Världens första bio-tegel som odlats från urin har presenterats av University of Cape Town (UCT) masterstudent i civilingenjör Suzanne Lambert, signalerar ett innovativt paradigmskifte i avfallshantering.

Bio-tegelstenarna skapas genom en naturlig process som kallas mikrobiell karbonatutfällning. Det är inte olikt hur snäckskal bildas, sa Lamberts handledare Dr Dyllon Randall, en universitetslektor i vattenkvalitetsteknik.

I detta fall, lös sand koloniseras med bakterier som producerar ureas. Ett enzym, ureaset bryter ned urea i urinen medan det producerar kalciumkarbonat genom en komplex kemisk reaktion. Detta cementerar sanden till vilken form som helst, om det är en solid kolumn, eller nu, för första gången, en rektangulär byggsten.

Under de senaste månaderna har Lambert och civilingenjörsstudenten Vukheta Mukhari arbetat hårt i laboratoriet med att testa olika former av biotegel och draghållfasthet för att producera ett innovativt byggmaterial. Mukhari övervakas av professor Hans Beushausen, även från civilingenjörsavdelningen. Beushausen hjälper till att testa produkterna.

Utvecklingen är också goda nyheter för miljön och den globala uppvärmningen eftersom bio-tegelstenar tillverkas i formar vid rumstemperatur. Vanliga tegelstenar bränns i ugnar vid temperaturer runt 1 400 ° C och producerar stora mängder koldioxid.

Bio-tegelns styrka beror på kundens behov.

"Om en klient ville ha en tegelsten starkare än en 40 procent kalksten, du skulle låta bakterierna göra det fasta starkare genom att 'odla' det längre, sa Randall.

"Ju längre du låter de små bakterierna göra cementet, desto starkare blir produkten. Vi kan optimera den processen. "

Grundläggande arbete

Konceptet att använda urea för att odla tegel testades i USA för några år sedan med hjälp av syntetiska lösningar, men Lamberts tegel använder äkta mänsklig urin för första gången, med betydande konsekvenser för återvinning och återcykling av avfall. Hennes arbete bygger på grundforskning av Jules Henze, en schweizisk student som tillbringade fyra månader med Randall på detta koncept 2017.

"Det är det jag älskar med forskning. Du bygger på grunden för annat arbete, sa Randall.

Gödsel som biprodukter

Dessutom, bio-tegelprocessen producerar som biprodukter kväve och kalium, som är viktiga komponenter i handelsgödselmedel.

Kemiskt sett urinen är flytande guld, enligt Randall. Det står för mindre än 1 procent av hushållens avloppsvatten (i volym) men innehåller 80 procent av kvävet, 56 procent av fosforn och 63 procent av kaliumet i detta avloppsvatten.

Cirka 97 procent av den fosfor som finns i urinen kan omvandlas till kalciumfosfat, den viktigaste ingrediensen i gödselmedel som ligger till grund för kommersiellt jordbruk över hela världen. Detta är viktigt eftersom världens naturliga fosfatreserver håller på att torka.

Noll avfall

Gödningsmedlen produceras som en del av den fasade processen som används för att tillverka bio-tegelstenarna.

Först, urin samlas in i nya gödningsmedelsproducerande urinaler och används för att tillverka ett fast gödningsmedel. Den återstående vätskan används sedan i den biologiska processen för att odla biostenen.

"Men i den processen, vi är bara efter två komponenter:karbonatjoner och kalcium. Det vi gör sist är att ta den återstående flytande produkten från bio-tegelprocessen och göra ett andra gödningsmedel, " han förklarade.

Det övergripande systemet skulle effektivt resultera i noll avfall, med urinen helt omvandlad till tre användbara produkter.

"Ingen tittade på det när det gäller hela den cykeln och möjligheten att återställa flera värdefulla produkter. Nästa fråga är hur man gör det på ett optimerat sätt så att vinsten kan skapas från urin."

Det finns också logistik att tänka på; urinsamling och transport till en resursåtervinning. Randall har diskuterat dessa möjligheter i en färsk granskningspapper om urin. En annan av hans masterstudenter undersöker transportlogistik för urininsamling och behandling med några mycket lovande resultat.

Social acceptans är en annan faktor.

"För närvarande arbetar vi bara med urinsamling från manliga urinaler eftersom det är socialt accepterat. Men hur är det med den andra halvan av befolkningen?"

I anslutning till att presentera bio-tegelstenen, båda studenterna uttryckte optimism om innovationspotentialen i hållbarhetsutrymmet.

"Det här projektet har varit en stor del av mitt liv de senaste ett och ett halvt året, och jag ser så mycket potential för processens tillämpning i den verkliga världen. Jag kan inte vänta på när världen är redo för det, "Sa Lambert.

"Att arbeta med detta projekt har varit en ögonöppnande upplevelse. Med tanke på de framsteg som gjorts i forskningen här på UCT, att skapa ett verkligt hållbart byggmaterial är nu en möjlighet, "Tillade Mukhari.

Randall sa att arbetet skapar paradigmskiften med avseende på hur samhället ser på avfall och upcycling av det avfallet.

"I det här exemplet tar du något som anses vara ett slöseri och gör flera produkter av det. Du kan använda samma process för valfri avfallsström. Det handlar om att tänka om saker, " han sa.