فهرست مطالب

مهندسی بیوسیستم ایران - سال پنجاه و سوم شماره 1 (بهار 1401)

نشریه مهندسی بیوسیستم ایران
سال پنجاه و سوم شماره 1 (بهار 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/02/01
  • تعداد عناوین: 6
|
  • ثمین بلدی، یعقوب منصوری*، نیما نصیریان، حسین معتمدی، ایرینی آنگلیداکی صفحات 1-23

    ویناس، فاضلاب کارخانه های الکل سازی، پسماندی بسیار آلوده کننده است. حجم زیاد ویناس و بوی نامطبوع آن، در کنار خاصیت اسیدی و بار آلودگی زیاد، آن را به یکی از مهمترین چالش های زیست محیطی استان خوزستان بدل کرده است. کاربرد تخمیر تاریک جهت تیمار این فاضلاب، یکی از ارزان ترین روش های سازگار با محیط زیست مدیریت این پسماند است. هیدروژن سوختی پاک است و در صورت تولید به روش بیولوژیکی، یک حامل انرژی تجدید پذیر تلقی می گردد. در مطالعه حاضر، تولید ناپیوسته بیوهیدروژن از ویناس به روش تخمیر تاریک بررسی شده است. همچنین اثر پیش تیمار ماده تلقیحی (لجن هضم شده) و پیش تیمار ماده اولیه (ویناس) بر عملکرد تولید هیدروژن بررسی شد. نتایج نشان داد کاربرد کلروفرم به عنوان پیش تیمار ماده تلقیح با عملکرد 6/3 ± 8/47 نرمال میلی لیتر/گرم جامدات فرار اولیه تاثیر بسیار معنی داری بر افزایش عملکرد هیدروژن داشته است. همچنین کاربرد سدیم هیدروکسید تاثیر معنی داری بر هیدرولیز قند ویناس داشته و با عملکرد 1/0 ± 5/99 نرمال میلی لیتر/گرم جامدات فرار اولیه، بازده تولید هیدروژن را تا 100 درصد افزود. در تمام تیمارها اسید استیک و اسید بوتیریک به عنوان اسیدهای آلی عمده موجود در مایه نهایی تخمیر شناسایی شدند. در نهایت با توجه به نتایج آزمایشگاهی و نیز اطلاعات میدانی موجود، پتانسیل تولید بیوهیدروژن، اسید استیک و اسید بوتیریک از ویناس تولید شده در استان خوزستان در سال 1399 به ترتیب به میزان 003/0، 153/0 و 132/0کیلومتر مکعب محاسبه شد. نتایج نشان داد تولید بیوهیدروژن از ویناس به روش تخمیر تاریک، با توجه به پتانسیل بالای تولید این گاز از ویناس، روشی بسیار کارآمد به حساب می آید.

    کلیدواژگان: ویناس، تخمیر تاریک، پیش تیمار، لجن بی هوازی، بیوهیدروژن
  • حبیب الله عباسی، شادی شریف زاده، صفورا کریمی* صفحات 25-40

