Kompostointiprosessin monitorointi ja ohjaus

Kirjallisuusselvitys

Martin Albers, Hannu Helle, Timo Varpula, Merja Itävaara, Anu Kapanen, Minna Vikman

Research output: Book/ReportReportProfessional

Abstract

Tässä kirjallisuuskatsauksessa on esitetty erilaisia ratkaisumalleja teollisen kompostointiprosessin monitorointiin ja ohjaukseen. Tärkeimmät innovaatiot on alun perin etsitty uudentyyppisestä kaasuanalytiikasta (elektroninen nenä tai "e-nose"), biosensoreiden käytöstä ja myös langattomista mittausmahdollisuuksista. Todennäköisesti luotettaviin tuloksiin pääsee edelleen FT-IR- tai massaspektrometrin mittauksin. Nämä järjestelmät mahdollistavat myös kytkemisen hahmontunnistusjärjestelmään, joka kalibrointi- tai oppimisvaiheen jälkeen pystyy suoraan ilmaisemaan prosessin tilaa ja mihin suuntaan prosessi kehittyy. Ennen kaikkea teollisuuden tarpeiden mukaisten ratkaisujen tulisi painottua näytteenottovaiheeseen, jossa langaton mittaus voi olla tärkeä edistysaskel. Elektronisen nenän käyttö ympäristömonitoroinnissa on kirjallisuuden valossa selvästi ajan hermolla ja antaa kiinnostavia mahdollisuuksia kompostin nopeaan karakterisointiin. Kuitenkin näytteenottoa tulisi kehittää niin, että jatkuva analysointi olisi mahdollista. Elektronisen nenän mittausperiaatteen ongelmana on kuitenkin se, ettei nenä anna tarkkaa kemiallista tietoa yksittäisten kaasumaisten yhdisteiden pitoisuuksista, minkä takia nenän opettaminen voi olla pitkä kokeellinen prosessi. Biosensoreiden käyttö kompostointiprosessin monitoroinnissa on myös kiinnostava mutta vielä nykyään vähän tutkittua. Sähkökemialliset tai (mikro)kalorimetriset entsyymi- ja mikrobianturit olisivat kaikkein houkuttelevin vaihtoehto, koska ne antaisivat reaaliaikaista ja spesifistä mittaustietoa. Kompostoinnin yhteydessä on periaatteessa mahdollista käyttää entsyymiantureita esim. nitraatin, etanolin ja etikkahapon mittaamiseen. Biosensoreiden käyttö prosessin jatkuvassa seurannassa on kuitenkin vielä suurelta osin yksittäisten laboratorioprototyyppien varassa (esim. alkoholin jatkuva mittaus fermentaatio-prosesseissa). Kaupallisia laitteita, joita voitaisiin soveltaa kompostointiin, ei vielä ole markkinoilla. Halvat, kaupallisesti saatavilla olevat entsyymianturit ovat yleensä kertakäyttöisiä, ja niitä käytetään vain kliinisissä glukoosin määrityksissä. Jat-kuvatoimiset entsyymianturit sen sijaan vaativat kalliita reagensseja ja laboratoriolaitteita. Kompostin suuret pH-, lämpötila- ja kosteusvaihtelut hankaloittavat bioantureiden toimintaa: ilmaisimet tulisi asettaa vakiolämpötilaan ja suojata puoliläpäisevällä kalvolla, jonka tulisi kestää hyvin kompostointiolosuhteet. Lämpötilan säätömahdollisuus antaa kuitenkin pienen lisäedun: se mahdollistaa entsyymiaktiivisuuden optimoinnin mutta lisää huomattavasti anturin hintaa. Kirjallisuudessa esitettyjen prototyyppien entsyymikalvon stabiilisuutta tulisi kehittää huomattavasti. Langattomat järjestelmät antaisivat kaksi selvää etua kompostointiprosessien mittauksiin: (1) mittausjärjestelmät voidaan kapseloida, jotta ne kestävät paremmin kompos-tointiolosuhteita, ja (2) prosessinohjaus voidaan siirtää pois itse laitoksesta sopivampaan paikkaan. Erilaiset radiosignaalilla mittausdataa lähettävät etäanturit, jotka asetetaan jätemassaan ennen kompostointia, ovat hyvin kiinnostavia, koska kompostilaitoksilta tullaan vaatimaan omavalvontajärjestelmien luomista. Tällaiset mittausmenetelmät mahdollistaisivat jatkuvatoimisen valvonnan ilman käsin tehtävää näytteenottoa.
Original languageFinnish
Place of PublicationEspoo
PublisherVTT Technical Research Centre of Finland
Number of pages86
ISBN (Electronic)951-38-6166-X
ISBN (Print)951-38-6165-1
Publication statusPublished - 2003
MoE publication typeNot Eligible

