6 of 7 training the aquality platform and the maca unit nov 2014 - final ro

7/25/2019 6 of 7 Training the AQUAlity Platform and the MACA Unit Nov 2014 - Final RO

1/14

11 Noiembrie 2014

Material pentru instruire destinat IMMAsociaii din cadrulproiectului AQUAlity

Proiect finanat deEU: FP7- SME-2011-2-286995 Sistem automat multisenzor pentru monitorizarea i

controlul calitii apei destinat utilizriin flux continuun sisteme de acvacultur recirculant

Dezvoltarea platformei automate

multisenzor AQUAlity pentru

monitorizarea continu a calitii apei

n sistemele de acvaculturrecirculant (SAR)


2/14

1 | P a g e

Cuprins

1 INTRODUCERE 2

2 INTRODUCEREANALIZORUL COLORIMETRIC AUTOMAT MINITUARIZAT 3

2.1 SOLUII COMERCIALE PENTRU MSURAREA NITRIILOR I AMONIULUI 32.2 COLORIMETRIE 32.3 ANALIZA FLUIDIC 42.4 CERINELE SISTEMULUI MACA 5

3 DEZVOLTAREA I REALIZAREA 6

4 TESTAREA PLATFORMEI AQUALITY 9

5 CONCLUZII 13


3/14

2 | P a g e

1 INTRODUCERE

n prezent acvacultura este sectorul cu cea mai rapid cretere. Se estimeaz c aceastcretere va continua o perioad lung de timp, deoarece este singura surs de protein denalt calitate care nu este complet industrializat i care are capacitatea de a se extinde

semnificativ. Nevoia acestui tip de protein va crete odat cu creterea populaiei globale.Att agricultura, ct i zootehnia au evoluat ctre industrializare ntr-o asemenea msurnct extinderea acestor tipuri de activiti este deosebit dedificil fr un impact negativsemnificativ asupra mediului nconjurtor.

Piscicultura este practicat de mii de ani n armonie cu natura, dar metodele utilizate pentruaceasta nu pot fi intensificate fr un impact negativ asupra mediului nconjurtor. Acest fapta fost evident mai ales n ultimii cincizeci de ani i a condus la transformarea pisiculturii nacvacultur industrial.

Pentru a putea obine o cretere a produciei fr efecte negative asupra mediuluinconjurtor trebuie utilizate Sistemele de Acvacultur Recirculante (SAR).

n cadrul oricrui SAR monitorizarea calitii apei este esenial. Monitorizarea calitii apeinecesit msurarea unui numr de parametri fizico-chimici i efectuarea coreciilor necesarepentru a menine calitatea apei corespunztoare structurii optime pentru creterea petilor.Procesul ndeprteaz i reziduurile astfel nct acestea s poat fi eliminate ntr-o manieradecvat. Automatizarea monitorizrii i controlului calitii apei este, in consecin, unelement cheie n funcionarea eficient a unui SAR. Pentru a obine aceasta este nevoie desonde adecvate, platforme pentru senzori, echipamente de control i software adecvat. n

mod ideal, sondele ar trebui s funcioneze continuu on-line, iar sistemul de control ar trebuis includ algoritmi pentru meninerea calitii apei care specific condiiilor date, speciilor,vrstei, etc.

n prezent, exist mai multe tipuri de sonde special destinate pentru utilizarea on-line nacvacultur, dar un set important de parametri nu pot fi analizai cu acestea. ntr-adevr, lanceputul acestui proiect nu existau metode prin care aceti parametri s poat fi msuraiuor n mod continuu. Cei mai importani indicatori din acest set sunt amoniacul i nitriii.

Ambii sunt toxici pentru peti la cocentraii mici i se pot acumula n cadrul Sistemelor de

Acvacultur Recirculant (SAR) din cauza aportului redus de ap proaspt. Problemelebiofltrului, responsabil de ndeprtarea amoniacului i nitriilor pot agrava acumulareaacestora. De aceea, este important cunoaterea concentraiilor amoniacului i nitriilor norice moment.

