ES2951436T3 - Método y sistema de biocementación - Google Patents

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Abstract

La invención está dirigida a kits, composiciones, herramientas y métodos que comprenden un proceso industrial cíclico para formar biocemento. En particular, la invención está dirigida a materiales y métodos para descomponer carbonato de calcio en óxido de calcio y dióxido de carbono a una temperatura elevada, haciendo reaccionar óxido de calcio con cloruro de amonio para formar cloruro de calcio, agua y gas amoníaco; y hacer reaccionar gas amoniaco y dióxido de carbono a alta presión para formar urea y agua, que luego se utilizan para formar biocemento. Este proceso cíclico se puede conseguir combinando procesos industriales con el producto resultante como biocemento. El proceso puede implicar la retención de carbonato de calcio actualmente utilizado en la fabricación de cemento Portland. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método y sistema de biocementación
1. Campo de la invención
La invención está dirigida a kits, composiciones, herramientas y métodos que comprenden un proceso cíclico para la formación de biocemento en ambientes naturales. En particular, la invención se dirige a materiales y métodos para convertir nitrógeno y carbono y/o compuestos nitrogenados y de carbono en urea, que luego se utiliza para formar biocemento en aguas que contienen calcio.
2. Descripción de los antecedentes
La producción industrial mundial de amoníaco en 2014 fue de 176 millones de toneladas, un aumento del 16 % con respecto a la producción de 2006 de 152 millones de toneladas. La producción industrial de amoníaco es responsable del 1,44 % de las emisiones globales de CO2. La producción de amoníaco consume el 5 % de la producción mundial de gas natural y consume alrededor del 2 % de la producción mundial de energía.
La reacción de biocementación (véase Figura 1) se basa en la hidrólisis metabólica de la urea, produciendo iones de amonio y carbonato en una solución que contiene cloruro de calcio.
2(NH2)CO CaCl2 2 H2O t 2NH4Cl CaCO3
Los cationes de calcio reaccionan con los aniones de carbonato en la superficie de la membrana bacteriana, formando carbonato de calcio del polimorfo calcita. Los cationes de amonio y los aniones de cloruro permanecen en equilibrio en el agua de proceso.
El cloruro de calcio se produce al hacer reaccionar óxido de calcio con cloruro de amonio para producir cloruro de calcio, agua y gas amoníaco.
CaO 2 NH4CI ^ CaCI H2O 2 NH4
El proceso Solvay o proceso amoníaco-sosa es un proceso industrial para la producción de carbonato de sodio, también conocido como carbonato de sodio, y cloruro de calcio. El proceso químico se puede escribir como:
2NaCl CaCO3 ^ Na2CO3 CaCl2
Los ingredientes para este proceso están fácilmente disponibles e incluyen sal y piedra caliza. Las plantas químicas basadas en Solvay ahora producen aproximadamente las tres cuartas partes del suministro mundial, y el resto proviene de depósitos naturales.
La producción de urea, también llamada proceso de urea de Bosch-Meiser en honor a sus descubridores, implica dos reacciones de equilibrio principales con una conversión incompleta de los reactivos. La primera es la formación de carbamato: la rápida reacción exotérmica del amoníaco líquido con dióxido de carbono gaseoso (CO2) a alta temperatura y presión para formar carbamato de amonio:
2 NH3 + CO2 t H2N-COONH4
El segundo es la conversión de urea: la descomposición endotérmica más lenta del carbamato de amonio en urea y agua:
H2N-COONH4 t (NH2)2CO H2O
La conversión global de NH3 y CO2 en urea es exotérmica, y el calor de reacción de la primera reacción impulsa la segunda. Como todos los equilibrios químicos, estas reacciones se comportan según el principio de Le Chatelier, y las condiciones que más favorecen la formación de carbamatos tienen un efecto desfavorable sobre el equilibrio de conversión de la urea. Por lo tanto, las condiciones de proceso convencionales implican un compromiso: el efecto negativo sobre la primera reacción de la alta temperatura (alrededor de 190 °C) necesaria para la segunda se compensa realizando el proceso a alta presión (140-175 bar), lo que favorece la primera reacción.
Aunque normalmente es necesario comprimir el dióxido de carbono gaseoso a esta presión, el amoníaco está disponible en la planta de amoníaco en forma líquida, que puede bombearse económicamente al sistema. Como la conversión de urea es incompleta, el producto se separa del carbamato de amonio inalterado.
En las plantas de producción de urea, esto se hizo reduciendo la presión del sistema a la atmosférica para permitir que el carbamato se descompusiera nuevamente en amoníaco y dióxido de carbono. Originalmente, debido a que no era económico volver a comprimir el amoníaco y el dióxido de carbono para reciclarlos, el amoníaco al menos se usaría para la fabricación de otros productos, p. ej., nitrato o sulfato de amonio que ventilaba el dióxido de carbono como desecho.