    انتخاب روش استخراج مناسب به منظور رسیدن به بازده بالاتر استخراج اسانس از گیاهان دارویی یکی از چالش های پیش رو در تحقیقات علمی است. روش ترتیبی فراصوت-مایکروویو یکی از روش های نوین استخراج است که در این پژوهش برای استخراج اسانس از گیاه ریحان استفاده شد. به منظور بررسی تاثیر این روش در افزایش بازده استخراج، روش مایکروویو به عنوان روش مبنا مورد مقایسه قرار گرفت. برای بهینه سازی شرایط استخراج به روش ترکیبی، توان فراصوت، توان مایکروویو و زمان استخراج به عنوان متغیرهای مستقل و بازده استخراج اسانس به عنوان پاسخ در نظر گرفته شد. طراحی آزمایشات به روش سطح پاسخ (RSM) با استفاده از طرح مرکب مرکزی (CCD) انجام شد. بیشترین بازده به دست آمده در شرایط 300 وات توان فراصوت، 600 وات توان مایکروویو و 40 دقیقه زمان استخراج به دست آمد که معادل (3/2 % وزنی/وزنی) بود. این در حالی است که بازده روش استخراج مبنا 74/0درصد وزنی/وزنی به دست آمد. نتایج به دست آمده از بررسی ترکیبات شیمیایی مواد موثره حاصل نشان داد که تعداد ترکیبات موجود در روش ترتیبی بالاتر از تعداد آن ها در روش مایکروویو است. علاوه بر این، با مقایسه خواص آنتی اکسیدانی با استفاده از روش های DPPH و FRAP ثابت شد که روش ترتیبی در حفظ خواص اسانس حاصل از گیاه ریحان بهتر عمل کرده است. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نیز نشان داد که غدد حاوی مواد موثره در اثر فرآیند استخراج ترتیبی نسبت به روش مبنا بیشتر تخریب شده اند. به طور کلی، روش ترتیبی فراصوت-مایکروویو می تواند به عنوان روش کارآمدی برای استخراج اسانس از گیاه دارویی ریحان معرفی شود.

    کلیدواژگان: بهینه سازی، گیاه دارویی ریحان، کروماتوگرافی گازی، میکروسکوپ الکترونی روبشی
  • نگار راوش*، جواد حصاری، علی ایاسه صفحات 41-59

    آب میوه یکی از پرطرفدارترین فرآورده های حاصل از میوه جات است و به طور گسترده توسط تمامی آحاد جامعه در هر گروه سنی مصرف می شود. از طرفی برخی تولیدکنندگان بنابر اهداف اقتصادی به انواع تقلبات روی می آورند. لذا اصالت و کیفیت آب میوه ها همواره یکی از دغدغه های مصرف کنندگان و مسیولین وضع کننده مقررات بوده است. آگاهی از انواع تقلبات متداول در آب میوه ها و روش های تشخیص آن ها از ضروریات دستیابی به روش های تشخیص کارآمدتر است، که می تواند از نقطه نظر تشخیص دقیق و سریع تقلبات و در نهایت سلامت مصرف کننده حایز اهمیت باشد. هدف از مقاله حاضر مرور مطالعات انجام گرفته در مورد انواع تقلبات در آب میوه ها و روش های تشخیص آن ها بود. تکنیک های کروماتوگرافی از قبیل کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا و کروماتوگرافی گازی از متداول ترین روش های تعیین خلوص آب میوه ها به حساب می آیند و از روش های نوین تشخیص تقلبات می توان به آنالیز ایزوتوپ های پایدار، تکنیک واکنش زنجیره ای پلی مراز رونویسی معکوس و تکنیک های طیف سنجی اعم از طیف سنجی مادون قرمز، طیف سنجی مریی و فرابنفش، طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای و طیف سنجی گسیل فلورسانس اشاره کرد. بر اساس مطالعات انجام گرفته، متداول ترین تقلبات در مورد آب میوه ها شامل اضافه کردن آب، قند، اسیدهای آلی، آب میوه های دیگر، عوامل کدر کننده و نیز افزودن بیش از مقدار مجاز سولفیت هستند. همچنین تعیین محتوای میوه آب میوه ها، تعیین شاخص های آسیب میکروبیولوژیکی، شاخص های آسیب حرارتی، شاخص های تیمار آنزیمی و شاخص های آلودگی با آب مورد استفاده در مراحل مختلف تولید، از نقطه نظر کیفیت آب میوه ها حایز اهمیت هستند. به عنوان نتیجه گیری کلی، جهت تشخیص دقیق و سریع تقلبات، محققان بایستی همواره در راستای توسعه و به روز نمودن تکنیک های تشخیص تقلب، گام بردارند.