Scopul proiectului AQUAlity este cel de a reduce costurile fermierilor europeni prindezvoltarea unei platforme multi-senzor pentru monitorizarea continu a calitii apei nsistemele de acvacultur recirculant (SAR), platform care va conine de asemeneainformaii despre cele mai bune practici pentru speciile de pete utilizate n sistemelenchise. n cadrul proiectului, a fost dezvoltat conceptul pentru un analizor colorimetricautomat minituarizat (MACA) pentru determinarea azotului amoniacal total (TAN) i aazotului nitrit (N-NO2) n acvacultur, ca parte integrant a platformei, fiind deasemenea


4/14

3 | P a g e

testat i modelul funcional al acestuia.Figura 1 prezint schema general a platformeiAQUAlity.

Figura 1 Schema general a platformei AQUAlity

2 INTRODUCERE ANALIZORUL COLORIMETRIC

AUTOMAT MINITUARIZAT

2.1 SOLUII COMERCIALE PENTRU MSURAREA NITRIILOR IAMONIULUI

Concentraiile amoniacului i nitriilor n ap nu pot fi msurate uor, cu acuratee , mai alesla concentraiile mici care sunt relevante pentru acvacultur. Iniial, n cadrul proiectuluiAQUAlity, au fost evaluate metodele cunoscute pentru determinarea acestor parametri nceea ce privete conformarea acestora cu utilizarea n acvacultur, unde determinante sunt

uurina n folosire, furnizarea de informaii rapide i sigure, costuri reduse aleechipamentului i ntreinere a acestora. Concluzia a fost c nicio soluie comercialdisponibil nu ndeplinea toate cerinele enumerate. Pentru a determina care este cea maibuna metod pentru dezvoltarea unei soluii adecvate s-a realizat o a doua serie deinvestigaii. Pe baza acestora, consoriul AQUAlity a decis realizarea unui analizorcolorimetric automat minituarizat (MACA).

2.2 COLORIMETRIE

Aa dup cum sugereaz i denumirea, soluia MACA s-a bazat pe colorimetrie, metod prin

intermediul creia substanele prezente n proba de ap reacioneaz cu ageni chimicispecifici, Reacia chimic conduce la obinerea unui colorit specific, a crui intensitate este


5/14

4 | P a g e

proporional cu concentraia substanei de analizat. Prin msurarea intensitii culorii (ex.absorbia sau transmisia luminii cu o lungime de und specific prin soluia de analizat) sepoate determina concentraia substanei n cauz. Metodele cunoscute utilizeaz reaciaGriess pentru nitrii i reacia Berthelot pentru amoniu. n cazul celei de-a doua reaciitrebuie avut grij deoarece aceasta trebuie modificat pentru a se evita folosirea fenolului

ca reactiv, n timp ce ali reactivi pot avea senzitivitate ncruciat cu ali compui prezeni nap.

2.3 ANALIZA FLUIDIC

Mai exact, MACA poate fi denumit i analizor fluidic deoarece msoar mai mult de unparametru fiind necesar i un sistem sofisticat de control al debitului de fluide pentru a reglavolumele soluiei de analizat i ale reactivilor.

Cele mai uzuale analizoare fludice automate sunt Analizoarele n Flux Continuu (CFA) . n

aceste sisteme proba de ap circul printr-un tub n form de serpentin pentru ndeprtareabulelor de aer (Figura 2). Diveri reactivi sunt introdui n probele de ap. Culorile re zultaten urma reaciilor chimice sunt analizate colorimetric. CFA nu au dimensiuni reduse i ngeneral consum cantiti semnificative de reactivi. Metoda funconeaz foarte bine nlaborator, dar pentru utilizarea ei n fermele piscicole, unde dispozitivul trebuie s fie capabils funcioneze nesupravegheat timp de o sptmn, cantitile de reactivi trebuie redusesemnificativ. Pentru atingerea acestui scop analizorul trebuie minituarizat.

