Hoe kwantificeren ze geur?

Een heel simpel liedje over een best wel ingewikkeld onderwerp
Ik wil in dit artikel uitleggen hoe men geur kwantificeert. Dat blijkt in praktijk best wel een ingewikkeld onderwerp, vandaar dat het vaste programmaonderdeel van “Even Tot Hier” door mijn hoofd schoot. Doen ze overigens heel knap.

Directe aanleiding was dat ik, samen met de PS-fractie van de SP in gesprek ging met iemand van het Brabants Burgerplatform over de vergunning die Attero al had voor een nog te bouwen mestvergister op De Spinder in Tilburg-Noord (een bedrijventerrein waar al veel afvalverwerking zit, op een kilometer van de wijk Stokhasselt).
Nu sta ik in principe positief tegenover mestvergisting, mits het een en ander aan voorwaarden, terwijl ik tegelijk vind dat de veeteelt in Brabant kleiner moet, maar dat was de discussie niet. Wel of de milieuvergunning voor de te bouwen inrichting goed genoeg was. Ik vond dat die een te ruime range aan mogelijke geurproducties toe stond en dat vond de meneer van het Burgerplatform nog meer, dus  daarover gaan opnieuw vragen gesteld worden. In afwachting daarvan nu verder niet wat over dat onderwerp. Maar bij het doorploegen van de vergunning viel me weer op hoe ingewikkeld eigenlijk de geurwetgeving is.

Als die er überhaupt is. In het Activiteitenbesluit staat niet veel bijzonders en telt vooral de bepaling dat het bevoegd gezag het recht heeft (maar niet de plicht) om een geurbeleid op te stellen. Bij bijvoorbeeld De Spinder en het Helmondse BZOB-terrein  is de provincie bevoegd gezag, vandaar de bemoeienis van de PS-fractie. Bij bijvoorbeeld VION is de gemenete Boxtel bevoegd gezag ( zie VION heeft stank niet onder controle ).

Eerst wat geur is
Veel stoffen bestaan bij gangbare temperaturen in de gasfase of, geheel of gedeeltelijk, in de dampfase (de stof is dan vluchtig). De  moleculen bewegen dan kris kras tussen de luchtmolekulen door in een willekeurige warmtebeweging. Ze kunnen, al dan niet geforceerd, in het slijmvlies achter in de neus oplossen, waar cellen in zitten met haartjes, en op die  haartjes zitten eiwitten met een bepaalde vorm waar een molecuulgroep in past (bijvoorbeeld een thiolgroep, –S—H ). Als die thiolgroep zich aan een passend eiwit bindt, ontstaat er in de bijbehorende cel even een spanninkje en dat gaat naar de hersenen. Op dat moment ontstaat een geurgewaarwording (en bij thiolen is die heel erg – ethaanthiol geeft in heel lage concentraties een alarmgeur aan van zichzelf reukloos aardgas).
In een mensenneus liggen ongeveer 350 verschillende detectoreiwitten op ongeveer een miljoen cellen en binden verschillende chemische groepen in uiteenlopende mate. De –S—H groep kan aan meerdere eiwitten binden, en omgekeerd kan een eiwit meerdere groepen binden.  De hersenen achter die eiwitdragende cellen hebben geleerd welk patroon bij  een –S—H groep hoort, en dat noemen wij vanaf dat moment de geur van de –S—H groep.
Voor een geurgewaarwording is een minimum concentratie nodig, de geurdrempel – die in praktijk overigens nogal breed is, want je komt wisselende getallen tegen. De geurdrempel kan van stof tot stof zeer sterk uiteenlopen, bijvoorbeeld van rond de 33000 µgr/m³ voor ammoniak tot 0,5 µgr/m³ trimethylamine (ruikt heel sterk naar vis, liever gezegd, vis ruimt naar trimethylamine).

De binding van de moleculen aan de detector is zwak, want ze moeten uiteraard ook weer los. Anders blijf je de vislucht ruiken, ook als het trimethylamine er niet meer is.

Zuivere stoffen en mengsels
Er zijn stoffen die op zichzelf een krachtige geurindruk opwekken in de hersenen, zoals ammoniak (NH₃ ) en zwavelwaterstof (H₂S, rotte eierenlucht).

