Передовая инженерная школа СПбПУ «Цифровой инжиниринг» и Университет Занджана в Иране развивают совместный проект в области строительного инжиниринга и биотехнологий

25 июля 2025 года на базе Передовой инженерной школы Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого «Цифровой инжиниринг» (ПИШ СПбПУ) состоялся в дистанционном формате межвузовский научный семинар «Цифровой инжиниринг в строительстве».

Основная цель семинара состоит в экспертном обсуждении промежуточных результатов международного проекта «Инженерные био-бетоны для самовосстановления: новая биотехнология в промышленном масштабе» (Engineered bio-concretes for self-healing: A novel biotechnology on an industrial scale), поддержанного Российским научным фондом и Iran National Science Foundation (INSF). Сроки выполнения проекта охватывают период с 2024 по 2027 год. Исследование ведут совместно научные коллективы Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого и Университета Занджана (University of Zanjan) в Иране.

Директор Научно-технологического комплекса «Цифровой инжиниринг в гражданском строительстве» Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг», профессор, доктор технических наук Николай Иванович Ватин выступил модератором мероприятия. 

Профессор, доктор Университета Занджана Хамид Рахмани (Hamid Rahmani) рассказал о предварительных итогах нескольких этапов исследования. Участниками семинара стали научные сотрудники Университета Занджана, эксперты в области строительного инжиниринга и биотехнологий, а также специалисты Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг».

Со стороны Университета Занджана в проекте принимают участие: Хамид Рахмани (Hamid Rahmani, руководитель научного коллектива, профессор, доктор, строительный инжиниринг), Мохаммад Махди Хани Сарбанголи (Mohammad Mahdi KhaniSarbangoli, магистрант, строительный инжиниринг), доктор Аббас Бахари (Abbas Bahari, доцент, биотехнологии), Мохаммад Шири (Mohammad Shiri, магистрант, строительный инжиниринг), Реза Фатипур (Reza Fathipour, аспирант, строительная инженерия), Амин Эбрагимпур Бозорг (Amin Ebrahimpour Bozorg, кандидат наук, строительный инжиниринг) и Элахе Голамиан (Elahe Gholamian, выпускница университета, биология). 

В научный коллектив Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого под руководством директора Научно-технологического комплекса «Цифровой инжиниринг в гражданском строительстве» ПИШ СПбПУ, профессора, доктора технических наук Николая Ивановича Ватина входят:

• главный научный сотрудник Лаборатории механики многокомпонентных и многофазных сред НТК «Цифровой инжиниринг в гражданском строительстве» ПИШ СПбПУ, доктор биологических наук Владимир Анатольевич Чистяков,
• заведующий Лабораторией механики многокомпонентных и многофазных сред НТК «Цифровой инжиниринг в гражданском строительстве» ПИШ СПбПУ, кандидат технических наук Евгений Владимирович Котов,
• научный сотрудник Лаборатории механики многокомпонентных и многофазных сред НТК «Цифровой инжиниринг в гражданском строительстве» ПИШ СПбПУ Екатерина Владиславовна Аллилуева,
• научный сотрудник Лаборатории механики многокомпонентных и многофазных сред НТК «Цифровой инжиниринг в гражданском строительстве» ПИШ СПбПУ Ольга Юрьевна Арамова,
• инженер Лаборатории механики многокомпонентных и многофазных сред НТК «Цифровой инжиниринг в гражданском строительстве» ПИШ СПбПУ Татьяна Александровна Кирсанова,
• специалист Лаборатория защищенных и модульных сооружений НТК «Цифровой инжиниринг в гражданском строительстве» ПИШ СПбПУ Мария Константиновна Шинкарева.

Команда исследователей включает в себя широкий круг специалистов различных уровней квалификации и специализаций, что обеспечивает всесторонний охват проекта и демонстрирует глубокую приверженность развитию этой биотехнологии на многих уровнях.

В основе исследования лежит концепция самовосстанавливающихся бетонов — материалов, способных автономно, без внешнего вмешательства, устранять повреждения, такие как трещины. Эта инновационная технология направлена на использование биологических агентов, в частности бактерий, для восстановления структурной целостности бетона. Основной механизм самовосстановления состоит в способности бактерий стимулировать осаждение минералов, преимущественно кальцита (карбоната кальция), который заполняет и герметизирует трещины в бетонной матрице.