Esquemas de procesos posteriores hicieron que reciclar el amoníaco y el dióxido de carbono no utilizados fuera práctico. Esto se logró despresurizando la solución de reacción en etapas (primero a 18-25 bar y luego a 2-5 bar) y pasándola en cada etapa a través de un descomponedor de carbamato calentado con vapor, recombinando el dióxido de carbono y el amoníaco resultantes en un condensador de carbamato de película descendente y bombeando la solución de carbamato a la etapa anterior.
Los documentos US2017/190617, WO2006/066326, WO2011/137106 y WO2013/120847 describen métodos de biocementación mediante el uso de un soporte sólido y la formación de carbonato de calcio en o sobre el soporte sólido por un proceso biológico, en donde la urea se transforma en carbonato de calcio en la presencia de una fuente de calcio y un organismo que produce ureasa.
Sumario de la invención
La presente invención supera los problemas y desventajas asociados con las estrategias y diseños actuales y proporciona nuevas herramientas, composiciones y métodos para el proceso de formación de biocemento en ambientes naturales.
Una forma de realización de la invención se refiere a métodos que comprenden: cargar un objeto sólido con organismos productores de ureasa y organismos productores de urea; colocar el objeto sólido en un entorno que contiene uno o más de carbono, nitrógeno y calcio; y formar carbonato de calcio dentro, alrededor y/o externamente del objeto sólido. Preferiblemente, la carga con los organismos productores de ureasa y/o los organismos productores de urea comprende combinar el objeto sólido con organismos secos de modo que los organismos se retengan dentro o sobre una superficie del objeto sólido, o colocar el objeto sólido en una composición que contenga los organismos productores de ureasa y/o los organismos productores de urea. Preferiblemente, el objeto sólido se carga con esporas y/o células vegetativas de los organismos productores de ureasa y/o los organismos productores de urea. Preferiblemente, el objeto sólido comprende un material natural o no natural, arena reciclada o manufacturada, mineral, ladrillo, bloque, mampostería, panel, teja, tabla, roca, piedra triturada, minerales, o vidrio fracturado, madera, yute, ceniza, espuma, basalto, fibras, relaves mineros, papel, materiales de desecho, desechos de un proceso de fabricación, plásticos, polímeros, materiales rugosos y/o combinaciones de los mismos, y también preferentemente, el objeto sólido es permeable a los microorganismos. Preferiblemente, el objeto sólido contiene uno o más de carbono, nitrógeno y calcio, y más preferiblemente el medio ambiente y el objeto sólido contienen cantidades suficientes de carbono, nitrógeno y calcio para formar carbonato de calcio. Preferentemente, la colocación comprende la inmersión total del objeto sólido en el entorno. Preferiblemente, el entorno comprende un entorno que promueve la proliferación de los organismos productores de ureasa y/o los organismos productores de urea un entorno marino y más preferiblemente es un entorno marino. Preferiblemente, los organismos productores de urea comprenden Pseudomonas, Delaya avenusta, Thiosphaera pantotropha, Pseudomonas stutzen, Fragilaria crotonensis, Pseudoalteromonas spp., Pseudoalteromonas haloplanktis, Halomonas venusta, Pseudomonas balearica, Pseudomonas stutzeri, Bacillus megaterium. Exiguobacterium aurantiacum, Pseudoalteromonas aliena, Pseudoalteromonas luteoviolacea, E. coli y variantes, serotipos, mutaciones, formas recombinantes y combinaciones de los mismos, y los organismos productores de ureasa comprenden Sporosarcina spp., S. pasteurii, S. ureae, Proteus spp., P. vulgaris, P. mirabilis, Bacillus spp., B. sphaericus, B. megaterium, Myxococcus spp., M. xanthus, Helicobacter spp., H. pylori y variantes, serotipos, mutaciones, formas recombinantes y combinaciones de los mismos. Preferiblemente, el carbonato de calcio se forma a partir de una combinación de urea producida por los organismos productores de urea sobre la que actúa la ureasa producida por los organismos productores de ureasa, y en presencia de carbono, nitrógeno y calcio. Preferiblemente, el carbonato de calcio se forma como un revestimiento alrededor del objeto sólido (p. ej., como una biopelícula que contiene organismos y carbonato de calcio) y/o se forma fuera del objeto sólido. Preferiblemente, el objeto sólido que contiene carbonato de calcio se utiliza para el control de la erosión en el medio ambiente, como soporte sólido de una estructura dentro del medio ambiente, donde la estructura comprende material de construcción, un dispositivo electrónico y/o un contenedor. Preferiblemente, el carbonato de calcio se forma dentro, alrededor y/o fuera del objeto sólido durante un período de seis meses o más, durante un período de un año o más, o durante un período de 5 años o más.
