On-line PAC-monitorering af meso-skala anaerob biomassenedbrydning. On-line PAC-monitoring of a meso-scale anaerobic biomass digestion

Transkript

1

2

3 On-line PAC-monitoring of a meso-scale anaerobic biomass digestion Abstract This study concerns on-line PAC-monitoring of an anaerobic digestion (AD) fermentation process at a meso-scale biogas plant. In the bio-energy sector online monitoring solutions have to be practical, efficient and inexpensive in order to accommodate cost efficiency of instrumentation and monitoring systems. Due to this it is of interest to develop methods which fulfils these requirements and at the same time entails a sufficient characterization of the heterogeneous biomass. The aim of the study is to investigate if the change in biomass composition due to changes in operating conditions (overloading and temperature increase) could be detected by using on-line near infrared (NIR) spectroscopy with a newly developed method, the TENIRS-system. By comparing the obtained NIR-spectra to important AD process parameters analysed off-line it was possible to develop calibration models by Partial Least Squares (PLS) regression. The experimental work and the following multivariate data analysis resulted in acceptable PLS-prediction models for total VFA, individual VFAs and ammonium-n. The average of obtained slope-values for the developed calibration models was 0.92 and the same value was achieved for the correlation. Furthermore it was noticed that the VFA contents had a widely affect on the biogas production which emphasizes the importance of VFA as a process indicator in biogas plants. On-line PAC-monitorering af meso-skala anaerob biomassenedbrydning Synopsis Dette diplomprojekt omhandler on-line PACmonitorering af en anaerob nedbrydningsproces i et meso-skala biogasanlæg. I bioenergisektoren er det essentielt, at on-line monitorering foregår ved praktiske, effektive og billige metoder, for derigennem at kunne reducere omkostningerne til instrumentering og monitoreringssystemer. Af denne grund er det interessant at udvikle metoder, der opfylder disse krav og samtidig muliggør en tilfredsstillende karakterisering af den heterogene biomasse. Formålet med dette projektarbejde er at undersøge, hvorvidt en ændring af biomassens sammensætning, som følge af operationelle ændringer (belastning og temperaturstigning), kan detekteres ved brug af on-line nær-infrarød (NIR) spektroskopi med anvendelse af et nyudviklet apparatur; TENIRS. Ved sammenligning af de opnåede NIR-spektre med referenceanalyser af væsentlige procesparametre var det muligt at opstille kalibreringsmodeller ved brug af Partial Least Squares (PLS) regression. Forsøgsarbejdet og den efterfølgende multivariate dataanalyse resulterede i tilfredsstillende prædiktionsmodeller for hhv. total VFA, de enkelte VFA-syrer og ammonium-n. De udarbejdede kalibreringsmodeller resulterede i en gennemsnitlig nøjagtighed på 0,92, hvilket ligeledes blev opnået for præcisionen. Ved forsøgsarbejdet blev det desuden observeret, at biomassens indhold af VFA havde stor indflydelse på biogasproduktionen, hvilket understreger anvendeligheden af VFA som procesindikator ved biogasanlæg. Tema Vejledere Illustrationer Industriel Bioteknologi Jens Bo Holm-Nielsen Forside: Methanosarcina 46 Kim H. Esbensen DJF, Bygholm 36 P5-projekt v/aalborg Universitet Esbjerg Ekstern vejleder Afsnit 1: Snertinge biogasanlæg 50 Niels Bohrs Vej 8 Henrik B. Møller Methanosarcina, 3D Esbjerg Tlf Projektperiode inst@aue.auc.dk Projektgruppe Sidetal H106B Hovedrapport 96 Helene Møller Appendiks 99 Karina J. Larsen

4

5 Forord Dette afgangsprojekt er udarbejdet på 7. semester i uddannelsen til kemiingeniør ved Aalborg Universitet Esbjerg, Danmark. Rapporten henvender sig til universitetsstuderende med interesse for industriel bioteknologi og andre med interesse for procesoptimering og proceskontrol af biogasprocesser. Rapporten er inddelt i følgende 5 hovedafsnit On-line monitorering af biogasprocesser Forsøgsbeskrivelse Karakterisering af biogasprocessen Multivariabel dataanalyse Sammenfatning Til hvert hovedafsnit findes et afsnitsblad med en kort introduktion af indholdet i det pågældende afsnit. Henvisninger til litteraturlisten er angivet med hævet skrift. Figurer og lignende betegnes med Figur X og tabeller med Tabel X. Hvor intet andet er angivet, er figurer og tabeller eget materiale. Til rapporten forefindes et appendiks med uddybende teori og anvendte procedurer samt resultater til det udførte forsøgsarbejde. Ligeledes er vedhæftet en CD-ROM til rapporten med samtlige rådata fra analysearbejdet. Ved brug af CD-ROM skal ses bort fra sikkerhedsadvarsler under indlæsning af denne. Vi ønsker at takke vores vejledere Jens Bo Holm-Nielsen og Kim H. Esbensen for deres råd og vejledning gennem projektarbejdet. Ligeledes en tak til Henrik B. Møller ved Danmarks JordbrugsForskning for hans hjælp vedr. det praktiske forsøgsarbejde på Bygholm samt til Piotr Oleskowicz-Popiel for hans hurtige assistance ved problemer med forsøgsapparaturet. Esbjerg, d. 12. januar 2007 Helene Møller Karina J. Larsen 5

6 Indholdsfortegnelse 1 ON-LINE MONITORERING AF BIOGASPROCESSER PAC TIL ON-LINE MONITORERING AF PROCESSYSTEMER ANAEROB NEDBRYDNING ÅRSAGER TIL PROCESFORSTYRRELSER MONITORERING AF PARAMETRE TIL INDIKATION AF PROCESFORSTYRRELSER TIDLIGERE FORSØG MED ANVENDELSE AF TENIRS PROBLEMAFGRÆNSNING 29 2 FORSØGSBESKRIVELSE FORSØGSPLAN FORSØGSOPSTILLING PRØVETAGNING LABORATORIEANALYSER DELKONKLUSION 57 3 KARAKTERISERING AF BIOGASPROCESSEN BIOGASPROCESSENS UDVIKLING GENNEM FORSØGSPERIODEN DELKONKLUSION 64 4 MULTIVARIAT DATAANALYSE MULTIVARIAT KALIBRERING DELKONKLUSION 81 5 SAMMENFATNING DISKUSSION KONKLUSION PERSPEKTIVERING REFERENCER 93 6

7 97 A. NIR SPEKTROSKOPI 98 B. NIR-DATA 105 C. TILSÆTNING AF AMMONIUMCARBONAT I PRØVETRIN D. ANALYSEFORSKRIFT FOR MÅLING AF VFA 107 E. ANALYSEFORSKRIFT FOR MÅLING AF AMMONIUM-N 113 F. ANALYSEFORSKRIFT FOR MÅLING AF TOTAL NITROGEN 122 G. ANALYSEFORSKRIFT FOR MÅLING AF GASKVALITET 127 H. FORSKRIFT TIL BESTEMMELSE AF TS OG VS 129 I. MÅLING AF GASPRODUKTION I EFTERLAGER 133 J. MÅLING AF RÅ OG UDRÅDNET GYLLE 135 K. MÅLING AF PH 136 L. KEMIKALIELISTE 137 M. MULTIVARIAT DATAANALYSE 139 7

8 Indledning Anaerob nedbrydning af organisk affald, som f.eks. svinegylle, i biogasanlæg er en miljømæssig attraktiv teknologi. De miljømæssige fordele indebærer bl.a. produktion af kuldioxidneutral energi i form af biogas og beskyttelse af vandmiljøet gennem bedre udnyttelse af kvælstofholdig gødning. Ved forstyrrelse og ubalance af en anaerob biogasproces kan det tage en længere tidsperiode, ofte op til flere måneder, før processen atter er stabil med en tilfredsstillende biogasproduktion, hvilket har økonomiske omkostninger for anlæggene. Anvendelse af procesteknikken PAC (Process Analytical Chemistry), der er karakteriseret ved on-line/at-line analytisk monitorering af processer ved placering af sensorer i/ved reaktorer, vil kunne forbedre mulighederne for proceskontrol. Ved anvendelsen heraf kan der opnås real-time data fra processen, hvorved der, allerede i de tidlige stadier af begyndende procesforstyrrelser, vil kunne foretages justeringer af processen, således at proceseffektiviteten i biogasanlæggene øges, og anlæggenes økonomi derved forbedres. 20 Siden 1990 erne er opførelsen af biogasanlæg i Danmark stagneret. Dette skyldes flere faktorer såsom usikkerheder vedr. vedtagelse af elafregningspriser og derefter manglende økonomisk sammenhæng for anlæggene netop som følge af de vedtagne elafregningspriser. Af de gældende elafregningsregler, der blev vedtaget i 2004, fremgår det, at anlæg, der er etableret efter den 22. april 2004, afregnes med 60 øre/kwh de første 10 år og derefter med 40 øre/kwh de efterfølgende 10 år. Reglerne er en forringelse sammenlignet med reglerne for de biogasanlæg, der blev sat i drift før d. 21. april 2004, idet disse anlæg afregnes med 60 øre/kwh i 20 år eller minimum 15 år fra 1. januar Afregningen er en fast afregning, der således ikke tager hensyn til inflation, hvilket med tiden udhuler afregningen for anlæggene. 31 De sidste år har uenighed om placering af anlæggene ligeledes været en væsentlig årsag til manglende anlægsetablering. P.t. er 20 biogasfællesanlæg i drift i Danmark og disse behandler årligt tilsammen ca. 1,2 mio. tons gylle og tons organisk industriaffald. 7, 10 De danske biomasseressourcer til energiproduktion udgør ca. 170 PJ/år, hvoraf biomasse til biogasproduktion udgør ca. 40 PJ/år. Forbruget af biomasse til biogasformål er fra 1980 steget fra 0,2 PJ til 3,7 PJ i Således blev der i 2004 blot udnyttet ca. 9 % af potentialet på 40 PJ/år til biogasproduktion, jf. Tabel 1. At der ikke udnyttes en større andel af potentialet, kan forklares med investorers overvejelser vedr. usikkerheder omkring ovennævnte elafregningspriser samt anlægsplacering. 44 Potentiale [PJ/år] Forbrug i 1980 [PJ] Forbrug i 2004 [PJ] Andel udnyttet i 2004 [%] Biomasse 40 0,2 3,7 9,3 Tabel 1. Biomasseressourcer til produktion af biogas i Danmark. 44 Den ændrede elafregning i 2004, hvor afregningen er størst de første 10 år af driftsperioden, betyder, at biogasanlæggene allerede fra anlægsopstart er pressede til at have en effektiv biogasproces for at kunne nedbringe omkostninger fra anlægsetablering og drift. For at kunne opnå effektive anlæg er on-line monitorering tilrådeligt, da en begyndende procesubalance herved kan registreres på et tidligere stadie. En on-line monitorering kræver, at der vælges en eller flere egnede procesindikatorer som parametre for processtabiliteten. Den anaerobe nedbrydningsproces er en kompleks proces med stor mikrobiologisk diversitet, og velegnede procesindikatorer bør allerede i et tidligt stadie af en begyndende procesubalance kunne indikere en procesforstyrrelse for derigennem at undgå en større ubalance af den mikrobiologiske metabolisme. 8

9 Som mulig procesindikatorer foreslås ofte VFA (Volatile Fatty Acids), der kan måles som både total VFA-koncentration og som koncentration af de enkelte VFA-syrer. I forskerkredse er der uenighed om, hvorvidt der bør foretages måling af enten total VFA eller de enkelte VFA-syrer, som f.eks. acetat og propionat. Som procesindikator til on-line monitorering kan desuden anvendes ammonium-n, der ligeledes har betydning for processtabiliteten, da der let kan opstå ammoniak inhibering ved for høje indholdsværdier heraf. I biogassektoren anvendes ofte biomassetyper med et højt indhold af kvælstof, der bevirker et højt indhold af ammonium-n ved omdannelsen af bl.a. proteiner. Det høje indhold af nitrogen afstedkommer ligeledes ofte et lavt C/N-indhold i biomasseblandingen i biogasreaktorerne. På mange anlæg anvendes allerede on-line måling af enkelte procesindikatorer såsom ph og biogasproduktion. Parametre, som ph og gasproduktion, betragtes som let målbare men anses dog ikke som værende tilstrækkelige til kontrol af biogasprocessen, da en ændring af ph og biogasproduktionen først vil kunne registreres, efter at en ubalance af systemet er indtruffet. Derimod kan disse parametre være velegnet i sammenhæng med anvendelsen af nye 7, 30 procesindikatorer, som VFA og ammonium, til on-line måling på anlæggene. Da VFA anses for at være en af de mest velegnede procesindikatorer til kontrol af biogasprocessen, er der udført forskellige forsøg på at implementere en on-line/at-line måling af VFA. Størstedelen af de udførte forsøg er foregået ved at-line målinger, hvor der bl.a. er anvendt GC og HPLC. Anvendelsen af disse apparattekniske metoder har imidlertid vist sig både at kræve ekstra analyseudstyr og være tidskrævende, da prøverne skal forbehandles, ofte indebærende filtrering, før analyse foretages. Selve prøveforbehandlingen samt apparathåndteringen kræver desuden uddannet personale, hvilket medfører en øget omkostning til kontrol af processen. De i dag eksisterende metoder til måling af VFA er således komplicerede og omkostningsfulde. Derudover findes der p.t. ingen on-line målemetoder til måling af de enkelte VFA-syrer, der har et acceptabelt prisniveau samt er enkelte og effektive i anvendelse. 7 De seneste tiltag, vedr. indførelse af en simpel og effektiv on-line måling på biogasprocesser, indebærer forsøg med anvendelse af NIR-spektroskopi. Ved Christian-Albrecht s Universitetet i Kiel er udviklet et NIR-apparat med tilhørende flowcelle, (TENIRS Transflexive Embedded Near InfraRed Sensor), der gør apparatenheden velegnet til måling af væskestrømme. Ved universitetet i Kiel og Aalborg Universitet Esbjerg (AAUE) er der på dette apparat udført forsøg på gylle i laboratorieskala med måling af forskellige parametre, såsom TS/VS, VFA, total nitrogen og ammonium-n. Forsøgene har vist lovende resultater til bestemmelse af de nævnte parametre i et heterogent prøvemateriale som gylle. De tidligere forsøg er alle udført ved at-line målinger men kan med fordel forsøges implementeret on-line i større skala. 25 De ovennævnte tidligere forsøg med TENIRS danner grundlag for dette projektarbejde, idet der foretages en on-line monitorering med TENIRS på et meso-skala anlæg ved Danmarks JordbrugsForskning, Forskningscenter Bygholm. Det ønskes undersøgt, hvorvidt det er muligt at opnå pålidelige kalibreringsmodeller, baseret på NIR-målinger og kemiske referenceanalyser, ved måling af procesindikatorer som f.eks. VFA. Såfremt der ved disse forsøg opnås brugbare modeller, kan dette bidrage til videreudvikling af PAC på biogasprocesser i fuldskala. 9

10 Strukturdiagram Nedenstående strukturdiagram i Figur 1 skitserer rapportens opbygning. On-line monitorering af biogasprocesser PAC til on-line monitorering af processystemer Anaerob nedbrydning Årsager til procesforstyrrelser Monitorering af parametre til indikation af procesforstyrrelser Tidligere forsøg med anvendelse af TENIRS Problemafgrænsning Forsøgsbeskrivelse Forsøgsplan Forsøgsopstilling Prøvetagning Laboratorieanalyser Delkonklusion Karakterisering af biogasprocessen Biogasprocessens udvikling gennem forsøgsperioden Delkonklusion Multivariat dataanalyse Multivariat kalibrering Delkonklusion Sammenfatning Diskussion Konklusion Perspektivering Afsnit 1 Afsnit 2 Afsnit 3 Afsnit 4 Afsnit 5 Referencer Figur 1. Strukturdiagram. 10

11 1 On-line monitorering af biogasprocesser D ette afsnit indledes med en overordnet beskrivelse af PAC samt anvendelsen heraf. Herefter beskrives forløbet af den anaerobe nedbrydningsproces af biomasse, hvor de enkelte omsætningstrin forklares nærmere. Derforuden beskrives hvilke faktorer, der kan være årsag til procesforstyrrelse og -ubalance. I relation hertil nævnes hvilke parametre, der kan anvendes til indikation af procesforstyrrelse ved en fremtidig on-line monitorering. Endvidere omtales tidligere udførte forsøg med anvendelse af TENIRS, hvor udvalgte parametre er forsøgt monitoreret i laboratorieskala. 11

12 ON-LINE MONITORERING AF BIOGASPROCESSER 1.1 PAC til on-line monitorering af processystemer PAC er en procesanalytisk strategi, der muliggør kontrol og overvågning af kemiske processer. Formålet hermed er procesoptimering, hvorved der opnås stabile processer, forbedret produktkvalitet, forøget kapacitet, spildreduktion samt forbedret økonomi. PAC har været anvendt i petrokemiindustrien siden 1950 erne, men anvendes i dag indenfor adskillelige områder så som farmaceut-, fødevare- og bioteknologiindustrien. 8 Hidtil er kontrol af produktionsprocesser foregået ved prøvetagning fra processen, efterfulgt af transport af de udtagne prøver til analyselaboratorier. Ved analyselaboratorierne analyseres prøverne, og resultater heraf er tilgængelige efter en tidsperiode, typisk varende fra timer til flere dage. Derved udtrykker de analyserede prøver ikke processens nuværende tilstand men derimod processens stadie på prøvetagningstidspunktet. Ovennævnte procedure er imidlertid tidskrævende og derfor ikke velegnet til kontrol af processer, hvor en forholdsvis hurtig indgriben er nødvendig for at sikre og opretholde procesbalance. Anvendelsen af PAC muliggør en hurtigere indikation af procesustabilitet, hvorved der simultant kan foretages procesjustering. En væsentlig forskel ved anvendelsen af PAC, frem for anvendelsen af traditionelle analysemetoder, er således hastigheden, hvormed der foreligger analyseresultater. PAC anvender analyseinstrumenter, f.eks. NIR, der placeres i umiddelbar nærhed af procesanlægget og giver dermed mulighed for real-time resultater. Analyseinstrumenterne kan placeres ved siden af (at-line) eller direkte til/i (on/in-line) et procesanlæg. Figur 3 viser forskellen i anvendelse af hhv. traditionelt analyselaboratorium og PAC til procesmonitorering, og figuren viser tydeligt, hvorledes forløbet frem til beslutning, om evt. justering af processen, forkortes ved brug af PAC. 8, 9 Laboratorieanalyse Prøveudtagning Transport Analyse Videregivelse Beslutning af resultater PAC Analyse Beslutning Figur 2. Forløb frem til beslutningstrin ved anvendelse af hhv. analyselaboratorium eller PAC til procesmonitorering. Modificeret 8. Foruden den umiddelbare fordel ved PAC i form af real-time resultater opnås der yderligere fordele, idet omkostninger til analyser og teknisk personale minimeres. Analyse med PAC foregår automatisk og kræver derfor kun sparsom bemanding. Ved indførelse af PAC skal der tages højde for tre væsentlige faktorer for at opnå en optimal anvendelse af PAC, hvilke er: 9 Repræsentativ prøvetagning Sensorteknologi Dataanalyse 12

13 ON-LINE MONITORERING AF BIOGASPROCESSER Uanset om der anvendes traditionelle analyselaboratorier eller indføres PAC til procesmonitorering, har repræsentativ prøvetagning afgørende betydning for opnåelse af korrekt proceskendskab og procesforståelse. Pierre Gy s Theory Of Sampling (TOS) beskriver principperne bag repræsentativ prøvetagning og kan således anvendes som fremgangsmåde til udførelse af repræsentativ prøvetagning. TOS beskriver videre, at det kun er muligt at opnå en repræsentativ prøve gennem en korrekt prøveudtagning, og at vanskeligheder forbundet hermed bl.a. skyldes lottens/ procesmaterialets heterogenitet. 9 Valg af sensorteknologi til PAC afhænger af processen, hvorpå PAC planlægges implementeret samt af de resultater, der ønskes opnået. Udviklingen inden for sensorer går i retning af mindre og mere effektive sensorer, der muliggør forbedrede real-time procesmålinger. Af sensorer til brug ved PAC kræves, at de skal være robuste gennem pålidelige resultater og desuden være resistente overfor kemiske indholdsstoffer i processen. Valg af placering af sensor er afgørende for en tilfredsstillende proceskontrol, da sensoren til et givet tidspunkt repræsentativt skal beskrive processen for derigennem at opnå en korrekt monitorering. Desuden skal dimensioneringen af procesudstyr og sensor være tilpasset, og det skal tages i betragtning, at processens heterogenitet kan være årsag til afvigelser mellem PAC-signalet og procesmaterialets sande indhold. Endvidere kan der opstå systematiske fejl som følge af f.eks. fouling af sensor samt ufuldstænding opblanding af procesmaterialet. Ved anvendelse af NIR-målinger til PAC opnås et multivariabelt sensorsignal. Før at den valgte online sensor kan anvendes i PAC-sammenhæng, kræves en kalibrering af den multivariate sensor overfor referenceanalyser. Til dette formål anvendes multivariat dataanalyse, der sammenholder NIR-målinger og referenceanalyser. Til denne kalibrering kræves, som tidligere nævnt, fuldstændigt repræsentative prøver. Desuden skal prøven, der måles af sensoren, og referenceprøven være den 9, 28 samme, for derigennem at minimere risikoen for fejl grundet procesmaterialets heterogenitet. Én af fordelene ved anvendelsen af PAC er, at der, efter en korrekt multivariat kalibrering, ikke skal foretages videre fysisk prøvetagning fra den heterogene processtrøm. Endvidere er det muligt med PAC at opnå data løbende over tid, idet monitoreringen i princippet kan foregå kontinuert gennem hele processen. Ved indførelsen af PAC er det således muligt at styre og regulere processen, hvorved denne kontinuert kan justeres til at forløbe optimalt med deraf forøget produktion og produktkvalitet til følge. Før indførelsen af PAC på et givent processystem er det væsentligt, at det klarlægges hvilke referenceparametre, der er egnede og ønskes anvendt til kontrol og overvågning af processen. I det nærværende projektarbejde, hvor der ønskes udført on-line måling på svinegylle ved biogasprocesser, er der flere muligheder for valg af egnet parameter. Med det formål at danne overblik over selve biogasprocessen samt mulige procesindikatorer, der kan anvendes som referenceparametre, indeholder næste afsnit en beskrivelse af den biokemiske nedbrydning under biogasprocessen, mulige årsager til procesforstyrrelser samt parametre til overvågning af processen. 13

14 ON-LINE MONITORERING AF BIOGASPROCESSER 1.2 Anaerob nedbrydning Anaerob nedbrydning af organisk stof er en kompleks biologisk proces, der kræver forekomst af flere typer af mikroorganismer. De forskellige mikroorganismegrupper er individuelt afhængige af hinanden, idet nedbrydningsprodukter fra én type af mikroorganisme fungerer som substrat for andre mikroorganismer. Mikroorganismerne har forskellige vækstrater og forskellig følsomhed overfor ændringer i omgivelserne. En anaerob nedbrydning kræver således et fint afbalanceret forhold mellem mikroorganismer og ændringer i omgivelserne. En ukontrolleret drift af processen kan derfor let forårsage ubalance mellem de forskellige typer af mikroorganismer med et deraf dårligere gasudbytte og evt. sammenbrud af processen til følge. Ved den anaerobe nedbrydning omdannes organisk kulstof til dets mest oxiderede (CO 2 ) og mest reducerede (CH 4 ) tilstand. Den anaerobe nedbrydning foregår uden tilstedeværelse af uorganiske elektronacceptorer som f.eks. O 2, NO - 3, SO 2-4, Fe 3+ og Mn 4+, men i stedet foregår nedbrydningen med protoner og HCO - 7, 10 3 som elektronacceptorer. Anaerob nedbrydning inddeles traditionelt i hydrolyse, fermentering, acetogenese og metanogenese, se Figur 3, hvor hydrolysen fungerer som første trin før fermenteringen, og dernæst følger 1, 7, 10 acetogenese og metanogenese. Figur 3. Mikrobiel anaerob nedbrydning af organisk materiale. I det følgende beskrives de enkelte trin nærmere. 14

15 ON-LINE MONITORERING AF BIOGASPROCESSER Hydrolyse I hydrolysetrinnet foregår en extracellulær proces, hvor organiske polymerer, som carbonhydrater, proteiner og lipider, nedbrydes til mono- og oligomere ved hjælp af extracellulære enzymer udskilt af hydrolytiske og fermentative mikroorganismer. Hydrolysen er et vigtigt trin før fermentationen, da de fermentative bakterier ikke er i stand til at optage de langkædede stoffer, men i stedet anvender de mere kortkædede stoffer dannet under hydrolysen. Hydrolytiske enzymer som cellulase, xylanase og amylase nedbryder carbonhydrater til glucose. Proteiner nedbrydes til aminosyrer af de proteolytiske bakterier, der udskiller protease, og lipider nedbrydes til glycerol og LCFA (Long Chain Fatty Acids) via lipolytiske bakterier, der udskiller lipase. Hydrolyseraten afhænger af flere faktorer som f.eks. det organiske materiales størrelse og overflade samt enzymproduktionen. Derudover har en kompetitiv adsorption af enzym på inerte 7, 10, 30 indholdsstoffer i biomassen, som f.eks. lignin, ligeledes betydning for hydrolysehastigheden Fermentering Efter hydrolysen fermenteres de dannede mono- og oligomere af de fermentative bakterier til en lang række af organiske stoffer som f.eks. VFA, laktat, alkoholer, acetat, carbondioxid og hydrogen. Fermentationsprodukter som acetat, carbondioxid og hydrogen kan anvendes direkte af de metanogene bakterier til dannelse af metan og carbondioxid, mens mere reducerede stoffer som alkoholer og langkædede VFA er oxideres yderligere ved hjælp af acetogene bakterier ved 1, 7, 10 acetogenese. Tabel 2 illustrerer de væsentligste reaktioner, der forekommer ved den anaerobe nedbrydning af carbonhydrater (i den viste tabel tages udgangspunkt i glucose). Nr. Trin Reaktion I Glucose Acetat C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O 2CH 3 COOH + 2CO 2 + 4H 2 II Glucose Propionat + Acetat 3C 6 H 12 O 6 4CH 3 CH 2 COOH + 2CH 3 COOH + 2CO 2 + 2H 2 O III Glucose Butyrat C 6 H 12 O 6 CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2CO 2 + 2H 2 IV Glucose Laktat C 6 H 12 O 6 2CH 3 CHOHCOOH V Glucose Ethanol C 6 H 12 O 6 2CH 3 CH 2 OH + 2CO 2 Tabel 2. Reaktionsligninger for vigtige omdannelser ved fermentering. 7 Den store variation af dannede fermentationsprodukter skyldes de fermentative bakteriers evne til at ændre deres metabolisme efter de mest favorable energimæssige forhold afhængig af bl.a. partialtryk af hydrogen, substratkoncentration og ph. Partialtrykket af hydrogen menes at have indflydelse på fermenteringsforløbet, idet et lavt partialtryk af hydrogen bevirker, at dannelsen af acetat og hydrogen favoriseres frem for dannelsen af VFA er, laktat og ethanol. 7 På Figur 3 ses, at dannelsen af acetat og hydrogen, under stabile forhold, udgør størstedelen (51 % og 19 %) af de dannede fermenteringsprodukter, mens de resterende 30 % udgøres af langkædede VFA er, alkoholer og laktat. En høj organisk belastning (høj føderate) vil ofte bevirke en signifikant øget laktatproduktion, mens en lav ph-værdi (ph < 5) bevirker en øget produktionen af ethanol, og en høj ph-værdi øger dannelsen af VFA. 15

16 ON-LINE MONITORERING AF BIOGASPROCESSER Acetogenese Før at de metanogene bakterier kan anvende de langkædede VFA er samt alkoholer til metandannelse, er det nødvendigt at disse stoffer oxideres yderligere. VFA er med mere end to kulstofatomer og alkoholer med mere end ét kulstofatom oxideres af de acetogene bakterier til acetat, format, hydrogen og carbondioxid. Oxidationsprocesserne af VFA er ved standard betingelser ikke spontant forløbende (endergone processer), men ved et lavt partialtryk af hydrogen bliver processerne mere spontant forløbende (exergone processer), idet at Gibbs fri energi bliver mindre end nul. Tabel 3 viser oxidationsreaktioner for VFA, hvori det ses, at samtlige reaktioner bliver termodynamisk favorable ved lavt partialtryk af hydrogen. Et lavt hydrogen-partialtryk opretholdes ved hjælp af de hydrogenforbrugende metanogene bakterier, der opnår energi ved nedbrydning af hydrogen og carbondioxid til metan. Acetogenesen foregår således under syntrofiske forhold mellem acetogene bakterier og hydrogenforbrugende 1, 7, 10 metanogene bakterier. Nr. Trin Reaktion VI Propionat Acetat Gº [kj/mol] Gº [kj/mol] CH 3 CH 2 COOH + 2H 2 O CH 3 COOH + 3H 2 + CO 2 76,2-14,6 VII Butyrat Acetat CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2H 2 O 2CH 3 COOH +2H 2 48,4-25,9 VIII i-butyrat Acetat CH 3 (CHCH 3 )COOH + 2H 2 O 2CH 3 COOH + 2H 2 48,4-25,9 IX X Valerat Acetat + Propionat i-valerat Acetat CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 COOH + 2H 2 O CH 3 COOH + CH 3 CH 2 COOH + 2H 2 48,4-25,9 CH 3 (CHCH 3 )CH 2 COOH + 2H 2 O + CO 2 3CH 3 COOH + 2H 2 20,2-36,8 Tabel 3. Reaktionsligninger for vigtige omdannelser ved acetogenese ( G 0 er baseret på 25 ºC, ph 7, P H2 på 10-5 atm, P CH4 på 0,7 atm, c organiske syrer på 1 mm og HCO - 7, 10 3 på 0,1 M). Oxidationen af propionat foregår vha. methylmalonyl-coa, hvormed der dannes acetat, hydrogen og carbondioxid. Butyrat og valerat nedbrydes via β-oxidation til hhv. acetat, samt acetat og propionat. På tilsvarende vis nedbrydes i-butyrat også ved β-oxidation efter en forudgående isomerisering til butyrat. Nedbrydningen af i-valerat kræver tilstedeværelse af carbondioxid og er en mere kompliceret proces indeholdende bl.a. carboxylering og dehydrogenering. Acetogene bakterier er, foruden de hydrogenforbrugende metanogene bakterier, ligeledes afhængige af de acetoklastiske metanogene bakterier. De acetoklastiske bakterier nedbryder acetat til metan, og fjernelsen af acetat har betydning for den fortsatte nedbrydning af VFA til acetat (Le Chateliers princip). Dette er specielt gældende for nedbrydning af i-valerat, hvor der dannes tre molekyler acetat for hvert molekyle af syren, der nedbrydes. En ophobning af acetat menes dog at have en inhiberende virkning på acetogenesen Metanogenese Metanogenesen udgør det sidste trin af den anaerobe nedbrydning af organisk stof. I dette trin omsættes acetat, carbondioxid og hydrogen til metan, carbondioxid og vand. Det vigtigste substrat til metandannelsen er acetat, hvilket udgør ca. 70 % af den totale substratmængde til 16

17 ON-LINE MONITORERING AF BIOGASPROCESSER metanproduktion. De resterende 30 % dannes hovedsageligt ud fra hydrogen, carbondioxid og format. Metanogenesen ud fra acetat kan forløbe på to forskellige måder, jf. reaktion nr. XII og XIII i Tabel 4. Reaktion XII viser en acetoklastisk metanogenese, hvor acetat omdannes til metan og carbondioxid. Omdannelsen af acetat kan desuden ske ved to delreaktioner, hvor methylgruppen i acetat først oxideres, reaktion XIII, hvorved der dannes hydrogen og carbondioxid. Herefter sker der i reaktion XI en reduktion til metan. Den acetoklastiske metanogenese menes at være den dominerende nedbrydning af acetat ved temperaturer op til 60 ºC, hvorimod de to delreaktioner menes at dominere over denne temperatur. Nr. Navn Reaktion Gº [kj/mol] XI Hydrogenforbrugende metanogenese 4H 2 + CO 2 CH 4 + 2H 2 O -135,0 XII Acetoklastisk metanogenese CH 3 COOH CH 4 + CO 2-31,0 XIII Acetat oxidation CH 3 COOH + 2H 2 O 4H 2 + 2CO 2 104,0 XIV Homoacetogenese 4H 2 + 2CO 2 CH 3 COOH + 2H 2 O -104,0 XV Format Metan 4HCOOH + 2H 2 O CH 4 + 3CO 2 + 4H 2 O -145 Tabel 4. Reaktionsligninger for vigtige omdannelser ved metanogenese. Desuden foregår en modsat rettet reaktion af acetat oxidationen; homoacetogenese, se reaktion XIV i Tabel 4. Den hydrogenforbrugende metanogenese er termodynamisk mere favorable end homoacetogenese, idet Gibbs fri energi er mindre for reaktionen. Hermed er dannelsen af metan (reaktion XI) mere favorabel end acetatdannelsen (reaktion XIV). De homoacetogene bakterier anses dog for at have en fleksibel metabolisme, hvor de kan omsætte flere substrater simultant og desuden have en evne til at fortsætte deres metabolisme ved lave temperaturer, lave koncentrationer af acetat og et lavt partialtryk af hydrogen. Under disse forhold menes de at kunne udkonkurrere de hydrogenforbrugende metanogene bakterier. Ved sammenligning af den acetoklastiske metanogenese med acetat oxidationen er førstnævnte mest favorabel. Ved højere temperaturer bliver acetat oxidation dog mere favorabel, og det menes, at metandannelse ud fra en forudgående acetat oxidation bidrager med 14 % af den totale acetatomdannelse til metan ved termofil udrådning. Hvilke reaktioner, af de i Tabel 4 nævnte, der forløber, afhænger således af forhold såsom temperatur, partialtryk af hydrogen og acetatkoncentration. Da de metanogene reaktioner omdanner det dannede acetat og hydrogen/carbondioxid til metan, har disse reaktioner, ifølge Le Chateliers princip, indflydelse på forløbet af de tidligere omdannelser under fermenteringen og 1, 7, 10 acetogenesen. 1, 7, 10 17

18 ON-LINE MONITORERING AF BIOGASPROCESSER 1.3 Årsager til procesforstyrrelser Flere faktorer, både kemiske og fysiske, har indflydelse på stabiliteten af en anaerob nedbrydningsproces. Faktorerne er hovedsageligt baseret på operationelle forhold eller på biomassens indholdsstoffer. Af operationelle forhold kan nævnes temperatur og ph, der begge har direkte effekt på mikroorganismernes metabolisme og dermed nedbrydningen af indholdsstoffer i biomassen. Ligeledes har belastningen og reaktorvolumenet betydning for omsætningen af biomasse. Koncentrationen og sammensætningen af indholdsstoffer i den rå biomasse kan have inhiberende eller ligefrem toksisk virkning, såfremt stofferne forekommer i koncentrationer større eller mindre end mikroorganismernes behov. Derudover kan en ustabil og ineffektiv biogasproces medføre, at biomassens sammensætning ændres, således at der produceres indholdsstoffer i inhiberende/toksisk koncentrationer under nedbrydningen. Faktorer med indflydelse på biogasprocessen er ofte indbyrdes afhængige men kan for overskuelighedens skyld inddeles i følgende grupper: Overbelastning Ændring i operationelle forhold Tilsætning eller produktion af inhiberende/toksiske stoffer Hver af disse tre grupper omtales i det følgende Overbelastning I dette projektarbejde består biomassen udelukkende af svinegylle. Svinegylle har et højt vandindhold og indeholder desuden sværtnedbrydelige fraktioner som f.eks. lignin. Dette bevirker, at svinegylle har et lavere gaspotentiale end mere letnedbrydeligt organisk stof som f.eks. slagteriaffald og olieprodukter. Metanudbyttet fra svinegylle er dog højere end metanudbyttet fra kvæggylle på grund af et højere protein- og fedtindhold samt mindre indhold sværtnedbrydelige carbonhydrater. Biomassens indhold af næringsstoffer er essentielt for mikroorganismernes metabolisme. Grundstoffer som carbon, hydrogen, nitrogen og oxygen er hovedbestanddele i bakterieceller, men også en lang række andre stoffer som f.eks. svovl, fosfor, kalium og calcium er nødvendige for cellevækst. Indholdet af næringsstoffer i svinegylle forekommer normalt i tilstrækkelig mængde til 7, 10, 29 mikroorganismers metabolisme. Overbelastning af biogasprocessen kan opstå ved forkert/utilstrækkelig overvågning og drift af processen. Overbelastningen kan forekomme som en hydraulisk og/eller organisk overbelastning. En hydraulisk overbelastning opstår når den hydrauliske opholdstid (HRT) for biomassen i reaktoren bliver mindre end mikroorganismernes generationstid. I denne situation er der risiko for, at mikroorganismer vaskes ud af reaktoren, hvorved mikroorganismernes nedbrydende egenskaber ikke udnyttes. Specielt de VFA-oxiderende bakterier og de acetoklastiske metanogene bakterier påvirkes af en hydraulisk overbelastning på grund af deres relative lave vækstrate. I praksis kan den hydrauliske overbelastning opstå som følge af høj belastning men kan også opstå ved et formindsket reaktorvolumen som en konsekvens af utilstrækkelig omrøring og et deraf tykt flydelag til følge

