Мицелий как строительный материал. Современное состояние и перспективы развития материалов из мицелия

Подтверждение концепции

При изготовлении строительных кирпичей на основе грибов выращивание мицелия на субстрате проводится в лабораторных условиях. Это достигается путем культивирования многоклеточных грибов, которые при выращивании на базовом субстрате образуют плотный мицелий (Stelzer et al., 2021).

Хотя в литературе описаны различные методы производства , общая практика включает несколько этапов. Стерилизация, инокуляция и инкубация являются основными этапами выращивания мицелия на материал подложки. Различные технологии изготовления подбираются индивидуально в зависимости от необходимости достижения конкретных теплофизических характеристик. Чтобы показать разницу в выбросах на этом этапе между композитами на основе мицелия и другими материалами на биологической основе, необходимо подробно описать другой, более продвинутый метод производства биокомпозитов на основе мицелия в лабораторных условиях. 

Стелцер и др. (2021) представили трехэтапную процедуру культивирования мицелия и субстрата. Суть их идеи заключается в том, чтобы сначала привить гриб с помощью агара в готовую среду для предварительного культивирования. Затем, используя стерилизованный исходный субстрат, проводят вторичную инокуляцию (рожь используется в данном исследовании), и, наконец, использование этой культуры для инкубации основного субстрата, которым в данном случае является конопляная заточка. Таким образом рост и распределение грибов по субстрату становятся более эффективными (Meyer et al., 2020; Stelzer et al., 2021). Метод LCA, предложенный в этом исследовании, описан в разделе "Производство" статьи. Аппельс и др. (2019) описали важность трех элементов, включая субстрат, вид грибов и технологию обработки, для окончательной гигротермической, механической и визуальной характеристики продукта. мицелий.

Из протестированных субстратов древесные опилки показали более высокую плотность, чем хлопковые волокна и солома. Утверждается, что прессование повышает прочность на разрыв и модуль упругости материалов, содержащих мицелий, а горячее прессование, как отмечается, более эффективно при этом. Так же не обнаружено зависимости между водопоглощением и каким-либо из трех проанализированных элементов, напротив, они отметили влияние термического прессования на изменение структуры материала с пенообразной на пробковую и древесно-стружечную,  с точки зрения соотношения напряжений и деформаций наглядное представление об этих двух способах поведения. В этом исследовании предлагается использовать дополнительные методы изготовления для усиления колонизации центральных частей композита, например, путем нагнетания воздуха и окисления центральных частей. Другое исследование параметров изготовления проведено Аттиасом, Данаи, Тарази, Переманом и Гробманом (2019). Водопоглощающая способность трех разработанных биокомпозитов, изготовленных из трех видов грибов, выращенных на виноградной лозе и яблоне в качестве субстратов. Эти три биокомпозита с различные параметры изготовления сравниваются друг с другом иэ то ясно показывает, что образцы с низкой плотностью поглощают больше воды. Эти результаты также указывают на то, что два пенополистирола Протестированные виды пенополистирола (EPS) весят примерно в десять раз меньше, чем композиты на основе мицелия.

Мицелий также используется в качестве дополнительного материала в ультрасовременных архитектурных конструкциях из биокомпозитных материалов. Скотт и др. (Scott et al., 2022) изготовили серию прототипов, используя интеграцию мицелия и бактериальной целлюлозы на вязаных каркасах на основе шерсти. Их методология “сочетает биологические эксперименты с параметрическим моделированием и программированием вязания”. Трикотажное полотно действует как каркас и форма, стимулируя рост бактерий и грибков для достижения сложных пышных форм.

При разработке и изготовлении используется возможность регулировки и модификации параметров ткани, рост организма можно регулировать. Еще одной целью данного исследования является изучение программного вязания и его применения в качестве формообразователя как для выращивания мицелия на месте, так и для производства вторичных листов бактериальной целлюлозы. Сообщается, что проблемы при разработке прототипа связаны с неоднородным распределением субстрата, что приводит к нарушению роста мицелия. В качестве замены измельченного субстрата предлагается пастообразный агломерат, который делает материал более однородным. Чтобы объединить структуры мицелия и бактериальной целлюлозы, либо два организма выращивают в одном месте, либо их выращивают отдельно, а бактериальную целлюлозу помещают поверх структуры мицелия, а затем сушат вместе. Еще одной инициативой этого исследования является внедрение цифрового вязания для управления дизайном и параметрами вязания.

