Broei- en droogprocessen in hooi

P1921

2282

/ O 5 / 2 ^ (^ ^

-

7

C10062

63865

{ BIBLIOTHEEK TU Delft ' P 1921 2282 626386

u ' l i s L m t).il\\(.': p Ton I'.c \ \ . , ' i i ' * ' , Scn'-:;:.ui (1 i- )

BROEI- EN DROOGPROCESSEN

IN HOOl

PROEFSCHRIFT

TER VERKRIJGING VAN DE GRAAD VAN DOCTOR IN DE TECHNISGHE WETENSCHAPPEN AAN DE TECH-NISCHE HOGESCHOOL DELFT, OP GEZAG VAN DE RECTOR MAGNIFICUS IR H R VAN NAUTA LEMKE, HOOGLERAARINDEAFDELING DER ELEKTROTECH-NIEK, VOOR EEN COMMISSIE UIT DE SENAAT TE VERDEDIGEN OP WOENSDAG 19 APRIL 1972 TE

14 00 UUR DOOR

ARTHUR OHM

SCHEIKUNDIG INGENIEUR GEBGREN TE BANDOENG

/ p 2 / 2%^^

<9 ' • l . v V

r

Dit proeischrift is goedgekeurd door de promotor

Prof. Dr. Ir. N . W . F . Kossen

de heer en mevrouw Sj.S. Postma te Schettens (fr.) en mijn studenten: G. van Beek E.J. Bish J.P. de Boer W. Bosch Th. Evers L.A.M. Janssen G.J. Kamperman C . J . v a n L o o k e r e n Carapagne R. Regoort N. van Santen G.J. Schuytemaker B. Sikma C.I. Smits M.A.M. Snuverink J.H.F.M. Vencken 11.J. Visser C.G. Voermans J.G. Vogtlander A.P. de Weijer R.G.A. van Well E.D. Wilschut

VOORWOORD

De aard van het in dit proefschrift beschreven onderzoek maakte het wenselijk, dat door ons laboratorium kontakten werden gelegd met deskun-digen uit landbouw- en brandverzekeringskringen. Deze kontakten

resul-teerden o.a. in het gemeenschappelijk uitgevoerde onderzoek op praktijk-schaal (Schettens, F r . ) .

Dit gedeelte van het onderzoek was alleen mogelijk, doordat een belangrijk aandeel van de kosten van deze grote-schaal-experimenten werd gedragen door de Federatie van Onderlinge Verzekeringsmaatschappijen in Nederland (F.O.B.) en de Vereeniging van Onderlin^ Schadeverzekering-maatschappijen in Nederland (V.O.S.).

De Friese Maatschappij van Landbouw (Leeuwarden) heeft een bijdrage in de drukkosten van dit proefschrift geleverd.

Voor deze medewerking en die van de vele anderen, hier niet met name genoemd, zeg ik graag oprecht mijn dank.

«

1 INHOUD

Summary 10 Samenvatting 12 Hoofdstuk I. ALGEMENE INLEIDING EN PROBLEEMSTELLING 14

1.1 Algeraene inleiding 14 1.2 Probleemstelling 16 Hoofdstuk II. WARMTEPRODUKTIEPROCESSEN IN HOOI 20

2.1 Inleiding 20 2.2 Enzymatische warmteproduktie 22

2.2.1 Literatuurgegevens 22 2.2.2 Interpretatie meetgegevens uit literatuur 24

2.2.3 Konklusies 32 2.3 Mikrobiologische warmteproduktie 33 2.3.1 Inleiding 33 2.3.2 Experimentele opzet 38 2.3.3 Meetresultaten en diskussie 44 2.3.4 Konklusies 50 2.4 Chemische warmteproduktie 52 2.4.1 Inleiding 52 2.4.2 Theorie van de meetmethoden 52

2.4.3 Uitvoering en resultaten van de experimenten 58

2.4.4 Konklusies 67 Literatuur aoofdstuk II 72

Hoofdstuk III. WARMTE-AFVOER-PROCESSEN IN KOOI 75

3.1 Inleiding 75 3.2 De bulkdichtheid in een hooistapeling 75

3.2.1 Inleiding en theorie 75 3.2.2 Uitvoering en resultaten van de metingen 78

3.2.3 Konklusies 84 3.3 Warmteafvoerprocessen door "geleiding" 85

3.3.1 Inleiding en theorie van de warmteoverdracht in 85 vochtige, poreuze systemen

3.3.2 Uitwerking van de meetresultaten voor hooi aan de 90 hand van de theorie

3.3.3 Konklusies 99 3.4 Warmte-afvoer-processen t.g.v. gedwongen konvektie [QQ

3.4.1 Inleiding IQQ 3.4.2 Warmteoverdrachtskoefficient in een hooistapeling jgo

3.4.3 Niet stationaire afkoeling van een geventileerde 104 hooiberg

3.4.4 Konklusies 113

Literatuur hoofdstuk III ₁₁₄

Hoofdstuk IV. GEKOMBINLERDE PROCESSEN ZONDER GEDWONGEN KONVEKTIE 116

4.1 Inleiding 116 4.2 De stationaire warmtebalans (geen ventilatie) 117

4.3 De stationaire zuurstofbalans (geen ventilatie) 124 4.4 Resultaten van de metingen en berekeningen 127

4.5 Konklusies I33 Literatuur hoofdstuk IV 13^

Hoofdstuk V. DROOGPROCESSEN IN HOOI BIJ GEDWONGEN KONVEKTIE 135

5.1 Inleiding I35 5.2 Dunne laag droging I35

5.2.1 Theorie I35 5.2.2 Periode van konstante droogsnelheid I36

5.2.3 De periode(n) van afnemende droogsnelheid I37

5.2.4 Meetresultaten dunne laag droging 13g 5.3 Gepakt bed droging ("dikke laag") ]47

5.3.1 Theorie (eest-droging) 1^7 5.3.2 Meetresultaten gepakt bed droging ("dikke laag") 151

5.4 Konklusies ₁₅₆

Literatuur hoofdstuk V ]5g

APPENDICES 159 A.l Definities van enkele gebruikte grootheden ₁₅₉

A.2 Samenhang tussen hooiproduktie, oppervlak voor 161 hooiberging en broeifrequentie bij niet

geventi-leerd hooi (Friesland)

A.3 Eigenschappen van de adiabatische reaktor 164 A. 4 Mogelijke meetfout bij isothermische reaktor t.g.v. 167

verdamping van water

A. 5 Gebruikte meetmethoden ter bepaling van de tempe- 168 ratuurvereffeningskoefficient van nooi en de

uit-wendige warmteoverdrachtskoefficient (zelfontbran-dingsexperimenten met hooibollen)

Literatuur appendices I75

- 10

-S U M M A R Y

This thesis describes the most important physical, chemical and

technological aspects of selfheating and drying processes in hay.

In Chapter I the general introduction and the formulation of the

pro-blem is given, based on the definition of

selfheating:

(selfheating) = (heat production) - (heatloss)

In chapter II the three types of heat production are discussed, i.e.:

- the

enzymatic

heat production

- the

miaorbiologiaal

heat production

- the

ahemiaal

heat production

This discussion is based on the assumption that the main heat

pro-ducing reaction is the exothermic oxydation of hexoses according to

the reaction equation:

^6^12^6 + 6 0^ ^ 6 CO^ + 6 H^O + 2835 (kJ)

Using the data from the literature on the C0„-production rate due

to the respiration processes in the plant cell, the enzymatic heat

production is calculated based in the assumption that the reaction is

pseudo zero order in 0„ and CO,.

The micorbiological heat production, due to the aerobic

micro-organisms, the mesophiles and thermophiles, was measured both in

adia-batic and in isothermic reactors. No theoretical model was found, which

could describe the measured microbiological heat production. The

chemical heat production was found to be first order in 0„ and C0„

according to the above reaction equation.

The reaction kinetics was measured by gaschromatographic analysis

of the gas composition in an isothermal reaction vessel. These kinetics

were identical with those found from the self-ignition data with spheres

of hay, based on the thermal explosion theory of Frank-Kamenetzkii. The

chemical heat production could be calculated from these reaction kinetics.

The most important processes of heat release in haystacks, i.e.

'conductive' and convective heat transfer are discussed in chapter III.

Using data from large scale experiments, a model was verified with which

the variation of the hay bulk density in stacks as a function of the

height can be predicted. Further a theoretical model (verified with

experimental results) was developed to describe the heat conductivity in

moist, porous systems (like hay). Using data from the literature on

packed beds, the convective heat transfer coefficient in ventilated

hay-stacks could be described and confirmed by experimental results.

In chapter IV the data on the temperature and oxygen concentra-tion distribuconcentra-tion, measured in the cylindrical, experimental (large scale) haystacks are given. These results agree reasonably well with the values calculated with the theory from chapters II and III.

The last chapter deals with the drying processes in hay. The ki-netics were determined from the performance of a laboratory drier using so called "thin layers" of hay (about 5 cm thick). Experimental data from thick layer drying experiments are also presented in this chapter, to check the drying theories from the literature concerning both la-boratory and large scale experiments.

In the appendices the accuracy of the experimental set-up is dis-cussed. Appendix A.2 gives the model with which the frequency of posi-tive self heating in non-ventilated haystacks can be predicted. The model was evaluated using the hay bulk density distribution model and could be confirmed with the data of Jelsma and Spoelstra from their investigations on about 2000 farms.