    کلیدواژگان: آب میوه، فرآورده میوه، تقلب، اصالت
  • سجاد نصیری، مصطفی خجسته نژند* صفحات 61-76
    تشخیص سریع و پیشگیری از گسترش بیماری محصولات کشاورزی، می تواند تلفات مقابله با بیماری را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. در این پژوهش، سامانه ای هوشمند بر مبنای پردازش تصویر برای تشخیص بیماری های برگ درخت انگور (Sultana - Vitis vinifera) ارایه گردیده است. بدین منظور، ویژگی های مختلف بافت تصویر از هیستوگرام سطح خاکستری (GLH)، ماتریس هم -رخداد سطح خاکستری (GLCM)، ماتریس طول بردار سطح خاکستری (GLRM) و الگوی دودویی محلی (LBP) استخراج شد. برای مدل سازی ویژگی ها، از دو مدل شبکه عصبی (ANN) و ماشین بردار پشتیبان (SVM) استفاده شد. پایگاه داده مورد استفاده، متشکل از 4062 تصویر، شامل برگ سالم، مبتلا به پوسیدگی سیاه، اسکا و لکه ایزاریوپسیس است. نتایج نشان دادند که مدل SVM با استفاده از ویژگی های GLRM با متوسط دقت 70/89% بهترین عملکرد را از خود نشان داد. همچنین نتایج نشان دادند، استفاده از تمام ویژگی های استخراج یافته به صورت بردار ویژگی واحد، افزایش دقت دسته بندی را به دنبال دارد. مدل SVM و ANN با استفاده از تمام ویژگی ها بترتیب برای داده های آموزشی دقت 10/91%، 04/95 % و برای داده های آزمون میزان دقت 93/89% و 75/91% را نتیجه دادند. در نهایت، با استفاده از الگوریتم کلونی زنبور ژنتیکی (GBC) و کاهش تعداد ویژگی ها به 34 و 46 به ترتیب برای مدل های ANN و  SVM میانگین دقت 20/97% و 10/94% برای آموزش و آزمون مدل ANN و 01/93% و 33/92% برای آموزش و آزمون مدل SVM به دست آمد که نشان دهنده بهبود نتایج توسط الگوریتم GBC می باشد. روش پیشنهادی در تشخیص بیماری های برگ انگور کارآمد ارزیابی شد.
    کلیدواژگان: یادگیری ماشین، تحلیل بافت تصویر، پوسیدگی سیاه انگور، اسکای انگور، لکه ایزاریوپسیس
  • نازیلا طربی، حسین موسی زاده*، علی جعفری، جلیل تقی زاده طامه صفحات 77-90
    توموگرافی امپدانس الکتریکی (EIT)، تکنیک تصویرسازی غیرنفوذی است که توسط تزریق جریان الکتریکی به مجموعه ای از الکترودها و قرایت ولتاژ از الکترودها، خواص سیال چندفازی مانند توزیع ذرات و غلظت حجمی را اندازه گیری می کند. استراتژی تزریق و قرایت سیگنال از الکترودها در کیفیت بازسازی تصویر و دقت اندازه گیری تاثیرگذار است. در محیط های بزرگ و با رسانایی بالا استراتژی های مرسوم چون مجاورتی قادر به قرایت سیگنال با کیفیت نیستند. بنابراین هدف از این پژوهش ساخت و ارزیابی سامانه EIT تحت استراتژی ابتکاری برای تعیین آنلاین توزیع ذرات و غلظت مواد دو فازی جامد- مایع در محیط های نسبتا بزرگ است. بدین منظور، 16 الکترود بر روی مخزن حاوی مواد نصب شدند. فاز مایع آب با رسانایی معلوم و فاز جامد بطری در اندازه های مختلف بود و در سه موقعیت مختلف عملکرد سامانه مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که استراتژی ابتکاری، قابلیت تشخیص و تمایز شیء هدف را در ابعاد مختلف و موقعیت های مختلف دارد. نرخ سیگنال به نویز 05/1 دسی بل و دامنه دینامیک پتانسیل های مرزی 1600 میلی ولت بود. حساسیت به کناره ها و نزدیک الکترودها بیشتر از حساسیت به میانه بود. ارزیابی پارامترهای کیفیت تصویر، نشان داد که در شیء هدف با اندازه متوسط و بزرگ، در موقعیت های نزدیک به الکترودها، خطا در اندازه کاهش می یابد و در هر سه اندازه شیء هدف، ایجاد حلقه به میزانی نبود که منجر به عدم کیفیت در تصویر بازسازی شده شود. بنابراین می توان نتیجه گرفت که استراتژی ابتکاری ارایه شده، عملکرد مطلوبی برای تعیین توزیع مواد در محیط های بزرگ را دارد.
    کلیدواژگان: استراتژی سنجش، تصویرسازی، توموگرافی، غلظت
  • داود باولی بهمئی، یحیی عجب شیرچی، شمس الله عبدالله پور*، سامان آبدانان مهدی زاده صفحات 91-108

