Arena unida con bacterias: cómo funciona el biocemento de ETH Zurich y sus límites

Investigadores de ETH Zurich han convertido arena suelta en elementos autoportantes de fachada y de tabiquería a temperatura ambiente. Para ello emplean una bacteria del suelo que hace crecer cristales similares a la caliza entre los granos. El trabajo procede de la investigación doctoral de la arquitecta Karen Antorveza Paez y dio lugar a dos métodos de fabricación digital que aglomeran la arena en elementos arquitectónicos sólidos. La afirmación principal es que el material es «apto para la construcción», pero las cifras medidas indican lo contrario. Según la propia descripción del equipo, el material se comporta como un mortero, no como un hormigón estructural, y su principal subproducto sigue sin resolverse.

01Cómo las bacterias cementan la arena

La química es la precipitación de calcita inducida microbianamente (MICP, por sus siglas en inglés). Sporosarcina pasteurii descompone la urea mediante la enzima ureasa. En un entorno rico en calcio, el carbonato que se libera precipita en forma de carbonato de calcio. Los cristales minerales resultantes unen mecánicamente los granos. Añadir los cristales no funde ni sinteriza la arena: lo que hacen es formar puentes en los puntos de contacto entre granos, de modo que la resistencia depende de cuánta calcita se forma y de dónde se forma. La resistencia a compresión de las probetas biomineralizadas guarda una correlación positiva con la cantidad de carbonato de calcio precipitado.

Nada de esto es nuevo en principio. La MICP ya se ha utilizado en hormigón autorreparable y para reducir la erosión del suelo. La aportación de ETH consiste en tratarla como un paso de fabricación de un material independiente, en lugar de como una mejora de materiales ya existentes.

02Dos vías de fabricación

Impresión 3D de biocemento. La biotinta se compone de arena, bacterias vivas y un gel de base acuosa. El gel contiene alginato y xantano. Le da a la pasta la tensión de fluencia suficiente para mantener su forma entre la boquilla y el baño, y además transporta las células. Tras la extrusión, la estructura impresa se sumerge en un baño de cementación de 0,5 M de CaCl₂ y 0,5 M de urea. La mineralización dura de dos a cinco días, según la resistencia requerida. Después la pieza se seca y las bacterias dejan de estar activas. Antorveza Paez compara el proceso con la repostería: la impresión es la masa blanda y las bacterias hacen las veces de horno.

La geometría importa porque los reactivos tienen que difundirse hacia el interior de la pieza. En un artículo de 2025 sobre estructuras biocementadas fabricadas digitalmente, los autores señalaron que los microorganismos produjeron más calcita en geometrías con mayor superficie expuesta al entorno. También indicaron que los demostradores de MICP impresos en 3D anteriores solían medir menos de 10 cm, mientras que sus muestras superaban los 20 cm de diámetro. Esto favorece las piezas delgadas, porosas y de tipo reticular frente a los bloques macizos.

Proyección robótica. Un brazo robótico aplica arena, bacterias y sustancias de mineralización en capas sucesivas, sin baño de inmersión. El objetivo son superficies más que objetos discretos. Antorveza Paez afirma que la impresión es adecuada para elementos arquitectónicos y la proyección para superficies. Su punto fuerte es la automatización: el proceso funcionó de forma continua durante seis meses en la Bienal de Arquitectura de Venecia de 2025. La proyección es la vía menos caracterizada. La impresión se conoce mejor como material, mientras que el proceso de proyección aún necesita trabajo en su estructura interna y su comportamiento mecánico.

Los resultados del equipo están recogidos en tres artículos, entre ellos el estudio de impresión publicado en npj Materials Sustainability. Aparecieron en npj Materials Sustainability, Architectural Intelligence y Biotechnology Design.

03Lo que dicen las cifras de resistencia

El artículo sobre impresión aporta los datos más claros. En las probetas de biotinta, las resistencias medias a compresión fueron de 1,36 ± 0,46 MPa y 1,15 ± 0,38 MPa en los dos grupos bióticos, frente a 1,06 ± 0,11 MPa en los controles abióticos. La diferencia no fue estadísticamente significativa. Dicho de otro modo, en esa biotinta el gel y la compactación de la arena hacían buena parte del trabajo. En las retículas impresas, las resistencias iban de aproximadamente 0,59–1,31 MPa en las probetas abióticas a 0,52–2,18 MPa en las bióticas, según la geometría de la retícula y la dirección de carga. La biocementación sí aumentó la resistencia y la rigidez en las retículas poco densas: la resistencia a compresión subió un 86 % y un 61 % en dos orientaciones. Los autores reconocen que las resistencias siguen siendo inferiores a las de los materiales estructurales de base cementicia.