12 -SAMENVATTING

In dit proefschrift worden de belangrijkste fysisch- en chemisch-technologische aspekten behandeld van broei en droogprocessen in hooi met de nadruk op de broeiverschijnselen. Hoofdstuk I bevat de algemene inleiding en probleemstelling van het hier beschreven broeionderzoek. Deze probleemstelling is geformuleerd vanuit de algemene definitie van

hroei

of

zelfopuarwing:

(broei) - (warmteproduktie) - (warmte-afvoer)

Vervolgens worden in hoofdstuk II de drie belangrijkste vormen van warmteproduktie besproken, te weten de:

-

enzymatisane warmteproduktie

- microhiologisohe warmteproduktie

- ahemisahe warmteproduktie

Daarbij is als gemeenschappelijke hoofdreaktie, welke verantwoorde-lijk is voor de warmteproduktie, aangenomen de exotherme oxydatie van hexosen volgens de bruto-reaktievergelijking:

C^H,,,0^ + 60,, ^ 6C0,, + 6H,,0 + 2835 kJ 6 12 6 / 2 2

/let de uit de literatuur bekende meetgegevens van de CO„-produktie-snelheid t.g.v. de ademhalingsprocessen in de plantencel, wordt de en-zymatische warmteproduktie berekend, waarbij een pseudo nulde orde reak-tie in 0„ en CO. is aangenomen.

De mikrobiologische warmteproduktie, welke het gevolg is van de aerobe, mikro-organismen (mesofielen en thermofielen) werd zowel in een adiabatische en alsook in een isothermische reaktor gemeten. Het was hiervoor niet mogelijk ook nog een theoretisch model op te stellen.

De chemische warmteproduktie bleek een eerste orde reaktie in 0„ en C0„ (overeenkomstig bovenstaande reaktievergelijking) te zijn. De reak-tiekinetiek werd m.b.v. gaschromatografische analyse van de gasvormige komponenten in een isotherme meetopstelling gemeten. Op grond van de thermische explosie-theorie volgens Frank-Kamenetzkii werd bovendien uit de resultaten van zelfontbrandingsexperimenten met hooibollen op een on-afhankelijke wijze deze reaktiekineitek bevestigd. Uit deze resultaten kon op eenvoudige wijze de chemische warmteproduktie berekend worden.

Hoofdstuk III behandelt de belangrijkste vormen van warmteafvoer, n.l. die door "geleiding" en konvektie (bij geventileerde hooibewaring).

Daartoe wordt aan de hand van meetresultaten op praktijkschaal een mo-del uitgewerkt ter voorspelling van het hooidichtheidsverloop in een hooistapeling. Hiermede wordt vervolgens een theoretisch model (ge-toetst aan meetresultaten) uitgewerkt, waarmee de warmtegeleidings-koefficient in een stapeling van vochtige, poreuze systemen (zoals hooi) beschreven kan worden.

De konvektieve warmteoverdracht in een hooistapeling (van belang bij geventileerde hooibewaring) wordt besproken aan de hand van de in de literatuur beschreven warmteoverdrachtsprocessen in gepakte bedden.

Hoofdstuk IV bevat de meetresultaten van de temperatuur en zuur-stof koncentraitemetingen in de experimentele cylindervormige hooiberg op praktijkschaal (geen ventilatie). Deze metingen blijken in de sta-tionaire situatie redelijk goed overeen te stemmen met de waarden be-rekend op grond van de in de hoofdstukken II en III gegeven modellen voor warmteproduktie en warmteafvoer.

Het laatste hoofdstuk behandelt het drooggedrag van hooi. De "kinetiek" van het droogproces werd in een laboratoriumdroger voor "dunne lagen" hooi, d.w.z. ca. 5 en. dik, bepaald.

De in de literatuur bekende eest-droogtheorien werden vervolgens getoetst aan experimenten met "dikke lagen" hooi (zgn. eest) zowel op laboratorium- als op praktijkschaal.

In de appendices wordt nader ingegaan op de meetnauwkeurigheid van de gebruikte meetopstellinge. Appendix A.2 bevat de uitwerking van een model, waarmee de hooibroeifrequentie in niet-geventileerde hooibergen

aan de hand van het eerder beschreven hooidichtheidsmodel voorspeld kan worden. Onder gebruikraaking van de meetresultaten van Jelsma en Spoelstra, gedaan op ca. 2000 bedrijven in Friesland, kon dit model tevens getoetst worden.

14

-HOOFDSTUK I

ALGEMENE INLEIDING EN PROBLEEMSTELLING 1 . 1 Algemer.fc inleiding

Hooi is het produkt, dat men verkrijgt door gras met een begin-vochtgehalte X = 0,80 (of X = 4,0) te drogen tot een eindbegin-vochtgehalte X ^ 0 , 1 8 (of X _< 0,22) (zie voor definities appendix A - 1 ) .

De samenstelling van hooi is in chemisch opzicht als ook wat de fysische struktuur betreft, afhankelijk van o.a.:

de grondsoort het klimaat - de oogstperiode - de bedrijfsvoering

Hooi is daarom, zoals zovele andere biologische materialen, niet konstant van samenstelling.

Deze handicap bij de bestudering van broei-, droog- en koelpro-cessen in hooibergen kan voor een zeer belangrijk deel ondervangen worden door de volgende aanpak:

1. De studies uit te voeren m.b.v. zoveel mogelijk een

soort hooi, d.w.z. hooi afkomstig van een bedrijf (in ons geval: S.Sj. Postma, Schettens, F r . ) .

2. Gezien de mogelijke variaties in de stofkonstanten van hooi, bij de keuze van de te gebruiken modellen niet af te gaan op grootheden van detailkarakter, maar alleen op grootheden met meer algemene geldigheid.

De consequentie van deze aanpak is wel, dat de verkregen resul-taten zoveel mogelijk op grote schaal getoetst moeten worden. Uit de goede overeenstemming tussen de resultaten,verkregen uit de model- en grote schaal proeven, kan gekonkludeerd worden dat deze aanpak alles-zins bevredigende resultaten opleverde.

Wat de motivatie voor dit onderzoek betreft, kan het volgende worden opgemerkt:

Het optreden van hooibroei heeft een (in elk geval ten dele) meetbare ekonomische schade tot gevolg. Een belangrijk deel van deze schade treft een toch al kwetsbare groep uit onze samenleving: de boeren. Een illustratie van het meetbare deel van deze schade geeft figuur I-1, waarin het verloop over 12 jaar (1959 - 1970) van de direkte

brand-schade ten gevolge van hooibroei voor heel Nederland en voor Friesland is weergegeven.

15

-dirckLc schade door hootbro«ibrand«n 5 , 0 [j0*guld«nj in gchcel Nederland in de provincie Friesland B ( 1 p«rcenLage=(.^lx10'Tyo jaarLal (2ai2) (49,91 (37,11 (35,21 (38,21 ( 3 4 . 2 ) ( 2 5 , 8 ) (30,01 (34,21 (59,11 (35,41 (23,51 'h Q I I I I I I I I I I I I ' 5 9 • 6 0 •61 • 6 2 • 6 3 6 4 • 6 5 6 6 • 6 7 ' 6 8 • 6 9 • 7 0

Figuur I - l

Verloop van de direkte brandschade (voor zover bekend) t.g.v. hooibroeibranden over de periode 1959-1970. (Cijfers verstrekt door de Inspektie van het Brandweer-wezen te Den Haag, Maandelijkse Mededelingen juli/augus-tus 1969 en juni (1971).

16

-Als mogelijke reden voor de tijdelijke tnerame in de schade kan worden genoemd: de handhaving van de rentabiliteit door

schaalvergro-ting en ver doorgevoerde mechanisatie op de veehouderijbedrijven; het een en ander in samenhang met de verscherpte concurrentie positie door de ontwikkelingen in E.E.G. verband.

Genoemd moet nog worden, dat de moeilijker meetbare indirekte (bedrijfs)-schade en de voederwaardeverliezen t.g.v. hooibroei elk een veelvoud kunnen bedragen van de direkte brandschade.

1.2 Probleemstelling

De probleemstelling van het hier beschreven onderzoek vloeit lo-gischerwijze voort uit een nauwkeurige definitie van het algemene ver-schijnsel broei.

Broei of zelfopwarming is de resultante van twee processen en wordt weergegeven met de warmtebalans:

3T

P b S ' s t

b r o e i of

zelfopwarmi

ng 1 1 1

^(T)

wai^nte

p r o d u k t i e

(temp.

a f h . )

1 1 1 - <i> w

warmte

v e r l i e s

(temp.

a f h . )

[w.m-3]

_(1-1)

(I) (II) (III)

waarin:

p, = soort. gew. materiaal Lkg.m_ J _ .

C = soort. warmte materiaal I-J-kg . C J

T = temperatuur van het materiaal [ Cj

t^ = tijd [s] _2

q','J = warmteproduktie [W.m ] ^(T) f'" w warmteafvoer [_W.m J

We spreken i.h.a. alleen van broei, indien: I = II-III > 0. In figuur 1-2, waarin de produktie (II) en verliesterm (III) schematisch zijn weergegeven als funktie van de temperatuur (T), is dit nog eens ver-duidelijkt.

