27. juni 2019

Danske virksomheder sparer store mængder vand med hjælp fra forskningen

Vandforbrug

Forskningsprojektet REWARD har hjulpet danske virksomheder med at undersøge genbrug af vand i et lukket, cirkulært system. Det sparer både virksomhederne penge og hjælper samfundet med at skære ned på det samlede drikkevandsforbrug. Arla Foods Ingredients sparer fx op mod 1,5 millioner liter vand på årsbasis, som i stedet udvindes fra valleprotein-produktionen. Dette svarer ca. til den mængde vand som indeholdes i 600 olympiske svømmebassiner. Vand som tidligere blev udledt til kloakken. REWARD ledes af professor Søren Balling Engelsen fra Institut for Fødevarevidenskab på Københavns Universitet.

Billedet viser en NIR transmissions-probe, der er indsat i en processtrøm. Selve proben er den del der sidder vinkelret på hovedrøret og er forbundet med optiske fibre (den sorte slange). Foto Klavs Martin Sørensen.

I disse år skriver virksomhederne i fødevare- og biotekindustrierne ind i deres strategiske planer, at de skal blive mere bæredygtige og være CO2-neutrale inden for en kort årrække. Men ofte eksisterer de teknologier, der er forudsætningen for at opfylde målene, ikke endnu. Langt den største del af det vandforbrug, som er knyttet til fødevareproduktionen, bruges som vanding i landbruget. Derudover bruges der også store mængder vand til forarbejdningen af fødevarer. I forarbejdningsindustrien bruges vandet fortrinsvis til transport, opvarmning, nedkøling og især til rengøring af udstyr og produktionsanlæg.

REWARD drejer sig om at udvikle ny teknologi, der kan skabe en mere bæredygtig produktion, hvor procesvandet i fødevare- og biotekvirksomheder genanvendes i lukkede kredsløb. I nogle tilfælde kan vand fra selve fødevaren anvendes til forskellige formål, og i andre tilfælde kan vand fra en proces genanvendes i samme eller i en anden proces i produktionen. Teknologiudviklingen og anvendelsen stiller store krav om samarbejde mellem forskningsinstitutioner, industri samt lovgiverne, da man udover at udvikle teknologiske løsninger skal differentiere, hvad man bruger vandet til, og hvor rent det i en given situation skal være, hvilket både kræver masser af ny viden samt nye regler for håndteringen af vandet. Arla Foods Ingredients (AFI) og Novozymes har været testvirksomheder i REWARD.

”Den globale fødevareindustri er nødt til at sætte en mere bæredygtig kurs, og man kan ikke tænke bæredygtighed i disse industrier uden at inddrage de enorme mængder vand, der bruges til forarbejdning af produkterne,” siger professor i biospektroskopi Søren Balling Engelsen fra Institut for Fødevarevidenskab ved Københavns Universitet (KU FOOD).

Han mener, at forbrugerne på sigt vil kræve en form for klimaaftryksmærkning på fx fødevarer. Forsyningen af rent vand er allerede et stort problem flere steder i verden, så at genbruge vandet i fødevare- og biotekindustrierne vil have et stort impact i forhold til at komme nærmere opfyldelsen af FN’s verdensmål for bæredygtighed i 2030.

Et andet stort incitament i forhold til at genbruge vandet er, at vand er dyrt at håndtere for virksomhederne.

”Et centralt problem for danske virksomheder, er, at det er dyrt at komme af med spildevandet, fordi vi har en streng regulering for den type af affald. I Danmark er der derfor også et økonomisk incitament, og nogle virksomheder kan af miljømæssige hensyn slet ikke udvide produktionen, medmindre de finder nye måder, hvorpå de kan nedbringe mængderne af spildevand,” siger professor i fødevaremikrobiologi Susanne Knøchel, der tager sig af de mikrobiologiske undersøgelser i REWARD. 

Genbruger vandet efter analyse ved hjælp af Nær-infrarød spektroskopi

Forskerne har benyttet Nær-infrarød spektroskopi (NIRS) til at måle vandkvaliteten på forskellige steder og tidspunkter i produktionen i testvirksomhederne.

”Vi har brugt Nær-infrarød spektroskopi til at overvåge kvaliteten af det genindvundne procesvand, hvilket fx er udgangspunktet for en vurdering af, hvor i produktionen, vandet kan genbruges, uden at der opstår hygiejne- og forurenings-problemer,” siger Søren Balling Engelsen.

Et af resultaterne er, at Arla Foods Ingredients kan genbruge alt vand, der indgår i produktionen af valleprotein, og som tidligere blev ledt ud i kloakken. Der er tale 1,5 millioner liter relativt rent og ufarligt vand, som gik til spilde, fordi man ikke havde teknologien til at overvåge vandets renhed samt til at genbruge det i virksomheden.

