SOS waterhergebruik: aan de slag met innovatieve sensoren

Foto van water in vorm van een lamp

Droogte was ook deze zomer in België een actueel thema. Een eerste, belangrijke stap in een waterbesparend systeem is meten. Meten is weten. Maar hoe? De onderzoeksgroep VEG-i-TEC voerde binnen het Smart WaterUse project een technology scouting uit naar sensoren om de waterkwaliteit op te volgen.

Tijdens het Smart WaterUse project werden slimme meetoplossingen verzameld en geanalyseerd door Universiteit Gent. Hierbij werd er in gesprek gegaan met 25 technologieleveranciers en werd er onderzocht wat de belangrijkste factoren zijn voor de aankoop van een sensor. Er werd een lijst opgesteld met de huidige producten op de markt en hun eigenschappen. Daarnaast werd er een handleiding opgesteld om bedrijven te begeleiden in het implementeren van slimme meetapparatuur. Algemeen kan worden gesteld dat een sensor zo goed is als de match met zijn toepassing. Het is daarom belangrijk om naast eigen onderzoek ook contact op te nemen met leveranciers bij de aankoop van een sensor. Een eerste stap is een goede analyse van de plaats, functie, onderhoudsmogelijkheden en toepassing van de gewenste sensor. Deze denkoefening geeft een goed beeld van welke meettechniek het beste past binnen het bedrijf/proces. 

Waterbarometer

Sensoren om vervuiling op te volgen

Smartwash solutions  

Het SmartWash Solutions toestel is een innovatief toestel die continu pH- en vrije chloorwaarden in het water meet. Hierdoor wordt er een automatische dosering van NaOCl en een zuur uitgevoerd, wat zorgt voor een veilige en accurate dosering van chloor. Dit toestel is een voorbeeld van hoe residuen kunnen worden gemeten. In het onderzoekscentrum VEG-i-TEC van de Universiteit Gent campus Kortrijk werd het monitoringssysteem (ASAP: Automated SmartWash Analytical Platform) en het daaraan gekoppeld doseersysteem uitgetest en effectief bevonden.

UV254 

Bij lagere concentraties chemische zuurstofvraag is er een sterke correlatie tussen de absorbantie van een vloeistof bij 254 nm (Mrkva, 1993). Er kan worden gesteld dat de absorbantie bij 254 nm een indirecte parameter is voor het Chemisch Zuurstof Verbruik gehalte (CZV). Een nadeel is dat er altijd een turbiditeitscompensatie nodig is voor accurate resultaten en dat het toestel voor elke matrix gekalibreerd dient te worden. 

MIP sensor

Molecular imprinting (MIP) is een technologie die het mogelijk maakt om moleculen met een relatief laag moleculair gewicht te detecteren. Er worden polymeergebaseerde micropartikels gevormd met nanoholtes die complementair zijn aan de doelwitcellen, een soort sleutel – slot principe. Een ideale MIP is gelijkaardig aan de specificiteit en selectiviteit van enzymen en antilichamen. De productiekost van een MIP is relatief laag en het is een robuust product. MIP-type receptoren bestaan voor verschillende target moleculen zoals specifieke pesticiden of eiwitten (van micro-organismen). De detectie gebeurt aan de hand van electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of door quartz crystal microbalances (QCM) (UHasselt, 2021). 

Onderzoek naar deze MIP sensors wordt uitgevoerd door IMO-IMOMEC, een collaboratie tussen het onderzoekscentrum IMO van de Universiteit Hasselt en IMOMEC, een IMEC afdeling. In het WaMIP-project werd het potentieel van MIP-sensoren onderzocht voor het detecteren van gewasbeschermingsmiddelen in het effluentwater van groenten- en aardappelverwerkende industrie met als doel om het waswater op een veilige en efficiënte manier te kunnen hergebruiken. Hoewel massaspectrometrie de detectie van deze gewasbeschermingsmiddelen mogelijk maakt, zou de ontwikkeling van op MIP-gebaseerde sensoren van groot belang zijn om de analysetijd te verkorten. Binnen het WaMIP-project werd er een technische haalbaarheidsstudie uitgevoerd, die aantoonde dat de MIP-technologie inderdaad kan worden gebruikt voor de detectie van gewasbeschermingsmiddelen. Deze sensor kan niet alleen gebruikt worden in bufferoplossingen, maar ook in complexe mengsels, d.w.z. industriële waswatermonsters of effluentwater, met minimale voorbehandelingsstappen. De resultaten van deze haalbaarheidsstudie zijn bijgevolg een belangrijke stap voorwaarts in de detectie van contaminanten, op een tijd- en kostenefficiënte manier. Deze testen zijn enkel op laboschaal gebeurd en na terugkoppeling met IMOMEC moeten er nog stappen gezet worden naar industriële implementatie van deze MIP-technologie. 