[w^^]

armtc t warmta roductie T verlies I m i . n - m omgevings

temperatuur materiaal temp T Figuur 1-2 Schema warmtebalans i.v.m. broei

punt 1 : labiel evenwicht als T < T als T > T is II < iir is II > III^ I = II A

punt 2 : stabiel evenwicht

als T < T is II > IIT als T > T2 is II < III^

I = I I - I I I

A

I I I = 0

T - d a l i n g

T - s t i j g i n g

A • = 0

T - s t i j g i n g t o t

evenwichts-s i t u a t i e

T-daling tot evenwichts-situatie

punt 3 : kritisch evenwicht als T < T is II > III als T > T is II > III^ III^ > I = II - III B

B

0

temp, stijging tot punt 3 bereikt is.

blijvende T-stijging thermische explosie II - III" > 0 ^- broei

a. biologische materialen b. hooi vismeel veevoedergrondstoffen wol houtpulp compost, etc. granen, bloembollen tuinbouwprodukten etc. synthetisch chemische produkten: o.a. kruit, explosieven

kunstmeststoffen peroxyden, etc. c. delfstoffen o.a. steenkool

bruinkool vlamkool

diver sen o.a. vast huishoudelijk afval Koewel de bovengenoemde algemene definitie van broei op al deze materialen van toepassing is, zijn de optredende processen van zeer verschillende aard. Ons onderzoek heeft zich beperkt tot het bestude-ren van de verschillende processen, welke de warmtebalans, vgl. (1-1), beinvloeden bij hooi. Voor zover mogelijk is uiteraard aansluiting ge-zocht bij de verschillende in de literatuur bekende fysisch-mathema-tische modellen voor de beschrijving van broei (I), warmteproduktie (II) en warmteafvoer (III). Deze studie heeft zich dus gericht op het be-schrijven van de warmteproduktieterm (II) en de warmteafvoerterm (III), resulterend in de beschrijving van de broei (I).

In hoofdstuk II wordt nader ingegaan op de verschillende mogelijke warmteproducerende processen in hooi.

In hoofdstuk III wordt de warmfeafvoer, zowel in niet-geventileerde (alleen "geleiding") als in geventileerde(konvektie) hooibergen be-sproken.

De kombinatie van het in hoofdstuk II en III behandelde wordt uit-gewerkt in hoofdstuk IV.

Het drogen van hooi -^..m.v. ventilatie (geforceerde konvektie), als een mogelijkheid om de broeiprocessen te voorkomen, wordt in hoofdstuk V beschouwd.

In de appendix A-2 wordt tenslotte de broeifrequentie in niet-geventileerde hooibergen in Friesland beschouwd.

Een groot deel van de studie is verricht aan de hand van model-proeven op laboratoriumschaal, terwijl het droog- en koelgedrag tevens getoetst is aan proeven op grote schaal (Friesland, Schettens).

Van de in Nederland jaarlijks geproduceerde hoeveelheid hooi (ge-schatte hoeveelheid ca.3 44. 10" ton/jaar) wordt een klein deel in de vorm van geperste balen opgeslagen. De rest wnrdt als los hooi in al dan niet geventileerde bergen opgeslagen. De studie richtte zich dan ook op de processen bij de opslag van los hooi in geventileerde en on-geventileerde bergen.

Uit de bovenstaande probleemstelling zal het de lezer duidelijk zijn geworden, dat het onderwerp van deze studie - hoewel agrarisch van oorsprong - zeer veel studiemateriaal moet bevatten voor een Delfts scheikundig ingenieur, immers:

1. de bestudeerde verschijnselen zijn mikrobiologisch, chemisch en fysisch van aard,

2. de gebruikte modellen zijn derhalve afkomstig uit vakgebieden als:

- chemische (biologische) reaktie-kinetika - zgn. thermische explosieverschijnselen - koel- en droogtechniek.

20

-HOOFDSTUK II

WARMTEPRODUKTIE-PROCESSEN IN HOOI

2. 1 Inleiding

Uit de algemene warmtebalans, vgl.(1-1) volgt, dat broei in een

opgeslagen hoeveelheid hooi optreedt, indien:

q^^' (II) - <^^" (III) > 0 (2-1)

warmte- warmteafvoer

produktie

Dus indien:

3T

b p <) t —

met:

3^s 3T

p. C

—

— = 0 voor de stationaire toestand: — = 0

(alle geproduceerde warmte wordt juist

afgevoerd)

3T

g

p.C -T-— > 0 temperatuur stijging door overproduktie

aan warmte.

De grootheden q!•'^ (II) (warmteproduktie) en <{>''' (III)

(warmte-afvoer) hangen bij hooi, opgeslagen in een hooiberg, vooral af van:

1. het vochtgehalte X (of X) van het hooi

2. de warmtegeleidingskoefficient (X) van hooi

3. de soortelijke warmte (C ) van het hooi

4. de bulkdichtheid van het hooi (p, )

5. de temperatuur (T ) van het hooi

6. de geometrie en de afmetingen van de hooiberg

7. de zuurstofconcentratie (Co„) in de berg

8. het soort hooi (chemische samenstelling)

Indien broei in een hooiberg optreedt, kan men in het

tempera-tuur (T ) - tijd (t) verloop van de broeikromme verschillende stadia

onderscneiden. Schematisch is dit weergegeven in figuur II-l:

e x o t h e r m e o x y d a t j e s • Maillard r e a k t i e s ca 105 CO 7 5 ca 4 0 zelfontbrandJng chemische w a r m t e p r o d u k t i e alleen e x o t h e r m e o x y d a t l e s m i c r o b i e l e e n / o f e n z y m a t i s c h e wa r m t e p r o d u k t i e mesofielen s v e n t u e e l "*• e n z y m a t i s c h e a k t i v i t e i t e n -opslagtijd [ t ]

22

-Le volgende versciiillenae stadia, zoals die ook beschreven zijn door o.a. Miehe (lit. II-l), Cohn (lit. II-2), Belderok (lit II-3), Firta en Stuckey (lit. II-4), Rothbaum (lit. II-5, II-6),kunnen bij aooibroei onderscneiden worden afhankelijk van de aara van oe V7arnte-proQuktie: Label II-l.

In de hoofdstukken II-2 t/m II-4 zal behanaeld worden hoe de ver-sciiillenue vjarmteproaucerende reakties gemeten zijn en eventueel ir.athe-r.atiscii bescnreven weruen.

t>iet Dehanaeld woraen exotherme chemische reakties, welke op kun-nen treuen in nooisoorten met extreem hoge N-gehalten.

2. 2 Enzyxnatische warmteproduktie 2.2.1 Literatuurgegevens

Onder enzymatische warmteproduktie wordt verstaan de warmteontwik-keling, welke plaatsvindt tijdens de ademhalingsprocessen in de planten-cel. T.a.v. deze processen zijn voldoende gegevens in de literatuur te vinden, \vaarvan in dit hoofdstuk dan ook zal worden uitgegaan.

Bij de aaemhaling van alle planten, en dus ook van gras, worden suikers (nexosen) onder aerobe kondities verbrand tot koolzuur (CO^) en water onuer afgifte van warmte.

De bruto-vergelijking luidt:

C^Kj^O^ + 60^ ^ eco^ + 6H2O + 2835[kj] (2-3)

Deze ademhalingsprocessen zijn zoals in alle levende cellen -slechts mogelijk m.o.v. biologische katalysators, de enzymen. Deze en-zymen kunnen denatureren of anderzins onwerkzaam worden door o.a.:

- biologisch gezien, hoge temperaturen, d.w.z. T > 45fcJ (toepassing van dit effekt is o.a. konservering door pasteurisatie of sterilisatie)

uitdroging

(toepassing van dit effekt is o.a.: konservering aoor droging van zuidvruchten, hooi etc.)

De enzymen in de plantencel, welke een rol spelen bij de verade-ming van zuikers, worden pas volledig onwerkzaam bij temperaturen T >

^

\

B

^1

J

S

produktie

ademhalingsprocessen van

plantencellen o.i.v. in

tact gebleven enz5raien

vermenigvuldiging en

groei van mesofiele

micro-organismen

vermenigvuldiging en

groei van thermofiele

micro-organismen

exotherme chemische

oxydatie van cellulose

en eiwit

als onder C] en exotherme

Maillard reakties

reakties van

sui-kers met eiwitten onder

afsplitsing van CO2; ook

onaer anaerobe condities)

type reaktie

orde van de reaktie

enzymatische broei

(aeroob)

orde in O2 : 0

microbiele (mesofiele)

Droei, (aeroob)

orde in O2 : 0

microbiele (thermofiele)

broei, (aeroob)

orde in O2 : 0

chemische broei

(oxydatieve)

orde in ©2 : 1

chemische broei

(oxydatief en anaeroob)

orde in OT : 1

voor Maillard reakties

orde in CO2: 2

min. max.

temp. (T )

ca

°C

ca^

0 45

15 40

40 75

70 ?

70 ?

110 ?

^ehalte

X (%)

47

22

20

geen

geen

geen

te van warmte- .

prod.q(x)[w.k^

0,5 ^ 10

1 ^ 16

1 ^ 8

0,5

-^

30(?)