19 ON-LINE MONITORERING AF BIOGASPROCESSER Den lave vækstrate hos specielt de acetogene og metanogene bakterier medfører desuden en risiko for organisk overbelastning, idet at bakterierne ikke kan nedbryde næringsstoffer med samme hastighed, som næringsstofferne tilføres med biomassen og produceres af bl.a. de fermentative bakterier med højere vækstrate. Grundet de forskellige omsætningshastigheder vil der med tiden derfor kunne forventes en ophobning af VFA, herunder acetat. En organisk overbelastning kan desuden forekomme ved ændringer i den rå biomasses sammensætning til lettere nedbrydelige stoffer. Herved vil der ligeledes kunne opstå flaskehalsproblemer, som følge af forskelle i bakteriernes omsætningshastigheder, og dermed ske en ophobning af stoffer i biomassen Ændring i operationelle forhold Ved ændring i operationelle forhold forstås ændringer i f.eks. temperatur, ph og omrøring. Temperatur Temperatur er en faktor med væsentlig indflydelse på den anaerobe nedbrydningsproces i en biogasreaktor, idet temperaturen har betydning for de termodynamiske og kinetiske forhold af processerne. Desuden har mikroorganismer forskellige temperaturoptima, hvor deres metabolisme fungerer optimalt, og nedbrydningen er størst. Ved biogasproduktion skelnes oftest mellem to temperaturintervaller, hhv. det mesofile temperaturområde (25-40 ºC, oftest anvendt ºC) og termofile temperaturområde (45-60 ºC, oftest anvendt ºC). Anvendelsen af en høj udrådningstemperatur, som ved termofil udrådning, har flere fordele, hvoraf kan nævnes: Større opløselighed af organiske indholdsstoffer i biomasse, hvorved disse er lettere tilgængelige for mikroorganismer. Større reaktionshastighed af de kemiske og biologiske reaktioner og dermed større omsætning af organisk stof, hvorved HRT nedsættes, og/eller der kan anvendes reaktorer med mindre volumen. Større nedbrydning af LCFA og VFA Nedsat viskositet af biomasse, hvilket nedsætter energiforbruget til omrøring. Større væske-til-gas dannelse på grund af lavere gasopløselighed. Større nedbrydning af patogene bakterier i biomassen, hvorved efterfølgende hygiejnisering 1, 10 af udrådnet biomasse, før videre anvendelse til jordbrugsformål, kan udelades. Ulemper ved anvendelse af høj temperatur i anaerobe nedbrydningsprocesser er specielt forårsaget af ændringer i de temperaturafhængige pka-værdier for de indgående stoffer i biomassen. Af ulemper kan derfor bl.a. nævnes: pka for ammoniak falder ved øget temperatur, hvorved andelen af frit ammoniak vil stige, hvilket virker inhiberende på mikroorganismerne. pka for VFA stiger ved øget temperatur, hvormed VFA vil være på udissocieret form i et større ph-interval. Netop den udissocierede form af VFA virker inhiberende på mikroorganismer. 10 Biogasprocessen er således temperaturafhængig, men i hvilken grad temperaturændringer har indflydelse på biogasprocessen, afhænger bl.a. af det oprindelige temperaturniveau i reaktoren og 19

20 ON-LINE MONITORERING AF BIOGASPROCESSER hvilken type temperaturændring, der foretages såsom hurtig/langsom ændring, stor/lille ændring, længerevarende/kort ændring, osv. Erfaringer fra tidligere studier, hvor forskere har udført forsøg med kvæggylle i CSTR-reaktorer, viser, at en længerevarende temperaturstigning fra 55 ºC til 65 ºC giver en mindre metanproduktion og en signifikant stigning i VFA-indholdet. Det var dog muligt efterfølgende at restabilisere biogasprocessen ved den høje temperatur (efter 30 dage, 2 HRT), men stadig med et lavere metanudbytte og højere VFA-indhold til følge. 10 ph Mikroorganismer har, foruden forskelligt temperaturoptimum, desuden forskelligt ph-optimum, hvor omsætningen bedst forløber. ph-værdien har betydning for både den intra- og extracellulære enzymeffektivitet, idet enzymer er aktive inden for specifikke ph-intervaller. Metanogene bakterier har gode vækstbetingelser ved ph 5,5-8,5, dog er det optimale område mellem ph 6,5-8,0. De fermentative bakterier har mindre specifikke krav til ph, eftersom de kan vokse ved et bredere phinterval fra ph 4-8,5. En tidligere undersøgelse af ph og HRT s indflydelse på dannelse af VFA viste, at ved lav HRT og en ph-værdi på 5-7 blev der hovedsageligt dannet acetat og butyrat. Ved lav HRT og en højere ph-værdi var hovedprodukterne acetat og propionat. Bakteriers dannelse og nedbrydning af de fermentative produkter er således ph-afhængige. Bufferkapaciteten i biomassen er en faktor med indflydelse på processtabiliteten. Ved anaerob nedbrydning fungerer bicarbonat (HCO 3 -, pka 6,3) ofte som buffer. I svinegylle har bicarbonat ofte en høj bufferkapacitet, og systemet kan således tolerere temmelig høje koncentrationer af VFA (total pka 4,8), før der kan iagttages et ph-fald i reaktoren. Indholdet af bicarbonat samt et højt indhold af ammonium/ammoniak i svinegylle bevirker, at ph-værdien i svinegylle ofte er ca. 7, Omrøring Ved forskellige studier af omrøringens indflydelse på biogasprocessens stabilitet er det fundet, at omrøringen har indflydelse på procesinhibering, men derforuden også betydning for restabilisering efter overbelastning. Studierne viste, at biogasprocessen i en reaktor med begrænset omrøring kan tolerere en større organisk belastning i forhold til en reaktor med intensiv omrøring. At processen forløber mere stabilt ved lav omrøring blev forklaret med, at den intensive omrøring forhindrer dannelsen af metanogene zoner i reaktoren, hvorved der sker en forsuring af processen. I situationer hvor metanogenesen er det hastighedsbegrænsende trin, er det således tilrådeligt at lade processen forløbe med begrænset omrøring. Er hydrolysen derimod det hastighedsbegrænsende trin er det sandsynligvis fordelagtigt med en intensiv omrøring, der kan forhøje metanproduktionen. 34 Andre forskere forklarede problematikken vedrørende den intensive omrøring med, at denne påvirkede det syntrofiske forhold mellem acetogene bakterier og hydrogenforbrugende metanogene bakterier, hvorved oxidationen af længerekædede VFA er blev inhiberet. Dette var overensstemmende med, at acetat tilsyneladende stadig blev nedbrudt ved høj omrøring, mens propionat kun blev nedbrudt såfremt omrøringsintensiteten blev nedsat. 7 En intensiv omrøring kan således have negativ indflydelse på biogasprocessen, men modsat har en manglende omrøring ligeledes betydning, da der derved ikke opnås en tilstrækkelig opblanding af biomassens indholdsstoffer. 20

21 ON-LINE MONITORERING AF BIOGASPROCESSER Tilsætning eller produktion af inhiberende/toksiske indholdsstoffer Ved inhiberende stoffer for biogasprocessen skelnes mellem stoffer, der tilføres biogasprocessen med den rå biomasse (exogen inhibering) og stoffer, der produceres under den anaerobe nedbrydning (endogen inhibering). Som tidligere omtalt kan der ved procesustabilitet dannes bl.a. VFA og ammoniak i inhiberende koncentrationer. Derforuden kan der ved den anaerobe nedbrydning dannes andre inhiberende stoffer som f.eks. sulfat og LCFA. Af inhibitorer, der kan tilføres direkte med biomassen, kan nævnes antibiotika og tungmetaller. Sulfatindholdet i svinegylle er et restprodukt efter nedbrydning af protein, og indholdet påvirker de acetogene og metanogene bakterier i biomassen. Ved lavt indhold af sulfat opstår en kompetitiv virkning mellem de sulfatreducerende bakterier og de metanogene bakterier om indholdet af hydrogen og acetat. Ved høje koncentrationer af sulfat vil bakterierne derimod konkurrere med de acetogene bakterier om indholdet af propionat og butyrat. Produceret sulfid fra sulfatreduktionen har desuden en inhiberende effekt ved selv lave koncentrationer. Inhibering med LCFA er især forekommende ved tilsætning af organisk letnedbrydeligt materiale, f.eks. fedt og olieprodukter, til biomassen. LCFA virker inhiberende ved at adsorbere til bakteriernes cellevægge og forhindre transport af næringsstoffer ind i cellen. 7 Antibiotika anvendes som tilsætningsmiddel i foder til dyr og har til formål at forhindre vækst af mikroorganismer, hvorfor det naturligvis i større koncentrationer i gylle kan påvirke den anaerobe nedbrydning. Undersøgelser viser dog, at den normale mængde af antibiotika, der anvendes i husdyrbrug, ikke har væsentlig indflydelse på biogasproduktionen. Tungmetaller er i et vist omfang nødvendige for bakteriers vækst, men i større koncentrationer kan de samme tungmetaller virke inhiberende for bakterierne. Problemer med tungmetalinhibering forekommer specielt ved anvendelse af spildevandsslam men er derimod sjældent et større problem ved anvendelse af gylle som biomasse. 10 Der kan ud fra ovenstående være flere faktorer med indflydelse på biogasprocessen og dennes stabilitet. Det er derfor væsentligt at være i stand til at overvåge biogasprocessen nøje, for derigennem tidligt at kunne fastlægge en tendens til ustabilitet. Til dette formål er det muligt at måle forskellige parametre. 21

22 ON-LINE MONITORERING AF BIOGASPROCESSER 1.4 Monitorering af parametre til indikation af procesforstyrrelser Monitorering af parametre ved den anaerobe nedbrydning er nødvendig for at kunne følge processen og få det bedst mulige udbytte af denne. Eftersom den anaerobe nedbrydning involverer flere typer af mikroorganismer, der alle er afhængige af forskellige faktorer i biomassen, er det essentielt at kunne måle en begyndende procesubalance på et tidligt tidspunkt, således at der kan justeres på driftsforholdene i tide. Forskellige parameter kan bidrage til klarlægning af processens udviklingsforløb samt en tidlig vurdering af ustabilitet, hvoraf de væsentligste omtales i det følgende Gasproduktion Monitorering af biogasproduktion er en parameter, der ofte måles kontinuert på biogasanlæg, og parameteren angiver det samlede udbytte af biogasprocessen. Denne parameter er dog langt fra tilstrækkelig til indikation af biogasprocessens stabilitet, da en evt. inhibering af processen ikke registreres simultant. Eksempelvis vil en organisk overbelastning i begyndelsen kunne iagttages som en stigning i biogasproduktionen efterfulgt af en reduceret produktion grundet ophobning af VFA. Til tidspunktet, hvor registreringen af den faldende biogasproduktion foretages, er processen således allerede ustabil. Hvis der ønskes en mere sikker indikation af biogasprocessens stabilitet, bør monitorering af biogasproduktion derfor foregå sideløbende med monitorering af mindst én 1, 7, 10 anden parameter, f.eks. VFA. Ofte udtrykkes biogasproduktionen som funktion af tiden (produceret gasvolumen pr. tidsenhed) eller som funktion af tilført biomasse (produceret gasvolumen pr. kg tilført biomasse). 7 Biogasproduktionen kan relateres til det teoretiske biogaspotentiale for derigennem at få en indikation af, om processen forløber fornuftigt. Ved termofil udrådning og under optimale forhold er det muligt at opnå en gasproduktion på % af det teoretiske biogaspotentiale. De resterende % af det teoretiske gaspotentiale udgøres af sværtnedbrydelige stoffer i biomassen som bl.a. lignocellulose. Det teoretiske biogaspotentiale kan beregnes, såfremt at den kemiske sammensætning af biomassen er kendt Gaskvalitet Som tidligere nævnt består biogas af en blanding af metan og carbondioxid samt et mindre indhold af andre gasarter så som svovlbrinte, hydrogen og nitrogen, hvoraf omtrent 70 % af den samlede biogasmængde udgøres af metan og ca. 30 % af carbondioxid. Gaskvaliteten udtrykker forholdet mellem indholdet af metan og carbondioxid. Forholdet mellem metan og carbondioxid er ved en stabil biogasproces tilnærmelsesvist konstant, og et ændret forhold kan indikere procesforstyrrelser. Ved en overbelastning af processen vil metanproduktionen reduceres samtidig med, at koncentrationen af carbondioxid stiger. Årsagen til denne stigning er, at de carbondioxid-forbrugende metanogene bakterier hæmmes på grund af den samtidig høje VFA-koncentration. En ændring i gaskvaliteten med en faldende procentuel mængde metan og stigende mængde carbondioxid er derfor en indikator for procesubalance Indhold af VFA VFA-niveauet anses som en velegnet kontrolparameter for processtabilitet, idet en ophobning af VFA indikerer procesforstyrrelse og -ubalance. Ophobning af VFA skyldes en ubalance i det syntrofiske forhold mellem acetogene bakterier og de hydrogenforbrugende metanogene bakterier. De acetogene bakterier har en lavere vækstrate end de fermentative bakterier og desuden en ringere evne til tilpasning af ændrede forhold i miljøet. En manglende nedbrydning fra de acetogene 22

23 ON-LINE MONITORERING AF BIOGASPROCESSER bakterier medfører, at de acetogene substrater (VFA, alkohol etc.) ophobes som følge heraf. Samtidig inhiberes de hydrogenforbrugende metanogene bakterier, hvorved den dannede hydrogen under acetogenesen ikke omsættes. Herved stiger partialtrykket af hydrogen, der bevirker, at acetogenesen bremses yderligere med en ophobning af VFA til følge. 1 Det er vanskeligt at definere specifikke koncentrationsværdier af VFA som indikation for, hvornår en biogasproces må betegnes som ustabil. Dette skyldes, at anaerobe systemer har forskellige niveauer for normalt indhold af VFA, afhængig af driftsforhold som f.eks. belastning og temperatur. Af denne grund er det ofte bedre at anvende relative ændringer af VFA-koncentrationer som indikator frem for specifikke koncentrationsværdier. Blandt forskere er der uenighed om hvilke syrer, der er mest anvendelige til indikation af procesustabilitet, og hvordan registreringen af VFA bør anvendes. Adskillelige forskere mener dog, at indholdet af propionat er bedst velegnet som procesindikator. Dette er overensstemmende med teorien, da nedbrydning af propionat kræver et lavt partialtryk af hydrogen, og oxidation af propionat dermed ophører tidligere, ved stigende hydrogen partialtryk, end oxidationen af de øvrige VFA. Da et stigende partialtryk af hydrogen netop indikerer procesforstyrrelser, forklarer dette, hvorfor propionat er velegnet som indikator. Andre studier viser, at forholdet mellem propionat og acetat er velegnet som indikator for procesustabilitet, hvor et forhold mellem propionat og acetat større end 1,4 g/l angiver ubalance. Andre igen mener, at en acetatkoncentration større end 0,8 g acetat/l biomasse indikerer procesforstyrrelser. Der er således forskellige meninger om, hvilke individuelle syrer og koncentrationen heraf der bedst beskriver processens forløb. Derimod er der ingen tvivl om, at et stigende VFA-indhold betyder, at der produceres mere VFA end der forbruges, og at dette er en 1, 7, 10 indikation for procesforstyrrelse. Ved lave ph-værdier er VFA toksisk overfor bakteriecellerne. Årsagen hertil er, at VFA ved lave ph-værdier forekommer på udissocieret form, hvorved VFA lettere passerer bakteriernes cellemembran. Inde i cellen dissocierer VFA, hvilket får ph til at falde i cellen og derved forhindrer homeostase. 7 Som tidligere nævnt har temperaturen betydning for VFA-inhibering af biogasprocessen, idet pka for VFA stiger ved stigende temperatur. Et højt indhold af VFA medfører imidlertid ikke nødvendigvis et fald i biomassens ph, da bufferkapaciteten i gylle, f.eks. svinegylle, er høj. En stigning i syreniveauet vil derfor ikke i begyndelsen påvirke processens ph-værdi nævneværdigt, men dog vil der kunne forventes et fald i ph ved fortsat stigning i VFA Indhold af ammonium/ammoniak Ammonium og ammoniak er en væsentlig kilde for bakteriernes vækst men dog i en vis mængde, da en for høj koncentration kan forårsage en inhibering af mikroorganismerne. Ammonium/ammoniak dannes ved omsætning af proteiner i form af kvælstofholdige aminosyrer under hydrolysen. Ammonium/ammoniak-indholdet forekommer i større koncentrationer ved anvendelse af svine-, kvæg- og fjerkræsgylle pga. urinindholdet. For en anaerob proces i vandige opløsninger findes ammonium og ammoniak i ligevægt. 27, 38 Ligevægten, se herunder, afhænger bl.a. af ph og temperaturen + + NH 4 NH3 + H [1] 23

24 ON-LINE MONITORERING AF BIOGASPROCESSER Ligeledes forekommer der følgende to ligevægte 27 H O H + OH [2] + NH 3(g) NH 3 (aq) [3] Primært er det ammoniak, som er hæmmende overfor bakterierne, hvilket især gælder de metanogene bakterier. Inhiberingen opstår ved at ammoniak trænger ind i bakteriecellen, og da cytoplasmaet har en lav ph-værdi, fungerer ammoniak som base og omdannes til ammonium. Dette påvirker ionbalancen i cellen og til opvejning af ubalancen, afgiver cellen K +. Dette kræver energi, hvilket bevirker en nedsættelse af metanproduktionen fra de metanogene bakterier. En inhibering er ved at ske. Selvom det foretrukne temperaturvalg ved anaerob nedbrydelse er det termofile, øges ammoniakdannelsen under termofile forhold, da koncentrationen af ammoniak stiger med 1, 38 temperaturen. Koncentrationen af det frie ammoniak kan beregnes ud fra følgende formel [ NH ] 3 [ T-NH ] 3 = + H 1+ K a hvor [T-NH 3 ] er den totale ammonium/ammoniak-koncentration, dvs. NH 4 + og NH 3, og K a er syrestyrkekonstanten. Det vides, at K a er temperaturafhængig, dvs. værdien øges med stigende temperatur, hvormed det kan ses ud fra formlen, at koncentrationen af frit ammoniak vil stige med stigende temperatur. Desuden bevirker en stigning i ph en stigning af ammoniakkoncentrationen, da ph-værdien afgør i hvilken grad, ammonium omdannes til ammoniak. pk a -værdien for ligning 1 er opgivet til 9,25, og en stigning af temperaturen bevirker, at pk a -værdien for ligning 1 falder, hvormed koncentrationen af frit ammoniak vil stige som følge af en lavere pk a -værdi. Temperaturen har dog en mindre indflydelse på ammoniakinhibering end ph. Der er udført adskillige forsøg til bestemmelse af hvilken koncentration af total ammonium, der bevirker en inhibering af biogasprocessen. Der er fundet forskellige grænseværdier, hvilket afhænger af, hvorledes de forskellige forsøg er udført samt anvendt biomasse. Ved tidligere forsøg er der konstateret inhibering ved koncentrationer mellem 1,5 til 3,0 g-n/l og ved ph-værdier over 7,4. Andre forsøg har dog vist at en biogasproces med en total ammoniumkoncentration på 6 g-n/l stadig kan forløbe tilfredsstillende. I relation hertil evner bakterierne at tilpasse sig forholdene med en høj total ammoniumkoncentration så længe ammoniumforøgelse sker langsomt. Dvs. at højere koncentrationsniveauer af ammonium og ammoniak kan tolereres. Ammoniakinhibering kan forårsage ophobning af VFA og denne ophobning kan i nogle tilfælde bevirke et fald i ph. Herved vil ammoniak igen omdannes til ammonium med et fald i ammoniakkoncentration til følge, og der opstår således en selv-regulerende proces, kaldet steadystate inhibering. 1, ph Som tidligere nævnt, i afsnit 1.3.2, kræver bakteriers metabolisme et bestemt ph interval. ph er en parameter, der er let målbar og forholdsvis let at implementere i en biogasproces, og i dag er ph ofte den eneste on-line måling af væskefasen på biogasanlæg. ph er dog ikke anvendelig som eneste kontrolparameter til indikation af processtabilitet, da den høje bufferkapacitet medfører, at [4] 24

25 ON-LINE MONITORERING AF BIOGASPROCESSER systemet kan modstå høje VFA-koncentrationer, før der sker et fald i ph. En ændring af ph som følge af højt indhold af VFA vil derfor ofte give en forsinket indikation af procesubalancen Hydrogen Til undersøgelse om en biogasproces er stabil, er hydrogen ligeledes en interessant parameter. Det partielle tryk af hydrogen påvirker balancen mellem de hydrogen-producerende og hydrogenforbrugende mikroorganismer. Hvis koncentrationen af hydrogen stiger som følge af, at det producerede hydrogen ikke forbruges i tilstrækkeligt omfang, kan dette bevirke, at der produceres mere af de mellemliggende produkter under fermenteringsstadiet såsom VFA og ethanol, hvilket i sidste ende kan medføre en ophobning af VFA. Et lavt partialtryk af hydrogen (mindre end 10 Pa) i reaktoren er nødvendig for at de fermentaktive bakterier kan omdanne organisk materiale til acetat, hydrogen og kuldioxid, som herefter anvendes til produktion af metan. Da hydrogen er let målbar på både gas- og væskeform ved f.eks. GC, har der i de senere år været fokus omkring anvendelse af hydrogen som procesindikator. Der har været forskellige diskussioner om, hvorvidt det er en fordel at anvende hydrogen på gasform eller opløst hydrogen i væskefasen. Såfremt hydrogenindholdet i gasfase ønskes bestemt, skal det tages i betragtning, at partialtrykket af hydrogen afhænger af en stabil overførsel af hydrogen fra væske- til gasfase, hvilket oftest ikke er tilfældet. Af denne grund er det mere attraktivt at anvende opløst hydrogen som parameter, og da hydrogenindholdet i væskefase desuden har en god korrelation med propionatindholdet, bekræfter dette yderligere valget af denne parameter. Hydrogen er følsom overfor sammensætningen og mængden af biomasse, der tilsættes reaktoren. Forsøg har vist en markant ændring af hydrogenkoncentrationen ved ændring af belastningen, hvorimod andre forsøg ikke har kunnet vise nogen fornuftig sammenhæng mellem en operationel ændring og hydrogenkoncentrationen. Øvrige forsøg har vist stigning i hydrogentrykket, uden at andre procesindikatorer, som VFA og gasproduktionen, samtidig ændrede sig betydeligt. I relation til dette, kan det betyde, at det oftest vil medføre falsk alarm ved anvendelse af hydrogen som kontrolparameter. Ud fra dette menes det ikke, at hydrogen er realistisk som kontrolparameter specielt ikke som eneste parameter. På trods af at hydrogen er let målbart, kan der opstå usikkerhed ved måling heraf, da stoffet oftest forefindes i lave koncentrationer i biomassen. Herved er der 1, 7, 10 risiko for, at en inhiberende effekt ikke registreres i tide TS/VS Det totale indhold af tørstof (TS Totale Solids) og det organiske tørstofindhold (VS Volatile Solids) giver ikke nogen direkte indikation af biogasprocessens stabilitet. På trods heraf er måling af TS og VS stadig vigtige parametre, da værdierne anvendes til vurdering af det teoretiske gaspotentiale samt et evt. uudnyttet gaspotentiale. Ved at måle VS med jævne mellemrum i hhv. den rå og udrådnede biomasse er det muligt at følge, hvor effektivt det organiske stof nedbrydes. Ved anvendelse af gylle kan der typisk opnås en reduktion af VS på mellem %. Et fald i nedbrydningshastigheden af VS kan således indirekte indikere en reduceret nedbrydning som følge af procesforstyrrelser. 1 Alternativt kan det vælges at måle COD (Chemical Oxygen Demand) til bestemmelse af ændringen i organisk indhold i biomassen, hvor en reduceret COD-værdi, på tilsvarende vis som ved VS, kan anvendes til vurdering af procesforløbet. Foruden de ovennævnte parametre er det naturligvis relevant at registrere processens temperatur og belastning løbende, således at et samlet overblik over processens forløb kan opnås. I næste afsnit beskrives allerede udførte forsøg med monitorering af forskellige parametre ved anvendelse af TENIRS. 25

26 ON-LINE MONITORERING AF BIOGASPROCESSER 1.5 Tidligere forsøg med anvendelse af TENIRS Da der i dette projektarbejde anvendes en prototype, TENIRS, som er et NIR-spektrometrisk apparat med tilhørende flowcelle, til on-line monitorering af en biogasproces, er det interessant at undersøge hvilke forsøg med gylle, der tidligere er udført med netop denne prototype. TENIRS er udviklet således, at den opfylder mange af de behov, der er forbundet med forsøg i laboratorieskala. Ligeledes er det muligt at integrere denne med teknikken PAC til biogasreaktorer, hvor det er muligt at tilkoble TENIRS-systemet til større anlæg. Der vil i det følgende gives en beskrivelse af to forsøg udført i hhv. Kiel og Østrig/Esbjerg, hvor begge forsøg har til hensigt at kunne påvise NIRspektroskopi som en mulighed til at-/on-line monitorering af en biogasproces ved måling af forskellige procesindikatorer. Begge forsøg er udført i laboratorieskala Forsøg udført i Kiel Forsøget er et led i et projekt omhandlende opfedning af grise, hvor målsætningen for projektet bestod i at udvikle et kontrolsystem til kontrol af den animalske vækst og foderproduktion samt ændringer af indholdsstoffer i gylle. Til det sidstnævnte skulle der udvikles en sensor velegnet til on-line måling af gylle i små prøvemængder, som kunne analysere gyllen så repræsentativt som muligt på trods af dets inhomogenitet. Hertil anvendtes on-line monitorering med prototypen, TENIRS. Som nævnt indebar forsøget on-line monitorering af forskellige parametre i svinegylle, hvilket indbefattede TS/VS, total nitrogen og ammonium-n. Til forsøget blev udtaget 128 repræsentative prøver fra 24 svinestalde. Umiddelbart efter NIR-målingen blev prøverne nedfrosset til senere analyse af de fire nævnte referenceparametre i laboratoriet. Til sammenligning af NIR-målinger og tilhørende referenceanalyser blev anvendt PCA (Principal Component Analyses) samt PLS (Partiel Least Squares regressions) vha. softwareprogrammet, The Unscrambler. Ved sammenligning af de forskellige modeller for hver parameter blev taget udgangspunkt i r 2 og SEP (Standard Error of Prediction), hvoraf kalibreringsmodellen med den højeste værdi for r 2 og laveste værdi for SEP, blev anset som værende den mest velegnede. Til estimering af kalibreringsmodellerne blev anvendt to typer validering, hhv. leave one-out krydsvalidering og testsæt validering. Forsøget viste, at det var muligt at opstille brugbare kalibreringsmodeller for de fire referenceparametre ved analyse af svinegylle. De bedst forkommende kalibreringsmodeller blev opnået ved brug af leave one-out krydsvalidering, og de tilhørende regressionslinier er vist i Figur 4. Til modellering blev anvendt PLS1, hvor der ved leave one-out krydsvalidering blev accepteret 8 til 13 PLS-komponenter blandt de fire referenceparametre. Af Figur 4 kan det ses, at der opnås god korrelation mellem NIR-målinger og TS, VS og total nitrogen. Ved sammenligning af ammonium med de tre andre referenceparametre kan det ses, at punkterne omkring regressionslinien ligger mere spredt, samt at værdien for r 2 er mindre end for de øvrige parametre. 26

27 ON-LINE MONITORERING AF BIOGASPROCESSER Figur 4. Regressionslinier for total nitrogen, ammonium-n, TS og VS ved brug af leave one-out krydsvalidering. 15 Ved forsøget er ligeledes foretaget en sammenligning med resultater målt af andre NIR-apparater, hvor det kunne konstateres at brugen af flowcellen giver mere præcise og nøjagtige resultater. Anvendelsen af flowcellen har derfor betydning ved måling af gylle og andre inhomogene prøver, da gyllen i flowcelle-systemet måles under bevægelse, og sedimentation af tørstofindhold, og fejlmålinger som følge heraf, undgås Forsøg udført i Østrig samt Esbjerg Dette forsøg havde til hensigt at simulere at-line monitorering af en biogasproces med TENIRS ved måling af procesindikatorerne; TS/VS, ammonium-n, total nitrogen, acetat og total VFA. Forsøget blev udført off-line men således, at det var sammenligneligt med en virkelighedsnær at-line/on-line måling af en biogasproces. Forsøget blev udført i samarbejde med Department of Agrobiotechnology (IFA) i Tulln, Østrig, hvor prøverne til forsøget blev udtaget fra to nyudviklede biogasanlæg i Østrig, hhv. Reidling og Strem. For at opnå et spænd af data til den efterfølgende multivariate kalibrering, blev der udtaget prøver fra 4 fuld-skala biogasreaktorer (2 reaktorer hvert sted), som hver indeholdt forskellige organiske koncentrationsniveauer. Sammensætningen af råmaterialet bestod af svinegylle samt forskellige energiafgrøder i de to af biogasreaktorerne fra Reidling, hvorimod de to reaktorer i Strem bestod af kvæggylle samt majsensilage. Fra hver fuld-skala reaktor blev udtaget 8-10 L biomasse, som efterfølgende blev neddelt til en mængde af 1 L, hvilket både blev anvendt til måling på TENIRS samt til bestemmelse af referenceparametrene. VFA blev målt i Tulln, mens de andre parametre, samt målingen med TENIRS, blev udført på AAUE i Esbjerg. Der blev i alt udtaget 64 prøver. Til udarbejdelse af kalibreringsmodeller blev anvendt PLS1 ved brug af valideringsmetoden, 2- segment krydsvalidering. De opnåede kalibreringsmodeller for hhv. VS, ammonium-n, acetat og total VFA er vist herunder, Figur 5. Der blev ikke opstillet modeller for TS, da VS betragtes som den vigtigste af disse to. Ligeledes var det ikke muligt at opnå en brugbar model for total nitrogen. Det blev yderligere forsøgt at opstille en model for propionsyre, men dette viste sig ikke at være muligt. 27

28 ON-LINE MONITORERING AF BIOGASPROCESSER Figur 5. Kalibreringsmodeller for hhv. VS (ø.tv), ammonium-n (ø. th), acetat (n. tv) og total VFA (ø. th). 26 Ved udarbejdelse af modellerne blev anvendt mellem 2 til 7 PLS-komponenter, hvorved der blev opnået værdier for slope på 0,91 til 0,98 og værdier for r 2 på 0,94 til 0,99. Modellerne udtrykker således en stærk korrelation mellem NIR-målingerne og referenceværdierne. Af forsøget blev det derved konstateret, at det ved at-line monitorering med TENIRS i laboratorieskala er muligt at opnå brugbare kalibreringsmodeller for de 4 nævnte parametre. 26 TENIRS er ud fra ovennævnte forsøg således en anvendelig teknik til procesmonitorering ved brug af PAC. Ligeledes har forsøgene vist, at TENIRS er en ny alternativ metode til real-time procesmonitorering (at-line) af en biogasproces ved måling af de 6 ovenfor nævnte procesindikatorer. 28

29 ON-LINE MONITORERING AF BIOGASPROCESSER 1.6 Problemafgrænsning Ønsket om at øge proceseffektiviteten af biogasprocesser kræver et stigende behov for on-line monitorering til kontrol og processtyring, og anvendelsen af NIR-spektroskopi er en hurtig og effektiv metode hertil. TENIRS er et nyudviklet NIR-apparat, som er velegnet til måling af forskellige parametre i biomasse. De tidligere forsøg med dette apparat er foretaget i laboratorieskala, hvorfor det er interessant at afprøve, hvorvidt en on-line monitorering på et mesoskala biogasanlæg er mulig ved brug af TENIRS. Efter en beskrivelse af de forskellige procesindikatorer, hvor det blev fremhævet hvilke parametre, der er væsentlige ved overvågning af biogasprocesser, er det valgt at udføre målinger af total VFA og de enkelte VFA-syrer samt ammonium-n. I tidligere forsøg med TENIRS er udarbejdet acceptable prædiktionsmodeller for indhold af TS/VS, total nitrogen, ammonium-n og total VFA i gylle. Da VFA og ammonium-n anses som værende væsentlige procesindikatorer, er det interessant at undersøge, hvorvidt det er muligt at opstille kalibreringsmodeller baseret på NIR-målinger samt referenceanalyser ved meso-skala anlæg. Forsøget til opstilling af kalibreringsmodeller af VFA og ammonium-n indbefatter laboratorieanalyser af udtagne prøver sideløbende med on-line måling med TENIRS. For at kunne opstille en anvendelig samt pålidelig kalibreringsmodel kræves, at datasættet har et bredt udspænd af data og samtidig er repræsentativt for fremtidige målinger. For at opnå et bredt udspænd af data er det valgt at foretage ændringer i de operationelle forhold ved at forøge belastningen samt forhøje temperaturen. Det vides, at der ved disse ændringer kan opnås variationer i VFA-koncentrationen. Ændringerne foretages ved først at øge belastningen i en periode, hvilket medfører en stigning af VFA-koncentrationen, hvorefter temperaturen hæves ved samme øget belastning, hvorved VFAkoncentrationen yderligt vil stige. Der forventes ingen betydelig variation af ammonium-n under forløbet, hvorfor det alternativt vælges at tilsætte ammoniumcarbonat sidst i forløbet for derved at forhøje koncentrationen. Foruden en on-line måling af VFA og ammonium med TENIRS ønskes at lave en samlet karakterisering af biogasprocessen for hele forsøgsperioden. Til dette er valgt at foretage analyser af de udtagne prøver til bestemmelse af total nitrogen samt gaskvalitet. Ligeledes måles ph samt TS/VS. Derudover foregår en on-line registrering af gasproduktionen hver time, og ligeledes registreres temperaturen i reaktoren samt antal kg biomasse, der tilføres/udledes fra reaktoren. Til bestemmelse af de forskellige parametre er det valgt at foretage analyser på laboratoriet ved Bygholm sideløbende med on-line målingen med TENIRS. Hermed er det muligt at følge udviklingen af processen og dermed foretage ændringer i belastning og temperatur med det formål at opnå størst muligt spænd af data. Samtidig tilgodeses analyse af prøverne umiddelbart efter prøveudtagning, hvorved længere tids opbevaring undgås. På laboratoriet ved Bygholm er det muligt at anvende GC-FID til bestemmelse af total VFA og de enkelte VFA-syrer samt GC-TCD til gaskvalitetsbestemmelse. Analyse af ammonium-n og total nitrogen kan foregå med flowinjection ved AAUE eller med Kjeldahl ved Bygholm. Måling af TS/VS og ph foregår på traditionel vis. Efter endt analysearbejde påtænkes det at anvende PLS1 i Camo s The Unscrambler, til udarbejdelse af kalibreringsmodeller for indhold af VFA, herunder total VFA samt de enkelte VFAsyrer og ammonium-n. Gennem denne multivariate dataanalyse kan der opnås en indikation af, hvorvidt det er muligt at anvende TENIRS til on-line måling af procesindikatorer ved meso-skala anaerob nedbrydning. 29

30

31 2 Forsøgsbeskrivelse I følgende afsnit omtales de i dette projektarbejde udførte forsøg. Der gives en beskrivelse af forsøgsplanen og den anvendte forsøgsopstilling, herunder anlægsopbygning samt tilkobling og opbygning af TENIRS-udstyret. Efterfølgende nævnes hvilke forhold, der bør tages i betragtning ved repræsentativ prøvetagning, og den anvendte prøvetagningsprocedure beskrives. Herefter følger en beskrivelse af de udførte laboratorieanalyser heriblandt analyse af VFA, ammonium- N, TS/VS og gaskvalitet. 31