    هدف از این پژوهش ارایه ی یک استراتژی برای طراحی و شبیه سازی یک هاضم بی هوازی برای هضم لجن خام فاضلاب شهری بر اساس الگو های جریان درون هاضم و بررسی شرایط رسوب لجن در این هاضم بی هوازی بود. به این منظور، شبیه سازی ها بر اساس یک استراتژی گام به گام انجام شد. ابتدا سرعت گاز ورودی به هاضم بیوگاز تعیین شد و در مراحل بعد، به ترتیب لوله ی گاز بالابر و بافل آویزان مخروط ناقص شکل به طراحی هاضم اضافه شده و شبیه سازی ها انجام و مشخصات آنها تعیین شد. شبیه سازی برای یک هاضم استوانه ای در مقیاس پایلوت انجام شد. یک هاضم استوانه ای شفاف بر اساس نتایج بدست آمده از شبیه سازی های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) ساخته شد. آنالیز لجن و تعیین سرعت رسوب لجن با استفاده از فرآیند پردازش تصویر و تعیین اندازه ذارت لجن و درصد هر یک از آنها بر اساس جامدات کل (TS) لجن انجام شد. بر اساس نتایج بدست آمده تنها در ناحیه ی کوچکی از کف چسبیده به دیواره ی هاضم سرعت سیال کمتر از سرعت رسوب بزرگترین ذرات موجود در لجن (5- 10 ×71/4 متر بر ثانیه)  است و امکان رسوب بخش بسیار کمی از این دسته از ذرات در این ناحیه وجود داشته، که موفق بودن طراحی هاضم بر اساس شبیه سازی گام به گام و الگو های جریان برای هم زنی در هاضم های بی هوازی گاز بالابر را تایید کرده و نشان داد روند شبیه سازی گام به گام روشی مناسب بوده و می تواند برای شبیه سازی هاضم های بی هوازی بیوگاز با هم زنی نوماتیکی با موفقیت استفاده شود.

    کلیدواژگان: آنالیز لجن خام، بافل آویزان، پردازش تصویر، دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)، لوله ی گاز بالابر
|
  • Samin Baladi, Yaghoob Mansoori *, Nima Nasirian, Hossein Motamedi, Irini Angelidaki Pages 1-23

    Vinasse, the effluent of alcohol distilleries, is a highly polluting waste. The high volume of vinasse and its unpleasant odor, along with its acidic properties and high pollution load, has made it one of the most important environmental challenges in Khuzestan. The use of dark fermentation to treat this wastewater is one of the cheapest and most environmentally friendly methods. Hydrogen is a clean fuel and considered as a carrier of renewable energy, if produced biologically. In the present study, the batch production of bio-hydrogen from vinasse by dark fermentation was studied. The effect of inoculum pretreatment (anaerobic digested sludge) and substrate pretreatment (vinasse) on hydrogen production yield were also investigated. The results showed that the use of chloroform as an inoculum pretreatment had increased hydrogen yield very significantly which lead to a yield of 47.8 ± 3.6 Nml/g of initial volatile solids (VS). Also, sodium hydroxide application had a significant effect on vinasse sugars hydrolysis, and the hydrogen production efficiency was increased up to 100 percent by 99.5 ± 0.1 Nml/ g of initial VS. In all treatments, acetic acid and butyric acid were identified as the dominant organic acids in the final fermentation broth. Finally, according to laboratory results and available field information, the production potential of bio-hydrogen, acetic and butyric acid from. vinasse produced in Khouzestan in 2021 was calculated to be 0.003, 0.153 and 0.132 km3, respectively. The results showed that the production of bio-hydrogen from vinasse by dark fermentation is a very efficient method due to the high potential of this gas production.

