlandzement, weltweit das am meisten verwendete Bindemittel im Bauwesen, verursacht erhebliche CO2-Emissionen – etwa sieben bis acht Prozent der globalen CO2-Emissionen stammen allein aus der Zementherstellung. Trotz Bemühungen zur Reduktion durch alternative Energiequellen und Zuschlagsstoffe bleiben die Prozessbedingten Emissionen aufgrund der Kalksteinveredelung bestehen. Vor diesem Hintergrund rückt der sogenannte Bio-Beton zunehmend in den Fokus der Forschung und Industrie. Bio-Beton basiert auf mikrobiell induzierter Calciumcarbonat-Ausfällung (MICP) und stellt eine vielversprechende CO2-neutrale Alternative zu konventionellem Baustoff dar.
Das Prinzip hinter Bio-Beton beruht auf der Nutzung bestimmter urease-aktiver Mikroorganismen, wie Sporosarcina pasteurii, die durch enzymatische Reaktionen die Ausfällung von Calciumcarbonat bewirken. Diese Mikroorganismen zersetzen Harnstoff in einer alkalischen Umgebung, was zur Bildung von Carbonationen führt, die wiederum mit Calciumionen zu Calciumcarbonat kristallisieren. Das gebildete Calciumcarbonat wirkt dabei als natürlicher Bindemittel, der Gesteinskörnungen wie Quarzsand zusammenfestigt. Somit wird eine Materialstruktur geschaffen, die vergleichbar mit natürlichem Kalkstein oder Zementstein ist. Außerdem bindet dieser Prozess CO2 in fester Form, was ihn ökologisch besonders interessant macht.
Eine der größten Hürden in der Entwicklung von Bio-Beton war lange Zeit, eine ausreichend hohe Druckfestigkeit zu erreichen, damit die Materialien für tragende Bauelemente in der Bauindustrie eingesetzt werden können. Frühere Studien berichteten häufig von Druckfestigkeiten im Bereich unter 10 Megapascal (MPa), während herkömmliche Betonarten oft Werte von über 20 MPa aufweisen und hochfeste Sorten sogar deutlich höhere Festigkeiten erreichen können. Zudem stellte die homogene Durchmischung und ausreichend tiefe Zementierung bei größeren Bauteilen eine technische Herausforderung dar, die den praktischen Einsatz bisher einschränkte. Innovative Forschungsansätze haben nun entscheidende Fortschritte gebracht. Statt reiner Bakteriensuspensionen wird ein speziell hergestelltes urease-aktives Calciumcarbonatpulver (UACP) verwendet, welches die ureaseaktive Komponente in einer stabilen Form enthält.
Dies ermöglicht nicht nur eine bessere Verteilung der ureaseaktiven Partikel im Gemisch, sondern auch eine Landwirtschaft der Festigkeit durch kontrollierte Zementationsprozesse. Zugleich wurde die Korngrößenverteilung des Sandes durch Optimierung nach dem modifizierten Andreassen-Modell feinjustiert, um die Packungsdichte der Aggregate zu maximieren. Eine höhere Packungsdichte bedeutet, dass mehr Gesteinskörner bei gleichzeitig geringeren Porenräumen zusammengepresst werden, was zu kompakteren und somit festeren Strukturen führt. Darüber hinaus nutzt die Forschung ein automatisiertes Druckinjektionsverfahren im Stop-Flow-Modus. Dabei wird die Zementationslösung, bestehend aus Harnstoff und Calciumchlorid, periodisch mit kontrolliertem Druck in das verdichtete Gemisch eingespritzt.
Dieses Verfahren verhindert eine zu schnelle oder ungleichmäßige Durchströmung des Materials, die andernfalls zu lokalen Ausblühungen, Verstopfungen oder ungleichmäßiger Verkittung führen würde. Das Resultat ist eine homogene und tiefgreifende Calciumcarbonat-Ausfällung, die den gesamten Bauteilquerschnitt durchdringt. Die Kombination dieser technischen und biologischen Maßnahmen führte dazu, dass erstmals unkonfinierte Druckfestigkeiten von über 50 MPa bei einer Zementierungstiefe von 140 Millimetern realisiert werden konnten. Solche Werte kommen einem mittel- bis hochfesten Baustoff sehr nahe und öffnen den Weg für den Einsatz von Bio-Beton bei vorgefertigten tragenden Bauelementen. Mikroskopische Untersuchungen mittels Umweltrasterelektronenmikroskopie (ESEM) zeigten, dass die Calciumcarbonatschichten die Körner an ihren Kontaktstellen umhüllen und stabil verbinden.
