Avaliação e otimização do uso de nitrato de cálcio e amido na precipitação de carbonato de cálcio induzida microbiologicamente

Abstract

As fissuras em matrizes cimentícias são meio de acesso de agentes deletérios causadores de degradação do concreto, por isso devem ser reparadas imediatamente, a fim de evitar danos estruturais e prolongar a vida útil estrutural de edificações. O concreto biológico de autocura é uma tecnologia alternativa recente de cicatrização de fissuras que envolve a reação bioquímica de precipitação de carbonato de cálcio induzida microbiologicamente (MICP). No processo de MICP, bactérias metabolizam uma fonte de carbonato (FCB), que ao entrar em contato com cálcio solúvel - proveniente de uma fonte de cálcio (FCA) - reagem formando carbonato de cálcio. Devido às suas características intrínsecas dos reagentes (FCA e FCB) atualmente empregados na bioautocicatrização estes ainda podem ser melhorados, portanto é desejável a procura por novos reagentes. Os mecanismos por trás da MICP em fissuras ainda não foram totalmente elucidados, porém já se sabe que altas concentrações de cálcio e carbonato em solução são condições que propiciam uma maior precipitação de carbonato de cálcio. Dessa forma, foram avaliadas a metodologia de exposição, a concentração de substrato e o comportamento de deposição de carbonato de cálcio nas fissuras, seguidas do teste de dois reagentes que se mostram promissores: nitrato de cálcio e amido. O nitrato de cálcio possui alta solubilidade em água, fornecendo altas concentrações de cálcio em solução. O amido é uma molécula de alto potencial energético, que após ser metabolizada gera altas quantidades de carbonato em solução. Para testar o potencial desses compostos, foi desenvolvida uma metodologia para avaliação do processo de MICP em cultivos líquidos sob agitação. O desempenho de Bacillus subtilis (SUB) e Bacillus amyloliquefaciens (AMY) para o processo foi testado e SUB foi escolhido por apresentar melhores resultados. Por fim, um planejamento de experimento fatorial de composto central foi realizado a fim de analisar o processo de MICP com SUB, amido e nitrato de cálcio. Os resultados indicam que amido e nitrato de cálcio desempenham uma boa MICP e podem ser empregados na confecção de bioconcretos.

Cracks in cementitious matrices are the main way of access for deleterious agents that cause concrete degradation, so they must be repaired immediately, in order to avoid structural damage and prolong the structural integrity of buildings. Biological self-healing concrete is a recent crack healing technology alternative that involves the biochemical reaction of microbiologically induced calcium carbonate precipitation (MICP). In the MICP process, bacteria metabolize a source of carbonate (FCB), which when in contact with soluble calcium - from a source of calcium (FCA) - react to form calcium carbonate. Due to their intrinsic characteristics of the reagents (FCA and FCB) currently used in biological self-healing, they can still be improved, therefore, the search for new reagents is desirable. The mechanisms behind MICP in cracks have not yet been fully elucidated, however it is already known that high concentrations of calcium and carbonate in solution are conditions that provide greater precipitation of calcium carbonate. Thus, the exposure methodology, the substrate concentration and the behavior of calcium carbonate deposition in the cracks were evaluated, followed by the test of two promising reagents: calcium nitrate and starch. Calcium nitrate has high solubility in water, providing high concentrations of calcium in solution. Starch is a molecule of high energy potential, which after being metabolized generates high amounts of carbonate in solution. To test the potential of these molecules, a methodology was developed to evaluate the MICP process in liquid cultures under agitation. The performance of Bacillus subtilis (SUB) and Bacillus amyloliquefaciens (AMY) for the process was tested and SUB was chosen for it’s better results. Finally, a central compound factorial design was carried out in order to analyze the MICP process with SUB, starch and calcium nitrate. The results indicate that starch and calcium nitrate perform a good MICP and can be used in the manufacture of bioconcrete.