• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Elektroniczny nos walczy z odorami

    04.03.2009. 22:55
    opublikowane przez:

    Jak obiektywnie stwierdzić, że danych zapach jest zbyt intensywny albo brzydki? Pomocne mogą okazać się przyrządy zwane elektronicznymi nosami. Do tej pory polscy naukowcy opracowali trzy takie przyrządy. Prace nad nimi prowadzą m.in. badacze z Politechniki Lubelskiej pod kierownictwem prof. Henryka Sobczuka.

    Nieprzyjemny zapach wydobywający się z ubojni, przetwórni odpadów rybnych czy oczyszczalni ścieków bywa uciążliwy dla okolicznych mieszkańców. Może nie tylko powodować rozdrażnienie, nudności i trudności z zasypianiem, ale także obniżać atrakcyjność turystyczną danego miejsca. Jednak to, co u mieszkańców wywołuje nieprzyjemne uczucie brzydkiego zapachu, producenci tłumaczą wymogami procesu technologicznego.

    Obecnie stężenie i rodzaj zapachu bada się sensorycznie przy pomocy wyszkolonych specjalistów. To jednak nie tylko droga i czasochłonna metoda, ale dla wielu osób bardzo subiektywna. Stąd konieczność znalezienia obiektywnej metody, która pozwoli dokonywać pomiaru bez względu na porę dnia, wielokrotnie i szybko.


    "Nie ma wiarygodnej i obiektywnej metody oceny jakości zapachowej powietrza. W przypadku istnienia źródeł odorów prowadzi to do wielu spornych sytuacji. Jeśli na jakimś terenie działa przedsiębiorstwo przemysłu rolno-spożywczego, które nie do końca ma zhermetyzowany proces produkcyjny, jest to uciążliwe dla otoczenia, ze względu na zapachy, jakie się stamtąd wydzielają - opowiada prof. Henryk Sobczuk. - Właśnie dlatego rozpoczęliśmy prace nad metodą obiektywnego pomiaru związków chemicznych zawartych w powietrzu".

    Elektroniczny nos - tłumaczy naukowiec - jest wyposażony w trzy systemy: system pobierania próbek zapachowych, system detekcji gazów i oparów oraz system rozpoznawania wzorców i profili zapachowych. Jest to więc matryca chemicznych czujników gazów, które są połączone z systemem komputerowym pozwalającym na rozpoznawanie zapachów.

    Prace nad tym urządzeniem to jeden z elementów projektu badawczego "Nowe metody i technologie dezoryzacji w produkcji przemysłowej, rolnej i gospodarce komunalnej". Dotyczy on pomiaru i identyfikacji głównych związków zapachowych w powietrzu i sposobów walki z nimi. Projekt zmówiony przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego realizuje kilkanaście ośrodków naukowych w Polsce. Kierownikiem projektu jest prof. Jerzy Zwoździak z Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej.

    Uczestnicy projektu chcą znaleźć nowe rozwiązania technologiczne i techniczne - wykorzystując osiągnięcia z dziedziny analityki chemicznej, chemii procesowej i biochemii - które przyczyniłyby się do ograniczenia uciążliwości odorów.

    Substancje te można podzielić na trzy grupy: związki siarczkowe - np. siarkowodór i merkaptany; związki azotowe - amoniak czy aminy oraz związki zawierające węgiel - m.in. aldehydy, ketony czy związki aromatyczne.

    Prace poprzedzające tworzenie sztucznego nosa dotyczyły analizy odorów w przedsiębiorstwach związanych z rolnictwem czy przetwórstwem. Próbki powietrza naukowcy pobierali do specjalnych worków, a następnie określali ilość jednostek zapachowych w tym powietrzu.




    "Liczbę jednostek zapachowych określa się za pomocą olfaktometrii dynamicznej. Badanie polega na rozcieńczaniu zanieczyszczonego powietrza czystym powietrzem, do takiego stopnia, że połowa testerów - ludzi wyszkolonych do wąchania, odczuwa zapach, a połowa już nie. Wtedy mówimy, że rozcieńczone powietrze ma stężenie jednej jednostki zapachowej, a ze stopnia rozcieńczenia powietrza możemy obliczyć, ile jednostek zapachowych znajduje się w próbce zanieczyszczonego powietrza" - wyjaśnia prof. Sobczuk.

    Takie badania określają, jak intensywny jest zapach, ale trzeba jeszcze ustalić dokładnie, z czego składa się mieszanina.