Gleichzeitig finden sich Hohlräume im Material, die jedoch durch den optimierten Kornaufbau und die Kristallbildung so begrenzt sind, dass das Material eine hohe Dichte und gleichbleibende mechanische Eigenschaften besitzt. Interessanterweise wurde eine anisotrope mechanische Struktur beobachtet, was ähnlich natürlichem Sandstein ist und möglicherweise einen Einfluss auf Verarbeitungsmethoden und Belastungsraten haben kann. Die ökologische Bilanz von Bio-Beton ist grundsätzlich sehr vielversprechend. Während bei der Kalksteinveredelung des klassischen Zementbrennens große Mengen an CO2 freigesetzt werden, wird dieser Prozess bei Bio-Beton komplett vermieden. Stattdessen wird bei der mikrobiel gestützten Calciumcarbonatbildung CO2 in mineralischer Form dauerhaft gebunden.
Dennoch darf nicht außer Acht gelassen werden, dass die Produktion der Rohstoffe wie Harnstoff energieintensiv sein kann und die Umweltbilanz dadurch beeinflusst. Hier eröffnet die Nutzung von alternativen und nachhaltigen Rohstoffen, wie beispielsweise Harnstoff aus menschlichem Urin, einen spannenden Weg für zukünftige Kreislaufmodelle. Zudem stellt die Handhabung der Ausfällungslösungen, die Ammoniumverbindungen und Chloride enthalten, ökologische Herausforderungen dar. Die Rückgewinnung oder umweltverträgliche Wiederverwendung dieser Stoffströme muss in industriellen Anwendungen noch weiterentwickelt werden, um eine vollumfängliche Nachhaltigkeit zu gewährleisten. Erste Studien schlagen vor, die Ammoniumionen für die Düngemittelherstellung zu nutzen oder alternative Calciumquellen zu integrieren, die nicht korrosiv auf Bewehrungselemente wirken.
Auch technisch sind noch Entwicklungsschritte nötig, insbesondere bei der großtechnischen Anwendung. Die derzeit angewandten Druckinjektionsverfahren sind für die serielle Fertigung vorgefertigter Bauteile geeignet, weniger jedoch für eine direkte Baustellenherstellung. Die Beständigkeit, Langzeitqualität und das Verhalten in unterschiedlichen Klimazonen oder unter wechselnden Feuchtigkeitsbedingungen sind weitere Forschungsbereiche. Die Integration von Baustahlersatzstoffen wie basaltfaserverstärkten Kunststoffen kann die Langlebigkeit verbessern und Korrosionsprobleme minimieren. Die mechanischen Kennwerte von Bio-Beton, insbesondere die Elastizitätsmodule im Bereich von 11 bis 12 Gigapascal, liegen zwar noch unter klassischen Betonarten, sind aber bereits ausreichend für viele nicht-strukturelle Anwendungen und auch für tragende Bauelemente unter bestimmten Bedingungen.
Durch Einbau grobkörnigerer Zuschlagstoffe und kombinierte Verdichtungsmethoden könnten diese Werte zukünftig gesteigert werden. Die hervorragende Reproduzierbarkeit der Bio-Betonherstellung mit UACP und optimiertem Kornaufbau lässt außerdem eine Standardisierung und Qualitätskontrolle zu, die für industrielle Anwendung essenziell ist. Die Technologie hat somit das Potenzial, konventionelle Betonproduktion in manchen Bereichen zu ergänzen oder sogar zu substituieren, was zu einer deutlichen Senkung der Treibhausgasemissionen und Rohstoffverbräuche führen kann. Zusammenfassend stellt Bio-Beton eine vielversprechende Innovation dar, die Ökologie und Technik vereint. Durch biotechnologische Prozesse wird ein Baustoff geschaffen, der nicht nur CO2-neutral produziert wird, sondern auch beeindruckende mechanische Eigenschaften erreicht.
Die Anwendung in vorgefertigten Bauelementen öffnet neue Perspektiven für nachhaltiges Bauen, Ressourcenschonung und Klimaschutz im Bauwesen. Für die Zukunft sind weiterführende Untersuchungen und Scale-up-Strategien von großer Bedeutung, um den Einsatz von Bio-Beton breitflächig und wirtschaftlich attraktiv zu gestalten. Die Verbindung von Mikroorganismen, moderner Materialwissenschaft und innovativen Fertigungsverfahren könnte die Baubranche grundlegend verändern und einen entscheidenden Beitrag zum nachhaltigen Bauen leisten.
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