Production et analyse de briques de biociment Sporosarcina pasteurii à l’aide de moules imprimés en 3D personnalisés pour des tests de compression en clair

Résumé

Sporosarcina pasteurii est une bactérie uréolytique qui décompose l’urée en carbonate et en ammonium. Le carbonate se combine avec le calcium pour former du carbonate de calcium, créant un réseau cristallin qui ancre les particules environnantes ensemble pour produire du biociment. Il s’agit d’un protocole pratique pour l’utilisation de moules imprimés en 3D afin de créer des briques de biociment adaptées aux tests de compression.

Résumé

Le ciment est un matériau de construction clé utilisé dans de nombreuses structures à travers le monde, des fondations de maisons aux monuments historiques et aux routes. C’est un matériau essentiel et abondant dans le monde entier. Cependant, la production traditionnelle de ciment est un contributeur majeur au_CO2 atmosphérique d’origine humaine, entraînant des émissions de gaz à effet de serre et le changement climatique. La précipitation de calcite induite par des microbes (MICP) est un processus biologique dans lequel Sporosarcina pasteurii ou d’autres bactéries produisent un matériau de ciment aussi résistant que le ciment traditionnel, mais le biociment est neutre en carbone. Cette méthode MICP de production de biociment est une technologie prometteuse et fait actuellement l’objet d’études actives par de nombreuses entreprises, pays et groupes de recherche. Le protocole présenté ici utilise des moules conçus sur mesure, réutilisables et imprimés en 3D pour le traitement MICP à flux continu du sol ou du sable, produisant des briques cylindriques qui répondent aux spécifications standard des tests de compression non confinés. Les moules individuels, autoportants et surmontés d’un réservoir, permettent de tester facilement en parallèle plusieurs variables et répétitions. Ce protocole décrit la réaction MICP de S. pasteurii ainsi que la création, l’assemblage et l’utilisation des moules imprimés en 3D pour générer des briques cylindriques en biociment.

Introduction

Le béton est le principal matériau de construction pour les projets de construction dans le monde^{entier 1,2}. Une étude a révélé que le ciment est le deuxième matériau le plus consommé dans le monde, derrière l’eau³. Près de 4,1 milliards de tonnes de ciment sont produites chaque année ^4,5. La production, le traitement et l’application traditionnels du ciment sont à l’origine de près de 8 % des émissions mondiales de_CO2 par^an6. En raison de la forte demande et des effets néfastes de la production traditionnelle de ciment, une nouvelle méthode de cimentation neutre en carbone est une priorité absolue pour les objectifs mondiaux de durabilité 7,8,9,10.

La biocimentation est le processus qui consiste à utiliser des micro-organismes pour produire un ciment, un adhésif ou une substance qui peut être utilisé pour créer une surface ou une structure solide ^1,11. Le processus de biocimentation le mieux défini consiste à utiliser des bactéries uréolytiques pour précipiter le carbonate de calcium, en liant les particules ensemble en un matériau de ciment durci^12,13.

Lorsque l’on envisage une alternative écologique au ciment traditionnel, l’alternative doit également répondre aux attentes en matière de résistance du ciment. L’essai de compression en milieu ouvert est une mesure analytique utilisée pour déterminer la résistance au cisaillement d’un échantillon de roche, de matériau de construction ou de sol¹⁴. Pour un essai de cisaillement efficace, l’échantillon doit être préparé conformément aux normes de l’industrie, qui incluent un rapport diamètre/hauteur de 1:2 et une forme cylindrique^{de 15}. Un moule imprimé en 3D sur mesure a été créé pour répondre à ces normes et augmenter l’efficacité de l’exécution d’un protocole MICP. Ces moules conçus sur mesure permettent l’application et le drainage en continu de traitements MICP séquentiels. La solution de culture bactérienne et de cimentation peut facilement être appliquée sur le réservoir supérieur, qui traverse ensuite le moule et passe à travers une ouverture doublée de maille à la base du moule. Les moules sont conçus pour reposer sur un bécher ou un autre conteneur de collecte de déchets. Le moule est fendu en deux verticalement pour permettre un démoulage facile de la brique cimentée. Il est maintenu ensemble par huit aimants fixés au cadre du moule et scellés avec de l’époxy pour éviter d’endommager les aimants dus à l’exposition aux solutions MICP. Les deux moitiés contiennent également une rainure encastrée pour placer un joint en caoutchouc, ce qui aide à sceller le moule et à éviter les fuites. À l’intérieur du moule cylindrique se trouve une rainure pour indiquer le niveau de remplissage pour le sable/sol afin de produire une brique de 3 pouces de hauteur ; L’espace au-dessus de cette rainure est destiné à être utilisé comme réservoir pour l’application de solutions de traitement. Un morceau de treillis métallique placé sur l’ouverture inférieure à l’intérieur du moule, une fois construit, empêche le sable ou la terre de tomber par le fond du moule. De plus, un morceau de treillis métallique est placé sur le dessus du sable ou du sol pour aider à répartir uniformément les solutions appliquées et garantir que la brique formée a un sommet uniforme sans arêtes vives, ce qui pourrait affecter les résultats du test de compression non confiné.