> 2

24

-Bij temperaturen T < 45[ Cjen vochtgehalten X > 0,30 blijft in gras en hooi de ademhaling bestaan, totdat de plantencel volledig is afge-storven (na enkele weken),

Metingen van deze verbranding van suikers t.g.v. de ademhaling van plantencellen van hooi zijn door verschillende onderzoekers gedaan, o.a.: Banthien (lit. II-8) , Zimmer (lit. II-9), O'Callaghan (lit. 11-10). Zij onderzochten de kooldioxydeproduktie (C0„) bij de ademha-ling in hooi als funktie van de temperatuur (T ) en het

hooivochtge-halte (X*). ^ De meetresultaten van deze onderzoekers stemmen onderling goed

overeen. In figuur II-2 zijn de meetresultaten van Zimmer (lit. II-9), welke de uitgebreidste in hun soort zijn, weergegeven. Zowel de meet-punten als de m.b.v. regressie-analyse berekende rechten van de resul-tatne van Zimmer zijn opgenomen.

2.2.2 lB£®£E'^£.^B£i£_Ef££i8£S£Yf2.5 H-"-*- literatuur

De ademhaling van de levende plantencel is een pseudo 0 -orde reaktie in de zuurstofconcentratie C Q (slechts bij zeer lage C Q , treedt een afhankelijkheid van de reaktiesnelheid van de C Q , op). De reaktie-snelheid (r ) van de glucoseverademing volgens vgl. (2-3) kan met Arr-henius worden beschreven (glucose is in overmaat aanwezig):

dC_ dC_ dt dt

r

_^0^^")

_{- P [ - | T ]}

_(2-^)

zodat geldt: dC^ ~dt ' R T • " " ' " o '

Co,

I n k = In r = ln(--j--^) = - | - + ln{k„(X*)} (2-5) of: 1 ° 8 ^ = - 2 3 0 3 : R T " log{k^(X*)} (2-5^)

Wanneer k (X ) onafhankelj.jk is van T, moet het verband tussen log k en (-j) lineair zijn.

In figuur II-3 zijn de metingen uit figuur II-2 weergegeven door log k tegen (-A) (T in °k) uit te zetten met als paramete ' ':et vocht-gehalte X . Uit figuur II-3 blijkt, dat het verband tusser. log k en (iji) lineair is m.a.w. de Arrhenius vergelijking (2-4) voldoet. Boven-dien blijkt de helling = — . ^^.-o voor verschillende waarden van X gelijk te zijn.

kooldioxyde p r o d u k t i e n g C O j -[lOOg OS h j i 250 200 150 100 5 0 0

-~

. /

/^l

Tc x ^

/

/ '

X

•

1 [•c] i ' 25*

V

/

^

,

A

/

/

/

1 1 5 0 6 0 70 8 0 — hooi v o c h t g e h a l t e X ("/•) Figuur II-2

Kooldioxyde (CO2)-produktie t.g.v. ademhaling in hooistengels als funk-tie van de hooitemperatuur (Tg) en het hooivochtgehalte (x"^). (naar E. Zimmer, lit. II-9).

3 10 reoKtiesnelheidskonstontc m g CO2 3 g l ^ r rng C O ; -| LlOOg DSuur J J 1 L 3,350 3,450 3,550 3,650 Figuur II-3 3,750 3,950

Glucoseverademing in hooi. Reaktiesnelheidskonstante (k) als funktie van ( T ) ["^K"']. (Uitwerking metingen E . Zimmer, lit. II-9) .

Parameter: hooivochtgehalte (5P).(Uitwerking metingen E. Zimmer (lit. II-9).

26

-Uit de helling van, figuur II-3 volgt voor de waarde van de

aktiverings-„ t o o K.caT

energie: E = 13,8 —q-'^— .

^ mol O2

fkcal "I

Met de waarden voor k (uit figuur II-2) en met E = 13,8 —

r r ^ \

, . , , ,

^ , -, 1

Lmol'-'KJ

zijn voor de verschillende temperaturen en vochtgehalten de

waarden voor k (X ) berekend en in de tabel II-2 weergegeven.

hooi

vocht-gehalte

X-*

10-278

[ O K ]

= 3,597[V]

Hooi temperatuur Tg

288

[ O K ]

^ - 3,472[V]

10-29 8

[OK]

3,356[V]

0,80

k = 8 3

k (X*) = 6,67.10

k (X ) = 5,47.10

^

* = '^^ 12

k = 3 0 0 ,

k^(X"*) = 4,43.10

0,70

k = 6 5

k^(X'*) = 5.15.10 "^ k (X ) = 4,48. 10

k = 2 4 0

k (X*) = 3,54.10'^

o '

0,60

^ ^ = ''^

12

k (X ) =3,725.10

^

* = '°0 12

k (X ) =3,315. 10 '^

o

'"

* = '^^ 12

k (X ) =2,630.10

0,50

'^ ^ = 30

k (X ) =2,376.10^

'^ * = " 12

k (X*) =2,086.10^

^ * = " ^ 12

k (X*) =1,681.10 "^

0,40

k = 1 3

_{k (X*) =1,031.10^}

k = 2 7

_{k (X"*) =0,895. 10'2}

o

'^ * = ^^ 12

k (X ) =0,813.10'''

o

Dimensie van k en k

_{o«"' ^[1}

m g C O .

]

lOOg D.S. uur

De a k t i v e r i n g s e n e r g i e b e d r a a g t : E = 1 3 , 8 . l O ^ I - ^ ^ l = 58.10

[—T--r-* [—T--r-* ^ ' LmolJ Lmol.O

Tabel I I - 2

De reaktiesnelheidskonstante k en

frequentie-faktor k (X ) van de glucoseverademing in de

levende plantencel als funktie van de

hooi-temperatuur (Tg) en het hooivochtgehalte (X )

6 4 . 0 S6,0 4 8 , 0 40,0 3 2 , 0 24,0 ko( X ) - 1 3 . 5 0 10 ( X -Oi32) X KQCX ) . 1 2 , 0 5 10 .(X - 0 . 3 2 ) • 12 . o ko<X ) - 9.15 10 (X - 0 , 3 2 ) ,5" r "^fl gpz r mg C O ; 1 [ i t X i g DSuur J hooivochtholttt x*( f r a k t i * ) 0,20 0.40 0,60

Figuur I I - 4

0.80

De frequentiefaktor k (X ) als funktie van het

hooi-vochtgehalte (X ) . (Uitwerking metingen E. Zimmer

(lit. II-9)).

, T = 278 °K ; X T = 288 °K ; o T = 2 9 8 K

s ' s s

28

-Uit de waarden in tabel II-2 blijkt, dat k (X ) enigszins temperatuur-afhankelijk en een sterke funktie van het vochtgehalte is. Het verband tussen k (X ) en het vochtgehalte (X ) is lineair zoals in de figuur II-4 is te zien. Aangezien de aktiverginsenergie (E) onafhankelijk van het vochtgehalte is (zie figuur II-3) is de invloed van water op de reaktiesnelheid van de ademhaling. niet katalytisch van aard; slechts de frequentiefaktor k (X ) of wel de botsingskans wordt groter bij

toenemend vochtgehalte X .

Bij analyse van de literatuurgegevens blijkt dat de frequentie-faktor, k (X ) , over het beschouwde T- en X -gebied goed benaderd kan worden met de formule:

k^(x'*,Tg) = (84,4 - 0,253 T ^ ) . (x"* - 0,32).6,3. lo'^ (2-6) (X in fraktie uitgedrukt)

Op grond van de reaktievergelijking (2-3) kan nu ook de warmte-produktie tijdens de ademhaling als funktie van de temperatuur (T ) en het vochtgehalte (X ) berekend worden. ,

Per geproduceertl mol CO komt -^ . 2,835.10 [j]= Q vrij . De warm-teproduktie q fw.kg (D.8)1 is dus: q^ = Q.k' = Q.6,3.10"^ . k (2-7) waarin: mol.CO, k' = reaktiesnelheidskonstante in ^—,^ _. • L kg(D.S)s J r mg CO^ -,

L100 g (D.S) uur J

mg CO^ reaktiesnelheidskonstante in[

zodat we door kombinatie van E = 13,8 — : J — met vgl. (2-4), vgl. (2-6) en vgl. (2-7) vinden voor de algemene vergelijking van de enzymatische warmteproduktie q (W.kg ^.D.S)):

f k c a l ] ^

— r - met

Lmol. J. ., .

_vergelijkir

3

q„ = 0,472.10^.(84,4-0,253 T ).(X*-0,32).6,3.10^ . exp[^'g^ ^' J

^ mol C0„ ' • s

r _ W _ l or—:^^ 1 k * r = - ]

Boltzmann-Lkgos-I ^ l m o l . C 0 2 J o.X [ k g ^ p g ^ - s j ^^^^^^

(2-8)

terwijl voor:

X* < 0,32 geldt: q^ = 0

hooi

vocht

gehalte

x*

0,80

U,70

0,60

0,50

0,40

hooitemperatuur T |_ kJ

278

k' = 5,23.10"^

q^ = 2,47(2,59)

k' = 4,09.10~^

q^ = 1,93(2,06)

k' = 3,97.10~^

q^ = 1,40(1,52)

k' = 1,89.10~^

q^ = 0,89(0,97)

k' = 0,82.10"^

q^ = 0,39(0,43)

288

k' = 9,76.10"^

q^ = 4,62(5,09)

k' = 8,51.10~^

q^ = 4,02(4,03)

k' = 6,30.10~^

q^ = 2,97(2,97)

k' = 3,97.10~^

q^ = 1,87(1,91)

k' = 1,70.10"^

q^ = 0,80(0,85)

Reaktiesnelheidskonstante k' in -^—

,'

„f

Lkg(D.S)sJ

warmteproduktie q inlw.kg .(D.S)J

298 1

k' = 18,90.10"^

q^ = 8,92(8,95) 1

k' = 15,10.10~

q^ = 7,14(7,09)

k' = 11,20.10"^

q^ = 5,30(5,22)

k' = 7,19.10~^

q^ = 3,39(3,36) 1

k' = 3,46.10"^

q^ = 1,64(1,49)

De getallen tussen

haakjes zijn bereken-i

de waarden van q^p

m.b.v. formule (2-8)

Tabel II-3

De reaktiesnelheidskonstante k' en de warmteproduktie qm van de

glu-cose verademing in de plantencel, als funktie van hooitemperatuur

T en hooivochtgehalte X .