Otra forma de realización de la invención está dirigida a objetos sólidos que contienen organismos productores de ureasa y organismos productores de urea, preferiblemente que contienen carbonato de calcio. Preferiblemente, los organismos productores de ureasa y los organismos productores de urea son viables, y preferiblemente los organismos productores de ureasa producen ureasa y los organismos productores de urea producen urea. Preferiblemente, la ureasa y la urea en presencia de carbono, calcio y nitrógeno forman carbonato de calcio. Preferiblemente, el objeto sólido comprende un material natural o no natural, arena reciclada o manufacturada, mineral, ladrillo, bloque, mampostería, panel, teja, tabla, roca, piedra, piedra triturada, piedra triturada, minerales, piedra triturada o vidrio fracturado, madera, yute, ceniza, espuma, basalto, fibras, relaves mineros, papel, materiales de desecho, desechos de un proceso de fabricación, plásticos, polímeros, materiales rugosos y/o combinaciones de los mismos. Preferiblemente, el objeto sólido contiene además materiales complementarios como, p. ej., material orgánico o inorgánico, roca, vidrio, madera, papel, metal, plástico, polímeros, fibras, minerales o combinaciones de los mismos.
Otra forma de realización de la invención se refiere a composiciones que comprenden una mezcla viable de organismos productores de ureasa y organismos productores de urea. Preferiblemente las composiciones contienen los organismos productores de ureasa y los organismos productores de urea están en forma de esporas y/o células vegetativas. Preferiblemente, la composición es acuosa o seca.
Otras formas de realización y ventajas de la invención se exponen en parte en la descripción que sigue, y en parte, pueden ser obvias a partir de esta descripción, o pueden aprenderse de la práctica de la invención.
Descripción de las Figuras
Figura 1 La reacción de biocementación por hidrólisis de urea.
Figura 2 La reacción de biocementación por hidrólisis de urea como un proceso cíclico industrial de circuito cerrado. Figura 3 La reacción de biocementación por hidrólisis de urea como un proceso cíclico industrial donde el carbonato de calcio de la caliza se convierte en biocemento.
Figura 4 La reacción de biocementación por hidrólisis de urea representada en volúmenes de producción industrial a gran escala.
Figura 5 La reacción de biocementación por hidrólisis de urea.
Figura 6 La reacción de biocementación por hidrólisis de urea donde el agua de proceso se recicla a través de la regeneración de cloruro de calcio y la electrólisis de amoníaco en gases de hidrógeno y nitrógeno.
Descripción de la invención
El biocementado implica la hidrólisis metabólica de la urea, produciendo iones de amonio y carbonato en una solución que contiene cloruro de calcio. Los cationes de calcio reaccionan con los aniones de carbonato en la superficie de la membrana bacteriana, formando carbonato de calcio del polimorfo calcita. Los cationes de amonio y los aniones de cloruro permanecen en equilibrio en el agua de proceso.
La invención se dirige al sorprendente descubrimiento de que esta reacción puede volverse cíclica. En una alternativa, el carbonato de calcio se descompone en óxido de calcio y dióxido de carbono a temperatura elevada. El óxido de calcio reacciona con el cloruro de amonio para formar cloruro de calcio, agua y gas amoníaco. El gas amoníaco y el dióxido de carbono reaccionan para sintetizar urea y agua que luego se utilizan en el proceso de biocementación. En otra alternativa, el carbonato de calcio se descompone, preferiblemente a temperatura elevada o con ácido, para formar óxido de calcio y dióxido de carbono; hacer reaccionar dióxido de calcio con amonio en un proceso para formar urea y agua; y hacer reaccionar urea y cloruro de calcio para formar biocemento. Por consiguiente, dependiendo de los ingredientes precursores, el resultado puede ser la producción de carbonato de calcio, amoníaco, cloruro de amonio, cloruro de calcio, urea y/o amoníaco. Preferiblemente, la reacción de urea con cloruro de calcio forma además cloruro de amonio. Preferiblemente, el cloruro de amonio se descompone adicionalmente para formar ácido y amoníaco.
