České bakterie míří na jeden z problémů recyklace betonu. Z odpadu chtějí vytvořit pevný stavební materiál

Stavebnictví spotřebuje obrovské množství surovin a zároveň vytváří jeden z největších proudů odpadu v Evropě. Česko není výjimkou. Každý rok vznikají miliony tun stavebních a demoličních odpadů, přičemž významnou část tvoří beton, cihly a další minerální materiály. Recyklace už dnes dokáže velkou část tohoto materiálu vracet do oběhu. Problém však zůstává u nejjemnějších frakcí vznikajících při drcení. Právě na ně se zaměřili vědci z ČVUT a VŠCHT. Pomocí bakterií dokázali z jemného materiálu vytvořit soudržný kompozit bez přidání cementu. Výsledek je zatím laboratorní, ale ukazuje pozoruhodnou možnost, jak posunout recyklaci betonu od pouhého drcení a zasypávání k výrobě nových materiálů.

Beton je materiál, který po desetiletí symbolizoval sílu, trvanlivost a rozvoj moderního stavebnictví. Dnes se stále více dostává do jiné role. Stavby dosluhují, budovy se demolují, komunikace rekonstruují a obrovské objemy betonu se vracejí do recyklačních zařízení. Samotné rozdrcení starého betonu přitom není technologicky zásadní problém. Hrubší recyklované kamenivo má řadu způsobů využití a může částečně nahradit přírodní kamenivo v nových stavebních aplikacích. Mnohem obtížnější je ovšem využít materiál, který vzniká na nejjemnějších sítech.

Miliardový hmotnostní tok evropského odpadu

Právě zde začíná příběh výzkumu České vysoké učení technické v Praze. Na vývoji pod vedením hlavního řešitele doc. Václava Nežerky spolupracovali odborníci Fakulty stavební ČVUT a tým doc. Hany Stiborové z Fakulty potravinářské a biochemické technologie VŠCHT Praha. Výzkum vznikl v rámci tříletého projektu podporovaného Grantovou agenturou České republiky a jeho výsledky byly podle ČVUT hodnoceny jako vynikající. Na dosažené výsledky nyní navazuje další základní výzkum.

Proč je přitom takový výzkum zajímavý právě z hlediska odpadového hospodářství? Protože stavební a demoliční odpady (SDO) patří mezi nejvýznamnější materiálové toky vůbec. Evropská komise uvádí, že představují více než třetinu všech odpadů vznikajících v Evropské unii. Patří sem beton, cihly, dřevo, sklo, kovy, plasty a další materiály vznikající při výstavbě, rekonstrukcích, demolicích a údržbě infrastruktury. Evropská komise zároveň upozorňuje, že jednotlivé složky mají velmi rozdílnou hodnotu a potenciál dalšího materiálového využití. Údaje Evropské komise se podle použité metodiky pohybují kolem 35 až 40 % veškerého odpadu v EU, což z této skupiny činí vůbec největší odpadový hmotnostní tok.

Význam stavebnictví je ještě větší, pokud se na něj podíváme z opačné strany. Podle Evropské komise připadá na stavebnictví přibližně 50 % všech vytěžených materiálů. Evropské stavebnictví současně vytváří více než 35 % celkové produkce odpadu v EU. Materiálová náročnost tohoto odvětví je proto mimořádná a každý úspěšný způsob, jak vracet použité materiály zpět do výroby, může mít význam nejen pro odpadové hospodářství, ale také pro spotřebu primárních surovin.

Limity současné materiálové recyklace v ČR

Česká čísla tento význam potvrzují. Podle Českého statistického úřadu vzniklo v České republice v roce 2024 celkem 40,2 milionu tun odpadů, což bylo meziročně o 6 % více. Minerální odpady představovaly 57,2 % celkové produkce, tedy více než polovinu všech odpadů. Do této skupiny však patří nejen stavební a demoliční odpady, ale také zemina a některé další minerální odpady. Není proto možné těchto 57,2 % automaticky považovat za podíl stavebních odpadů.