Les moules ont été conçus à l’aide d’un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO), et un fichier STL (Fichier supplémentaire 1 et Fichier supplémentaire 2) a été généré à partir du fichier CAO (Fichier supplémentaire 3 et Fichier supplémentaire 4). Ce fichier STL a été téléchargé dans le programme d’impression 3D et imprimé par la suite. Après l’impression des moules, un système de jet d’eau a été utilisé pour retirer le matériau de support généré par l’imprimante 3D, laissant la structure finale imprimée en 3D. Le fichier pour l’impression d’un dispositif de bourrage pour aider à compacter le sable/sol dans le moule et à créer une surface supérieure plane a également été inclus.

Protocole

Les détails des réactifs, de l’équipement et des logiciels utilisés sont répertoriés dans la table des matériaux.

1. Préparation des solutions et des milieux

1. Perfusion cerveau-cœur (BHI) - urée moyenne (1 L)
   1. Peser 37 g de poudre BHI à l’aide d’une balance et les ajouter dans une fiole ou un bécher de 1 L.
   2. Peser 20 g d’urée à l’aide d’une balance et ajouter à la fiole ou au bécher de 1 L contenant de la poudre BHI.
      ATTENTION : Ne pas autoclaver ou ajouter de l’eau de Javel à des matériaux contenant de l’urée. L’urée se décompose en ammoniac, qui peut être nocif en tant que gaz volatilisé et peut réagir avec l’eau de Javel pour former du gaz moutarde toxique. Éliminer tous les déchets comme déchets dangereux conformément aux protocoles de sécurité de l’établissement.
   3. Remplissez la fiole ou le bécher de 1 L contenant de la poudre de BHI et de l’urée avec 1 L de H₂O.
   4. Mélangez et filtrez pour stériliser le milieu avec un filtre de 0,45 μM dans un flacon autoclavé ou un bécher.
2. Solution de scellement (1 L)
   1. Peser 20 g d’urée à l’aide d’une balance et les verser dans une fiole ou un bécher de 1 L.
   2. Peser 10 g de NH₄Cl (chlorure d’ammonium) à l’aide d’une balance et ajouter à la fiole ou au bécher de 1 L contenant de l’urée.
      ATTENTION : Ne pas autoclaver ou ajouter de l’eau de Javel à des matériaux contenant du chlorure d’ammonium. Le chlorure d’ammonium formera un équilibre avec l’ammoniac gazeux, qui peut être nocif en tant que gaz volatilisé et peut réagir avec l’eau de Javel pour former du gaz moutarde toxique. Éliminez tous les déchets comme des déchets dangereux conformément aux protocoles de sécurité de votre établissement.
   3. Peser 49 g de CaCl_{4.2H 2}O (chlorure de calcium) à l’aide d’une balance et y ajouter une fiole ou un bécher de 1 L contenant de l’urée et du chlorure d’ammonium.
   4. Remplissez la fiole ou le bécher de 1 L contenant de l’urée, du chlorure d’ammonium et du chlorure de calcium avec 1 L de H₂O.
      REMARQUE : Cette solution n’est pas stérilisée ; Préparer frais et utiliser dans les 48 h.
3. Impression et préparation de la brique (effectuée plusieurs jours avant le traitement MICP)
   1. Chargez le fichier STL pour le moule à brique (Fichier supplémentaire 1) et le dispositif de bourrage (Fichier supplémentaire 2) dans le programme approprié pour l’imprimante 3D.
      REMARQUE : Le programme spécifique utilisé peut être différent en utilisant une imprimante 3D différente. Utilisez le programme approprié pour l’imprimante que vous utilisez.
   2. Imprimez les moules et les dispositifs de bourrage (Figure 1).
   3. Traitez les moules selon les exigences de l’imprimante.
   4. Placez un aimant dans chacune des fentes d’aimant appropriées dans le moule, en vous assurant que les charges sont situées de manière à ce que les deux moitiés du moule s’attirent et ne se repoussent pas
   5. Une fois les aimants correctement placés, scellez chaque aimant avec de l’époxy.
   6. Sélectionnez deux cercles de treillis métallique de 1,5 pouce de diamètre et mettez-les de côté.

