방진 및 건축 자재의 제조를 위한 조성물 및 방법

방진 및 건축 자재의 제조를 위한 조성물 및 방법

관련 출원에 대한 참조

본 출원은 2015년 8월 3일에 출원된 미국 가출원 62/200,288, 2015년 7월 3일에 출원된 미국 가출원 62/188,556, 및 2015년 3월 10일에 출원된 미국 가출원 62/130,854에 대해 우선권을 주장하며, 이들은 각각 그 전체가 원용에 의해 본 명세서에 구체적으로 포함되어 있다.

기술분야

본 발명은 건축 자재의 제조 및 방진을 위한 키트, 조성물, 툴 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 단리된 효소, 효소-생성 박테리아 또는 효소-생성 세포, 또는 효소-생성 미생물을 유발하는 포자를 이용하는, 벽돌 및 단순 조적 블록(masonry block)의 제조, 및 방진을 위한 물질 및 방법에 관한 것이다.

건축 환경(built environment)은 주로, 전통적인 물질: 점토, 콘크리트, 유리, 강철 및 목재의 제한된 팔레트를 사용하여 구축된다. 역사를 통틀어 보편적으로 사용된 단순 조적 건축은 건축 환경의 상당 부분을 계속해서 차지하고 있으며, 하중이 실리는 구조물(load bearing structure) 및 베니어(veneer) 건축 둘 다에 이용된다. 체이슨(Chaisson)에 따르면 전세계적으로, 전통적인 점토 벽돌 제조는 매년 1조 2300억 단위 넘게 생산되고 있으며, 재생 불가능한 천연 자원에 상당히 의존하고 있다. 석탄-동력 가마에서 제조되는 점토 벽돌은 1개 단위 당 대략 1.3 파운드의 이산화탄소를 방출한다. Burke에 따르면 전체적으로, 벽돌 제조는 매년 8억 톤이 넘는 인공 CO ₂ 를 방출하며, 빌딩 건축에 보편적으로 사용되는 하나의 물질만 대표한다.

내화 점토 벽돌(fired clay brick)은 사용되는 장비 및 공정에 따라 3일 내지 20일 이내에 제조될 수 있다. 이 범위는 많은 개발 도상국에서 사용되는 연소 불(burning fire) 주변으로 적층된 벽돌의 고정 방법(clamp method)에 이르기까지, 육체 노동 없이 벽돌을 가공할 수 있는 현대의 자동화된 공장들을 나타낸다.

하중이 실리는 내화 점토 단순 조적에 대한 대체물로서, 콘크리트 단순 조적 유닛[CMU; Concrete Masonry Unit]이 보다 경제적이고 제조가 더 빠르며 전세계적으로 건축에 대한 구조적 타이폴로지(structural typology)로서 역할을 할 수 있기 때문에 광범위하게 사용된다. 콘크리트로 구성된 이들 유닛은 포틀랜드 시멘트, 큰 응집물 및 모래 충전제로 만들어진다. 미국 환경보건국의 Hanley에 따르면, 시멘트 생산으로 인한 전세계 이산화탄소(CO ₂ ) 방출량은 2000년도에 대략 8억 2,900만 미터톤(metric ton) CO ₂ 이었다.

이들 전통적인 물질은 재생 불가능한 자원으로부터 채굴된 강철 및 콘크리트 구성성분과 함께 높은 내재 에너지(high-embodied energy)를 함유한다. 대략, 전세계 이산화탄소의 40%는 건축 산업과 연관이 있으며, 주로 자재 생산 및 폐기로 인한 것이다. 생물학적으로 성장된 물질은, 이것이 국지 생태계의 일부로서 생산된다면 오염을 유발하지 않고 낮은 내재 에너지를 함유할 수 있다.

천연 시멘트는 화학적 증착, 및 기후와 연관된 화학적 과정을 통해 만들어지며, 지각 상의 여러 곳에서 발견될 수 있다. 천연 사암의 형성은 주로 방해석 시멘트의 침적으로 인한 것이다. 천연 증착에 대한 대체로서, 천연 시멘트는, 화학 반응을 통해 방해석의 생산을 유도하는 능력을 가지고 있는 비병원성, 공통-흙 박테리아(common-soil bacterium)인 우레아제-생성 스포로사르치나 파스테우리이( Sporosarcina pasteurii )에 의해 생산되어 왔다. 그 결과는 Stocks-Fischer에 의해 미생물 유도 방해석 침적[MICP; microbial induced calcite precipitation]으로 지칭된 과정에서 형성된 경화된 물질이다. 출원들은 오염된 토양의 환경적 안정화, 및 자연 토양 및 산성 광산 광미(acid mine tailing)에서 유해물 및 다른 오염물의 캡슐화를 포함한다. Ramachandran 및 Jonkers는 콘크리트 구조물의 균열을 교정하고, 표석(monument)에서 균열을 복구하는 데 있어서 미생물의 용도를 제안한 바 있다. DeJong 및 Whiffin에 따르면, 미국, 오스트레일리아 및 네덜란드의 토목 공학 연구자들은 토양 안정화 및 침식 방지(erosion control)를 위한 MICP의 용도를 제안한 바 있다.

점토 벽돌 및 다른 종래의 암석 대체물의 제조와 연관된 고 에너지 비용을 부과하지 않으나 쉽게 입수 가능한 물질을 이용하고 경제적으로도 안전하고 환경적으로도 안전한 건축 자재의 제조 방법이 요망되고 있다.

본 발명은 현재의 전략 및 디자인과 연관된 문제점 및 단점들을 극복하고, 건축 자재의 제조를 위한 새로운 툴, 조성물 및 방법을 제공한다.

본 발명의 일 구현예는 우레아제-생성 세포 또는 우레아제-생성 세포 포자 및 운반 배지(transport medium) 및 선택적으로 영양소 믹스와 커플링된 지지체 물질을 포함하는 조성물에 관한 것이다. 바람직하게는, 지지체 물질은 유기 또는 무기이고, 암석, 유리(예, 포라버(Poraver)), 목재, 종이, 금속, 플라스틱, 중합체, 미네랄 또는 이들의 조합을 포함한다. 바람직하게는, 본 조성물은 액체, 젤, 슬러지, 펌핑 가능한(pump-able) 슬러리, 건조 분말 또는 결정이고, 지지체 물질은 비드, 그레인(grain), 로드(rod), 스트랜드(strand), 섬유, 플레이크, 분쇄된 또는 파쇄된 돌, 결정, 미립자(fine) 또는 이들의 조합 형태이다. 바람직하게는, 지지체 물질은 모래, 유리, 목재(예, 잔여물, 펄프, 톱밥, 리그닌), 금속, 중합체, 미립자(예, 마이크로셀룰로스), 폐기물(예, 재(ash), 스크러버 폐기물(scrubber waste), 잔여물), 공동-배양된 미생물 또는 이들의 조합이고, 우레아제-생성 세포 또는 우레아제-생성 세포 포자는 효모, 조류, 박테리아 또는 진핵 세포, 세포 포자, 혐기성 세포 또는 조건적 혐기성 세포를 포함한다. 바람직한 박테리아는 스포로사르치나 파스테우리이( Sporosarcina pasteurii ), 스포로사르치나 우레애( Sporosarcina Ureae ), 프로테우스 불가리스( Proteus vulgaris ), 바실러스 스패리쿠스( Bacillus sphaericus ), 믹소콕커스 잔투스, 프로테우스 미라빌리스( Proteus mirabilis ), 헬리코박터 파일로리( Helicobacter pylori ), 또는 이들의 변이체, 혈청형, 돌연변이 또는 조합이고, 바람직한 효모, 조류, 박테리아 또는 진핵 세포 또는 세포 포자는 유전자 조작된다. 지지체 물질 및 세포는 바람직하게는 소수성 결합, 친수성 결합, 이온 결합, 비-이온성 결합, 공유 결합, 반데르발스 힘 또는 이들의 조합을 통해 커플링되며 및/또는 지지체 물질은 적어도 부분적으로 또는 전체적으로는, 우레아제-생성 세포의 결합을 촉진하는 필름에 의해 덮여 있다. 바람직한 필름은 중합체 또는 세포 영양소를 포함하고, 바람직하게는 조성물은 적색, 청색, 녹색, 황색 또는 이들의 임의의 조합 또는 음영일 수 있는 착색제를 함유한다. 바람직하게는, 조성물은 현미경 태그(microscopic tag), 색상, 핵산 또는 펩타이드, 효소 또는 또 다른 성분과 같은 감별제(identifying agent) 또는 검출 가능한 마커를 함유한다.