Pro samotné stavební a demoliční odpady jsou vhodnější údaje Ministerstva životního prostředí. Podle aktuálního Plánu odpadového hospodářství ČR dosáhla jejich produkce v roce 2022 9,2 milionu tun, což představovalo 23,5 % produkce všech odpadů v České republice. Zároveň bylo podle stejného dokumentu materiálově využito 93 % SDO. Vysoké číslo však neznamená, že se všechen materiál vrací do výroby stejně hodnotným způsobem. Významnou roli zde hrají například terénní úpravy a další způsoby využití, které mají jinou materiálovou hodnotu než návrat suroviny do výroby nových stavebních výrobků.

To je důležitý kontext pro pochopení českého výzkumu. Nejde o snahu vyřešit celý problém stavebních a demoličních odpadů. Výzkumníci se soustředili na mnohem užší, ale technologicky zajímavou část procesu. Když se beton rozdrtí a roztřídí, získají se různé velikostní frakce. Hrubší materiál lze poměrně snadno využít jako recyklované kamenivo. S klesající velikostí částic však roste problém s jejich dalším uplatněním. Nejjemnější frakce tvoří podle ČVUT přibližně pětinu recyklovaného materiálu.

Mikrobiální srážení kalcitu jako alternativa cementu

Právě tento materiál se v současnosti obtížně vrací do výrobního cyklu a může končit například na skládkách nebo v aplikacích s nižší přidanou hodnotou. Výzkumníci proto hledali způsob, jak drobné částice opět spojit do kompaktního materiálu. Místo další dávky cementu však sáhli po biologii.

Základem experimentu byl proces známý jako mikrobiálně indukované srážení uhličitanu vápenatého, označovaný zkratkou MICP. Některé mikroorganismy dokážou prostřednictvím své metabolické aktivity podporovat tvorbu minerálních struktur. Ty mohou následně vyplňovat póry mezi částicemi a spojovat je. Výsledkem není klasický beton v tradičním smyslu, ale kompozitní materiál, v němž biologický proces pomáhá vytvořit minerální vazby mezi původně volnými částicemi.

První cesta, kterou vědci testovali, vycházela z takzvaných ureolytických bakterií. Ty mohou prostřednictvím enzymatického rozkladu močoviny podporovat vznik uhličitanu vápenatého. Tento mechanismus je známý i z dalších oblastí výzkumu biologicky zpevňovaných materiálů. Pro použití při recyklaci betonových materiálů však přináší také určité komplikace, mimo jiné vznik amoniaku jako vedlejšího produktu.

Překvapivý objev šetrnějšího enzymatického mechanismu

Výzkumníci proto vyzkoušeli také jiný biologický mechanismus. A právě tady přišlo jedno z nejzajímavějších zjištění celého projektu. Účinnější se ukázaly bakterie využívající enzym karbonátanhydrasu. Podle ČVUT dokázaly materiál zpevnit lépe než původně testované ureolytické bakterie a současně se při procesu netvořil amoniak. Ještě zajímavější než samotný výběr bakterií je ovšem to, co se odehrávalo uvnitř výsledného materiálu.

Původní představa vědců byla poměrně jednoduchá. Bakterie měly podporovat vznik uhličitanu vápenatého, tedy minerálu, který by vyplňoval prostor mezi jednotlivými částicemi a pomáhal je spojovat. Podrobná analýza výsledného materiálu ale ukázala, že celý proces je složitější. Významnou úlohu sehrály také takzvané AFt fáze, což je odborné označení pro skupinu minerálních sloučenin, které vznikají při chemických reakcích v cementových materiálech. Patří mezi ně například ettringit a thaumasit.

