[发明专利]微生物加载的集料和制造方法

说明书

本发明涉及用于制造建筑材料、砌体、固体结构的组合物、工具和方法和促进粉尘控制的组合物。更具体地，本发明涉及使用预先加载有孢子和/或营养细菌细胞的少量集料材料来制造砖、砌体和其他固体结构。

本申请是申请日为2017年10月27日、申请号为201780067243.9、发明名称为“微生物加载的集料和制造方法”的中国专利申请(其对应PCT申请的申请日为2017年10月27日、申请号为PCT/US2017/058736)的分案申请。

相关申请的引用

本申请要求2016年10月31日提交的美国临时申请No.62/414,876的优先权，该临时申请通过引用整体并入。

技术领域

本发明涉及用于制造建筑材料的组合物、工具和方法。更具体地，本发明涉及砖、砌体和其他固体结构的制造，以及使用加载有孢子和/或营养微生物的集料的粉尘控制，以启动和/或标准化可以在大规模生产中应用的制造方法。

背景技术

传统的砖和混凝土建筑严重依赖燃烧自然资源，如煤炭和木材。这种依赖导致大量能源消耗和同样大量的二氧化碳排放，因此极大地依赖有限的能源。这些传统方法的替代方案涉及称为微生物诱导方解石沉淀(MICP)的方法。MICP包括将脲酶和尿素作为能量源与集料(例如沙子)混合。该酶催化氨和二氧化碳的产生，增加组合物的pH水平。pH的升高形成矿物质“沉淀物”，将钙与二氧化碳结合。存在于混合物中的颗粒充当成核位点，从钙形成方解石晶体中吸引矿物离子。矿物质生长填充沙粒之间的间隙，将它们生物粘接或粘合在一起。优选地，颗粒包含宽度至少为5微米的间隙，但可以根据需要更大或更小。所得材料表现出与天然形成的砌体、砖或其他固体结构类似的组成和物理性质。可以至少基于初始组分的结构和所需的孔径来预先确定硬度。

酶产生细菌是能够生物粘接的，包括脲芽孢八叠球菌、普通变形杆菌、球形芽孢杆菌、黄色粘球菌、变形杆菌或幽门螺杆菌，尽管应该对致病菌株给予适当的关注。也可以使用任何这些菌株的组合以及功能变体、突变和遗传修饰的菌株。细菌组合物含有营养培养基以维持和/或使细胞繁殖和增殖。用于细胞，特别是本发明的细菌细胞的各种类型的营养培养基是已知的并且可商购获得，并且包括通常用于运输以维持生存力而不繁殖的至少最小培养基(或运输培养基)，以及通常用于生长和繁殖的酵母提取物和糖蜜。

这种通过诱导粘接的制造建筑材料的方法表现出低的隐含能源，并且可以在环境压力和宽温度范围内发生。环境温度和条件以及可用集料的含量可以确定纯酶、冻干酶或活细胞是否用作起始组分。通常，活细胞用于存在温和天气条件的较温暖的温度，而纯酶在较冷或热的更极端条件下可能是有利的。使用砂集料和自然诱导的粘接作用引入生物工程建筑单元提供了可以在本地生产和环境友好的天然替代物。由于几乎不需要加热，因此节省的费用和效率都是巨大的。

MICP所需的初始成分容易获得。钙的来源通常可从当地获得，例如当地地况，诸如石灰石、牛奶和奶制品和副产品、蛋壳、湖泊和河流、海水和植物材料等等。当以盐的形式，例如优选氯化钙、碳酸钙、乳酸钙、乙酸钙、磷酸钙和硫酸钙时，钙用作钙源。许多这些形式在世界不同地区都很容易获得。在世界上大多数地区也很容易获得尿素。作为化学盐，其可以从尿液中容易地获得，尿液可以从牲畜和农业来源以及市政来源获得。因此，本发明的组合物可包括钙源和/或尿素，并且/或者也可以分开获得钙源和/或尿素。

MICP的另一个优点是该过程可以小规模和大规模使用，也可以轻松实现自动化。本发明的砌体制造方法的主体内容可以大多数是当地获得的材料，包括岩石、沙子、砾石和大多数任何类型的石头。石头的加工，例如压碎或破碎，也可以当地进行。因此，运输成本和费用最小化。仅需要提供本发明的组合物(其可以提供为在现场冻干和水合)、砖的框架(如果其他方式不可获得)和适当的说明。如果需要运输，这仅占运输成本的一小部分，特别是与传统水泥运输相关的现有费用相比。