El proceso cíclico se puede lograr utilizando procesos industriales existentes combinados con tecnologías de biocementación (ver, p. ej., la Figura 2). Como el producto resultante puede ser para la formación de biocemento como material de construcción, una corriente de entrada equivalente de carbonato de calcio proporciona combustible al ciclo del proceso (véase Figura 3). A gran escala industrial, una fuente de entrada de carbonato de calcio son los yacimientos de piedra caliza extraídos, como los que se utilizan actualmente en la fabricación de cemento Portland. Preferiblemente, la descomposición comprende tratar el carbonato de calcio con temperaturas elevadas o un ácido en el que la temperatura elevada preferida es de aproximadamente 600 °C o más, 700 °C o más, 800 °C o más, 850 °C o más, 900 °C o más, 1000 °C o más, o incluso temperaturas más altas. El ácido preferido comprende ácido clorhídrico, aunque se puede utilizar una variedad de ácidos que incluyen, pero no se limitan a ácido fosfórico, ácido nítrico, ácido acético y combinaciones de los mismos. Preferiblemente, el proceso comprende una presión elevada tal como, p. ej., superior a 100 psig, superior a 200 psig, superior a 300 psig, superior a 400 psig, superior a 500 psig o superior. La descarga de corona también se puede utilizar o cocultivar con organismos productores de urea. Una descarga de corona es una descarga eléctrica provocada por la ionización de un fluido como el aire que rodea un conductor que está cargado eléctricamente. Una corona ocurrirá cuando la fuerza (gradiente de potencial) del campo eléctrico alrededor de un conductor sea lo suficientemente alta como para formar una región conductora, pero no lo suficientemente alta como para causar una ruptura eléctrica o un arco eléctrico en los objetos cercanos. A menudo se ve como un resplandor azulado (o de otro color) en el aire adyacente a los conductores metálicos puntiagudos que transportan altos voltajes y emite luz con la misma propiedad que una lámpara de descarga de gas. Este paso se puede realizar de forma aislada para la producción de urea a granel, o se puede emplear dentro de la matriz agregada para la producción de urea localizada, consumida en el momento de la biocementación.
Otra forma de realización es el cocultivo con organismos productores de urea como, p. ej., mediante el metabolismo autótrofo del nitrógeno atmosférico y el dióxido de carbono en urea o mediante la descomposición bacteriana de la materia orgánica. Los microorganismos productores de urea incluyen, p. ej., varias especies de Pseudomonas, Delaya avenusta, Thiosphaera pantotropha, Pseudomonas stutzeri, Fragilaria crotonensis, Pseudoalteromonas sp., Pseudoalteromonas haloplanktis, Halomonas venusta, Pseudomonas balearica, Pseudomonas stutzeri, Bacillus megaterium. Escherichia coli, Exiguobacterium aurantiacum, Pseudoalteromonas aliena, Pseudoalteromonas luteoviolacea, variantes, serotipos, mutaciones, formas recombinantes o combinaciones de los mismos, y otros organismos y microorganismos conocidos por los expertos en la materia.
La fabricación moderna de proceso seco de cemento Portland utiliza una fuente de calor de 1.850 °C a 2.000 °C para conseguir una temperatura de sinterización del material de 1.450 °C en horno rotatorio. Al principio del proceso de fabricación, el carbonato de calcio se descompone en óxido de calcio y dióxido de carbono a una temperatura de 850 °C en una torre de precalentador/calcinador, donde la energía térmica necesaria se proporciona mediante la recuperación parcial de los gases de escape del horno rotatorio. Un digestor de óxido de calcio, implementado como un proceso de cadena lateral en una planta de fabricación de cemento Portland, podría alimentarse de manera similar con la energía térmica residual no utilizada del horno rotatorio de cemento para procesar carbonato de calcio en el sitio. El óxido de calcio, al reaccionar con cloruro de amonio, produce cloruro de calcio, agua y gas amoníaco. A continuación, el gas amoníaco reacciona con el dióxido de carbono liberado durante la producción de óxido de calcio de la cadena lateral y produce urea y agua como un proceso de reciclaje de materiales neutros en carbono. Las entradas de este proceso son, por tanto, cloruro de amonio y carbonato de calcio, con los materiales de salida de cloruro de calcio y urea.
En este modelo a gran escala de la reacción de biocementación por hidrólisis de urea, se indican los volúmenes de producción industrial mediante los cuales el material de entrada de piedra caliza se convierte en productos de biocemento (consulte la Figura 4). El proceso de biocementación metabólica se representa como un modelo distribuido, donde el cloruro de amonio, la urea y el cloruro de calcio se utilizan como materiales estables y solubles para el transporte hacia y desde un sistema de reciclaje de materiales industriales mediante el cual los materiales se centralizan en una planta de reciclaje que proporciona producción distribuida de biocemento. instalaciones con urea y cloruro de calcio para la producción de materiales de construcción de biocemento utilizando áridos locales. El cloruro de amonio recuperado de los flujos de producción de biocemento distribuido se devuelve a la planta centralizada de reciclaje de materiales. Esto cierra el ciclo al reproducir y redistribuir cloruro de calcio y urea frescos. El cloruro de calcio y la urea representan aproximadamente el 75 % del costo total de materiales directos. Este modelo a gran escala mueve la cadena de suministro de estos importantes materiales, donde los costos directos están determinados internamente por los costos operativos de la planta centralizada de reciclaje de materiales, en lugar de los precios de mercado de un proveedor externo.