    Analiza procentowa składu chemicznego mieszaniny powierza wykonywana jest za pomocą chromatografii gazowej. W chromatografie rozdziela się mieszaninę na poszczególne składniki, a następnie określa nazwę związków chemicznych, które tworzą mieszaninę i ich udział procentowy. Badania można wykonywać zarówno na miejscu - za pomocą przenośnego chromatografu, jak i w laboratorium.

    "Ta metoda pokazuje, jakie to są związki, ale nie +mówi+, czym to pachnie. To raczej metoda chemiczna, podczas gdy elektroniczny nos, który jest wyposażony zwykle w kilka lub kilkanaście czujników, wyczulonych na różne składniki zapachowe, daje nam kilkanaście sygnałów, które można zanalizować za pomocą metod sztucznej inteligencji czy sieci neuronowych, tak by można sklasyfikować te zapachy" - opowiada naukowiec.

    Zaznacza, że "do osiągnięcia właściwych efektów trzeba jednak +nauczyć program+ - sieć neuronową rozpoznawania tych zapachów na przykładach konkretnych zapachów czy związków chemicznych".




    Jak wyjaśnia prof. Sobczuk, elektroniczny nos nie mówi, jaki to zapach, a jedynie do jakiej klasy zapachów należy. "Jeżeli program interpretujący sygnały z tych czujników, zostanie konkretnie wyuczony np. zapachu wina czy whisky, to w przypadku badania sfałszowanej whisky, takie urządzenie potrafi powiedzieć, że ten zapach nie jest właściwy dla tej klasy. W efekcie taka klasyfikacja pozwala w pewnym stopniu na odróżnienie zapachów" - opowiada naukowiec.

    Naukowcy opracowali do tej pory trzy przyrządy nazywane elektronicznymi nosami.

    Jeden z nich działa w laboratorium Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej, w pracowni prof. Kazimierza Brudzewskiego, z którym współpracuje zespół prof. Sobczuka. To przenośne urządzenie, które wykorzystuje do rozpoznawania zapachów czujniki tlenkowe - b. podobne do tych stosowanych w alkoholomierzach czy detektorach gazu.

    "Korzystając z tego typu czujników, można stosować odpowiednie czujniki dla konkretnego składu chemicznego odorów. Elektroniczny nos wyposażony w te czujniki może być stosowany wykrywania danego rodzaju odoru. Zdajemy sobie jednak sprawę, że jest wiele rodzajów związków zapachowych i nie jest możliwe zastosowanie pojedynczego czujnika dla pojedynczego zapachu. Urządzenie wykorzystywane na Politechnice Warszawskiej ma kilkanaście czujników, a każdy +wyczuwa+ w nieco innym zakresie te związki" - mówi prof. Sobczuk.

    Drugie urządzenie, skonstruowanie przez lubelskich naukowców, działa na podobnej zasadzie, ale jest przystosowane do działań laboratoryjnych. "Chcemy znaleźć pomost między poszczególnymi związkami chemicznymi a zapachami. Sprzęgamy więc nasz elektroniczy nos z urządzeniem chromatograficznym. Chromatograf gazowy z początkowej mieszaniny zapachowej - którą wpuszcza się do kolumny chromatograficznej - wydziela w różnym czasie poszczególne związki chemiczne. Porównujemy więc sygnał uzyskiwany z czujnika chromatografu z sygnałem z elektronicznego nosa i dopasowujemy je do siebie" - wyjaśnia.

    Trzecie urządzenie jest w końcowym stadium wykonania. Wykorzystuje ono czujniki tzw. mikrowagi kwarcowej.

    "Mikrowaga to płytka kwarcowa, którą zmusza się do drgań z częstotliwością rezonansową zbliżoną do 6 MHz - tłumaczy naukowiec. - Jeśli jest poddana wpływom zanieczyszczonego gazu, to następuje sorpcja (pochłanianie) na powierzchni takiej płytki związków, które znajdują się w tym gazie. Zaadsorbowanie pewnej masy na powierzchni płytki, powoduje zmianę częstotliwości drgań takiej płytki. W efekcie, ze względu na bardzo dużą stabilność drgań płytki kwarcowej, uzyskujemy bardzo czułe urządzenie do identyfikacji zaadsorbowanych substancji".

    Każda z takich mikrowag będzie uczulona - za pomocą naniesionej warstwy - na inne związki chemiczne. W ten sposób naukowcy będą mogli uzyskiwać sygnał dotyczący różnych związków chemicznych z mieszaniny zapachowej.