    Keywords: vinasse, Dark fermentation, pre-treatment, Anaerobic sludge, Bio-hydrogen
  • Habib Abbasi, Shady Sharifzadeh, Safoora Karimi * Pages 25-40

    Determining the best extraction method to obtain high yield of essential oils from medicinal plants has been identified as one of the challenges in scientific research. The sequential ultrasound-microwave method is a new extraction method that in this research has been applied to extraction of essential oil from basil. In order to investigate the effect of this approach on enhancing extraction yield, the microwave method was examined as a base method. To optimize the extraction conditions of the sequential method, ultrasonic power, microwave power, and extraction time were determined as independent variables and essential oil yield as response. Experiments were modeled by central composite design (CCD) of response surface methodology (RSM). The highest yield (2.3% w/w) was obtained at 300 W of ultrasonic power, 600 W of microwave power, and 40 min of extraction time. While the base method yield was 0.74% w/w. The chemical composition analysis of the active compounds showed that the number of compounds in the sequential approach is higher than those in the microwave method. Furthermore, by comparing the antioxidant properties obtained by DPPH and FRAP methods, the sequential method was better in preserving the antioxidant properties of basil essential oil. Scanning electron microscopy images also showed more damage to the glands containing the active ingredients by the sequential process than the base method. Generally, the sequential ultrasound-microwave method can be introduced as an efficient method for the extraction of essential oils from Ocimum basilicum.

    Keywords: Optimization, Basil, Gas chromatography, scanning electron microscope
  • Negar Ravash *, Javad Hesari, Ali Ayaseh Pages 41-59

    Fruit juice is one of the most popular fruit products and is consumed by a wide range of individuals in societies in almost every age group. Some producers, however, perpetrate fraud in the production procedure due to economic and financial purposes. Thus, authenticity as well as quality have always been a major concern of consumers and officials in charge of setting regulations. Being aware of the frequent fraud in terms of fruit juice and being able to detect it are essential to differentiate between the unadulterated and adulterated product with more efficacy, which could be significant with regard to swift and accurate detection process and eventually the health of the consumer. This article aims to review the studies conducted on different common fraud cases in fruit juice production and methods of detecting them. Chromatographic techniques such as high-performance liquid chromatography and gas chromatography are the most common methods for determining the purity of juices. Among novel methods of detecting fruit juice fraud cases are stable isotope analysis, reverse transcription polymerase chain reaction technique, and spectroscopy techniques, namely infrared spectroscopy, visible and ultraviolet spectroscopy, nuclear magnetic resonance spectroscopy, and fluorescence emission spectroscopy. According to a vast majority of the studies, fruit juice production fraud entails cases of adding sugar, organic acids, water, foreign fruit juices, sulfite, and cloudifiers. Also noteworthy were determining fruit content, microbiological damage indicators, and other indicators related to thermal stress, enzyme treatment, and contamination by process water. As a general conclusion, in order to accurately and quickly detect of fraud cases, researchers should always take steps to develop and update fraud detection techniques.

