Tessitura calcarea: bio-induced mineralization for material-driven design opportunities: rethinking recycled concrete and textile waste as valuable resources

This thesis explores the role of Biodesign in advancing the Circular Economy by investigating the potential of biocalcification for enhancing recycled concrete and textile fibers. The study focuses on a composite material incorporating construction and textile waste, with the aim of evaluating an alternative binding method based on microbial-induced calcium carbonate precipitation (MICP) from the bacterium Sporosarcina Pasteuri (S. Pasteurii) instead of traditional cement-based matrices. Given the complexity and extensive scope of the study, which could not be fully conducted within a single internship period, the research was structured into two phases: a virtual and a physical one. In this thesis, the first phase focused on virtual analysis, coupled with an initial experimental phase aimed at laying the groundwork for subsequent in-depth physical testing. The bacterial growth stage on the substrate, essential for validating the findings derived from the virtual and literature-based study, will be conducted in a next phase. This methodological approach ensures a structured progression, where the preliminary virtual simulations and literature analysis provide a solid foundation for the future empirical validation of the research hypotheses. This study contributes to the field of sustainable material innovation by demonstrating how computational tools can complement experimental limitations, offering new approaches for assessing bio-based composite materials. By integrating design, biotechnology, and AI-driven analysis, this research aligns with the principles of Circular Economy, aiming to reduce waste and environmental impact while fostering regenerative material solutions. Given the constraints in laboratory experimentation, the research did not directly conduct the bacterial growth phase but rather analyzed the substrate and documented the biocalcification process based on existing methodologies. Additionally, an AI-assisted qualitative analysis was conducted to simulate the expected material performance, exploring the potential mineralization outcomes and structural improvements of biocalcified composites. This study contributes to the field of sustainable material innovation by demonstrating how computational tools can complement experimental limitations, offering new approaches for assessing bio-based composite materials. By integrating design, biotechnology, and AI-driven analysis, this research aligns with the principles of Circular Economy, aiming to reduce waste and environmental impact while fostering regenerative material solutions.

Questa tesi esplora il ruolo del Biodesign nell'avanzamento dell'Economia Circolare attraverso l'analisi del potenziale della biocalcificazione per il miglioramento delle fibre tessili e del calcestruzzo riciclati. Lo studio si concentra su un materiale composito che integra scarti di edilizia e tessili, con l'obiettivo di valutare un metodo di legatura alternativo basato sulla precipitazione microbica del carbonato di calcio (MICP) indotta dal batterio Sporosarcina pasteurii (S. pasteurii), in sostituzione delle tradizionali matrici cementizie. Data la complessità e l'ampia portata dello studio, che non poteva essere interamente condotto in un solo periodo di tirocinio, la ricerca è stata strutturata in due fasi: una virtuale e una fisica. In questa tesi, la prima fase si è concentrata sull'analisi virtuale, accompagnata da una fase sperimentale iniziale mirata a gettare le basi per successivi approfondimenti sperimentali. La fase di crescita batterica sul substrato, essenziale per validare le conclusioni derivate dallo studio virtuale e dalla letteratura, verrà condotta in una fase successiva. Questo approccio metodologico garantisce una progressione strutturata, in cui le simulazioni virtuali preliminari e l’analisi bibliografica forniscono una solida base per la futura validazione empirica delle ipotesi di ricerca. Questo studio contribuisce al campo dell’innovazione dei materiali sostenibili dimostrando come gli strumenti computazionali possano integrare le limitazioni sperimentali, offrendo nuovi approcci per la valutazione dei materiali compositi a base biologica. Integrando design, biotecnologia e analisi guidate dall'intelligenza artificiale, questa ricerca si allinea ai principi dell’Economia Circolare, con l'obiettivo di ridurre gli sprechi e l'impatto ambientale, promuovendo soluzioni materiali rigenerative.