Publication series

NameVTT Tiedotteita - Research Notes
PublisherVTT
No.2207
ISSN (Print)1235-0605
ISSN (Electronic)1455-0865

Fingerprint

composting
electronic nose
monitoring
mink
Olla

Keywords

  • industrial composting processes
  • electronic nose
  • biosensors
  • microsensors
  • process measurements
  • wireless systems

Cite this

Albers, M., Helle, H., Varpula, T., Itävaara, M., Kapanen, A., & Vikman, M. (2003). Kompostointiprosessin monitorointi ja ohjaus: Kirjallisuusselvitys. Espoo: VTT Technical Research Centre of Finland. VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes, No. 2207
Albers, Martin ; Helle, Hannu ; Varpula, Timo ; Itävaara, Merja ; Kapanen, Anu ; Vikman, Minna. / Kompostointiprosessin monitorointi ja ohjaus : Kirjallisuusselvitys. Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 2003. 86 p. (VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes; No. 2207).
@book{9be1f54e70be4984850d1167783ed1df,
title = "Kompostointiprosessin monitorointi ja ohjaus: Kirjallisuusselvitys",
abstract = "T{\"a}ss{\"a} kirjallisuuskatsauksessa on esitetty erilaisia ratkaisumalleja teollisen kompostointiprosessin monitorointiin ja ohjaukseen. T{\"a}rkeimm{\"a}t innovaatiot on alun perin etsitty uudentyyppisest{\"a} kaasuanalytiikasta (elektroninen nen{\"a} tai {"}e-nose{"}), biosensoreiden k{\"a}yt{\"o}st{\"a} ja my{\"o}s langattomista mittausmahdollisuuksista. Todenn{\"a}k{\"o}isesti luotettaviin tuloksiin p{\"a}{\"a}see edelleen FT-IR- tai massaspektrometrin mittauksin. N{\"a}m{\"a} j{\"a}rjestelm{\"a}t mahdollistavat my{\"o}s kytkemisen hahmontunnistusj{\"a}rjestelm{\"a}{\"a}n, joka kalibrointi- tai oppimisvaiheen j{\"a}lkeen pystyy suoraan ilmaisemaan prosessin tilaa ja mihin suuntaan prosessi kehittyy. Ennen kaikkea teollisuuden tarpeiden mukaisten ratkaisujen tulisi painottua n{\"a}ytteenottovaiheeseen, jossa langaton mittaus voi olla t{\"a}rke{\"a} edistysaskel. Elektronisen nen{\"a}n k{\"a}ytt{\"o} ymp{\"a}rist{\"o}monitoroinnissa on kirjallisuuden valossa selv{\"a}sti ajan hermolla ja antaa kiinnostavia mahdollisuuksia kompostin nopeaan karakterisointiin. Kuitenkin n{\"a}ytteenottoa tulisi kehitt{\"a}{\"a} niin, ett{\"a} jatkuva analysointi olisi mahdollista. Elektronisen nen{\"a}n mittausperiaatteen ongelmana on kuitenkin se, ettei nen{\"a} anna tarkkaa kemiallista tietoa yksitt{\"a}isten kaasumaisten yhdisteiden pitoisuuksista, mink{\"a} takia nen{\"a}n opettaminen voi olla pitk{\"a} kokeellinen prosessi. Biosensoreiden k{\"a}ytt{\"o} kompostointiprosessin monitoroinnissa on my{\"o}s kiinnostava mutta viel{\"a} nyky{\"a}{\"a}n v{\"a}h{\"a}n tutkittua. S{\"a}hk{\"o}kemialliset