Промышленное производство

В промышленных отчетах и технических примечаниях есть несколько коммерческих продуктов на основе мицелия . Sun, Tajvidi, Hunt, McIntyre и Gardner (2019) представили два способа производства гибридного биокомпозита, изготовленного из древесины, мицелия и целлюлозных нановолокон (CNF) в качестве волокнистых связующих и матрицю Водопоглощение и последующее набухание по толщине существенно отличаются друг от друга тем, что первый тип явно демонстрирует высокую водопроницаемость и нестабильность в воде, что является признаком плохого первоначального сцепления между древесиной и мицелий. Цзян, Вальчик, Макинтайр, Буцинелл и Тудрин (2017) описали способ изготовления сэндвич-панелей с использованием мицелия в качестве сердцевины, текстиля из натуральных волокон (джут, конопля и целлюлоза) в качестве оболочки и биополимера в качестве матрицы. Были проведены испытания на жесткость и прочность образца, чтобы понять , как выбор материала оболочки и условия обработки влияют на указанные эксплуатационные параметры. Авторы пришли к выводу, что жесткость зависит от прочности сердцевины, которая определяется скоростью заселения мицелия. И наоборот, что касается прочности, то выбор доказано, что кожица оказывает решающее влияние на результат. Кроме того, в этой статье подробно описан процесс производства ламинированных конструкций на основе мицелия. Это процессы склеивания, пропитки и создания встроенной оснастки для производства ламината, следующие этапы  - это, соответственно, заполнение предварительно обработанным мицелием, фаза роста и процесс сушки, соответствующие типичным процессам изготовления мицелия. Следующий этап - это также вливание смолы, которое является стандартной частью процесса из сложного технологического процесса. В этой статье основное внимание уделялось первым трем этапам, для того, чтобы проверить возможность их включения в производственный процесс

Механические и гигротермические характеристики мицелия

Как механические, так и гигротермические свойства мицелия редко описываются в литературе. В зависимости от используемого субстрата и типа грибов могут быть разработаны многочисленные типы биокомпозитов, которые могут найти практически все возможные применения в различных строительных элементах. Некоторые из них упомянуты здесь. Ислам, Тюдрин, Буцинелл, Шадлер и Пику (2018) описали механическую реакцию материала на циклические сжимающие нагрузки. В этом исследовании разработана многомасштабная модель. В микромасштабе в качестве модели используется случайная волоконная сеть, в то время как в макромасштабе используется континуальная модель, а изменение плотности является исследуемым параметром для определения скорости его изменения. В этом исследовании описывается нелинейное поведение материала при сжатии . Две модели непрерывного и случайного волокон успешно интегрированы друг с другом. Карана и соавторы (2018) протестировали реакцию на растяжение различных типов мицелия, подвергнутого нескольким технологическим процедурам, и сравнили ее с традиционными материалами. Четыре стандартных материала, включая МДФ, пальму, пробку, пенополистирол и лист, были протестированы на шести образцах мицелия. Считается, что основное различие заключается в технологиях обработки. Например, пенообразные образцы по сравнению со спрессованным материалом обладают меньшей прочностью, хотя и демонстрируют хорошие изоляционные характеристики. Elsacker et al. (2019), в дополнение к характеристике механической прочности, детальной скорости поглощения и теплопроводности некоторых биокомпозитов из мицелия. Одним из основных результатов этого исследования является то, что обработка (рыхлая, измельченная, предварительно спрессованная и скрученная в жгут) субстрата в большей степени влияет на формирование гигротермических и физических свойств, чем на его химический состав.

Что касается гигротермической характеристики мицелия, то единственное исследование, в котором предлагается измерить изотермы сорбции и охарактеризовать взаимозависимость параметров тепла и влажности , выполнено Кохом, Говеном, Шольбахом и Брауэрсом. Для конкретных композитов, рассматриваемых в данном исследовании, разница между изотермами сорбции незначительна, хотя в зависимости от используемой подложки каждый полученный композит необходимо охарактеризовать с точки зрения их изотерм сорбции. В дополнение к этим графикам построена взаимозависимость теплопроводности и относительной влажности воздуха. Если сравнивать, траву и мицелий, то все они демонстрируют почти одинаковые термогигиенические характеристики на указанных участках, однако пробка обладает самыми низкими теплопроводностью и сорбционными свойствами среди них.