• «Применение био-бетонов для самовосстановления имеет значительные преимущества, включая увеличение срока службы бетонных конструкций, снижение затрат на техническое обслуживание и повышение устойчивости инфраструктуры. Использование биологических процессов для восстановления материалов определяет фундаментальный сдвиг в материаловедении, который предлагает экологически чистую и эффективную альтернативу традиционным методам ремонта.
• Этот проект представляет собой значимое международное сотрудничество между Россией и Ираном, которое объединяет академические и исследовательские ресурсы двух стран для продвижения инновационных решений в области строительных материалов»,
  – пояснил профессор, доктор Университета Занджана Хамид Рахмани.

Директор Научно-технологического комплекса «Цифровой инжиниринг в гражданском строительстве» ПИШ СПбПУ, профессор, доктор технических наук Николай Ватин дополнил:  

• «Главная задача проекта состоит в формировании биотехнологических основ производства высококачественного самовосстанавливающегося бетона. Её решение позволит углубить понимание фундаментальных процессов, лежащих в основе интереснейшего феномена регенерации стройматериалов, а также предложить новые технологии для отечественной строительной индустрии.
• В рамках проекта впервые в мире ведется систематическая работа по подбору, селекции и конструированию штаммов микроорганизмов для получения качественного био-бетона. Также в первый раз в мировой практике будет исследована возможность применения относительно дешевых бесклеточных препаратов с высокой уреазной активностью, таких как, например, сырые соевые бобы и отходы производства соевых продуктов, для регенерации бетона».

В ходе исследования был проведен тщательный отбор и характеристика различных штаммов бактерий. Способность био-бетона к самовосстановлению представляет сложный процесс, который зависит от множества взаимосвязанных параметров. Исследование показывает, что такие факторы, как вид бактерий, тип питательной среды, количество бактерий и температура, могут существенно влиять на эффективность самовосстановления. Это указывает на многофакторную сложность оптимизации характеристик био-бетона. Для достижения успешной системы самовосстановления требуется целостный подход, который не фокусируется исключительно на отдельных переменных.

Также для всестороннего изучения штаммов бактерий команда ПИШ СПбПУ приняла участие в раскопках древнегреческого античного города Горгиппии.

• «Понятно, что с поиском живых бактерий, а ищем мы их в древних обломках цементного раствора и необожженных кирпичах, могут быть сложности, и мы к этому готовы, — прокомментировал поиски древних бактерий главный научный сотрудник Лаборатории механики многокомпонентных и многофазных сред НТК «Цифровой инжиниринг в гражданском строительстве» ПИШ СПбПУ, доктор биологических наук Чистяков Владимир.—
• Главное, что в природе они есть, их нужно только суметь найти. Причем использовать, мы уверены, можно и мертвые микробы. Из них мы выделим ДНК, “прочитаем” ее и попытаемся смоделировать популяцию древних бактерий из ныне живущих. И научимся вживлять их в бетон, чтобы они не позволили трещинам его разрушить. Это существенно повысит прочность самого распространенного и незаменимого строительного материала».

Ключевым аспектом разработки био-бетона является способность бактерий выживать и сохранять активность в высокощелочной среде бетона. Научным коллективом проекта были проведены обширные исследования выживаемости различных бактериальных штаммов при различных значениях pH (12.5 и 13.5) и времени воздействия (10 и 100 минут).

Проект также включает изучение вопроса о том, может ли выращивание бактерий в щелочном растворе увеличить их выживаемость. Результаты однозначно показали, что это не так. Этот вывод имеет важное значение для промышленной масштабируемости, поскольку он упрощает процесс культивирования, устраняя необходимость в сложных протоколах предварительной обработки и, таким образом, снижая затраты и логистические проблемы, связанные с крупномасштабным производством био-бетона.

Одним из наиболее критических показателей эффективности самовосстанавливающегося бетона является восстановление его прочности на сжатие после образования трещин. В данной части исследования были представлены результаты испытаний различных смесей, содержащих бактерии с уреазной или карбоангидразной активностью. Дальнейший анализ данных по прочности на сжатие позволил выделить наиболее эффективные смеси и оценить значимость коэффициентов заживления. Результаты подчеркивают способность бактериального действия не только восстанавливать, но и превосходить исходные механические характеристики бетона.

На основе всесторонних исследований характеристик, жизнеспособности и способности к восстановлению прочности были отобраны наиболее эффективные бактериальные штаммы, которые демонстрируют наибольший потенциал для применения в самовосстанавливающихся бетонах.