La implementación de la producción de biocemento que se dirige a los modelos de proceso a gran escala de reciclaje completo ha sido determinada inicialmente por las escalas actuales de síntesis de urea industrial. Las plantas de urea suelen combinarse con plantas de producción de amoníaco, donde el dióxido de carbono liberado durante la producción de amoníaco reacciona con una fracción del amoníaco producido para formar urea. Una planta de urea pequeña y moderna produce aproximadamente 350.000 toneladas de urea por año. Basado en la relación de material de entrada de producción de biocemento de 1 mol. urea (2NH2 CO): 1 mol. cloruro de calcio (CaCh), una producción de 350.000 toneladas de urea requiere una producción correspondiente de 326.791 toneladas de óxido de calcio (véase Tabla 1). Una planta de fabricación de cemento Portland eficiente de EEUU produce más de 2.000.000 toneladas de cemento al año y consume más de 1.276.200 toneladas de óxido de calcio.
Tabla 1
Masa comparativa de materiales de proceso en modelo a gran escala.
Supone una producción anual de urea de 350.000 toneladas.
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En consecuencia, el sistema puede diseñarse para la producción a gran (o pequeña escala) de uno o más de carbonato de calcio, óxido de calcio, cloruro de calcio, cloruro de amonio, amoníaco y urea.
Otra forma de realización de la invención se refiere a un proceso cíclico industrial. Por ejemplo, el proceso cíclico industrial es preferiblemente para la producción de material de biocemento, donde los iones de calcio y el dióxido de carbono/carbonatos disueltos son proporcionados por agua de mar, corrientes de desechos industriales y/o salmueras naturales. El grupo de organismos de cocultivo (1) produce urea a partir del carbono y un sustrato de nitrógeno. El grupo de organismos de cocultivo (2) produce biocemento utilizando iones de calcio de agua de mar y el grupo de organismos (1) produce urea. El amonio producido por el grupo de organismos (2) es luego utilizado por el grupo de organismos (1) como sustrato de nitrógeno para la producción de urea.
El proceso industrial también es preferiblemente para la producción de urea y/o amoníaco para uso en industrias agrícolas, químicas y manufactureras, donde un organismo o consorcios de organismos producen urea a partir de un sustrato de nitrógeno y un medio rico en carbono. La urea producida se puede separar y usar en forma acuosa, o secar en sólidos como gránulos, gránulos o polvos para uso posterior. Un paso posterior que usa una bacteria productora de ureasa puede hidrolizar la urea en amonio, que se separa como licor de amoníaco o gas de amoníaco comprimido para uso posterior. Los ejemplos de bacterias productoras de ureasa incluyen, pero no se limitan a Sporosarcina spp. (p. ej., S. pasteurii y S. ureae), Proteus spp. (p. ej., P. vulgaris y P. mirabilis), Bacillus spp. (p. ej., B. sphaericus y B. megaterium), Myxococcus spp (p. ej., M. xanthus), Helicobacter spp. (p. ej., H. pylori), o variantes, serotipos, mutaciones, formas recombinantes o combinaciones de los mismos. Preferiblemente, el organismo son células vegetativas, aunque las esporas pueden utilizarse y convertirse en células vegetativas que producen ureasa, o la enzima ureasa extraída puede usarse sin la presencia del organismo productor de enzimas. El sustrato de nitrógeno para la producción de urea comprende fuentes complejas de nitrógeno o nitrógeno atmosférico gaseoso según las especificaciones de los consorcios. El carbono puede suministrarse en cualquier forma y, p. ej., convertirse en líquido como dióxido de carbono atmosférico disuelto. La reacción puede comprender además materiales adicionales a incorporar al biocemento como, p. ej., material orgánico o inorgánico, roca, vidrio, madera, papel, metal, plástico, polímeros, fibras, minerales o combinaciones de los mismos.
Cemento marino vivo diseñado (ELMc)
Otra forma de realización de la invención se refiere a herramientas, composiciones, métodos de producción y estructuras para cemento marino vivo diseñado (ELMc). ELMc involucra el desarrollo de un concreto biológico vivo y/o materiales similares al concreto que se utilizan para aplicaciones marinas y otras. Los materiales ELMc tienen la capacidad de autorrepararse (p. ej., no requieren mantenimiento), lo que mitiga las degradaciones estructurales comunes de los concretos marinos tradicionales que resultan en costos significativos de mantenimiento y/o reemplazo. Un material ELMc viable obtiene preferiblemente materiales para la formación de biocemento directamente del entorno (p. ej., agua de mar, entornos mineros).
Preferiblemente, los materiales ELMc emplean cepas de bacterias que son nativas o adaptables al entorno en el que se produce la estructura. p. ej., en un entorno marino, la urea y el calcio como materia prima se obtienen directamente del agua de mar. Mientras que el calcio es abundante en agua de mar como mecanismo de la bomba de carbono oceánica, la urea está disponible en cantidades más pequeñas que pueden limitar las tasas de formación de biocemento. Urea oceánica como la producida por zooplancton, vida marina como, p. ej., peces y bacterias marinas. Para estructuras de biocemento marino, ELMc involucra preferiblemente un consorcio de bacterias productoras de urea y productoras de ureasa. Se analizaron más de 300 cepas de bacterias marinas para la producción de urea y se seleccionaron 24, que se dividieron en siete especies distintas. Las cepas se desarrollaron aún más mediante selección y/o ingeniería genética, lo que dio como resultado una serie de niveles muy altos de producción de ELMc. Preferiblemente, las cepas se desarrollaron para la formación de biocemento en unidades durante ensayos de 7 días, utilizando una materia prima de agua de mar sintética que no incluye urea.