Анализ жизненного цикла композитов на основе мицелия

В этом разделе рассматривается концепция круговой экономики, которая представляет собой минимизацию затрат как на материалы, так и на стоимость по всей цепочке поставок, обусловленную использованием мицелия в материалах на биологической основе . EN 15804 (CEN (2012b)) определяет этапы жизненного цикла, начиная с выращивания сырья и сбора урожая и заканчивая производством, строительством, эксплуатацией, сносом и окончательной утилизацией (Gorse et al., 2016; Jones & Brischke, 2017; Menet & Gruescu, 2012). Принимая во внимание экономия по принципу замкнутого цикла и выбор границ "от колыбели до колыбели"  приводят к следующим этапам, определенным в соответствии с EN 15804.

Культивирование и производство

Одно из подробных исследований, посвященных стадии культивирования и роста мицелия, проведено компанией Livne, Вестен, Перлмуттер и Гал (2022), которые подробно рассказали о сокращении продолжительности жизни мицелия и его влиянии на жизненный цикл. Более того, с учетом временных рамок анализа и последующего учета влияния метаболического углерода мицелия на анализ жизненного цикла, доказано, что чистый овеществленный углерод, образующийся в результате культивирования грибов, снижается на 60%. Проблема жизненного цикла анализ на данном этапе, рассматривающий экономику, основанную на использовании отходов, в основном касается совместного производства материалов. Это связано с тем, что основное предприятие и его отходы служат разным целям. Хотя совместное производство , по сути, приводит к тому, что система вносит свой вклад в экономику замкнутого цикла, определение базового сценария может быть сложной задачей, поскольку цели и результаты не совпадают, а различные системы, определенные в некотором смысле, расходятся (Escobar & Laibach, 2021).

Для оценки систем, основанных на отходах , обычно используется анализ жизненного цикла, основанный на вводимых ресурсах (Fieschi & Pretato, 2018; Гарфи, Флорес и Феррер, 2017; Сегетта, Терринг, Брун и Томсен, 2016).

Производство

Поскольку проведено всего несколько исследований по оценке воздействия мицелия на окружающую среду, проведение сравнительного анализа между традиционными материалами на биологической основе и композитами на основе мицелия нецелесообразно с учетом современных литературных данных. Например, функциональная единица измерения, которая использовалась для сравнения материалов, должна быть одинаковой.

Однако в некоторых исследованиях в качестве функциональной единицы измерения используется площадь стеновой панели , в то время как в других выбрано значение U. Другая проблема заключается в существенная разница в весе брикетов мицелия в разных материалах, что позволяет избежать необходимости сравнивать различные образцы по весу. Стелцер и др. (2021) провели всестороннюю оценку жизненного цикла грибных брикетов и провели сравнение как в лабораторных условиях, так и при “экстраполированном” промышленном производстве мицелиальных брикетов. Поскольку в исследовании практически нет существующих промышленных предприятий, были сделаны некоторые допущения для адаптации LCA к промышленным масштабам. Кроме того, эти два по сравнению с другими традиционными строительными изоляционными материалами. Из представленных результатов  видно, что потенциал глобального потепления (ПГП) значительно снижает выбросы парниковых газов в 6 раз по сравнению с кирпичами из мицелия и традиционными материалами.

Несмотря на то, что производство в лабораторных условиях не имеет существенных отличий от традиционных материалов, с точки зрения различных экологических аспектов (исключая возможность глобального потепления) массовое производство этих материалов является значительно более экологичным, чем других изоляционных материалов. Тем не менее, массовое производство этих материалов основная проблема заключается в различии между функциональными элементами традиционных строительных материалов и мицелием, поскольку первый тип в основном характеризуется прочностью и устойчивостью к атмосферным воздействиям, в то время как мицелий, прежде всего, обладает изоляционными свойствами. Это связано с тем , что в области оценки воздействия мицелия на окружающую среду проведено не так много исследований. Еще одним важным выводом из этого исследования является благоприятный экологический эффект увеличения масштабов производства мицелия от лабораторных до промышленных (Stelzer et al., 2021)