본 발명의 또 다른 구현예는 고체 형태(solid form)의 제조를 위한 키트에 관한 것으로서, 상기 키트는 본 발명의 조성물; 우레아제-생성 세포의 증식 및/또는 우레아제-생성 세포 포자의 발아를 위한 영양소를 포함하는 제2 조성물; 복수의 폼워크(formwork) 세트로서, 각각의 세트는 하나 이상의 고체 형태의 형상을 둘러싸고 하나 이상의 다공성 패널을 포함하는, 복수의 폼워크 세트; 및 칼슘 소스(예, CaCl ₂ ), 질소 소스(예, 우레아), 또는 칼슘 소스 및 질소 소스 둘 다를 포함하는 제3 조성물을 포함한다. 바람직하게는, 상기 키트는 예를 들어 직사각형, 정사각형, 둥근형, 타원형 또는 비정형 형상과 같은 고체 형태의 제조를 위한 것이다. 바람직한 고체 형태로는, 블록, 보드, 벽돌, 페이버(paver), 패널, 타일 또는 베니어 등이 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 바람직하게는 키트는 예를 들어, 콘크리트 단순 조적(masonry block), 콘크리트(cinder) 블록, 파운데이션(foundation) 블록, 브리즈(breeze) 블록, 공동(hollow) 블록, 솔리드(soild) 블록, 베써(besser) 블록, 클링커(clinker) 블록, 고밀도 또는 저밀도 블록 또는 기포 블록(aerated block)과 같은 블록의 제조를 위한 것이다. 바람직하게는, 영양소는 아미노산, 단백질, 다당류, 지방산, 비타민 및 미네랄을 포함한다.

본 발명의 또 다른 구현예는 고체 형태의 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 제조 방법은 본 발명의 조성물을 응집 물질(aggregate material) 및 물과 혼합하여, 혼합물을 형성하는 단계로서, 상기 응집 물질은 대체로, 직경이 5 mm 이상인 미립자 또는 직경이 5 mm 이하인 입자(예, 미세입자)로 형성되어 있는 단계; 선택적으로, 상기 혼합물을 다수의 폼워크 내에 배분하는 단계로서, 각각의 상기 폼워크는 하나 이상의 다공성 패널을 포함하는 단계; 제2 조성물을 상기 혼합물에 첨가하는 단계로서, 상기 제2 조성물은 우레아제-생성 세포의 증식을 촉진하는 영양소를 포함하는 단계; 제3 조성물을 상기 혼합물에 첨가하는 단계로서, 상기 제3 조성물은 칼슘을 포함하는 액체인 단계; 상기 혼합물을 미립자들 사이에 공유 결합을 형성하기 위한 기간 동안 인큐베이션하는 단계; 및 상기 고체 형태를 상기 폼워크로부터 제거하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 응집 물질은 암석, 유리, 목재, 종이, 금속, 플라스틱, 중합체, 미네랄 또는 이들의 조합을 포함하며, 및/또는 상기 혼합 단계는 상기 조성물을 액체로서 상기 응집 물질 상으로 분사하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 폼워크는 상기 인큐베이션 동안 실질적으로 침지되어 있으며, 공기가 상기 침지된 폼워크에 버블링된다. 바람직하게는, 제3 조성물이 상기 인큐베이션 동안 상기 혼합물에 반복적으로 첨가되어, 하부 패널을 통해 배수되고 선택적으로 재생된다. 바람직하게는, 상기 인큐베이션은 주위 조건 하에 수행되고, 제3 조성물은 칼슘 클로라이드, 칼슘 아세테이트, 칼슘 포스페이트, 칼슘 카르보네이트, 칼슘 락테이트, 칼슘 니트레이트 또는 칼슘 염을 포함한다. 바람직하게는, 상기 혼합물의 pH가 상기 인큐베이션 동안 모니터링된다. 바람직하게는, 고체 형태는 블록, 보드, 벽돌, 얇은 벽돌, 페이버, 패널, 타일 또는 베니어, 스톤(제조, 컬처(culture), 착색됨)이고, 상기 혼합물은 섬유 또는 나노섬유를 추가로 포함하며, 이들의 예로는 목재, 유리, 플라스틱, 금속 또는 중합체의 섬유 또는 나노섬유가 있다. 바람직한 섬유로는 예를 들어, 폴리프로필렌, HDPE, 고강도 탄소 섬유를 포함한 탄소 섬유, 레이온, 및 생분해성 섬유 및 비-생분해성 섬유, 예를 들어, 폴리락트산의 중합체, 셀룰로스, 미네랄, 키틴, 리그닌의 섬유, 및 다른 식물 재료 등이 있다. 바람직하게는 부가적인 영양소가 상기 인큐베이션 동안 첨가되고, 상기 폼워크로부터 제거된 상기 고체 형태가 건조된다.

본 발명의 또 다른 구현예는 영양소 배지, 예를 들어 단백질 또는 다당류, 또는 수용성인 폴리락트산과 같은 중합체로 캡슐화되거나 또는 코팅된 우레아제-생성 세포 또는 우레아제-생성 세포 포자를 포함하는 조성물을 포함한다. 바람직하게는, 상기 영양소 배지는 부가적인 우레아제-생성 세포 또는 우레아제-생성 세포 포자를 추가로 포함한다.

본 발명의 다른 구현예 및 이점들은 후속하는 상세한 설명에 부분적으로 나타나 있으며, 부분적으로는 이러한 상세한 설명으로부터 알 수 있거나 또는 본 발명의 실시로부터 배울 수 있다.

전통적인 건축 자재, 예컨대 점토 벽돌 및 콘크리트는 제조 공정 동안 상당히 많은 양의 에너지를 필요로 한다. 이들 공정은 오일, 석탄 및 목재와 같은 천연 자원의 연소에 상당히 의존한다. 이러한 의존으로 인해, 에너지 자원이 상당한 양으로 소모되고 동일하게 다량의 이산화탄소가 방출되어, 제한된 에너지 소스에 크게 의존하게 된다. 미생물 세포에 의해 생성되는 효소를 이용하며 제조에 훨씬 적은 에너지가 필요한 대안이 기재되어 왔다. 전형적으로, 세포는 호기성 세포 및/또는 조건적 혐기성 세포이고, 예를 들어, 스포로사르치나 파스테우리이, 스포로사르치나 우레애, 프로테우스 불가리스, 바실러스 스패리쿠스, 믹소콕커스 잔투스, 프로테우스 미라빌리스, 헬리코박터 파일로리 및 다른 균주들, 혈청형, 변이체, 돌연변이 및 CRISPR 변형(클러스터링된 규칙적으로 이격된 짧은 회문형 반복부; clustered regularly interspaced short palindromic repeats) 등을 포함한다. 세포는 칼슘 소스 및 질소 소스의 존재 하에 방해석 결정을 형성하는 효소 우레아제를 생성한다. 이러한 공정은 일반적으로, 미생물 유도 방해석 침적(MICP)으로 지칭되며, 세포 또는 정제된 효소를 이용하여 수행될 수 있다. 가열이 거의 필요로 하지 않기 때문에, 비용 및 효율 둘 다에 있어서 에너지 절감이 상당하다.

효소 및/또는 효소-생성 세포는 암모니아 및 이산화탄소의 생성을 촉매하는응집 물질과 함께 질소 소스 및 칼슘 소스, 예컨대 우레아, 및 칼슘 클로라이드를 함유하는 조성물에 분산되어, 상기 조성물의 pH 수준을 증가시킨다. pH의 증가는 칼슘과 이산화탄소를 조합하는 미네랄 침전물을 형성한다. 상기 세포 또는 다른 입자들은 핵 형성 부위(nucleation site)로서 작용을 하며, 칼슘으로부터 입자 표면으로 미네랄 이온을 끌어들여 방해성 결정 또는 다른 칼슘 카르보네이트 다형체와 같은 칼슘 카르보네이트 결정을 형성한다. 미네랄 성장은 응집물의 입자들 사이의 갭을 충전하여, 고체를 형성하는 응집 입자들을 바이오-시멘팅하거나 결합시킨다. 생성된 물질은 자연적으로 형성된 사암과 유사한 조성 및 물리적 특성을 나타내지만, 이의 경도는 적어도 초기 구성성분의 구조 및 요망되는 기공 크기를 기반으로 예정될 수 있다.