32 FORSØGSBESKRIVELSE 2.1 Forsøgsplan Som nævnt i problemafgrænsningen ønskes at opstille kalibreringsmodeller ud fra NIR-målingerne sammenholdt med koncentrationen af VFA og ammonium. Derudover laves en samlet karakterisering af biogasprocessen, hvortil der foretages yderligere kemiske analyser. For at der kan udføres kalibreringsmodeller, skal der opnås et bredt udspænd af datamateriale. I relation til dette foretages løbende operationelle ændringer af biogasprocessen, for derved at opnå en ændring af VFA- og ammoniumkoncentrationen. Forsøget er opstillet således, at der først måles på processen under normale forhold. Herved fås en indikation af, hvilken koncentration måledataene tager udgangspunkt i. Ved normal drift belastes biogasprocessen med 5 kg gylle to gange i døgnet. Herefter justeres belastningen til dobbelt belastning og ændres således til 5 kg hver 6. time. Efter en tidsperiode øges temperaturen fra 51 C til ca. 59 C, mens den dobbelte belastning bevares. Ved at foretage disse to parameterændringer vides, at VFA-koncentrationen kan påvirkes, mens ammoniumkoncentrationen ikke forventes at ændres betydeligt. Der tilsættes ammoniumcarbonat til sidst i forløbet, hvor belastningen og temperaturen tilbagestilles til hhv. halv belastning (2,5 kg gylle to gange i døgnet) samt 51 C. Tabel 5 viser en oversigt over de forskellige trin, der ønskes udført under forsøget. Trin Udførelse Operationel ændring 1 Normal drift 2 Dobbelt belastning 3 Temperaturstigning 4 Stabilisering 5 Tabel 5. De anvendte trin under forsøget. Tilsætning af ammoniumcarbonat Belastning: 10 kg gylle/døgn Temperatur: 51 C Belastning: 20 kg gylle/døgn Temperatur: 51 C Belastning: 20 kg gylle/døgn Temperatur: 59 C Belastning: Ingen belastning Temperatur: 51 C Belastning: 5 kg gylle/døgn Temperatur: 51 C Hvert trin forventes at forløbe over ca. en til to uger afhængig af opnået VFA- og ammoniumkoncentration. Der måles seks gange dagligt med NIR-spektrometret med en times mellemrum. De dage, der udføres måling, foretages forinden en kalibrering af NIR-spektrometret. Umiddelbart efter hver måling udtages en referenceprøve, som analyseres for VFA og ammonium- N samt andre parametre i laboratoriet. Hver anden prøve anvendes til kalibreringssæt, mens de resterende prøver benyttes til testsæt. Datasættende anvendes til opstilling af kalibreringsmodeller for NIR-målinger sammenholdt med referenceprøverne. Prøverne, udtaget til laboratorieanalyser, navngives ved to tal efterfulgt af et bogstav, f.eks. 2.4.B. Det første tal betegner trinnummeret (prøvetrin), i dette eksempel trin 2, hvor belastningen er fordoblet. Det efterfølgende nummer betegner hvilken dag i trinnet (prøvedag), prøven stammer fra, 32

33 FORSØGSBESKRIVELSE dvs. i dette tilfælde dag nr. 4. Bogstavet benævner prøvetagningen for den pågældende dag (prøvenr.). Da der udtages seks prøver om dagen, navngives disse fra A-F. I dette eksempel viser B, at det er anden prøvetagning. For hver referenceprøve udtages en mængde til måling af TS/VS, hvorefter den resterende prøve neddeles i to plastikbeholdere, hvoraf den ene anvendes til VFA-måling og den anden til måling af ammonium-n i laboratoriet. Der henvises til afsnit 2.3 for nærmere beskrivelse af anvendt prøvetagning. I det sidste trin tilsættes ammoniumcarbonat til reaktoren under omrøring. Efter stabiliseringsperioden (prøvetrin 4) bestemmes koncentrationen af ammonium-n i reaktoren, hvorefter det kan bestemmes, i hvilke mængder ammoniumcarbonat skal tilsættes afhængig af ønsket slutkoncentration af ammonium-n. Tilsætningen bør foregå ad flere trin, hver bestående af seks målinger, for at opnå et godt udspænd af data. 33

34 FORSØGSBESKRIVELSE 2.2 Forsøgsopstilling Den anvendte forsøgsopstilling i dette projektarbejde beskrives i det følgende, idet der skelnes mellem den overordnede anlægsopbygning, tilkoblingen og opbygning af NIR-loopet samt opbygningen af det benyttede TENIRS Beskrivelse af anlægsopbygning Bygholm råder over et gyllelaboratorium med 4 identiske pilotanlæg til forsøgsarbejde. Den benyttede forsøgsopstilling ved Bygholm tager udgangspunkt i ét af pilotanlæggene bestående af et forlager, en reaktor, et efterlager og til anlægget hørende udstyr. Anlægsopbygningen er vist i Figur 6 og omtales i det nedenstående. Figur 6. Illustration af anlægsopbygning. Forlageret har et volumen på ca. 130 L og anvendes til opbevaring af svinegylle, der påfyldes ved anvendelse af pumpe. Fra forlageret pumpes biomassen til reaktorens midte. Indpumpningen til reaktoren foregår med en excentersnekkepumpe (P1). Denne pumpetype er kendetegnet ved at være selvansugende, have et pulsationsfrit flow og ved at kunne håndtere stærkt partikulære væsker med højt tørstofindhold. Disse egenskaber gør pumpetypen velegnet til transport af højviskøse væsker som f.eks. gylle og slam. 37 Reaktoren, der ved Bygholm benævnes R4, er opbygget som en CSTR med et totalvolumen på 150 L med en biomassemængde på ca. 120 kg. Omrøringen foregår i ca. 2 minutter pr. time ved luftomrøring. 34

35 FORSØGSBESKRIVELSE På reaktorens top, se Figur 7, er monteret et skueglas, der muliggør visuel kontrol med processen og kan benyttes i tilfælde, hvor der ønskes tilgang til reaktoren. Figur 7. Foto af reaktor set ovenfra. På reaktorens top er desuden placeret et gasoutlet fra reaktorens headspace. Gasoutlettet muliggør udtagning af manuelle gasprøver til bestemmelse af gaskvalitet via en ventil (V1 i Figur 6). Fra gasoutlettet foregår desuden en kontinuerlig måling af biogasproduktionen, og den dannede gas genanvendes til luftomrøring i reaktoren. Gasproduktionen bestemmes ved væskefortrængning i et cylinderglas med to hulrum. Det inderste hulrum tilføres gas fra reaktorens headspace, hvorved væske fortrænges til det ydre hulrum. Ved en væskestand på 1000 ml nulstilles væskestanden ved at fortrænge væsken tilbage til det indre hulrum, og samtidig foretages en registrering af volumenet på det tilkoblede PC-apparat. Som nævnt anvendes gas fra biogasprocessen til omrøring. Luftomrøringen foregår ved, at en dobbelt-kammeret kompressor suger gas fra reaktorens headspace til en væskeopsamlingsbeholder. I beholderen opsamles kondensvand i gassen, før gassen suges videre til kompressoren og derefter tilledes til reaktoren, hvor det føres ind lidt over reaktorens bund. Reaktoren er forsynet med 4 indgange til brug ved tilkobling af udstyr som f.eks. tilkobling af NIRudstyr. På reaktorens midte er placeret et outlet, hvor der, i dette projektarbejde, føres biomasse ud af reaktoren, gennem NIR-udstyret og tilbage via inlet på reaktorens top. Inlettet består af et langt cylinderformet rør, der føres ned i bunden af reaktoren. For flere detaljer vedrørende NIR-tilkobling henvises til det efterfølgende afsnit Reaktorens temperatur kan styres automatisk eller manuelt. Opvarmning af biomassen i reaktoren foregår ved simpel opvarmning, hvor elektrisk opvarmet vand fra vandbad føres gennem rørslanger til reaktoren ved hjælp af en cirkulationspumpe placeret i vandbadet. Varmelegemet i reaktoren er spiralformet og er ført ca. 1/3 op i reaktoren. 35

36 FORSØGSBESKRIVELSE Fra reaktorens bund pumpes udrådnet biomasse til efterlagringstanken via en excentersnekkepumpe (P2 i Figur 6), se Figur 8. Efterlageret har et volumen på ca. 80 L og er tilsat biomasse i en mængde på ca. 60 kg. Figur 8. Foto af anlæg set bagfra. Efterlagringstanken opvarmes, på tilsvarende vis som reaktoren, ved opvarmning med vandbad. Efter vandbadet er placeret en kugleventil (V2) og en cirkulationspumpe (P3), der pumper det opvarmede vand rundt i rørslanger, ned i efterlagringstanken og tilbage til vandbadet. Fjernelse af biomasse fra efterlagringstanken foregår ved simpelt overløb, der vil opstå, når væskestanden i efterlageret stiger under indpumpningen af biomasse fra reaktoren. Den overskydende biomasse opsamles i kar under spaltegulvet. Faktorer som belastning, temperatur og omrøring kan justeres via anlæggets opkobling til en PC. Samtidig foregår der en automatisk registrering af gasproduktion og temperatur samt registrering af biomasse til/fra reaktoren. Foruden automatisk styring af pumperne, er det desuden muligt at styre disse manuelt via et kontrolpanel. 36

37 FORSØGSBESKRIVELSE Beskrivelse af TENIRS-tilkobling TENIRS-apparatet med tilhørende flowcelle er indbygget i et loop, der både kan fungere som et åbent- eller lukket loop. I Figur 9 er illustreret, hvorledes TENIRS er placeret i loopet, samt hvordan loopet er tilkoblet reaktoren. Som beskrevet i afsnit er udløbet af biomassen fra reaktoren placeret på midten. På udløbet er monteret en kugleventil, V1, for derved at kunne styre tilførslen af biomasse samt lukke for tilførslen uden for måletidspunktet. Figur 9. Illustration af tilkobling af TENIRS til reaktor set fra oven. En studs er påsat kugleventilen, hvorfra en slange føres til en drejeventil, V2, på loopet, som kan indstilles i forskellige positioner. Indstillingen afhænger af, hvorvidt der måles på biomassen, eller om der foretages en skylning af loopet. Biomassen sendes gennem loopet via en turbinepumpe, som er placeret i loopet efter drejeventilen, se Figur 9 og Figur 10. Denne styres af en frekvensomformer, hvor frekvensen af pumpen kan styres manuelt. Herved sendes biomassen gennem loopet med en konstant hastighed. Flowcellen er indkoblet i loopet således, at biomassen sendes gennem denne. Opbygningen af flowcellen er beskrevet i afsnit Efter flowcellen er placeret en prøvetagningsmekanisme, hvor prøverne til referenceanalyse udtages. Denne mekanisme fungerer ved, at en lille beholder på 10 ml er fastskruet i anordningen. Via en split, som kan forskydes, åbnes for tilførslen af biomasse, hvorved beholderen fyldes. Herved kan der udtages et bestemt antal inkrementer af biomassen. Biomassen føres tilbage til reaktoren gennem en cylinder i reaktoren, som beskrevet i forrige afsnit. I Figur 10 ses et billede af loopet. TENIRS Drejeventil Skyllebeholder Prøveudtagningsmekanisme Frekvensomformer Turbinepumpe Figur 10. Billede af TENIRS-loopet. 37

38 FORSØGSBESKRIVELSE Den stiplede linie i Figur 9 illustrerer princippet ved et lukket loop, som i dette projekt anvendes ved skylning af loopet. Rørslangen til reaktorens inlet afmonteres og sammenkobles med en rørslange, som er påsat en anordning med en skyllebeholder. Drejeventilen, V2, indstilles i en position, således at der lukkes for tilførslen af biomasse fra reaktoren og åbnes for tilgang til skyllebeholderen, hvorved der opnås et lukket loop. Princippet er vist i Figur 11, hvor A illustrerer det lukkede system, der benyttes under skyllesekvensen, og B viser det åbne system, hvor der måles på biomassen. Figur 11. Princip ved lukket loop, A, og åbent loop, B, set fra oven. Inden samt efter måling af biomasse fortages en skylning af loopet. Skyllesekvensen foregår ved, at skyllebeholderen, som kan på- og afmonteres loopet, fyldes med vand. Skyllebeholderen drejes 180º, hvorefter vandet sendes rundt i loopet. Via turbinepumpen cirkuleres skyllevandet rundt i loopet, gennem flowcellen og retur til skyllebeholderen, se Figur 11A. Ventilerne, V3 og V4, er fast indstillet som vist på figuren. Når skylleflasken drejes tilbage til udgangspunktet, bevirker dette, at størstedelen af det omcirkulerede skyllevand i loopet tømmes i beholderen. Herved er loopet samt flowcellen klar til måling af biomassen. Når måling af biomasse skal foretages, monteres rørslangen fra prøvetagningsmekanismen til reaktoren, hvorefter ventil V2 drejes i en position, som vist i B. Herved lukkes for tilgang til skyllevandet og åbnes for tilførsel af biomasse. Inden måling med NIR samt udtagning af prøver påbegyndes, cirkulerer biomassen rundt i systemet i et tidsrum á ca. 15 minutter, hvorved et jævnt flow gennem flowcellen opnås Beskrivelse af TENIRS TENIRS betegner Transflexive Embedded Near Infrared Sensor og består af en Flow-Through-Cell (FTC) med et tilhørende nær-infrarødt spektrometer af typen Zeiss Corona 45 NIR. Prototypen er udviklet og designet på et universitet i Kiel ved Institute for Agricultural Process Engineering i forbindelse med det før omtalte opfedningsprojekt af grise. Den anvendte flowcelle samt NIR-spektrometre er vist i Figur 12. Da gylle kan karakteriseres ved både at bestå af væske og tørstof, anvendes der en kombination af refleksion og transmission, dvs. transflektion, til måling af biomassen. Måleprincippet er, at lys fra NIR-spektrometret sendes gennem biomassen, hvorefter lyset rammer en plade, som forårsager en refleksion og tilbagekastelse af lyset. Intensiteten af lyset måles herefter i en detektor. Som beskrevet i det forrige afsnit cirkulerer biomassen gennem flowcellen, som er 38

39 FORSØGSBESKRIVELSE egnet til adskillige væskeformer med forskellig viskositet. Ved måling af biomasse flyttes NIRspektrometret op til flowcellen, således at linsen, hvor lyset udsendes, har samme omkreds som flowcellens glasparti. Figur 12. Billede af TENIRS med tilhørende flowcelle. I Figur 13 er flowcellens opbygning illustreret. Flowcellen består af to glasplader af silikat, hvorigennem biomassen cirkulerer. Selve flowcellen er lavet af polyoxymethyl, POM, som er en delkrystallinsk termoplast. Afstanden mellem de to glasplader er 6 mm, hvilket var tilstrækkeligt, da 15, 35 der ikke forekom nogen tilstopning under forsøget. 6 mm measuring path lenght Figur 13. Opbygning af flowcellen (FTC). 15 Oven over glaspladerne er placeret en keramisk plade, se Figur 13. Når nær-infrarød stråling sendes op gennem prøven, vil det transmitterede lys ramme den keramiske plade, hvilket vil bevirke en 100 % refleksion af lyset. Hermed tilbagesendes lyset igennem prøven endnu engang, hvormed de faste partikler i biomassen vil forårsage en diffus refleksion. Ved anvendelse af målemetoden transfleksion er det muligt at måle på hele biomassens indhold, hvilket indbefatter væske og faststof, samtidigt. Når biomasse sendes gennem flowcellen, ændres dimensioneringen af tværsnittet som følge af glaspladerne. Inden glaspladerne er monteret tre stifte i flowcellen, vis funktion er at skabe turbulens af den indkomne biomasse. Hermed kan en eventuel tilstopning undgås, og der opnås en jævn bevægelse af biomassen gennem flowcellen. Hvis der opstår tilstopning i flowcellen, bør 15, 16 biomassen macereres inden måling. NIR-spektrometret betegnes også MMS NIR spektral sensor, som betyder Monolithic Miniature Spektrometer. Spektrometret anvender en halogenlampe som lyskilde. Polykromatoren består af en fiber cross-section konverter samt et konkavgitter, og detektoren er en enkeltstråle foto-diodearray detektor. Formålet med fiber cross-section konverteren er at optimere lysfølsomheden og derved kunne isolere et snævert bølgelængdeinterval. Konverteren består af ca glasfibre af kvarts med hver en indre diameter på 70 µm, som er ordnet i en ring. Det optiske gitter har form som en 39

40 FORSØGSBESKRIVELSE konkav, hvis funktion er at reflektere det indkomne lys fra gitterets overflade. Dette bevirker mindre lystab, hvorved fejlmålinger kan undgås. Det reflekterede lys måles via en foto-diodearray detektor, hvor der måles på hele lysspektret. Diodearrayet består af 256 dioder, hvor hver diode måler sin lille del af spektret. Dette betyder, at det er muligt at scanne spektret på få millisekunder. Spektrometret 51, 52, 53 scanner i et bølgelængdeinterval fra ca. 950 nm til ca.1530 nm. Spektrometret har indbygget et OMK-målehoved, der er integreret med halogenlampen, og dette anvendes ved måling af diffus refleksion. Dette målehoved gør det muligt at udføre adskillige scanninger pr sekund og efterfølgende tage gennemsnittet af disse spektre. Det er dette, der placeres op mod flowcellens to glasplader. Princippet går ud på, at lyskilden sender lys ud gennem et glas, med en maxtykkelse på 30 mm, i en vinkel af 0 i forhold til lyskilden. Når prøven belyses, og en diffus refleksion opstår, vil lysstrålerne opfanges af de ringformede fibre ved en vinkel på 45. Som beskrevet før er disse tilkoblet detektoren, hvor lysintensiteten registreres. 48, 52, 53 Der henvises til appendiks A for grundlæggende teori ved NIR-måling. Detektoren er koblet til en PC, hvorved det er muligt at registrere spektrene. Der anvendes softwaren, Aspect Plus, til analyse af spektrene. I følgende Tabel 6 kan de anvendte indstillinger for NIR-apparatet ses. Parameter Måleenhed Gennemsnit af spektre 100 Tidsinterval Spektralinterval Bølgelængdeinterval Tabel 6. Anvendt indstillinger til måling af biomassen. Indstillinger Reflektans, R 30 ms Spektrum 947,4 1532,9 nm Der anvendes refleksion som målemetode, hvor reflektansen i % afbildes som funktion af bølgelængden. Størrelsen, reflektans, er defineret som forholdet mellem intensiteten af reflekteret lys fra prøven og intensiteten af reflekteret lys fra en reference. Oftest ved NIR-måling anvendes, indenfor diffus refleksion, størrelsen, log 1/R, hvor der foretages en logaritmisk transformation af alle data. Ved hver måling scanner spektrometret 100 gange med et tidsinterval på 30 ms, dvs. der for hver scanning måles i en tidsperiode på 3 sek. Resultatet af dette er et gennemsnit af 100 spektre. Spektrene måles i et bølgelængdeområde fra 947,4 til 1532,9 nm. Der henvises til appendiks B for yderligere informationer om det anvendte NIR-spektrometer samt version af anvendt software. I Figur 14 er alle målte spektre i % R afbildet. Som det ses af figuren, forekommer der negativ reflektans ved en bølgelængde fra omkring 1400 nm og opefter. Da reflektansen er et forhold mellem reflekteret lys og det indkomne lys, bør reflektansen ikke antage en negativ værdi. Grunden til at der opnås negative værdier kan evt. skyldes opsætning eller kalibrering af apparatet, hvor der måles på sort og hvid baggrund. 40

41 FORSØGSBESKRIVELSE %R Bølgelængde [nm] Figur 14. Spektre for alle målte prøver i % R. Bemærk x-skalaen starter ved 800 nm. Da reflektansen skal omregnes til størrelsen log(1/r), tillægges en konstant til alle reflektansværdierne for at kompensere for de negative værdier, da omregning til logaritme ellers ikke vil være mulig.58 I Figur 15 er omregningen foretaget og alle spektre indtegnet på ny i enheden log(1/r). Alle reflektansværdier er adderet med en faktor på 1,04, hvilket er valgt ud fra den laveste negative reflektans, der er registeret. Herved bliver alle reflektansværdier positive, og efterfølgende er reflektansværdierne omregnet til log(1/r). 4,5 4 3,5 Log (1/R) 3 2,5 2 1,5 1 0, Bølgelængde [nm] Figur 15. Reflektansværdierne er adderet en konstant og omregnet til log (1/R). Bemærk x-skalaen starter ved 800 nm Ud fra spektret ses, at y-aksen spænder mellem 0 og ca. 4. I den øvre del af bølgelængdeintervallet, dvs. fra 1420 nm og opefter kan ses, at variationsbredden for spektrene bliver større, hvilket sandsynligvis skyldes støj. Der vil under modelleringen undersøges, om dette har en indflydelse på kalibreringsmodellerne. 41

42 FORSØGSBESKRIVELSE 2.3 Prøvetagning Før prøvetagning påbegyndes, er det essentielt at overveje, hvorledes det bedst sikres, at den endelige neddelte prøve, der påtænkes anvendt til analyse, er repræsentativ for lotten. En typisk analytisk prøvemasse har en størrelsesorden i g eller mg, hvorimod lotten ofte har en størrelsesorden i kg eller ton. Selve analysevolumet kan således være flere tusinde gange mindre end lottens volumen, hvilket understreger nødvendigheden af korrekt prøvetagning. Sampling af et heterogent materiale vil altid resultere i prøvetagningsfejl, da to prøver udtaget på tilsvarende vis, stadig vil have en forskel i den kemiske sammensætning. Det er således ikke muligt at udtage det præcist samme prøvemateriale to gange, men i stedet kan prøvetagningsfejlen forsøges reduceret TOS TOS beskriver hvilke fejltyper, der optræder ved prøvetagning af et heterogent materiale, samt hvorledes det er muligt at reducere og/eller eliminere disse fejl ved anvendelse af praktiske retningslinier under prøvetagningen og den efterfølgende masseneddeling. I det følgende er TOS omtalt kort, mens der henvises til litteraturen vedrørende TOS for en mere dybdegående beskrivelse af teorien. Ved overvejelser vedrørende prøvetagningsprocedure skal udgangsmaterialets geometri fastlægges (lot-dimensionalitet). Da der i forsøgsarbejdet ved Bygholm udtages prøver fra en processtrøm, er der tale om en 1-dimensionel (1-D) prøvetagning. 19 Ifølge TOS skal to grundlæggende principper være overholdt, for at der kan være tale om korrekt prøvetagning: 32 FSP (Fundamental Sampling Principle) skal overholdes, hvorved der sikres en probabilistisk prøvetagning. FSP kan udtrykkes som: 22 Alle fragmenter i en prøve skal have en ens - og forskellig fra nul - sandsynlighed for at forekomme i den endelige prøve Tre ukorrekte prøvetagningsfejl (ISE Incorrect Sampling Errors) skal elimineres. ISE består af tre fejltyper, der kort beskrives i det følgende. - Inkrement aftegningsfejlen (IDE Increment Delimitation Error) Ved udtagning af et inkrement fra en lot, skal det sikres, at inkrementet aftegnes korrekt, idet det skal forsøges tilstræbt, at prøven udtages som en skive gennem prøvemængden/processtrømmen. - Inkrement ekstraktionsfejlen (IEE Increment Extraction Error) Det lotmateriale, der forefindes på grænsen til det korrekt aftegnede inkrement, skal enten være repræsenteret i prøven eller udelades herfra afhængig af fragmentets massemidtpunkt. - Prøveforberedelsesfejlen (IPE Increment Preparation Error) Denne potentielle fejltype foregår efter prøvetagningen og dækker over fejlkilder som fordampning/fortætning af prøve, tab/spild af prøve, forurening fra udstyr, bevidst snyd etc

43 FORSØGSBESKRIVELSE Fordelen ved de tre typer af ukorrekte prøvetagningsfejl er, at disse kan elimineres ved anvendelse af de korrekte prøvetagningsprocedurer, veldesignet prøvetagningsudstyr samt ikke mindst omtanke og omhyggelighed. For at kunne udføre en korrekt prøvetagning er det nødvendigt, at have kendskab til de 7 grundlæggende prøvetagnings-enhedsoperationer (SUO Sampling Unit Operations). Disse er følgende: 1. Udfør en heterogenitetskarakterisering af lotten (bidrager til kendskab af lotten og fastlæggelse af et niveau for størrelsesordenen af en repræsentativ prøve). 2. Blanding og homogenisering før alle prøvetagningstrin. 3. Anvendelse af sammensat prøvetagning, hvor flere inkrementer sammensættes til en større prøve. 4. Anvend kun repræsentativ masseneddeling. 5. Nedknusning af større partikler hvis nødvendigt. 6. Variogramanalyse af 1-D heterogenitet D og 3-D lots bør i størst muligt omfang omlægges til 1-D lots. 21, 22, 33 Disse 7 SUO anvendes ikke nødvendigvis i samtlige prøvetagningssituationer, idet en del af enhedsoperationerne kan være tilstrækkelige i et givent prøvetagningstilfælde. Ofte anvendes SUO nr. 2, 3 og 4 som standardprocedurer ved prøvetagning, samt nr. 5 i tilfælde med stor partikelstørrelse. SUO nr. 1 og 6 anvendes fortrinsvist ved opstart af en ny prøvetagningsprocedure. På trods af at der foregår en korrekt prøvetagning, vil der stadig optræde to grundlæggende prøvetagningsfejl ved samtlige prøvetagningsoperationer, henholdsvis fejltypen FSE og GSE (se forkortelse for fejltypenavn i Tabel 7). Lottens heterogenitet bidrager til fejltypen FSE, mens GSE kan forklares ud fra både lottens heterogenitet og prøvetagningsproceduren. Den samlede prøvetagningsfejl (TSE) kan beskrives ved summen af FSE og GSE. 21, 33 Tabel 7 viser en oversigt over forskellige fejltyper, der skal tages i betragtning ved vurdering af et resultats pålidelighed. Primær/sekundær prøvetagning Kemisk analyse Data analyse Relativ fejlstørrelse <1 1-5 Fejltype TSE = FSE + GSE TAE = LSE + AE RMSEP Fejltypenavn TSE: FSE: GSE: TAE: LSE: AE: RMSEP: Tabel 7. Oversigt over fejltyper. Modificeret 21. Total Sampling Error Fundamental Sampling Error Grouping and Segregation Error Total Analytical Error Laboratory Sampling Error Analytical Error Root Mean Squared Prediction Error 43

44 FORSØGSBESKRIVELSE Som det ses, udgør den primære, sekundære og evt. tertiære prøvetagning den relativt største fejlkilde ved karakterisering af lotten. Dette bekræfter nødvendigheden af en korrekt prøvetagningsprocedure Prøvetagning ved Bygholm Før påbegyndelsen af forsøgsarbejdet ved Bygholm skulle det overvejes, hvorledes prøvetagningen, af den benyttede biomasse bestående af svinegylle, bedst kunne foregå. Samtidig skulle det tilgodeses, at flowcellen i det benyttede TENIRS havde en diameter på 6 mm, og at der af denne grund var risiko for tilstopning. Overvejelser vedr. outlet fra reaktor Som beskrevet tidligere blev der anvendt et outlet fra reaktoren placeret ca. på midten af denne. Dette blev besluttet ud fra, at det ikke var ønskeligt at overføre biomasse med højt tørstofindhold til NIR-loopet grundet risiko for tilstopning. Såfremt outlettet var placeret tæt ved flydelaget øverst i reaktoren, ville der være risiko for større indhold af sværtnedbrydelige indholdsstoffer som f.eks. strårester i biomassen. På tilsvarende vis ville en placering af outlettet tæt ved reaktorens bund medføre større sandsynlighed for overførsel af bundfældende partikulært indhold som f.eks. sand til NIR-loopet. Samtidig med ønsket om reduceret risiko for tilstopning, skulle biomassen, der føres gennem NIRloopet og foretages prøvetagning fra, stadig være repræsentativ for reaktorens biomasseindhold. Imidlertid er den anaerobe nedbrydning i flydelaget og i reaktorens bund begrænset, da indholdet disse steder i reaktoren fortrinsvis består af sværtnedbrydelige/ikke-nedbrydelige komponenter. Derimod foregår størstedelen af den anaerobe nedbrydning i reaktorens flydende biomassedel, der udgør størstedelen af reaktorvolumenet. Det blev derfor besluttet, at en placering af outlet i midten af reaktoren bibeholdte biomassens repræsentativitet. Overvejelser vedr. inlet til reaktor Efter passage af biomassen gennem NIR-loopet føres biomassen tilbage til reaktoren. Inlettet til reaktoren er placeret på reaktorens top, se Figur 7 i Da inlettet består af et langt cylinderformet rør, der fører biomassen ind i bunden af reaktoren, undgås, at flydelaget berøres af tilbageførelsen af biomassen. Herved vil en evt. løsrivelse af større tørstoffraktioner fra flydelaget dermed ikke spredes til den øvrige biomasse. Ved inlet foretages i øvrigt manuel temperaturmåling. Overvejelser vedr. omrøring Omrøringen foregår med luftomrøring i ca. 2 minutter pr. time. Luftomrøringen er forholdsvis turbulent, og det er ikke tilrådeligt, at den forløber over længere tid, idet en for intensiv omrøring, som tidligere beskrevet, kan påvirke metandannelsen. Under målingen fortsættes luftomrøringen i 2 minutter pr. time, dog med omrøringen forskudt en ½ time fra tidspunktet for NIR-målingen, således at der ikke overføres større partikler og evt. luftbobler til NIR-loopet under målingen. Under forsøgsarbejdet foregår der desuden en kontinuert omrøring i reaktoren som følge af det tilkoblede NIR-system, der kører kontinuert 6-7 timer pr. dag. Denne omrøring er mere skånsom end luftomrøringen, hvorfor den ikke menes at have negativ indflydelse på metandannelsen på trods af den kontinuerte kørsel. Derimod er denne omrøring medvirkende til en opretholdelse af en vis grad af ensartethed i biomassen, hvormed den efterfølgende prøvetagning og prøvernes pålidelighed opretholdes. 44

45 FORSØGSBESKRIVELSE Anvendt prøvetagning Efter at have besluttet hvorledes NIR-tilkoblingen bedst kunne foretages til reaktoren, og hvorledes omrøringen skulle forløbe, kunne målingen af NIR og udtagning af prøver til referenceanalyser påbegyndes. Figur 16 viser den anvendte prøvetagningsmekanisme med prøvebeholder. Figur 16. Prøvetagningsmekanisme. Opstart af NIR-systemet foregik om morgenen og efter kørsel gennem systemet i ½ time, med det formål at opnå et ensartet flow og en god opblanding af biomassen i reaktoren (SUO nr. 2), påbegyndtes første måling med NIR-systemet. I Figur 17 er prøvetagningsforløbet illustreret. Trin A viser den primære prøvetagning, der foregår efter at biomassen har passeret TENIRS-apparaturet. Figur 17. Skitse over prøvetagningsforløb. A og B indikerer hhv. primær og sekundær prøvetagning. 45

46 FORSØGSBESKRIVELSE Ved prøvetagningen anvendes sammensat prøvetagning ifølge SUO nr. 3. Via prøvetagningsmekanismen udtages 10 inkrementer straks efter afslutningen af NIR-målingen. At prøvetagningen skal foregå umiddelbart efter NIR-målingen begrundes med, at komponentindholdet i referenceanalyserne på bedste vis bør repræsentere komponentindholdet i biomassen, der passerer TENIRS. Beholderen, hvori inkrementet udtages, har et volumen på 10 ml, hvormed der opnås en samlet prøvemængde på 100 ml. Situation B på Figur 17 skitserer den sekundære prøvetagning. Til dette formål anvendes SUO nr. 2, 3 og 4 for at sikre en repræsentativ masseneddeling. Med en 5 ml ske udtages, umiddelbart efter omrøring, henholdsvis 5 og 10 inkrementer til 3 beholdere. 2 af beholderne får et samlet prøvevolumen på 25 ml til efterfølgende bestemmelse af VFA, ammonium-n og total nitrogen og sidste beholder et volumen på 50 ml til efterfølgende bestemmelse af TS/VS. Prøveneddelingen forsøges foretaget hurtigt og præcist for at undgå de før omtalte prøveforberedelsesfejl (IPE) som f.eks. fordampning og spild af prøve. Desuden bør analyserne udføres kort tid efter prøvetagningen, alternativt opbevares prøverne på køl eller nedfryses. Inden bestemmelse af biomassens indhold af VFA, ammonium-n og totalt nitrogenindhold udføres der desuden en tertiær prøvetagning i laboratoriet. Denne er beskrevet under de enkelte analyser i afsnit

47 FORSØGSBESKRIVELSE 2.4 Laboratorieanalyser I forsøgsarbejdet er udtaget i alt 136 prøver til analyse i laboratoriet. Forsøget er forløbet over 37 dage, hvoraf der er udført målinger i de 21 af dagene. Som beskrevet under forsøgsplanen, måles seks gange pr. dag. Der forekommer dog undtagelser, hvilket drejer sig om tre af dagene, hvor der i to af dem er målt fire gange pr. dag og den tredje to gange. Dette drejer sig om prøverne fra prøvedag 2.5, 2.13 og 3.1. Desuden afviger trin 5, hvor ammoniumcarbonat tilsættes, fra de andre trin, da alle prøverne, , udtages samme dag. I følgende Tabel 8 er vist en oversigt over antal dage, hvert trin har forløbet samt hvor mange målinger/prøver, der er foretaget/udtaget. Trin Ændring Antal dage Antal målinger/prøver 1 Normal drift Dobbelt belastning Temperaturstigning Stabilisering Yderligere stabilisering Tilsætning af ammoniumcarbonat Tabel 8. Oversigt over forløb og antal målinger/prøver for hvert trin Efter trin 3 blev det forsøgt at stabilisere processen, der på dette tidspunkt i forsøgsperioden havde et særdeles højt VFA-indhold. I trin 4 blev temperaturen således tilbagestillet til 51 C, og belastningen blev standset. Da der ikke kunne registreres et begyndende fald i VFA-indholdet efter stabilisering over to døgn, blev det valgt, at lade processen stabilisere i yderligere seks dage ved normal temperatur og halv belastning (5 kg/døgn) inden ammoniumcarbonat blev tilsat i trin 5. I trin 5 udføres forsøget med tilsætning af ammoniumcarbonat. Mængden af den tilsatte ammoniumcarbonat beregnes ved at tage udgangspunkt i en ønsket ammoniumstigning på ca. 0,4 g/l for hver tilsætning, således at der opnås en slutkoncentration på ca. 5 g/l. Der henvises til appendiks C for beregninger til tilsætning af ammoniumcarbonat. Ved tilsætningen omrøres i ca. 15 min. med luftomrøring, hvorefter der måles med NIR-spektrometret og udtages en referenceprøve. De efterfølgende målinger med NIR, og tilhørende prøvetagning, foretages hvert 15. minut. I alt foretages seks målinger og prøvetagninger for hver tilsætning. Herefter tilsættes endnu en dosering af ammoniumcarbonat, hvor samme procedure følges. I dette prøvetrin er der ikke udført bestemmelse af gaskvaliteten, da det var nødvendigt at åbne ned til reaktoren ved tilsætning af ammoniumcarbonat. Af samme grund er der set bort fra den målte gasproduktion. Der er foretaget referenceanalyser på hhv. VFA og ammonium-n. Derudover er gaskvaliteten bestemt og gasproduktionen automatisk registreret hver time. Ligeledes er der udført bestemmelse af totalt nitrogenindhold, TS/VS og ph. Med det formål at undersøge, hvorvidt den udrådnede biomasse indeholder et uudnyttet gaspotentiale, opsættes et efterlager, hvortil den udrådnede biomasse overføres og en efterudrådning foregår. I det følgende præsenteres de analyserede parametre. 47

48 FORSØGSBESKRIVELSE VFA Indholdet af VFA kan bestemmes kvantitativt ved anvendelse af gaschromatografi (GC FID), hvor det udnyttes, at de enkelte VFA har forskellige kogepunkter og polaritet, hvormed disse kan adskilles ved passage af en kolonne med forskellig affinitet overfor syrerne. For nærmere beskrivelse af princippet ved gaschromatografi samt anvendt apparatur og procedure henvises til appendiks D. Der blev foretaget analyse af VFA-indholdet i 112 prøver. Ved analysen blev det totale VFAindhold bestemt samt koncentrationen af de enkelte typer af flygtige fede syrer. For hver udtagen prøve blev der forberedt en prøvemængde til analyse, og på denne blev der foretaget dobbeltbestemmelse på gaschromatografen. Ved opstart af apparatet blev der dog ved kørsel af den første prøve foretaget tripelbestemmelse. Ved dobbeltbestemmelsen er bestemmelse nr. 2 (eller bestemmelse nr. 3 ved den første kørsel) anvendt som analyseresultat. Dette begrundes med erfaringer fra laboratoriet ved Bygholm, hvor det er observeret, at der kan forekomme en mindre fortynding af prøverne ved 1. bestemmelse som følge af ethanolrester fra skylning af kolonnen. Tabel 9 viser de opnåede koncentrationsintervaller af VFA i biomassen. Navn Min. koncentration [mg/l] Max. koncentration [mg/l] Max/min ratio Total VFA Acetat Propionat ,1 i-butyrat ,8 Butyrat Methylbutyrat + i-valerat Valerat 8,4 78 9,3 Tabel 9. Koncentrationsintervaller af målt VFA i biomasse. Samtlige analyseresultater er angivet i appendiks D.3, og ud fra disse er det muligt at illustrere udviklingen i den totale VFA-koncentration som funktion af prøvedag, jf. Figur Koncentration [mg/l] Prøvedag Figur 18. Udvikling i koncentration af total VFA vs. prøvedag. 48

