Calibration model for spectral analysis of dry matter content in fermenting hybrids substrate

• Autorzy: Adamski M. , Adamczak W. , Czechlowski M. , Wojciechowski T. , Durczak K.

Warianty tytułu

PL

Model kalibracyjny dla analizy widmowej zawartości materii suchej w fermentującej mieszance substratów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Anaerobic digestion is a complex, multi-step biological process. Control of this process can be carried out by analyzing the parameters of dry matter, organic matter and the dry matter concentration of volatile fatty acids (VFA). The aim of the study is to assess the possibility of using near-infrared spectroscopy in the construction of calibration models of dry matter content in the fermenting mixture of substrates. The starting material included the test obtained from the pulp digestion process. The fermentation process uses mixed pulp rumble (22% dry matter content), ground corn (34.5% dry matter content) and bovine manure (3.21% dry matter content). For the obtained samples an acquisition of spectral absorbance spectra by the transmission in the wavelength range of 400 - 2170 nm was effected. These data were used to build the PLS calibration model spectrophotometer intended for the prediction of dry matter content of the substrate. The model with the best fit to the spectral data was obtained for the spectral range of 900 - 1300 nm. He is characterized by a coefficient of determination R2 of 0.95 and an error determination RMSECV ratio of 0.56 g.

PL

Fermentacja beztlenowa jest złożonym, wieloetapowym procesem biologicznym. Kontrola tego procesu może odbywać się poprzez analizowanie parametrów zawartości materii suchej, suchej materii organicznej oraz stężenia lotnych kwasów tłuszczowych (LKT). Celem pracy jest dokonanie oceny możliwości zastosowania spektroskopii bliskiej podczerwieni w zakresie budowy modeli kalibracyjnych zawartości materii suchej w fermentującej mieszance substratów. Materiał wyjściowy do badań stanowiła pozyskana z procesu fermentacji pulpa. W procesie fermentacji wykorzystano zmieszane wysłodki burczane (22% zawartości materii suchej), rozdrobnione ziarno kukurydzy (34,5% zawartości materii suchej) i gnojowicę bydlęcą (3,21% zawartości materii suchej). Dla pozyskanych próbek dokonano akwizycji widm spektralnych absorbancji metodą transmisyjną w zakresie długości fali 400-2170 nm. Dane te wykorzystano do budowy modeli kalibracyjnych PLS spektrofotometru przeznaczonego do predykcji zawartości materii suchej w substracie. Model o najlepszym dopasowaniu do danych spektralnych uzyskano dla zakresu spektralnego 900-1300 nm. Charakteryzował się on współczynnikiem determinacji R2 na poziomie 0,95 oraz błędem oznaczenia RMSECV wynoszącym 0,56 g.

Słowa kluczowe

EN

spectrophotometry; PLS calibration model; dry matter; biogas; fermentation

PL

spektrofotometria; model kalibracyjny PLS; materia sucha; biogaz; fermentacja

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Poznański Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 61, nr 3
• Strony: 12--15
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., tab., wykr., zdj.

Twórcy

autor

Adamski M.

• Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Wydział Rolnictwa i Bioinżynierii, Instytut Inżynierii Biosystemów, ul. Wojska Polskiego 50, 60-627 Poznań, Poland

autor

Adamczak W.

• Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Wydział Rolnictwa i Bioinżynierii, Instytut Inżynierii Biosystemów, ul. Wojska Polskiego 50, 60-627 Poznań, Poland

autor

Czechlowski M.

• Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Wydział Rolnictwa i Bioinżynierii, Instytut Inżynierii Biosystemów, ul. Wojska Polskiego 50, 60-627 Poznań, Poland

autor

Wojciechowski T.

• Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Wydział Rolnictwa i Bioinżynierii, Instytut Inżynierii Biosystemów, ul. Wojska Polskiego 50, 60-627 Poznań, Poland

autor

Durczak K.

• Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Wydział Rolnictwa i Bioinżynierii, Instytut Inżynierii Biosystemów, ul. Wojska Polskiego 50, 60-627 Poznań, Poland