В то время как работа Stelzer и соавторов (2021) представляла собой всего лишь сравнение мицелия с традиционным строительным материалом, Каркасси и соавторы (2022) сравнили воздействие на окружающую среду одного из видов кирпича из грибов с другими аналогами на биологической основе. Кирпич изготовлен из отходов бамбука в качестве основы, которую авторы назвали MycoBamboo. Предполагается, что функциональная единица (FU) составляет 1/2 каждого кирпича, а также значение U устанавливается равным путем изменения толщины образцов. Предполагая 60-летний срок хранения и учитывая, что источником топлива является несмотря на то, что биокомпозит из мицелия является возобновляемым, его потенциал для глобального потепления, как сообщается, ниже , чем у других кирпичей. Однако процесс масштабирования от лабораторных до промышленных масштабов и его влияние на снижение потенциала глобального потепления, хотя и упоминаются, подробно не обсуждается. Кроме того, сценарий окончания срока службы (EoL), который является ключевым при расчете воздействия мицелия на окружающую среду, не описан подробно ни в одном из двух упомянутых источников. Один важным моментом, упомянутым в этом исследовании для обоснования более низкого потенциала биокомпозита мицелия для глобального потепления, является замена синтетического связующего в аналогах на биологической основе полностью натуральным и биогенным мицелием. Использование альтернативных низкоэнергетических материалов для подавления роста грибков предлагается в качестве средства снижения общего потенциала глобального потепления благодаря этой новой технологии (Carcassi et al., 2022)

Этап строительства и эксплуатации

На этапе строительства следует отметить возможность производства строительных материалов на биологической основе на месте из местных материалов, что позволяет значительно сократить выбросы, связанные с транспортировкой на большие расстояния. Отличие новых поколений композитов на основе мицелия от традиционных биоматериалов заключается в наличии природного грибкового связующего, в отличие от химических связующих в композитах, таких как LHC. Необходимость в натуральных связующих будет важную роль в сельскохозяйственных сообществах, что, в свою очередь, приводит к круговому использованию материалов и отходов и существенному сокращению выбросов, связанных с использованием материалов не местного производства.

В Канаде и Европе мы наблюдаем подобные механизмы, которые продолжают внедряться. Во Франции издан новый экологический регламент (RE2020), который обеспечивает нормативную базу для использования альтернативных строительных материалов на биологической основе для будущего устойчивого строительства. В статье в www.architectural-review.com есть интересные статистические данные, которые касаются роста строительства на биологической основе во Франции.

Главным моментом является изобилие соломы как побочного продукта выращивания пшеницы во Франции, которая производит до 25 миллионов тонн в год, из которых , как сообщается, только 10 процентов достаточно для утепления 500 000 жилых домов в год. Кроме того, Франция также является ведущим производителем конопли в Европе в качестве еще одного субстрата для биоматериалов (www.architectural-review.com). Инновация в использовании мицелия в качестве связующего и дополнительного волокнистая структура - это трансформация в цепочке поставок материалов на биологической основе, поскольку она позволяет как в секторе строительства, так и в секторе реконструкции следует использовать полностью местные материалы, учитывая обилие субстрата и грибковых ресурсов в Канаде и Франции. Сообщается, что модульное строительство как результирующая строительная парадигма значительно сокращает выбросы парниковых газов на этапе строительства (Boafo, Kim, & Kim, 2016). Эта растущая практика находит применение в различных отраслях - от строительства и реконструкции до упаковки и моды.

В секторе реконструкции, поскольку кирпичи из мицелия просты в производстве и монтаже, в Европе существует растущий рынок, который в последние годы распространяется на Северную Америку. Стадия жизненного цикла, связанная с использованием, с точки зрения воздействия на окружающую среду, как правило, преобладает над всеми другими стадиями на протяжении всего жизненного цикла. Это в основном связано с высоким потреблением энергии на этом этапе, которая расходуется на отопление, кондиционирование воздуха, электроснабжение и горячее водоснабжение жилых помещений. Роль изоляционных материалов на основе мицелия на этом этапе заключается в их значительной теплоизоляционной способности, которая существенно снижает потери энергии зданием и последующее воздействие на окружающую среду в некоторых случаях увеличивается на 50% (Ливне и др., 2022).