Otros trabajos sobre MICP muestran lo que es posible con protocolos distintos:

La última fila corresponde a un sistema distinto. Alcanzó una resistencia a compresión simple superior a 50 MPa con 140 mm de profundidad de cementación al maximizar la densidad de compactación del árido. Los autores proponen componentes portantes prefabricados, donde podría sustituir parcialmente al hormigón tradicional. Se trata de una probeta compactada y optimizada, no de una retícula impresa con soporte de gel. La brecha entre ~2 MPa y 50 MPa demuestra que la química del aglutinante puede dar mucho más. El límite está en la densidad de compactación, el transporte de reactivos y la uniformidad. La cuestión abierta de ETH sobre el tamaño de grano encaja con este panorama: el tamaño de las partículas de arena sigue afectando a la resistencia final y a la porosidad, por lo que hacen falta más ensayos.

Como referencia, una fuente de patentes señala que las aplicaciones de hormigón de alta resistencia requieren por lo general al menos 40 MPa. Las piezas impresas de ETH quedan entre uno y dos órdenes de magnitud por debajo. De ahí los usos previstos: elementos de fachada, protecciones solares y tabiques.

04Huella de carbono: prometedora, pero aún sin demostrar

La motivación es real. La producción de cemento contribuye con en torno al 7–8 % de las emisiones mundiales de CO₂. Requiere hornos que funcionan a más de 1000 °C. La MICP evita ese calor, y un artículo sostiene que durante la biomineralización no se genera CO₂ asociado al proceso. Esa afirmación viene con salvedades: los resultados del proceso completo dependen de los reactivos, el curado y los subproductos:

• Una comparación de ciclo de vida para estabilización de suelos estimó la MICP en 4,3 kg de CO₂ por tonelada de suelo estabilizado, alrededor de un 86 % menos que la estabilización con cemento. El mismo artículo concluyó que en algunas aplicaciones las emisiones de la MICP superan las de los materiales tradicionales, y que la preparación de las materias primas es lo que más pesa. También observó una pérdida casi total de resistencia a compresión tras 10 ciclos de congelación-deshielo.
• Una evaluación independiente de un método enzimático relacionado halló un potencial de calentamiento global un 3 % inferior al del cemento Portland en estabilización de suelos. Es un beneficio mucho menor.

Se trata de estudios de estabilización de suelos, no de evaluaciones de componentes arquitectónicos impresos. En las fuentes que he podido encontrar no aparece ninguna cifra de ciclo de vida del proceso de ETH.

El problema del amonio es la restricción más severa. Químicamente, la reacción ureolítica produce dos moles de amonio por cada mol de carbonato de calcio precipitado. Es un contaminante, en particular para el agua. Antorveza Paez afirma que, sin gestionar el subproducto, el biocemento «lamentablemente no es sostenible». Un proceso basado en baños de reactivos agrava el problema, porque cada metro cúbico de pieza impresa deja un volumen de líquido cargado de amonio. ETH estudia ahora el impacto ambiental en sentido amplio y formas de gestionar o evitar el amonio, entre ellas el tratamiento, la recuperación y vías biológicas alternativas. Hay un tercer estudio en curso sobre este asunto.

05Lo que sigue sin demostrarse

Cuatro obstáculos separan este material de su uso en construcción:

1. Resistencia. Las piezas impresas rondan 1–2 MPa. Cerrar la brecha con las resistencias estructurales exige una mejor compactación, una cementación más profunda y uniforme y, probablemente, geometrías distintas.
2. Durabilidad. La sensibilidad a la congelación-deshielo observada en trabajos de MICP en suelos afines es una señal de alerta para fachadas exteriores en climas fríos. El comportamiento a largo plazo frente a la intemperie de los materiales de los artículos de ETH no figuraba en las fuentes que revisé.
3. Gestión del subproducto. Sin una vía creíble de tratamiento o recuperación del amonio, el argumento del bajo carbono no se sostiene.
4. Escala y coste. Los demostradores impresos superan ahora los 20 cm. Los paneles de altura completa, los baños de varios días y la logística de reactivos no se han probado a escala de edificio. Una comparación de estabilización de arenas cita el alto coste como una desventaja de la MICP.

Lo más razonable es interpretar el resultado como una vía creíble, sin calor, para obtener piezas minerales de geometría compleja y con prestaciones de mortero, como protecciones solares, celosías y tabiques. Todavía no es un sustituto del cemento. Los registros de resistencia de otros laboratorios sugieren que podría llegar a ser más resistente. La contabilidad del amonio decidirá si además es más limpio.