Op grond van de metingen van Zimmer (lit.II-9) betreffende

C0--produktiesnelheid als funktie van de hooitemperatuur (T ) en het

hooi-vochtgehalte (X ) zijn nu de warmteprodukties (q„) m.b.v. vgl. (2-7)

berekend. De resultaten staan in tabel II-3, als ook in figuur II-5 en

II-6 weergegeven.

30 4 . 0 2 . 0 -0.0 1 warmttproduhtic . " T C ^ ' - O D S ] " ~ ~ -1 1 ' 1

/

•

, ^ - '

' /

. / / /

. / /

/ . /

/

v > ^

1 1 1 1 • X « • 1 1 ' 1 ' T , . 5 ' c l uitwerking mtting«n Tj . 15 'C ^ E Zimm«r (1967 ) Tj . 2 5 1 : lit ( 1 1 - 9 ) b€rak«nd met t ( 5 r m u l « ( I I - 8 ) ' ~ -^ hooivochtgahalta x " ( f r a k t i « ) 1 1 1 1 0,00 (;20 0,40 0 ^ 0 0,80 Figuur II-5 1,20

Enzymatische warmteproduktie (q^) L^-^goS -I in hooi als funktie van het hooivocht-gehalte (x"*).

31 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 • X . 0 . 8 0 X x ' . 0,70 u i t w a r k i n g m e t i n g a n ^ • ^ Q g Q ^ E Z i m m a r ( 1 9 6 7 , l i t l I - 9 ) » X . 0 . 5 0 O X . 0 , 4 0 . ; % b8r«kend m a t t o r m u l s ( n - B ) wormtcproduktia hooi t e m p « r a t u u r 0 10 20 30

Figuur I I - 6

Enzymatische warmteproduktie (qx') Lw.kgpjcjin hooi als funktie van de hooitemperatuur (Tg).

32

-Tevens zijn m.b.v. de benaderingsformule (2-8) de warmteprodukties (q^)berekend en in de tabel (II-3) als getallen tussen haakjes opgeno-men .

In de figuren II-5 en II-6 zijn de berekende waarden eveneens weer-gegeven.

Hieruit blijkt, dat de formule (2-8) voor niet te lage temperatu-ren een goede benadering van de warmteproduktie (qx') als funktie van de hooitemperatuur (T ) en het hooivochtgehalte (X ) geeft.

2.2.3 Konk1usies

1. Uit de metingen van de CO„-produktie snelheid t.g.v. de enzy-matisch geregelde ademhaling in de plantencel, uitgevoerd door Zimmer (lit. II-9) - en in overeenstemming daarmee door Ban-thien (lit. II-8) en O'Callaghan (lit. 11-10) - blijkt, dat de normale glucose verbranding ook in de afgesneden Stengels behouden blijft.

2. Op grond van een eenvoudig reaktie-kinetisch model is het mo-gelijk, om uitgaande van de metingen van Zimmer, een mathema-tisch verband tussen de enzymamathema-tische warmteproduktie (adem-halingswarmte) q„[W.kg (D.S)], het hooivochtgehalte X en de hooitemperatuur T af te leiden (vgl. 2-8).(voor T > 5 C en

X * >_ 0.32). ® ^

3. Uit dit resultaat volgt, dat in hooi met een vochtgehalte X < 0,32 geen enzymatische warmteproduktie plaatsvindt (fig. II-5).

4. De invloed van het vochtgehalte X op de C0„ produktiesnelheid - en daarmee op de warmteproduktie - is niet katalytisch van aard, aangezien de aktiveringsenergie E niet en de frequentie-faktor k'(X ) (botsingskans) wel afhangt van het vochtgehalte X*. (fig? II-3 en II-4).

5. De thermische d e n a t u r a t i e van de ademhalingsenzjraien i s t u s s e n

45 en 50 C v r i j w e l v o l t o o i d , t e r w i j l reeds vanaf c a . 30 C

d e n a t u r a t i e merkbaar w o r d t .

Dit betekent, dat het hierboven beschreven warmteproduktiemodel, zoals dat is samengevat in vgl. (2-8) slechts tot 30 C volledig opgaat.

2.3 Mikrobiologische warmteproduktie 2.3.1 Inleiding

Bij de groei en vermenigvuldiging van mikro-organismen worden be-paalde voedselbronnen (substraten) als bouwstenen en energieleveranciers gebruikt.

Bij deze processen komt een overschot aan energie vrij, welke als warmte aan de omgeving wordt afgestaan: mikro-biologische warmteproduk-tie. Bij deze mikrobiele groei en vermenigvuldiging zijn de belangrijk-ste parameters:

1. de voedingsbodem (substraatsamenstelling)

2. de zuurstofbehoefte: fakultatief of obligaat aeroob fakultatief of obligaat anaeroob 3. de temperatuur (T )

4. de zuurgr-iad (pH)

5. de wateraktiviteit (a^^ ~ p ^ c.q. de evenwichtsrelatieve lucht-vochtigheid (R.V. = i— . 100%), welke via de dampdrukisotherm afhangt van het vochtgehalte (X ) van de voedingsbodem

6. soort mikro-organisme (gist, schimmel, bakterie) en in samen-hang hiermee de wederzijdse beinvloeding door de verschillen-de mikro-organismen.

Op de invloed van elk van deze grootheden zal nu kort ingegaan worden. Daarna is het mogelijk om aan te geven onder welke konditities de

warmteprodukties t.g.v. mikrobiele aktiviteiten in hooi maximaal zullen zijn. Dit is van belang bij de juiste opzet van de experimenten, aan-gezien de interesse vooral uitgaat naar de maximale mikrobiele warmte-produktie.

1. De voedingsbodem (substraat)

Het onderzoek blijft beperkt tot hooi, dat zonder broeiverlie-zen gemiddeld genomen de samenstelling heeft zoals in tabel II-4 is weergegeven (wat belangrijkste komponenten betreft). Naast de altijd aanwezige mineralen, spore-elementen en vita-minen is hooi (c.q. gras) een zeer rijke voedingsbodem voor zeer veel soorten mikro-organismen.

De aerobe mikro-organismen verkrijgen hun energie (t.b.v. instandhouding en de opbouw van nieuw materiaal) door de oxy-datieve afbraak van hexosen (glucose, fructose e.d.) via de citroenzuurcyclus.

Bij deze afbraak komt dezelfde netto-energie vrij als bij de verbranding van hexosen zoals weergegeven is in vgl. (2-3): Wiley (lit. 11-25)

34 - hydro-lyserend enzym u en 6 amylase maltase cellu-lasen

protea-sen

polymeer type a,l-4,D

Yl2°6

glucose e,1-4,D C6H,206 glucose amino zuren % van D.S

5

15 20

35

13

12 ... . . - . — samenstellend bestanddeel glucose koolh. I frutose „_„ T (in

cel-, 20% amylose ^ zetmeel o„„ •'^ . ^. plasma

80% amylopektme'

cellulose koolh. II hemicellulose

(celwan-den) eiwit

as, Zand ed. vaste on- verteer-bare be- standde-len

v o c h t g e h a l t e X in g r a s : c a . 0,80

i n hooi : 0,10 - 0,30

t a b e l I I - 4

chemische samenstelling (gemiddeld) van hooi en gras (zonder broeiverliezen)

Bij materiaal als hooi worden de hexosen door hydrolyse gevormd uit de a-1,4 en B-1,4 polymeren van D-glucose;

enzym

( C ^ H J Q G ^ ) . nH^O ^ nC^H,20^

n

polymeer water hexose

De hydrolyse van zetmeel tot glucose vindt plaats m.b.v. de enzy-men a- en 0- amylase en maltase. Vele schimmels en bakterien bezitten deze enzymen, o.a.:

- de schimmels : Aspergillus. oryzae, A. niger en A. wentii (aeroob)

- de bakterien : Bacillus macerans, B. polymyxa, B. subtilis, (aeroob) B. stearothermophilis, Escherichia coli. De hydrolyse van cellulose tot glucose vindt plaats met de en-zymen cellulasen, die door vele schimmels en bakterien gepro-duceerd worden, o.a.:

- schimmels (aeroob): A, fumigatus, A. nidulaus,

- bakterien (aeroob): bakterien uit de groepen: myxobacteria-ceae

: cellvibrio - bakterien (anaeroob): Clostridium thermocellum, Cl.

cello-bioparum

Vele van de bovengenoemde mikro-organismen bezitten enzymen (proteasen), waarmee ook de eiwitten gesplitst kunnen worden tot aminozuren.

2. De zuurstofbehoefte

Bij de mikrobiele processen in hooibergen spelen normaal gespro-ken alleen de obligaat aerobe schimmels en bakterien een rol, zodat we ons daartoe zullen beperken.