49 FORSØGSBESKRIVELSE Det ses, at der i forbindelse med påbegyndelsen af dobbelt belastning kan registreres en reduktion i VFA-indholdet ved prøvedag 1.3 til 2.1. Denne reduktion skyldes tilstopning af pumpe fra forlager til reaktor, hvorved der ikke blev tilført rå biomasse til reaktoren mellem prøvedagene 1.3 til 2.1. I dette tidsrum er der således ikke blevet tilført nyt organisk stof til reaktoren, hvormed metanogenesen formentlig er foregået med større hastighed end fermenteringen og acetogenesen. De metanogene bakterier har således været i stand til at omdanne en del af det eksisterende indhold af VFA i reaktoren, hvilket medfører et fald i den samlede VFA-koncentration. Efter prøvenummer 2.1, hvor belastningen er hævet til 20 kg/døgn sker der en forøgelse af VFAindholdet frem til omkring prøvenummer 2.13, hvorefter der ses en tendens til stagnation i et niveau tæt ved 6000 mg/l. Ved forhøjelse af reaktortemperaturen i prøvenummer 3.1 og fremefter sker der dog en yderligere stigning i VFA-koncentrationen, således at koncentrationen, inden stabiliseringsperioden påbegyndes (prøvedag 4.1. og 4.2), er omkring mg/l. Ved stabiliseringsperiodens start kan der ikke iagttages noget fald i VFA-koncentrationen ved prøvedagene 4.1. til 4.2., hvilket skyldes, at reaktoren har været stærkt belastet i dagene forinden stabiliseringsperioden. Det er forventeligt, at det vil tage betydeligt længere tid, før reaktoren vil stabiliseres og dermed ligeledes længere tid, før der vil kunne registreres et fald i VFA-indholdet. Figur 19 viser afbildningen af koncentrationsændringer for de enkelte VFA-syrer Koncentration [mg/l] Prøvedag Acetat Propionat i-butyrat Butyrat Meth. Butyrat + i-valerat Valerat Figur 19. Udvikling i koncentration af de enkelte VFA-syrer vs. prøvedag. I Figur 19 er det tydeligt, at indholdet af acetat og propionat i svinegyllen stiger som funktion af prøvedagene. Indholdet af de øvrige VFA-syrer stiger dog ligeledes, og det ses fra Tabel 9, at indholdet af hhv. butyrat og methylbutyrat + i-valerat har de største relative stigninger gennem forsøgsforløbet. Figur 19 viser desuden, at den manglende belastning af reaktoren mellem prøvedagene 1.3 og 2.1 påvirker acetatindholdet i større grad end propionatindholdet, hvilket ses ved, at kurven for acetatindholdet har et forholdsmæssigt større fald ved disse prøvedage. Dette er overensstemmende med, at acetat er lettilgængeligt for de metanogene bakterier og dermed nemt omdannes af disse ved metanogenesen. 49

50 FORSØGSBESKRIVELSE Ammonium-N Til bestemmelse af ammoniumkoncentration er anvendt flowinjektion med analyseapparatet, FIAstar Måleprincippet er, at ammoniumioner i biomassen omdannes til ammoniak, hvorved ammoniakgassen er et udtryk for indholdet af ammonium-n. Der henvises til appendiks E for yderligere beskrivelse af metodens princip, anvendt apparat samt procedure. Der er målt på 136 prøver, der forinden er fortyndet 1000 gange. For hver prøve, der er målt på FIAstar, er der foretaget dobbeltbestemmelse, hvoraf resultatet er et gennemsnit af disse to målinger. Alle resultater kan ses i appendiks E.3. Ved forsøget blev der opnået et koncentrationsinterval af ammonium fra 2,3 g/l til 4,75 g/l. Figur 20 viser en grafisk afbildning af den gennemsnitlige ammoniumkoncentration som funktion af prøvedag. Koncentration [g/l] 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 1.1.A 1.2.A 1.3.A 2.1.A 2.4.A 2.5.A 2.6.A 2.7.A 2.8.A 2.13.A 2.14.A 3.1.A 3.4.A Prøvedag 3.5.A 3.6.A 3.7.A 3.8.A 3.11.A 4.1.A 4.2.A 5.1.A 5.2.A 5.3.A 5.4.A Figur 20. Afbildning af den gennemsnitlige koncentration af ammonium-n vs. prøvedag. Det var ikke forventet, at der ville ske en betydelig ændring af ammoniumkoncentrationen under forløbet. I figuren ses, at der dog sker en mindre stigning i trin 3, hvor temperaturen er øget til ca. 59 C. Dette kan forklares ved, at en temperaturstigning bevirker en stigning af bakterievæksten og dermed en større omsætning af proteinindholdet i det organiske materiale tilført i prøvetrin 2 og 3. I Figur 20 ses ligeledes, at indholdet af ammonium-n stiger i trin 5 som følge af tilsætning af ammoniumcarbonat. Ønsket om en slutkoncentration på ca. 5 g/l blev kun tilnærmelsesvist opnået, jf. koncentrationsintervallet for ammonium-n i appendiks E.3, hvilket kan forklares ved, at beregning af tilsat ammoniumcarbonat tager udgangspunkt i en startkoncentration 3,5 g/l. De efterfølgende analyser af ammonium viste dog, at den faktiske koncentration i reaktoren var mindre, hvorfor der blev opnået en lavere slutkoncentration på gennemsnitligt 4,6 g/l ved sidste tilsætning af ammoniumcarbonat. Desuden kan en utilstrækkelig omrøring ligeledes bevirke en manglende opløsning/opblanding af ammoniumcarbonat i reaktoren Total N Total nitrogen i biomassen er bestemt på samme apparat som ammonium-n, dvs. FIAstar Der er målt på 24 prøver, en fra hver prøvedag, og disse er inden analyse fortyndet 1250 og 2000 gange. Prøverne fra trin 5 er fortyndet 2000 gange grundet en forventet højere koncentration af nitrogen. 50

51 FORSØGSBESKRIVELSE For hver prøve er foretaget dobbeltbestemmelse, og resultatet angives som et gennemsnit heraf. For nærmere beskrivelse af apparat samt procedure henvises til appendiks F. Der er målt en koncentration af total nitrogen på 3,13 til 5,75 g/l. Samtlige resultater for prøverne kan ses i appendiks F.3. Ved måling af total nitrogen forekom enkelte outliere, hvilke ikke er medregnet i koncentrationsintervallet. Sammenholdes koncentrationerne med resultaterne fra ammonium-n, er der ligeledes ikke sket en betydelig ændring i indholdet af total nitrogen. På tilsvarende vis er total nitrogen og ammonium-n steget med omtrent samme niveau. Ved afbildning af total nitrogen for hver prøvedag illustreres de nævnte outliere tydeligt, jf. Figur ,0 10,0 Koncentration [g/l] 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 1.1.A 1.2.A 1.3.A 2.1.A 2.4.A 2.5.A 2.6.A 2.7.A 2.8.A 2.13.A 2.14.A 3.1.A 3.4.A Prøvedag 3.5.A 3.6.A 3.7.A 3.8.A 3.11.A 4.1.A 4.2.A 5.1.A 5.2.A 5.3.A 5.4.A Figur 21. Afbildning af koncentration af total nitrogen vs. prøvedag. Ud fra grafen ses, at prøve 1.3.A, 2.1.A, 2.7.A, 2.14.A og 3.8.A afviger i forhold til de andre målte koncentrationer. Grundet disse afvigelser er det vanskeligt at følge udviklingen i koncentrationniveauet under forsøgsperioden, hvilket især afspejler sig ved prøve 1.3.A, som er målt til ca. 10 g/l. Grunden til disse afvigelser kan skyldes fejl ved prøvetagning samt usikkerheder ved fortyndingsproceduren under laboratoriearbejdet. For at kompensere for disse afvigelser undersøges, hvorvidt der kan ses bort fra disse. Ved indtastning af værdierne i The Unscrambler og anvendelse af PCA kan det grafisk illustreres, hvilke værdier der afviger mest, se Figur 22. Figur 22. Grafisk afbildning (scoreplot) af alle målte prøver for total nitrogen til bestemmelse af outliere. I figuren til venstre er alle prøver afbildet, og i figuren til højre er prøve 1.3.A og 2.1.A fjernet. Figuren til venstre viser, at prøverne 1.3.A og 2.1.A afviger mest fra de øvrige. På baggrund af dette vælges at fjerne disse to outliere. Ved sammenligning af de resterende prøver ses i figuren til højre, 51

52 FORSØGSBESKRIVELSE at prøve 3.8.A til dels også afviger fra de øvrige prøver, hvormed det ligeledes vælges at se bort fra denne. Ved at beregne gennemsnittet af koncentrationerne for prøverne placeret før og efter de fjernede outliere, er det muligt at afbilde koncentrationen af total nitrogen vs. prøvedag på ny, jf. Figur 23. 7,000 6,000 Koncentration [g/l] 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 0, A 1.2.A 1.3.A 2.1.A 2.4.A 2.5.A 2.6.A 2.7.A 2.8.A 2.13.A 2.14.A 3.1.A 3.4.A Prøvedag 3.5.A 3.6.A 3.7.A 3.8.A 3.11.A 4.1.A 4.2.A 5.1.A 5.2.A 5.3.A 5.4.A Figur 23. Afbildning af koncentration for total nitrogen vs. prøvedag uden afvigelser. Som det kan ses af figuren, forekommer to yderligere outliere (2.7.A og 2.14.A). Det skal nævnes, at der ved anvendelse af The Unscrambler foretages en sammenligning af alle forekommende koncentrationer, og ikke af koncentrationer indenfor hvert prøvetrin. Hermed bliver de to nævnte outliere ikke betragtet som tydelige outliere i scoreplottet til højre i Figur 23, da der er tilsvarende høje koncentrationer i trin 5. Imidlertid forekommer disse to outliere i samme prøvetrin, hvormed det vælges ikke at se bort fra disse Gaskvalitet Gaskvaliteten kan bestemmes ved en gaschromatografisk analyse af en udtagen prøve fra reaktorens headspace. Efter chromatografisk adskillelse af gassens indhold af metan, carbondioxid og oxygen i gaschromatografens kolonner, er det muligt at bestemme gaskvaliteten ved at undersøge forholdet mellem gassens indhold af metan og carbondioxid. For nærmere beskrivelse af procedure, anvendt apparatur samt opnåede resultater henvises til appendiks G. I den aktuelle bestemmelse af gaskvaliteten blev der udtaget en prøve dagligt. Der er således analyseret på 20 prøver i alt. 52

53 FORSØGSBESKRIVELSE % af gasproduktion Prøvedag Metan Carbondioxid Oxygen Figur 24. Biogassens indhold af metan, carbondioxid og oxygen vs. prøvedag. Figur 24 afbilder det procentvise indhold af hhv. metan, carbondioxid og oxygen i den dannede biogas. Ved den normale drift (prøvetrin 1) er indholdet af de målte gasser tilfredsstillende i forhold til de forventede indholdsmængder på hhv. ca. 70 % for metan og ca. 30 % for carbondioxid. Det procentvise indhold af gasarterne er tilnærmelsesvist stagnerende frem til prøvedagene 2.13 og Herefter øges temperaturen (prøvetrin 3), hvorefter der sker en markant ændring af gassammensætningen, idet at indholdet af metan reduceres til omkring 50 %, mens indholdet af carbondioxid samtidig stiger til ca. 50 % af samlet gasproduktion. Ved prøvedag 3.11 ses der en påfaldende stor stigning i indholdet af oxygen og et samtidigt fald i indholdet af metan. Denne afvigelse kan sandsynligvis skyldes en fejlkilde i form af en ikke korrekt udtaget prøve, hvor det kan tænkes, at der ikke er sket en tilstrækkelig stor gasudskiftning i glasvialen til brug i analysen. Foruden analyse af gaskvaliteten blev der foretaget en kontinuert on-line måling af gasproduktionen. Når sammensætningen af gassens indholdsstoffer kendes, er det muligt efterfølgende at beregne mængden af produceret metan og carbondioxid, se Figur 25 for afbildning heraf Produktion [L/døgn] Prøvedag Gasproduktion Methanproduktion Carbondioxidproduktion Figur 25. Samlet gasproduktion, metanproduktion og carbondioxidproduktion vs. prøvedag. 53

54 FORSØGSBESKRIVELSE I Figur 25 sker der et betydeligt fald af gasproduktionen (inkl. metan- og carbondioxidproduktionen) ved prøvedag 2.7. Årsagen hertil er et temperaturfald i reaktoren som følge af vanskeligheder med den automatiserede temperaturstyring. På trods af temperaturfaldet ved prøvedag 2.7 sker der ingen betydelig ændring i det procentvise indhold af metan og carbondioxid, se Figur 24. Nærmere omtale af gasproduktionens forløb forefindes i afsnit TS/VS Til bestemmelse af indholdet af total tørstof, TS, og organisk tørstof, VS, er der målt på i alt 69 prøver. I begyndelsen blev der målt TS og VS på samtlige prøver, men da der ikke forekom en væsentlig ændring af tørstofindholdet i biomassen, blev det besluttet at måle TS og VS på hhv. den første og sidst udtagne prøve. Der henvises til appendiks H for yderligere beskrivelse af procedure. I Tabel 10 er angivet det opnåede TS- og VS-indhold i biomassen. Derforuden er forholdet mellem VS og TS angivet. Der henvises til appendiks H.3 for samtlige resultater. Navn Min. indhold [%] Max. indhold [%] TS 1,48 2,42 VS 0,93 1,77 VS/TS (gns. af alle data) 68 % Tabel 10. Interval for det procentvise indhold af TS og VS samt gennemsnitligt forhold mellem VS/TS. Der forekommer en lille usikkerhed ved bestemmelse af VS, da letflygtige organiske forbindelser kan fordampe under tørringen af biomassen og dermed ikke indgå i den efterfølgende bestemmelse af VS. Det lave tørstofindhold kunne ligeledes observeres under prøveudtagningen. Sammenlignet med tørstofværdien for det anvendte rå biomasse, som blev bestemt til ca. 6 %, jf. appendiks J, er tørstofværdien faldet betydeligt under biogasprocessen. Det kan ligeledes observeres af tabellen, at der er sket en mindre ændring i indholdet af både TS og VS under forsøgsforløbet. Dette er grafisk illustreret i Figur 26, hvor den gennemsnitlige værdi for TS og VS pr. prøvedag er afbildet. 3,0 2,5 2,0 [%] 1,5 1,0 0,5 0,0 1.1.A 1.2.A 1.3.A 2.1.A 2.4.A 2.5.A 2.6.A 2.7.A 2.8.A 2.13.A 2.14.A Prøvedag 3.1.A 3.4.A 3.5.A 3.6.A 3.7.A 3.8.A 3.11.A 4.1.A 4.2.A Figur 26. Afbildning af de gennemsnitlige resultater for % TS og % VS vs. prøvedag. Begge kurver har omtrent samme forløb gennem hele forsøgsperioden, hvor det ses, at VS udgør omtrent 70 % af TS, hvilket er overensstemmende med det beregnede VS/TS-forhold. Både TS- og TS VS 54

55 FORSØGSBESKRIVELSE VS-værdien ændres ved en mindre stigning ved slutningen af trin 2 og i begyndelsen af trin 3. Stigningen kan forklares ved, at processen er i begyndende ubalance, og at der derved ikke omdannes organisk tørstof i samme omfang som tidligere grundet bakteriernes nedsatte metabolisme. Dette kan ligeledes ses af Tabel 10, hvor indholdet af organisk tørstof er steget med næsten 50 %. Nedbrydningen af det organiske tørstof gennem forsøgsperioden kan ligeledes vurderes ved at bestemme forholdet mellem VS-værdien for rå biomasse med hhv. min.- og max.-indholdet for prøverne. VS-værdien for rå biomasse blev bestemt til 4,56 %. Forholdet mellem denne og den lavest bestemte VS-værdi beregnes til ca. 20 %. Hermed er der foregået en reduktion på 80 % af det organiske materiale. Ved den maksimale bestemte værdi for VS beregnes et forhold på ca. 40 %, hvilket giver en reduktion på 60 %. I relation til dette kan det ligeledes konstateres, at nedbrydningen af organisk materiale er nedsat ph Der er målt ph på 20 af prøverne, hvilket svarer til én prøve pr. prøvedag. Der er ikke målt ph på prøverne fra trin 5. For samtlige resultater henvises til appendiks K. I Figur 27 er ph-værdien afbildet som funktion af prøvedag, og det ses, at ph-værdien ikke ændres betydeligt under forsøgsperioden. 8,9 8,8 8,7 8,6 ph 8,5 8,4 8,3 8,2 8, A 1.2.A 1.3.A 2.1.A 2.4.A 2.5.A 2.6.A 2.7.A 2.8.A 2.13.A 2.14.A Prøvedag 3.1.A 3.4.A 3.5.A 3.6.A 3.7.A 3.8.A 3.11.A 4.1.A 4.2.A Figur 27. Afbildning af ph-værdier vs. prøvedag. Bemærk y-skalaen starter ved ph 8. Grafen beskriver, at ændringen af ph er begrænset men varierer dog mellem en ph-værdi på 8,26 og 8,78. Overordnet er ph-værdien faldende gennem forsøgsperioden, hvilket kan hænge sammen med en stigende koncentration af VFA. Egentligt var der forventet et større fald i ph sidst i forløbet som følge af en høj VFA-koncentration. Grunden til at dette ikke forekommer, kan skyldes svinegyllens bufferkapacitet Gasproduktion i efterlager I forbindelse med drift og økonomi ved biogasanlæg tales ofte om uudnyttede biogaspotentialer. Disse er et udtryk for, at der, ved det tidspunkt hvor biomassen fraledes reaktoren, stadig er et gaspotentiale i biomassen. Gaspotentialet i biomassen udnyttes således ikke til fulde. Med det formål at undersøge i hvor stort et omfang der forekommer et uudnyttet gaspotentiale i biomassen, der pumpes ud af reaktoren, er det valgt at overføre biomassen til et efterlager. I efterlageret foregår der en efterudrådning, og gasproduktionen herfra måles ved opsamling af 55

56 FORSØGSBESKRIVELSE gassen i en gaspose over et kendt tidsrum. Efterudrådningen foregår i begyndelsen under mesofile forhold og senere under termofile forhold for derigennem at klarlægge, hvorvidt temperaturen har indflydelse på efterudrådningen. Figur 28 viser mængden af gas, der er produceret i efterlageret pr. døgn. Der henvises i øvrigt til appendiks I. 45,0 40,0 35,0 Gasproduktion [L/døgn] 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0, Prøvedag Figur 28. Gasproduktion i efterlager vs. prøvedag. Der produceres ca. 10 L gas/døgn ved mesofil opvarmning af efterlageret. At der ikke forekommer en større gasproduktion i det mesofile temperaturområde kan bl.a. have sin årsag i, at omrøringen i reaktoren var begrænset til den omrøring, der foregik ved indpumpning af biomasse fra reaktoren. Desuden forekom der til tider temperatursvigt af vandbadet med manglende opvarmning af biomassen til følge, hvilket ligeledes nedsætter gasproduktionen. Ved en temperaturstigning af biomassen ved prøvedag 3.11 stiger gasproduktionen til ca L/døgn. Forsøget indikerede, at der forekom et uudnyttet gaspotentiale i den udrådnede biomasse, hvilket specielt var tydeligt ved efterudrådning i det termofile temperaturområde. Samtidig skal det dog tages i betragtning, at indholdet af uomsat organisk stof i biomassen fra reaktoren stiger gennem forsøgsforløbet, som følge af den kortere hydrauliske opholdstid i reaktoren, hvilket yderligere øger det uudnyttede gaspotentiale i biomassen til efterlageret. Den begyndende inhibering i reaktoren vil med tiden ligeledes medføre en inhibering af biomassen i efterlageret som følge af den kontinuerte udskiftning af biomasse. Den hydrauliske opholdstid i efterlageret er ca. 3 dage (totalvolumen på 60 kg og daglig belastning på 20 kg/døgn), hvorved biomassens sammensætning i efterlageret forholdsvist hurtigt ændres. Biomassens indhold af VFA stiger således ligeledes i efterlageret, hvilket målinger af VFA på udrådnet biomasse fra efterlageret bekræfter, se appendiks J. 56

57 FORSØGSBESKRIVELSE 2.5 Delkonklusion Gennem forsøgsarbejdet blev biogasprocessen belastet på forskellig vis for derigennem at opnå et bredt udspænd af data til den senere multivariate kalibrering. Ved de udførte laboratorieanalyser på svinegylle fra biogasreaktoren var det muligt at opnå et spænd i koncentrationer af total VFA fra ca mg/l til ca mg/l, og der blev ligeledes opnået tilfredsstillende udspænd i koncentrationsværdier for de enkelte VFA-syrer. Måling af ammonium-n gav dog et mindre dataudspænd, hvorfor det blev valgt at tilsætte ammoniumcarbonat til reaktoren for derigennem at opnå højere koncentrationsværdier af ammonium-n. Herved var det muligt at opnå et dataudspænd fra ca. 2,30 g/l til 4,75 g/l. Foruden måling af VFA og ammonium-n blev der ligeledes målt total nitrogen, TS/VS, gasproduktion, gaskvalitet og ph på processen. En samlet oversigt over mindste og største indholdsværdier for de forskellige målte parametre er opstillet i Tabel 11. Navn Min. indhold Max. indhold Total VFA 1084 mg/l mg/l Acetat 595 mg/l 6761 mg/l Propionat 399 mg/l 2851 mg/l i-butyrat 68 mg/l 460 mg/l Butyrat 12 mg/l 295 mg/l Methylbutyrat + i-valerat 25 mg/l 675 mg/l Valerat 8,4 mg/l 78 mg/l Ammonium-N 2,30 g/l 4,75 g/l Total nitrogen 3,13 g/l 5,75 g/l Metan 31,8 % 74,4 % Carbondioxid 23,4 % 57,2% TS 1,48 % 2,42 % VS 0,93 % 1,77 % ph 8,26 8,78 Tabel 11. Oversigt over min. og max. indhold af målte parametre. Den udførte belastning af biogasprocessen er sjælden mulig i større anlæg under drift, hvorfor det er interessant at undersøge udviklingen af biogasprocessen som følge af de udførte ændringer. På baggrund af de parametre, der har en stor variation gennem forsøgsarbejdet, foretages der i næste afsnit en karakterisering af biogasprocessens udvikling under forsøgsperioden ved at sammenholde parametrene med ændringen af gasproduktionen. 57

58

59 3 Karakterisering af biogasprocessen A fsnittet omhandler en beskrivelse af biogasprocessens udvikling under forsøgsperioden. Ud fra de udførte referenceanalyser sammenholdes således ændringer i biomassens sammensætning med produceret gasmængde, hvorved det kan vurderes, hvilken påvirkning de gennemførte ændringer har haft på processens udvikling. 59

60 KARAKTERISERING AF BIOGASPROCESSEN 3.1 Biogasprocessens udvikling gennem forsøgsperioden Gennem forsøgsperioden er den anaerobe udrådningsproces blevet belastet gennem øget tilførsel af organisk materiale og forhøjet temperatur, der har resulteret i procesubalance med deraf følgende nedsat biogasproduktion. I det følgende sammenholdes de opnåede resultater fra forsøgsperioden, og interaktionerne mellem de forskellige parametre beskrives. I forsøgsperioden blev der foretaget en kontinuert måling af gasproduktionen pr. time, hvorved det har været muligt at beregne den producerede gasmængde. Figur 29 viser den producerede gasmængde (L/døgn) afbildet som funktion af prøvedagene. Kurven markeret med blå angiver det oprindelige forløb af gasproduktionen gennem forsøgsperioden. I begyndelsen af forsøgsperioden dannes ca. 130 L gas/døgn. Kort efter sker et fald i gasproduktionen, hvilket kan relateres til driftsvanskeligheder med pumpen, der pumper gylle fra forlageret til reaktoren. Pumpen var tilstoppet, og der blev af denne grund ikke tilført rå biomasse til reaktoren i ca. 1 ½ døgn. Problemet med tilstopning af pumpen indtraf ofte efter påfyldning af rå svinegylle i forlageret Gasproduktion [L/døgn] Prøvedag Figur 29. Gasproduktion uden (blå) og med (lilla stiplet) korrektion for temperaturfald vs. prøvedag. Efter at denne driftsforstyrrelse blev udbedret, og reaktoren blev tilført dobbelt mængde biomasse, kunne der registreres en betydelig stigning i gasproduktionen. Gasproduktionen toppede ved en produktion på ca. 265 L/døgn efter en dobbelt belastning i 5 døgn (prøvedag 2.5), hvorefter der observeredes et bemærkelsesværdigt fald i gasproduktionen ved prøvedag 2.7. Denne reduktion skyldes, at temperaturreguleringen ved et tilfælde blev afbrudt, hvormed temperaturen i reaktoren faldt til ca. 40 ºC i løbet af et døgn. Da bakteriernes metabolisme nedsættes ved faldende temperatur, bevirker temperaturfaldet en nedsat produktion af biogas. Da belastningen samtidig er høj i prøvetrin 2, og HRT dermed er nedsat, medfører dette en stor udskiftning af biomassen, der yderligere bevirker en reduceret biogasproduktion. Ved genstart af temperaturreguleringen steg biogasproduktionen atter. Det er forventeligt, at gasproduktionen, ved høj belastning, med tiden vil begynde at aftage som følge af stigende koncentration af VFA i reaktoren, dog ikke i det omfang som temperaturændringen har bevirket. For at få et indtryk af, hvordan kurven for gasproduktion vil have forløbet uden det aktuelle temperaturfald, er der optegnet en korrigeret kurve (lilla stiplet) i Figur 29. Denne er optegnet ved at beregne et gennemsnit af gasproduktionen fra prøvedag 2.6 og 2.8 og illustrerer, at der stadig sker et fald af biogasproduktionen om end i mindre grad. 60

61 KARAKTERISERING AF BIOGASPROCESSEN Efter prøvedag 2.8 kan der stadig, efter en mindre tidsperiode med stagnation i produktionen, registreres en reduktion i gasproduktionen, hvilket igen kan relateres til det stigende VFA-indhold i biomassen. I Figur 30 er gasproduktionen (korrigeret for temperaturfald) og VFA-koncentrationen afbildet som funktion af prøvedagene. Det ses, at gasproduktionen har sit maksimum på ca. 265 L/døgn ved en VFA-koncentration på ca mg/l. Ved stigende VFA-koncentration reduceres gasproduktionen, hvilket, som beskrevet om VFA i afsnit 1.4.3, skyldes en negativ indflydelse på acetogenesen og metanogenesen, hvorved de acetogene substrater som f.eks. VFA ophobes i reaktoren Gasproduktion [L/døgn] Prøvedag Koncentration [mg/l] Gasproduktion VFA Figur 30. Korrigeret gasproduktion og VFA-koncentration vs. prøvedag. Som nævnt i forsøgsplanen hæves temperaturen fra 51 ºC til 59 ºC i prøvetrin 3. Dette bevirker en stadig stigende koncentration af VFA samt et betragteligt fald i gasproduktionen. Ved prøvedag 3.1 til prøvedag 3.4 ses således et fald i gasproduktionen, der dog udglattes mellem prøvedag 3.4 og 3.5. Denne mindre udglatning kan forklares med, at der opstod problemer med temperaturføleren i reaktoren, hvorved temperaturen ikke kunne registreres automatisk. En manuel måling af reaktortemperaturen viste en lav temperatur på 42 ºC, hvorfor det fremefter var nødvendig at anvende manuel styring og måling af temperaturen. Såfremt dette temperaturfald ikke var indtruffet, kunne det forventes, at den nedadgående gasproduktion ville fortsætte med tilnærmelsesvist samme hastighed som ses mellem prøvedag 3.1 og 3.4 samt prøvedag 3.5 og 3.6. Stigningen i gasproduktionen ved prøvedag 3.6 kan evt. skyldes en mindre nedjustering i temperaturen af vandbadet med det formål at opnå den ønskede temperatur på 59 ºC. Sidst i prøvetrin 3 og videre i prøvetrin 4 er biogasproduktionen næsten ophørt og VFA-koncentrationen større end mg/l. En inhibering af biogasprocessen, som følge af et højt VFA-indhold, har fundet sted, hvorved biogasproduktionen er standset. Acetat og propionat udgør størstedelen af den totale VFA-mængde, hvorfor det er interessant at sammenholde koncentrationen af disse to VFA-syre med gasproduktionen. Figur 31 viser således, hvorledes koncentrationen af acetat og propionat ændres over antallet af prøvedage, og en samtidig afbildning af gasproduktionen muliggør en sammenligning hermed. 61

62 KARAKTERISERING AF BIOGASPROCESSEN Koncentration [mg/l] Gasproduktion [L/døgn] Prøvedag Acetat Propionat Gasproduktion Figur 31. Koncentration af acetat og propionat samt korrigeret gasproduktion vs. prøvedag. Figur 31 viser et fald i koncentrationen af acetat og propionat ved prøvedag 1.3 til 2.1. Dette skyldes føromtalte driftsforstyrrelse forårsaget af tilstopning af pumpe. Den manglende tilførsel af biomasse bevirker, at der ikke tilføres rå biomasse til reaktoren. Da rå biomasse har et højt indhold af VFA (analyseret til ca. 12 g/l, jf. appendiks J), og da der således ikke tilføres rå biomasse, betyder dette, at bakteriernes fortsatte nedbrydning af VFA sker ud fra det aktuelle indhold af VFA i reaktoren, hvormed reaktorens indhold af VFA vil falde. Da acetat er letnedbrydeligt til metan og carbondioxid, er det hovedsageligt acetatniveauet, der reduceres som følge af manglende tilførsel af biomasse, hvilket ligeledes kan ses i Figur 31, hvor acetatkoncentrationen falder forholdsvist mere end propionatkoncentrationen ved prøvedag 1.3 til 2.1. Ved prøvedag 2.13 til 3.1 ses i Figur 31, at indholdet af acetat og propionat har tendens til stagnation. Ved prøvedag 3.1 hæves reaktortemperaturen, hvilket i de efterfølgende dage får acetatkoncentrationen til at stige mere end det dobbelte fra et niveau ved prøvedag 3.1 på ca mg/l til ca mg/l ved prøvedag 4.1. Det er iøjnefaldende, at koncentrationen af propionat ikke stiger med samme rate som acetatkoncentrationen. Årsagen hertil kan evt. findes ved bakteriers forskellige temperaturoptimum, idet det kan tænkes, at acetatdannende bakterier bedre kan tolerere temperaturstigningen end de acetatforbrugende bakterier, hvorved der vil ske en acetatophobning. På trods af et forsøg på stabilisering i trin 4 fortsætter acetat og propionatindholdet med at stige frem til afslutning af forsøget ved prøvedag 4.2. Dog stiger acetatkoncentrationen med mindre rate efter stabiliseringsperiodens start ved 4.1, hvor temperaturen nedsættes og belastningen standses. Temperaturforløbets indflydelse på gasproduktionen er illustreret i Figur 32, hvor gasproduktion og temperatur er opstillet som funktion af prøvedag. Figuren viser ligeledes, som beskrevet tidligere, at temperaturstigningen har stor indflydelse på gasproduktionen. Den tidligere beskrevne reduktion i biogasproduktionen, forårsaget af et temperaturfald ved prøvedag 2.7, fremgår ligeledes af Figur

63 KARAKTERISERING AF BIOGASPROCESSEN Gasproduktion [L/døgn] Temperatur [graderc] Prøvedag Gasproduktion Temperatur Figur 32. Gasproduktion og temperaturforløb vs. prøvedag. Figur 33 sammenholder gasproduktionen og den hydrauliske opholdstid. I starten af forløbet er den hydrauliske opholdstid ca. 10 døgn. Ved prøvedag 1.3 opstod der, som tidligere nævnt, driftsproblemer med en af excentersnekkepumperne, hvorved der ikke blev tilført biomasse til reaktoren. Der blev dermed kun tilført 2 kg biomasse til reaktoren i løbet af et døgn, hvormed HRT steg markant til et niveau på 60 døgn. Den nedsatte tilførsel af biomasse resulterede i nedsat biogasproduktion fra ca. 130 L/døgn til ca. 100 L/døgn. Kort efter udbedring af driftsforstyrrelsen kunne der atter konstateres en stigning i gasproduktionen og deraf en lavere opholdstid. Ved prøvedag 2.1 fordobles belastningen, hvormed HRT halveres til ca. 5-6 døgn. Den øgede belastning har frem til prøvedag 2.5 en positiv effekt på gasproduktionen, men sideløbende med den øgede gasproduktion sker en begyndende ophobning af VFA i reaktoren. Dette er den væsentligste årsag til, at gasproduktionen er nedadgående efter prøvedag 2.5. Gasproduktion [L/døgn] Prøvedag HRT [døgn] Gasproduktion HRT Figur 33. Gasproduktion og HRT vs. prøvedag Ved prøvedag 2.7 stiger den hydrauliske opholdstid, hvilket igen skyldes driftsproblemer med tilstopning af pumpe. Da der på samme tid sker et temperatursvigt, som beskrevet ovenfor, har dette en negativ effekt på gasproduktionen. I prøvetrin 4 ønskes det at stabilisere biogasprocessen, hvorfor det vælges at stoppe indfødningen af biomasse, med en deraf stigende HRT til følge. 63

64 KARAKTERISERING AF BIOGASPROCESSEN 3.2 Delkonklusion Det viser sig tydeligt, på trods af enkelte driftsforstyrrelser, at en dobbelt belastning samt stigning i temperaturen bevirker et fald i biogasproduktionen som følge af procesustabilitet forårsaget af forhøjet VFA-koncentration. I trin 2 blev tilførslen af organisk materiale til reaktoren fordoblet, og denne ændring bevirkede i begyndelsen en stigning i gasproduktionen som følge af ekstra organisk materiale til rådighed for mikroorganismerne. Som forventet, kunne det dog iagttages, at gasproduktionen med tiden blev reduceret grundet et stigende indhold af VFA. Dette kan forklares med, at mikroorganismerne ikke nedbryder næringsstoffer med samme hastighed, som der tilføres organisk materiale, og en ophobning af VFA påbegyndes langsomt. Det viste sig, at gasproduktionen fik sit toppunkt ved trin 2 med en total VFA-koncentration på ca mg/l. I trin 3 blev temperaturen ændret fra 51 C til ca. 59 C, mens den dobbelte belastning blev bibeholdt. Som forventet kunne der ses en forsat stigning af VFA-koncentrationen samt en dermed yderligere reduktion af gasproduktionen. Temperaturstigningen bevirkede et mere drastisk fald i forhold til trin 2, hvilket også var forventet grundet en øget VFA-koncentration. Da acetat og propionat udgør størstedelen af total VFA var det ligeledes interessant at undersøge forløbet af disse under forsøget. Acetat-koncentrationen blev fordoblet under trin 3, hvor temperaturen blev hævet, hvorimod propionat-koncentrationen blot forsatte en langsom stigende tendens. Dette kan hænge sammen med, at de acetatdannende bakterier bedre kan modstå temperaturstigningen end de acetatforbrugende bakterier. I alt kan det tydeligt ses, at en ændring i belastningen, og herefter en ændring i temperaturen, har en negativ indflydelse på biogasprocessen med en følgende reduktion i biogasproduktionen. Ved sammenligning af temperaturforløb samt HRT med biogasproduktionen, kunne det ligeledes illustreres, at en temperaturstigning og dobbelt belastning, med deraf følgende lav HRT, bevirkede et fald i gasproduktionen. Procesustabiliteten forårsages af en ophobning af VFA, og der kunne således observeres en modsat korrelation mellem gasproduktionen og VFA-koncentrationen. Dette viser, hvor betydelig VFA-indholdet er for en biogasproces, og at koncentrationen af VFA derfor er velegnet som indikator for procesustabilitet. Ud fra de opnåede resultater for total VFA, de enkelte VFA-syrer og ammonium-n udføres der i det følgende multivariat kalibrering på disse referenceparametre. Hensigten hermed er at opnå modeller til fremtidig prædiktion af disse indholdsstoffer i on-line flowmåling af anaerobt omsat biomasse i fermenteringsprocesser, som i dette tilfælde gælder biogasproduktion. 64

65 4 Multivariat dataanalyse I dette afsnit foretages multivariat kalibrering af resultaterne opnået ved NIRmåling og referenceanalyser. I afsnittet indgår en beskrivelse af den anvendte databehandling samt af de bedst egnede modeller til beskrivelse af de enkelte referenceparametre. 65