Det oprensede vallevand er så rent, at det kan drikkes – dog har det en udløbsdato, fordi det indeholder meget små mængder af næringsstoffer som fx urea (urinstof) og laktose. Her er der også i projektet set på analytiske platforme og databehandling til at monitorere forskellige stoffer i realtid. Disse stoffer kan p.t. ikke fjernes fuldstændigt med et omvendt-osmose filter, der typisk benyttes i mejeriindustrien og genbrugsvandet har derfor en begrænset holdbarhed.

Nyt netværk om genbrug af vand

Projektet har været lærerigt for alle deltagere i REWARD.

”Hos os på AFI har et hovedfokus bl.a. været identificering af kemiske stoffer i diverse vandstrømme for at finde ud af, om genbrug af vandet fra vallen var muligt. Analyserne fra projektet viste, at genbrugsvandet havde en fin kvalitet, som det er forsvarligt at genbruge. Naturligvis under hensyntagen til fx holdbarheden, da der jo i sagens natur er forskel på vand fra hanen og vand, som stammer fra en produktion. Det er jo netop denne afklaring og klassificering af vandet, der skulle udforskes i projektet, siger forsker hos Arla Foods Ingredients, Dorrit Thaysen.

Ideen bag at etablere online overvågningsmetoder for kemiske komponenter og mikrobiologiske organismer er, at AFI kan måle kvaliteten af genbrugsvandet på alle tidspunkter. Det både sikrer, at man vil opdage afgørende afvigelser i vandkvaliteten, samtidig med, at det kan være en måde, hvorpå man kan dokumentere sikkerheden overfor kunder og myndigheder. Denne opgave viste sig at være en stor udfordring på grund af det i forvejen rene genbrugsvand, og mere forskning på dette område er derfor påkrævet.

”Et andet vigtigt output af projektet for AFI har været det netværk, der nu er dannet, samt de gode diskussioner det har afstedkommet om vand og betydning af vandets sammensætning for genbrug. REWARD har været en god måde til at underbygge et fokusområde, hvor den danske fødevareindustri og universiteterne samarbejder om at skabe mere viden,” siger Dorrit Thaysen.

Resultaterne viser, at der er en gevinst for samfundet ved at forske i en mere bæredygtig fødevareproduktion.

”Forskningen og resultaterne i REWARD understreger helt klart, at det er en god forretning for samfundet at investere i forskning i bæredygtig fødevareproduktion, der både kommer virksomhederne og samfundet til gode. Mindre vandforbrug og -udledning medfører lavere omkostninger og gavner miljøet og samfundet,” siger Søren Balling Engelsen.

Rent mikrobiologisk har det som nævnt vist sig, at det er muligt at behandle valleprocesvandet til en mikrobiologisk kvalitet, der er fuldt forsvarlig til de påtænkte formål, men der har også vist sig nogle overraskelser. 

”Vi har som noget helt nyt fundet og karakteriseret nogle gær, der på grund af deres form og vækst kan brede sig over membranerne og dermed hæmme filtreringseffektiviteten. Der er tale om gærtyper, der har vist sig at være særdeles robuste overfor de ellers skrappe rengøringsprogrammer, virksomhederne kører, og der er brug for mere forskning, før vi kan sige noget om, hvad der skal til for dels at undgå, og dels at fjerne den type belægninger,” siger Susanne Knøchel.

Et fasekontrastmikroskopfoto af filamentøs gær fundet i biofilm på omvendt osmose-membraner, der bruges til genbrug af vand i fødevareindustrien. Foto: Eirini Vitzilaiou

”På grund af de meget små mængder tilbageværende næringsstoffer i væsken efter omvendt osmose-behandlingen har vi også set meget markante forskelle på forskellige mikroorganismers muligheder for dels at vokse og dels danne biofilm i væsken.”

Begrænsningen i forhold til at genbruge procesvandet har i høj grad været styret af usikkerhed vedrørende de sikkerhedsmæssige og regulatoriske aspekter. I et andet forskningsprojekt DRIP, som KU FOOD også deltager i, arbejder universiteter, myndigheder og industri sammen på at skabe nogle nye retningslinjer for, hvordan man kan genbruge vand i fødevareproduktionen.

I Codex Alimentarius, som er et selvstændigt organ under FAO/WHO (se boksen) skal man til at se på, hvordan man bedre kan støtte virksomheder over hele verden i at kunne bruge forskellige vandkvaliteter i forhold til, hvad de enkelte opgaver kræver. 

”Udfordringen er, at det kræver en meget større viden end tidligere, hvor man i vid udstrækning blot skulle henholde sig til en drikkevandsforordning med kendte krav. Hvis man skal anlægge et kvalificeret sikkerhedsmæssigt skøn ud fra vandets beskaffenhed, renseteknologier og anvendelse, skal både virksomheder og ikke mindst myndigheder have en del baggrundsviden og vejledning. Derfor er der behov for meget mere samarbejde mellem virksomheder, myndigheder og teknologileverandører for at lykkes med det,” siger Susanne Knøchel, der har været indkaldt som ekspert på området af FAO/WHO.