tai (mikro)kalorimetriset entsyymi- ja mikrobianturit olisivat kaikkein houkuttelevin vaihtoehto, koska ne antaisivat reaaliaikaista ja spesifist{\"a} mittaustietoa. Kompostoinnin yhteydess{\"a} on periaatteessa mahdollista k{\"a}ytt{\"a}{\"a} entsyymiantureita esim. nitraatin, etanolin ja etikkahapon mittaamiseen. Biosensoreiden k{\"a}ytt{\"o} prosessin jatkuvassa seurannassa on kuitenkin viel{\"a} suurelta osin yksitt{\"a}isten laboratorioprototyyppien varassa (esim. alkoholin jatkuva mittaus fermentaatio-prosesseissa). Kaupallisia laitteita, joita voitaisiin soveltaa kompostointiin, ei viel{\"a} ole markkinoilla. Halvat, kaupallisesti saatavilla olevat entsyymianturit ovat yleens{\"a} kertak{\"a}ytt{\"o}isi{\"a}, ja niit{\"a} k{\"a}ytet{\"a}{\"a}n vain kliinisiss{\"a} glukoosin m{\"a}{\"a}rityksiss{\"a}. Jat-kuvatoimiset entsyymianturit sen sijaan vaativat kalliita reagensseja ja laboratoriolaitteita. Kompostin suuret pH-, l{\"a}mp{\"o}tila- ja kosteusvaihtelut hankaloittavat bioantureiden toimintaa: ilmaisimet tulisi asettaa vakiol{\"a}mp{\"o}tilaan ja suojata puolil{\"a}p{\"a}isev{\"a}ll{\"a} kalvolla, jonka tulisi kest{\"a}{\"a} hyvin kompostointiolosuhteet. L{\"a}mp{\"o}tilan s{\"a}{\"a}t{\"o}mahdollisuus antaa kuitenkin pienen lis{\"a}edun: se mahdollistaa entsyymiaktiivisuuden optimoinnin mutta lis{\"a}{\"a} huomattavasti anturin hintaa. Kirjallisuudessa esitettyjen prototyyppien entsyymikalvon stabiilisuutta tulisi kehitt{\"a}{\"a} huomattavasti. Langattomat j{\"a}rjestelm{\"a}t antaisivat kaksi selv{\"a}{\"a} etua kompostointiprosessien mittauksiin: (1) mittausj{\"a}rjestelm{\"a}t voidaan kapseloida, jotta ne kest{\"a}v{\"a}t paremmin kompos-tointiolosuhteita, ja (2) prosessinohjaus voidaan siirt{\"a}{\"a} pois itse laitoksesta sopivampaan paikkaan. Erilaiset radiosignaalilla mittausdataa l{\"a}hett{\"a}v{\"a}t et{\"a}anturit, jotka asetetaan j{\"a}temassaan ennen kompostointia, ovat hyvin kiinnostavia, koska kompostilaitoksilta tullaan vaatimaan omavalvontaj{\"a}rjestelmien luomista. T{\"a}llaiset mittausmenetelm{\"a}t mahdollistaisivat jatkuvatoimisen valvonnan ilman k{\"a}sin teht{\"a}v{\"a}{\"a} n{\"a}ytteenottoa.",
keywords = "industrial composting processes, electronic nose, biosensors, microsensors, process measurements, wireless systems",
author = "Martin Albers and Hannu Helle and Timo Varpula and Merja It{\"a}vaara and Anu Kapanen and Minna Vikman",
note = "Project code: X1SU00691",
year = "2003",
language = "Finnish",
isbn = "951-38-6165-1",
series = "VTT Tiedotteita - Research Notes",
publisher = "VTT Technical Research Centre of Finland",
number = "2207",
address = "Finland",