Sensoren om de microbiologie op te volgen

Op dit moment wordt het aantal micro-organismen klassiek bepaald door het uitplaten en opgroeien van kolonievormende eenheden of PCR- of andere DNA (RNA)-technieken. De incubatietijd van de klassieke uitplaatmethodes kan één tot meerdere dagen betreffen. Dit leidt tot grote verliezen en terugroepingsacties. Er zijn verschillende bedrijven bezig met de ontwikkeling van een microbiële sensor of meetsysteem om de concentratie aan micro-organismen indirect en at line of offline te bepalen binnen een aantal uur in de plaats van dagen. 
In Tabel 1 wordt een overzicht gegeven van microbiële sensoren of meetsystemen die in dit artikel worden besproken.
 

tabel over MIP sensor

Tabel 1. Overzicht van microbiële sensoren of meetsystemen.

Flowcytometrie

Flowcytometrie is een techniek die toelaat om microscopisch kleine deeltjes te tellen in een stromende vloeistof op een korte tijd. Een laser wordt gericht op de stromende vloeistof. Door de hydrodynamische focus kunnen de deeltjes namelijk slechts 1 per 1 door de laser bewegen. Aan de hand van het voorwaarts verstrooid licht kan de grootte van het deeltje worden bepaald, de zijwaartse verstrooiing geeft meer informatie over de eigenschappen van de cel. Wanneer beide worden geplot op een grafiek, kunnen wolken van gelijkaardige deeltjes worden weergenomen. Om nog preciezer te werken, kan er gebruik gemaakt worden van fluorescente kleurstoffen die kunnen worden gedetecteerd door de flowcytometer.  

In Figuur 1 wordt het meetprincipe gevisualiseerd (Metanor, 2021).

Metanor Online Bacteria Analyser

Figuur 1. Metanor: Online Bacteria Analyser meetprincipe (Metanor, 2021).

Meten van ATP 

Adenosine trifosfaat (ATP) is de energiemolecule van levende organismen, waardoor het meten van ATP een directe methode is voor het meten van microbiologische activiteit. Er zijn slechts enkele minuten nodig om de concentratie ATP te bepalen in een staal. ATP wordt hierbij gemeten door het enzym luciferase, dat natuurlijk voorkomt in vuurvliegjes, toe te voegen aan het staal. Tijdens de reactie van luciferase met ATP wordt licht geproduceerd. Dit lichtsignaal wordt gemeten. De methode is zeer geschikt om microbiologische contaminatie in koelwater te monitoren, maar ook in proceswater, drinkwater etc. (LuminUltra, 2022). Een groot nadeel van deze technologie is dat, wanneer er veel plantaardige of dierlijke producten in het water aanwezig zijn (bv. voedingsbedrijf), het signaal verstoord kan worden door ruis van niet-microbiële ATP. Dit werd ook vernomen na een test in VEG-i-TEC met LuminUltra op water waarin versneden sla werd gehomogeniseerd om het waswater te simuleren. 

Meten van metabolische activiteit

De Coliminder is een online sensor die microbiële activiteit meet door de enzymatische activiteit te meten. Het toestel meet de secundaire metabolieten die door micro-organismen worden afgescheiden. Dit wordt gemeten door fluorescent gelabelde reagentia toe te voegen aan het staal. De reagentia zijn substraat-specifiek voor het enzym, waardoor een fluorescent signaal kan worden gemeten. De techniek is robuust en direct gelinkt aan de hoeveelheid aanwezige levende micro-organismen. Ze is bruikbaar voor alle toepassingen. De voordelen van deze technologie zijn: 

  • Snel microbiële activiteit meten 
  • Meet enkel levende micro-organismen 
  • Specifieke target micro-organismen kunnen worden opgespoord door het meten van specifieke metabolieten van die groep. bv. Beta-D-Glucosidase (Enterococcus) of alkalischefosfatase (totale enzymactiviteit) (ColiMinder, 2021). 

Ook de BactControl van MicroLan bepaalt microbiologische contaminatie op deze manier. Zij bepalen het aantal coliformen door β-galactosidase te meten, E. coli door β-glucuronidase te meten en de totale activiteit/biomassa door alkalische fosfatase te meten (Microlan, 2021). 