66 MULTIVARIAT DATAANALYSE 4.1 Multivariat kalibrering Anvendelsen af PAC er oftest baseret på multivariat kalibrering, der muliggør en translation af de primære signaler fra PAC-sensorerne til de typer af informationer, der ønskes monitoreret til proceskontrol f.eks. koncentrationer. Den multivariate kalibrering foretages ud fra repræsentative datasæt, hvor de enkelte prøver skal være karakteriseret ved både PAC-signaler (X) og ved koncentrationsmålinger (Y) fra analytiske referencemetoder. Disse referencemetoder udgøres typisk af våd-kemiske bestemmelser, GC, AAS, ICP eller andre teknikker, der kan være vanskelige at bringe i fysisk nærhed af procesudstyret. En multivariat kalibrering forløber typisk over 3 trin som vist i Figur 34. Figur 34. Forløb i udarbejdelse af multivariat regressionsmodel. Ved 1. trin udarbejdes en regressionsmodel ud fra målte X- og Y-variable. I 2. trin anvendes modellen herefter til prædiktering af nye Y-værdier ud fra X-målinger. Endelig, i 3. trin, foretages en sammenligning af de prædikterede Y-værdier med målte Y-værdier, hvorved der opnås en indikation af modellens anvendelighed til fremtidige prædiktioner af Y-værdier ud fra X-målinger; denne sidste fase kaldes validering. Til kalibreringen og den efterfølgende validering bør foreligge minimum to datasæt, et træningssæt og et testsæt. Datasættene er baseret på fysisk udtagne prøver, hvorpå der foretages referenceanalyse, som PAC-signaler herefter sammenholdes med. Det er væsentligt, at prøverne til referenceanalyse er udtaget repræsentativt ifølge TOS, for at resultaterne fra referenceanalyserne er repræsentative og kan anvendes til udarbejdelse af kalibreringsmodeller. Derforuden skal referenceprøven, og prøven som PAC-sensoren har målt være den samme, da der ellers vil opstå prøvetagnings- og datamodelleringsfejl grundet procesmaterialets heterogenitet. Endvidere bør referenceprøven analyseres umiddelbart efter prøveudtagning for at eliminere ændrede egenskaber af prøven som følge af henstand og lign. 20 I det følgende beskrives overvejelser vedrørende den foreliggende multivariate databehandling af resultater fra forsøgsarbejdet ved Bygholm. 66

67 MULTIVARIAT DATAANALYSE Anvendt databehandling I dette projektarbejde, hvor der ønskes udført multivariat kalibrering mellem PAC-signaler (NIRmålinger) og referenceanalyser (koncentrationsmålinger), er anvendt regressionsmetoden Partiel Least Squares (PLS). Metoden benævnes desuden Projection to Latent Structures. PLS er en metode til at sammenholde to datamatricer, hhv. X og Y, til en lineær multivariat regressionsmodel. PLS anvender informationen fra Y til at kortlægge den Y-relevante struktur i X, mens alle andre komponenter af X s datastruktur udelades. Metoden er velegnet til dataanalyse, hvor der forekommer adskillelige X-variable, støj og korrelerede data. Der skelnes mellem brug af PLS1 og PLS2. Ved PLS1 modelleres én Y-variabel, hvorimod der ved PLS2 modelleres flere Y- variable. Som anbefalet ovenfor er der ved forsøgsarbejdet anvendt to datasæt, hhv. et træningssæt og et testsæt. Til de grundliggende datasæt er udtaget 2, 4 eller 6 prøver dagligt. Hver anden af prøverne fratages til testsæt, mens de resterende anvendes til træningssættet. Dvs. at prøvenummerne B, D og F anvendes til træningssættet, og A, C og E anvendes til testsættet. Foruden brugen af testsæt til validering forsøges det i den kommende databehandling ligeledes at anvende 2-segment krydsvalidering (2SCV), for derved at undersøge i hvilken grad disse to, ofte konkurrerende valideringsmetoder, giver forskellige resultater. Testsæt anses dog som værende den mest velegnede valideringsmetode, ifølge nedenstående citat: Det vides fra 30+ års kemometrisk erfaring, at testsæt validering altid er den mest relevante og mest realistiske metode (Kim Esbensen, AAUE) Ved 2SCV foretages først en sortering af Y-variabelniveauerne (med tilhørende X-data), således at disse, i dette tilfælde, sorteres efter stigende koncentration. Herefter inddeles datamængden i to segmenter, i det følgende benævnt A og B, ved en systematisk fremgangsmåde, hvor hver anden udtages til samme segment. Princippet ved valideringsmetoden er baseret på at foretage en kalibrering af A, som derefter testes på B. Efterfølgende udføres det samme omvendt, idet at der udføres kalibrering på B og testes på A, og derefter anvendes et gennemsnit af disse to modelleringer i valideringen. Således foretages der prædiktion ud fra samtlige prøver i datamængden. Den principielt absolut mest vigtige forskel mellem testsæt og 2SCV validering er naturligvis, at 2SCV kun kan anvende sig af det halve træningssæt som basis for PLS-modellen, sammenholdt med et helt træningssæt. Ved multivariat dataanalyse på NIR-spektre anvendes ofte forbehandling af dataene, for at kompensere for den forskydning af spektrene, der kan forekomme ved måling af diffus refleksion. Forskydning af spektrene kan være forårsaget af f.eks. temperaturændringer, forskellig partikelstørrelse og baggrundsstøj. Da dette forstyrrer de kemiske signaler, der skal anvendes til databehandling, skal der kompenseres herfor, inden spektrene sammenholdes med de kemiske referenceanalyser. I dette projektarbejde er det valgt at anvende MSC (Multiplicative Scatter Correction) som forbehandlingsmetode, da denne metode er velegnet til behandling af NIR-spektre 57, 58 ved måling af refleksion Figur 35 illustrerer de opnåede spektre for målingen med TENIRS. I plottet er der indikation af støj ved de højeste bølgelængder, større end ca nm. Anvendelse af MSC kan foretages på basis af hele spektret eller med udgangspunkt i en del af spektret. I sidstnævnte tilfælde vælges et interval af X-variable, der ikke menes at bidrage med nogen kemisk information til spektret og således udelukkende fungerer som baggrundsbølgelængder. 67

68 MULTIVARIAT DATAANALYSE Figur 35. NIR-spektre for samtlige referenceprøver efter transformering med log(1/r). Abscissen har enheden [nm] og ordinataksen log(1/r). Spektret vist i Figur 35 viser en tendens til multiplikativ effekt, idet det ses, at responsvariansen stiger proportionalt med bølgelængden. Det vurderes ikke, at der foreligger additiv effekt i spektret, da de forekommende parallelforskydninger kan forklares med de forventede forskydninger forårsaget af koncentrationsændringer. Parallelforskydningen kan ligeledes ses i Figur 36. Figur 36. NIR-spektre efter fjernelse af støj fra ca nm. Abscissen har enheden [nm] og ordinataksen log(1/r). Figur 36 er optegnet efter fjernelse af støj ved bølgelængder større end ca nm. Fjernelsen heraf begrundes ud fra de senere udførte dataanalyser, hvor der kunne konstateres støj ved disse bølgelængder ved brug af plot for loading weights, se evt. appendiks M.1. Under dataanalysen blev desuden foretaget detektion af outliers via anvendelse af bl.a. plot for X-Y Relation Outliers (T-U scoreplot). Ved udarbejdelsen af dataanalyser foretages, i dette projektarbejde, seks alternative kalibreringsmodeller for hver referenceparameter, som skitseret i Figur 37, hvor total VFA er anvendt som eksempel. 68

69 MULTIVARIAT DATAANALYSE Figur 37. Oversigt over alternative kalibreringsmodeller ved total VFA. For samtlige referenceparametre foretages analyse på hhv. uforbehandlet og forbehandlet data, hvor forbehandlingen af data foregår ved delspektret MSC (DMSC) og fuldspektret MSC (FMSC). For hver af disse foretages validering både ved brug af testsæt og 2SCV. Til DMSC er det valgt at anvende bølgelængdeintervallet fra ca nm til 1250 nm, da der i dette interval ikke forekommer kemiske toppe eller støj i spektret, se Figur 36. Til præsentation af de opnåede kalibreringsmodeller benyttes fire typer plot; Explained Calibration X-variance, Residual Validation Y-variance, Loading Weights og Predicted vs. Measured. Plot af explained calibration X-varians Calibration X-varians udtrykker, hvor godt modellen er tilpasset træningssættet og er dermed et mål for, i hvor høj grad X-variablene er anvendt til modelbeskrivelsen. Calibration X-varians beskriver desuden X-variansens indflydelse ved de enkelte PLS-komponenter. Calibration X-varians kan afbildes enten som explained eller residual varians, hvor explained angiver hvor stor en procentdel af den totale X-varians, der forklarer modellen ved stigende PLS-komponenter. Derimod beskriver residual calibration X-varians fejlenes bidrag til modellen, og derved giver summen af residual og explained X-varians 100 %. 5 Plot af residual validerings-y-varians Validerings-Y-varians udtrykker modellens evne til at prædiktere fremtidige data (det forudsættes, at fremtidige data er sammenlignelige med træningsdatasættets struktur). Residual Y-variansen beskriver fejlenes bidrag ved prædikteringen og bør derfor have en så lav værdi som muligt. Prædiktionsfejlen kan beskrives som forskellen mellem prædikterede ( ŷ præd ) og målte referenceprøver ( y målt,val ). 5 Prædiktionsfejl = yˆ præd - y målt, val [5] Ud fra prædiktionsfejlene er det muligt at beregne residual Y-variansen ved følgende ligning: Residual Y-varians = val ( ŷ ) 2 præd - ymålt, val n hvor n angiver antal referenceprøver. RMSEP (Root Mean Square Error of Prediction) kan herefter beregnes som kvadratroden af residual Y-variansen. Plot af loading weights Regressionskoefficienter er et udtryk for sammenhængen mellem X- og Y-variable, hvor koefficienterne kan anvendes til beregning (prædiktion) af Y-værdier ud fra X-målinger. Regressionskoefficienterne bliver ofte anvendt til identificering af, hvilke X-variable der har stor betydning for beskrivelsen af Y, hvilket dog imidlertid er en usikker fremfærd. PLS- [6] 69

70 MULTIVARIAT DATAANALYSE regressionskoefficienter repræsenterer en kompakt udgave af alle indgående loading-weights for hver X-variabel. Det er således ikke muligt at foretage fortolkninger over X-variablers betydning for en PLS-model ved anvendelse af regressionskoefficienterne alene. Det er derimod nødvendigt at fortolke de indgående PLS-komponenter via deres loading weights. Af denne grund er det valgt at anvende plot af loading weights til modelbeskrivelsen, hvor loading weights for de mest betydende PLS-komponenter indtegnes. Ved plot af loading weights opnås et udtryk for, hvor meget hver X-variable bidrager til beskrivelse af variationen i Y, samt hvilken indflydelse de i modellen indgående PLS-komponenter bidrager med. Herved kan de X-variable, der har størst betydning ved prædikteringen af Y, bestemmes. Loading weights beregnes ud fra score-vektorerne i Y-rummet (u-scores) samt variablerne i X. Herefter kan score-vektorer i X-rummet beregnes (t-scores). X-variable med høje værdier af loading weights kan betragtes som væsentlige for prædikteringen af Y. Ovenstående udgør procedurens hovedprincip men er i detaljen en del mere kompliceret end som så. Der refereres til Esbensen (2006) og Bro (1996) for fuldstændig beskrivelse af PLS-modellering. Plot af predicted vs. measured Til vurdering af regressionsmodellens anvendelighed til fremtidig prædiktering, afbildes prædikterede Y-værdier imod målte Y-værdier. En tilfredsstillende regressionsmodel vil i dette plot kunne udtrykkes ved en regressionslinie med en hældning (slope) tæt ved 1, dvs. en god overensstemmelse mellem prædikterede og målte Y-værdier. Hældningen på kurven udtrykker modellens nøjagtighed, mens modellens præcision kan udtrykkes ved korrelationskoefficienten, r Valg af modeller Efter udarbejdelse af de seks modelforslag til hver referenceparameter (48 modeller i alt) er det efterfølgende muligt at sammenligne disse og derigennem foretage en udvælgelse af de bedst prædikterende modeller. Samtlige udarbejdede modeller er præsenteret i appendiks M. Ved vurdering af modellerne anses slope som værende den væsentligste parameter til beskrivelse af modellen. Dernæst sammenlignes modellernes værdi for r 2. r 2 er omvendt proportional med RMSEP, hvilket kan beskrives ved følgende sammenhæng: 2 2 r 1- RMSEP [7] De væsentligste modelkarakteristika er således hhv. slope, r 2, antal validerede PLS-komponenter og antal fjernede outliers. Disse er angivet i Tabel 12 for samtlige 48 modeller. Ved sammenligning af modeller for de enkelte referenceparametre i Tabel 12 opnås de største slope-værdier ved fem modeller med anvendelse af MSC og tre modeller uden anvendelse af forbehandling. Af de fem modeller med forbehandling er fire af modellerne udarbejdet med 2SCV, mens den resterende er udarbejdet ved anvendelse af testsæt. Der er anvendt FMSC i de tre af modellerne og DMSC i én af modellerne, mens modellen for propionat giver samme nøjagtighed ved brug af både FMSC eller DMSC. For de tre modeller uden anvendelse af forbehandling er anvendt 2SCV til to af modellerne, mens der ved validering med anvendelse af testsæt eller 2SCV opnås samme nøjagtighed i modellen for i-butyrat. I fem ud af otte modeller opnås således størst nøjagtighed ved anvendelse af MSC, og derforuden kan ses, at der anvendes et større antal PLS-komponenter i valideringen ved størstedelen af modellerne udarbejdet uden forbehandling. Dette indikerer, at MSC er velegnet som forbehandlingsmetode af de anvendte PAC-signaler, og derfor vælges i det følgende at tage udgangspunkt i modeller, hvor der er foretaget MSC-forbehandling af PAC-signalerne. 70

71 MULTIVARIAT DATAANALYSE Variabel Slope r 2 Outlier PLS-komp. Variabel Slope r 2 Outlier PLS-komp. Tot VFA Butyrat Rå/testsæt 0,857 0, Rå/testsæt 0,921 0,913 (6) 6 5 Rå/2SCV 0,934 0, Rå/2SCV 0,924 0,903 (6) 5 5 DMSC/testsæt 0,877 0, DMSC/testsæt 0,883 0,875 (6) 9 3 DMSC/2SCV 0,905 0, DMSC/2SCV 0,924 0,900 (6) 5 4 FMSC/testsæt 0,921 0, FMSC/testsæt 0,926 0,933 (6) 7 4 FMSC/2SCV 0,922 0, FMSC/2SCV 0,927 0,914 (6) 6 4 Acetat Meth.but + i-val Rå/testsæt 0,842 0, Rå/testsæt 0,866 0,884 (6) 4 2 Rå/2SCV 0,934 0, Rå/2SCV 0,901 0,899 (6) 3 2 DMSC/testsæt 0,879 0, DMSC/testsæt 0,924 0,939 (6) 6 2 DMSC/2SCV 0,942 0, DMSC/2SCV 0,892 0,890 (6) 3 1 FMSC/testsæt 0,893 0, FMSC/testsæt 0,932 0,950 (6) 5 4 FMSC/2SCV 0,915 0, FMSC/2SCV 0,898 0,897 (6) 5 2 Propionat Valerat Rå/testsæt 0,920 0, Rå/testsæt 0,886 0,931 (18) 5 5 Rå/2SCV 0,898 0, Rå/2SCV 0,900 0,912 (18) 5 3 DMSC/testsæt 0,860 0, DMSC/testsæt 0,880 0,864 (18) 8 3 DMSC/2SCV 0,956 0, DMSC/2SCV 0,917 0,913 (18) 7 3 FMSC/testsæt 0,949 0, FMSC/testsæt 0,892 0,920 (18) 6 4 FMSC/2SCV 0,956 0, FMSC/2SCV 0,949 0,926 (18) 6 4 i-butyrat NH 4 -N Rå/testsæt 0,931 0, Rå/testsæt 0,868 0, Rå/2SCV 0,931 0, Rå/2SCV 0,917 0, DMSC/testsæt 0,923 0, DMSC/testsæt 0,895 0, DMSC/2SCV 0,916 0, DMSC/2SCV 0,872 0, FMSC/testsæt 0,921 0, FMSC/testsæt 0,905 0, FMSC/2SCV 0,923 0, FMSC/2SCV 0,892 0, Tabel 12. Oversigt over data for samtlige udarbejdede modeller. De bedst prædikterende modeller er markeret med gult. Antal prøver fjernet før dataanalyse, grundet måling tæt ved apparatets detektionsgrænse, er markeret i parentes. 71

72 MULTIVARIAT DATAANALYSE Til valideringsformål bør det altid tilstræbes at anvende testsæt i forhold til andre valideringsmetoder som f.eks. 2SCV. Dette begrundes med, at testsæt er en mere realistisk metode, som nævnt tidligere, da der anvendes et nyt datasæt uafhængigt af træningssættet, hvorimod krydsvalidering blot simulerer den ideelle situation, der opnås ved brug af testsæt, men i realiteten kun er baseret på et 50 % reduceret træningssæt. Da der i nærværende forsøgsarbejde ved Bygholm blev udtaget to datasæt, hhv. træningssæt og testsæt, vælges det at basere valg af kalibreringsmodel på udarbejdede modeller ved brug af testsæt som valideringsmetode. Af de otte referenceparametre anses total VFA, acetat, propionat og ammonium-n som værende de væsentligste procesindikatorer til kontrol og overvågning af biogasprocesser. Derfor baseres valg af bedst egnet MSC-metode, hhv. FMSC eller DMSC, på opnået slope-værdier for modeller af disse fire referenceparametre udarbejdet med anvendelse af testsæt til validering. I Tabel 12 ses, at der opnås størst nøjagtighed, for disse fire parametre, ved brug af FMSC. For samtlige modeller gælder ligeledes, at FMSC giver størst nøjagtighed i syv ud af otte modeller, og det vælges derfor at anvende FMSC som forbehandlingsmetode. Det, at der i samtlige modeller ikke forekommer væsentlige udsving i slope-værdierne, gør det muligt at anvende samme forbehandlingsmetode til udarbejdelse af kalibreringsmodeller for samtlige referenceparametre Præsentation af valgte modeller Som en opsummering på ovennævnte blev de mest velegnede kalibreringsmodeller for hver referenceparameter valgt på baggrund af forbehandling med FMSC og validering med testsæt. Data for disse kalibreringsmodeller er vist i Tabel 13. Referenceparameter Slope r 2 Outlier PLS-komp. Total VFA 0,921 0, Acetat 0,893 0, Propionat 0,949 0, i-butyrat 0,921 0, Butyrat 0,926 0,933 (6) 7 4 Meth.but + i-valerat 0,932 0,950 (6) 5 4 Valerat 0,892 0,920 (18) 6 4 Ammonium-N 0,905 0, Tabel 13. Data for valgte kalibreringsmodeller ved anvendelse af FMSC og testsæt. I det følgende omtales de valgte kalibreringsmodeller. 72

73 MULTIVARIAT DATAANALYSE Model for total VFA De opnåede plot til beskrivelse af modellen for total VFA, udarbejdet på basis af FMSC og testsæt, er illustreret i Figur 38. Ved databehandlingen blev fjernet 8 outliers og derved anvendt 104 referenceprøver til den endelige modelbeskrivelse, heraf anvendtes 53 prøver til træningssættet og 51 prøver til testsættet. Da der forekommer lokalt minimum ved 4 PLS-komponenter, anvendes dette antal PLS-komponenter til modeludarbejdelsen. Figur 38. Plot til modelbeskrivelse for total VFA med FMSC samt anvendelse af testsæt. I Figur 38 ses ud fra explained calibration X-varians, at ca. 95 % af variationen i X-dataene anvendes til beskrivelse af modellen ved den første PLS-komponent, mens der ved 4 PLSkomponenter anvendes 100 % af X-variansen. Forløbet af residual validerings-y-variansen ses ligeledes i Figur 38. På trods af at der blev fjernet 8 outliers ved dataanalysen, har kurven for residual Y-variansen stadig en stigning i residual variansen fra 4 til 5 PLS-komponenter. Dette kan evt. skyldes, at der forekommer en eller flere yderligere outliers og/eller støj i spektret. Som nævnt er det besluttet at anvende 4 PLSkomponenter til modelbeskrivelsen, da der herved opnås en lav værdi for fejlenes bidrag ved prædikteringen og samtidig fås en tilfredsstillende slope for regressionslinien, prøvematerialets heterogenitet taget i betragtning. Ved plot af loading weights er disse optegnet for PLS-komponent 1, 2 og 4, hvor hver komponent er optegnet med hhv. blå, rød og grøn. Valg af netop disse komponenter til optegning af loading weights begrundes ud fra deres bidrag til lavere residual validerings-y-varians. Loading weights optegnet for PLS-komponent 1 viser, at der sker en translation af spektret indtil en bølgelængde ved 1142 nm. Herefter sker der ændring af forløbet, der indikerer tiltning af spektret. Det ses tilsvarende for loading weights ved PLS-komponent 2 og 4, at der forekommer tiltning af spektrene, og at der ligeledes ved en bølgelængde på 1142 nm opstår en betydelig ændring i forløbet. Ved sammenligning med spektrene i Figur 36 er dette overensstemmende med disse ved netop denne 73

74 MULTIVARIAT DATAANALYSE bølgelængde. Plottet af loading weights viser desuden, at der ved loadings weights for PLSkomponent 4 opstår støj, specielt ved bølgelængder større end ca nm. Optegningen af predicted vs. measured giver en regressionslinie med en slope-værdi på 0,921 samt en r 2 på 0,919. Begge værdier er således acceptable både med hensyn til nøjagtighed og præcision. I plottet er indtegnet en diagonal, hvorved det er muligt at sammenligne regressionsliniens hældning med den ønskede hældning på 1, og dermed visuelt få en indikation af modellens nøjagtighed. At præcisionen er tilfredsstillende kan ligeledes ses i plottet ved en pæn fordeling af punkter omkring regressionslinien. Model for acetat De opnåede plot til beskrivelse af modellen for acetat er illustreret i Figur 39. Ved databehandlingen blev fjernet 9 outliers og anvendt 103 referenceprøver til den endelige modelbeskrivelse. Der blev således anvendt 52 prøver til træningssættet, mens testsættet indeholdt 51 prøver. Modelbeskrivelsen tager udgangspunkt i anvendelsen af 4 PLS-komponenter. Figur 39. Plot til modelbeskrivelse for acetat med FMSC samt med anvendelse af testsæt. Figur 39 viser tilnærmelsesvis samme forløb af kurven for explained calibration X-varians som ved total VFA. Ligeledes anvendes ca. 95 % af variationen af X-dataene til beskrivelse af modellen ved første PLS-komponent samt 100 % ved 4 PLS-komponenter. I plot af residual validerings-y-varians forekommer der, som i samme plot for total VFA, et lokalt maksimum ved PLS-komponent 5. Ligeledes her kan dette skyldes yderligere outliers og/eller støj. Det er valgt at benytte 4 PLS-komponenter, da anvendelsen af flere komponenter kan medføre risiko for overfitting. Desuden vil der ikke kunne opnås en væsentlig forbedring af Y- modelleringsevnen ved anvendelse af yderligere komponenter. Plot af loading weights er optegnet for PLS-komponent 1, 2 og 4. Som ved total VFA ses igen, at loading weights for PLS-komponent 1 viser en translation af spektret frem til bølgelængder ved 74

75 MULTIVARIAT DATAANALYSE 1142 nm. Ligeledes forløber loading weights ved PLS-komponent 2 og 4, på tilsvarende vis som ved total VFA. Ved plot af predicted vs. measured opnås en regressionslinie med en slope-værdi på 0,893 samt en r 2 på 0,887. Det ses, at der ikke forekommer nogen koncentrationsværdier i intervallet mellem ca mg/l til 6000 mg/l, hvilket kan forklares med, at der ingen målinger er udført i tidsperioden, hvor acetatindholdet i biomassen svarer til dette koncentrationsinterval. Derforuden forekommer der kun en begrænset mængde koncentrationsværdier i området ved ca mg/l. Det havde været ideelt, om der var opnået flere koncentrationsværdier fra 4500 mg/l og opefter, men trods dette opnås en acceptabel modelbeskrivelse. Model for propionat Plot til modelbeskrivelse for propionat er illustreret i Figur 40. Ved databehandlingen blev fjernet 8 outliers og således anvendt 104 referenceprøver til den endelige modelbeskrivelse, heraf 52 prøver til træningssæt og 52 prøver til testsæt. Modelbeskrivelsen tager ligeledes udgangspunkt i anvendelsen af 4 PLS-komponenter. Figur 40. Plot til modelbeskrivelse for propionat med FMSC samt med anvendelse af testsæt. Igen ses samme forløb af kurven for explained calibration X-varians som ved de to foregående modeller. Sammenlignet med de to tidligere beskrevne modeller bidrager første PLS-komponent mere til explained validerings-y-varians, hvormed residual validerings-y-variansen bliver tilsvarende mindre. Antal PLS-komponenter til valideringen peger på 4 PLS-komponenter, da der her forekommer lokalt minimum og samtidig anses den marginale reducering af prædiktionsfejlen, der vil kunne opnås ved anvendelse af yderligere komponenter, for værende ubetydelig. I plottet ses desuden et lokalt maksimum ved PLS-komponent 5, og da dette ligeledes optræder i de tidligere 75

76 MULTIVARIAT DATAANALYSE beskrevne modeller for total VFA og acetat, virker dette som et gentagende fænomen i udarbejdelsen af modellerne. Ved optegning af loading weight for PLS-komponent 1, 2 og 4 ses, at forløbet for PLS-komponent 1 og 4 er tilsvarende tidligere optegnede loading weights, idet der forekommer både translation og tiltning af spektrene. Derimod har loading weights for PLS-komponent 2 et anderledes forløb, men indikerer dog stadig tiltning af spektrene. Regressionslinien i plottet for predicted vs. measured opnår en slope-værdi på 0,949 og en værdi for r 2 på 0,936. Både modellens præcision og nøjagtighed er således tilfredsstillende. Punkternes placering omkring regressionslinien er dog fordelt med en, i nogle tilfælde, forholdsvis stor residualværdi. I størstedelen af koncentrationsområdet fra ca. 400 til ca mg/l forekommer der dataværdier, dog foreligger der ikke koncentrationsmålinger i intervallet fra 1700 til 2200 mg/l. Model for i-butyrat Til modelbeskrivelse for i-butyrat er vist de i Figur 41 følgende plot. I databehandlingen blev fjernet 5 outliers og således anvendt 107 referenceprøver til den endelige modelbeskrivelse, hvoraf træningssættet indeholder 54 prøver og testsættet 53 prøver. Modelbeskrivelsen tager udgangspunkt i blot 2 PLS-komponenter. Figur 41. Plot til modelbeskrivelse for i-butyrat med FMSC samt med anvendelse af testsæt. Kurven for explained calibration X-varians er tilsvarende de tre foregående modeller. I modsætning til de tidligere beskrevne modeller kan modellen for i-butyrat beskrives ved anvendelse af blot 2 PLS-komponenter. Da der ikke opnås væsentlig forbedring af residual Y- variansen ved et stigende antal PLS-komponenter, men blot forekommer kompenserende PLSkomponenter, vælges at anvende 2 PLS-komponenter. Ved sammenligning af de tidligere beskrevne modeller forekommer der dog ikke lokalt maksimum ved PLS-komponent 5. 76

77 MULTIVARIAT DATAANALYSE Forløbet af kurven ved loading weights for PLS-komponent 1 og 2 indikerer, som ved de øvrige modeller, translation og tiltning af spektrene. Kurver for begge loading weights har et pænt forløb med et begrænset støjsignal. Ved plot af predicted vs. measured fås en slope-værdi på 0,921 og en værdi for r 2 på 0,904 for regressionslinien. Størstedelen af koncentrationsmålingerne er placeret i det lave og høje koncentrationsområde af det målte interval, og flere målinger ved koncentrationer omkring 200 til 300 mg/l kunne evt. forbedre modellens prædiktionsevne. Model for butyrat Den opnåede model for butyrat er illustreret ved de viste plot i Figur 42. Forinden dataanalysen blev fjernet 6 prøver fra prøvedag 2.1, da koncentrationen af butyrat var lavere end det anvendte apparats detektionsgrænse. Ved dataanalysen blev yderligere fjernet 7 outliers og derved anvendt 99 referenceprøver til den endelige modelbeskrivelse. Træningssættet udgjorde heraf 52 prøver, mens testsættet indeholdt 47 prøver. Modelbeskrivelsen er baseret på 4 PLS-komponenter. Figur 42. Plot til modelbeskrivelse for butyrat med FMSC og ved anvendelse af testsæt. Forløbet af kurven i plot af explained calibration X-varians er tilsvarende de tidligere beskrevne modeller. Ved plottet for residual validerings-y-varians ses, at der efter PLS-komponent 4 forekommer kompenserende PLS-komponenter ved komponent 5 og 6, hvormed brugen af disse ikke bidrager væsentlig til en forbedring af Y-modelleringsevnen. Til modelleringen vælges derfor at benytte 4 PLS-komponenter. Som ved de øvrige modeller kan det ligeledes ved modellen for butyrat ses, at der forekommer translation og tiltning af spektrene, samt begyndende støj fra omkring 1130 nm og opefter. 77

78 MULTIVARIAT DATAANALYSE Valideringen af kalibreringsmodellen giver en slope på 0,926 samt en r 2 på 0,933. På trods af god nøjagtighed og præcision skal det dog nævnes, at de målte referencekoncentrationer ikke er jævnt fordelt i det pågældende koncentrationsområde, hvorfor denne models stabilitet evt. vil variere ved prædiktering af nye data. Model for methyl-butyrat + i-valerat Modellen for meth. butyrat + i-valerat er illustreret ved de viste plot i Figur 43. Som ved modeludarbejdelse for butyrat blev der ligeledes her fjernet data fra prøvedag 2.1 grundet koncentrationsværdier lavere end apparatets detektionsgrænse. I databehandlingen blev frasorteret yderligere 5 outliers fra datasættet og derved anvendt i alt 101 referenceprøver til den endelige modelbeskrivelse, hvoraf 51 prøver anvendes til træningssæt og 50 prøver anvendes til testsæt. Modelbeskrivelsen er baseret på 4 PLS-komponenter. Figur 43. Plot til modelbeskrivelse for meth. butyrat + i-valerat med FMSC og ved anvendelse af testsæt. I plottet for explained calibration X-varians anvendes 100 % af X-variansen ved allerede 3 PLSkomponenter, hvoraf PLS-komponent 1 bidrager med ca. 95 % af X-variansen. Dette er således tilsvarende de øvrige beskrevne modeller. Idet der er lokalt minimum ved PLS-komponent 4, og der samtidig, ved anvendelse af yderligere to komponenter, kun sker en mindre forbedring af Y-modelleringsevnen, besluttes det at anvende 4 PLS-komponenter til valideringen. Ved 4 PLS-komponenter opnås desuden en lav værdi for residual validerings-y-varians. Optegningen af loading weights for PLS-komponent 1, 2 og 4 viser, som tidligere, translation og tiltning af spektrene. Den opnåede regressionslinie ved 4 PLS-komponenter har en slope på 0,932 samt en værdi for r 2 på 0,950. Modellens præcision er således marginalt større end nøjagtigheden, men begge betragtes som værende tilfredsstillende. 78

79 MULTIVARIAT DATAANALYSE Model for valerat Til modelbeskrivelse for valerat er anvendt de i Figur 44 viste plot. Under databehandlingen besluttedes det at fjerne prøvegrupperne 1.1, 1.2 og 1.3 grundet måling tæt ved detektionsgrænsen og en deraf følgende stor variation i koncentrationsmålinger inden for samme prøvedag. De tre prøvegrupper udgør i alt 18 referenceprøver, som fjernes fra datasættet inden dataanalysen. I databehandlingen blev fjernet yderligere 6 outliers fra datasættet og således er anvendt 88 referenceprøver til den endelige modelbeskrivelse. Træningssættet indeholder 45 prøver, mens testsættet indeholder 43 prøver. Modelbeskrivelsen er baseret på 4 PLS-komponenter. Figur 44. Plot til modelbeskrivelse for valerat med FMSC og ved anvendelse af testsæt. Figur 44 viser et forløb af explained calibration X-varians, der har tilsvarende forløb, som observeret ved samtlige af de tidligere beskrevne modeller. Plot af residual validerings-y-varians viser, at der forekommer kompenserende PLS-komponenter ved hhv. 5 og 6 PLS-komponenter. Af denne grund anvendes 4 PLS-komponenter til valideringen. Forløbet af loading weight 1, 2 og 4 er tilsvarende tidligere optegnede loading weights, idet der forekommer både translation, tiltning og støj i spektrene. Plot af predicted vs. measured giver en regressionslinie med en slope-værdi på 0,892 samt en r 2 på 0,920, og begge værdier er således acceptable. Model for ammonium-n Den opnåede model for ammonium er vist i Figur 45. Ved databehandlingen blev fjernet 6 outliers fra datasættet og derved anvendt 130 referenceprøver til den endelige modelbeskrivelse, hvoraf 66 prøver er anvendt til træningssæt og 64 prøver til testsæt. Modelbeskrivelsen er udarbejdet med udgangspunkt i 2 PLS-komponenter. 79

80 MULTIVARIAT DATAANALYSE Figur 45. Plot til modelbeskrivelse for ammonium-n med FMSC og ved anvendelse af testsæt. Plot af explained calibration X-varians viser, som ved modellerne for VFA, at ca. 95 % af X- variansen ved PLS-komponent 1 anvendes til modellen. Ved PLS-komponent 2 bidrager X- variansen med ca. 98 %. Det vurderes, at anvendelsen af flere end 2 PLS-komponenter ikke bidrager til en forbedring af Y- modelleringsevnen, da der ikke forekommer nogen væsentlig ændring af residual validerings-yvariansen ved et større antal PLS-komponenter, hvorfor der anvendes 2 PLS-komponenter til validering af modellen. Det ses, at der forekommer lokalt maksimum ved PLS-komponent 5 på tilsvarende vis som ved plot af residual validerings-y-varians for total VFA, acetat og propionat. Som ved de øvrige optegninger af loading weights ses ligeledes for ammonium translation og tiltning af spektrene. Ved optegning af predicted vs. measured fås en regressionslinie med en nøjagtighed på 0,905 samt en præcision på 0,882. Størstedelen af de målte koncentrationsværdier giver et resultat på 2200 til 3300 mg/l. Årsagen hertil er, at ammoniumkoncentrationen ikke ændrede sig betragteligt i de første fire forsøgstrin. Med det formål at opnå et bredere udspænd af data blev der efterfølgende tilsat ammoniumcarbonat til reaktoren, hvorved blev opnået højere koncentrationsværdier af ammonium-n. Det mindre antal koncentrationsmålinger i det høje koncentrationsområde kan påvirke modellens pålidelighed ved fremtidige prædikteringer. 80

81 MULTIVARIAT DATAANALYSE 4.2 Delkonklusion På baggrund af at anvendelsen af testsæt anses som værende den ideelle, og mest realistiske, metode til validering af kalibreringsmodeller, blev udvælgelsen af de bedst prædikterende modeller baseret på anvendelsen af dette. Desuden blev det konstateret, at forbehandling med FMSC resulterede i størst nøjagtighed ved prædikteringen, hvorfor denne metode ligeledes er anvendt ved udvælgelsen af bedst prædikterende modeller. I seks af de otte udvalgte modeller er anvendt 4 PLS-komponenter til udarbejdelsen af modellerne, mens de resterende to modeller er udarbejdet ved brug af 2 PLS-komponenter. Prøvematerialets heterogenitet taget i betragtning må det anvendte antal PLS-komponenter anses som værende lavt. Bortset fra fjernelse af prøver fra datasættet, grundet målinger ved detektionsgrænsen, er der fjernet mindre end 10 outliers ved hver dataanalyse, hvilket er særdeles acceptabelt ved måling af et heterogent prøvemateriale. I samtlige af de otte modeller fremstod prøvenumrene 3.11.C og 3.11.D som outliere, hvilket kan forklares med driftsforstyrrelse af pumpen placeret i NIR-loopet, idet denne var standset ved NIR-måling og prøvetagning af de to nævnte prøvenumre. Ligeledes forekom outlierne 2.13.A og 2.13.B i størstedelen af modelleringerne, og årsagen hertil kan evt. skyldes en reparation af pumpen kort forinden NIR-målingen og prøvetagningen. Modellernes nøjagtighed blev udtrykt ved værdien af slope, og den gennemsnitlige slope for de valgte modeller blev beregnet til 0,917 (91,7 %). Den største nøjagtighed forekom ved modellering af propionat med en slope-værdi på 0,949. Prøvematerialets heterogenitet taget i betragtning, er denne nøjagtighed yderst tilfredsstillende. Præcisionen for de enkelte modeller kunne beskrives ved den kvadrede korrelationskoefficient, r 2, og den gennemsnitligt opnåede r 2 havde en værdi på 0,916 (91,6 %). Den største præcision forekom ved modellering af meth.butyrat + i-valerat, hvor r 2 antog en værdi på 0,950. Differencen mellem 100 % præcision og den gennemsnitlig opnåede præcision udtrykker det samlede fejlbidrag fra prøvetagningsprocessen (TSE) og det efterfølgende analysearbejde (TAE), hvilket således udgør ca. 8 %. At det samlede fejlbidrag således er forholdsvist lavt kan bl.a. relateres til anvendelsen af TOS gennem forsøgsarbejdet. 81

82

83 SAMMENFATNING 5 Sammenfatning P å baggrund af det udførte forsøgsarbejde og den efterfølgende databehandling diskuteres og konkluderes på de resultater og den viden, der er opnået gennem projektforløbet, vedr. karakterisering af biogasprocessen og udarbejdelse af kali-breringsmodeller. Afslutningsvist indeholder afsnittet en perspektivering med overvejelser til eventuelle forbedringer/ændringer af gennemført projektarbejde samt fremtidige forsøg. 83

