DL: Systems analysis & fundamental control of bacterial processes in the production of bio-concrete for construction purposes BioZEment 2.0

Betong er det materialet som det produseres aller mest av på verdensbasis - dobbelt så mye som alle andre materialer til sammen. Samtidig står produksjonen av sement, som er den viktigste bestanddelen i betong, for et sted mellom 5 og 10 % av de globale, menneskeskapte utslippene av CO2. Målet med BioZEment 2.0 er å bygge opp den grunnleggende kunnskapen som skal til for å kunne produsere betongmaterialer ved hjelp av bioteknologi. Bioteknologi kan gi oss muligheten til å lage materialer med betraktelig lavere energibruk og CO2-utslipp enn hva vi har i dag. For å nå dette målet, kobler vi mikrobiologi, systembiologi, nano- og materialteknologi, geokjemi, livssyklusanalyse, tekno-økonomisk analyse og forskning på forbruker-relaterte aspekter. Våre resultater bekrefter at slike materialer har potensiale til å utgjøre en vesentlig forskjell i Norges og verdens CO2-utslipp, og at forbrukernes holdninger generelt er positive. Vi har utarbeidet eksperimentelle og numeriske modeller for å forstå de biogeokjemiske koblingene i materialet på mikroskala, koblet til en genetisk basert metabolsk modell for bakteriene. Vi har også utviklet et produksjonssystem for prototyper som kan brukes til testing av materialegenskaper på større skala. Til sammen utgjør dette et fundament for videre utviklling av biosement-baserte byggematerialer.

Nyvinningene i metabolsk modellering av lite kjente organismer er relevante både for fagfeltet generelt og innen bioprospektering, og har ført til et nytt prosjekt om kvantifisering av bestanddelene i mikrobiell biomasse. Utviklingen av et mikroskala eksperimentelt system har gitt nye verktøy for å studere pH i mikrobiell oppløsning og utfelling av CaCO3, informasjon som ikke var tilgjengelig med eksisterende metoder. Ved hjelp av genetiske metoder ble det utviklet en rekombinant Bacillus-stamme som kan gjennomføre hele BioZEment-prosessen, fra organisk syreproduksjon til ureolyse, koblet sammen via en regulerbar promoter. Dette åpner for videre genetisk arbeid og forbedringer. Utviklingen av en mikroskala numerisk modell som inkluderer biologiske reaksjoner vil være nyttig for videre studier av mikrobiell aktivitet i porøse medier. Fokusgruppestudien med spørreskjema som deltakerne fylte ut på ulike stadier av studien ga nye innspill til innovasjonsprosessen.

The production of concrete accounts for more than 5% of global anthropogenic CO2 emissions, and new, disruptive technology in the field is needed to make a large-scale impact. Among the alternative avenues currently pursued is the use of naturally occurring mineral-microbe interactions in the production of construction materials. Integrated efforts across multiple disciplines, including biotechnology, nanotechnology, mathematics, geochemistry, process engineering, techno-economics, and social sciences will make it possible to pave the way for a more sustainable production of concrete for construction purposes in the bioeconomy era. The idea of BioZEment originates from the Research Council of Norway's first Idélab "Towards the Zero Emission Society" (2014). Our basic concept is to employ bacteria to produce acid to partially dissolve crushed limestone, and subsequently induce an increase in pH by biocatalysis to initiate re-precipitation of calcium carbonate to bind sand grains together, forming a solid, concrete-like construction material. Experimental results from the Idélab project indicate the overall feasibility of the BioZEment concept. However, in order to elevate the current technological achievements to the next level, an in-depth systems-scale understanding at different levels will be necessary to guide further development of the concept. To that purpose, the BioZEment consortium will team up with additional partners at IRIS and NTNU, forming BioZEment 2.0, to expand its theoretical and predictive capabilities in the fields of systems biology and bio-geochemical process modelling. This is essential to guide the BioZEment process towards commercial large-scale applications.