Figura 2; Exemplu tipic de serpentin utilizat n CFA convenional

O fant luminoas de 1 cm este suficient pentru analiza colorimetric.Prin utilizarea unui

fascicul luminos cu diametrul de o zecime de milimetru, volumul necesar pentru o msurareexact se reduce la 100 200 microlitri. Prin adaptarea ntregului la aceste dimensiuni,volumului ntregului sistem poate fi redus la dimensiunea unei cutii de pantofi, chiarincluznd cei opt reactivi n volumele necesare pentru o sptmn

Colorimetria permite determinarea concentraiei nitriilor datorit faptului c intensitateaculorii produsului de reacie este direct proporional cu aceasta. Concentraia amoniaculuinu se poate determina direct, deoarece amoniacul n ap este prezent ca amoniac NH3,un gaz (dizolvat) i ca amoniu NH4

+, un ion. Raportul dintre aceste dou forme depinde deaciditate (pH) i de temperatur. De asemenea, salinitatea are o oarecare influen asupra

acestui echilibru. Ambele forme reacioneaz cu substanele adugate, astfel c rezultatulanalizei colorimetrice va furniza concentraia azotului amoniacal total (TAN), ca sum a


6/14

5 | P a g e

concentraiilor amoniacului ionizat i neionizat. Amoniacul neionizat (NH3) este cel maipericulos pentru organismele acvatice vii i reprezint parametrul cel mai important pentrufermierii piscicoli. Concentraia acestuia este determinat prin integrarea datelor privindTAN, pH i temperatur ntr-un algoritm intens elaborat.

2.4 CERINELE SISTEMULUIMACA

Analizorul imaginat de ctre membrii consortiului trebuia s fie capabil de a msura concentraiile de nitrii i de azot amoniacal total din ap, de mai multe ori n decursul uneiore, timp de 24 de ore zilnic. Dispozitivul trebuia s fie considerabil mai mic dectanalizoarele existente (s-a indicat dimensiunea unei cutii de pantofi) i trebuia s conin itoi reactivii. Intreinerea asigurat de ctre fermier trebuia s fie simpl i s se facsptmnal asigurndu-i acestuia funcionarea pentru sptmna urmtoare.Concentraiile mici ale nitriilor i amoniacului n mediul de cretere al petilor pot avea unimpact major asupra strii de sntate a acestora, n timp ce concentraiile mari devin n

scurt timp letale efectivului piscicol. n consecin, MACA trebuia s fie capabil s msoareintervale mari de concentraii ale ambelor substane, dar n principal trebuia s acopereintervalele n partea lor inferioar. Tabelul 1 prezint valorile recomandate pentru majoritateaparametrilor fizico-chimici ai apei, pentru salmonide crescute n ap dulce. Pe baza acestordate, s-au stabilit limitele de detecie i acurateea recomandat a determinrilor.

Dozarea precis a ambelor probe i a reactivilor este necesar pentru acurateea analizeicolorimetrice. Precizia dozrii pompelor utilizate trebuia s fie mare i s aib variaii minimen decursul timpului. Calibrarea cu regularitate a pompelor trebuie planificat pentru apermite aplicarea, la nevoie, a coreciilor cauzate de uzur i pentru a asigura meninerea

preciziei..

Calitatea apei n SAR poate varia foarte mult. Diversele specii de pete utilizate i diverselecondiii de ntreinere ale sistemelor de acvacultur i ale biofiltrelor fac ca apa din acestesisteme poate fi de la limpde precum cristalul la maro nchis. Compoziia ei chimic (ex.aciditate, coninut n ioni) este foarte greu de anticipat. Exist, de asemenea exist o variaiemare a condiiilor de mediu n care este amplasat sistemul de cretere. Temperaturile potvaria de la valori apropiate de punctul de nghe pn la valori tropicale n alte locuri. nconsecin, analizorul nu doar c trebuie s funcioneza n aceste condiii, dar trebuie deaemenea s msoare, cu precizie, concentraiile nitriilor i azotului amoniacal total din

probe de ap cu temperaturi diferite i cu nivele diverse de pH.