2. Préparation des briques (Jour 0)

REMARQUE : Les détails pour la préparation d’une brique sont fournis ici.

1. Filtre : stériliser 150 mL de milieu BHI-urée. Autoclave une fiole de 250 mL.
2. Préparez 250 mL de solution de scellement ; ne le placez pas dans la fiole autoclavée de 250 ml.
3. Préparer une culture en stries isolées de S. pasteurii sur une boîte de Pétri avec de la gélose à l’urée BHI et incuber à 30 °C pendant 24 à 48 h (S. pasteurii à partir de stock de glycérol congelé).
4. Culture de démarrage de S. pasteurii (Jour 1)
   1. Faites une culture de démarrage de 1,6 mL en ajoutant 1,6 mL de milieu BHI-Urea dans un tube de culture.
   2. Inoculer la culture avec 1 colonie de la plaque de stries du jour 0.
   3. Cultivez la culture de démarrage dans un agitateur (150 tr/min) à 30 °C pendant la nuit.
5. Croissance de la culture (jour 2)
   1. Inspectez la culture de démarrage pour confirmer la croissance (comme en témoigne l’augmentation de la turbidité).
   2. Ajouter 40 mL de milieu BHI-urée dans la fiole autoclavée de 250 mL. Verser la culture de démarrage de 1,6 mL dans la fiole. Incuber et agiter à 30 °C pendant 7 h.
   3. Ajouter 40 ml supplémentaires de milieu BHI-urée dans la fiole. Placer le ballon dans un shaker à 20°C pendant une nuit (~16 h).
6. Traitement en brique avec S. pasteurii (Jour 3)
   1. Ajouter 40 mL supplémentaires de milieu BHI-urée dans la fiole de culture de nuit et poursuivre l’incubation de S. pasteurii à 20 °C.
7. Préparez les moules à briques (jour 3) (voir figure 2).
   1. Placez les joints en caoutchouc dans les espaces appropriés sur les moules. Connectez les deux moitiés des moules, en vous assurant que les joints sont scellés et que tous les aimants se connectent.
   2. Ajoutez un cercle de treillis métallique fin au fond du moule à briques cylindrique pour empêcher le sable de tomber à travers le trou du moule.
   3. Remplissez le moule de sable ou d’un autre matériau jusqu’à la ligne à l’intérieur du moule et tassez fermement.
   4. Placez un autre cercle de treillis métallique sur le dessus du sable pour couvrir toute la surface supérieure et tassez à nouveau.
   5. Placez le moule sur un récipient à déchets pour récupérer le flux.
8. Procédure de traitement (Jour 3)
   1. Versez 40 ml de culture de S. pasteurii sur le sable et laissez-le pénétrer. Attendez 45 min.
   2. Verser 80 mL de solution de scellement sur le sable. Attendez 30 min.
   3. Verser 40 mL de culture de S. pasteurii sur le sable. Attendez 30 min.
   4. Verser 80 mL de solution de scellement sur le sable. Attendez 30 min.
   5. Verser 40 mL de culture de S. pasteurii sur le sable. Attendez 30 min.
   6. Verser 80 mL de solution de scellement sur le sable. Laissez la brique tranquille pendant au moins 48 h ou jusqu’à ce que le sable semble sec.
9. Vérifiez le produit final (jour 5).
   1. Ouvrez les moules avec précaution en divisant le moule en deux et en relâchant la pression des aimants. Retirez délicatement la brique du moule.
      REMARQUE : Si le sable semble humide, le moule devra sécher encore un jour ou deux avant de retirer la brique du moule (plus la brique est sèche, plus elle est facile à enlever).
   2. Placez la brique sur une serviette en papier pour continuer à sécher pendant 3 semaines avant d’effectuer un test de compression.
10. Nettoyage des moules (Jour 5)
    1. Une fois la brique retirée du moule, séparez les joints et le treillis métallique de chaque moitié du moule.
    2. Faites tremper le treillis métallique dans une solution d’éthanol à 70 % pendant 24 heures avant de le rincer à l’eau. Un léger frottement peut être nécessaire pour nettoyer le grillage.
    3. Rincez les moules avec de l’éthanol à 70 % et frottez avec une brosse à poils doux, une éponge ou un autre appareil de nettoyage au moins 3 fois ; puis nettoyer à l’eau et au savon puis sécher à l’air libre
    4. Rincez les joints avec de l’éthanol à 70 %, puis nettoyez-les à l’eau et au savon, puis séchez-les à l’air.