Bibliografia

• [1] Adamski M., Kot W., Wojcieszak D., Mioduszewska N.: Analiza wybranych efektów technologicznych zastosowania mieszadła spiralnego w procesie wytwarzania biogazu. Monografia: Aktualne Problemy Inżynierii Biosystemów. UP Poznań, 2015, 270-277.
• [2] Braun R.: Biogas - Methangärung organischer Abfallstoffe. Wien: Springer Verlag, 1982.
• [3] Budzianowski W.M.: Sustainable biogas energy in Poland: prospects and challenges. Renew. Sustain. Energy Rev., 2012, 16(1).
• [4] Cebula J., Prokopenko O., Pimonenko T.: Potencjał substratów do produkcji biogazu na Ukrainie i Polsce. Problemy produkcji energii odnawialnej, w tym biogazu. Monografia. ITP, 2014, 7-10.
• [5] Chodak M., Application of near infrared spectroscopy for analysis of soils. Litter and Plant Materials, 2008, 17, 5, 631-642.
• [6] Chojnacki J., Krzyśko A.: Energetyczne aspekty termicznego zagazowania biomasy. Potencjał substratów do produkcji biogazu na Ukrainie i Polsce. Problemy produkcji energii odnawialnej, w tym biogazu. Monografia. ITP, 2014, 11-18.
• [7] Dach J., Zbytek Z., Pilarski K., Adamski M.: Badania efektywności wykorzystania odpadów z produkcji biopaliw jako substrat w biogazowni. Technika Rolnicza Ogrodnicza Leśna, 2009, 6.
• [8] Dach J., Boniecki P., Przybył J., Jańczak D., Lewicki A., Czekała W., Witaszek K., César Rodríguez Carmona P., Cieślik M.: Energetic efficiency analysis of the agricultural biogas plant in 250 kWe experimental installation. Energy, 2014, 69, 34-38.
• [9] Dias A.M.A., Moita I., Páscoa R., Alves M.M., Lopes J.A., Ferreira E.C.: Activated sludge process monitoring through in-situ NIR spectral analysis. Water Science and Technology, 2008, 57, 1643-1650.
• [10] Dz.U. nr 169, poz. 1199 z dnia 25 sierpnia 2006 r. z późn. zmianami „Biokomponenty i biopaliwa ciekłe”.
• [11] Hansson M., Nordberg A., Sundh I., Mathisen B.: Early warning of disturbances in a laboratory-scale MSW biogas process. Water Science and Technology, 45, 2002, 10, 255-260.
• [12] Hansson M., Nordberg A., Mathisen B.: On-line NIR monitoring during anaerobic treatment of municipal solid waste. Water Science and Technology, 2003, 48, 9-13.
• [13] Holm-Nielsen JB., Lomberg CJ., Oleskowicz-Popiel P., Esbensen KH.: On-line near infrared monitoring of glycerol-boosted anaerobic digestion processes: Evaluation of process analytical technologies. Biotechnology and Bioengineering, 2008, 99, 302-313.
• [14] Jacobi H.F., Moschner C.R., Hartung E.: Use of near infrared spectroscopy in monitoring of volatile fatty acids in anaerobic digestion. Water Science and Technology, 2009, 60, 2, 339-46.
• [15] Jacobi H.F., Moschner C.R., Hartung E.: Use of near infrared spectroscopy in online-monitoring of feeding substrate quality in anaerobic digestion. Bioresource Technology, 2011, 102, 7, 4688-1421.
• [16] Kaltschmitt M., Hartmann H.: Energie aus Biomasse - Grundlagen. Techniken und Verfahren, Berlin: Springer Verlag, Heidelberg, 2001.
• [17] Kot W., Adamski M., Czechlowski M., Wojciechowski T., Durczak K.: Charakterystyka widm spektralnych VIS-NIR materiału organicznego poddawanego procesowi rozkładu beztlenowego. Monografia: Aktualne Problemy Inżynierii Biosystemów, UP Poznań. 2015, 316-325. ISBN 978 83 7160 778 3.
• [18] Krützfeldt B.,Oechsner H.,Mukengele M., Eder B., Eder J.:Bestimmung der Gasausbeute von Energiemais. Mais, 2005, 4, 124-126.
• [19] Madsen M., Ihunegbo F.N., Holm Nielsen J., Halstensen M., Esbensen K.: On-line near infrared monitoring of ammonium and dry matter in bioslurry for robust production a full-scale feasibility study. Journal of Near Infrared Spectroscopy, 2012, 20 (6), 635-645.
• [20] Podkówka Z., Podkówka W.: Porównanie metod szacowania wydajności metanu z kiszonek z całych roślin kukurydzy. Nauka Przyroda Technika, 2014, 4, 1-8.
• [21] Polskie Normy. PN-75/C-04616/04, PN-74/C-04540/00. Warszawa: Wydawnictwo Normalizacyjne. Oznaczenie lotnych kwasów tłuszczowych.
• [22] Pons M., Bonté S., Potier O.: Spectral analysis and fingerprinting for biomedia characterization. J. Biotechnol., 2004, 113, 211-230.
• [23] Pilarski K., Dach J., Mioduszewska N.: Comparison of efficiency of production methane manure dirty and cattle with glycerin rafined. J. Res. Appl. Agric. Engng, 2010, 55(2), 78-81.
• [24] Rasi S., Veijanen A., Rintala J.: Trace compounds of biogas from different biogas production plants. Energy, 2007, 32(8), 137, 5-80.
• [25] Reed J.P., Devlin D., Esteves S.R.R., Dinsdale R.,Guwy A.J.: Performance parameter prediction for sewage sludge digesters using reflectance FT-NIR spectroscopy. Water Research, 2011, 45, 24632472.
• [26] Saeys W., Mouazen A.M., Ramon H.: Potential for onsite and online analysis of pig manure using visible and near infrared reflectance spectroscopy. Biosystems Engineering, 2005, 91, 4, 393-402.
• [27] Stanimirova I., Daszykowski B., Walczak M.: Metody uczenia z nadzorem - kalibracja, dyskryminacja i klasyfikacja. Chemometria w analityce, IES, Kraków, 2008.
• [28] Uddin M., Okazaki E., Ahmad M.U., Fukuda Y.: Tanaka M.NIR spectroscopy: A nondestructive fast technique to verify heat treatment of fish-meat gel. Food Control, 2006, 17, 660-664.
• [29] Weiland P., Rieger Ch.: (Wissenschaftliches Messprogramm zur Bewertung von Biogasanlagen im Landwirtschaftlichen Bereich, (FNR-FKZ: 00NR179), 3. Zwischenbericht, Institut für Technologie und Systemtechnik. Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL), Braunschweig, 2001.
• [30] Wojciechowski T., Czechlowski M., Szaban S.: Wykorzystanie metod spektrometrii VIS-NIR do oceny wilgotności kompostów rolniczych. Monografia: Aktualne problemy Inżynierii Biosystemów. UP Poznań, 2014, 86-93. ISBN 978 83 7160 731 8.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.