3. De temperatuur van het hooi

De mikro-organismen hebben een nauw begrensd temperatuurgebied waar binnen zij optimaal groeien en een maximale temperatuur waarboven geen groei mogelijk is.

Op grond van deze eigenschappen kunnen we in hooi globaal twee verschillende groepen van aerobe mikro-organismen verwachten

(zie ook tabel II-5 naar D. Knosel, lit. 11-16):

- mesofiele mikro-organismen : schimmels; Bacillus subtilis; optimale temperatuur: ca. 30°C Eschenichia coli o.a.

maximale " : ca. 40°C

- thermofiele mikro-organismen : Bacillus stearothermophilis, optimale temperatuur: ca. 55 C Bacillus coagulans, o.a. maximale temperatuur: ca. 75 C

4. De zuurgraad (pH)

De mikro-organismen hebben eveneens een beperkt pH-gebied,

36

h o o i v o c h t -g e h a l t e ( • / . ) 130,0 X 1 0 0 , 0 6 6,7 4 2,9 2 5 0 11,1 P 6 0 « X - 5 0 - 4 0 - 3 0 - 2 0 - 10 0 2 0 4 0 6 0 8 0 100 ^ ^ rel. l u c h t v o e h t i g -heid(R.V.)

Figuur II-7

Desorptie- en adsorptie-isothermen van gras en hooi (Naar

I.K. Tuncer et al., lit. 11-11)

0

I

Bac c a r e u s vor mycoidcs Bac pumilus Bac subtths Bac licheniformis Bac b r e v i s Boc coagulans Bac stcarothtfrmophMus Tharmoact thalpophiJus Thermomon c u r v a l o Tharmomon lineala Asp f u m i g a t u s Hum lonugtosa 20 1 1 1 "';r'Ji I ,,.. 1 Tabe 1

s

1 1^ T^n 1 4 0 1 HCH tviii —^ - ^ = ii'iiii 6 0 1 1 r=D _ , , • f - ^ 1 ^ - : : ; : Tmi • u

e=

1 J ^ nw^BMumTT' I I - 5 1 " : : 1 M"!m-'•••!!' T — 1 Ifllffilll!! 8 0 'C

De verschillende mikro-organismen voorkomend in hooi

en hun temperatuurafhankelijkheid.

Voor de aerobe mikro-organismen in hooi voorkomend ligt deze pH tussen 6 en 7.

De wateraktiviteit a = -'-— w pv

Voor de werking van enzymen - dus ook voor de groei van mikro-organismen - is de aanwezigheid van x'ater essentieel.

Dit betekent, dat de mikro-organismen slechts kunnen groeien boven een zekere relatieve vochtigheid (PwV.) van de lucht. Voor schimmels (bijv. A. niger) is de minimale R.V. = 70%,

terwijl het optimum voor de groei tussen de 90 en 100% R.V. ligt. Voor bakterien (bijv. Bacillus-soorten) is de minimale R.V.

- 90%, terwijl het optimum voor de groei ligt tussen 95 en 100% R.V. In een stapeling hooi (of gras) hangt de relatieve vochtig-heid van de lucht (R.V.) af van het vochtgehalte (X ) in het ma-teriaal via de desorptie-isotherm (bijdrogen) dan wel via de adsorptie-isotherm (bij bevochtigen).

Dit verband is voor gras weergegeven in figuur 2-7. Het minimum voor de groei van schimmels ligt dus voor een temperatuur van 30 C bij een vochtgehalte in het materiaal van X = 23%, terwijl voor bakterien bij die temperatuur het minimum ligt bij X > 36%.

Tijdens opslag bij een temperatuur van 15 C is hooi (doordat adsorptie van water op Itan treden) eerst langdurig bestand tegen schimmel-groei bij een vochtgehalte X < 15% (X < 1 8 % ) .

Soort mikro-organisme, onderlinge wisselwerking

De in dit onderzoek bestudeerde processen spelen zich af in (geventileerde) hooibergen.

Hoewel zuurstofdepletie kan optreden, zijn volledig anaerobe kondities bij temperaturen tot ca. 75 C onwaarschijnlijk,

al-thans voor hooibergen met een centraal ventilatiekanaal . Aan-gezien de melkzuurgisting in hooibergen zelden voorkomt, blijft de zuurgraad op een pH 6 .a 7.

De te verwachten mikro-organismen, welke vera"twOordelijk zijn voor de mikrobiele warmteproduktie zullen daarom hoofdzakelijk behoren tot de groepen van schimmels (vnl. A. niger) en aerobe bacillussoorten, zie ook tabel II-5, o.a. B. subtilis, B.

stearothermophilus, B. coarulaus), De wederzijdse beinvloeding van de verschillende mikro-organismen is vooral thermisch van aard: de warmte geproduceerd door de groei van mesofiele bak-terien en schimmels doet de temperatuur van het hooi stijgen tot ca. 40°C.

Bij deze temperatuur wordt de thermofiele groep bakterien aktief en doet de hooitemperatuur verder stijgen tot ca. 75 C, waardoor de mesofiele groep afsterft (zie ook fig. II-l).

38 -2.3.2 Exgerimentele_o£zet

bit de voorafgaande inleiding van deze paragraaf volgt, tlat de te kiezen meetopstelling ter bepaling van de maximale mikro-1iclogische warmteproduktie moet voldoen aan de twee voorwaarden:

1. de mikrobiele aktiviteiten moeten in een temperatuurgebied van 20-75°C gemeten worden.

2. de mikrobiele aktiviteiten moeten onder aerobe kondities wor-den gemeten.

3. de mikrobiele aktiviteiten moeten in een temperatuurgebied van 20-75°C en bij een relatieve vochtigheid (R.V.) van de

lucht van 99-100% gemeten worden

Deze beide voorwaarden impliceren, dat tijdens het experiment met water-damp verzadigde lucht van de hooitemperatuur kontinu door het hooi ge-leid moet worden.

De in de literatuur (lit. II-5, II-6, 11-13, 11-14) beschreven meetmethoden ter bepaling van warmteprodukties in vaste, poreuze ma-terialen kunnen verdeeld worden in drie typen:

1. direkte warmteproduktie metingen onder adiabatische kondities

2. isotherme 3. indirekte " " gebaseerd op reaktiekinetische

metingen (meestal isotherm)

In dit onderzoek werden voor de metingen van de mikro-biologische warmteprodukties opstellingen gebouwd gebaseerd op respektievelijk het

adiabatische en isothermische meetprincipe. Deze beide meetopstellingen zullen nu in het kort worden toegelicht.

A.

De adiabatische reaktor

Hierbij wordt de weerstand voor warmte-uitwisseling tussen reaktor-inhoud (hooi)en de omgeving in feite oneindig groot gemaakt. Het ge-volg is, dat alle geproduceerde warmte benut wordt voor het homogeen op-warmen van de reaktor met inhoud. Onder adiabatische kondities kan men dus spreken van een uniforme reaktortemperatuur en derhalve vati een homogeen warmteproducerend monster hooi. Dit is essentieel zoals later zal blijken. De warmtebalans luidt dan:

•^•^s r -1 n

S.R^dT^ = ^(T) [w-kg 'DSJ (2-9)

Hierin is:

C „ = soorteliike warmte van reaktor met inhoud p,R

39

-n

i t - :

_>

i .i^"

"U

E |"n

LJ:

•^Tlfl

w o t c r s t r a a t pomp gasanalysc

T

condanswQter 1 compressor 2 olie of l u c h t f i l t e r 3 r s d u c e e r v s n t i e l 4 afsluiter 5 r o t a m a t e r f L 1561) 6 w o t c r k o l o m m e n ( 3 X ) 7 w a t a r k o l o m e lage kolom 9 i u c h t v c r d e l e r 10 d n e w e g k r o a n 11 condensvat 12 r o t a m e t e r ( L-1439) 13 ontluchting 14 r o t a m a t e r ( L 2619) 15 r e d u c e e r v a n t i e l 16 stikstof bombe 17 w a t e r k r a o n 18 f i l t e r t j e s 19 stalan binnenvat 20 O a w a r v a t (401) 21 v a r w a r m i n g s d r o a d 22 v e n t i l a t o r 23 w o t a r k o e l e r 24 l u c h t v a r h i t t a r 25 olummium binnenvat 26 isolotie( Polykon FR) ( 1 5 0 m m )

Figuur II-8A

De meetopstelling, adiabatische reaktor, ter be-paling van de mikrobiologische warmteproduktie.

40

-blokschema

- ©

l-

€)

Figuur I I - 8 B

{

temperatuur-meting , |van de adiabatische temperatuur-regeling

reaktor (nummers corresponderen met die in fig. II-8A)

[x"*.c_

_

_ + (1-X'*).C

P,w ^P,R (1-X*)G,

,,v

K '

"R

[

q. , = warmteproduktie

C^ = warmtekapaciteit van de reak R

J . k g " ' . ° C ' ] (2-10)

[w.kgDS1

C = soortelijke warmte van water = 4,2.10 .Lj.kg_ . C_ J C = soortelijke warmte van droge hooivezel= 1,27.10 [j.kg „. C J G^' = gewicht van het vochtige hooimonster [kg ]

n

Uit de gemeten temperatuur (bijvoorbeeld de centrumtemperatuur) (T ) als funktie van de tijd (t) kan men dus bij bekende C uit de hel-ling van deze kromme de warmteproduktie als funktie vaA de temperatuur

(T ) en de tijd (t) berekenen. In figuur tt-8A,B is de gebruikte opstel-ling van de adiabatische reaktor schematisch weergegeven.

