title: Ανάπτυξη ηλεκτρονικού συστήματος παρακολούθησης της λειτουργίας βιοαντιδραστήρων ξηρής αναερόβιας χώνευσης
title: Development of an electronic monitoring system for the operation of solid state anaerobic bioreactors
Creators: name: Βισκαδουρακη Ευαγγελια
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2023

description: Η παραγωγή ενέργειας από υπολείμματα που παράγονται στις ξηρικές ή ημιξηρικές
περιοχές της λεκάνης της Μεσογείου, καθώς και από υπολείμματα τροφίμων, είναι ένα σημαντικό πεδίο έρευνας με πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα. Ένας κύριος στόχος αυτού του ερευνητικού πεδίου είναι η ανάπτυξη ενός ξηρού αναερόβιου
βιοαντιδραστήρα (Solid State Anaerobic Bioreactor), ο οποίος θα είναι σε θέση να
διαχειρίζεται όλα τα υπολείμματα της μεσογειακής υπαίθρου (γεωργικής,
κτηνοτροφικής, αγροτοβιομηχανικής και αστικής προέλευσης) με έναν
αυτοματοποιημένο και βέλτιστο τρόπο, προκειμένου να παραχθεί ο μέγιστος δυνατός όγκος και η βέλτιστη σύνθεση βιοαερίου. Οι κύριες λειτουργικές παράμετροι ενός τέτοιου βιοαντιδραστήρα πρέπει να παρακολουθούνται στενά και να ελέγχονται ενεργά προκειμένου να είναι ασφαλής η λειτουργία του και να αποδίδει τη μέγιστη παραγωγή βιοαερίου.
Η ανάπτυξη ενός ηλεκτρονικού κυκλώματος, βασισμένου στην πλατφόρμα Arduino, για την παρακολούθηση και τον έλεγχο του αναερόβιου βιοαντιδραστήρα στερεάς κατάστασης ήταν το κύριο αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας. Το σύστημα που αναπτύχθηκε βασίστηκε στον μικροελεγκτή Arduino nano (ATmega328), σε συνδυασμό με διάφορους αισθητήρες κατάλληλους για την παρακολούθηση των διαφόρων παραμέτρων λειτουργίας. Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε το ολοκληρωμένο LM35DZ για τη μέτρηση της θερμοκρασίας του βιοαντιδραστήρα, της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος, καθώς και της θερμοκρασίας του νερού θέρμανσης του βιοαντιδραστήρα, με ακρίβεια της τάξης του 0.1 ο C. Για τη μέτρηση της υγρασίας μέσα στο βιοαντιδραστήρα χρησιμοποιήθηκε ο αισθητήρας DHT22 που παρέχει ακρίβεια μέτρησης υγρασίας ±2% και επικοινωνεί ψηφιακά με το Arduino. Για τη μέτρηση της οξύτητας (pH) του υλικού, μέσα στο βιοαντιδραστήρα, χρησιμοποιήθηκε ένα γυάλινο ηλεκτρόδιο μέτρησης pH, η έξοδος του οποίου ενισχύθηκε με κατάλληλο κύκλωμα ώστε να είναι μετρήσιμη από το Arduino. Χρησιμοποιώντας έτοιμα διαλύματα γνωστού pH, πραγματοποιήθηκε βαθμονόμηση όλου του συστήματος μέτρησης της οξύτητας και προγραμματίστηκε το Arduino προκειμένου οι μετρήσεις του να αντιστοιχούν σε πραγματικές τιμές pH.
Για την άμεση απεικόνιση των δεδομένων που συλλέγονται από τους αισθητήρες,
αρχικά, συνδέθηκε μια μικρή οθόνη τύπου OLED, δίπλα στο βιοαντιδραστήρα, στην οποία παρουσιάζονταν όλες οι πληροφορίες που αφορούν στη λειτουργία του. Στην οθόνη αυτή απεικονίζονταν, επίσης, μηνύματα σφάλματος, ή προειδοποίησης, σε περίπτωση που οι μετρούμενες τιμές ξεπερνούσαν προκαθορισμένα από το χρήστη όρια. Τα δεδομένα καταγράφονταν σε μια κάρτα μνήμης SD, ανά χρονικό διάστημα 30 δευτερολέπτων, ώστε να είναι εφικτή η μελλοντική ανάλυσή τους. Η συνδεσμολογία της κάρτας SD με το Arduino πραγματοποιήθηκε μέσω του πρωτοκόλλου SPI, χρησιμοποιώντας κατάλληλη πλακέτα επέκτασης.
