АВТОМАТИЗАЦИЯ ФОТОБИОРЕАКТОРА

AUTOMATION OF THE PHOTOBIOREACTOR

Ekaterina Nazarova

2nd year student, BTS Department, Moscow Polytechnic University,

Russia, Moscow

Kamila Alieva

2nd year student, BTS Department, Moscow Polytechnic University,

Russia, Moscow

Yana Chistanova

2nd year student, BTS Department, Moscow Polytechnic University,

Russia, Moscow

Lidia Yermakova

Scientific adviser, Ph.D., associate professor of the CPD, Moscow Polytechnic University,

Russia, Moscow

Julia Kudryavtseva

Academic Supervisor, Lecturer, CPD, Moscow Polytechnic University,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматривается автоматизация домашнего фотобиореактора: комплектация, сборка электроники и принцип работы.

ABSTRACT

This article discusses the automation of a home photobioreactor: equipment, electronics assembly and the principle of operation.

Ключевые слова: фотобиоректор, хлорелла, ардуино, электроника, автоматизация, питание сети.

Keywords: photobiorector, chlorella, arduino, electronics, automation, mains power.

Хлорелла – род одноклеточных зеленых водорослей. При наличии соответствующих условий способна к быстрому росту, что делает её хорошим источником белка и витаминов как пищевой добавки.  В составе водоросли есть витамин А, B2, B3, железо, магний и цинк. Большую часть хлореллы составляют хлорофиллы, растительный пигмент зеленого цвета, без хлорофилла невозможен процесс фотосинтеза.

Одноклеточная водоросль хлорелла обладает рядом полезных свойств, что позволяет ее применять в различных областях промышленности, сельского хозяйства, медицине: Хлореллу широко используют в виде суспензии в сельском хозяйстве для производства кормов для животных. Это способствует увеличить привесы скота до 40% и сохранить поголовье животных до 99%. Этого достигают благодаря тому, что хлорелла обладает самыми высокими биологическими полезными свойствами, по сравнению с другими наземными или водными растениями.

Для того, чтобы вырастить хлореллу в домашних условиях понадобится фотобиореактор объемом 10 л и 600 мл хлореллы и 6 л питательной среды. Оптимальная температура культивирования составляет 28–30°С. При соблюдении этих условий хлорелла будет готова к использованию.

Почва обрабатывается суспензией перед посевом для активации почвенной микрофлоры. Обработка производится опрыскиванием на влажную почву из расчета 0,5 литра суспензии на 1м2 почвы. Процедура замачивания семян проводится в дневное время непосредственно перед посевом. Хлореллу разводят в теплой воде при температуре 15–20 °С. Суспензия применяется в чистом виде в период болезни культуры или разбавляется водой с целью экономии при регулярных обработках или поливе большой территории.

Фотобиореактор — это биореактор, в котором используется источник света для культивирования фототрофных микроорганизмов. Он состоит из: аквариума, аэратора, лампы. Микроорганизмы используют фотосинтез для получения биомассы из света и углекислого газа и включают растения, мхи, макроводоросли, микроводоросли, цианобактерии и пурпурные бактерии. В искусственной среде фотобиореактора особые условия тщательно контролируются для соответствующих видов. Таким образом, фотобиореактор обеспечивает гораздо более высокие темпы роста и уровни чистоты, чем где-либо в природе или в средах обитания, подобных природе.

Для чего же нужна автоматизация домашнего фотобиореактора? Автоматическое управление всем технологическим процессом позволяет повысить производительность труда, улучшить качество продукции, оптимизировать процессы управления, отстранить человека от производств и почти исключает возможность ошибки. Также с автоматизацией возможно создать наиболее благоприятные условия для развития и роста микроводоросли, такие как наиболее удобное время для подачи света и оптимальная температура. И для создания таких условий мы будем использовать микроконтроллер Arduino. Определим задачи, которые он должен выполнять:

• Подача света в нужное время и на определённый промежуток времени;
• Определить температуру воды в аквариуме датчиком температуры и если она превысила 26˚, то включается вентилятор для охлаждения;
• На аквариуме устанавливается датчик, который всегда отображает точное время;
• Пользователь создает пульт управления устройством;
• Аэратор работает на постоянной основе;
• Регулируется утреннее и вечернее время;
• Подсвечивание даты, когда пользователь нажимает соответствующую кнопку на пульте управления, если дополнительных действий не последовало, экран меркнет.