7/14

6 | P a g e

Tabel 1. Valorile recomandate pentru majoritatea parametrilor de calitate ai apei, pentru salmonide, nperioada fazei de cretere n ap dulce. Intervalele valorilor msurate sunt valabile ii pentru altespecii de pete de ap dulce

Parametru

Unitate

de

msur

Valori

recomandate

Max. (interval)

valori msuraten SAR

Precizia

necesar

Intervale de

msura pe

platforma

AQUAlity

Comentarii

TemperaturaoC

Funcie de

specie 0 - 32 0.5 0 - 32

O2% 85-100 % 0 - 250 % 2% 0 - 250

CO2 mg l-1

10 -15 40

0.5

0 - 50

Azot nitrii (NO2-

N) mg l-1 0.1 15 0.01 0.01-100

Azot amoniacal

total (TAN)mg l

-1

2

(at pH=6.8,

12oC)

10 0.1 0.1 - 100

Uazot amoniacal

neionizat (NH3-N)

g l-1 3

(la pH=6.8,

12oC)

funcie de pH i

temperatur

0.1 0.1 - 5000

Valorile recomandate se refer

la pH cuprins ntre 6 i 9 la un

interval de temperatur a apei

ntre 0 i 32C i pn la 10 mg l-

1TAN

Azot total ionizat

(NH4+-N)

mg l-1 2

(la pH=6.8,

12oC)

funcie de pH i

temperatur

0.1 0.1 - 100

Valorile recomandate se refer

la pH cuprins ntre 6 i 9 la un

interval de temperatur a apei

ntre 0 i 32C i pn la 10 mg l-

1TAN

pH6 - 8 6 - 9 0.1 2 - 14

3 DEZVOLTAREA I REALIZAREA


8/14

7 | P a g e

Pe baza cerinelor pe care trebuia s le ndeplineasc sistemul, prezentate anterior, au fostselectate i ncorporate componente i subsisteme ntr-un analizor demonstrativ pentru ademonstra fezabilitatea conceptului. Modelul MACA rezultat este compus din urmtoareleelemente:

1 x MACA set de testare, ansamblu mecano-fluidic inclusiv pompe, tubulaturi, supape,rezervoare de fluide, etc. n care sunt pregtite probele de ap pentru analiza colorimetric

1 x cutie E-control care furnizeaz energie ctre setul de testare MACA i care permiteregulatorului PC i MACA s comunice ntre ele

1 x regulator PC, computer pe care s-a instalat un software special pentru conducerea icontrolul setului de testare. Programul permite utilizatorului s selecteze i s adaptezeprotocoalele pe baza crora sunt determinate concentraiile nitriilor i ale azotului amoniacaltotal (TAN)

Prile eseniale ale setului de testare MACA sunt: pomp peristaltic, camera reaciei

chimice i detector colorimetric. Pompa poate selecta i doza att proba, ct i diverireactivi. Camera de reacie are un volum de doar 2 ml i poate fi nclzit sau rcit nvederea optimizrii vitezei de reacie pentru a se obine cel mai scurt timp posibil. Detectorulcolorimetric este un spectrometru de nalt rezolutie, mic, dar foarte precis care analizeazlumina transmis printr-o celul de doar 200 microlitri. Componentele sunt amplasate ntr-ocutie nchisrezistent la stropire,cu un capac transparent.Cutia E-control conine un alimentator obinuitmpreun cu conductorii afereni. i aceastcutie este rezistent la stropire i este acoperit cu un capac trnasparent.Regulatorul PC este un laptop standard cu sistem de operare Windows i software dedicat.Cele trei elemente sunt conectate ntre ele, conexiuni care pot fi ndeprtate pe durata

transportului.

Figura 3: Configuraia aleas de Philips pentru sistemul MACA

Demonstratorul MACA a fost mbuntit n numeroase etape nainte de a fi transferat laNOFIMA, n aprilie 2014, n vederea testrii.