Προκειμένου να είναι εφικτός ο έλεγχος του συστήματος από απόσταση, αναπτύχθηκε η δυνατότητα απομακρυσμένης σύνδεσης μέσω Bluetooth και η μετάδοση των δεδομένων σε φορητή συσκευή (κινητό ή tablet), χρησιμοποιώντας κατάλληλη πλακέτα αμφίδρομης επικοινωνίας Bluetooth και την πλατφόρμα Virtuino. Με τον τρόπο αυτό κατέστη δυνατή η παρακολούθηση του συστήματος από απόσταση, ακόμα και έξω από το κτήριο του βιοαντιδραστήρα, ενώ η μεγάλη διάσταση της οθόνης του κινητού ή του tablet προσδίδει τη δυνατότητα καλύτερης παρουσίασης των μετρούμενων ποσοτήτων μέσω γραφικής απεικόνισης σε πραγματικό χρόνο. Για τις ανάγκες της παρούσας εργασίας σχεδιάστηκε στο περιβάλλον Virtuino μια οθόνη γραφικής απεικόνισης ώστε να φαίνονται με ευκρίνεια όλες οι μετρούμενες τιμές των αισθητήρων που αναφέρθηκαν παραπάνω, καθώς και ο χρόνος που έχει παρέλθει από την έναρξη λήψης των μετρήσεων.
Αφού δοκιμάστηκαν όλοι οι αισθητήρες και τα επιμέρους εξαρτήματα του συστήματος σε διάτρητη πλακέτα, πραγματοποιήθηκε η κατασκευή της τελικής διάταξης και η σύνδεσή της στο βιοαντιδραστήρα. Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκαν δυο ξεχωριστές σειρές πειραμάτων, διάρκειας 6 ημερών και περίπου ενός μηνός, αντίστοιχα. Όπως αποτυπώνεται από τις μετρήσεις, η τιμή της σχετικής υγρασίας μέσα στο βιοαντιδραστήρα ήταν σταθερή και ίση με 100%, γεγονός αναμενόμενο, μιας και το περιεχόμενο βρίσκεται σε υδαρή μορφή. Η θερμοκρασία μέσα στο βιοαντιδραστήρα ήταν σχετικά σταθερή με μικρές διακυμάνσεις της τάξης των 1-2 o C, που οφείλονταν στη διακύμανση της θερμοκρασίας του νερού θέρμανσης. Η θερμοκρασία του νερού
θέρμανσης έδειξε να επηρεάζεται ανεπαίσθητα από τη θερμοκρασία του
περιβάλλοντος χώρου, αλλά διατηρήθηκε σταθερή με μικρές διακυμάνσεις της τάξης των 2 o C. Η τιμή της οξύτητας παρουσίασε μικρή μείωση με το χρόνο και
σταθεροποίηση λίγο κάτω από την ιδανική τιμή του 7, μετά από διάστημα περίπου 4 ημερών.
Επιπλέον, αναπτύχθηκε σύστημα για τον ενεργό έλεγχο της τιμής της οξύτητας μέσα στο βιοαντιδραστήρα, χρησιμοποιώντας μια περισταλτική αντλία για έγχυση μικρών ποσοτήτων βασικού διαλύματος, ώστε να διατηρείται το επιθυμητό επίπεδο pH πολύ κοντά στην ιδανική τιμή, για επίτευξη της βέλτιστης απόδοσης και μέγιστης παραγωγής βιοαερίου. Η περισταλτική αντλία τροφοδοτήθηκε από ένα ξεχωριστό τροφοδοτικό τάσης 12 V, ενώ η λειτουργία της πραγματοποιήθηκε μέσω ενός ρελέ, που ελέγχονταν από το Arduino. Για την αποτελεσματική ρύθμιση της οξύτητας στα επιθυμητά επίπεδα χρησιμοποιήθηκε κατάλληλος κώδικας, ο οποίος ελέγχει την τιμή του pH κάθε 5 λεπτά και αποφασίζει εάν απαιτείται διόρθωση ώστε να προβεί σε έγχυση μιας μικρής ποσότητας ρυθμιστικού διαλύματος βάσης μέσα στο βιοαντιδραστήρα. Δοκιμάσθηκαν δυο σενάρια με διαφορετικούς ρυθμούς έγχυσης σε καθένα από αυτά, ώστε να μειωθεί η υπέρβαση στόχου (overshoot) και να επιτευχθεί αποτελεσματική ρύθμιση
του pH πολύ κοντά στο 7, ακόμα και αν η αρχική του απόκλιση ήταν μεγάλη.