84 SAMMENFATNING 5.1 Diskussion Efter at det indledningsvist blev beskrevet, hvilke procesindikatorer der er væsentlige til vurdering af processtabilitet, blev det besluttet at tage udgangspunkt i total VFA ved on-line monitorering af den anaerobe udrådning med brug af NIR-spektroskopi. Foruden VFA betragtes biomassens indhold af ammonium-n ligeledes som en mulig procesindikator, da biomassesammensætning ofte har højt indhold af nitrogen som følge af anvendelsen af biomasse med højt proteinindhold. Ved forsøgsarbejdet blev således foretaget analyser af VFA og ammonium-n. Derforuden blev udført bestemmelse af total nitrogen, gaskvalitet, ph samt TS og VS, og sideløbende hermed foregik en registrering af dannet gasmængde samt belastning og reaktortemperatur. Analysekoncentrationerne for VFA og ammonium-n er anvendt som referenceværdier ved den efterfølgende multivariate kalibrering, hvor disse sammenholdes med PAC-signaler fra den on-line NIR-monitorering. VFA, ammonium-n og de resterende analyserede/målte parametre er desuden benyttet til en samlet karakterisering af biogasprocessens udviklingsforløb gennem forsøgsperioden. I nærværende projektarbejde var det muligt, over en relativ kort forsøgsperiode, at opnå et bredt udspænd af data for størstedelen af de målte parametre ved at foretage operationelle ændringer på biogasprocessen gennem forøgelse af belastning og temperatur. Analyse af VFA-indhold resulterede samlet set i et koncentrationsinterval fra ca. 1 g/l til 11 g/l, hvilket repræsenterer det typisk forekommende koncentrationsniveau af VFA i biomasse anvendt i biogassektoren, og er dermed et tilfredsstillende grundlag for den efterfølgende multivariate dataanalyse. Målingen af ammonium-n resulterede i værdier fra 2,3 g/l til 4,8 g/l. Der blev udarbejdet kalibreringsmodeller for total VFA, de enkelte VFA-syrer og ammonium-n. De opnåede kalibreringsmodeller for total VFA, acetat og ammonium-n kan sammenholdes med de tidligere udførte forsøg med TENIRS, der er beskrevet i afsnit 1.5. Ligeledes kan den udarbejdede model for propionat relateres til et forsøg, udført i Sverige, med brug af NIR-spektroskopi til online monitorering på biomasse. 24 I Tabel 14 er angivet resultater fra udarbejdede kalibreringsmodeller i dette projektarbejde samt tidligere udførte forsøg. Dette projekt Østrig/Esbjerg Sverige Total VFA Acetat Propionat Ammonium-N s = 0,92 4 PLS s = 0,89 4 PLS s = 0,95 4 PLS s = 0,91 2 PLS r 2 = 0,92 8 outl. r 2 = 0,89 9 outl. r 2 = 0,94 8 outl. r 2 = 0,88 6 outl. s = 0,91 7 PLS s = 0,93 6 PLS s = 0,92 4 PLS r 2 = 0,88 8 outl. r 2 = 0,91 7 outl. r 2 = 0,92 8 outl. s = 0,74 - r 2 = 0,72 - Tabel 14. Dataoversigt for kalibreringsmodeller af total VFA, acetat, propionat og ammonium-n udarbejdet i dette projektarbejde samt tidligere forsøg (s: slope, PLS: antal PLS-komponenter og outl.: antal outliers). For den bedst prædikterende model for total VFA blev der, ved anvendelse af 4 PLS-komponenter til valideringen og efter fjernelse af 8 outliers, opnået en nøjagtighed og præcision på 0,92 ved prædiktering af nye koncentrationsværdier. Som det ses i tabellen, er der således opnået en større nøjagtighed og præcision ved brug af færre PLS-komponenter sammenholdt med forsøg udført i Østrig/Esbjerg. I Østrig/Esbjerg er der dog opnået marginalt bedre modeller for acetat og ammonium-n, udtrykt ved slope og r 2, men med samtidig anvendelse af flere PLS-komponenter. I nærværende projektarbejde vil der ligeledes kunne opnås modeller med større nøjagtighed og præcision gennem anvendelse af et større antal PLS-komponenter, men da der monitoreres på et 84

85 SAMMENFATNING heterogent procesmateriale, er det vurderet i stedet at foretage validering på baggrund af et mindre antal komponenter og derved opnå en mere realistisk prædiktering. Et forsøg med on-line monitorering af biomasse, udført i Sverige, forløb over 2 år og blev udført på 8 liters fermentorer. Forsøget resulterede i udarbejdelse af en kalibreringsmodel for propionat med betydeligt ringere nøjagtighed og præcision, end opnået for propionat i dette forsøgsarbejde. Ved at relatere de opnåede modeller til tidligere udarbejdede modeller i andre forsøg kan det konstateres, at der på trods af en forholdsvis kort forsøgsperiode er opnået tilfredsstillende kalibreringsmodeller for de målte parametre. Det kunne dog være ønskeligt, at der var opnået et større spænd af data for ammonium-n. Ligeledes vil det være fordelagtigt med flere koncentrationsmålinger i enkelte af de udarbejdede modeller, heriblandt modellerne for i-butyrat og butyrat, hvor dele af koncentrationsintervallet ikke var repræsenteret af koncentrationsmålinger. Dette ville sandsynligvis være muligt såfremt forsøgsperioden blev forlænget. Ved en forlænget forsøgsperiode vil der kunne foretages en mere skånsom belastning og temperaturændring på processen, hvorved stigningen i VFA ville foregå mere begrænset. Dette ville resultere i muligheden for flere NIR-målinger og prøveudtagninger af koncentrationsændringer gennem forsøgsperioden, hvorved der ville opnås flere PAC-signaler og referencekoncentrationer i hele koncentrationsintervallet. I forsøgsarbejdet er der udført NIR-målinger og tilhørende prøvetagning hver time over en samlet tidsperiode på 6 timer. Ved at foretage NIR-måling og prøvetagning med større spredning over døgnet samt større tidsinterval, f.eks. hver 3. time 8 gange i døgnet, vil det medføre, at der opnås en jævn fordeling af værdier gennem hele koncentrationsintervallet. Udarbejdelsen af kalibreringsmodeller ved multivariat dataanalyse kræver, at de anvendte referenceanalyser er repræsentative for biomassen til det udtagne tidspunkt samt ved fremtidige målinger på biomasse. Som nævnt var det ikke muligt at opnå et bredt udspænd af koncentrationsmålinger ved måling af ammonium-n i biomassen, hvorfor det blev besluttet at tilsætte ammoniumcarbonat til biomassen. Da biomassen således spikes, skal det derfor tages i betragtning, at den udtagne prøve ikke repræsenterer en typisk biomasseprøve grundet dets kunstige indhold af ammonium. Vedrørende repræsentativiteten af data kan der ligeledes gøres overvejelser omkring det faktum, at prøven, som NIR-instrumentet måler, og referenceprøven skal være identiske, hvilket især er gældende ved et heterogent materiale som biomasse. Udtagning af prøve samtidig med NIRmålingen er vanskeligt i den benyttede forsøgsopstilling, da der måles på en processtrøm. Ved NIRmålingen blev der foretaget scanning i et tidsinterval på 30 ms á 100 gange, og det endelige spektrum er et gennemsnit heraf. Ved at scanne over et længere tidsinterval vil mulighederne for at foretage prøvetagning, mens NIR-målingen foregår, kunne forbedres, afhængig af at NIR-målingen ikke forstyrres af en samtidig prøveudtagning. Ligeledes vil gennemsnittet af de målte spektre være baseret på en større del af processtrømmen. Måling over et længere tidsinterval vil desuden medføre et forbedret signal/støj-forhold, da spektrale variationer forårsaget af bobler, ikke nedbrudt materiale og andet, som fører til lysscatter og har indflydelse på spektrene, minimeres. Generelt kan siges, at anvendelsen af et NIR-spektrometer, der scanner spektret bølgelængde for bølgelængde, mens processtrømmen samtidig passerer flowcellen, bevirker, at hver bølgelængde repræsenterer et nyt segment af processtrømmen. Dette er netop et problem ved måling af et heterogent materiale som biomasse, da spektret således ikke repræsenterer samme prøve

86 SAMMENFATNING Ved validering af kalibreringsmodellerne blev der anvendt testsæt som valideringsmetode. I forsøgsarbejdet blev referenceprøver til testsættet udtaget i samme periode som prøver til træningssættet. Der var således blot en time mellem prøverne, der blev anvendt til hhv. træningssæt og testsæt. Denne procedure anses ikke som værende optimal, da prøver til træningssæt og testsæt bør udtages uafhængigt af hinanden og ikke blot bestå af en samlet datamængde, der deles i to mindre datasæt. Såfremt tid og mulighed havde været dertil, ville det i stedet have været mere korrekt atter at opstille NIR-udstyret ved Bygholm og foretage NIR-målinger samt referenceanalyser på ny. 86

87 SAMMENFATNING 5.2 Konklusion I dette projektarbejde blev foretaget on-line monitorering med NIR-spektroskopi på en meso-skala anaerob udrådning. Til forsøgsarbejdet blev anvendt TOS for at opnå repræsentative referenceprøver til efterfølgende multivariat kalibrering. Der er udført multivariat kalibrering med PLS1-regression på følgende af biomassens indholdsstoffer; total VFA, acetat, propionat, i-butyrat, butyrat, methylbutyrat + i-valerat, valerat og ammonium-n. Derudover er der foretaget bestemmelse af total nitrogen, gaskvalitet, gasproduktion, ph samt TS og VS for derigennem at kunne foretage en karakterisering af biogasprocessens udvikling under forsøgsperioden. Med det formål at opnå et bredt udspænd af koncentrationer for VFA blev det valgt at foretage operationelle ændringer undervejs i forsøgsarbejdet. Efter måling ved normal drift blev belastningen ændret til det dobbelte efterfulgt af en forøgelse af reaktortemperaturen. Dette resulterede i begyndelsen i en betydelig stigning i gasproduktionen, hvorimod der ved fortsat belastning kunne observeres en begyndende aftagning af gasproduktionen, der yderligere blev forstærket ved en temperaturændring fra 51 ºC til 59 ºC. Efter en periode med fortsat dobbelt belastning og høj temperatur bevirkede dette en stærkt inhiberet biogasproces forårsaget af en høj koncentration af VFA. Ud fra denne observation kunne det konstateres, at VFA er en væsentlig procesindikator ved on-line monitorering af anaerob udrådning. På trods af at referenceanalyser af ammonium-n resulterede i et begrænset dataudspænd, blev der udført multivariat kalibrering herpå. For total VFA, de enkelte VFA-syrer og ammonium-n blev der opstillet ialt 48 kalibreringsmodeller, idet der til hver parameter blev udarbejdet seks modeller udført med/uden anvendelse af forbehandling samt validering med hhv. testsæt og 2-segment krydsvalidering. Af de seks modeller, for hver parameter, kunne den bedst prædikterende model efterfølgende udvælges ved at tage udgangspunkt i anvendelsen af testsæt til validering samt sammenligning af modellernes slope og r 2. Det kunne desuden konkluderes, at anvendelsen af fuldspektret MSC forbedrede kalibreringsmodellerne for størstedelen af de otte parametre ved anvendelsen af testsæt. Ved udarbejdelsen af de otte kalibreringsmodeller er anvendt 2 eller 4 PLS-komponenter og fjernet under 10 outliers. Den gennemsnitlige nøjagtighed for de udvalgte kalibreringsmodellers prædiktionsevne blev beregnet til 0,92 (92 %). Ligeledes blev præcisionen bestemt til 0,92 (92 %), hvormed det samlede fejlbidrag således blot udgør 8 %. Prøvematerialets heterogenitet taget i betragtning er det benyttede antal PLS-komponenter samt fejlbidraget begrænset, hvilket bl.a. kan relateres til anvendelsen af TOS gennem forsøgsarbejdet. Kalibreringsmodellerne for hhv. total VFA, acetat, propionat og ammonium-n kunne efterfølgende relateres til andre forskningsforsøg, hvor det kunne konstateres, at der i nærværende projektarbejde er opnået modeller med større prædiktionsevne for hhv. total VFA og propionat. For acetat og ammonium-n blev der opnået omtrent samme nøjagtighed og præcision, ved sammenligning med tidligere forsøg, med anvendelse af et mindre antal PLS-komponenter. Ud fra de opnåede kalibreringsmodellers nøjagtighed, præcision og antal anvendte PLSkomponenter, samt en sammenligning af modellerne med tidligere udførte forskningsforsøg, blev det konstateret, at der i dette forsøgsarbejde er opnået tilfredsstillende kalibreringsmodeller for total VFA, de seks VFA-syrer og ammonium-n. På baggrund heraf kan det endeligt konkluderes, at det er muligt at udføre real-time on-line monitorering med TENIRS på meso-skala anaerobe udrådningsprocesser. Den efterfølgende udfordring er at udvikle og anvende kalibreringsmodeller, baseret på PAC-monitorering med NIR-spektroskopi, til overvågning og styring af anaerobe udrådningsprocesser i fuldskala anlæg, hvor diversiteten i biomassesammensætningen forekommer større. 87

88 SAMMENFATNING 5.3 Perspektivering Under projektarbejdet er det overvejet, hvorvidt det vil være muligt at optimere forsøgsarbejdet og den efterfølgende multivariate kalibrering ved at foretage ændringer i udførelsen af forsøgene samt anvende alternative metoder ved dataanalysen. Derforuden kan der, ud fra de opnåede erfaringer ved dette projektarbejde, overvejes, hvorvidt en fremtidig on-line monitorering med anvendelse af PAC på fuld-skala biogasanlæg er mulig samt økonomiske perspektiver herved. Der kan således ses nærmere på følgende: 1. Optimering af forsøgsarbejdet 2. Opdeling af datasæt 3. Valg af antal PLS-komponenter 4. Alternative forbehandlingsmetoder 5. Fremtidig on-line måling og økonomi De fem punkter omtales her under. Ad. 1. Optimering af forsøgsarbejdet I projektarbejdet blev der opnået data til udarbejdelse af kalibreringsmodeller for total VFA, de individuelle VFA-syrer samt ammonium-n. Foruden disse procesparametre vil der, som nævnt i afsnit 1.4, kunne anvendes andre parametre såsom gasproduktion, gaskvalitet, total nitrogen samt TS og VS til indikation af biogasprocessens stabilitet. Anvendelsen af yderligere procesindikatorer vil bevirke en forbedret overvågning og større mulighed for justering af processen. I dette projektarbejde blev der foretaget måling af de fire ovennævnte parametre, men det var ikke muligt, bl.a. grundet den forholdsvis korte forsøgsperiode, at opnå et tilstrækkeligt udspænd af data til efterfølgende udarbejdelse af kalibreringsmodeller. Ved måling på processen over en længere tidsperiode vil der derimod kunne foretages monitorering og analyse af disse parametres ændrede koncentrationsniveauer, og derigennem opnås større og bredere datasæt. Ved måling af TS og VS i svinegyllen ved Bygholm blev det konstateret, at der ikke forekom store ændringer heraf gennem forsøgsperioden. For at opnå et bredere udspænd af data, til brug i efterfølgende kalibreringsmodeller, kunne det overvejes at tilsætte energiafgrøder, der vil resultere i en stigning af TS og VS. Samtidig vil tilsætning af energiafgrøder, og den deraf følgende større gasproduktion, ligeledes muliggøre måling af et bredere interval af gasproduktionsmængder til senere kalibrering. Da det vides, at tilsætning af energiafgrøder øger biogasproduktionen, kan det ligeledes tænkes, at flere biogasanlæg vil benytte sig af dette i fremtiden, hvorfor inddragelsen heraf er relevant i kalibreringssammenhænge. 62 På tilsvarende vis vil det kunne overvejes, hvorvidt tilsætningen af industrielt affald, som f.eks. slagteriaffald, vil skulle inddrages i forsøgsarbejdet, da dette ofte anvendes som supplement på biogasanlæggene. Derigennem vil der kunne opnås en biomassesammensætning, der ville repræsentere en typisk prøve fra fuld-skala biogasanlæg. 88

89 SAMMENFATNING Ad 2. Opdeling af datasæt Til validering af kalibreringsmodeller er der i dette projektarbejde anvendt testsæt. Krav til benyttelse af testsæt, hvilket også gælder træningssættet, indbefatter, at de opsamlede data skal repræsentere realistiske og fremtidige forhold. I dataanalysen blev anvendt et testsæt, der var baseret på halvdelen af det samlede datasæt, mens træningssættet udgjorde den resterende del af datasættet. Som udgangspunkt bør testsættet anvendes til validering og bør ikke indgå i kalibreringsprocessen. Imidlertid anvendes testsættet til valg af antal PLS-komponenter under kalibreringen og indgår således indirekte i udarbejdelsen af modellen. Som en alternativ metode til udvælgelse af PLS-komponenter kunne de udtagne prøver være inddelt i tre grupper med samme antal prøver så vidt muligt. De tre sæt kaldes hhv. kalibrerings-, factor selection- samt valideringssæt og skal indeholde samme udspænd af koncentrationsniveau for den målte parameter. Derforuden gælder for de tre sæt, at de skal indeholde et bredt udspænd af data samt være ensartede, præcise og typiske. Ved den multivariate kalibreringsanalyse tages udgangspunkt i kalibreringssættet som hidtil. Factor selection-sættet anvendes herefter til bestemmelse af optimale antal PLS-komponenter, hvorefter disse to sæt sammenlægges og anvendes til en endelig kalibrering ved benyttelse af de valgte PLS-komponenter. Hermed består kalibreringssættet nu af 2/3 af de udtagne prøver og dermed dobbelt så mange som valideringssættet. I sidste instans anvendes valideringssættet til validering af den fundne kalibreringsmodel. Ved denne metode opnås et større kalibreringssæt men derimod et mindre testsæt, dvs. 2/3 af dataene anvendes til kalibreringssættet og 1/3 til valideringssættet. Dette er dog acceptabelt, da 5, 18 kravet til størrelsen af testsættet skal være mindst 25 % af kalibreringssættet. Ad. 3. Valg af antal PLS-komponenter Ved den multivariate kalibrering blev det optimale antal PLS-komponenter til de enkelte modeller bestemt ud fra plot af residual validerings-y-varians ved valideringen. Det blev erfaret, at der let kunne opstå tvivl i forbindelse med denne konventionelle tilgang til komponentudvælgelse, da der ikke i alle modeller forekom en umiddelbar indikation af hvilket antal PLS-komponenter, der ville være at foretrække. Således kunne det ved flere af modellerne diskuteres, hvorvidt anvendelsen af et større antal komponenter, end det valgte, ville forbedre Y-modelleringsevnen uden risiko for samtidig overfitting. Ved overfitting beskrives for stor en del af dataenes variation, idet ikke kun systematiske variationer med prædikterende evner, men også tilfældige variationer forårsaget af støj og andre ikke-informative variationer medtages i modelleringen. Da overfitting af denne grund bidrager til modeller med mindre realistisk prædiktering bør overfitting altid forsøges elimineret. Flere metoder er udviklet med det formål at tilgodese problemet med overfitting, hvoraf validering 5, 23 af modellen er den oftest anvendte metode i praksis. Som et alternativ til den ovenfor beskrevne subjektive beslutningsproces, der forekommer ved anvendelse af validering til PLS-komponentudvælgelse, er der i litteraturen fremført forslag til mere statistiske tilgangsmetoder til dette valg. En af disse metoder er den såkaldte randomiseringstest, der er baseret på ombytning af data, således at der opnås datakombinationer forskellige fra udgangsmaterialet. Princippet ved metoden kan illustreres ved Figur

90 SAMMENFATNING 1 2 N Ordnet prøver Ombyttet prøver Y 1 Y 2 Y N Y 2 Y 5 Y 3 Y 4 Y 3 Y 5 Ombyttet Y-vektorer.. PLS X række 1 X række 2 X række N Ordnet X-matrix Fordeling af støjværdier Ordnet Y-vektor Figur 46. Princip ved randomiseringstest. Modificeret 23. Ved metoden foretages en tilfældig ombytning af samtlige data i Y-matricen, mens de korresponderende dataværdier i X-matricen holdes konstante. Dette bevirker, at enhver korrelation, der måtte forekomme mellem X- og Y-variablene, ødelægges. Efterfølgende PLS-regressioner heraf skulle dermed gerne reflektere den manglende korrelation mellem X- og Y-variablene. Statistiske dataværdier fra regressionerne udført efter randomisering burde ikke kunne skelnes fra de statistiske dataværdier, der repræsenterer den tilfældigt forekommende variation i dataene, hvormed værdierne kan betragtes som støjværdier. For et forskelligt antal komponenter foretages adskillelige gentagelser af nye randomiseringer og PLS-regressioner. For hver komponent kan efterfølgende optegnes et histogram over fordelingen af de opnåede støjværdier. De opnåede histogrammer for støjværdierne sammenlignes herefter med den aktuelle statistiske værdi, testværdien, fra det originale datasæt. Såfremt at sandsynligheden, for at testværdien forekommer tilfældigt, er minimal, indikerer dette, at den pågældende komponent udtrykker korrelation i datasættet. Er sandsynligheden, for at testværdien forekommer tilfældigt, derimod høj, er dette et tegn på risiko for overfitting ved brug af denne komponent, da der herved er risiko for modellering af støj. Ad 4. Alternative forbehandlingsmetoder Til udarbejdelse af lineære kalibreringsmodeller mellem NIR-målinger og referenceanalyser blev der anvendt PLS-regression. Ved måling med f.eks. NIR-spektrometer forekommer der oftest systematiske eller tilfældige fejl, der medvirker til en forringelse af prædiktionsevnen ved opstilling af kalibreringsmodeller. For at kompensere for disse fejl kan udføres en forbehandling af NIRspektrene, som neddæmper disse variationer. Som spektral forbehandlingsmetode er der i dette projekt anvendt hhv. del- og fuldspektret MSC, da denne metode er anvendelig ved spektroskopiske målinger. Da der ligeledes kunne observeres en multiplikativ effekt i spektrene, hvilket ofte ses ved reflektans-spektrokopi, er denne metode anvendt til korrektion for denne effekt. Foruden denne forbehandlingsmetode kunne der benyttes differentiering, hvorpå der foretages en differentiering af spektrene hhv. den første og anden afledede. Hvis der eksempelvis i alle spektre forekommer et konstant bidrag fra en basislinie, kan dette fjernes ved brug af den første afledede. Såfremt basislinien er konstant stigende eller faldende, kan dette elimineres ved den anden afledede. Den anden afledede kan også anvendes til behandling af lysspredningseffekter. 4, 5 90

91 SAMMENFATNING Gennem det nærværende forsøgsarbejde er der ændret på temperaturen for at opnå en stigning i VFA-koncentrationen. En ændring i temperaturen kan have indflydelse på NIR-spektrometret, hvormed der opstår en variabilitet i spektrene, der indebærer en reduceret Y-prædiktionsevne og i værste tilfælde kan medføre ikke-lineære sammenhæng mellem variablene. Påvirkning som følge af temperatur gælder især ved måling af væskeholdigt prøvemateriale, der består af forbindelser med hydrogenbindinger, da hydrogenbindingernes absorptionsintensitet varierer ved måling med nærinfrarødt lys som følge af temperaturændringen. For at udjævne denne variation skal der ligeledes foretages en forbehandling af spektrene, hvilket som nævnt er udført ved brug af MSC. Som en alternativ forbehandlingsmetode, der er specielt anvendelig til eliminering af systematiske variationer i NIR-spektre forårsaget af temperaturændringer, kan nævnes Orthogonal Signal Correction (OSC). Dette er en omfattende metode til filtrering af spektre, hvor latente variable fjernes fra X-matricen (NIR-målinger), der er ortogonal med, dvs. ikke relaterer, til Y-matricen (referenceanalyser). Med andre ord minimeres covariansen mellem X og Y. Princippet ved OSC er således modsat brugen af MSC og differentiering, da der i disse fjernes informationer i X-matricen, der har relation til Y-matricen. OSC har til fordel, i forhold til andre forbehandlingsmetoder, at der ikke forinden kræves et kendskab til temperaturændringen under forsøget. Samtidigt har OSC-algoritmen vist sig at være effektiv til opstilling af kalibreringsmodeller, da denne metode medvirker til opnåelse af simple og oftest bedre 2, 17 prædikterende modeller end anvendelsen af andre forbehandlingsmetoder. Ad. 5. Fremtidig on-line måling og økonomi Der blev i dette projektarbejde konkluderet, at det var muligt at foretage on-line monitorering med TENIRS på biomasse fra meso-skala anlæg. Dette danner grundlag for videre forsøgsarbejde omhandlende udvikling af on-line monitorering på fuld-skala biogasanlæg. Før en sådan PACmonitorering kan påbegyndes er der flere forhold, der skal overvejes. Erfaringer fra forsøget udført i meso-skala viser, at den benyttede flowcelle med en diameter på 6 mm var tilstrækkelig til måling på svinegylle med et tørstofindhold på ca. 2 %. Ved on-line monitorering på fuld-skala anlæg skal det dog forventes, at der vil forekomme et større indhold af tørstof pga. af biomassesammensætningen, hvorfor der sandsynligvis forholdsvis hurtigt vil opstå problemer med tilstopning. For at undgå dette skal der bl.a. anvendes større rørledninger samt flowcelle, hvilket desuden medfører en bedre repræsentativitet af biomassen i reaktoren. Flowcellen tænkes placeret mellem rørledninger, der føres fra midten af reaktoren, gennem flowcellen og tilbage til reaktoren. Flowcellen placeres vertikalt i rørledningen, da dette ligeledes vil forbedre repræsentativiteten af biomassen, der måles på, da der oftest forekommer en adskillelse af biomasse med højt indhold af tørstof ved bunden af horisontale rørledninger grundet tyngdekraften. Derforuden muliggør et flow i opadgående retning en bedre sammenblanding af biomassen forårsaget af turbulens. 25 Af forsøget på Bygholm blev det vist, at VFA er en væsentlig parameter som procesindikator, da denne bl.a. har stor betydning i forhold til gasproduktionen, hvorfor denne er en oplagt parameter til fremtidig anvendelse på fuldskala anlæg. Dette gælder både total VFA og de enkelte syrer, såsom acetat og propionat. Som nævnt under Ad. 1 vil anvendelsen af flere procesindikatorer bevirke en forbedret overvågning af processen. Foruden VFA kan også anvendes ammonium-n, hydrogen og TS/VS. Det kræver dog, at det er muligt at opnå et bredere udspænd af data for ammonium-n og TS/VS, end hvad der er opnået ved dette projektarbejde. 91

92 SAMMENFATNING Implementering af PAC-monitorering på biogasanlæg vil i begyndelsen medføre udgifter til indkøb af NIR-udstyr og tilhørende udstyr til registrering/monitorering af data. Derforuden skal der påregnes udgifter til indkøringsfasen, hvor der, til kalibrering af NIR-udstyret, skal udtages referenceanalyser, der analyseres ved analyselaboratorier. Ligeledes skal der ved opstart af implementeringen påregnes omkostninger til oplæring af personale i betjening af anlægsudstyret. Efter denne indkøringsperiode vil der kunne opnås en billig og effektiv monitorering af processen, og dertil en større indtjening grundet en effektiviseret anaerob udrådning med deraf større biogasudbytte. For at sikre en fortsat pålidelig NIR-måling må det dog forventes, at der med jævne mellemrum skal foretages en kalibrering af NIR-udstyret overfor referencekoncentrationer. 92

93 SAMMENFATNING 5.4 Referencer Bøger 1 Angelidaki, I.: Environmental Biotechnology Lyngby: Institute of Environmental & Resources, DTU, Antti, H.: Multivariate Characterization of Wood Related Materials Akademisk afhandling, Umeå universitet, Sverige, Bakeev, K. A.: Process Analytical Technology UK: Blackwell Publishing Ltd, 1. udgave Bro, R.: Håndbog i multivariable kalibrering Kbh.: DSR tryk, 1. udgave, 1. oplag, Esbensen, K. H.: Mulitivariate Data Analysis in Practice Norge: CAMO Software AS, 5 th Edition, Harris, D. C: Quantitative Chemical Analysis New York: W. H. Freeman and company, 6 th Edition Kanokwan, B.: Online monitoring and control of the biogas process Lyngby: Institute of Environment & Resources DTU, McLennan, F. & Kowalski B.R.: Process Analytical Chemistry UK: Blackie Academic & Professional, 1 st Edition, Mortensen, P. P.: Process Analytical Chemistry Opportunities and Problems for Bioindustrial Implementation Ph.D. Dissertation Esbjerg: Grafisk Trykcenter AS, ACABS at Aalborg University Esbjerg, Nielsen, B. H.: Control Parameters for understanding and preventing process imbalances in biogas plants. Ph.D. thesis Kbh.: Environmental Microbiology & Biotechnology Research Group, DTU, Owen, T.: Fundamentals of UV-visible spectroscopy Germany: Agilent Technologies, Simonsen, F.: Apparatteknik Viborg, Danmark: Akademisk Forlag, 3. udgave, 2. oplag Skoog, D. A. et al.: Principel of Instrumental Analysis Amerika: Harcourt Brace College Publishers, 4 th Edition, 1992 Artikler 14 Andersen, S. H. & Pedersen, T. F.: Spektroskopiske undersøgelser af anthraquinonerne alizarin og purpurin Institut for Kemi og Biologi, RUC, Andree, H. et al.: TENIRS NIR analysis of heterogenous bioslurries Baltic Biorefinery Symposium. Institute of Agricultural Process Engineering, University of Kiel, Andree, H. et al.: TENIRS Transflexive Embedded Near Infrared Sensor Institute of Agricultural Process Engineering, University of Kiel 17 Blanco, M. & Valdes, D.: Suppressing the temperature effect in near infrared spectroscopy by using orthogonal signal correction Journal of Near Infrared Spectroscopy, vol. 14, p , Davies, A.M.C.: Back to basics: preparing for PLS calibration Spectroscopy Europe, vol. 18, no. 4, Norwich Near Infrared Consultancy, UK 19 Esbensen, K. H. et al.: Procesprøvetagning er slet ikke så ligetil, 1. del Særtryk fra Dansk Kemi og Plus Process, Introduktion til repræsentativ prøvetagning for stationære og dynamiske systemer, ACABS, Aalborg Universitet Esbjerg (AAUE), Danmark,

94 SAMMENFATNING 20 Esbensen, K. H. et al.: Procesprøvetagning er slet ikke så ligetil, 2. del Særtryk fra Dansk Kemi og Plus Process, Introduktion til repræsentativ prøvetagning for stationære og dynamiske systemer, ACABS, Aalborg Universitet Esbjerg (AAUE), Danmark, Esbensen, K. H. et al.: Sampling I the missing link for analytisk kemi og kemometri Særtryk fra Dansk Kemi og Plus Process, Introduktion til repræsentativ prøvetagning for stationære og dynamiske systemer, ACABS, Aalborg Universitet Esbjerg (AAUE), Danmark, Esbensen, K. H. & Petersen, L.: Sampling in Practice: a TOS Toolbox of Unit Operations ACABS, Aalborg Universitet Esbjerg (AAUE), Danmark 23 Faber, N.M & Rajkó R.: An evergreen problem in multivariate calibration Spectroscopy Europe, vol. 18, no. 5, Chemometry Consultancy, The Neteherlands and Department of Unit Operations and Food Engineering, Hungary 24 Hansson, M. et al.: On-line NIR-monitoring during anaerobic treatment of municipal solid waste Water Science and Technology, vol. 48, no. 4, p.9-13, Holm-Nielsen, J.B. et al: Representative Sampling for Process Analytical Characterization of heterogenous bio-slurry systems a reference study of sampling issues in PAT ACABS, Aalborg Universitet Esbjerg (AAUE), Danmark, Holm-Nielsen, J.B. (Article in press) ACABS, Aalborg Universitet Esbjerg (AAUE), Danmark, Liu, T. & Sung, S.: Ammonia inhibition on thermophilic aceticlastic methanogens Water Science and Technology, vol. 45, no. 10, p , Mortensen, P. P. et al.: On-line teknikker kan give falsk tryghed uden TOS Særtryk fra Dansk Kemi og Plus Process, Introduktion til repræsentativ prøvetagning for stationære og dynamiske systemer, ACABS, Aalborg Universitet Esbjerg (AAUE), Danmark, Møller, H. B. et al.: Methane Productivity of manure, straw and solid fractions of manure Biomass and Bioenergy 26, p Department of Agricultural Engineering, Danish Institute of Agricultural Sciences, Research Center Bygholm, Denmark, Nielsen, H. B. et al.: Optimering af biogasprocessen Forskning i Bioenergi, 3. årgang, nr. 13, april Nielsen, K.: Sektoranalyse for husdyrgødning og biomasseteknologi Handelshøjskolen Århus, Petersen, L. & Esbensen, K. H.: Procesprøvetagning er slet ikke så let Særtryk fra Dansk Kemi og Plus Process, Introduktion til repræsentativ prøvetagning for stationære og dynamiske systemer, ACABS, Aalborg Universitet Esbjerg (AAUE), Denmark, Petersen, L. & Esbensen, K. H.: Representative sampling for reliable data analysis: TOS (Theory of sampling) ACABS, Aalborg Universitet Esbjerg (AAUE), Denmark 34 Vavilin, V.A. & Angelidaki, I.: Anaerobic Degradation of Solid Material Biotechnology and Bioengineering, vol. 89, no Internetadresser (bygholm) (sort bakterier)

95 SAMMENFATNING (bakterier) Frame/f b d660048c0ec (snertinge) $file/zeiss_pr_corona_engl.pdf 53 $file/zeiss_pr_corona_e_a4.pdf Andet 54 Application Note 5202 Foss 55 Application Note 5220 Foss 56 DS/EN Esbensen, K. H.: Personlig kommentar 58 Houmøller, L.: Personlig kommentar 59 Houmøller, L.: Supplerende materiale til analytisk kemi, Basic 60 Houmøller, L.: Supplerende materiale til analytisk kemi, Advanced 61 Houmøller, L.: Supplerende materiale til analytisk kemi, Advanced, Siesler - CD 62 Larsen, K., Møller, H., Stricker, L.: Biogasproduktion En karakterisering af biomassesammensætning ved Ribe Biogas. AAUE,

96

97 Appendiks 97

98 A. NIR spektroskopi Nær-infrarød spektroskopi er blevet en alsidig analytisk teknik, som i dag anvendes inden for områder såsom landbrug, pharma, fødevarer, kemi, petrokemi, polymere og miljø. Sammenlignet med andre analyseteknikker analyseres ikke kun på en bestemt komponent i en prøve, men derimod bliver hele prøven karakteriseret ved absorbering af nær-infrarød stråling. I det følgende beskrives princippet samt den tilhørende teori ved infrarød spektroskopi med fokus på det nær-infrarøde område. A.1 Princip Infrarød stråling er elektromagnetisk stråling, som omfatter bølgelængder liggende mellem ca. 780 nm til 1 mm, dvs. længere bølgelængde end i det synlige område. Det infrarøde spektrum kan opdeles i tre områder bestående af nær-, midt- og fjern-infrarød stråling. Det nær-infrarøde område dækker bølgelængder fra omkring 780 nm til 2500 nm (bølgetal fra ca til 4000 cm -1 ). 13 Kort fortalt har elektromagnetisk stråling egenskaber både som bølger og partikler og formidler energi fra sted til sted. Ved bølger karakteriseres elektromagnetisk stråling ved en amplitude, hastighed og frekvens eller bølgelængde, og ved partikler forstås fotoner, hvis energi relaterer til bølgens frekvens. Energien er givet ved h c E foton = h ν = h c ν = [8] λ hvor h er Plancks konstant, ν er bølgens frekvens, c er lysets hastighed, ν er bølgetallet og λ er bølgelængden. Når elektromagnetisk stråling sendes ind på et molekyle, kan molekylet vekselvirke med strålingen ved absorbering af en foton, hvormed molekylet exciteres til en mere energirig tilstand. Men exciteringen kan kun ske ved bestemte bølgelængder, da det kræves, at strålingen skal have en passende energi, dvs. bølgelængden afhænger af hvilke bindinger og funktionelle grupper, det aktuelle molekyle består af. Sammenlignet med ultraviolet og synlig stråling er infrarød stråling ikke speciel energirig og har derfor ikke tilstrækkelig energi nok til skabe elektroniske excitationer, som ved absorption af ultraviolet og synlig stråling. Derimod har infrarød stråling energi nok til at påvirke bindingerne i et molekyle, hvorved en stigning i vibrationsenergien i molekylet opstår. Men som tidligere nævnt absorberer et molekyle kun specifikke frekvenser af infrarød stråling, hvilket er de frekvenser, som er identiske med molekylets naturlige vibrationsfrekvens. Ved absorption af infrarød stråling skyldes dette hovedsageligt vibrationelle excitationer, hvor amplituden af vibrationerne ændres. Ligeledes kan der forekomme rotationelle excitationer, hvor hastigheden af rotationerne ændres. Det er dog ikke alle molekyler, der absorberer infrarød stråling. For at et molekyle kan absorbere infrarød stråling kræves det, at der skal ske en ændring af molekylets dipolmoment. Dette medfører, at det elektriske felt forbundet til strålingen kan vekselvirke med molekylet, og at amplituden af den aktuelle bevægelse kan ændres. Symmetriske 13, 14 bindinger, som H 2, O 2 og Cl 2, vil derfor ikke være i stand til at absorbere infrarød stråling. Et molekyles bevægelser, vibrationer og rotationer, danner baggrund for eksistensen af NIRspektre. Ved måling med nær-infrarød stråling er vibrationsenergien den dominerende energiform. Vibrationelle bevægelser i et molekyle indbefatter strækning og bøjning af molekylet. Ved strækning forstås en kontinuert ændring af afstanden langs bindingen mellem to atomer. Stræknings-vibrationer kan forekomme som symmetriske og asymmetriske. Bøjning af molekylet karakteriseres ved en ændring i vinklen mellem to bindinger. Der eksisterer fire typer bøjninger; gyngende, sakselignende, vippende og drejende. De seks nævnte vibrationstyper er vist i figur 1. 98