9/14

8 | P a g e

Volumul total al tuturor funciilor eseniale ale setului de ncercare MACA poate fi introdusntr-o cutie de pantofi. Volumul modelului de ncercri este mai mare pentru a nlesni accesuln timpul perioadelor de ncercri i verificri, atunci cnd sunt necesare operaiuni dentreinere, nlocuiri i adaptare. Pompa, unitatea de detectare, vasul de reacie, tubulatura i

containerele cu cei opt reactivi au un volum total mult mai mic de opt litri i de aceea pot fi cuuurin integrai n volumul int.

Funciile cutiei E-control pot fi cu uurin ncorporate pe o plac de circuite (PCB) cu unvolum de civa decilitri. Versiunea de fa , ca i n cazul setului de ncercare, este mult maimare pentru a permite accesul uor n scopul adaptrii la situaii noi, aprute n timpultestelor.n varianta comercial funciile interfeei speciale vor fi preluate de unitatea Master Control asistemului AQUAlity i de interfaa principal a utilizatorului, aa c nu va fi nevoie de uncomputer dedicat.

n timpul dezvoltrii MACA s-a ajuns la concluzia c preciziile dorite iniial pentru nitrii iTAN nu erau realiste pentru ntregul interval de msurare (ntre 0.01100 mg/L). Din acestmotiv sa propus redefinirea preciziilor. Preciziile propuse reprezint o mbuntire majorfa de punctul de referin, constituit de cei mai buni electrozi ion-selectivi existeni pepia. Figura 4 (mai jos) prezint nivelele de precizie.

Figure 4. Nivelele de precizie respinse i cele recomandate pentru msurarea concentraiilor azotului amoniacal

total i a azotului din nitrii utiliznd platforma AQUAlity.


10/14

9 | P a g e

4 TESTAREA PLATFORMEI AQUALITY

Performana platformei AQUAlity a fost testat la Centrul pentru Acvacultur Recirculant dela Sunndalsra, Norvegia, aparinnd de NOFIMA. Platforma AQUAlity const dintr-o unitate

de control Pacific cu senzori. Iniial au fost conectate, n linie, cinci sonde pentrudeterminarea salinitii, oxigenului (O2), pH-ului, presiunii totale a gazelor i bioxidului decarbon (CO2). Platforma a fost instalat dup biofiltru n vederea msurrii continue acalitii apei n SAR. Colectarea datelor, monitorizarea i dinamica sistemului au fostrealizate cu ajutorul unui software conceput pentru AQUAlity.

Mai trziu, modelul funcional MACA a fost conectat la platforma AQUAlity i s-a realizatmsurarea continu a concentraiilor NO2-N i TAN. Modelul funconal a fost calibratutiliznd soluii standard de concentraii cunoscute de pn la10 mg L1.

Rezultatele finale au indicat faptul c modelul funcional MACA poate reproduce msurtoristabile N-NO2 n intervalul 0.05 - 2.5 mg L

-1 (Figura 5) i msurtori stabile ale TAN nintervalul 0.1 - 5 mg L-1TAN dup cum sevede n Figura 6.

Figura 5. Curba de calibrare a MACA pentru NO2-N realizat pentru concentraii standard cuprinse n intervalul0.1 - 10 mg L-1NO2-N. Msurtorile pentru 5 i 10 mg L

-1NO2-N s-au efectuat manual.


11/14

1 0 | P a g e

Figura 6. Rezultatele curbei de calibrare manuale pentru TAN pentru concentraii standard cu[rinse n intervalul0.1 - 10 mg L-1TAN.

Msurtorile continue ale NO2-N n SAR s-au efecuat n mai multe rnduri. Msuratorile s-au realizat la intervale de 19 min. Figura 7 prezint concentraiile NO2-N n SAR pe operioad de 16 ore. Intervalul de msurare confirm faptul c MACA este capabil smsoare concentraii mici ale NO2-N.Aceasta a fost cerina iniial pentru aceast parametru

a noului concept de senzor produs n cadrul proiectului AQUAlity.