MICP 공정을 이용하는 응집 물질로부터 형성된 고체의 생성을 위한 새로운 툴, 조성물, 기술 및 방법들이 놀랍게도 발견되어 왔다. 놀랍게도, 우레아제-생성 세포 또는 우레아제-생성 세포 포자에 커플링되어 있는 지지체 물질을 포함하며, 선택적으로 영양소 조성물을 포함할 수 있는 조성물이 제조될 수 있는 것이 발견되었다. 세포 또는 효소를 지지체 물질과 접촉시키면, 건축 자재의 제조를 위한 MICP 공정의 대량 제조 및 상업적인 이용이 가능하다. 우레아제의 상업적인 소소는 예를 들어 잭 빈(jack bean)을 포함한다. 효소는 액체로서 유지될 수 있으나, 바람직하게는 저장 및 운송의 편이를 위해 동결되고 사용 전에 물, 완충수 또는 효소 활성을 보존하는 또 다른 수화제를 사용하여 재수화된다. 바람직하게는, 순수한 효소는 탄수화물, 지질 또는 다른 중합체 마이크로쉘 또는 스피어에 캡슐화된다. 캡슐화 기술은 예를 들어, 나노유기화된 마이크로쉘에서의 캡슐화, 및 크산탄-알기네이트 스피어에서의 캡슐화를 포함한다. 바람직한 효소 농도는 0.1 M 포스페이트 완충제, pH 7.6 중 0.5-5 mg/ml이다. 효소 농도는 바람직하게는 약 0.1 내지 100 mg/ml, 보다 바람직하게는 약 0.5 내지 3.0 mg/ml, 보다 바람직하게는 약 0.5 내지 2.0 mg/ml, 보다 바람직하게는 약 1.0 mg/ml이다. 효소는 사용 전에 추가로 희석되어, 0.02-0.04 ΔA/분의 속도를 달성할 수 있다. 효소 활성은 반응에 의해 측정될 수 있으며:

이는 암모니아 생성을 글루타메이트 데하이드로게나제 반응에 커플링시킨다. 이에, 효소의 하나의 유닛은 25℃ 및 pH 7.6에서 1분 당 NADH 1 마이크로몰의 산화를 초래한다.

유도된 시멘트화를 통한 건축 자재의 이러한 제조 방법은 낮은 내재 에너지를 나타내고, 주위 압력 또는 더 높거나 더 낮은 압력, 및 주위 온도 또는 더 높거나 더 낮은 온도에서 발생할 수 있다. 예를 들어, 바람직한 압력은 약 10 psi 내지 약 100 psi 및 이들 사이의 모든 압력 값들이고, 또한 약 14 psi 내지 약 50 psi가 바람직하다. 더 높은 압력들이 이용될 수 있더라도, 필요한 에너지 비용이 일반적으로 더 필요하지 않다. 바람직한 온도 범위는 적어도 -20℃ 내지 80℃ 초과, 바람직하게는 약 5℃ 내지 약 50℃, 바람직하게는 약 15℃ 내지 약 30℃, 바람직하게는 약 20℃ 내지 약 25℃이다. 바람직하게는, 온도 범위는 30℃ 미만, 40℃ 미만, 50℃ 미만, 60℃ 미만 또는 70℃ 미만이다. 주위 온도 및 조건뿐만 아니라 이용 가능한 응집물의 함량이, 순수한 효소, 동결된 효소, 포자 또는 살아 있는 세포가 출발 구성성분으로서 이용될지의 여부를 결정할 수 있다. 살아 있는 세포는 온후한 기후 조건이 존재하는 온도에서 사용될 수 있으며, 반면 순수한 효소는 보다 극도의 냉(cold) 또는 열(heat) 조건에서 유리할 수 있다. 포자는 즉각적인 석회화가 필요하지 않을 때 사용되고, 포자는 효소의 발아 및 발현에 충분한 시간이 주어질 때 제공된다.

가공은 또한, 암모니아와 같은 부산물의 많은 생산을 수반하며, 이들 부산물의 모두가 방해석 형성에 이용되는 것은 아니다. 본 발명의 또 다른 구현예는 생산 방법과 연관된 폐수 회수 시스템(effluent recovery system)을 포함하는 것이다. 폐수로부터 암모니아의 회수는 상기 폐수를 담수로 전환시키며, 이러한 담수는 부가적인 오염 제거 절차의 필요 없이 재생 또는 페기될 수 있다. 바람직한 암모니아 회수 방법은 예를 들어, 이온-교환 수지, 및 상업적으로 이용 가능한 가공, 예컨대 암모니아 전기 분해, 제올라이트, 클리노프틸로라이트(clinoptilolite) 및 이들의 조합을 포함한다. 바람직하게는, 회수된 암모니아는 비료에 이용되거나, 질소로 전환되거나, 에너지 발생에 이용되거나 또는 다른 적용들에 이용될 수 있다.

본 발명의 일 구현예는 운반 배지 및 선택적으로 영양소 배지에 우레아제-생성 세포 또는 우레아제-생성 세포 포자, 우레아제 효소(예, 미정제 추출물, 또는 비정제된 효소 또는 정제된 효소)를 포함하는 조성물에 관한 것이다. 운반 배지로는, 예를 들어 우레아제-생성 및/또는 다른 지지 세포용 성장 배지, 효소 안정화 배지, 시약 배지, 완충액 및 이들의 조합 등이 있다. 상기 조성물은, 유기 또는 무기일 수 있으며 바람직하게는 고체 또는 반고체이고 바람직하게는 중공 또는 천공을 포함하며 및/또는 그렇지 않다면 다공성인 지지체 물질을 포함하거나 또는 이와 조합될 수 있다. 유기 지지체 물질로는 예를 들어, 바이오매스, 예컨대 바람직하게는, 이끼, 건초, 짚, 풀, 나무토막, 잎, 조류, 티끌, 재, 먼지, 미립자 물질, 쓰레기 및 이들의 조합 등이 있다. 무기 물질로는 예를 들어, 미네랄, 보조 시멘트성 물질(SCM), 분쇄된 또는 파쇄된 암석, 미립자 및 이들의 조합 등이 있다. 섬유성 물질로는, 올이 굵은 삼베(burlap)로 된 시트 또는 타프, 종이, 목재(예, 잔여물), 면, 또는 또 다른 천연 섬유 또는 합성 섬유 등이 있다. 비-천연 및 제조되는 물질, 예를 들어 플라스틱, 유리, 섬유유리, 비닐, 고무, 합성 패브릭 또는 이들의 조합으로 된 시트가 또한 사용될 수 있다. 고체 지지체에 우레아제-생성 세포, 우레아제 효소 또는 단순히 다른 세포가 적용되거나 또는 그렇지 않다면 도입된다. 바람직하게는, 이들 다른 세포는 우레아제-생성 세포의 성장을 지지하거나 또는 수반된 화학 공정을 증가시키고 그렇지 않다면 MICP 공정을 방해하지 않거나 또는 핵 형성 부위로서 작용하는 데 유용할 것이다. 바람직하게는, 이들 다른 세포는 국소 환경에서 천연 또는 잠재적인 미생물이거나, 또는 사용되는 양에서 혼합의, 비병원성, 무독성 및/또는 상대저으로 무해하게 제공되고, 쉽게 수득되며, 국소 환경에 존재하거나 또는 제공된다. 세포는 지지체 물질 상에서 직접 증식될 수 있고, 요망되는 밀도 또는 성장 단계에서, 건축 툴 및 제품의 제조를 위해 응집 물질 내로 고르게 분산되며 및/또는 완전히 혼합된 유기 물질 상에서 직접 증식될 수 있다. 사용될 수 있는 무기 물질로는 예를 들어, 암석(예, 미립자), 모래, 유리, 목재, 종이, 금속, 플라스틱, 중합체, 미네랄, 제조 또는 가공 폐기물, 예컨대 재, 탄소 또는 목재 잔여물 또는 이들의 조합 등이 있으며, 이들 중 임의의 물질은 파쇄되거나 또는 전체가 사용될 수 있다. 상기 조성물은 또한, 유해하며(예, 방사성 물질, 위험한 금속 또는 독소 함량을 가진 물질, 스크러버 유래의 오염원, 또는 다른 유해 물질), 안정하게 저장 또는 그렇지 않다면 안전하게 폐기될 수 있는 고체 구조물로 형성되는, 폐기물로부터 형성될 수 있다.

본 발명의 조성물은, 예를 들어 침식을 받는 표면, 파일, 절벽 또는 다른 구조물에 걸쳐 칼슘 카르보네이트 크러스트의 형성에 의해 침식을 방지하는 데 사용되는 시트 또는 매트 또는 천연 또는 비-천연 물질 및 시트에 분사되거나 또는 그렇지 않다면 적용될 수 있다. 천공된 또는 다공성 시트 또는 매트를 사용하여, 크러스트는, 상기 시트가 놓인 물질에 지지체 물질이 부착함으로써 형성된다. 방해석 형성을 위한 핵 형성 부위는 예를 들어, 중합체, 섬유, 미립자, SCM, 첨가된 포틀랜드 시멘트, 분말, 공동 배양된 미생물, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 크러스트의 하나의 층 또는 다수의 층들은 제자리에서 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 침식 및 방진은 정해진 영역 내에서 실질적으로 감소되거나 또는 없어질 수 있다. 중요하게는, 이러한 방식으로, 시트는 시간에 걸쳐 쉽게 대체될 수 있으며 및/또는 본 발명의 새로운 조성물이 필요에 따라 또는 요망되는 대로 표면에 재적용될 수 있다. 매트는, 일단 작업이 중단되면 재활(rehabilitation)을 위해 상기 장소에 "접종"하여 - 이로써 상기 장소를 자연 상태로 되돌리는 것과 같이 장소 회복 노력을 진행시킬 수 있는 부가적인 이득을 제공한다. 이는 특히, 채굴 작업이 중단된 채굴 장소에 적용된다.