Maar meestal  gaat het om mengsels. Hierboven een kleine selectie uit de verschillende gassen in een varkensdekstal. Schiffman (2001) et al. kwamen op 324 gassen en vluchtige organische stoffen in een varkensstal .

Geur hoeft niet onaangenaam te zijn. De geur van pas gezette koffie bijvoorbeeld is een mengsel met een paar honderd componenten. Idem wijn.

Mensen kunnen in een orkest een viool van een hobo onderscheiden – de bouw van het oor leent zich daarvoor.
Ongetrainde mensen kunnen als regel geen deel-geuren analyseren. De stallucht is voor hen een slechts massief pakket.
Getrainde mensen kunnen in een aangenaam pakket (bijvoorbeeld wijn) wel deelgeuren onderscheiden (op zijn minst beweren ze dat).
Hieronder bijvoorbeeld een gaschromatogram van koffie uit Guatemala en Brazilië.

Analysetechnieken
Als de overheid de omwonenden van een mestvergister wettelijk wil beschermen tegen stank, moet dat op een of andere manier met een of enkele vaststelbare en reproduceerbare normgetallen.
En dan wordt de spagaat zichtbaar. Hoe doe je dat met ingewikkelde en in tijd en plaats variërende mengsels die mogelijk uit honderden stoffen bestaan? Je kunt moeilijk 300 normgetallen vaststellen die ook nog eens moeilijk optelbaar zijn.

Er zijn twee hoofdstrategieën. (I en II)

I . De ene is dat je probeert de afzonderlijke stoffen vast te stellen, liefst getalsmatig.

Een simpele is dat je een meetinstrument in de te meten lucht steekt. Je hebt goede gasdetectiemeters voor bijvoorbeeld H₂S. Bijvoorbeeld (ik heb er verder niets mee, en dit moet niet gelezen worden als een recensie) van Hatech op https://www.hatechgas.com/product/gasbadge-pro/ . Je krijgt een net getal op een nette schaal, maar dan alleen voor H₂S . Maar daarvoor bestaat geen buitenluchtnorm, wel een werknemersnorm van 2,3 mg/m3  (en een alarmfase als het in de buitenlucht een uur lang boven de 39 mg/m3 zit . En je hebt maar één stof op één plaats en één tijd. Eventueel monteer je het ding op een drone, maar het blijft beperkt.
Een ander detectiesysteem voor één stof is het alcoholblaaspijpje.

Een variant is de gaschromatograaf. Je hebt een buis met een actieve vulling langs de wand, je blaast een inert gas door met daarin het te onderzoeken mengsel, de vulling van de gaschromatograaf doet iets selectiefs dat voor de verschillende stoffen in het mengsel verschillend uitpakt, en de componenten verlaten de buis met een per component verschillende vertraging (de ‘retention time’) en worden op het eind gedetecteerd. Dat levert een strook papier of op de computer met (als je geluk hebt) één mooie piek per stof. Met ijken kun je proberen te achterhalen welke  stof  het is, en de omvang van de piek zegt iets over de hoeveelheid.
Op die manier komen de koffiepieken tot stand.
Aldus zeer simpel verteld, want het is een vak op zich dat nu te ver voert. Je hebt er een kast van een apparaat voor nodig en personeel wat er veel van af weet. Het is meer iets voor high brow productieprocessen dan voor metingen rond mestvergisters.
Maar dat laatste is wel eens vertoond voor wetenschappelijk onderzoek en dat krijg je onderstaand plaatje.

Het hoofdprobleem met het weten van de samenstelling van een mengsel is dat het leuk is voor de specialist, maar dat het publiek er niet wat aan heeft. De piekjes volgen uit de geur, maar het omgekeerde is niet waar. Staan er ergens een stel piekjes op papier, al dan niet beïnvloed door een norm die per definitie beperkt is, dan valt er vanuit die verzameling piekjes geen geur te voorspellen. De stoffen in een complex mengsel kunnen elkaars werking op onvoorspelbare wijze versterken of verzwakken.
Het  openbaar bestuur heeft er voor een vergunning voor een mestvergister niets aan.

II . Vandaar dat de wetgever er in de tweede hoofdstrategie überhaupt  van af ziet om zich druk te maken over de samenstelling. Hij adresseert het complete stinkende pakket als geheel.