3. Essais de compression (jour 25)

1. Analysez la résistance de toutes les briques à l’aide d’un essai de compression non confiné¹⁶.
   1. Assurez-vous que les extrémités circulaires de la brique sont plates et régulières. Si les extrémités ne sont pas égales, utilisez une lime ou un autre appareil pour égaliser les surfaces.
      REMARQUE : Les extrémités de la brique doivent être principalement plates si le treillis métallique a été appliqué correctement. Il est essentiel que les extrémités de la brique soient aussi planes que possible pour assurer une mesure précise de la résistance.
2. Placez une brique dans un sac en plastique à fermeture éclair ou scellé et positionnez la brique dans le sac en plastique de manière à ce que les faces plates de la brique ne soient pas couvertes par un joint pour obtenir une couverture lisse et plate.
3. Placez la brique sur la plaque de chargement inférieure. Placez une plaque de chargement plate et uniforme sur le dessus de la brique.
4. Appliquez environ 1 livre de pression sur la brique via la machine d’essai de compression non confinée.
5. Tarez l’affichage numérique.
6. Appliquer une charge croissante en continu selon les spécifications de la machine jusqu’à ce que la défaillance structurelle complète de la brique soit obtenue.
7. Notez la charge portante maximale pour chaque brique. Effectuez l’analyse statistique souhaitée pour évaluer les résultats.

Résultats

La construction du moule imprimé en 3D peut être vue dans les figures 1 et 2. Les résultats positifs doivent être considérés comme une brique qui conserve sa forme lorsqu’elle est retirée du moule et, après 3 semaines de séchage, apparaît comme une structure solide qui peut facilement être manipulée avec une perte de matériau minimale au toucher. Si la brique n’est pas solide et qu’il y a un effritement ou une...

Discussion

Étapes critiques
Ce protocole de biocimentation utilise le MICP de S. pasteurii pour produire des briques cylindriques biocimentées qui conviennent aux essais de compression en libre-séjour. L’un des facteurs les plus critiques pour les essais de compression en milieu ouvert est la forme et la structure de l’échantillon. Assurez-vous que le haut et le bas du produit du cylindre sont plats et que la hauteur de la brique est aussi proche que possible de...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D-Printer	Stratasys	Objet 30 V3	Objet30 Pro V3.0 Desktop 3D-Printer
3D-Printer Material	Stratasys	OBJ-04066	Rigur RGD450 Model Material
3D-Printer Material	Stratasys	OBJ-04020	Sup 705 Support Material
Ammonium Chloride	Fisher Scientific	A661-500	Any other Ammonium Chloride should work, manufacturer should not matter
Brain Heart Infusion Broth	Millipore	53286	Any other Brain Heart Infusion Broth should work, manufacturer should not matter
Calcium Chloride Dihydrate	VWR	BDH9224	Any other Calcium chloride Dihydrate should work, manufacturer should not matter
Coarse Sand	Ward’s	470016-902	Special Sand-Gravel Mix and Stress Clay
Desktop Water Jet	Stratasys	OBJ-01400	Water jet system for post-processing of 3D prints
Epoxy	Gorilla Glue	4200102	GORILLA Epoxy Adhesive: Epoxy, 0.8 fl oz, Syringe, Clear, Thick Liquid
Fine Sand	Sandtastik	PLA25	Play Sand in Sparkling White
Gasket Material	McMaster-Carr	8525T65	Ethylene-propylene diene monomer (EPDM) 1/16” thickness
GrabCAD	Stratasys	GrabCAD	3D printer software
Magnets	K&J Magnetics	D64-N52	Neodymium Magnet Grade N52
SolidWorks 2021	Dassault Systèmes	SolidWorks 2021	CAD software
Sporosarcina pasteurii			Strain: ATCC 11859 / DSM 33
Vacuum Filtration cup 0.45µm	VWR	10040-450
Wire Mesh 1.5” Diameter Discs	McMaster-Carr	2812T43	Steel Wire Mesh Material