Door de volgende voorzieningen wordt bereikt, dat de warmteuitwis-seling tussen reaktor met inhoud en de omgeving minimaal gemaakt wordt (voor schatting van warmteuitwisseling, zie appendix A - 3 ) .

1. De eigenlijke reaktor is een 40 1. Dewarvat (20), voorzien van een geisoleerd deksel.

2. Het stalen vat (19), waarin de Dewar (20) staat, wordt m.b.v. een elektronische regeling (zie figuur II-8B) zodanig elek-trisch gestookt (21), dat de temperatuur (T„) van dit vat (19) tot op een 0,1 C nauwkeurig de reaktortemperatuur (centrum) (Tj) volgt.

3. Dewar (20) en stalen vat (19) zijn geplaatst in een aluminium buitenvat (25), dat voorzien is van een 150 (mm) dikke laag thermische isolatie (polykon F.R., X = 0,02[^W.m . C J. De lucht tussen het aluminium (25) en stalen vat (19) wordt met de ventilator (22) rond gepompt, waarbij de lucht de

luchtverhitter (24) passeert.

Op deze wijze wordt de temperatuur van de lucht binnen het aluminium vat (25) op enkele tienden C verschil van de reak-tortemperatuur gehouden.

4. De mikrobiele warmteproducerende reakties zijn aeroob. Ten-einde zuurstofdepletie in het monster te voorkomen werd daar-om tijdens het experiment kontinu lucht doorgeleid met een zo-danig debiet, dat de uitkomende lucht mdnimaal 20 vol.%

0-bevatte. ' — -^

Deze lucht, geleverd door de kompressor (1), passeerde een stof- en oliefilter (2), de regelkranen (3) en (4), de rota-meter (5) om vervolgens met waterdamp verzadigd te worden in

drie in serie geschakelde waterkolommen (6) binnen het buiten-vat (25).

42

-Tot slot passeerde deze lucht een binnen het stalen vat (19) ge-plaatste vierde waterkolom (7) en een lege kolom (8) plus filters

(18) (om waterdruppels tegen te houden).

Aangezien de temperatuur van het binnenvat (19) maximaal 0,1 C van de reaktortemperatuur afweek, was de lucht bij passage door het monster nagenoeg 100% met waterdamp verzadigd.

Warmte-effekten t.g.v. verdamping of kondensatie van water in de reaktor, welke eventueel van invloed zouden zijn op het (T -t)-verloop, werden op deze wijze tot een minimum (zie appendix VIII-4) beperkt.

B.

De isothermische reaktor

Aan de hand van de door Rothbaum (lit. II-6) beschreven isother-mische reaktor ter bepaling van aerobe mikrobiologische warmteproduk-ties, werd voor dit onderzoek een gewijzigde en verbeterde versie van dit apparaat gebouwd. Het meetprincipe is als volgt: (zie figuur II-9) • De reaktor (4) is een dubbelwandige glazen bol. Deze is gevuld met hooi

(5) en bevindt zich in een oliethermostaat (3) .

In het hooimonster bevindt zich ca 30 m zo homogeen mogelijk ver-deeld, geisoleerd weerstandsdraad (diameter: 0,5 mm, koper) aangeslo-ten op een voedingsapparaat (7).

Een stikstofstroom~a.asseert een debietmeter (1), zes in serie ge-schakelde waterkolommen.^'';, welke in het oliebad geplaatst zijn, en treedt vervolgens met waterdamp verzadigd de reaktor (4) binnen. Met het voedingsapparaat (7) wordt een vermogen (1 tot 3 watt) via de kope-ren weerstandsdraad (6) aan het hooi afgegeven.

In de stationaire toestand wordt het temperatuurverschil AT = (T]-T2) tussen de centrumtemperatuur (T,) van de reaktor en de thermos-taattemperatuur (T2) afgelezen.

Een ander vermogen wordt ingesteld en het bijbehorende tempera-tuurverschil wordt genoteerd.

Op deze wijze wordt een ijkgrafiek van het vermogen P[w] tegen het temperatuurverschil AT = (Ti-T2)(°C) opgemeten, de ijklijn is uiteraard een rechte gaande door de oorsprong indien geen warmteverlies t.g.v. verdamping optreedt (zie appendix A - 4 ) .

Vervolgens wordt de stikstofstroom vervangen door eenzelfde debiet aan lucht en het temperatuurverschil AT„ = (T.-T2) in de stationaire toestand gemeten.

Uit de ijkgrafiek P(AT), welke voor elke temperatuur van het olie-bad opnieuw wordt bepaald, leest men dan de mikrobiologische warmte-produktie in ^ W ] af.

De aangebrachte verbeteringen in de meetopstelling t.o.v. die, welke door Rothbaum (lit. II-6) werd gebruikt, zijn:

( s t i k s t o f ) ^^-^

1 dabiat meter (lucht, No ) 2 luchtbevochtigers(6stuks) 3 ohe thcrmostoot 4 dubbalwondige.bolvormige raaktor volume 2,170 K?"* [m^ ] ^in 16,06 10 [ m ] <t>uit •'Q.OO lO [ m ] dubbelwand vakuum gazogen 5 hooimonster

8

gaisolaerde koparen weerstandsdraad lengta 30 [ m ] (f 0,5 10 [m] voedingsapparaot Philips PE 4816 35V/3A poramagnetische O2 conccntraiiemete Servomex OA-150 9 zeepvliesmeter 10 odefilter T.Jp Cu/Co thermokoppcl Figuur II-9

Schema van de meetopstelling: isothermische reaktor,

44

-1. Bolvormige i.p.v. cylindervormige reaktor, d.w.z. alleen nog radiale warmtetransport t.o.v. radiale + longitudinale warmtetransport bij de cylindergeometrie.

2. Reaktorwand is dubbelwandig en vakuum uitgevoerd. Hierdoor wordt bereikt, dat de weerstand voor warmteoverdracht geheel

in de wand - en niet in het hooimonster - gelokaliseerd is, zodat het monster een uniforme temperatuur bezit.

2.3.3 Meetresultaten_en diskussie

In figuur 11-10 is voor twee experimenten het in de adiabatische reaktor gemeten temperatuur (T ) - tijd (t) verloop als gevolg van de mikrobiologische warmteproduktie in hooi weergegeven.

Bij experiment (I) werd het hooimonster m.b.v. een homogeen ver-deelde, geisoleerde verwarmingsdraad langzaam opgewarmd tot een start-temperatuur T = 27,6rCjom vervolgens zonder verwarming verder in temperatuur te'stijgen.

Bij experiment (II) werd geen opwarming toegepast en was de start-temperatuur T = 20,7lrC.]

s,o

Het gemeten temperatuur-tijdverloop was voor beide experimenten niet identiek. Dit was ook niet te verwachten, aangezien het bij exp.

(I) gebruikte hooi veel verser was dan dat bij exp. (II).

Uit de metingen, weergegeven in figuur 11-10, werd de warmte-produktie (q in W per kg droge stof) berekend volgens vergelijking 2-9. Deze is als funktie van de tijd (t) in figuur 11-11 en als funktie van de temperatuur (T ) in figuur 11-12 weergegeven.

In de figuur 11-12 zijn tevens de meetresultaten zoals die ver-kregen zijn bij de experimenten met de isothermische reaktor, alsmede verschillende literatuurgegevens weergegeven.

Uit figuur 11-12 blijkt, dat vooral in het mesofiele gebied nog-al wat spreiding in de grootte van de warmteproduktie (q ) op kan tre-den, waarschijnlijk doordat in de onvolledig afgestorven plantencellen tevens de in hoofdstuk 2.2 besproken enzymatische warmteproduktie op kan treden. In het thermofiele gebied is de onderlinge spreiding be-duidend kleiner: bij deze temperaturen is de ademhaling van de planten-cellen dan ook volledig gestopt (zie hoofdstuk 2.2).

t

In figuur 11-13 is de integrale warmteproduktie / q.dt als funk-tie van de temperatuur (T ) uitgezet. 0 Het resultaat is voor beide experimenten een rechte met de helling: 0,129.10 [j.kg . C J, de afwijking van het ideale adiabatische ge-drag is maximaal 2,5%.

45

-6S 6 0 52 4 4 36 28 2 0

-—

'

/

-• hooitemperatuur y/^

i /

/

/

1 / /

/ /

/ / ^...'-'^^^ / 1 ^ j /• j /•

/ ^

/ /

/ /

/ /

/ / ' — ^^^ A

/ ' „ > adiabatische reaktor( hooi) / / . . . exp nf / ' / / / / / / ' / / / / / ^ t i j d / t[min] 1 1 1 1 1 1 1 1 i ) 400 600 1200 1600

Figuur 11-10

Temperatuur (T )-tijd (t) - kromme voor

adiabatische zelfopwarming van hooi.