Для автоматизации домашнего фотобиореактора мы используем:

• Arduino nano 3.0 с Atmega 328p-«мозг» нашей установки. Необходимо установить прошивку для выполнения поставленных задач.

Рисунок 1. Arduino nano 3.0 с Atmega 328p

• Модуль с силовым ключом - позволяет включать/выключать 12В вентилятор автоматически.

Рисунок 2. Модуль с силовым ключом

• Датчик температуры Ds18b20 - главная часть системы контроля температуры. Именно от этого элемента Arduino будет получать данные о температуре.

Рисунок 3. Датчик температуры Ds18b20

• Часы реального времени DS3231- плата для получения информации о текущем времени. Исходя из данных, полученных с этого элемента, будет происходить контроль освещения

Рисунок 4. Часы реального времени DS3231

• Дисплей 1602 с модулем I2c - устройство вывода. Наглядно показывает пользователю режим/время/температуру.

Рисунок 5. Дисплей 1602 с модулем I2c

• Энкодер - элемент ввода. С помощью энкодера пользователь будет иметь возможность выбирать режимы и управлять системой

Рисунок 6. Энкодер

• Модуль твердотельных реле - позволяет добавлять «розетки» на 220В, управляемые Arduino. В этой системы 4 «розетки» идут на светодиодные ленты, 1 «розетка» на аэратор.

Рисунок 7. Модуль твердотельных реле

• Понижающий преобразователь - система работает с напряжением 12-5В. Напряжение в сети в домах – 220В. Поэтому этот элемент необходим.

Рисунок 8. Понижающий преобразователь

• Вентилятор на12 В – включается тогда, когда температура воды превысила 26˚ и тем самым охлаждает ее

Рисунок 9. Вентилятор на12 В

Для того, чтобы электроника работала, необходимо подключить ее в следующем порядке. В самом начале работы Ардуино прикрепляется на макетную плату. После этого подключается дисплей с помощью I2C шины. Часы реального времени также подключаются с помощью I2C шины. Затем реле на CO2 и 4-канальное реле подключается к «мозгу» нашей установки. Энкодер для управления с помощью проводов подключается к Ардуино. С помощью преобразователя из розетки в 220В мы получаем 12В, подключаем его на один из двух шлейфов питания. Далее с помощью понижающего преобразователя мы подаем 5В на второй шлейф питания. Основные компоненты подключены к питанию в 5В. Также 12В питание идет на модуль с силовым ключом, к которому присоединен двумя проводами вентилятор и тот в свою очередь подключен к Ардуино. Температурный датчик подключен проводами к главной системе через резистор, который подключен и к понижающему преобразователю. Все провода после соединения спаиваются с помощью паяльника.

Рисунок 10. Схема подключения

Схема работы нашей установки проста. Питание идет от розетки (220В). Затем ток подается через провод на 12В и преобразовывается внешним преобразователем в 5В и идет на Ардуино.

Ардуино, "мозг" нашей установки, подаёт сигнал дисплею и пользователь после того, как просмотрел время, режим и температуру, с помощью энкодера, управляет системой так как ему нужно.

Также Ардуино подаёт данные на модуль с силовым ключом, который включает или выключает вентилятор автоматически. От датчика температуры Ардуино будет получать данные о температуре. А с помощью часов реального времени будет происходить контроль освещения.

Также Ардуино будет подавать сигнал на модуль твердотельных реле, которой будет включать аэратор и освещение.

Несмотря на некоторые сложности, с которыми можно столкнуться в процессе сборки контроллера Ардуино, можно точно сказать, что автоматизация — это важный элемент для создания культиватора. Ведь автоматизированный фотобиореактор более удобен в использовании, так как человеку практически не нужно участвовать в процессе культивации, однако при этом качество продукции ничуть не ухудшается, а наоборот, становится только лучше, а время, необходимое для выращивания, уменьшается.

Список литературы:

1. Музафаров А.М. Таубаев Т.Т. Культивирование и применение микроводорослей. -Ташкент: Фан, 1984