Daartoe heeft de EU een nieuwe eenheid ontworpen, de European Odour Unit per m³ (OU_E/m³ ), per definitie de concentratie van een stof of mengsel, die 50% van de bevolking kan onderscheiden van een reukloze vergelijkstof (referentie, in de EU n-butanol, de grote broer van gewone alcohol). De ‘bevolking’ wordt in praktijk door een panel vervangen.
Men neemt, met grote voorzorgen tegen onbedoelde besmettting, een monster op de te onderzoeken plaats. Met een apparaat, een olfactometer, wordt dit monster volgens de regelen der kunst verdund totdat het panel, al snuivend, oordeelt dat het verdunde resultaat consistent door de helft van de panelleden geroken wordt. Als het oorspronkelijke monster 12* verdund is om aan de 1 OU_E/m³ te komen, dan was het oorspronkelijke monster12 OU_E/m³ .
Het monster wordt meestal genomen in emissie (bijvoorbeeld in en schoorsteen), omdat daar nog waarden heersen waaraan met verdunnen te meten valt (ze zitten een eind boven de 1). Dit gaat volgens  https://www.infomil.nl/onderwerpen/lucht-water/meten-en-rapporteren/meten-luchtemissies/l40-handleiding/ . In immissie (wat er in je neus komt) zijn de waarden vaak te laag voor deze methode. Meestal rekent men dan met verspreidingsmodellen (het Nieuw Nationaal Model, behalve bij boerderijen, dan V-stacks) uit wat de concentratie op bijvoorbeeld 500m noordoost zou moeten zijn.
Wat er in deze opzet precies stinkt, doet er dus niet toe.
Vervolgens wordt er een ‘hedonische factor’ aan gehangen. H = +4 als het uiterst lekker ruikt (jasmijn, mits met mate), H=0 is neutraal, en H=-4 is  vreselijk (rotte vis).
Vervolgens kan men van de OU_E/m³ en de H weer een combinatie maken, maar dan wordt het te ingewikkeld. Dat doet bijvoorbeeld de “Beleidsregel industriële geur Noord-Brabant” van de provincie – een relevant document, omdat de provincie voor veel stinkende inrichtingen bevoegd gezag is ( https://www.brabant.nl/actueel/regelingen/cvdr609684_1 )

En zo kon het dus gebeuren dat zes geijkte ambtenaren van de ODZOB (de Omgevingsdienst) in oktober 2015 wandelend over het Helmondse BZOB-terrein trokken, en daarna door de wijk Brouwhuis, om al snuivend vast te stellen dat Coppens (toen nog) en Den Ouden bij vlagen inderdaad stonken in de wijk.

Het is makkelijk lacherig te doen over dit systeem en inderdaad heeft het zwakten. De menselijke neus is maar beperkt gevoelig en er kan gewenning optreden, temperatuur en luchtvochtigheid hebben invloed, jong ruikt beter dan oud, en vrouwen ruiken beter dan mannen, vooral indien zwanger.  Desalniettemin is dit het beste systeem dat er nu is, en de basis van alle wetgeving.

De zwakste plek vloeit echter, zoals wel vaker, rechtstreeks voort uit de sterkste kwaliteit, namelijk dat het systeem werkt ongeacht de samenstelling van het mengsel. Bij een bestaande inrichting valt op deze wijze (min of meer) te meten, en daarna (min of meer) te berekenen wat het effect in de omgeving is.
Maar bij het opstellen van een nieuwe vergunning kan men niet terugvallen op een betrouwbare kennisbasis. Van mengsels waarvan de samenstelling niet bekend is, kan men moeilijk een bibliotheek met kengetallen opbouwen. Nog minder als de vergunning, zoals bij De Spinder, bij het terrein hoort en al opgesteld lang voor de eerste passant, die hem wil gebruiken, zich gemeld heeft.
In arren moede haalt men zijn kengetallen dan maar bij de vergunning van de veel grotere mestvergister op Chemelot (die uiteindelijk niet gebouwd is omdat de boeren op het laatste moment niet genoeg mest aanleverden), die op zijn beurt weer zijn cijfers haalde in Roosendaal (die ook niet gebouwd is) en bij Rendac (dat zijn zaken beter op orde heeft dan gemiddeld). Zo stapelt zich onzekerheid op onzekerheid en het resultaat is een wijde range van mogelijke OU_E /m³ emissies. Vervolgens kiest men stoer een waarde midden in de range en eist dat de exploitant zich daaraan houdt. Het was veiliger geweest als er een extra nabehandelingstrap geëist was.
Het wordt afwachten hoe dit gaat lopen.