본 발명의 바람직한 구현예에서, 본 발명의 조성물은 액체, 젤, 슬러리, 슬러지, 반고체 또는 건조 분말로서 표면 영역에 적용된다. 본 발명의 조성물의 포자 및/또는 미생물은 액체의 존재 하에 칼슘 카르보네이트의 크러스트(crust)의 형성을 촉매하는 효소를 생성하며, 상기 액체는 바람직하게는 물, 완충수 또는 또 다른 수성 물질이다. 특정 미생물에 적합한 영양소 믹스는 세포와 함께 포함될 수 있다. 조성물이 건조될 때, 크러스트는 남아 있고, 세포는 휴면기에 들어간다. 충분한 영양소 및/또는 기질 물질이 존재하는 한 세포가 자가-전파함에 따라, 충분한 수성 액체가 제공될 때마다 새로운 크러스트가 형성될 것이다. 바람직한 구현예에서, 영양소 및/또는 기질 물질은 예정된 용해 속도를 가진 건조 구성성분과 같이 서방성 형태 또는 시간-방출 형태(timed-release form)로 관심 표면 영역에 걸쳐 분포될 수 있다. 재형성(reformation)은 단순히, 영양소 및/또는 기질을 용해시키는 물을 재적용하고 이로써 미생물을 재활성화시키는 문제일 수 있다. 재활성화된 미생물은 크러스트를 형성하는 효소를 생성한다. 이러한 과정은 미생물, 영양소 및/또는 기질의 재적용과 함께 또는 재적용 없이 반복되거나, 또는 오로지 경우에 따라 첨가되면서 반복될 수 있다. 이러한 과정은 기후 사건과 커플링될 수 있으며, 따라서 비는 수원(source of water)을 제공한다. 미생물 및/또는 포자를 제공하며 서방성 영양소 및/또는 기질을 함유하는 조성물을 제공함으로써, 크러스트는 장시간에 걸쳐 해당 영역에 반복적으로 재형성될 수 있다.

바람직하게는, 미생물, 포자 및/또는 효소, 질소 소스, 및 칼슘 소스 및 선택적으로 핵 형성 부위(예, 분말, 미립자, 공동 배양된 미생물 및/또는 다른 물질)와 같은 모든 필수적인 구성성분들을 포함하는 본 발명의 조성물은 표면, 예컨대 더러운 도로 또는 언덕 또는 절벽과 같은 구조물에 적용된다. 미생물은 증식하고, 도로 표면에 걸쳐 칼슘 카르보네이트의 크러스트의 형성을 촉매하는 효소를 생성한다. 차량이 도로를 통과함에 따라, 크러스트는 결국 파손되어, 상기 크러스트는 먼지로 된다. 주기적으로, 지리학적 영역은 서방성 영양소 및/또는 기질 물질을 용해시키는 비 또는 다른 형태의 침적을 받게 되고, 이로 인해 휴면 미생물의 증식을 촉진한다. 상기 미생물은 도로에 걸쳐 새로운 크러스트 형성을 촉매하는 효소를 생성한다. 침적이 감소된 기간에, 수용액은 상기 도로에 재적용되어, 부가적인 영양소 및/또는 기질 물질을 함유할 수 있거나 또는 함유하지 않을 수 있는 미생물을 재활성시킨다. 바람직하게는, 조성물은 액체, 젤, 슬러리, 슬러지 또는 건조 분말이고, 지지체 물질은 비드, 그레인, 로드, 스트랜드, 섬유, 플레이크, 티끌, 바이오매스, 모래, 분쇄된 또는 파쇄된 돌, 미립자, 보조 시멘트성 물질(SCM), 결정, 공동 배양된 미생물 또는 이들의 조합 형태일 수 있다. 미립자 크기는 바람직하게는 250 메쉬 이하, 보다 바람직하게는 200 메쉬 이하, 보다 바람직하게는 150 메쉬 이하, 또는 보다 바람직하게는 100 메쉬 이하(참조 예는 해빈사(beach sand)의 메쉬 크기 = 700, 잔모래(fine sand)의 메쉬 크기 = 250; 포틀랜드 시멘트의 메쉬 크기 = 74; 슬릿의 메쉬 크기 = 44; 연기의 메쉬 크기 = 2를 포함함)이다. 지지체 물질 및 응집 물질은 동일하거나 또는 서로 다를 수 있다. 바람직하게는, 지지체 또는 응집 물질은 모래, 유리, 금속, 부가된 포틀랜드 시멘트, SCM, 미립자, 공동 배양된 미생물(예, 본래의 미생물, 잠재적인 미생물, 국소 미생물, 첨가된 미생물 또는 유전자 조작된 미생물), 또는 이들의 조합이고, 우레아제-생성 세포 또는 우레아제-생성 세포 포자는 효모, 조류, 혐기성 세포, 조건적 혐기성 세포, 박테리아 또는 진핵 세포 또는 세포 포자를 포함한다. 바람직한 박테리아는 스포로사르치나 파스테우리이, 스포로사르치나 우레애, 프로테우스 불가리스, 바실러스 스패리쿠스, 믹소콕커스 잔투스, 프로테우스 미라빌리스, 헬리코박터 파일로리 또는 이들의 변이체, 혈청형, 돌연변이 또는 조합이고, 바람직한 효모, 조류, 박테리아 또는 진핵 세포 또는 세포 포자는 유전자 조작된 것이다. 바이오시멘트화(biocementation)를 할 수 있는 다른 효소 생성 박테리아로는, 스포로사르치나 우레애, 프로테우스 불가리스, 바실러스 스패리쿠스, 믹소콕커스 잔투스, 프로테우스 미라빌리스 및 헬리코박터 파일로리가 있지만, 병원성 균주에 대해 적절한 관심을 기울여야 한다. 이들 균주들 중 임의의 균주의 조합뿐만 아니라 기능성 변이체, 돌연변이체 및 유전자 조작된 균주들이 또한 사용될 수 있다. 지지체 물질 및 세포는 바람직하게는, 소수성 결합, 친수성 결합, 이온 결합, 비-이온성 결합, 공유 결합, 반데르발스 힘 또는 이들의 조합을 통해 커플링되며 및/또는 지지체 물질은, 우레아제-생성 세포의 결합을 촉진하는 필름에 의해 적어도 부분적으로 또는 완전히 덮힌다. 바람직한 필름은 중합체 또는 세포 영양소를 포함하고, 바람직하게는 조성물은 적색, 청색, 녹색, 황색 또는 이들의 임의의 조합 또는 음영일 수 있는 착색제를 함유한다. 바람직하게는, 조성물은 감별제 또는 검출 가능한 마커, 예컨대 현미경 태그, 색소, 효소 또는 또 다른 성분을 함유한다.

지지체 물질 및/또는 응집 물질은 건축 자재에 이점을 제공하는 부가적인 구성성분을 함유할 수 있다. 예를 들어, 최종 생성물 및/또는 부가적인 핵 형성 부위에서 균주를 절단하며 및/또는 획득되는 데 유용한 효소, 보조인자 및/또는 다른 화학물질을 생성하는 화학물질 및/또는 부가적인 세포(예, 본래의, 국소 또는 잠재적인 박테리아, 효모, 진핵 세포, 조류 및 이들의 재조합 변이체)가 포함될 수 있다. 균주는 대기 오염, 그을음, 이끼 또는 동물 폐기물 유래의 균주를 포함한다. 대안적으로, 화학물질 또는 효소는 최종 생성물에 색상, 텍스처 또는 요망되는 기능 또는 외양을 부여할 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예는 고체 형태의 제조를 위한 키트에 관한 것으로서, 상기 키트는 본 발명의 조성물; 우레아제-생성 세포의 증식 및/또는 우레아제-생성 세포 포자의 발아를 위한 영양소를 포함하는 제2 조성물; 복수의 폼워크 세트로서, 각각의 세트는 하나 이상의 고체 형태의 형상을 둘러싸고 하나 이상의 다공성 패널을 포함하는, 복수의 폼워크 세트; 및 칼슘 소스(예, CaCl ₂ ), 질소 소스(예, 우레아), 또는 칼슘 소스 및 질소 소스 둘 다를 포함하는 제3 조성물을 포함한다. 바람직하게는, 본 키트는 직사각형, 정사각형, 둥근형, 타원형 또는 비정형 형상과 같은 고체 형태의 형성을 위한 것이다. 바람직한 고체 형태로는, 블록, 보드, 벽돌, 페이버, 패널, 타일, 카운터 탑(counter top) 또는 베니어 등이 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 본 발명의 키트는 콘크리트 단순 조적, 콘크리트 블록, 파운데이션 블록, 브리즈 블록, 공동 블록, 솔리드 블록, 베써 블록, 클링커 블록, 고밀도 또는 저밀도 블록, 또는 기포 블록, 얇은 벽돌, 제조되는 돌, 컬처드 또는 착색된 돌과 같은 블록의 제조를 위한 것이다. 본 발명의 영양소 조성물은 세포가 번식 및 증식되는 것을 유지시키며 및/또는 가능하게 하는 영양소 배지를 함유할 수 있다. 본 발명의 세포, 특히 박테리아 세포용의 다양한 유형의 영양소 배지들은 알려져 있고, 상업적으로 입수 가능하며, 전형적으로 전파 없이 생존력을 유지시키기 위해 수송에 사용되는 적어도 최소 배지(또는 수송 배지), 및 전형적으로 성장 및 전파에 사용되는 효모 추출물, 당밀 및 옥수수 침지액을 포함한다. 바람직하게는, 영양소는 아미노산, 단백질, 다당류, 지방산, 비타민 및 미네랄을 포함한다.