Las cepas bacterianas preferidas generan urea a través de dos vías metabólicas diferentes: (a) metabolismo de purina/piramidina y (b) escisión del aminoácido L-arginina por la enzima arginasa. En el entorno marino, estos sustratos siguen siendo un factor limitante, donde los enfoques sintéticos permiten el uso de fuentes de carbono más abundantes. Por ejemplo, las vías metabólicas se modifican genéticamente para la producción industrial de L-arginina a partir de una fuente de carbono de glucosa. Herramientas y procesos similares permiten la utilización de fuentes de carbono alternativas, incluidas las producidas directamente a partir de carbono inorgánico disuelto.
Una producción ELMc preferida implica la producción local de urea por generación bacteriana en el sitio de nucleación de la formación del cemento. Este enfoque elimina la dependencia de la urea producida industrialmente y elimina la urea como componente de materia prima. Las herramientas y métodos de biología sintética desarrollados por ELMc involucran dos procesos y condiciones de aplicación para productos industriales de biocemento.
En primer lugar, ELMc produce biocemento como una actividad de mantenimiento relevante para la vida útil de un material de años, décadas y más. En esta metodología, el mantenimiento implica una deposición gradual de material en los daños y defectos estructurales, pero el mantenimiento comienza de inmediato. Preferiblemente, el mantenimiento es un proceso continuo. En segundo lugar, ELMc implica obtener los componentes necesarios de la materia prima directamente de fuentes naturales limitadas en nitrógeno, como el agua de mar, en concentraciones nativas, junto con cualquier otra impureza o factor variable. Los materiales producidos por ELMc están compuestos por un consorcio de bacterias que genera urea orgánica en el lugar de formación del carbonato de calcio. Las materias primas están limitadas por los componentes y/o las concentraciones que se encuentran en las aguas de mar naturales. El desarrollo sostenible de biocemento, de acuerdo con las divulgaciones del presente documento, proporciona una contabilidad de carbono y guía el análisis del ciclo de vida (ACV) para proporcionar fuentes de carbono como materia prima, manteniendo al mismo tiempo el rendimiento y la viabilidad comercial de los productos establecidos.
Otra forma de realización de la invención se refiere a métodos que comprenden: cargar un objeto sólido con organismos productores de ureasa y organismos productores de urea; colocar el objeto sólido en un entorno que contiene uno o más de carbono, nitrógeno y calcio; y formar carbonato de calcio dentro del objeto sólido. Preferiblemente, la carga con los organismos productores de ureasa y/o los organismos productores de urea comprende combinar el objeto sólido con organismos secos de modo que los organismos se retengan dentro o sobre una superficie del objeto sólido, o colocar el objeto sólido en una composición que contenga los organismos productores de ureasa y/o los organismos productores de urea. Preferiblemente, el objeto sólido se carga con esporas y/o células vegetativas de los organismos productores de ureasa y/o los organismos productores de urea. Preferiblemente, el objeto sólido comprende un material natural o no natural, arena reciclada o manufacturada, mineral, ladrillo, bloque, mampostería, panel, teja, tabla, roca, piedra, piedra triturada, minerales, o vidrio fracturado, madera, yute, ceniza, espuma, basalto, fibras, relaves mineros, papel, materiales de desecho, desechos de un proceso de fabricación, plásticos, polímeros, materiales rugosos y/o combinaciones de los mismos, y también preferentemente, el objeto sólido es permeable a los microorganismos. Preferiblemente, el objeto sólido contiene uno o más de carbono, nitrógeno y calcio, y más preferiblemente el medio ambiente y el objeto sólido contienen cantidades suficientes de carbono, nitrógeno y calcio para formar carbonato de calcio. Preferentemente, la colocación comprende la inmersión total del objeto sólido en el entorno. Preferiblemente, el entorno comprende un entorno que promueve la proliferación de los organismos productores de ureasa y/o los organismos productores de urea un entorno marino y más preferiblemente es un entorno marino tal como se describe en el presente documento. Preferiblemente, el carbonato de calcio se forma a partir de una combinación de urea producida por los organismos productores de urea sobre la que actúa la ureasa producida por los organismos productores de ureasa, y en presencia de carbono, nitrógeno y calcio. Preferiblemente, el carbonato de calcio se forma como un revestimiento alrededor del objeto sólido (p. ej., como una biopelícula que contiene organismos y carbonato de calcio), y/o se forma fuera del objeto sólido. Preferiblemente, el objeto sólido que contiene carbonato de calcio se utiliza para controlar la erosión en el medio ambiente, como un soporte sólido de una estructura dentro del medio ambiente, donde la estructura comprende, p. ej., material de construcción, un dispositivo electrónico y/o un contenedor. Preferiblemente, el carbonato de calcio se forma dentro, alrededor y/o fuera del objeto sólido durante un período de seis meses o más, durante un período de un año o más, o durante un período de 5 años o más, o el carbonato de calcio se autorreplicante o autosuficiente y perpetuo durante la vida del objeto sólido. Además, tales objetos sólidos también se reparan a sí mismos.