46 -16 14 12 10 8 6 4 2 0

V

-J

"

'

/ f 1 1 1 1 ' 1 warmteproduktie A 0T['*"<9DS]

'

\

i

1

/ \ \ / \

/ \ ' \ /

' \ ^ /

' \ ^ /

\

^/

\ /^

_{\ / ^}

\ / "*

— tijd ^ " t[mlnj I . I . I ' [ e x p r e x p n

\ /

\ /

\ /

\ /

\ /

\ /

\ /

\ /

_\/

\

. \

' 1 ' > adiabatische raaktor ( h o o i ) ^' '"> 1

\

\

\

\ -\

\

1 1 1 0 800 1200 1600 2000 Figuur II-l1 Warmteproduktie (qx;)-tijd(t)-kromme zoals berekend uit fig. (11-10)

16 14 12 10 8 6 4 2 0 1 — warmteprotjuktie ' ' T [ * - ' * 9 D S ]

_

-/ -/ / / / / _ / /

/

_/ 1

.

i

/

/

/

o

/

/

mcsof 1

/

/

el

/

/

/

z m 1 1 ' 1 ' .^^ t i l t y \ ond«rzo«k A — O^ \

^ \ \

\ \

\ \

^ " - • ^ ^ N \

A

\ \

\

\

\

\

hooitemperatuur "^ ^ • " T.[-CJ 1 1 1 1

{•:-o

•

«

a

\\

\

/ \ ~o \

\ ' ^ ' ' ^ L adiabotische reaktor (hooi) / axp tt

oxp isotherm reaktor ( hooi) Rothbaum, wolexp (lit D - 6 )

^ .. —- glucosemadium —- . . — hooiexp ( I T - 5 ) C a r l y l « * N o r m a n , stroexp ( n - 1 5 )

*/'

/ °

\ \

1 / » \ ^ / tharmofisle \ \ / mikroorganisman ^,^ \

^^^

^

1 1 1 1 1 A 0

-\

-\

H 2 0 44 52

Figuur 11-12

Warmteproduktie (q„)-temperatuur (Tg)-kromme zoals berekend uit figuur (11-10).

Tevens zijn metingen uit literatuur weergegeven. Tevens zijn metingen isothermische reaktor op-genomen.

48 -8,0 7 0 6,0 5 0 4,0 3,0 2,0 1.0 0 - integrate warmteprotjuktie t - r " 5 -1 1 _{J q d t [ l O J k g ^ j} 0

"

. - ^

y^^ ^^y ^ ^ A y 1 ^ ^ ^ y 1 1 '

^

^ ^ . ' - '

1 1 1

^

-'

1 ' 1 1 exp I exp n 1 ^ ^ 1 ^y^^ y""^ -^ - - • ' 1 1 |B | B ' , 1

^

. - ' ' ;

^ 1 ' !D ' 1 ! 1 1 1 1 1 i hooitemperatuur • ^s[-C] ] 1 i l l I

-^

"

-1 1 20 28 36 44 52 60 68 76 Figuur 11-13

Integrale warmteproduktie als funktie van de temperatuur, gemeten met de adiabatische reaktor (hooi).

^2 5 Exp. I : / q.dt = 0,129.10 (T -26,5)

•^1 ^

^2 5

Exp. II : ; q.dt = 0,129.10 (T -20,0)

gebied ABC (exn.II):/^^ q.dt = 3, 85. 1 0^ [j.kg'g ] mesofielenj ' c P _i ,

gebied A'B'C (exp.l):/^2 q.dt = 3, 30 . 1 0 [j. kg^^g J tj = 0 ^ ^ _ 1

t = t bij 1 rainimum van figuur (11-11)

gebied CDL (exp. II) :/j_^q . dt = 2, 1 5 . 1 0^[j.kgpg ] thermofielen | 1 r _,

^ gebied C'D'E'(exp.I) : ^^q.dt = 2,15.10 \i-^Z^^ J t,=t bij 1 minimum , -. ,^^ ,,N 1

1 ^.-^ -o . • >van figuur (11-11) t„=t bij 2 minimum

Uit figuur 11-12 volgt, dat het eer.ste minimum in de warmteproduk-tie voor experiment (II) ligt bij een ti'mperatuur T = 50 C en voor experiment (I) bij een temperatuur T = 52 C.

Het tweede minimum in de warmteprtiduktie ligt respektievelijk bij een temperatuur T = 66,5 C en T = 68.7 C.

In figuur 11-13 gcven de gebieden ABC en respektievelijk A'B'C' de vrijgekomen energie t.g.v. de aktiviteit van mesofiele mikroben aan, terwijl de gebieden CDE en respcktieveLijk C'D'E' de hoeveelheid vrij-gekomen enrgie t.g.v. de aktiviteiten van ihcrmofiele mikroben aange-ven.

Experiment I

— c L2 integrale warmteproduktie: ./' q.dt = energieir.houd

punt C : ?.30.10^ rLkg"!] mesofielen

punt E' : 2,15.10^ L " '^^ J thermofielen

mesofielen + thermofielen totaal : 5,'i5.10^

Experiment 11

integrale warmteproduktie: ' tj.iit = energieinhoud

^ 1

punt C : 3,85.10^ [j.!;!-.?,!] mesofielen punt E : 2,15.10 •- " ^^ thermofielen

totaal : 6,00. 10 " mesofielen + thermofielen De totale mikrobiele energieinhoud, welke bij broei kan vrijkomen, blijkt dus voor het onderzociite hooi te zijn: 5,5 a 6.10^ J.kg"' . Hierbij is de thermofiele energieinhoud een konstante:2,15.10^ [J.kg~T], terwijl de mcs"ofiele energieinhoud, welke vrij kan komen,

ligt tussen 3 en 4.10^ J-kg"' . Omgerekend naar de verbranding van koolhydraten betekent een vrijkomende energie van 5.5 a 6. 10-' J.kg"' dat reeds ca. 10% van de verteerbare koolhydraten uit hooi (zie ta-bel II-4) door mikrobiele aktiviteiten verbruikt zijn.

Uit de metingen van Rothbaun' (lit. II-5) blijkt, dat deze kool-hydraten overeenkomstig de bruto reaktievergelijking (2-3) verademd worden tot CO2 en water: zie figuur 11-14. Het verband tussen de ge-produceerde warmte en koolzuurproduktie tijdens de groei en ver-menigvuldiging van de mikro-organismen, zoals dat blijkt uit de me-tingen van C L . Cooney et al (lit. 11-17) en weergegeven in figuur 11-14, stemt ook goed overeen met de bruto reaktievergelijking (2-3).

50 -2.3.4 Konklusies

1. De mikrobiologische warmteproduktie in hooi kan veroorzaakt worden door een groot aantal aerobe mikro-organismen (zie

tabel II-5), welke voornamelijk behoren tot de schimmels van het geslacht Aspergillus en tot de bakterien van het geslacht Bacillus.

2. De schimmels zijn over het algemeen mesofiel met een tempera-tuuroptimum voor groei en vermenigvuldiging van ca. 400C en een temperatuurmaximum van ca. 50°C.

De bakterien omvatten zowel mesofiele als thermofiele soorten. De thermofiele bakterien hebben een temperatuuroptimum van ca. 60°C en een temperatuurmaximum van ca. 70°C.

3. De schimmels vereisen voor hun aktiviteiten een minimale R.V. van de lucht van 70%, terwijl het optimum ligt tussen 90 en

100% R.V.

De bakterien zijn eerst aktief bij een R.V. van de lucht van tenminste 90% en hebben een optimum voor hun aktiviteiten in het gebied van 95 - 100% R.v"^

4. De spreiding in de grootte van de warmteproduktie t.g.v. meso-fielen is groot en schommelt tussen 8 en 16 Cw.kgpgjen is maximaal bij 38 - 40OC.

De spreiding kan mede het gevolg zijn van de enzymatische warmteproduktie (zie hoofdstuk 2.2.3) als gevolg van onvolle-dig afgestorven plantencellen.

5. De grootte van de warmteproduktie t.g.v. de aktiviteiten van thermofielen vertoont een geringe spreiding met een maximum van 8 a 9 CW.kg"'] bij een temperatuur van 60 - 62'-'C (zie figuur 11-12).

6. Uit de hierboven beschreven experimenten, uitgevoerd in de adiabatische reaktor (figuur II-8) volgde op grond van de tijdsintegraal van de warmteproduktie:

/'%.dt [j.kg-']

dat:

1. de energie-inhoud t.g.v. de aktiviteiten van mesofiele organismen 3,30 a 3, 85. 10^[j.kgi:'] bedroeg.

mtkrobrotogische warmteproduktie (hooi)

r[kgDs]

• metingen Rothbc:-m ( lit D - S )

Iijn berekend op grond van oxydatiewormte van koolhydraten 4 7 3 r j S _ J _ ^ ] ( v g l D - 3) _ ] ( v

[mol CO2 I - - lijn overeenkomstig meetresultaten

tJraten 473P.

von C L Cooney et al (lit 11-17)

met 462 L mol O2 J CO2 -protJuktie r.A^ mol C O o l kg DS S

Figuur 11-14

Correlatie tussen CO„-produktiesnelheid (of 0 -verbruiks-snelheid) en de warmteproduktie (q ) t.g.v. mikrobiologische aktiviteiten in hooi. (Naar: H.P. Rothbaum, lit. II-5)

de energie-inhoud t.g.v. de aktiviteiten van thermofiele organismen een konstante waarde van 2,15.10 [J.kg~^]had

(figuur 11-13). =DSJ

Uit metingen van ^,7. Rothbaum (lit. II-5) en C L . Cooney et al (lit. 11-17) blijkt, dat de mikrobiologische warmteproduk-tie overeenkomt met een verbranding van koolhydraten volgens de brutoreaktievergelijking (2-3) (zie figuur 11-14).