Elektronische neuzen
Een veelzijdige moderne trend is die van de e-nose.

Met de e-nose keert men terug naar de oorspronkelijke architectuur van de menselijke neus, maar dan anders uitgevoerd.
De menselijke neus bevat een array aan cellen met trilhaartjes en receptoreiwitten waarop een patroon ontstaat, een afvoerende zenuw, een aan de reuk gewijd deel van de hersenen dat met natuurlijke intelligentie een veelheid aan zenuwprikkels omzet ineen geursensatie, die in het grotere geheel van de hersenen wordt opgeslagen en gekoppeld aan geheugen en handelingen.
De e-nose bevat een array aan kleine eenheden (bijvoorbeeld kleine transistors of geleidende polymeren of (nieuwste) nanomaterialen of zelfs natuurlijke eiwitten) waarop een patroon ontstaat, met een signaalafvoerend draadje, een neuraal netwerk dat met kunstmatige intelligentie een veelheid aan signalen in een herkenning omzet, en een nageschakeld systeem voor opslag en handeling (bivoorbeeld een display of een alarm).
Beide systemen moeten getraind worden (deze geur hoort hij jasmijn en dit patroon hoort bij ethanol). Waarschijnlijk kun je de e-nose ook wel trainen op varkensmest (duizend keer zeggen ‘dit is varkensmest’ en idem ‘dit is geen varkensmest’) of op trimethylamine.

De precieze uitvoering voert voor deze kolommen te ver. Zie eventueel https://en.m.wikipedia.org/wiki/Electronic_nose en https://en.m.wikipedia.org/wiki/Chemical_sensor_array  .

Het nieuwste product is de draagbare C-320 van Sensigent  (http://www.sensigent.com/products/cyranose.html ). Die werkt met bewerkte nanostructuren. Uiterst moderne techniek en de site lijkt er vooral op gespitst dat mensen hem niet lezen (rot-kleine lettertjes, veel gedreig met patenten, weinig informatie . Zal wle tegen de spionage zijn.) Iemand kon er negen soorten zieke vleermuizen mee uit elkaar houden.

Anderen hopen dat je er beginnende longkanker mee kunt ruiken of borstkanker, en het Ames Researhc Center van de NASA hoopt er een COVID-19 besmetting mee te kunnen ruiken. Zie https://www.nasa.gov/feature/ames/e-nose

Het is hele mooie techniek, maar in de context van dit artikel twee andere vragen, namelijk of de e-nose de wettelijke handhaving kan helpen, en of hij beleid en beheer kan helpen. Het antwoord op de eerste vraag is (tot nu toe) nee en op de tweede ja.

Ik heb nog geen e-noses in de literatuur gezien die absolute groottes uitbraakten (in de geest van ‘de benzeenconcentratie is 6,8µgr/m³ ). Wat wel kan is relatieve cijfers, bijvoorbeeld de verhouding benzeen-tolueen of toename of afnames van waarden.

Dit kan het beste geïllustreerd worden aan de hand van de Delftse start-up Comon Invent ( https://www.comon-invent.com/about/ ).
Comon Invent had een tijd lang 13 e-noses staan bij de waterzuivering van Den Bosch. Die is grondig vernieuwd en stonk. Een deel van die stank leek op bloemkool en dat bleek hardnekkig. Met de e-noses bleek dit deel van het stankprobleem terug te voeren op de luchtreiniging van de rioolslibvergister. Die wordt of is al aangepast.

De e-noses van Comon Invent worden massaal (254 stuks) ingezet in de Rotterdamse haven. Comon Invent heeft er een interface bijgemaakt (https://www.comon-invent.com/websuite/ ) met een stoplichtmodel. Groen is  normaal, geel een lichte verhoging van de sporengassen, oranje een duidelijke verhoging ene rood dat er echt iets aan de hand is.
Het geheel is in coöperatie met de DCMR, de milieudienst van de Rijnmond, ontwikkeld.

Wat er bijvoorbeeld mee kan is volgen waar een stankgolf beging en hoe hij verder trekt. Het systeem heeft niet in zichzelf juridische kracht, maar de DCMR kan bij de bron gaan kijken en dat kan wel juridische kracht hebben.

Ik besluit met een infographic van Port of Rotterdam.