description: Energy production from residues produced in the arid or semi-arid regions of the
Mediterranean basin, as well as from food residues, is a major field of research with promising results. A major objective of this research field is the development of a dry anaerobic bio-reactor (Solid State Anaerobic Bioreactor), which will be able to manage all the residues of the Mediterranean countryside (agricultural, livestock, agro-industrial and urban origin) in an automated and optimal way, in order to produce the maximum possible volume and optimal composition of biogas. The main operational parameters of such a bioreactor need to be closely monitored and actively controlled in order to be both safe and optimally tuned for maximum biogas production.
The development of an electronic circuit, based on the Arduino platform, for the
monitoring and control of the anaerobic solid state bioreactor was the main subject of this master's thesis. The system developed was based on the Arduino nano (ATmega328) microcontroller, combined with various sensors suitable for monitoring the various operating parameters. More specifically, the integrated circuit LM35DZ was used to measure the temperature of the bioreactor, the ambient temperature, as well as the temperature of the heating water of the bioreactor, with an accuracy of 0.1 °C.
For the measurement of humidity inside the bioreactor, the DHT22 sensor was used, which provides a humidity measurement accuracy of ±2% and communicates digitally with the Arduino. To measure the acidity (pH) of the material, inside the bioreactor, a glass pH electrode was used. The output of this glass electrode was amplified with a suitable circuit so that it could be read by the Arduino. Using prepared solutions of known pH, the entire acidity measurement system was calibrated and the Arduino was programmed to display the actual pH values.
For the real-time display of the data collected by the sensors, initially, a small OLED type screen was connected, in which all the information related to the bioreactor operation was presented. Error or warning messages were also displayed on this screen, in case the measured values exceeded user-defined limits. Data were recorded to an SD card at 30 second intervals to allow for further analysis. The connection of the SD card to the Arduino was made using the SPI protocol, with a suitable expansion board.
In order to be able to monitor and control the system from a distance, the possibility of remote connection via Bluetooth and the transmission of the data to a portable device (mobile phone or tablet) was developed, using a suitable two-way Bluetooth communication board and the Virtuino platform. In this way, it became possible to monitor the system from a distance, even outside the bioreactor building, while the large screen size of the mobile phone or tablet allows for a better presentation of the measured quantities in a real-time graphic display. For the scope of this work, a graphical representation screen was designed in the Virtuino environment to clearly show all the measured values, as well as the total elapsed time of system operation.
After testing all the sensors and individual components of the system on a breadboard, the final assembly was built and attached to the bioreactor. In the present work, two separate series of experiments were carried out, lasting 6 days and approximately one month, respectively. As was observed, the value of the relative humidity inside the bioreactor was constantly equal to 100%, which was expected to happen since the bioreactor content is in aqueous form. The temperature inside the bioreactor was relatively constant with small fluctuations of the order of 1-2 o C, due to the variation of the heating water temperature. The temperature of the heating water was shown to be slightly affected by the ambient temperature, but was kept constant with small fluctuations of about 2 o
C. The acidity slightly decreased with time and stabilized just below the ideal value of 7, after a time period of about 4 days.
Moreover, a system was developed to actively control the acidity inside the bioreactor, by using a peristaltic pump to inject small amounts of basic solution, in order to maintain the desired pH level very close to the ideal value, for optimal performance and maximum biogas production. The peristaltic pump was powered by a separate 12 V power supply, while its operation was controlled by a relay, controlled by the Arduino.
Appropriate code was used to effectively adjust the acidity to the desired levels, which checks the pH value every 5 minutes and decides if a correction is needed. If required, it injects a small amount of base solution into the bioreactor. Two different injection rates were tested in order to reduce the overshoot and achieve effective pH regulation, very close to the optimal value of 7, even if the initial pH deviation was large.