Otra forma de realización de la invención está dirigida a objetos sólidos que contienen organismos productores de ureasa y organismos productores de urea, preferiblemente que contienen carbonato de calcio. Preferiblemente, los organismos productores de ureasa y los organismos productores de urea son viables, y preferiblemente los organismos productores de ureasa producen ureasa y los organismos productores de urea producen urea. Preferiblemente, la ureasa y la urea en presencia de carbono, calcio y nitrógeno forman carbonato de calcio. Preferiblemente, el objeto sólido comprende un material natural o no natural, arena reciclada o manufacturada, mineral, ladrillo, bloque, mampostería, panel, teja, tabla, roca, piedra, piedra triturada, minerales, o vidrio fracturado, madera, yute, ceniza, espuma, basalto, fibras, relaves mineros, papel, materiales de desecho, desechos de un proceso de fabricación, plásticos, polímeros, materiales rugosos y/o combinaciones de los mismos. Preferiblemente, el objeto sólido contiene además materiales complementarios como, p. ej., material orgánico o inorgánico, roca, vidrio, madera, papel, metal, plástico, polímeros, fibras, minerales o combinaciones de los mismos.
Otra forma de realización de la invención se refiere a composiciones que comprenden una mezcla viable de organismos productores de ureasa y organismos productores de urea. Preferiblemente, las composiciones contienen los organismos productores de ureasa y los organismos productores de urea están en forma de esporas y/o células vegetativas. Preferiblemente, la composición es acuosa o seca.
Los siguientes ejemplos ilustran formas de realización de la invención, pero no deben verse como limitantes del alcance de la invención.
Ejemplos
Ejemplo 1 Adaptabilidad de la plataforma
La fabricación tradicional de cemento Portland implica un modelo industrial centralizado del siglo XX, donde la producción de cemento está ligada a procesos intensivos en capital y energía (p. ej., horno túnel alimentado con metano). Con los cambios en las demandas del mercado, las condiciones regulatorias, los recursos materiales y la comprensión global de los impactos ambientales evolucionan, la adaptación tradicional de las plantas de cemento, existe la necesidad de un cambio de infraestructura para la próxima planta que se construirá. El diseño de producción divulgado y descrito en este documento satisface esa necesidad y también proporcionó una plataforma adaptable.
La producción de biocemento de acuerdo con las divulgaciones aquí implica dos sistemas interrelacionados: equipos de fabricación y la biotecnología de producción de biocemento. El equipo de fabricación incluye equipos para el manejo de materiales (p. ej., equipos de mezcla, formación y tránsito) y fermentación en estado sólido (p. ej., materias primas y entrega), que representan costos de capital duros para la fabricación del producto. Una gran parte de la producción de materiales e infraestructura incluye bacterias y materias primas para la fabricación y se proporciona a los sitios de producción.
Una planta de esta divulgación proporciona la adaptación de los productos químicos de materia prima requeridos para la producción de biocemento, sin requerir también cambios significativos de infraestructura o de capital en los sistemas de fabricación, o la necesidad de una fuente de carbono costosa como el metano. Este proceso de esta divulgación aumenta la sostenibilidad, amplía el rendimiento, trabaja con componentes locales de materia prima, reduce los costos de producción y se implementa rápidamente.
Otras formas de realización y usos de la invención resultarán evidentes para los expertos en la materia a partir de la consideración de la especificación y práctica de la invención descrita en el presente documento. El término que comprende, dondequiera que se utilice, pretende incluir los términos que consisten y que consisten esencialmente en. Además, los términos que comprenden, incluyen y contienen no pretenden ser limitativos. Se pretende que la memoria descriptiva y los ejemplos se consideren ejemplares únicamente con el verdadero alcance y espíritu de la invención indicado por las siguientes reivindicaciones.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un método que comprende:
cargar un objeto sólido con organismos productores de ureasa y organismos productores de urea; colocar el objeto sólido en un entorno que contiene uno o más de carbono, nitrógeno y calcio; y
formar carbonato de calcio dentro del objeto sólido.