    Badacze mają nadzieję, że prace dotyczące trzeciego urządzenia wkrótce się zakończą, a urządzenie znajdzie zastosowanie w przemyśle. Zachętą ma być relatywnie niska cena, łatwość obsługi i możliwość pracy w trybie on-line.

    Choć naukowcy z Zakładu Techniki Cieplnej Wydziału Inżynierii Środowiska PL mają sukcesy w pracy nad elektronicznym nosem, to jednak - jak zaznacza prof. Sobczuk - wciąż są w połowie drogi do osiągnięcia ostatecznych efektów.

    PAP - Nauka w Polsce, Bogusława Szumiec-Presch

    agt/


    Opublikowano: 2009-03-03 00:25

    Uwaga! Artykuł pochodzi z portalu internetowego Nauka w Polsce.

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Odory z oczyszczalni ścieków komunalnych – pojęcie stosowane w odniesieniu do poszczególnych nieprzyjemnie pachnących związków chemicznych, emitowanych z poszczególnych części instalacji do oczyszczania ścieków, albo w odniesieniu do mieszanin wszystkich wonnych związków (odorantów), których ilość jest określana olfaktometrycznie. Emisję zapachową (ilość emitowanych odorów) wyraża się w jednostkach zapachowych emitowanych w jednostce czasu. Określenie wartości emisji zapachowej i wskaźników emisji zapachowej, odniesionych np. do jednostkowej ilości oczyszczanych ścieków lub jednostki powierzchni odstojnika ścieków (osadnika), umożliwia obliczanie zasięgu ponadnormatywnej uciążliwości zapachowej w otoczeniu oczyszczalni. Obliczenia są wykonywane metodami matematycznego modelowania procesu rozprzestrzeniania się odorantów. Próg wyczuwalności zapachu (cth) – stężenie wonnego związku chemicznego lub mieszaniny związków w powietrzu (zobacz: odoranty), przy którym istnieje 50% prawdopodobieństwo wyczucia węchem różnicy między zapachem powietrza zanieczyszczonego i czystego. Próg rozpoznania zapachu jest około dziesięciokrotnie wyższy. Odtwarzacz zapachu – urządzenie elektroniczne, które umożliwia automatyczne odtwarzanie dowolnego zapachu poprzez mieszanie różnych wonnych skadników w proporcjach zależnych od zbioru odpowiedzi czujników elektronicznego nosa na odtwarzany zapach.

    Węch, powonienie – jeden z dwóch – obok smakuzmysłów chemicznych. Działanie węchu polega na wykrywaniu zapachów (ich detekcji) i rozpoznawaniu bodźców, jakimi są cząsteczki określonych związków chemicznych lub ich mieszaniny (odoranty). Roztwór – homogeniczna mieszanina dwóch lub więcej związków chemicznych. Skład roztworów określa się przez podanie stężenia składników. W roztworach zwykle jeden ze związków chemicznych jest nazywany rozpuszczalnikiem, a drugi substancją rozpuszczaną. Który z dwóch związków uznać za rozpuszczalnik, jest właściwie kwestią umowną, wynikającą z praktyki i tradycji.

    System GC-NN – nazwa koncepcji specyficznego dla olfaktometrii wykorzystania chromatografii gazowej (GC) i sztucznych sieci neuronowych (NN) do określania cech zapachu próbki (np. intensywności wrażenia). Zasada systemu GC-NN jest wzorowana na koncepcji elektronicznego nosa. Chromatogramy nie są wykorzystywane do identyfikacji poszczególnych eluatów (jak w analizie jakościowej) i określenia ich stężenia w próbce (jak w analizie ilościowej), lecz ich interpretacja polega na określaniu stopnia podobieństwa chromatogramów próbek i wzorców o określonym zapachu. Porównywany jest kształt linii na wykresie, wyrażany przez sekwencję liczb – sygnałów detektora GC. Stopień podobieństwa określa się z użyciem sieci neuronowych lub innych metod analizy statystycznej (np. PCA). Analizator widma: Analizator widma – urządzenie pomiarowe służące do prezentacji widma częstotliwościowego danej wielkości fizycznej zmiennej w czasie. Wielkością tą może być np. wychylenie (analizator widma drgań mechanicznych), ciśnienie powietrza (analizator widma akustycznego), długość fali światła (analizator widma optycznego). Najbardziej powszechnie termin ten używany jest jednak jako określenie elektronicznego przyrządu pomiarowego służącego do prezentacji w czasie rzeczywistym widma sygnału elektrycznego. Wielkością fizyczną zmienną w czasie jest wówczas napięcie lub prąd, które są ze sobą związane przez wejściową impedancję charakterystyczną analizatora.