}

Albers, M, Helle, H, Varpula, T, Itävaara, M, Kapanen, A & Vikman, M 2003, Kompostointiprosessin monitorointi ja ohjaus: Kirjallisuusselvitys. VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes, no. 2207, VTT Technical Research Centre of Finland, Espoo.

Kompostointiprosessin monitorointi ja ohjaus : Kirjallisuusselvitys. / Albers, Martin; Helle, Hannu; Varpula, Timo; Itävaara, Merja; Kapanen, Anu; Vikman, Minna.

Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 2003. 86 p. (VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes; No. 2207).

Research output: Book/ReportReportProfessional

TY - BOOK

T1 - Kompostointiprosessin monitorointi ja ohjaus

T2 - Kirjallisuusselvitys

AU - Albers, Martin

AU - Helle, Hannu

AU - Varpula, Timo

AU - Itävaara, Merja

AU - Kapanen, Anu

AU - Vikman, Minna

N1 - Project code: X1SU00691

PY - 2003

Y1 - 2003

N2 - Tässä kirjallisuuskatsauksessa on esitetty erilaisia ratkaisumalleja teollisen kompostointiprosessin monitorointiin ja ohjaukseen. Tärkeimmät innovaatiot on alun perin etsitty uudentyyppisestä kaasuanalytiikasta (elektroninen nenä tai "e-nose"), biosensoreiden käytöstä ja myös langattomista mittausmahdollisuuksista. Todennäköisesti luotettaviin tuloksiin pääsee edelleen FT-IR- tai massaspektrometrin mittauksin. Nämä järjestelmät mahdollistavat myös kytkemisen hahmontunnistusjärjestelmään, joka kalibrointi- tai oppimisvaiheen jälkeen pystyy suoraan ilmaisemaan prosessin tilaa ja mihin suuntaan prosessi kehittyy. Ennen kaikkea teollisuuden tarpeiden mukaisten ratkaisujen tulisi painottua näytteenottovaiheeseen, jossa langaton mittaus voi olla tärkeä edistysaskel. Elektronisen nenän käyttö ympäristömonitoroinnissa on kirjallisuuden valossa selvästi ajan hermolla ja antaa kiinnostavia mahdollisuuksia kompostin nopeaan karakterisointiin. Kuitenkin näytteenottoa tulisi kehittää niin, että jatkuva analysointi olisi mahdollista. Elektronisen nenän mittausperiaatteen ongelmana on kuitenkin se, ettei nenä anna tarkkaa kemiallista tietoa yksittäisten kaasumaisten yhdisteiden pitoisuuksista, minkä takia nenän opettaminen voi olla pitkä kokeellinen prosessi. Biosensoreiden käyttö kompostointiprosessin monitoroinnissa on myös kiinnostava mutta vielä nykyään vähän tutkittua. Sähkökemialliset tai (mikro)kalorimetriset entsyymi- ja mikrobianturit olisivat kaikkein houkuttelevin vaihtoehto, koska ne antaisivat reaaliaikaista ja spesifistä mittaustietoa. Kompostoinnin yhteydessä on periaatteessa mahdollista käyttää entsyymiantureita esim. nitraatin, etanolin ja etikkahapon mittaamiseen. Biosensoreiden käyttö prosessin jatkuvassa seurannassa on kuitenkin vielä suurelta osin yksittäisten laboratorioprototyyppien varassa (esim. alkoholin jatkuva mittaus fermentaatio-prosesseissa). Kaupallisia laitteita, joita voitaisiin soveltaa kompostointiin, ei vielä ole markkinoilla. Halvat, kaupallisesti saatavilla olevat entsyymianturit ovat yleensä kertakäyttöisiä, ja niitä käytetään vain kliinisissä glukoosin määrityksissä. Jat-kuvatoimiset entsyymianturit sen sijaan vaativat kalliita reagensseja ja laboratoriolaitteita. Kompostin suuret pH-, lämpötila- ja kosteusvaihtelut hankaloittavat bioantureiden toimintaa: ilmaisimet tulisi asettaa vakiolämpötilaan ja suojata puoliläpäisevällä kalvolla, jonka tulisi kestää hyvin kompostointiolosuhteet. Lämpötilan säätömahdollisuus antaa kuitenkin pienen lisäedun: se mahdollistaa entsyymiaktiivisuuden optimoinnin mutta lisää huomattavasti anturin hintaa. Kirjallisuudessa esitettyjen prototyyppien entsyymikalvon stabiilisuutta tulisi kehittää huomattavasti. Langattomat järjestelmät antaisivat kaksi selvää etua kompostointiprosessien mittauksiin: (1) mittausjärjestelmät voidaan kapseloida, jotta ne kestävät paremmin kompos-tointiolosuhteita, ja (2) prosessinohjaus voidaan siirtää pois itse laitoksesta sopivampaan paikkaan. Erilaiset radiosignaalilla mittausdataa lähettävät etäanturit, jotka asetetaan jätemassaan ennen kompostointia, ovat hyvin kiinnostavia, koska kompostilaitoksilta tullaan vaatimaan omavalvontajärjestelmien luomista. Tällaiset mittausmenetelmät mahdollistaisivat jatkuvatoimisen valvonnan ilman käsin tehtävää näytteenottoa.

