HAWtransfer: Enzym- und Mikrobiell-basierte Biozementierung

Die Bauindustrie, auf die etwa 15% der weltweiten CO2-Emissionen durch Baumaßnahmen und die Herstellung von Baumaterialien zurückzuführen sind, hat das Ziel in den kommenden Jahrzehnten CO2-Neutralität zu erreichen. Auch deshalb hat in den letzten Jahren das Interesse an der MICP (Microbial Induced Calcite Precipitation) stetig zugenommen, vor allem durch die zahlreichen, technisch neuen Anwendungsmöglichkeiten. Beispiele hierfür sind die Staubbindung, die Straßen- oder Bodenstabilisierung, selbstheilender Beton oder die Herstellung von Bioziegeln. Loses Material, wie z.B. Sand, kann in der MICP durch die Bildung von Kalk durch Mikroorganismen verfestigt werden, da an den Kontaktstellen der Sandkörner verfestigende Kalkbrücken gebildet werden. Dies passiert verglichen mit konventionellen Methoden meist mit weniger CO2-Emission oder Energieeinsatz.
Neben der MICP wird seit einigen Jahren verstärkt auch die enzymbasierte Calcit-Präzipitation (EICP) als alternative Biozementierungs-Methode erforscht. Die EICP beschreibt dabei die Bildung von Kalkschichten hauptsächlich mithilfe der Enzyme Urease und/oder Carboanhydrase (CA), ohne den direkten Einsatz von Mikroorganismen. Der EICP werden diverse Vorteile im Vergleich zur MICP zugeschrieben. Dennoch existieren noch keine EICP-Anwendungen in der breiten Praxis, lediglich Labor- und erste Pilotversuche. Dies liegt vor allem daran, dass die Herstellung von Enzymen wie Urease oder CA für die EICP aktuell noch viel zu teuer ist.
Zudem besteht aktuell noch großer Forschungsbedarf zum Verständnis des Zusammenspiels von Urease und CA und deren technischer Nutzung bei der MICP sowie der Weiterentwicklung und kostengünstigen, rekombinanten Produktion der Enzyme (v.a. CA) für die vielversprechende EICP.
Darum verfolgt das Vorhaben als übergeordnetes Ziel die Etablierung einer Plattform für die Untersuchung und Bereitstellung von Mikroorganismen und Enzymen für die Biozementierung (MICP und EICP). Dazu sollen u.a. mit einem automatisierten Mikrobioreaktor-System im Hochdurchsatz geeignete Bacilli-Stämme für die MICP getestet und gezielt die Synergie zwischen CA und Urease untersucht werden. Außerdem ist die Auswahl, Charakterisierung und Bereitstellung neuartiger CA für den EICP-Einsatz vorgesehen. CA sollen rekombinant in verschiedenen Wirtsorganismen produziert werden und mittels Enzyme Engineering mit zwei Anwendungspartnern an die Bedürfnisse von EICP-Anwendungen (bzgl. benötigter Aktivität, pH- und Temperatur-Stabilität) angepasst werden. Des Weiteren wird ein Hochdurchsatz-Assays für CA entwickelt, um von Kulturproben die CA-Bildung und -Aktivität messen zu können. Die entwickelten CA sollen nach der Expression dann aufgereinigt und in exemplarischen, neuartigen EICP-Anwendungen (Porenfüllung von Recyclingbeton-Granulat) mit den Partnern auf ihre Machbarkeit und Leistungsfähigkeit hin überprüft werden.