2. El método de la reivindicación 1, en el que la carga con los organismos productores de ureasa y/o los organismos productores de urea comprende combinar el objeto sólido con organismos secos de modo que los organismos se retengan dentro o sobre una superficie del objeto sólido, o, donde la carga con los organismos productores de ureasa y/o los organismos productores de urea comprende colocar el objeto sólido en una composición que contiene los organismos productores de ureasa y/o los organismos productores de urea, o donde el objeto sólido está cargado con esporas y/o células vegetativas de los organismos productores de ureasa y/o los organismos productores de urea.
3. El método de la reivindicación 1, en el que el objeto sólido comprende un material natural o no natural, arena reciclada o manufacturada, mineral, ladrillo, bloque, mampostería, panel, teja, tabla, roca, piedra, roca triturada, piedra triturada, minerales, vidrio triturado o fracturado, madera, yute, ceniza, espuma, basalto, fibras, relaves mineros, papel, materiales de desecho, desechos de un proceso de fabricación, plásticos, polímeros, materiales rugosos y/o combinaciones de los mismos, o, donde el objeto sólido es permeable a los microorganismos, o, donde el objeto sólido contiene uno o más de carbono, nitrógeno y calcio, o, donde la colocación comprende sumergir el objeto sólido por completo en el medio ambiente.
4. El método de la reivindicación 1, en el que el entorno comprende un entorno marino, o, en el que el entorno comprende un entorno que promueve la proliferación de los organismos productores de ureasa y/o los organismos productores de urea.
5. El método de la reivindicación 1, en el que los organismos productores de urea comprenden Pseudomonas, Delaya avenusta, Thiosphaera pantotropha, Pseudomonas stutzen, Fragilaria crotonensis, Pseudoalteromonas spp., Pseudoalteromonas haloplanktis, Halomonas venusta, Pseudomonas balearica, Pseudomonas stutzeri, Bacillus megaterium, Escherichia coli, Exiguobacterium aurantiacum, Pseudoalteromonas aliena, Pseudoalteromonas luteoviolacea, y variantes, serotipos, mutaciones, formas recombinantes y combinaciones de los mismos, o, donde los organismos productores de ureasa comprenden Sporosarcina spp., S. pasteurii, S. ureae, Proteus spp., P. vulgaris, P. mirabilis, Bacillus spp., B. sphaericus, B. megaterium, Myxococcus spp., M. xanthus, Helicobacter spp., H. pylori y variantes, serotipos, mutaciones, formas recombinantes y combinaciones de las mismas.
6. El método de la reivindicación 1, en el que el carbonato de calcio se forma a partir de una combinación de urea producida por los organismos productores de urea sobre la que actúa la ureasa producida por los organismos productores de ureasa, y en presencia de carbono, nitrógeno y calcio.
7. El método de la reivindicación 1, en el que el objeto sólido que contiene carbonato de calcio es utilizado para el control de la erosión en el medio ambiente, o donde el objeto sólido que contiene carbonato de calcio se utiliza como soporte sólido de una estructura dentro del medio ambiente, preferiblemente, donde la estructura comprende material de construcción, un dispositivo electrónico y/o un contenedor.
8. El método de la reivindicación 1, en el que se forma carbonato de calcio dentro, alrededor y/o en el exterior al objeto sólido durante un período de seis meses o más o, en el que se forma carbonato de calcio dentro, alrededor y/o en el exterior del objeto sólido durante un período de un año o más, o en el que se forma carbonato de calcio dentro, alrededor y/o en el exterior del objeto sólido por un período de 5 años o más.
9. Un objeto sólido que contiene organismos productores de ureasa y organismos productores de urea.
10. El objeto sólido de la reivindicación 9, en el que los organismos productores de ureasa y los organismos productores de urea son viables.
11. El objeto sólido de la reivindicación 9, en el que los organismos productores de ureasa producen ureasa y los organismos productores de urea producen urea, preferiblemente, en donde la ureasa y la urea en presencia de carbono, calcio y nitrógeno forman carbonato de calcio.
12. El objeto sólido de la reivindicación 9, que comprende un material natural o no natural, arena reciclada o manufacturada, mineral, ladrillo, bloque, mampostería, panel, teja, tablero, roca, piedra, roca triturada, piedra triturada, minerales, vidrio triturado o fracturado, madera, yute, ceniza, espuma, basalto, fibras, relaves mineros, papel, materiales de desecho, desechos de un proceso de fabricación, plásticos, polímeros, materiales rugosos y/o combinaciones de los mismos.
13. El objeto sólido de la reivindicación 9, que además contiene materiales complementarios, preferiblemente en donde los materiales complementarios comprenden material orgánico o inorgánico, roca, vidrio, madera, papel, metal, plástico, polímeros, fibras, minerales o combinaciones de los mismos.
14. Una composición que comprende una mezcla viable de organismos productores de ureasa y organismos productores de urea.
15. La composición de la reivindicación 14, en la que los organismos productores de ureasa y los organismos productores de urea están en forma de esporas y/o células vegetativas, o, en donde la composición es acuosa o seca.
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