본 발명의 또 다른 구현예는 고체 형태의 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 제조 방법은, 본 발명의 조성물을 응집 물질 및 물과 혼합하여, 혼합물을 형성하는 단계로서, 상기 응집 물질은 대체로, 직경이 5 mm보다 작은(예, 약 4 mm 미만, 약 3 mm 미만, 약 2 mm 미만 또는 약 1 mm 미만) 미립자로 구성되어 있는 단계; 상기 혼합물을 다수의 폼워크 내에 배분하는 단계로서, 각각의 상기 폼워크는 하나 이상의 다공성 패널을 포함하는 단계; 제2 조성물을 상기 혼합물에 첨가하는 단계로서, 상기 제2 조성물은 우레아제-생성 세포의 증식을 촉진하는 영양소를 포함하는 단계; 제3 조성물을 상기 혼합물에 첨가하는 단계로서, 상기 제3 조성물은 칼슘을 포함하는 액체. 분말 또는 페이스트인 단계; 상기 혼합물을 미립자들 사이에 공유 결합을 형성하기 위한 기간 동안 인큐베이션하는 단계; 및 상기 고체 형태를 상기 폼워크로부터 제거하는 단계를 포함한다. 대안적으로, 본 조성물은 폼워크 내에서 상기 물질과 함께 조합되고 첨가될 수 있거나, 또는 폼워크에 첨가되기 전에 상기 물질과 조합될 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예는 폼워크의 구조물 및 조성물에 관한 것이다. 바람직한 폼워크는 요망되는 형상으로 성형 또는 압출될 수 있는 열가소성 물질을 포함한다. 바람직한 열가소성 물질로는, 플라스틱, 예컨대 폴리프로필렌, 폴리스티렌, HDPE(고밀도 폴리에틸렌), LPDE 및 리클레임드(reclaimed) LDPE(저밀도 폴리에틸렌), 및 가교된 폴리에틸렌을 포함하여 폴리에틸렌, 유리 및 대부분의 임의의 형성성(formable) 중합체 등이 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 중합체 물질은 두께 및 균일성 범위의 펠렛 또는 렌즈 형상으로 제공된다. 펠렛은 다공성 몰드 내에 충전되고, 압력 하에 스팀된다(steamed)(상기 몰드는 압력 하에 있지 않으며, 압력은 스팀으로부터만 나옴). 결과적인 생성물은 디자인된 유동 지향성(flow directional) 물질을 제공하고, 유동 지향성, 속도 및 보유된 포화에의 단계적 영향에 변화를 준다.

본 발명의 또 다른 구현예는 폼워크(예, 프레임리스 제조(frameless manufacturing))를 필요로 하지 않는 조성물 및 구조물에 관한 것이며, 여기서, 구조물은 본 발명의 구성성분 + 압축 장치를 이용하여 압축되고 요망되는 구조를 보유하는 중합체 및/또는 열가소성 물질의 조합으로부터 형성된다. 바람직한 압축 장치로는 유압 프레스(hydraulic press)가 있고, 바람직한 압력은 100 psi 이상, 250 psi 이상, 500 psi 이상, 1000 psi 이상, 2000 psi 이상, 3000 psi 이상, 4000 psi 이상, 5000 psi 이상이며, 본 발명의 바람직한 구성성분은 칼슘 카르보네이트 구조를 슬러지 또는 페이스트 형태로 형성하는 모든 구성성분들을 포함한다. 압축 장치는 상기 구성성분을 부가된 압력에 의해, 결과적인 형태의 유의한 변경 없이 유지되고 건조되는 형태로 압축시킨다. 바람직한 중합체 및 열가소성 물질로는, 플라스틱, 예컨대 폴리프로필렌, 폴리스티렌, HDPE(고밀도 폴리에틸렌), LPDE 및 리클레임드 LDPE(저밀도 폴리에틸렌) 및 가교된 폴리에틸렌을 포함한 폴리에틸렌, 유리, 탄수화물, 예컨대 전분, 리그닌, 및 대부분의 임의의 형성성 중합체 등이 있으나 이들로 한정되는 것은 아니다. 압축된 형태는 싱크 슬러지(think sludge) 또는 슬러지로부터 빠르게 발생되고, 방해석 형성 동안 이의 형상을 유지시킬 수 있다. 바람직하게는, 방해석 형성은, 증가된 증기압을 함유하거나 또는 분사 또는 분무된 (예, 주위 압력보다 더 높은 압력에서) 증기 챔버에서 달성되며, 여기서, 증기, 미스트 또는 스프레이는 바람직하게는 영양소 또는 화학적 기질을 포함한다. 바람직한 형태로는, 블록, 벽돌, 얇은 벽돌, 제조 또는 컬처된 돌, 페이버 또는 임의의 유용한 구조물 등이 있다.

바람직하게는, 다중 폼워크 또는 압축 장치는 한번에 5, 10, 50, 100, 500, 1,000, 10,000, 100,000, 1,000,000개 이상의 형태를 만든다. 동시에 이용될 수 있는 폼워크 또는 압축 장치의 수는 이용 가능한 기구(mechanics) 및 공간의 복잡성에 의해서만 제한된다. 이들 폼워크 또는 장치는 단일 층 또는 팔레트에서 적증되거나 제공될 수 있다. 폼워크는 수직벽을 가질 수 있으며, 이러한 수직벽은 함께 연결되어, 응집 물질을 수용하는 캐비티(cavity)를 그 사이에 형성한다. 폼워크는 또한 마루를 가질 수 있고, 대안적으로 폼워크의 하부는 토양과 같은 다공성 표면에 의해 지지되는 경우 열린 채로 있을 수 있거나, 또는 응집물 및 조성물은 혼합되고 몰드로 압축되거나 압출될 수 있다. 바람직하게는, 수직벽은 적어도 이의 내부 표면이고, 캐스트 또는 압출된 아크릴 수지와 같은 비-반응성, 비-다공성 물질 또는 코팅으로 제조된다. 이로써, 당업자는 이것이 고형화된 후 폼워크로부터 건축 자재 또는 벽돌을 쉽게 제거할 수 있다. 또한, 폼워크 또는 압력 장치의 수직벽 및 바닥은, 결과적인 벽돌 또는 다른 구조물에서 표면 텍스처를 형성하는 디자인을 가질 수 있다(예, 라인, 서클, 웨이브, 그로브, 스케치, 이미지 등).