Immuno-assay

Kraken Sense is een sensor die microbiële activiteit kwantificeert aan de hand van immunologische reacties. De specifieke antilichamen in deze meting kunnen het type en de hoeveelheid E. coli detecteren in real-time (Dang, 2020).

Demonstratieworkshop en lessons learned

Naast de technologiescouting, gebeurde er een selectie van innovatieve sensoren voor implementatie op de pilootlijn van VEG-i-TEC. Hierbij werd gekeken naar (i) fysicochemische waterkwaliteitsparameters (ii) chemische residuen: bv. chloraat, chloriet, vrij chloor en (iii) microbiologische parameters (E. coli of de totale microbiële belasting). Op 17 mei 2022 werden deze geselecteerde sensoren gedemonstreerd in VEG-i-TEC samen met enkele presentaties rond digitale meetapparatuur en data management. 

 

De belangrijkste lessen uit dit onderzoek:

  • Kies een sensor die past bij je toepassing en personeel. Stel hiervoor de juiste vragen:
    • Valt de meetrange van de sensor binnen de meetrange van mijn proces?
    • Hoe accuraat dient mijn meting te zijn?
    • Waarom wil ik deze parameter meten? Is dit wel de juiste parameter?
    • Kan de sensor toegepast worden binnen de condities van mijn proces eg. temperatuur, druk, zoutgehalte, pH….?
    • Meet ik op de juiste plaats in het proces?
    • Moet de meetmethode inline, online of atline zijn? Is offline meten ook een mogelijkheid?
    • Is de sensor makkelijk te reinigen (hygiënisch ontwerp)?
    • Kan ik voldoende tijd investeren om de sensor op regelmatige basis te onderhouden?
    • Hoe wil ik de data van mijn sensor gaan verwerken?
    • Dient mijn sensor aan bepaalde normen te voldoen (bv. ATEX, food grade)?
    • Is het mogelijk om een gecombineerde sensor aan te kopen (twee meettechnieken in 1 sensor)?
  • Vermijd aankoop van sensoren als er geen mogelijkheid is om de data op te volgen of te gebruiken.
  • Wanneer er weinig opvolging mogelijk is in uw bedrijf, kies dan voor een eenvoudige sensor. Elke sensor vergt minimaal onderhoud en expertise. Meten kan een besparing zijn, maar investeren in een sensor is niet voldoende.
  • Let er op of de communicatieprotocollen van je sensor matchen met de communicatieprotocollen van je PLC. De terugverdientijd van een sensor kan soms heel snel zijn.
  • Hou ook rekening met het hygiënisch ontwerp van de sensor alsook de plaatsing van de sensor.  
  • Als je sensor niet correct wordt gebruikt, is alle verder gebruik van data weinig waardevol.

Algemeen advies: Alle sensoren hebben hun eigen voor- en nadelen. Win daarom het advies in van experts en bepaal voor jouw bedrijf de belangrijkste eigenschappen.

Bronnen

•    Mrkva, M. (1993). Evaluation of correlations between absorbance at 254 nm and COD of river waters. Water research 17.2, 231-235.
•    UHasselt. (2021, Augustus 20). MIP sensing Devices. Opgehaald van Uhasselt: https://www.uhasselt.be/UH/IMO/Research-domains/Biosensing-devices/MIP-sensing-devices.html
•    Metanor. (2021, Augustus 20). The online bacteria analyzer. Opgehaald van Metanor: http://www.metanor.com/en/product/the-online-bacteria-analyzer.html
•    LuminUltra. (2022, februari 24). 2nd generation ATP Testing. Opgehaald van LuminUltra: https://www.luminultra.com/tech/2nd-generation-atp/
•    Coliminder. (2021, Augustus 20). Technology. Opgehaald van Coliminder: https://www.coliminder.com/technology/
•    Microlan. (2021, Augustus 20). BACTcontrol: online monitor of total and specific bacteria activity (E.coli and coliform) in water. Opgehaald van Microlan:
https://www.microlan.nl/monitoring-products/bactcontrol-online-monitor-of-total-and-specific-bacteria-activity-in-water/
•    Dang, W. (2020, Oktober 27). Kraken Sense: Pathogens Have Nowhere Else to Hide. Opgehaald van Medium: https://medium.com/indiebio-sf/kraken-sense-pathogens-have-nowhere-else-to-hide-36b987e585a2