    Triangle Odor Bag Method – technika olfaktometrycznych pomiarów stężenia zapachowego, polegająca na stosowaniu trójkątowych testów psychofizycznych. Zespołom oceniających zapach są prezentowane próbki, które są przygotowywane przez wprowadzanie porcji badanego gazu – odmierzonych szklanymi strzykawkami – do worków z bezwonnym powietrzem. W celu określenia, jakie rozcieńczenie badanej próbki prowadzi do osiągnięcia progu wyczuwalności zapachu (miara stężenia zapachowego), wykonuje się testy trójkątowe (pytanie: „Która z trzech próbek powietrza jest zanieczyszczona?”). Wynik pomiaru zespołowego wyraża się jako „indeks zapachowy” (dziesięciokrotna wartość logarytmu ze stężenia zapachowego). Odorant (z łac. odor – zapach) – dowolna substancja mająca zapach, niezależnie od tego, czy wydaje się on przyjemny, czy nie. W inżynierii środowiska odorantami określa się (według normy PN-EN 13725:2007) wszystkie zanieczyszczenia zawarte w powietrzu, które pobudzają komórki nerwowe nabłonka węchowego. Wynikiem pobudzenia jest wrażenie zapachu – przyjemne lub nieprzyjemne. Wszystkie zapachy mogą być wrażeniami niepożądanymi, gdy są obce dla danego środowiska. Rodzaj emocji, związanych z odbiorem zapachu, określa tzw. jakość hedoniczna.

    Analizator spalin – urządzenie służące do pomiaru ilości i jakości produktów spalania. Wyposażony jest najczęściej w czujnik elektrochemiczny. Urządzenie pozwala na ocenę sprawności spalania oraz emisji zanieczyszczeń. Najczęściej badana jest zawartość O2, CO, NO, NO2, SO2, HC. Analizatory spalin wykorzystywane są w motoryzacji i ogrzewnictwie.
    Analizator spalin samochodowych - przyrząd pomiarowy przeznaczony do pomiaru zawartości następująch składników gazowych: tlenek węgla (CO), dwutlenek węgla ( CO2), węglowodorów (HC w przeliczeniu na n-heksan), tlenu (O2) w spalinach pojazdów z silnikiem iskrowym
    Pomiar CO,CO2,HC odbywa sie z wykorzystaniem metody NDIR-Non-Dispersive Infrared , pomiar O2 następuje za pomocą czujnika elektrochemicznego.
    Elektrochemiczny pomiar NOx jest opcja dodatkową
    Pozwalają ocenić, czy badane urządzenie spełnia normy prawne dotyczące emisji zanieczyszczeń. Dodatkowo pozwalają określić współczynnik nadmiaru powietrza. Wartośći takie jak tlenek czy dwutlenek węgla poddawane są w procentach objętości, natomiast węglowodory i tlenki azotu w częściach na milion (ppm).

    Olejek eteryczny (łac. oleum aetherium, oleum aethereum) – ciekła, lotna substancja zapachowa, znajdująca się najczęściej w specjalnych komórkach tkanki wydzielniczej roślin. Takie komórki są charakterystyczne dla roślin olejkodajnych, np. gatunków z rodziny sosnowatych, jasnotowatych, mirtowatych, rutowatych i baldaszkowatych. Pod względem składu olejek jest mieszaniną rozmaitych związków chemicznych, takich jak ketony, aldehydy, alkohole, estry, laktony, terpeny, i innych związków organicznych, w tym zawierających azot i siarkę związków o nieprzyjemnym zapachu (np. aminy, tiole).

    Metabolity wtórne – grupa związków organicznych, które nie są bezpośrednio niezbędne do wzrostu i rozwoju organizmu. Synteza związków określanych jako metabolity wtórne jest charakterystyczna dla roślin wyższych, grzybów i bakterii. Poznano kilkadziesiąt tysięcy związków zaliczanych do metabolitów wtórnych. Szacuje się, że może istnieć około 200 000 takich związków. W przypadku niektórych związków chemicznych występujących w komórkach roślinnych, ocena czy jest on bezpośrednio niezbędny do działania organizmu jest trudna.

    Dodano: 04.03.2009. 22:55  


    Najnowsze