Elektroniczny nos walczy z odorami

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.