Стадия окончания срока службы

На данном этапе, поскольку биокомпозиты на основе мицелия среди материалов на биологической основе, как правило, не имеют длительной предыстории, сценарии окончания срока службы на практике не оцениваются. Таким образом, исследования основаны на предположениях, и в большинстве из них рассматриваются различные сценарии окончания срока службы (Лекомпт, Левассер и Максим, 2017). В литературе в основном рассматриваются два отличительных процесса и сценария, включая переработку и удаление отходов. Один из популярных процессов утилизации отходов, который был исследован в литературе это называется сжиганием. Причина заключается в том, что большинство материалов на биологической основе являются горючими, и сжигание может обеспечить эффективные решения для рекуперации энергии (Войновска-Барыла, Куликовская и Бернат, 2020). Бегбедер, Соккалингейм, Перрен, Бенезе и Бержере (2019) рассмотрели четыре сценария захоронения отходов, сжигания, создания композитов и вторичной переработки. Вторичная переработка имеет более высокие показатели среди других альтернатив с точки зрения воздействия на окружающую среду (эвтрофикация пресной воды исключены), за исключением полимерных материалов на биологической основе, производство которых является дорогостоящим. Поэтому вторым вариантом является сжигание, а в других случаях - компостирование. Что касается сжигания, то образующиеся при сгорании вещества могут вызвать такие опасные явления, как экологическая токсичность почвы и изменение климата.

Использование городского мусоросжигательного оборудования предлагается в качестве эффективного подхода либо из -за особой нагрузки на это оборудование, либо из-за смеси веществ на биологической и небиологической основе в составе отходов. Это приводит к экономии ископаемого топлива для производства тепла и электроэнергии, особенно когда их систематическая эксплуатация происходит в рамках систем ТЭЦ в интегрированном микрорайоне (Jones & Brischke, 2017). Питтау, Краузе, Люмия и Хаберт (2018) исследовали эффект накопления углерода в биогенных материалах и продуктах на основе извести, когда они используются в качестве строительных материалов, особенно для наружных стен. Новизна этого исследования заключается в рассмотрении временных рамок выбросов и улавливания углерода, что, в свою очередь, приводит к иным результатам по сравнению с теми, которые предполагаются при выбросах и поглощенный углерод равен нулю. Результаты показывают, что хранение углерода в быстрорастущих биогенных материалах более эффективно, чем в древесных элементах. Углерод, содержащийся в быстрорастущих биогенных материалах, полностью поглощается растениями только через год после строительства, в то время как для лесных продуктов требуется больше времени из-за длительного периода севооборота, необходимого для восстановления лесов. Что касается других компостируемых материалов на биологической основе, то наиболее распространенным сценарием, о котором сообщается в литературе, является их захоронение на свалках. Его основные последствия классифицируются как проблемы, связанные с землепользованием, изменение климата и экологическая токсичность (Fouquet et al., 2015). Кроме того, анаэробный распад этого вида материалов (особенно дерева, пробки и бумаги) недостаточно, что приводит к длительному хранению углерода на свалках.

Однако биокомпозиты с мицелием требуют иного подхода из-за того, что они на 100% разлагаемы . Кашионе и др. (2022) исследовали округлость панелей на биологической основе, рассчитав воздействие различных частей стеновой панели, и искали альтернативные варианты с низким уровнем воздействия, одним из которых является мицелиевый композит в качестве утеплителя. Предполагается, что в конечном итоге отходы будут выбрасываться на свалку, поскольку они полностью поддаются биологическому разложению, но утверждается, что, поскольку они содержат волокна, небольшой процент отходов также может быть сожжен. Захоронение отходов связано с выбросами углерода связывание, которое является процессом, имеющим первостепенное значение в ситуациях, связанных с окончанием срока службы. Помимо этого исследования, не существует комплексных исследований LCA для мицелия, особенно тех, которые изучают возможность повторного использования и рециркуляции этих материалов. Кроме того, долговечность этих материалов с течением времени все еще остается под вопросом, поскольку это все еще новая технология и она не получила широкого распространения в зданиях.