Jejich tvorbu ovlivnila přítomnost sádrovce v použitém materiálu a jejich vznik se následně projevil ve struktuře i mechanických vlastnostech výsledného materiálu. Ukázalo se tak, že bakterie nefungují jako jednoduché biologické „lepidlo“. Jejich činnost spouští řadu navazujících chemických reakcí, při nichž vznikají nové minerální struktury, které nakonec pomáhají jednotlivé částice spojit do pevnějšího celku.

Od laboratorní analýzy k reálnému stavebnímu odpadu

Vědci proto sledovali materiál nejen makroskopicky, ale také na úrovni jeho mikrostruktury. Používali například elektronovou mikroskopii, fázovou analýzu, nanoindentaci a mechanické zkoušky. Cílem bylo zjistit, jak se mění struktura materiálu, jak vznikají nové minerální fáze a do jaké míry se jejich vznik promítá do pevnosti výsledného výrobku.

Samotný výzkum měl navíc jednu významnou přednost. Vědci nepracovali pouze s přesně připravenou laboratorní směsí, ale použili skutečný recyklovaný materiál. Podle ČVUT jej poskytly společnosti ENVISAN GEM a Moravostav družstvo. Výsledek je proto cenný i pro další vývoj, protože skutečný stavební odpad není vždy stejný. Jeho vlastnosti ovlivňuje původ betonu, stáří konstrukce, použité přísady i způsob demolice a následného zpracování.

Přesto by bylo předčasné mluvit o hotové technologii pro stavebnictví. Výsledný materiál zatím nedosahuje pevnosti běžných konstrukčních betonů a samotný biologický proces je poměrně náročný. Bakterie je nejprve potřeba vypěstovat a následně dostat do materiálu tak, aby v něm mohly potřebné procesy probíhat. Významnou překážkou je také vysoká zásaditost cementových materiálů, která vytváří pro mikroorganismy náročné podmínky.

Potenciál uplatnění v zahradní a krajinné architektuře

To však neznamená, že je technologie bez praktického významu. Právě naopak. U recyklace stavebních materiálů není vždy nutné dosáhnout vlastností konstrukčního betonu, aby nový produkt dával ekonomický a ekologický smysl. Pokud lze z obtížně využitelné jemné frakce vyrábět například výplňové nebo zahradní a krajinářské prvky, může se zvýšit materiálová hodnota odpadu, který by jinak měl jen omezené využití. ČVUT právě takové možnosti uvádí jako jednu z cest dalšího uplatnění výsledků.

Význam objevu je proto potřeba hledat spíše v detailu než v představě, že po Česku začnou vznikat betonárky, kde bakterie začnou vyrábět beton. Pokud se podaří zvýšit pevnost výsledného materiálu, zkrátit dobu biologického procesu a zvládnout technologii ve větším měřítku, mohl by se změnit způsob využívání nejjemnějších frakcí z recyklace betonu. Zatímco dnes je ekonomicky zajímavější především hrubší recyklované kamenivo, biologické zpevnění by mohlo přinést vyšší hodnotu i materiálu, který se nachází na opačném konci spektra zrnitosti.

A význam takového posunu není malý. Česká republika každoročně produkuje již zmiňované miliony tun stavebních a demoličních odpadů. Vysoká míra vykazovaného jejich využití ještě automaticky neznamená, že se všechny materiály vracejí do výroby stejně hodnotným způsobem. Český výzkum z ČVUT a VŠCHT nehledá další způsob, jak velké množství materiálu pouze někam přesunout. Hledá způsob, jak změnit vlastnosti problematické frakce tak, aby se z ní mohl stát nový a hodnotný materiál. Budoucnost recyklace betonu tak nemusí spočívat pouze v dokonalejších drtičích, sítech a separátorech. Může se odehrávat také na mikroskopické úrovni, kde bakterie pomáhají řídit chemické procesy uvnitř materiálu.

Zdroj: Ilustrativní obrázek pro vás vytvořil ChatGPT. Pokud jste v tom nepoznali ruku umělé inteligence, vězte, že žádný robot při tvorbě neutrpěl žádnou újmu