Nye, internationale vejledninger vil være afgørende for, at fødevareindustrien nationalt og internationalt kan komme videre med den cirkulære økonomi for så vidt angår vand.

Metoderne kan blive bedre

En forudsætning for at genbruge vand i fødevareindustrien er at kunne totalovervåge vandkvaliteten og de med genbrugsvandet producerede fødevarer hele tiden. Genbrugsvandet i Arla Food Ingredients er som sagt i forvejen ret rent, og en totalovervågning af kvaliteten derfor en stor udfordring for de eksisterende analytiske metoder.

”De analytiske metoder, vi allerede har, er ikke toptunede til denne type af opgaver. Derfor skal der ske en udvikling af metoderne, og man kan sige, at den opgave vi nu har udført i REWARD ved hjælp af Nær-infrarød spektroskopi er første skridt i en længere proces. Det er ikke sikkert, at det er den metode, der skal bruges i fremtiden,” siger Søren Balling Engelsen.

Konkret har fødevareforskerne etableret overvågningen af valleproduktionen hos AFI i Nr. Vium ved hjælp af nogle sensorer, som løbende opsamler data fra filtreringen af vallen.

”Her har vi for første gang nogensinde etableret et online overvågningssystem, som har optaget tre millioner spektre, som monitorerer kvaliteten af vandet og sender data direkte videre til en database på Københavns Universitet. Data er komplekse NIR-spektre, der skal fortolkes i forhold til procesparametre og indholdsstoffer,” siger Søren Balling Engelsen.

For at kunne trække brugbare informationer om valle-produktionen ud af NIR-spektrene, skal forskerne først etablere et tolkningssystem, og det viste sig, at tolkningen af NIR-spektrene var en meget større opgave, end forskerne havde regnet med.

”Vi må indrømme, at vi har undervurderet mængden af de indsamlede data og den relativt lille informationsmængde: Too much data – too little information”. Vi har derfor startet et samarbejde med Datalogisk Institut vedrørende brugen af deep learning og machine learning-teknikker for at kunne overkomme den helt overvældende mængde af data, som vi opsamler, og derefter finde indikatorer for optimale rensningsbetingelser eller ”early warning”-indikatorer for identifikation af procesfejl eller måske bare off-spec-situationer.,” siger Søren Balling Engelsen.

Forskerne leder fx efter mønstre i NIR-spektrene, der kan sige noget om vandkvaliteten umiddelbart efter rengøring af omvendt osmose-filteret ved hjælp af CIP (Cleaning In Place), der foregår med nogle ret skrappe kemikalier.

”Ud fra de data, vi finder, skal vi skabe et tolkningssystem, der fx fortæller, hvornår man kan starte med at genbruge vandstrømmen på en måde, så det er forsvarligt, at den kommer i kontakt med produktet (vallen) efter CIP-rengøringen,” siger Søren Balling Engelsen.

Graferne viser tre vand-spektre, der er optaget på tre punkter mellem to omvendt-osmose filtersystemer (RO1 og RO2). De tre strømme (A er fødestrømmen, B er permeat fra RO1 og C er permeat fra RO2) ligner umiddelbart hinanden rent spektralt. Men ved at analysere store mængder af spektrale data kan man modellere, hvordan de to filterprocesser forløber. Herefter kan man bruge modellerne som referencer for en fremtidig kontrol af procesvandet.

Forskerne har udviklet en automatisk dataoverførsel, der sender NIR-spektre direkte til Institut for Fødevarevidenskab på Københavns Universitet, hvor de mange data så kan analyseres.

”Alt i alt kan man sige, at vi har udviklet en plug-and-play-løsning. Vi har instrumenterne, datateknologien, og nu mangler vi så at få strømlinet dataanalysen. Det forventer vi at gøre sammen med Datalogisk Institut, som vi har etableret et samarbejde med. Vi skal se på tre millioner spektre med tilhørende metadata, procesdata samt vandprøver, som er indsamlet, så der er tale om et ekstremt stort datasæt,” siger Søren Balling Engelsen.

Måtte vælge mellem to slags bæredygtighed

Mens det har vist sig, at AFI kan genbruge al vandet fra produktionen af valle, er det ikke tilfældet for Novozymes, der producerer enzymer, som er tørstof. Enzymerne produceres ved en fermentering med bakterier, og tanken var at genbruge det vand, som bakterierne har levet i under fermenteringen. I den produktion, forskningen tog udgangspunkt i, blev vandet ledt til nogle iltfri (anaerobe) tårne, som kan skabe energi ud af tørstoffet i bakterierne, som så bruges i virksomheden. I forbindelse med REWARD forsøgte forskerne at aflede vandet til genbrug, hvilket godt kunne lade sig gøre. Men udfordringen var, at den tilbageværende rest blev for saltholdig, hvilket skabte problemer for bakterierne og energiproduktionen i de iltfri tårne.

”Vi kan løse opgaven med at genbruge vandet, men hvis virksomheden vælger den løsning, ødelægger man samtidig det system, som skaber energien,” siger Søren Balling Engelsen.