바람직하게는, 응집 물질은 암석, 유리, 섬유유리, 목재(잔여물, 펄프, 톱밥, 리그닌), 바이오매스, 종이, 금속, 플라스틱, 중합체, 고무, 이미테이션 고무, 비닐, 미네랄, 공동 배양된 미생물, 폐기물(예, 재, 탄소, 스크러버 폐기물, 방사성 펠렛) 또는 이들의 조합을 포함하며, 및/또는 혼합은 조성물을 액체로서 응집 물질 상에 분사하는 것을 포함한다. 바람직하게는, 폼워크는 실질적으로, 상기 인큐베이션 동안 침지되고, 공기가 상기 침지된 폼워크에 버블링된다. 바람직하게는, 제3 조성물이 상기 인큐베이션 동안 상기 혼합물에 반복적으로 첨가되어, 하부 패널을 통해 배수되고 선택적으로 재생된다. 바람직하게는, 상기 인큐베이션이 주위 조건 하에 수행되고, 제3 조성물은 칼슘 클로라이드, 칼슘 아세테이트, 칼슘 포스페이트, 칼슘 카르보네이트, 칼슘 락테이트, 칼슘 니트레이트 또는 칼슘 염을 포함한다. 바람직하게는, 혼합물의 pH가 상기 인큐베이션 동안 모니터링된다. 바람직하게는, 고체 형태는 블록, 보드, 벽돌, 페이버, 패널, 타일 또는 베니어이고, 상기 혼합물은 예를 들어 목재, 유리, 플라스틱, 금속 또는 중합체의 섬유 또는 나노섬유인 섬유 또는 나노섬유를 추가로 포함한다. 고체 형태는 정공 또는 갭으로 된 네트워크를 포함하는 부분적으로 또는 균일하게 다공성일 수 있다. 정공은 예정된 크기 및/또는 구조를 가질 수 있으며, 예컨대 직경이 적어도 5 미크론, 적어도 10 미크론, 적어도 20 미크론 또는 적어도 50 미크론일 수 있다. 대안적으로, 고체 형태는 사실상 정공을 제공하지 않거나 또는 몇 개만 제공하는 물질로 제조될 수 있다. 예를 들어, 비-다공성 물질을 응집 혼합물에 첨가하면, 유체에 비투과성인 형태를 제공하는 복잡하고 확장된 경로를 발생시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예는 영양소 배지로 코팅된 우레아제-생성 세포 또는 우레아제-생성 세포 포자를 포함하는 조성물을 포함한다. 바람직하게는, 영양소 배지는 부가적인 우레아제-생성 세포 또는 우레아제-생성 세포 포자, 및/또는 최종 생성물에 이득이 되는 응집물에 첨가된 부가적인 세포의 증식을 촉진하기 위한 영양소를 추가로 포함한다.

본 발명의 또 다른 구현예는, 입자로 구성된 응집 물질을 질소 소스, 예컨대 우레아, 칼슘 소스(예, 칼슘 이온) 및 우레아제 또는 우레아제-생성 세포 중 하나 이상을 포함하는 조성물로 처리하기 위한 조성물, 방법 및 시스템에 관한 것이다. 바람직하게는 입자는 직경(예, 실제 직경, 평균 직경 또는 유효 직경)이 약 50 mm 이하, 바람직하게는 약 25 mm 이하, 바람직하게는 약 20 mm 이하, 바람직하게는 약 10 mm 이하, 바람직하게는 약 5 mm 이하이다. 하나의 바람직한 구현예에서, 응집 물질은 또한, 약 1 mm 이하, 바람직하게는 약 0.5 mm 이하, 보다 바람직하게는 약 0.1 mm 이하, 보다 바람직하게는 약 50 ㎛ 이하일 수 있다. 특히 바람직한 입자 크기는 약 10 ㎛ 내지 약 1 mm, 약 100 ㎛ 내지 약 0.5 mm, 약 200 ㎛ 내지 약 1 mm, 약 1 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 약 10 nm 내지 약 1 ㎛, 및 약 10 nm 내지 약 40 nm 및 이들의 다양한 조합들을 포함한다. 입자로는 예를 들어, 포자, 탄소 먼지, 시멘트 또는 벽돌 제조, 시멘트 블록 제조, 주조 공장 작동, 그라인딩 석회석, 모래 부스러기, 채굴, 용광로, 페인트 제조로 인한 먼지 또는 그을음, 및 다른 제조 공정의 부산물, 예컨대 슬래그 등이 있다. 입자는 이용 가능하거나 또는 실시되는 방전 절차로부터 수득 및 수집될 수 있다. 입자는 비제한적으로, 바람직한 크기 이상의 크기, 바람직한 크기 이하의 크기 및 바람직한 크기들의 조합, 및 이들의 혼합을 포함하는 혼합된 크기일 수 있다. 응집물인 입자 및 보다 더 큰 입자는 재활용된 물질 및/또는 재활용 가능한 물질을 포함할 수 있다. 조성물의 질소 소스는 단일 화학물질, 예컨대 임의의 등급 및 순도의 우레아일 수 있고, 바람직하게는 상업적으로 입수된다. 칼슘 이온은 바람직하게는, 상업적으로 입수 가능한 소스, 예를 들어 칼슘 클로라이드로부터 수득된다. 우레아제 효소 또는 우레아제-생성 박테리아가 조성물에 포함될 수 있다. 우레아제-생성 박테리아로는, 박테리아 스포로사르치나 파스테우리이, 스포로사르치나 우레애, 프로테우스 불가리스, 바실러스 스패리쿠스, 믹소콕커스 잔투스, 프로테우스 미라빌리스, 헬리코박터 파일로리 및 이들의 조합 등이 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니다. 우레아제-생성 세포는 효소, 예컨대 미셀(mycell)을 함유하는 비-생존 가능한 세포, 지질 또는 지방산으로 구성된 세포 및 우레아제-함유 세포를 포함한다. 우레아제 및/또는 우레아제-생성 세포는 정해진 기간 동안 예정된 양의 효소를 생성하거나 방출할 수 있다. 바람직하게는, 1개 세포 당 방출되는 우레아제의 양은 질소 이온 및 칼슘 이온의 존재 하에 칼슘 카르보네이트의 신속한 생성을 가능하게 할 정도로 충분히 신속하다.

바람직하게는, 입자는 질소 소스(예, 우레아), 우레아제 및/또는 우레아제-생성 세포, 칼슘 이온 및 바람직하게는 물과 조합되어, 균질한 슬러리를 생성한다. 상기 슬러리는 층 또는 크러스트를 형성하는 물체 및/또는 표면 상으로 페인트칠되거나 또는 분사되거나, 완전히 또는 부분적으로 고체일 수 있는 물체 내로 고형화되는 형태로 성형되거나, 또는 그렇지 않다면 목적 표면에 걸쳐 층 또는 크러스트를 다시 형성하는 슬러리 물질로 코팅되도록 물체의 침지 또는 디핑을 위해 풀링(pooled)될 수 있다. 물체는 요망되는 바와 같이 하나 이상의 층을 포함할 수 있고, 층들은 물에 투과성이거나 또는 비투과성일 수 있거나, 또는 일광 손상, 눈, 얼음 및 비와 같은 기후 조건으로부터의 내마모성을 개선할 수 있다. 증가된 저항성을 제공하는 슬러리는 바람직하게는, 직경이 0.1 mm보다 작은 입자인 응집 물질로 구성된다. 액체가 건조함에 따라, 칼슘 카르보네이트 결합이 입자들 사이에 및/또는 입자와 물체 사이에 형성된다. 그 결과는 경화된 칼슘 카르보나이트로 된 외부 쉘을 함유하는 물체 또는 형성된 구조물일 수 있다. 본 발명에 따라 제조되며 및/또는 본 발명의 크러스트 또는 코팅으로 레이어링될 수 있는 물체로는, 벽돌, 시멘트 블록, 페이버, 카운터 탑, 유리, 섬유유리, 중합체 및 아크릴 구조물, 사이딩(siding), 벽, 야드 아트(yard art), 슬레이트 및 암석 구조물, 타일, 포장용 돌(paving stone), 계단, 지붕 자재, 배수로(gutter), 시멘트 벽 및 판자(plank), 파티오(patio), 발코니, 울타리 및 이들의 조합 등이 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 또 다른 바람직한 구현예는 미생물(예, 암모니아 모노옥시게나제, 하이드록실아민 옥시도리덕타제를 생성하는 미생물, 질화(nitrifying) 박테리아)의 발효에 의한 암모니아 및/또는 다른 화합물(예, 암모니아, 유기 산, 알코올, 페놀 화합물, 설파이드)의 생성을 포함한다. 바람직하게는, 미생물은 요망되는 효소의 생성을 최대화하기 위해 선택적으로 배양된다. 하이퍼-암모니아-생성 미생물로는 예를 들어, 반추동물-유래 미생물, 장 미생물, 펩토스트렙토콕커 스 종( Peptostreptococcus sp. ), 클로스트리듐 종( Clostridium sp. ) , 칼리안드라 종( Calliandra sp. ), 아토포비움 종( Atopobium sp. ), 데술포모나스 종( Desulfomonas sp. ) 등이 있다. 단리된 암모니아는 비료 및 에너지 생산과 같은 다른 공정들에서 재활용되거나 또는 이용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예는 본 발명의 슬러리를 자연적인 지질학적 표면 또는 인공 표면, 예컨대 절벽, 사구(dune), 응집물 더미, 레지(ledge), 지지 벽, 광석, 파운데이션, 채굴, 트레일링(tailing), 제조 공정 유래의 페기물 더미, 또는 부가적인 지지체 또는 구조물이 요망되는 또 다른 구조물에 분사하는 단계를 포함한다. 이러한 지지체는 관심 구조물의 부가적인 지지체를 컨벤션 빌딩 시스템에 제공하는 것과 비교하여 편의성 및 재정적 고려 면에서 유리하다. 또한 및 바람직하게는, 본 발명의 슬러리는 빌딩 지지, 침식 억제, 싱크홀의 방지 및/또는 복구를 제공하기 위해 지질학적 표면, 예컨대 빌딩 주변의 토양에 제공될 수 있거나, 또는 빌딩 및 다른 구조물의 고체 지지체 및/또는 안정화 및 이들의 조합을 제공하기 위해 파운데이션 구조물을 형성하기 위해 제공될 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예는 임의의 응집 물질의 첨가 없이, 예컨대 응집 물질로서 모래, 토양, 먼지, 슬릿 또는 다른 입자 없이, 물, 질소 소스(예, 우레아), 칼슘 소스(예, CaCl ₂ ), 및 우레아제 또는 우레아제-생성 세포 중 하나 이상으로 된 슬러리를 포함하는 조성물, 방법 및 시스템에 관한 것이다. 바람직하게는, 슬러리는 적어도 물, 질소 소스(예, 우레아), 칼슘 소스(예, CaCl ₂ ), 및 우레아제 또는 우레아제-생성 미생물을 포함하며, 이들은 적절하다면 미생물 영양소를 포함할 수 있다. 이러한 액체 슬러리는 응집 물질 상에 또는 응집 물질 내에 분사, 페인트칠 또는 그렇지 않다면 직접 위치할 수 있거나, 또는 응집 물질을 함유하는 대부분의 임의의 형상 또는 구조의 몰드에서 형성된다. 응집물과 상기 슬러리의 조합은 고형화된 물체, 커버링 또는 층(또는 다중 층)을 예컨대 빌딩 파운데이션, 성형된 물체, 물체를 커버하는 층, 또는 또 다른 요망되는 형태로서 형성한다. 이러한 기술의 이점들 중 하나는, 응집 물질이 운송될 필요가 없으며, 수반되는 연관된 절감이 존재한다는 것이다. 바람직하게는, 응집 물질은 해당 장소에서 직접 이용 가능하거나, 또는 허용 가능한 거리 내에서 국소적으로 이용 가능하다. 이미 존재하는 응집물에의 슬러리의 첨가는, 응집 물질의 수송 또는 이동이 어렵거나, 비효율적이거나 또는 비실용적인 상황, 예컨대 비제한적으로 빌딩 파운데이션의 형성, 복구 또는 추가의 지지 및 다른 복구들을 수반하는 상황에서 고체 또는 보다 경화된 형태의 구조물을 효율적으로 형성한다.