Figura 7. Msurarea continu a concentraiei NO2-N ntr-un sistem de acvacultur recirculant la Centrul pentruAcvacultur Recirculant,Nofima pentru o perioad de 16 ore.


12/14

1 1 | P a g e

Rezultatele platformei de testare AQUAlity arat, de asemenea, importana ntreineriiadecvate a sondelor de analiz. Bio-filmul se formeaz pe toate suprafeele din mediileacvatice sntoase, iar formarea acestui biofilm pe suprafeele sondelor pentru msurareapH-ului, bioxidului de carbon i oxigenului afecteaz acurateea msurtorilor continue.

Sonda Franatech pentru CO2 utilizat ca o comparaie a fost curat cu regularitate peperioada testelor, n timp ce n cazul sondei AQUAlity curarea regulat a nceput abia n19/05/2014. Aa dup cum se vede i n Figura 8 dup operarea timp de 10 zile a sondeiAQUlity fr curare aceasta indica o abatere de circa 5 mg L-1CO2. Odat cu realizareaoperaiunilor de curare adecvate, ambele sonde au indicat valori similare.

Figure 8. Measured CO2concentrations during AQUAlity platform testing.

Curarea sondei pentru pH a generat o cretere imediat a valorii msurate cu valoricuprinse ntre 0.1 ai0.5 pH dup cum se poate observa nFigura 9. Instalarea ulterioar(dup luna iunie, Figura 9) a unui cap de curare i realizarea acestei operaiuni curegularitate, prin intermediul aerului comprimat a prentmpinat erorile de msurare n cazulsondei AQUAlity.

Figura 9. Valorile msurate ale pH-ului cu sonda AQUAlity nainte i dup curare


13/14

1 2 | P a g e

Efectele pozitive ale currii automate cu ajutorul aerului comprimat asupra preciziei sondeide oxigen au fist de asemenea evidente n timpul testrii platformei AQUAlity(Figura 10).

Figura 10. Efectele pozitive ale currii automate ale sondei de oxigen de la sfritul lunii iunie comparate cuoperaiunile de curare manual i aleatoriedin perioada martieiunie.

Rezultatele testrii platformeiAQUAlity indic faptul c, n sistemele cu ncrctur biologicmare, este necesar o rutin de curare zilnic.

Prototipuri ale platformei AQUAlity au fost instalate n dou ferme comerciale pentrucontinuarea testelor. Unitatea MACA nu a fost inclus n aceasta deoarece versiunearealizat este doar o unitate demonstrativ.

Unitatea demonstrativ MACA,mpreun cu documentaia aferent, a fost transferat ctreparenerul OxyGuard pentru a testa si evalua posibilitatea dezvoltrii unui produs comercial.


14/14

1 3 | P a g e

5 CONCLUZII

Toate componentele platformei AQUAlity au fost testate cu succes. Cunotinele iexperiena dobndite pe parcursul proiectului, mpreun cu sugestiile de mbuntire aplatformei va ajuta la dezvoltarea sa viitoare i la obinerea unui produs comercial pentruindustria piscicol european. Se preconizeaz c analizorul automat MACA mpreun cuplatforma AQUAlity va deveni un echipament indispensabil n acvacultura modern nsisteme reciculante.

Analizorul MACA, n afara faptului c este necesar pentru controlul calitii apei n sistemelede acvacultur recirculant, va fi de asemenea util n analiza apelor uzate din orice fermpiscicol. Va putea de asemenea s fie folosit pentru experimente de protecie a mediului.Dezvoltarea ulterioar a MACA l va face atractiv pentru utilizarea n sistemele de tratare aapelor uzate unde exist o pia extrem de mare pentru analizoare cu caracteristici precumcele pe care le va avea MACA.

Timpul necesar pentru dezvoltarea unui sistem vandabil i atractiv din punct de vederecomercial este estimat la doitrei ani.

6 of 7 training the aquality platform and the maca unit nov 2014 - final ro

Documents