99 Strækning Symmetrisk Bøjning + Gyngende i planet + + Sakselignende i planet Asymmetrisk Vippende ud af planet Drejende ud af planet Figur 47. Molekylvibrationer (+ betegner en bevægelse ud mod læseren, og - betegner en bevægelse væk fra læseren). De ovennævnte seks vibrationstyper kaldes fundamentale vibrationer. Disse bevægelser er også mulige i molekyler indeholdende flere end to atomer. Dette kan dog give anledning til vekselvirkning eller sammenkobling af de forskellige vibrationer, der opstår i et molekyle. Med andre ord vibrerer hver binding i et molekyle ikke uafhængigt af andre vibrationer men kan derimod påvirkes af andre vibrationer. Hvis der ses på det infrarøde område generelt, opstår der både fundamentalovergange, varmebånd, kombinationsovergange og overtoner. Fundamentalovergange samt varmebånd ses oftest i det midtinfrarøde område. Ved fundamentalovergange forstås overgange fra kvantetallet v = 0 til v = 1, og varmebånd er overgange, som ikke starter ved v = 0. Kombinationsovergange samt overtoner er kendetegnet for det nær-infrarøde område. Kombinationsovergange opstår ved, at flere vibrationelle overgange sker samtidigt, og derved kun anses som én overgang. Overtoner er overgange fra v = 0 13, 14, 60 til v = 2,3,4, osv. De forskellige overgange beskrives nærmere herunder. En tilnærmet metode til beskrivelse af en stræk-vibration i et molekyle er ved hjælp af den mekaniske model; harmonisk oscillator. Som kendt fra klassisk fysik følger den harmoniske svingning Hook s lov, hvor en masse er hængt op i en fjeder. Kraften, som en fjeder trykker eller trækker med ved deformering, udtrykkes ved F = -k x [9] hvor k er fjederkonstanten, og x er afstanden, som fjederen strækkes eller sammenpresses til fra sin hvileposition. Den potentielle energi i fjederen kan beskrives som 1 E = k x pot 2 2 [10] Afbildes denne sammenhæng grafisk, hvor den potentielle energi optegnes som funktion af strækningen, giver det en parabel. For en kemisk binding bruges en model, som beskriver en svingning af atomer fra deres bindinger i et molekyle, som er overensstemmende med en masse fastsat til en fjeder. Hvis der tages udgangspunkt i et diatomigt molekyle, fås følgende sammenhæng for vibrationsenergien h k E = [11] 2π µ 99

100 hvor h er Plancks konstant, k er kraftkonstanten for den kemiske binding imellem de to atomer og µ er den reducerede masse, som beregnes ved µ = m1 m2 m + m 1 2 [12] hvor m 1 og m 2 er massen for hhv. atom (1) og atom (2). Udtrykket for vibrationsenergien kan omskrives til, E = h ν m [13] 1 k da leddet svarer til den naturlige vibrationsfrekvens, ν m, hvilket tilsvarende ses for den 2π µ harmoniske svingning i klassisk fysik. Hvis der igen tages udgangspunkt i et diatomigt molekyle med atommasserne m 1 og m 2, opnås ligeledes en parabel ved en grafisk afbildning af energien, se Figur 48. På figuren betegner r e ligevægtsafstanden imellem atomerne. Figur 48. Potentiel energikurve som funktion af afstanden imellem atomerne i forhold til ligevægtspositionen i et diatomigt molekyle. 14 For at kunne beskrive opførslen af partikler med en størrelsesorden som atomer, skal kvantemekanikken anvendes. Hertil anvendes den harmoniske oscillator inden for kvantemekanikken til beskrivelse af molekylære vibrationer, som er analog med den klassiske harmoniske oscillator. Selvom den oscillerende model kan anvendes til beskrivelse af vibrationsenergien for et molekyle, skal der tages højde for, at der for molekylære vibrationer kun er bestemte energiniveauer, som er tilladte. Hertil opstilles et udtryk for vibrationsenergien for de specifikke energiniveauer, dvs. 1 h k 1 E ν = v + = v + h ν 2 2π µ 2 m [14] hvor v er det vibrationelle kvantetal og kun kan antage positive hele tal som 0, 1, 2, 3 osv. Som beskrevet tidligere sker de fundamentale svingninger oftest i det midt-infrarøde område. For de fundamentale svingninger gælder, at der kun må ske én overgang, dvs. v = 1, og ikke flere trin ad gangen. Energien for de fundamentale overgange bliver herved E = h ν [15] ν m 100

101 som er identisk med ligning 13. Som nævnt er der taget udgangspunkt i et diatomigt molekyle, men ofte forekommer molekyler med flere end to atomer, hvilket kan medføre, at flere typer vibrationer i et molekyle kan opstå (kombinationsovergange). Det viser sig i praksis, at molekyler ikke opfører sig som harmoniske svingninger, men derimod som anharmoniske svingninger. Som vist i Figur 49 har den potentielle energi som funktion af afstanden mellem to atomer form som en parabel ved harmonisk svingning. Men dette er dog en tilnærmelse, da denne ikke tager højde for to væsentlige ting. Når to atomer nærmer sig hinanden, vil der opstå en kraftig frastødningskraft imellem atomkernerne, hvilket bevirker en stejlere kurve for den potentielle energi ved en mindre r e -værdi end som illustreret ved den harmoniske oscillator. Desuden er det i den harmoniske model ikke taget i betragtning, at afstanden imellem atomerne kan blive så stor, så de ikke påvirker hinanden mere, evt. en fraspaltning kan ske, hvilket medfører, at den potentielle energi vil blive nul. Derfor kan den potentielle energi ikke forklares ud fra ligning 14 men derimod tilnærmelsesvis ud fra følgende udtryk, E = k x + k x + k x +... [16] hvor x er afstanden for forskydningen af atomerne fra deres ligevægtsposition. I Figur 49 ses den potentielle energikurve for en anharmonisk svingning. Sammenlignet med den potentielle kurve for en harmonisk svingning er disse næsten ensformige ved lav potentiel energi, dvs. der hvor atomerne nærmer sig eller er i ligevægtsposition. Figur 49. Potentiel energi som funktion af afstanden imellem atomer i forhold til ligevægtspositionen. Kurven beskriver en anharmonisk svingning. 41 Som det kan ses på Figur 49, falder E ved højere kvantetal. Kurven nærmer sig energilinien, hvor en fraspaltning af atomerne kan ske. Der forekommer bl.a. to vigtige punkter ved anharmonisk svingning, hvilket netop gør måling med nær-infrarød mulig. Dette er som nævnt tidligere overtoner og kombinationsbånd. I nær-infrarød området kan overtoner oftest måles i området 780 nm til 1800 nm og kombinationsbånd fra 1800 nm til 2500 nm. Overtoner er som beskrevet tidligere, og som kan ses på Figur 49, energispring på mere end 1, dvs. v = 2, 3, 4 osv. 1. overtone er hvor v = 2 og så fremdeles. Det skal tilføjes, at sandsynligheden for overtoner mindskes for v gående mod uendelig. Overtoner har oftest en lav intensitet som følge af en forøgelse af frekvensen af bølgetallet, og dette kan resultere i, at overtonebånd kan være svære at se i et spektrum. Dette er ligeledes gældende for kombinationsbånd. Der gælder to regler ved anharmonisk svingning. Den første er, at vibrationer, indeholdende hydrogen atomer, bliver mere anharmoniske, dvs. jo større masseforskellen er imellem to atomer jo 101

102 mere anharmonisk svingning. Det andet er, at for det samme molekyle gælder, at asymmetriske 13, 60 stræk-vibrationer er mere anharmoniske end symmetriske stræk-vibrationer. Måling med nær-infrarød spektroskopi anvendes hovedsageligt til kvantitativ bestemmelse af stoffer som f.eks. vand, proteiner samt forskellige fedtstoffer. De omtalte bånd indbefatter oftest funktionelle grupper bestående af et H-atom sammensat med enten C, O eller N, dvs. C-H, O-H samt N-H bindinger. Sammenlignet med UV/VIS, hvor der oftest anvendes transmission som målemetode, kan der benyttes to måleprincipper til kvantitativ bestemmelse med nær-infrarød stråling, hvilket er transmission eller diffus refleksion. På Figur 50 er princippet for de to målemetoder vist. Monochromator Sample Source Detector Transmission Diffuse Reflection Grundlaget for spektrofotometrien bygger på Lambert-Beer s lov, som har følgende sammenhæng mellem absorbansen og koncentrationen: I 0 A = ε c L = log [17] I hvor ε er den molære absorptivitetskoefficient, c er koncentrationen af opløsningen, L er lysvejen gennem opløsningen, I 0 er intensiteten af indfaldende lys (i praksis fra en reference) og I er intensiteten af udgående lys (prøve). Det ses, at der er en lineær sammenhæng mellem absorbansen og koncentrationen af prøven. Avendes transmission, kan transmittansen, T, beregnes ved følgende sammenhæng: I T = [18] I 0 Figur 50. Princip ved transmission og diffus refleksion. [CD Siesler] Transmissionen er en dimensionsløs størrelse og måles oftest i %. Ved måling med nær-infrarød anvendes hovedsageligt diffus refleksion. Reflektansen, R, er angivet som: I R = [19] I 0 Denne størrelse er ligeledes dimensionsløs og beregnes oftest i %. Som vist i Figur 50 foregår diffus refleksion således, at en prøve bestråles med nær-infrarødt lys, hvorved lysstrålen gennemtrænger overfladen af de aktuelle partikler i prøven. Vibrationer af prøvens molekyler opstår, hvilket forårsager en spredning af lysstrålen i alle retninger. Via en detektor fremkommer et reflektans-spektrum, som derved afhænger af prøvens partikler. I et nærinfrarødt spektrum ses oftest en afbildning af størrelsen Log(1/R) som funktion af bølgelængden 102

103 eller bølgetallet. Denne størrelse anvendes, da det ønskes at bruge en parameter med en lineær sammenhæng med koncentrationen grundet senere analyse af NIR-spektrene. Der tages udgangspunkt i udtrykket for absorbansen, og ved omskrivning kan reflektansen omregnes til 13, 61 størrelsen Log(1/R), dvs. I 1 Log 0 = Log = - Log R [20] I R Der findes flere typer instrumenter, som anvendes til måling med nær-infrarød stråling. Disse er bl.a. skannende (evt. dobbeltstråle), simple filterinstrumenter, diodearray, Fourier Transform (FT) spektrometer eller AOTF (Acousto-Optic Tunable Filters). Der gives en kort introduktion til de nævnte instrumenttyper herunder. Det skannende dobbeltstråle-spektrometer fungerer således, at en infrarød stråle fra en glødelampe sendes ind i spektrometeret, hvor strålen deles i to vha. et spejl. Den ene stråle bruges som referencemåling, og den anden stråle sendes gennem prøven. Herefter sendes strålen videre til monokromatoren, som udvælger et specifikt bånd af bølgelængder, dvs. i dette tilfælde et spektrum af nær-infrarødt lys. Monokromatoren består af en roterende del, kaldet en beam chopper, som er et lille roterende spejl. Denne fører skiftevis de to stråler (reference- og prøvestråle) videre til et diffraktionsgitter, som roterer med en mindre hastighed. Herved er det muligt at sende alle frekvenser igennem, dog kun en frekvens ad gangen. Herefter rammer strålen en detektor, hvor 11, 42, 59 reference- og prøvestrålen sammenholdes, og til sidst optages spektret via en forstærker. Simple filterinstrumenter har primært udbredelse i industrielle omgivelser til proceskontrol. Ved måling i det nærinfrarøde område anvendes oftest interferensfiltre, som erstatter gitteret i de skannende spektrometre. Et interferensfilter består af et transparent dielektrisk lag, som er placeret imellem to semitransparente metalfilm. Disse er ligeledes placeret mellem to glasplader, som er transparente. Når en lysstråle sendes ind i spektrometret, rammer det interferensfiltrets overflade (glaspladen), hvoraf noget passerer gennem den første metalplade, og resten reflekteres. Den del af strålen der transmitteres, rammer den anden metalplade, hvoraf noget atter passerer, og resten reflekteres. Hvis det reflekterede lys har den rette bølgelængde, sker der endnu en refleksion af lysmængden forårsaget af indervæggen fra den første metalplade. Disse bølgelængder forstærkes af det indkomne lys med samme bølgelængde og kan derved passere den anden metalplade. Den passerede lysmængde sendes herefter gennem en spalteåbning, hvorefter lysstrålen sendes gennem prøven og videre til en detektor. 13 Ved et diodearray spektrometer måles med en samling af fotodioder på hele lysspektret. I dette tilfældes anvendes en polykromator i stedet for en monokromator, hvorved der måles hurtigere. Når lysstrålen spredes, rammer det et diodearray, hvor hver enkelt diode måler et snævert bånd af spektret. Båndbredden afhænger af størrelsen på indgangsåbningen på polykromatoren samt diodens størrelse. Ved hjælp af et elektronisk målekredsløb aflæses hver diode, én for én, på kort 11, 12 tid. FT spektrometeret er et af de nyere spektrometre og er blevet udbredt inden for infrarød spektroskopi. Dette fungerer således, at der sendes lys via en lyskilde ind i et interferometer. Denne består af en beamsplitter, som deler og sender lysstrålen i to retninger imod to spejle, hvoraf det ene spejl er bevægeligt. Dvs. afstanden fra beamsplitteren til spejlet kan varieres. Når hver stråle rammer sit spejl, reflekteres strålerne tilbage til beamsplitteren, hvorefter strålerne samles og sendes videre til en detektor. Dette kaldes et Michelson interferometer. Når de reflekterede stråler tilbagesendes til en detektor, fremkaldes et interferogram, hvor detektorens signal afbildes som 103

104 funktion af afstanden mellem det bevægelige spejl og beamsplitteren. Interferogrammet kan ikke umiddelbart aflæses, da det først skal gennemgå en fourier transformation, som omdanner interferogrammet til et absorptionsspektrogram. Dette udføres via en computer. Et FT spektrometer er meget effektivt p.g.a. hastigheden, da dette på få sekunder eller mindre kan optage et spektrum sammenholdt med de førnævnte måleudstyr. 59 AOFT er ligeledes en ny metode til måling med nær-infrarød stråling. Princippet går ud på, at ikkepolariseret lys sendes ind på en dobbeltbrydende krystal, bestående af telluriumdioxid eller kvarts. Sammenlignet med de tre andre teknikker er en indgangsspalte ikke nødvendig her. Krystallen er placeret imellem en akustisk transducer samt absorber, hvor transduceren danner høj-frekvente akustiske bølger gennem krystallen, der interagerer med det indkomne lys. Ved brug af nærinfrarødt lys passerer det meste af lyset upåvirket gennem krystallen med undtagelsesvis af et specifikt bånd, som afbøjes. Lyset, som passerer gennem krystallen, absorberes via en stopklods og betragtes som et referencesignal. Det snævre bånd, som afbøjes, kan herefter ledes gennem prøven, der ønskes målt på. Amplituden samt frekvensen eller bølgelængden af den akustiske bølge kan ændres/reguleres, hvilket påvirker krystallens brydningsindeks. Det er denne effekt, som bevirker en afbøjning af det indkomne lys. Med andre ord medfører en ændring af den akustiske bølges frekvens en ændring af bølgelængden for det afbøjede lys i krystallen. Derforuden afhænger det afbøjede lys også af dets egen bølgelængde. Dette betyder, at et bestemt bølgelængdeinterval 3, 43, 49 eller endog en enkelt bølgelængde, der ønskes målt ved, kan indstilles. 104

105 B. NIR-data I følgende Tabel 15 kan alle informationer omkring det anvendte NIR-spektrometer ses. Parameter Beskrivelse Spektrometer MMSNIR Driver version V2.40 Build 12 Firmware version V1.5 11/23/01 MCS511 DRV CZJ BsI Number of diodes 256 Digital 1/0 card(s) TSPEC LINKDIO Serial number 7 CZ Modul number 7 Wavelenght 947, ,89 nm Integration timerange 3, ms User Information Prototype JD 2 Anvendt frekvens 35 Hz Tabel 15. Generelle data omkring TENIRS samt anvendt software. 105

106 C. Tilsætning af ammoniumcarbonat i prøvetrin 4 Der ønskes at tilsætte ammoniumcarbonat á fire tilsætninger med en stigning af ammonium-n på 0,4 g/l pr. tilsætning for derved at opnå en endelig ammoniumkoncentration på ca. 5 g/l. Det beregnes hvilken mængde ammoniumcarbonat, der skal afvejes. Til dette beregnes indledningsvist hvor stor en procent, ammonium-n udgør af ammoniumcarbonat. Molvægten for ammoniumcarbonat, (NH 4 ) 2 CO 3 = 96,09 g/mol Heraf udgør molvægten af NH 4 + = 36,08 g/mol 36,08 g/mol Antal % NH 4 udgør af (NH 4 ) 2 CO 3 = 100% = 37,55 % 96,09 g/mol Der tages udgangspunkt i en nuværende ammoniumkoncentration på 3,5 g/l, som blev målt på Kjeldahl på Bygholm. Som nævnt ønskes en stigning af ammonium-n på 0,4 g/l pr tilsætning af ammoniumcarbonat. Herved fås en koncentration af ammonium-n på 3,9 g/l ved første tilsætning, dvs. C NH4+, start = 3,5 g/l C NH4+, ønsket = 3,9 g/l Stigning i koncentration af NH 4 + er således 0,4 g/l. Volumet af biomasseindholdet i reaktoren vurderes til 150 L. Mængden af ammonium-n kan herved beregnes til: m + = 0,4 g/l 150 L = 60 g NH 4 Det blev beregnet, at ammonium-n udgør 37,55 % af ammoniumcarbonat, og derved kan den samlede mængde ammoniumcarbonat, der skal tilsættes, beregnes: 60 g m (NH 4 ) 2CO = = 159,8 g 160 g 3 0,3755 Da der tilsættes ammoniumcarbonat over fire tilsætninger, vil der forventes en koncentration af ammonium-n på hhv. 3,9 g/l, 4,3 g/l, 4,7 g/l og 5,1 g/l. Der henvises til kemikalieliste, appendiks L. 106

107 D. Analyseforskrift for måling af VFA Indholdet af VFA i svinegylle kan bestemmes kvantitativt ved anvendelse af gaschromatografi, også benævnt GC. I den nærværende undersøgelse af VFA-indholdet i svinegylle er anvendt GC FID, hvor FID betegner typen af detektor (FlammeIonisations Detektor). D.1 Princip Ved gaschromatografi er det muligt at separere en prøves indhold af komponenter ved at bringe prøven på gasform og lade prøven passere en kolonne anbragt i en ovn. Efter separation af prøvens komponenter registreres disse i en detektor, og der udskrives et chromatogram. I chromatografi tages der udgangspunkt i, at der er proportionalitet mellem en given komponents koncentration i en prøve og arealet af den pågældende komponents top på chromatogrammet. Den kvantitative bestemmelse af prøvens komponenter er mulig ved hjælp af tilsætning af en kendt mængde intern standard til prøveblandingen, hvorefter prøvekomponentens indhold kan beregnes ved simpel forholdsregning. Et GC-apparat består af en injektionsblok, hvor prøven injiceres og blandes med eluenten, også kaldet bæregassen, der eluerer prøven gennem kolonnen. Eluenten er inaktiv, og der benyttes ofte helium eller nitrogen. Eluenten føres ind i systemet med et mindre overtryk for at kunne modsvare trykket fra kolonnen. Kolonnen er anbragt i en ovn og er den essentielle del af GC-apparatet, eftersom det er i kolonnen, at prøvens komponenter separeres. I den aktuelle undersøgelse af VFA i svinegylle blev anvendt en kapillarkolonne. Disse kolonner er kendetegnet ved en lille diameter typisk på mellem 0,25-0,53 mm (deraf navnet) og en længde på mellem m. Kolonnen er sammenrullet, således at den kan anbringes i ovnen. Kapillarkolonner har en stor effektivitet, hvilket udtrykkes ved et stort antal teoretiske bunde. Kolonnen er på indersiden coated med en stationær fase, der har forskellig affinitet over for prøvens komponenter, hvormed komponenterne passerer kolonnen med forskellig hastighed og dermed forskellige retentionstider. Ved anvendelse af kapillarkolonner kan benyttes forskellige injektionsmetoder, hvoraf splitinjektion er den oftest anvendte. Split-injektion tilgodeser, at kapillarkolonnens kapacitet er begrænset, og at det er vanskeligt at injicere prøven i tilstrækkelig lille mængde. Ved split-injektion injiceres kun 0,2-2 % af prøvemængden til kolonnen, mens den resterende prøvemængde føres direkte ud af chromatografen via en splitventil. Forholdet, mellem prøve der føres til kolonne, og prøve der føres ud gennem splitventilen, benævnes splitforholdet og kan have værdier fra 10:1 til 600:1 6 Ved GC med kapillarkolonner er FID en udbredt detektor til detektion af organiske forbindelser. Princippet i FID er, at komponenterne, der elueres gennem kolonnen, afbrændes i en brint/luftflamme, hvorved stofferne ioniseres. I detektorens brænder eksisterer en konstant spænding over to elektroder, hhv. en anode i flammedelen og en katode i brænderhovedet. Detektorudslaget afhænger af ioniseringen i flammen. Desto større indhold af C-H bindinger desto større ionisering og respons 6, 12 fra detektoren. Med det formål at forbedre adskillelsen af komponenter og reducere retentionstiden for komponenter med højere kogepunkter, er det muligt at anvende temperaturprogrammering ved chromatograferingen. 107

108 Til bestemmelse af VFA i svinegylle blev benyttet det i Figur 51 viste temperaturprogram: ºC i 3 min Temperatur [grader Celsius] ºC pr. min 110 ºC i 4 min 20 ºC pr. min Tid [min] Figur 51. Anvendt temperaturprogram til analyse for indhold af VFA i svinegylle Det benyttede GC-apparat, se Figur 52 indeholder en kapillarkolonne med polyethylen glycol som stationær fase. Kolonnen har en diameter på 0,25 mm og en længde på 30 m. Der anvendes helium som eluent med et flow på 1,8 ml/min. Benyttet splitforhold er 40:1. 40 D.2 Procedure Ved måling af VFA er følgende procedure benyttet. Der henvises til kemikalieliste, appendiks L. Anvendt apparatur og materialer Gaschromatograf, HP 6850 Kapillarkolonne fra Agilent 19091N-133E FID detektor Autosampler, HP 7683 Injector Analysevægt Centrifuge, Hettich Zentrifugen, EBA 12 Centrifugerør, 10 ml med tilhørende plastlåg Eppendorfrør, 2 ml med klaplåg Filtre, GHP Acrodisc 13 mm, porestørrelse 0,45 µm Glas vials (samplerglas), snapcaps 11 mm og PTFE septum til GC Engangssprøjter, 1 ml Engangspipetter Figur 52. Anvendt GC FID Reagenser Til fortynding af prøverne fremstilles en oxalsyreopløsning, hvortil den interne standard tilsættes. Som intern standard anvendes pivalinsyre (2,2-dimethylpropansyre). Fremstilling af 0,3 M oxalsyre med intern standard 27,012 g oxalsyre opløses med ca. 600 ml demineraliseret vand i en 1000 ml kolbe (fyldes op senere). Pivalinsyren gøres flydende ved opvarmning i varmeskab (smeltepunkt ca. 35 ºC), og et bægerglas med ca. 200 ml demineraliseret vand sættes ligeledes i varmeskab. Herefter afvejes 220 mg pivalinsyre (den præcise afvejede mængde noteres). Pivalinsyren blandes med det opvarmede vand i bægerglasset. For at forhindre hurtig udkrystallisering af pivalinsyren sættes 108

109 bægerglasset igen i varmeskab, til alt stof er opløst. Derefter hældes den opløste pivalinsyre tilbage til den 1000 ml kolbe, og der fyldes op med demineraliseret vand til 1000 ml. Koncentrationen af den interne standard skal kendes, således at den kan anvendes til kvantitativ bestemmelse af VFA. Da prøven, der skal bestemmes VFA-indhold i, fortyndes 1:5 med fortyndingsopløsningen tilsat intern standard, beregnes koncentrationen af intern standard i prøven som den afvejede mængde pivalinsyre multipliceret med 4/5. Beregningseksempel: der afvejes 223 mg pivalinsyre til 1 L 0,3 M oxalsyre. 4 Koncentration i prøven efter 5x fortynding bliver hermed: 223 mg/l = 178,4 mg/l 5 Denne koncentration indtastes i GC-apparatets sequence tabel. Prøveforberedelse Der afvejes 1,00 g gylle i et 10 ml centrifugerør, idet der anvendes en engangspipette med afklippet spids, for at partikulært materiale kan overføres. Herefter tilsættes 4,00 g 0,3 M oxalsyreopløsning indeholdende en kendt mængde intern standard. Der sættes låg på røret, og dette rystes godt. Herefter overføres ca. 1,5 ml af opløsningen til et 2 ml s eppendorfrør, og der centrifugeres ved omdrejninger pr. min. i 12 min. Med engangssprøjte opsuges ca. 1 ml af supernatanten. Der påsættes filter på engangssprøjten, og opløsningen filtreres over i en vial. Prøverne er nu klar til analyse på GC FID. Der foretages dobbeltbestemmelse på prøverne. Med jævne mellemrum bør der medtages en standardblanding med kendt koncentration af de målte VFA med det formål at verificere resultaterne. D.3 Resultater Ved bestemmelsen blev der foretaget måling af den totale koncentration af VFA samt individuelle VFA-koncentrationer med følgende navne og molekylformler, se Tabel 16. Systematisk navn Trivialnavn Trivialnavn syrerest Molekylformel Ethansyre Eddikesyre Acetat CH 3 COOH Propansyre Propionsyre Propionat CH 3 CH 2 COOH 2-methylpropansyre i-smørsyre i-butyrat (CH 3 ) 2 CHCOOH Butansyre Smørsyre Butyrat CH 3 (CH 2 ) 2 COOH 2-methylbutansyre + 3-methylbutansyre Methylsmørsyre + i-valerianesyre Methylbutyrat + i-valerat CH 3 CH 2 CH(CH 3 )COOH + CH 3 CH(CH 3 )CH 2 COOH Pentansyre Valerianesyre Valerat CH 3 (CH 2 ) 3 COOH Tabel 16. Angivelse af navne og molekylformler for målte VFA i svinegylle. De opnåede resultater ved måling af VFA på 112 prøver er angivet i Tabel 17, idet bestemmelse nr. 2 er anvendt som resultat, hvilket er valgt ud fra erfaringer fra laboratoriet ved Bygholm, hvor det er observeret, at der kan forekomme en mindre fortynding af prøverne ved 1. bestemmelse grundet rester af ethanol i kolonnen. 109

110 Prøve nr. Acetat [mg/l] Propionat [mg/l] i-butyrat [mg/l] Butyrat [mg/l] Meth.but + i-valerat [mg/l] Valerat [mg/l] Total [mg/l] 1.1.A 1530,66 671,31 165,82 19,79 88,30 8, , B 1670,69 737,39 181,87 20,23 94,43 9, , C 1591,26 709,47 174,92 17,69 88,67 8, , D 1559,42 699,60 172,33 14,45 87,25 21, , E 1584,83 724,85 182,77 15,74 89,00 23, , F 1518,99 710,59 182,61 13,79 86,86 23, , A 1572,53 703,92 179,17 24,62 67,56 10, , B 1643,69 720,37 183,34 23,84 66,20 10, , C 1470,29 649,12 174,25 20,30 59,37 10, , D 1531,18 670,43 170,08 18,65 56,43 9, , E 1531,06 677,31 174,53 17,73 54,90 8, , F 1518,20 675,09 172,21 14,96 51,86 8, , A 1421,08 652,73 156,24 26,40 37,68 10, , B 1422,13 654,88 157,77 24,23 36,26 10, , C 1415,75 654,52 155,21 20,78 33,52 9, , D 1364,92 633,80 150,31 17,38 30,70 8, , E 1372,06 636,08 148,92 15,01 28,83 8, , F 1254,64 599,96 142,80 12,35 24,98 22, , A 681,81 436,40 81,23 i.m. i.m. 20, , B 663,96 434,22 78,29 i.m. i.m. 20, , C 616,83 409,19 73,76 i.m. i.m. 20, , D 594,77 399,37 70,26 i.m. i.m. 19, , E 608,47 409,05 69,78 i.m. i.m. 20, , F 605,09 403,79 68,15 i.m. i.m. 20, , A 2164,94 827,40 85,69 48,86 85,68 18, , B 2186,71 830,72 88,88 45,61 86,46 18, , C 2122,71 830,33 87,43 40,98 85,10 17, , D 2052,87 802,93 83,48 36,71 80,99 16, , E 2111,92 856,14 88,80 34,50 85,41 17, , F 2015,47 825,81 87,13 31,07 80,64 15, ,82 110

111 Prøve nr. Acetat [mg/l] Propionat [mg/l] i-butyrat [mg/l] Butyrat [mg/l] Meth.but + i-valerat [mg/l] Valerat [mg/l] Total [mg/l] 3.1.A 2640, ,38 220,04 36,59 334,15 30, , B 2581, ,15 218,60 34,67 327,20 29, , C 2742, ,61 231,19 34,24 338,24 30, , D 2648, ,62 231,98 32,74 338,12 30, , A 3030, ,22 308,62 51,13 388,87 38, , B 3194, ,09 320,43 53,09 404,83 40, , C 3160, ,29 325,22 52,62 411,36 41, , D 3176, ,96 321,77 50,61 403,88 40, , E 3225, ,19 328,02 52,21 415,66 41, , F 3246, ,20 332,78 50,10 417,78 42, , A 3536, ,85 366,21 78,52 473,39 48, , B 3148, ,28 343,25 70,01 441,30 43, , C 3423, ,57 357,64 75,65 461,42 47, , D 3222, ,78 357,64 72,44 463,42 47, , E 3209, ,65 360,86 72,91 469,64 47, , F 3149, ,32 361,89 71,89 465,81 46, , A 3336, ,09 378,97 109,28 505,89 52, , B 3579, ,26 392,04 118,62 533,04 54, , C 3404, ,22 382,08 114,39 516,47 53, , D 3385, ,24 376,06 115,01 507,98 52, , E 3539, ,02 395,55 118,41 534,96 55, , F 3316, ,16 385,23 115,70 518,39 52, , A 3677, ,85 399,25 148,88 556,40 57, , B 3857, ,29 415,65 158,42 575,75 60, , C 3982, ,36 424,71 165,90 590,94 61, , D 3900, ,79 423,49 165,47 591,27 61, , E 3934, ,39 424,35 164,11 591,92 61, , F 3852, ,45 417,02 163,19 579,16 60, , A 4217, ,81 411,51 189,46 588,89 62, , B 4587, ,02 434,27 205,33 618,10 65, ,56 111

112 Prøve nr. Acetat [mg/l] Propionat [mg/l] i-butyrat [mg/l] Butyrat [mg/l] Meth.but + i-valerat [mg/l] Valerat [mg/l] Total [mg/l] 3.8.C 4297, ,13 412,82 194,01 592,45 62, , D 4082, ,22 404,44 190,46 578,00 60, , E 4370, ,78 424,40 199,40 607,20 64, , F 4435, ,00 436,26 204,90 623,08 65, , A 6042, ,74 415,14 273,61 604,13 70, , B 6174, ,52 425,03 277,26 622,56 71, , C 6281, ,76 429,39 280,79 625,53 73, , D 6309, ,64 431,07 280,62 623,96 73, , E 6009, ,01 432,08 279,43 633,55 72, , F 5898, ,02 421,31 274,16 619,79 70, , A 6332, ,63 431,92 276,87 635,58 75, , B 6369, ,08 431,83 277,41 631,04 73, , C 6419, ,44 444,52 285,99 657,61 76, , D 6295, ,39 446,17 281,58 651,32 74, , E 6321, ,13 445,15 284,13 652,28 75, , F 6188, ,10 437,21 275,88 640,57 72, , A 6660, ,23 458,79 293,17 673,48 76, , B 6386, ,46 438,32 281,12 644,43 74, , C 6443, ,28 446,72 283,29 656,23 75, , D 6596, ,65 458,24 292,21 670,42 77, , E 6739, ,81 459,84 295,24 675,02 77, , F 6761, ,04 458,12 292,87 671,38 76, ,60 Tabel 17. Rådata fra måling af VFA (i.m. = ikke målbar). 112

113 E. Analyseforskrift for måling af ammonium-n Indholdet af ammonium-n i biomassen bestemmes ved FIAstar 5000, som er et UV/VIS spektrofotometrisk apparat. I dette afsnit gives først en kort beskrivelse af teorien ved UV/VIS spektroskopi samt en beskrivelse af apparatet. Herefter beskrives princip, procedure samt resultater. E.1 Princip Ved bestemmelse af koncentrationen af ammonium-n i en opløsning sendes lys igennem prøven, hvorefter der måles, hvor meget lys der bliver absorberet. Der måles i det ultraviolette samt synlige område, hvilket udspændes i det elektromagnetiske spektrum fra ca. 200 til ca. 800 nm. Som beskrevet i afsnittet om nær-infrarød stråling, se appendiks A, absorberer molekyler fotoner fra elektromagnetisk stråling, dvs. fra den anvendte lyskilde, hvorefter de eksiteres til en mere energirig tilstand. For at eksiteringen af et molekyle kan ske, kræver det, at strålingen har den rette energi. Sammenlignet med det infrarøde spektrum har UV/VIS-strålingen mere energi, hvilket betyder, at der her forekommer elektroniske eksitationer, dvs. elektronspring fra én orbital til en mere energirig orbital. Der kan desuden forekomme vibroniske overgange, som består både af elektroniske- og 6, 13 vibrationelle eksitationer. Lambert-Beer s lov beskriver princippet bag spektrofotometrien, som har følgende sammenhæng, I0 A = log = ε c L [21] I hvor A er absorbansen, I 0 er intensiteten af indfaldende lys, I er intensiteten af transmitteret lys, ε er den molære absorptivitetskoefficient, c er opløsningens koncentration og L er lysvejen. Med udgangspunkt i denne sammenhæng, og hvis lysvejen fastholdes, kan spektrofotometret anvendes til kvantitativ bestemmelse. Ved dette udarbejdes en kalibreringskurve, hvor der ud fra Lambert- Beer s lov er proportionalitet mellem koncentration og absorbans. Ligeledes skal der ved kvantitativ måling bestemmes en arbejdsbølgelængde. Arbejdsbølgelængden bestemmes ved at finde den 6, 12 bølgelængde, hvor der forekommer den kraftigste absorption af lys. Apparatet, der anvendes, betegnes FIAstar 5000, som står for Flow Injection Analysis. Apparatet er fra FOSS og er en kontinuert flowteknik, som kan anvendes til automatiseret måling af bl.a. væskeholdige prøver. Overordnet opbygning og princip af apparatet ses i Figur 53. Figur 53. Funktionsprincip ved FIAstar