본 발명의 또 다른 구현예는 응집 물질과 조합된 본 발명의 슬러리를 포함하며, 공동이거나 또는 응집 물질보다 더 가벼운 중량의 다수의 고체 구조물을 추가로 포함하는 조성물 및 방법에 관한 것이다. 부가적인 물체를 포함하는 결과적인 구조물은 오로지 응집 물질 및 슬러리로만 구성된 물체보다 더 가벼운 고체 물체를 생성한다. 대안적으로, 응집 물질보다 더 무거운 물체를 첨가함으로써 상기 물체의 중량을 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 더 무거운 물체로는, 리바(rebar) 또는 리메쉬(remesh), 금속 형태, 보강 물질 및 다른 더 무거운 물질 등이 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니다. 이들 부가적인 물체로는, 플라스틱, 목재, 강철, 금속, 중합체, 로드, 볼, 기하학적 구조물 등이 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니며, 이는 고체, 천공 또는 공동일 수 있다. 대안적으로, 미학적인 특성, 예컨대 예정된 색상, 물질, 기능, 특성 및 디자인을 가진 부가적인 물체가 포함될 수 있다. 이는, 경량 물체가 요망되는 경우 유리하며, 여기서, 구조물은 의도하는 목적에 충분한 강도, 예컨대 특정한 요망되는 압축 강도, 인장 강도, 항복 강도, 극한 강도(ultimate strength), 영률, 탄성률, 탄성 강도, 강성도, 경도, 인성(toughness), 내응력성(stress resistance) 및 이들의 조합을 보유한다.

본 발명의 또 다른 구현예는 본 발명의 슬러리와 조합된 여러 가지 기질들을 포함하는 조성물, 방법 및 시스템에 관한 것이다. 우레아, 우레아제, 칼슘 및 물에의 모래, 미립자, 슬릿 또는 먼지(토양 또는 다른 응집물보다 더 가볍고 더 작은 입자를 가짐)의 첨가는 더 가볍지만 동등하거나 또는 거의 동등한 지지체 강도를 가진 구조물을 형성한다. 더 가벼운 구조물의 이점은 더 낮은 생산 비용 및 더 높은 생산 효율, 뿐만 아니라 구조물의 제조 및 형성 효율을 포함한다. 바람직하게는, 우레아제 효소는 효소-생성 세포와 비교하여 구조물의 고형화를 증가시키는 데 사용된다. 또한, 상기 효소는 세포보다 분자 구조가 더 작고, 작은 기공 크기를 가진 응집 물질의 더 작은 기공 크기를 통과할 것이다. 또한, 하나 이상의 화학 물질 또는 화합물이 액체 조성물의 밀도 및/또는 중량을 증가시키기 위해 포함될 수 있으며, 따라서 조성물은 빠르게 침강하거나 또는 표면에 충분히 점성이다(예, 젤, 폼 또는 반고체로서).

본 발명의 또 다른 바람직한 구현예는 점토 또는 시멘트로 구성된 컨벤션 구조물과 비교하여 중량이 더 가벼운 본 발명에 따른 고체 또는 다공성 고체 구조물의 형성을 위한 조성물, 시스템 및 방법을 포함한다. 바람직하게는, 본 발명은, 구조물이 경화됨에 따라 제조 동안 고체 구조물 내에 공간적인 갭을 형성하는 단계를 포함한다. 이러한 갭은 중공, 튜브, 버블 또는 임의의 다른 3차원 형상의 형태일 수 있다. 동일한 응집 물질 또는 물질, 또는 서로 다른 물질, 바람직하게는 더 가벼운 물질로 된 예비-형성된 형상은 응집 물질을 포함하거나 또는 포함하지 않는 본 발명의 습식의 비경화된 슬러리 내에 침지될 수 있다. 슬러리가 요망되는 형상 주변으로 완전히 형성되는 경우, 생성된 물체는 종래의 방식으로 제조되는 물체, 예컨대 점토 벽돌, 시멘트 블록, 페이버, 돌 복합물, 또는 하나 이상의 응집 물질로 구성된 또 다른 고체 구조물보다 더 가벼울 것이다. 생성된 고체 물체는 증가된 강도, 새로운 또는 증강된 미학적 또는 성능 특징, 첨가적인 특징 또는 이들의 조합을 가진다.

본 발명의 또 다른 바람직한 구현예는 고체 구조물에 보호용 층 또는 커버링을 형성하기 위한 조성물, 시스템 및 방법을 포함한다. 바람직하게는, 본 발명의 슬러리는 고체 구조물(예, 미생물, 영양소, 기질 물질, 핵 형성 부위 중 하나 이상으로 함침된 패브릭) 내의 기공을 충전하고 밀폐시켜, 액체(예, 물), 기체(예, 공해) 또는 고체 구조물을 함침시키거나 또는 오염시킬 수 있는 다른 성분에 대한 효과적인 장벽을 제공한다. 이러한 조성물은 침식 방지 및 구조적 지지를 위해 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예는 예를 들어, 보행자 도로, 파일, 절벽, 차량 도로 및 다른 큰 표면의 방진을 위한 조성물, 시스템 및 방법을 포함한다. 본 발명의 슬러리는 차량으로부터 발생되는 먼지의 양을 최소화하기 위해 먼지, 자갈 및 다른 도로 표면 상에 현재 사용되는 오일 및 다른 방진 조성물을 대체할 수 있다. 본 발명의 슬러리는 트럭 또는 다른 차량으로부터 액체로서 분사되거나 또는 분무(vaporize)될 수 있거나, 또는 습식되는 경우 활성화되는 건조 조성물로서, 도로 또는 다른 표면에 경화된 크러스트를 형성하는 표면 상으로 투입(예, 분사)될 수 있다. 기질 및 살아 있는 우레아제-생성 미생물 + 영양소를 포함하는 슬러리는 자가-재생 가능한 크러스트를 가진 도로 표면을 덮는다. 초기 적용은 미생물을 포함할 수 있고, 기질 물질만 함유할 수 있는 후속적인 적용에 선택적으로 포함될 수 있다. 차량이 도로 위를 지나감에 따라, 크러스트는 차량의 중량에 의해 손상을 받을 수 있으나, 크러스트는 살아 있는-슬러리의 존재에 의해 재형성되고 복구된다. 바람직하게는, 본 발명의 방진용 슬러리는 응집물을 함유하지 않거나 또는 직경이 0.5 mm 이하인 응집물만 함유한다.