AB - Tässä kirjallisuuskatsauksessa on esitetty erilaisia ratkaisumalleja teollisen kompostointiprosessin monitorointiin ja ohjaukseen. Tärkeimmät innovaatiot on alun perin etsitty uudentyyppisestä kaasuanalytiikasta (elektroninen nenä tai "e-nose"), biosensoreiden käytöstä ja myös langattomista mittausmahdollisuuksista. Todennäköisesti luotettaviin tuloksiin pääsee edelleen FT-IR- tai massaspektrometrin mittauksin. Nämä järjestelmät mahdollistavat myös kytkemisen hahmontunnistusjärjestelmään, joka kalibrointi- tai oppimisvaiheen jälkeen pystyy suoraan ilmaisemaan prosessin tilaa ja mihin suuntaan prosessi kehittyy. Ennen kaikkea teollisuuden tarpeiden mukaisten ratkaisujen tulisi painottua näytteenottovaiheeseen, jossa langaton mittaus voi olla tärkeä edistysaskel. Elektronisen nenän käyttö ympäristömonitoroinnissa on kirjallisuuden valossa selvästi ajan hermolla ja antaa kiinnostavia mahdollisuuksia kompostin nopeaan karakterisointiin. Kuitenkin näytteenottoa tulisi kehittää niin, että jatkuva analysointi olisi mahdollista. Elektronisen nenän mittausperiaatteen ongelmana on kuitenkin se, ettei nenä anna tarkkaa kemiallista tietoa yksittäisten kaasumaisten yhdisteiden pitoisuuksista, minkä takia nenän opettaminen voi olla pitkä kokeellinen prosessi. Biosensoreiden käyttö kompostointiprosessin monitoroinnissa on myös kiinnostava mutta vielä nykyään vähän tutkittua. Sähkökemialliset tai (mikro)kalorimetriset entsyymi- ja mikrobianturit olisivat kaikkein houkuttelevin vaihtoehto, koska ne antaisivat reaaliaikaista ja spesifistä mittaustietoa. Kompostoinnin yhteydessä on periaatteessa mahdollista käyttää entsyymiantureita esim. nitraatin, etanolin ja etikkahapon mittaamiseen. Biosensoreiden käyttö prosessin jatkuvassa seurannassa on kuitenkin vielä suurelta osin yksittäisten laboratorioprototyyppien varassa (esim. alkoholin jatkuva mittaus fermentaatio-prosesseissa). Kaupallisia laitteita, joita voitaisiin soveltaa kompostointiin, ei vielä ole markkinoilla. Halvat, kaupallisesti saatavilla olevat entsyymianturit ovat yleensä kertakäyttöisiä, ja niitä käytetään vain kliinisissä glukoosin määrityksissä. Jat-kuvatoimiset entsyymianturit sen sijaan vaativat kalliita reagensseja ja laboratoriolaitteita. Kompostin suuret pH-, lämpötila- ja kosteusvaihtelut hankaloittavat bioantureiden toimintaa: ilmaisimet tulisi asettaa vakiolämpötilaan ja suojata puoliläpäisevällä kalvolla, jonka tulisi kestää hyvin kompostointiolosuhteet. Lämpötilan säätömahdollisuus antaa kuitenkin pienen lisäedun: se mahdollistaa entsyymiaktiivisuuden optimoinnin mutta lisää huomattavasti anturin hintaa. Kirjallisuudessa esitettyjen prototyyppien entsyymikalvon stabiilisuutta tulisi kehittää huomattavasti. Langattomat järjestelmät antaisivat kaksi selvää etua kompostointiprosessien mittauksiin: (1) mittausjärjestelmät voidaan kapseloida, jotta ne kestävät paremmin kompos-tointiolosuhteita, ja (2) prosessinohjaus voidaan siirtää pois itse laitoksesta sopivampaan paikkaan. Erilaiset radiosignaalilla mittausdataa lähettävät etäanturit, jotka asetetaan jätemassaan ennen kompostointia, ovat hyvin kiinnostavia, koska kompostilaitoksilta tullaan vaatimaan omavalvontajärjestelmien luomista. Tällaiset mittausmenetelmät mahdollistaisivat jatkuvatoimisen valvonnan ilman käsin tehtävää näytteenottoa.

KW - industrial composting processes

KW - electronic nose

KW - biosensors

KW - microsensors

KW - process measurements

KW - wireless systems

M3 - Report

SN - 951-38-6165-1

T3 - VTT Tiedotteita - Research Notes

BT - Kompostointiprosessin monitorointi ja ohjaus

PB - VTT Technical Research Centre of Finland

CY - Espoo

ER -

Albers M, Helle H, Varpula T, Itävaara M, Kapanen A, Vikman M. Kompostointiprosessin monitorointi ja ohjaus: Kirjallisuusselvitys. Espoo: VTT Technical Research Centre of Finland, 2003. 86 p. (VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes; No. 2207).