114 Spektrofotometret består af en detektor af typen digital dobbeltstrålefotometer, dvs. der måles både på en referenceprøve samt selve prøven. I detektoren sammenholdes lyset, som går gennem prøven, med lyset fra referenceprøven. Herved opnås en automatisk korrektion af forskellige støjsignaler, bl.a. baggrundsstøj, som kan påvirke resultatet. Detektoren måler kontinuerligt absorbansen af lyset ved to bølgelænger. De anvendte bølgelængder kan ses under beskrivelsen for hver parameter. I Figur 53 viser nr. 1 lyskilden, som er en wolframlampe. Denne dækker hele det synlige område samt lidt af UV-området. Nr. 2 betegner flow-cellen, som har en bredde på 10 mm. Nr. 3 er et linearisationsfilter, hvor et specifikt bånd af bølgelængder udvælges. Nr. 4 er beamsplitteren, som deler det indkomne lys i to en til reference og en til måling af prøven. Nr. 5 betegner interferensfilter, hvor kun bestemte bølgelængder kan passere, og de resterende bølgelængder reflekteres. Bølgelængderne er fastsat fra starten afhængig af, hvilken parameter der ønskes målt. Nr. 6 er en fotodiodesensor, hvis funktion er, at måle en spændingsforskel forårsaget af fotonerne fra lyskilden. Spændingsforskellen opstår ved, at fotonerne rammer overfladen af fotodiodesensoren, og dette medfører en eksitation af elektronerne på halvledermaterialet, som fotodiodesensoren består af. Via nr. 7, som er en forstærker, forstærkes det elektriske signal fra diodesensoren. I nr. 8 konverteres det elektriske signal til et digitalt signal, dvs. det er en 24-bit A/D konverter. 45 Princippet ved bestemmelse af ammonium-n går ud på, at en prøve på væskeform sendes ind i en bærevæske, som derefter blandes med en væskestrøm af NaOH. Denne basiske væskestrøm bevirker dannelse af ammoniakgas, der diffunderer gennem en gas-gennemtrængelig membran og ind i en væskestrøm af indikatoropløsning. Indikatoropløsningen består af en blanding af syre-base indikatorer, som vil reagere med ammoniakken, og der vil herved opstå en farveændring. Denne farveændring måles spektrofotometrisk ved 590 nm. Flowdiagrammet for kassetten til måling af ammonium-n kan ses i Figur Figur 54. Skitse af opbygning af kassetten til bestemmelse af ammonium-n. 55 C betegner bærevæsken, MC1 betegner blandingskolonnen, den grå kasse indikerer gasdiffusionscellen samt gasdiffusionsmembranen, D betegner detektoren og W er affald. Prøven suges op via en injektionsventil, hvorfra den pumpes gennem et loop på 40 µl. Denne mængde anvendes ved det benyttede måleområde. Når loopet er fyldt op, drejer injektionsventilen 90. Dette bevirker, at bærevæsken kan flyde og tage prøven med sig ind i systemet. Der anvendes destilleret vand som bærevæske. I blandingskolonnen blandes prøven med reagens, som er en 0,5 M NaOH opløsning. I gasdiffusionscellen blandes den dannede ammoniak med reagens, som er indikatoropløsningen. Farveskiftet måles via detektoren. Til måling af ammonium-n anvendes to 45, 55 bølgelængder, som er 590 nm og 720 nm. 720 nm anvendes som referencebølgelængde. E.2 Procedure I det følgende beskrives proceduren ved bestemmelse af ammonium-n, herunder anvendt materialer og kemikalier samt forbehandling af prøverne. Der henvises til kemikalieliste, appendiks L. 114

115 Anvendt apparatur og materialer Foss FIAstar 5000 Autosampler 5027 Kassette for NH 4 inkl. gasdiffusionscelle samt gasdiffusionsmembran og interferensfiltre (590 nm og 720 nm) Målekolber (50 ml, 100 ml, 200 ml, 500 ml og 1000 ml) Diverse pipetter (0,5 10 ml) Filtre Kemikalier Natriumhydroxid, NaOH Ammoniumindikator (nr ) Ethanol 95 %, C 2 H 5 OH Natriumdihydrogenfosfat, NaH 2 PO 4 *H 2 O Etylendiamintetraeddikesyre (EDTA), Na 2 C 10 H 14 N 2 O 8 *H 2 O Borsyre, H 3 BO 3 Ammoniumchlorid, NH 4 Cl (tørret til konstant masse ved 105 ºC) Reagenser Bærevæske Destilleret vand Natriumhydroxid 0,01 M Opløs 0,2 g NAOH i 500 ml destilleret vand. Indikator stamopløsning Opløs 1 g ammoniumindikator i en blanding af 0,01 M NaOH samt 95 % ethanol og omrør grundigt. Fyld op til 200 ml med destilleret vand. Denne opløsning er holdbar i 3 måneder ved opbevaring i en mørk flaske. Natriumdihydrogenfosfat buffer 0,1 M Opløs 13,8 g NaH 2 PO 4 *H 2 O og fyld op til 1000 ml med destilleret vand. Reagens, 0,5 M Natriumhydroxid Opløs 10,0 g NaOH, 15 g EDTA dinatriumsalt samt 6,2 g borsyre i 500 ml destilleret vand. Holdbar mindst 1 måned ved stuetemperatur. Reagens, Indikatoropløsning Tilsæt 10 ml indikator stamopløsning og fortynd til 500 ml med destilleret vand. Absorbancen for denne opløsning skal tjekkes før brug. Det anbefales at forberede opløsningen en dag før brug. Holdbar i mindst 2 uger. (For det høje måleområde tilsæt 1,5 ml 0,1 M NaH 2 PO 4 ). Stam-standardopløsning, 1000 mg/l NH 4 -N Tør NH 4 Cl i 2 timer ved 105 ºC. Opløs herefter 3,819 g NH 4 Cl i destilleret vand og fyld op til 1000 ml. Holdbar i flere måneder. Interim standard I, 100 mg/l NH 4 -N Overfør 10 ml af stam-standardopløsningen til en 100 ml målekolbe og fyld op til 100 ml med destilleret vand. Holdbar 1 uge. 115

116 Standardopløsninger til kalibreringskurve Kalibreringsstandarderne skal forberedes den dag, de skal anvendes. Måleområde 1 10 mg/l NH 4 -N NH 4 -N konc. [mg/l] Interim standard I [ml] Slutvolumen [ml] Tabel 18. Standardopløsninger. Prøveforberedelse Ved analyse på Kjeldahl-apparat ved Bygholm kunne der opnås en indikation af, hvor høj koncentrationen af ammonium var i prøverne. Denne var omkring 2,9 til 3,4 g/l. Da der måles i et område fra 1-10 mg/l, fortyndes prøverne 1000 gange. Fortyndingsproceduren er som følger, Tabel 19. Udtaget Fortyndes til Opnået fortynding 5 ml prøve 50 ml 10x (1) 5 ml fortyndingsopløsning (1) 500 ml 100x (2) Tabel 19. Fortyndingsprocedure. Der forekommer dog en vis usikkerhed ved fortyndingen, da biomassen hældes op i et måleglas, da den nøjagtige mængde ikke kan udtages. Ligeledes forekommer der en usikkerhed ved anvendelse af fuldpipette, da der ikke kan opsuges en repræsentativ prøvemængde som følge af stråindholdet. Efter fortyndingsproceduren filtreres alle prøver. Der måles på 136 prøver, hvoraf halvdelen anvendes til kalibreringssæt og den anden halvdel til testsæt. Inden prøverne analyseres på apparatet, skal indikatoropløsningen (reagens ) tjekkes. Dette gøres under menuen adjust indicator i den tilhørende software. Absorbansen skal justeres, så den ligger mellem mau, med vand som reference. Der justeres med 0,1 M NaOH eller 0,1 M HCL afhængig af, om absorbansen ligger hhv. under eller over absorbansintervallet. E.3 Resultat Resultaterne for både kalibrerings- samt testprøverne kan ses i Tabel 20. For hver prøve er foretaget dobbeltbestemmelse, hvormed resultatet for absorbansen samt koncentrationen er et gennemsnit af de to målinger. For hver 10. prøve blev analyseret en syntetisk fremstillet prøve på 5 mg/l som kontrol. 116

117 Prøve Absorbans gns. [mau] Koncentration gns. [mg/l] Resultat [g/l] 1.1.A 91,05 2,676 2, B 90,56 2,662 2, C 89,39 2,629 2, D 92,23 2,710 2, E 88,42 2,601 2, F 86,94 2,559 2, A 90,58 2,663 2, B 90,36 2,657 2, C 89,86 2,642 2, D 94,90 2,652 2, E 91,21 2,552 2, F 91,03 2,547 2, A 92,04 2,575 2, B 92,56 2,589 2, C 87,04 2,440 2, D 91,98 2,573 2, E 81,72 2,296 2, F 95,21 2,661 2, A 85,20 2,390 2, B 83,94 2,356 2, C 91,89 2,571 2, D 94,44 2,640 2, E 97,67 2,671 2, F 94,59 2,590 2, A 96,83 2,649 2, B 93,70 2,566 2, C 85,24 2,342 2, D 92,41 2,532 2, E 92,04 2,522 2, F 92,39 2,531 2, A 91,09 2,497 2,

118 Prøve Absorbans gns. [mau] Koncentration gns. [mg/l] Resultat [g/l] 2.5.B 89,56 2,466 2, C 82,49 2,279 2, D 90,92 2,502 2, A 86,22 2,378 2, B 92,15 2,535 2, C 86,71 2,391 2, D 91,11 2,507 2, E 89,31 2,460 2, F 91,28 2,512 2, A 78,69 2,188 2, B 87,93 2,435 2, C 89,65 2,480 2, D 87,36 2,419 2, E 89,34 2,472 2, F 81,90 2,274 2, A 90,15 2,494 2, B 93,68 2,588 2, C 96,86 2,673 2, D 89,65 2,480 2, E 89,59 2,478 2, F 87,50 2,423 2, A 90,87 2,606 2, B 90,70 2,601 2, A 94,42 2,706 2, B 92,27 2,645 2, C 92,62 2,655 2, D 92,34 2,647 2, E 93,10 2,669 2, F 95,89 2,747 2, A 95,65 2,741 2, B 100,1 2,807 2,

119 Prøve Absorbans gns. [mau] Koncentration gns. [mg/l] Resultat [g/l] 3.1.C 100,1 2,808 2, D 97,77 2,744 2, A 103,3 2,898 2, B 106,3 2,979 2, C 108,6 3,043 3, D 106,8 2,993 2, E 101,4 2,844 2, F 103,9 2,915 2, A 104,9 2,940 2, B 103,8 2,909 2, C 107,7 3,019 3, D 109,5 3,068 3, E 108,8 3,049 3, F 109,7 3,073 3, A 107,3 3,007 3, B 109,7 3,075 3, C 108,9 3,052 3, D 107,1 3,087 3, E 107,5 3,098 3, F 107,4 3,096 3, A 110,4 3,181 3, B 109,2 3,149 3, C 116,4 3,351 3, D 115,5 3,328 3, E 112,8 3,249 3, F 116,9 3,366 3, A 121,4 3,079 3, B 119,5 3,027 3, C 142,1 3,628 3, D 111,7 2,821 2, E 118,4 2,999 2,

120 Prøve Absorbans gns. [mau] Koncentration gns. [mg/l] Resultat [g/l] 3.8.F 121,4 3,077 3, A 123,2 3,127 3, B 118,8 3,008 3, C 121,8 3,089 3, D 118,9 3,058 3, E 120,1 3,091 3, F 124,6 3,213 3, A 118,4 3,047 3, B 120,9 3,114 3, C 123,5 3,184 3, D 117,9 3,033 3, E 116,6 2,998 2, F 120,6 3,105 3, A 126,9 3,275 3, B 121,0 3,117 3, C 124,4 3,206 3, D 126,9 3,274 3, E 127,2 3,283 3, F 125,9 3,247 3, A 134,7 3,485 3, B 142,9 3,708 3, C 149,4 3,885 3, D 135,2 3,449 3, E 136,5 3,484 3, F 143,9 3,682 3, A 151,8 3,893 3, B 155,3 3,987 3, C 155,1 3,981 3, D 158,5 4,074 4, E 162,7 4,185 4, F 163,7 4,212 4,

121 Prøve Absorbans gns. [mau] Koncentration gns. [mg/l] Resultat [g/l] 5.3.A 170,8 4,481 4, B 172,2 4,520 4, C 170,0 4,461 4, D 168,7 4,425 4, E 174,3 4,574 4, F 163,0 4,270 4, A 176,7 4,639 4, B 180,7 4,749 4, C 180,0 4,729 4, D 172,6 4,522 4, E 169,5 4,440 4, F 176,3 4,620 4,620 Tabel 20. Måleresultater for ammonium-n. Koncentrationer i enheden [mg/l] angiver rådata af de fortyndede prøver. 121

122 F. Analyseforskrift for måling af total nitrogen Som ved bestemmelsen af ammonium-n anvendes ligeledes flowinjection, FIAstar For den grundlæggende teori ved denne metode henvises til appendiks E.1. F.1 Princip Ved total nitrogen forstås nitrogen tilstede i prøven i form af fri ammoniak, ammonium, nitrit, nitrat og andre organiske komponenter, som kan oxideres til nitrat. Princippet til bestemmelse af total nitrogen går ud på, at en oplukket prøve blandes med en bufferopløsning. Herefter reduceres nitrat til nitrit i en cadmiumkolonne, se reaktionsligning herunder. NO + Cd + 2H NO + Cd H O Efter denne reduktion vil den dannede nitrit blandes med en sur sulfanilamidopløsning, hvilket vil danne en diazoforbindelse. Se nedenstående reaktion. O O O S NH 2 O S NH 2 NO H + + 2H 2 O NH 2 4-aminobenzenesulfonamid N + N 4-cyanobenzenesulfonamid Denne blandes med N-(1-naphthyl)-ethylendiamin dihydrochlorid, hvilket giver et azofarvestof, som er rødviolet, se reaktion herunder. Azofarvestoffet måles spektrofotometrisk ved 540 nm. O O S NH 2 N + + N H NH 2 O O S NH 2 N N N H NH 2 + H+ N Figur 55 viser opbygningen af den anvendte kassette til bestemmelse af total nitrogen. C betegner bærevæsken, S betegner prøven, MC1-3 er de forskellige blandingskolonner, RC er cadmiumreduktionskolonnen, D er detektoren og W er affald. 122

123 Figur 55. Skitse af opbygning af kassetten til bestemmelse af total nitrogen. 54 Som ved måling af ammonium-n suges prøven op af injektionsventilen og sendes gennem loopet, som ligeledes er 40 µl. Injektionsventilen sender prøven ind i systemet via bærevæsken, som her ligeledes er destilleret vand. Ved blandingskolonne 1 mikses prøven med reagens, som er en ammoniumklorid-buffer med en ph på 8,5. Herefter sendes opløsningen videre til cadmiumreduktionskolonnen. Efter kolonnen blandes det dannede nitrit med reagens i blandingskolonne 2, som er en sur sulfanilamid-opløsning. I blandingskolonne 3 mikses den dannede diazoniumforbindelse med NED, hvilket, som beskrevet, giver et rødviolet farvestof. Farvestoffet 45, 54 måles via detektoren ved 540 nm. Der anvendes en referencebølgelængde på 720 nm. F.2 Procedure Der gives herunder en beskrivelse af fremgangsmåden til bestemmelse af total nitrogen. Dette indbefatter anvendt materiale og kemikalier samt resultater. Der henvises til kemikalieliste, appendiks L. Anvendt apparatur og materialer Foss FIAstar 5000 Autosampler 5027 Kassette for NO 2 /NO 3 samt interferens filtre (540 nm og 720 nm) Reduktionskolonne (nr ) ph-meter Autoklave Målekolber (100 ml, 500 ml og 1000 ml) Diverse pipetter (0,5 25 ml) Oplukningsflasker Filtre Kemikalier Ammoniumchlorid, NH 4 Cl (tørret til konstant masse ved 105 ºC) Ammoniak, NH 4 OH Sulfanilamid, C 6 H 8 N 2 O 2 S Konc. saltsyre, HCl (37 %) N-(1-naphtyl)-Ethylendiamin Dihydrochlorid, C 12 H 14 N 2 *2HCl Svovlsyre, H 2 SO 4 Natriumhydroxid, NaOH Kaliumperoxiddisulfat, K 2 S 2 O 8 Borsyre, H 3 BO 3 Glycerin, H 2 NCH 2 COOH Natriumnitrat, NaNO 3 (tørret til konstant masse ved 105 ºC) 123

124 Natriumnitrit, NaNO 2 (tørret til konstant masse ved 150 ºC) Reagenser Bærevæske Destilleret vand Reagens, Ammoniumchlorid buffer (ph 8,5) Opløs 85 g NH 4 Cl i 500 ml destilleret vand og vent til stuetemperatur er opnået. Tilsæt herefter NH 4 OH, omkring 12 ml, indtil en ph på 8,5 nås. Omryst blandingen og fyld op til 1000 ml med destilleret vand. Reagens, sulfanilamid Opløs 5 g sulfanilamid i 250 ml destilleret vand i en 500 ml målekolbe. Tilsæt 25 ml koncentreret HCl, og der omrystes forsigtigt. Fyld herefter op til 1000 ml med destilleret vand. Holdbar i flere måneder. Reagens, NED Opløs 0,5 g NED i 250 ml destilleret vand i en 500 ml målekolbe. Fyld op til 500 ml med destilleret vand. Holdbar 1 uge. Natriumhydroxid, 0,375 M Opløs 15 g NaOH i 900 ml destilleret vand i en 1000 ml målekolbe. Afkøl opløsningen til stuetemperatur og fyld herefter op til 1000 ml med destilleret vand. Holdbar mindst 6 måneder. Oplukningsopløsning Opløs 5,0 g K 2 S 2 O 8 samt 3,0 g H 3 BO 3 i 100 ml 0,375 M NaOH-opløsning. Opbevares mørkt ved stuetemperatur. Holdbar 1 uge. Glycerinopløsning, 200 mg/l (udtrykt som N) Opløs 1,072 g glycerin i 800 ml destilleret vand i en 1000 ml kolbe. Fyld op til 1000 ml med destilleret vand. Holdbar mindst 1 måned. Glycerinopløsning, 2 mg/l (udtrykt som N) Afpipetter 10 ml af glycerinopløsningen, 200 mg/l, i en 1000 ml målekolbe og fyld op til 1000 ml med destilleret vand. Forberedes dagligt. Denne anvendes til kontrol af oplukningsproceduren samt kalibreringskurven. Natriumnitritopløsning, 200 mg/l Der afvejes 0,985 g NaNO 2, som overføres til en 1000 ml målekolbe. Der opfyldes op til stregen med destilleret vand. Nitritstandard, 1 mg/l NO 2 -N Der udtages 1 ml af 200 mg/l natriumnitritopløsningen, som hældes over i en 200 ml målekolbe. Der fyldes op med destilleret vand. Denne anvendes til test af reduktionskolonnen. Stam-standardopløsning 1000 mg/l NO 3 -N Opløs 6,068 g natriumnitrat i destilleret vand i en 1000 ml målekolbe og fyld op til 1000 ml. Holdbar i mindst 3 måneder. 124

125 Interim standard, 20 mg/l NO 3 -N Afpipetter 10 ml af stam-standardopløsningen i en 500 ml målekolbe og fyld op til 500 ml med destilleret vand. Forberedes dagligt. Standardopløsninger til kalibreringskurve Kalibreringsstandarderne skal forberedes den dag, de skal anvendes. Måleområde 0,1 5 mg/l NO 3 -N NH 3 -N konc. [mg/l] Interim standard [ml] Slutvolumen [ml] ,1 0, ,5 2, Tabel 21. Standardopløsninger. Prøveforberedelse Til bestemmelse af total nitrogen skal biomassen oplukkes, og inden da fortyndes prøverne 1250 gange (dog er prøverne fra prøvetrin 5 fortyndet 2000 gange). Dette er valgt ud fra det målte indhold af ammonium-n samt ud fra det anvendte måleområde. Fortyndingsproceduren for prøverne fra prøvetrin 1 til og med prøvetrin 4 er vist i nedenstående Tabel 22. Udtaget Fortyndes til Opnået fortynding 5 ml prøve 50 ml 10x (1) 4 ml fortyndingsopløsning (1) 500 ml 125x (2) Tabel 22. Fortyndingsprocedure for prøverne fra prøvetrin 1 til og med 4. Fortyndingsproceduren for prøverne fra prøvetrin 5 er vist i følgende Tabel 23. Udtaget Fortyndes til Opnået fortynding 5 ml prøve 50 ml 10x (1) 5 ml fortyndingsopløsning (1) 1000 ml 200x (2) Tabel 23. Fortyndingsprocedure for prøverne fra prøvetrin 5. Efter fortyndingen oplukkes prøverne ved autoklavering i 30 min ved 120 C. Der tilsættes 15 ml prøve til en oplukningsflaske samt 3 ml oplukningsopløsning. Flasken lukkes med låg og omrystes grundigt. Efter autoklaveringen afkøles prøverne til stuetemperatur, hvorefter de filtreres. Glycinopløsningen (2 mg/l) oplukkes ligeledes. Der måles på 24 prøver, en fra hver prøvedag. Inden prøverne analyseres samt kalibreringskurven udrarbejdes, udføres en kontrol af reduktionskolonnens effektivitet. Dette gøres ved at måle på en 1 mg/l nitrit- og nitratopløsning. For nitratopløsningen anvendes kalibreringsopløsningen fra standardrækken. Absorbansværdien for nitratopløsningen skal ligge mellem % i forhold til 125

126 nitritopløsningen, hvilket blev opnået i forsøgsarbejdet. Efter kalibreringskurven er udført, laves en test for verificeringen af kalibreringskurven samt oplukningen. Dette gøres ved at måle på 2 mg/l glycinopløningen, som kun bør afvige ± 0,2 mg/l. Den målte værdi lå inden for grænsen. F.3 Resultater I Tabel 24 ses resultaterne for total nitrogen. For hver prøve er der foretaget dobbeltbestemmelse, hvormed resultatet for absorbansen samt koncentrationen er et gennemsnit af disse to målinger. For hver 10. prøve blev analyseret en syntetisk fremstillet prøve på 1 mg/l til kontrol. Prøve Absorbans gns. Koncentration Resultat [mau] gns.[mg/l] [g/l] 1.1.A 663,9 3,563 4, A 644,5 3,457 4, A 1533,9 8,293 10, A 249,7 1,311 1, A 558,4 2,989 3, A 532,0 2,845 3, A 526,7 2,816 3, A 816,2 4,390 5, A 490,1 2,618 3, A 466,7 2,500 3, A 852,0 4,601 5, A 484,7 2,597 3, A 527,1 2,829 3, A 574,6 3,088 3, A 534,4 2,869 3, A 526,1 2,824 3, A 909,1 4,913 6, A 511,6 2,744 3, A 490,5 2,866 3, A 492,6 2,878 3, A 312,2 1,807 3, A 409,5 2,385 4, A 443,0 2,584 5, A 460,5 2,688 5,376 Tabel 24. Måleresultater for total nitogen. Koncentrationer i enheden [mg/l] angiver rådata af de fortyndede prøver. 126

127 G. Analyseforskrift for måling af gaskvalitet Gaskvaliteten kan bestemmes via måling af forholdet mellem metan og carbondioxid, hvilket er muligt ved anvendelse af gaschromatografi. G.1 Princip Princippet ved anvendelse af gaschromatografi er beskrevet i appendiks D.1. I den aktuelle undersøgelse blev anvendt GC TCD, hvor TCD angiver anvendelsen af detektortypen Thermal Conductivity Detector. I denne detektortype er anbragt en wolframtråd, hvis modstand er afhængig af prøvens varmeledningsevne. Helium, der har en høj varmeledningsevne, anvendes ofte som eluent. Når prøven opblandes med eluent vil varmeledningsevnen af gasstrømmen falde, hvorved glødetråden bliver varmere, og den elektriske modstand øges. Ændringen af spænding, som følge af ændring af modstanden, registreres i detektoren. TCD er en universel detektor, der således kan anvendes til detektion af samtlige analytter. Imidlertid er detektoren ikke tilstrækkelig følsom ved anvendelse af mindre prøvemængder, hvorfor detektoren ikke er velegnet til kapillar-gc. Det benyttede GC apparat indeholdt i stedet en dobbeltkolonne, der er specielt fremstillet til måling af metan, carbondioxid, carbonmonooxid, nitrogen og oxygen. Den pågældende kolonne var dog kun kalibreret til måling af metan, carbondioxid og oxygen. Kolonnen fungerer ved, at gassen først føres gennem kolonne 1, der er placeret indvendig i kolonne 2. Derefter blæses gassen videre over i kolonne 2. Kolonne 1 kan adskille metan og carbondioxid, mens oxygen, nitrogen og carbonmonooxid ikke adskilles og derfor registreres i den samme top. Kolonne 2 adskiller oxygen og nitrogen. Ved måling af metan, carbondioxid og oxygen anvendes således resultaterne for metan og carbondioxid fra kolonne 1 og oxygenresultatet fra kolonne 2. Der blev anvendt helium som eluent med et flow på 30 ml/min. G.2 Procedure I det følgende beskrives proceduren til bestemmelse af gaskvalitet. Anvendt apparatur og materialer GC, Perkin Elmer Clarus 500 TCD detektor Kolonne, ALLTECH Stainless steel CTR1 dobbeltkolonne Pumpe til manuel overførsel af gas Glasvials (20 ml) med septumlåg Injektionsnåle Prøveforberedelse Fra reaktorens headspace udtages en gasprøve i en gaspose. Prøven opsuges herefter i en pumpe og føres over i en glasvial, se Figur 56. Udstyr til bestemmelse af gaskvalitet. Prøven er nu klar til måling med GC TCD. Figur 56. Udstyr til bestemmelse af gaskvalitet. 127

128 G.3 Resultater Der er dagligt udtaget en prøve til bestemmelse af gaskvalitet, og der er således målt på 20 prøver. Tabel 25 viser de opnåede analyseresultater. Oxygen * Prøve Total Metan Carbon- Oxygen Metan * Carbon- Metan/ nr. dioxid dioxid * Carbondioxid * ,42 76,22 26,26 2,94 72,30 24,91 2,79 2, ,80 77,46 26,88 3,45 71,86 24,94 3,20 2, ,06 87,30 29,76 1,00 73,95 25,21 0,85 2, ,14 83,41 27,25 1,48 74,38 24,30 1,32 3, ,67 80,75 33,09 0,83 70,42 28,86 0,72 2, ,75 77,65 31,22 1,88 70,11 28,19 1,70 2, ,80 67,69 28,42 4,70 67,15 28,19 4,66 2, ,83 82,17 25,90 2,76 74,14 23,37 2,49 3, ,94 72,57 28,47 3,89 69,15 27,13 3,71 2, ,52 79,69 28,34 2,49 72,10 25,64 2,25 2, ,27 73,81 29,04 3,43 69,46 27,33 3,23 2, ,85 68,59 43,03 1,23 60,78 38,13 1,09 1, ,77 61,53 37,20 4,05 59,87 36,20 3,94 1, ,85 52,96 58,61 1,28 46,93 51,94 1,13 0, ,51 50,66 47,27 4,59 49,42 46,11 4,48 1, ,71 50,08 45,56 4,07 50,23 45,69 4,08 1, ,20 56,39 57,07 0,73 49,38 49,97 0,64 0, ,67 23,11 38,92 10,63 31,80 53,56 14,63 0, ,41 43,72 61,42 2,27 40,70 57,18 2,11 0, ,48 56,83 49,05 0,60 53,37 46,06 0,56 1,16 Tabel 25. Analyseresultater [% v/v]. De med *-markerede resultater er korrigeret for det totale indhold af gasserne metan, carbondioxid og oxygen. 128

129 H. Forskrift til bestemmelse af TS og VS Der vil i dette afsnit gives en beskrivelse af fremgangsmåden til bestemmelse af TS (total solid) og VS (volatile solid) af biomassen. Der vil forekomme en beskrivelse af princippet og proceduren samt en præsentation af resultaterne. H.1 Princip Tørstofindholdet består hovedsageligt af organiske og uorganiske stoffer. Denne parameter bestemmes ved at tørre en mængde prøve ved ca. 105 C til konstant vægt, hvilket svarer til tørring i ca. et døgn. Mængden af tørstoffet beregnes ved at tage forholdet mellem den tørrede prøve og den mængde prøve, der udtages fra starten. Tørstofmængden kan angives både i % TS eller i g/kg TS. Dvs. m - m tørret prøve emballage %TS = 100% m prøvemængde [22] hvor m betegner massen i g. Hvis der ønskes at anvende g/kg som enhed, ganges med 1000 i stedet for 100. Ved at gløde den før nævnte tørrede prøve ved 550 C i et par timer, kan gløderesten bestemmes. Denne er et udtryk for mængden af tilbageværende uorganisk stof. Det vides, at ved anvendelse af en temperatur på 550 C, opnås en optimal ødelæggelse af organisk materiale uden videre tab af uorganisk materiale. Mængden af gløderest beregnes ved at finde forholdet mellem den prøve, som er glødet, og den mængde prøve, som udtages. Gløderesten kan ligeledes angives i % eller i g/kg. Dvs. m - m glødet prøve emballage % gløderest = 100% m prøvemængde [23] Ved at beregne differensen mellem TS og gløderesten bestemmes glødetabet, som er et udtryk for indholdet af organisk materiale. Denne betegnes VS og angives i % eller i g/kg afhængig af enheden for TS og gløderesten. 56 H.2 Procedure Der vil herunder beskrives, hvorledes måling af TS og VS er udført samt anvendte materialer. Anvendt apparatur og materialer Foliebakke til hver prøve Ovn med temperatur på ca. 105 C Glødeovn med temperatur på 550 C Analysevægt Eksikator Prøveforberedelse Inden der udtages en mængde prøve afvejes foliebakken, som skal anvendes under beregningen. Herefter afvejes ca. 50 g biomasse, som stilles til tørring ved 105 C i ca. 24 timer. Prøverne afkøles herefter i eksikator, hvorefter den tørrede mængde afvejes. Foliebakken med den tørrede mængde prøve sættes i glødeovn, og glødes ved 550 C i ca. to timer eller mere. Herefter afkøles disse ligeledes i eksikator og afvejes efterfølgende. 129

130 H.3 Resultater Resultaterne for tørstoffet, gløderesten samt glødetabet af biomassen kan ses i følgende Tabel 26. Der måles på alle prøver, der er udtaget pr. dag til og med trin 2, dag 7. Der viste sig ikke at ske en ændring af tørstofindholdet, hvorved vi valgte at måle på den første samt sidste prøve, der udtages pr. dag. Der er ikke udført TS og VS på prøverne fra trin 5, hvor ammoniumcarbonat er tilsat. Prøve nr. m emballage [g] m biomasse [g] m tørret prøve [g] m glødet prøve [g] TS [%] Gløderest [%] VS [%] 1.1.A 4,62 50,09 5,46 4,90 1,68 0,56 1, B 4,61 50,55 5,43 4,93 1,62 0,63 0, C 4,60 50,38 5,42 4,95 1,63 0,69 0, D 4,59 50,29 5,42 4,87 1,65 0,56 1, E 4,61 50,13 5,41 4,89 1,60 0,56 1, F 4,60 50,30 5,42 4,91 1,63 0,62 1, A 4,62 50,07 5,43 4,92 1,62 0,60 1, B 4,58 50,40 5,40 4,87 1,63 0,58 1, C 4,60 50,64 5,41 4,87 1,60 0,53 1, D 4,59 50,21 5,39 4,87 1,59 0,56 1, E 4,59 50,02 5,39 4,88 1,60 0,58 1, F 4,59 50,38 5,41 4,83 1,63 0,48 1, A 4,57 50,09 5,36 4,85 1,58 0,56 1, B 4,57 50,52 5,36 4,87 1,56 0,59 0, C 4,60 50,09 5,36 4,85 1,52 0,50 1, D 4,57 50,46 5,35 4,84 1,55 0,54 1, E 4,57 50,20 5,35 4,87 1,55 0,60 0, F 4,59 50,12 5,36 4,81 1,54 0,44 1, A 4,60 51,46 5,36 4,83 1,48 0,45 1, B 4,61 49,98 5,36 4,82 1,50 0,42 1, C 4,60 50,32 5,37 4,84 1,53 0,48 1, D 4,63 50,18 5,42 4,89 1,57 0,52 1, E 4,63 50,25 5,39 4,86 1,51 0,46 1, F 4,62 51,10 5,45 4,85 1,62 0,45 1, A 4,62 50,91 5,44 4,92 1,61 0,59 1, B 4,62 50,05 5,43 4,85 1,62 0,46 1,16 130

131 Prøve nr. m emballage [g] m biomasse [g] m tørret prøve [g] m glødet prøve [g] TS [%] Gløderest [%] 2.4.C 4,63 50,62 5,45 4,89 1,62 0,51 1, D 4,61 51,46 5,44 4,86 1,61 0,49 1, E 4,62 50,95 5,45 4,87 1,63 0,49 1, F 4,57 50,73 5,40 4,82 1,64 0,49 1, A 4,61 50,15 5,40 4,82 1,58 0,42 1, B 4,60 50,49 5,43 4,87 1,64 0,53 1, C 4,62 50,19 5,45 4,86 1,65 0,48 1, D 4,61 50,64 5,45 4,82 1,66 0,41 1, A 4,60 50,54 5,42 4,83 1,62 0,46 1, B 4,56 50,19 5,38 4,81 1,63 0,50 1, C 4,58 50,77 5,40 4,81 1,62 0,45 1, D 4,57 50,19 5,39 4,85 1,63 0,56 1, E 4,60 50,17 5,43 4,87 1,65 0,54 1, F 4,60 50,05 5,40 4,82 1,60 0,44 1, A 4,57 50,77 5,40 4,91 1,63 0,67 0, B 4,57 50,05 5,40 4,90 1,66 0,66 1, C 4,59 50,22 5,41 4,93 1,63 0,68 0, D 4,57 50,55 5,39 4,92 1,62 0,69 0, E 4,58 50,32 5,40 4,91 1,63 0,66 0, F 4,59 50,32 5,40 4,93 1,61 0,68 0, A 4,57 50,33 5,36 4,89 1,57 0,64 0, F 4,60 50,02 5,46 4,95 1,72 0,70 1, A 4,61 50,84 5,41 4,85 1,57 0,47 1, A 4,61 50,91 5,46 4,86 1,67 0,49 1, F 4,62 50,20 5,51 4,91 1,77 0,58 1, A 4,63 50,65 5,62 4,92 1,95 0,57 1, D 4,62 50,13 5,61 4,90 1,97 0,56 1, A 4,65 50,95 5,71 4,96 2,08 0,61 1, F 4,60 50,58 5,72 4,98 2,21 0,75 1, A 4,61 50,20 5,77 4,93 2,31 0,64 1,67 VS [%] 131

132 Prøve nr. m emballage [g] m biomasse [g] m tørret prøve [g] m glødet prøve [g] TS [%] Gløderest [%] 3.5.F 4,59 49,98 5,68 4,92 2,18 0,66 1, A 4,59 49,95 5,69 4,86 2,20 0,54 1, F 4,58 51,15 5,73 4,94 2,25 0,70 1, A 4,60 50,46 5,75 4,89 2,28 0,57 1, F 4,60 50,87 5,83 4,93 2,42 0,65 1, A 4,66 50,10 5,85 4,99 2,38 0,66 1, F 4,66 50,36 5,87 4,98 2,40 0,64 1, A 4,64 50,67 5,73 4,94 2,15 0,59 1, F 4,67 46,60 5,67 4,93 2,15 0,56 1, A 4,67 49,26 5,78 5,01 2,25 0,69 1, F 4,64 49,67 5,79 4,94 2,32 0,60 1, A 4,61 50,27 5,67 4,89 2,11 0,56 1, F 4,59 50,35 5,66 4,90 2,13 0,62 1,51 Tabel 26. Resultater af TS og VS for de forskellige prøver. VS [%] 132

133 I. Måling af gasproduktion i efterlager I forsøgsarbejdet ved Bygholm er det valgt at tilkoble et efterlager til reaktoren, med det formål at foretage en efterudrådning af biomassen heri med en samtidig manuel måling af gasproduktionen. I.1 Princip og procedure Ved at pumpe udrådnet biomasse over i et efterlager og lade biogasprocessen forløbe videre heri, er det muligt at undersøge, i hvilket omfang der fortsat forløber en anaerob nedbrydning i biomassen og dermed også en gasproduktion. Dette giver en indikation af omfanget af et evt. uudnyttet gaspotentiale i biomassen fra reaktoren. Til måling af gasproduktionen påsættes en gaspose ved et outlet på efterlagret. Opsamlingen af gas foregår over et kendt tidsrum, hvor det i dette forsøgsarbejde er valgt at opsamle gassen over ca. 4-6 timer. Efter gasopsamlingen måles den producerede mængde ved indsugning i en manuel pumpe og indsuget mængde registreres i enheden L/døgn. Figur 57 viser hvorledes efterlageret var tilkoblet anlægget, og der henvises i øvrigt til afsnit i rapportdelen. Opvarmning af efterlageret foregik med et tilkoblet vandbad, hvor opvarmet vand blev cirkuleret fra vandbadet ind i efterlageret - og tilbage til vandbadet. Der blev benyttet en temperatur i det mesofile område (36-41 ºC), da de fleste anlæg, der benytter efterudrådning, anvender en temperatur i dette temperaturområde af driftsøkonomiske hensyn, da det er væsentligt dyrere at foretage en termofil efterudrådning. For at undersøge hvorvidt der kunne opnås øget gasproduktion ved en øget temperatur af biomassen, blev temperaturen hævet til ca. 50 ºC i slutningen af forsøgsperioden. Figur 57. Efterlager ved forsøgsopstilling ved Bygholm. Der foregik ingen omrøring i efterlageret bortset fra omrøring forårsaget af indpumpning. Fraførsel af biomasse fra efterlageret foregik ved simpelt overløb. I forbindelse med gasprøvemåling blev der ligeledes foretaget temperaturmåling på biomassen i efterlageret. I.2 Resultater Måling af gasproduktion blev foretaget jævnligt (ca. dagligt) i en periode á ca. 2 uger, og der er i alt foretaget 11 målinger af gasproduktionen. Resultaterne herfor er vist i Tabel 27. Til angivelse af de dage, hvor der er foretaget måling, er anvendt samme notation som ved det øvrige forsøg. 133