    Keywords: Fruit juice, Fruit product, Fraud, Authenticity
  • Sajjad Nasiri, Mostafa Khojastehnazhand * Pages 61-76
    Rapid detection and prevention of disease spread in agricultural products can significantly reduce losses and costs of disease control. In this study, an intelligent system based on image processing method has been presented for detection of grape (Sultana - Vitis vinifera) leaf diseases. For this purpose, different image texture features were extracted from the Gray Level histogram (GLH), Gray Level Co-occurrence Matrix (GLCM), Gray Level Run Length Matrix (GLRM) and Local Binary Pattern (LBP) algorithms. Two models of Artificial Neural Network (ANN) and Support Vector Machine (SVM) were used to model the features. The dataset consists of 4062 images including healthy leaves, Black Rot, Esca and Isariopsis leaves. The results showed that the SVM model based on GLRM features with an average accuracy of 89.70% showed the best performance. The results also showed that the use of all extracted features as a single feature vector increases the accuracy of classification. The accuracy of the SVM and ANN models using all of the features for training data were 91.10%, 95.04%, and for the test data were 89.93% and 91.75%, respectively. Finally, using Genetic Bee Colony (GBC) algorithm and reducing the number of features to 34 and 46 for ANN and SVM models, respectively, the average accuracy of 97.20% and 94.10% for training and testing of ANN model and 93.01% and 92.33% for training and testing of SVM model were obtained, which shows the improvement of results by GBC algorithm. The proposed method was evaluated as efficient in diagnosing grape leaf diseases.
    Keywords: Machine learning, Image texture analysis, Black rot, Esca, Isariopsis
  • Nazilla Tarabi, Hossein Mousazadeh *, Ali Jafari, Jalil Taghizadeh-Tameh Pages 77-90
    Electrical impedance tomography (EIT) is a non-invasive imaging technique that measures properties of multiphase fluids such as particles distribution and volume concentration by injecting a current into a set of electrodes and reading voltages from the electrodes. A strategy of injection and signal measurement has an important role in the image reconstruction quality and measurement accuracy. In large phantoms with high-conductivity, conventional strategies such as adjacent are not able to measure the signal with suitable quality. Therefore, the purpose of this study is to construct and evaluate the EIT system under an innovative strategy for online determination of particles distribution and concentration of solid-liquid fluid in large phantoms. The sensors of this instrument consist of 16 circular electrodes. The liquid phase was water with known conductivity and solid phase was the bottle in different sizes and in three different situations. The results showed that the innovative strategy has the ability to recognize and differentiate the target in different dimensions and different positions. The signal-to-noise rate was 1.05 dB and the dynamic range of boundary potentials was 1600 mV. The sensitivity to the sides and near the electrodes was more than the sensitivity to the middle. In positions close to the electrodes, size error decreases in medium and large target. In the three sizes of the target, ringing has no negative effect on the reconstructed image quality. Therefore, it can be concluded that the innovative strategy has a desirable performance for determining the distribution of materials in the large phantom.
    Keywords: Sensing strategy, Imaging, Tomography, concentration
  • Davood Baveli Bahmaei, Yahya Ajabshirchi, Shamsollah Abdollahpour *, Saman Abdanan Mehdizadeh Pages 91-108

    The purpose of this study was to present a strategy for designing and simulating an anaerobic digester for the digestion of raw municipal sewage sludge, based on the flow patterns within the digester, and to investigate the sediment deposition conditions in this anaerobic digester. For this purpose, the simulations were performed based on a step-by-step strategy. First, the inlet gas velocity to the digester was determined, then in the next steps, the draft tube and the conical hanging baffle were added to the digester design, respectively, and simulations were performed with them and determined their characteristics. Simulations were performed for a pilot-scale cylindrical digester. A transparent cylindrical digester was built based on the computational fluid dynamics (CFD) simulations results. Sludge analysis was performed, and determine the sludge sedimentation velocity using the image processing process, so the sludge particle size and each percentage of them based on the total solids (TS) of sludge was performed. According to the results, only in a small area of the floor attached to the digester wall, the velocity of the fluid is less than the sedimentation velocity of the largest particles in the sludge (4.71 × 10-5 m / s) so there was a sedimentation possibility of a small amount of these particles in this area, which confirmed the success of digester design based on step-by-step simulation and flow patterns for mixing in a gas-lift anaerobic digester and showed a step-by-step simulation strategy is suitable and can be used to simulate gas-lift anaerobic digesters successfully.

    Keywords: Raw Sludge Analysis. Hanging Baffle. Image Processing, Computational fluid dynamics (CFD), Draft tube