본 발명의 또 다른 구현예는 응집물을 포함하거나 또는 포함하지 않는 본 발명의 슬러리를 건축 자재, 예컨대, 점토 벽돌, 시멘트 블록, 페이버 및 다른 성분의 제조를 위한 종래의 절차에 첨가하는 단계를 포함한다. 슬러리 첨가는 요망되는 바와 같이 결과적인 생성물의 0.0001 건조 중량% 내지 99 건조 중량%로 포함될 수 있거나 또는 사용되는 응집물의 유형으로부터 경험적으로 결정될 수 있다. 바람직하게는, 건조 중량에 의한 슬러리 첨가는 1% 내지 50%, 2% 내지 75%, 30% 내지 60%, 25% 내지 80%, 10% 내지 25% 또는 이들의 임의의 조합이다.

본 발명의 또 다른 구현예는 예정된 시간에 고형화될 본 발명의 슬러리의 형성을 포함한다. 바람직하게는, 슬러리는 기질로서 질소 소스 및 칼슘 소스를 예정된 양으로 포함하고, 요망되는 시간 프레임 내에서 고형화되는 효소를 예정된 양으로 포함한다. 고형화 조건으로는 사용 온도가 있을 수 있으며, 이는 고형화 시간을 바람직하게는 실험적으로 또는 경험적으로 결정하기 위한 계산에 포함될 수 있다.

하기 실시예는 본 발명의 예시적인 구현예를 예시하지만, 본 발명의 범위를 제한하려는 것으로 간주되어서는 안 된다.

실시예

실시예 1

표면 채굴 장소의 먼지를 줄이는 것은 MSHA(OSHA의 채굴 버전) 규제에 의해 요구된다. 산업에서 사용되는 보편적인 방법은 다양한 중합체 또는 화학물질의 사용을 포함하며, 가장 보편적인 것은 물, 오일 및 다른 방진 액체의 연속적인 분사 적용이다. 표면 광진 방지(surface mine dust control)를 위한 목적은 공기보다 더 무거운 미세 먼지(응집물 채굴의 부산물)를 만들어, 호흡기 및 가시성(visibility) 유해를 방지하는 것이다. 본 발명에 따르면, 미생물은 영양소 및/또는 수송 물질과 함께 적용되거나 또는 이러한 방진 및/또는 표면 시멘트화를 위한 임의의 종래의 처리와 연관되어 적용되고, 우레아(질소/탄소) 및 칼슘 소스와 조합된 방해석 시멘트(CaCO ₃ )의 생산을 포함한다. 세포 및/또는 영양소 물질은 초기 적용 시 포함되고, 선택적으로 후속적인 또는 이후의 적용 시 포함된다. 바람직하게는, 적용은 벽돌, 페이버 및 다른 고체 형태의 형성에 사용되는 것과 동일한 우레아제-생성 박테리아 균주를 사용하여 신속하게 시멘트화되는 경량 물질로 구성된다. 대안적으로, 대기중 질소 고정하는 광합성 미생물인 시아노박테리아가 치환되거나 또는 우레아제-생성 박테리아 외에도 사용되어, 영양소 투입 요구량을 감소시킨다.

실시예 2

회수 시스템은 (a) 폐수를 유입물로서 재사용되는 생존 가능한 상태로 되돌리고(물은 소비 물질보다는 자본 비용이 됨), (b) 폐수 스트림으로부터 상업적으로 가치 있는 부산물의 추출을 해결하기 위한 것이다. 바람직하게는, 본 발명의 바이오-시멘트화 공정은 예컨대 암모니아/암모늄 및/또는 유리 방해석의 제조를 위해 우레아제-생성 미생물을 사용하여 부산물을 생성물로서 1차 생산하는 데 유용하다. 부산물은 최적화를 통해 감소되며 및/또는 유입 제형에 관여하는 과량의 물질이다. 회수 가능한 부산물인 암모니아는 비료 및 대체 연료 적용 둘 다에 있어서 상업적인 가치를 가진다.

2개 이상의 암모니아 추출 방법이 존재한다. 첫째, 과립 제올라이트 클리닙틸로라이트 미네랄 응집물이 암모니아 기체 추출용 공기 필터로서 사용되고, 폐수로부터 암모늄을 추출하기 위한 액체 필터로서 사용된다. 암모니아-포화된 제올라이트는 비료, 비료 첨가제 및/또는 비료 구성성분으로서 잠재적인 적용을 가진다. 둘째, 전극-기반 시스템이 전기 생산용 수소 연료 소스로서 수성 암모니아/암모늄의 전환에 사용된다.

추가로 처리되거나 또는 처리되지 않는 폐수는 다른 암모니아-기반 에너지 생산 기술 및 물, 방해석 및 부산물의 재생을 포함한 재생 기술을 위한 연료 소스이다.

침강 탱크, 메쉬 필터, 패브릭 및/또는 하이드로사이클론은 용액 중 유리 방해석의 제거를 위해 사용되고, 바람직하게는 미생물은 잔존한다. 이러한 물질은 새로운 바이오시멘트화 및 비료 적용을 위한 투입 소스이다(식물 세포벽 형성에 이용 가능한 칼슘, 및 토양 탈질소화에 이용 가능한 미생물).

실시예 3

생물학적으로 형성된 미세결정질 칼슘 카르보네이트를, 우레아를 함유하는 액체 발효 배지에서 성장된 우레아제-생성 미생물(에스. 파스테우리이( S. pasteurii ))을 사용하여 생성하였다. 상기 배지를 교반하여, 균일한 현탁액을 형성하였다. 배양물의 후기 단계 성장에서, 칼슘 이온을 칼슘 클로라이드 용액 형태로, 우레아와 몰 등량의 포화를 이룰 때까지 첨가하였다. 우레아제 활성은 우레아(2NH ₂ CO)를 암모늄(NH ₄ ) 및 탄소(C)로 가수분해시킨다. 탄소는 칼슘(Ca)과 조합하여, 칼슘 카르보네이트(CaCO ₃ )를 생성한다. 형성된 칼슘 카르보네이트 결정의 크기는 50 ㎛ 내지 0.1 ㎛의 범위였으며, 일반적으로 형상은 "직사각형"(예, 구형)이었다. 칼슘 카르보네이트를 원심분리, 침강 탱크, 하이드로-사이클론 또는 디캔팅 중 하나 이상을 사용하여 용액으로부터 분리하였다. 이 방법을 회분식 공정으로 수행하였으며, 또한 연속 생산 라인으로서도 수행하였다.

이 방법의 변화된 형태를 사용하여, 응집물을 형성하기 위해 미세 응집 물질을 사용함으로써 입자 크기를 증가시켰으며, 이는 또한 액체-고체 분리를 개선하였다. 이러한 변화된 형태에서, 크기가 70 메쉬 스케일(Mesh Scale)인 미세 응집물을 발효 공정 동안, 현탁액 중 미세 응집물을 유지시키기 위한 교반 능력을 넘지 않는 양으로 상기 용액에 첨가하였다. 칼슘 이온의 첨가 후, 방해석은 미세 응집물에 첨가하고 함께 첨가하여, 더 크고 더 무거운 입자를 형성하였다.

실시예 4

실시예 3의 방법을 제2 유기체인 델라야 베누스타( Delaya venusta )의 공동 배양과 함께 수행한다. 공동 배양 공정은 단일 반응기 내에서의 단일 발효, 단일 반응기 내에서의 교대 발효를 위해 개발되거나, 또는 개별 반응기 내에서의 2개의 분리된 발효들 사이의 순환 배지에 의해 개발도며, 여기서, 상기 반응기는 액체 상태 반응기(예, 회분식, 유가식(batch-fed) 또는 연속식)이거나 또는 고체 상태 반응기, 예컨대 응집물-유닛(예, 벽돌)이다.

본 발명의 다른 구현예 및 용도들은 명세서 및 본원에 개시된 본 발명의 실시를 고려하여 당업자에게 명확해질 것이다. 모든 공개 문헌, 미국 및 외국 특허 및 특허 출원을 포함하여 본원에서 인용된 모든 참조문헌들은 원용에 의해 구체적으로 및 전체적으로 포함되어 있다. 사용되는 경우, 포함하는이라는 용어는 구성하고 본질적으로 구성하는 용어들을 포함하고자 한다. 더욱이, 포함하는, 수반하는 및 함유하는이라는 용어들은 제한하려는 것이 아니다. 명세서 및 실시예는 예시로만 고려되고, 본 발명의 참 범위 및 사상은 하기 청구항에 의해 지시되고자 한다.