فهرست مطالب

مهندسی بیوسیستم ایران - سال پنجاه و چهارم شماره 1 (بهار 1402)

نشریه مهندسی بیوسیستم ایران
سال پنجاه و چهارم شماره 1 (بهار 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/04/11
  • تعداد عناوین: 6
|
  • نایب عبدالرحمانی رزکه، آرش محبی*، عارف مردانی صفحات 1-16
    در راستای مدیریت بهینه مصرف آب، استفاده از سامانه های آبیاری مجهز به واحد تصفیه آب، باعث افزایش مقبولیت این سامانه ها گردیده است. در این پژوهش اقدام به ساخت فیلتر هوشمند مجهز به فناوری خودشوینده خودکار گردید. آزمایش های این تحقیق در قالب آزمایش چند عاملی بر پایه طرح کاملا تصادفی با سه عامل فشار کاری، کیفیت آب و قطر روزنه های صافی با سه تکرار در شرایط کنترل شده آزمایشگاهی انجام گرفت. بر اساس نتایج به دست آمده، میزان آب مصرفی برای نمونه حاوی مقادیر زیاد ناخالصی و فیلترهایی با قطر روزنه بزرگ تر، بیشتر خواهد بود و استفاده از فیلترهای با قطر روزنه های کوچکتر و همچنین در نظر گرفتن فشار کارکرد پایین می تواند میزان آب مصرفی جهت شستشو را کاهش دهد. بهترین کیفیت آب تصفیه شده (3/96 درصد) و کم ترین میزان آب مصرفی (2/21 لیتر) برای شستشو در فشار کاری 100 کیلوپاسکال رخ داده است هرچند این کار باعث افزایش تعداد دفعات شستشو گردیده است. تنظیم فرآیند شستشو در شروع اولین نقطه انحراف فشار، باعث تصفیه 90 درصد آب دارای ناخالصی در هر دوره می گردد. تنظیم فشار کارکرد سامانه شستشوی فیلتر هوشمند در محدوده 100 کیلوپاسکال و استفاده از توری با شماره مش توری فیلتر 1/0 میلی متر باعث کاهش میزان 79 درصد آب مصرفی جهت شستشو و افزایش کیفیت آب تصفیه شده به میزان90 درصد شد که بدین ترتیب، امکان استفاده از آب های حاوی مقادیر زیاد مواد جامد معلق را نیز فراهم خواهد نمود.
    کلیدواژگان: آبیاری، تصفیه، سامانه هوشمند، فیلتر، مدیریت مصرف
  • سلمان رنجبری، محمدرضا ملکی*، فرزاد محمدی، جلال خدایی، کاوه ملازاده صفحات 17-36
    در خطی کاری پایش دقیق دبی بذر و کود مشکل است، زیرا دانه ها به صورت توده ای و نزدیک به هم حرکت می کنند. هدف از انجام این پژوهش پایش جریان جرمی مواد دانه ای در لوله سقوط خطی کارها با استفاده از یک حسگر پیزوالکتریک بود. سامانه آزمایشگاهی شامل مخزن، موزع، لوله سقوط و یک حسگر پیزوالکتریک بود. برای اینکه  نوسانات حرکت خطی کار در مزرعه شبیه سازی شود، یک پایه ارتعاشی که در دو راستای عمود بر هم حرکت می کرد طراحی شد. بیشترین دامنه حرکت پایه ارتعاشی 99/8 سانتی متر متناسب با پستی و بلندی مزرعه پس از خاک ورزی در نظر گرفته شد. حسگر در دو حالت استاتیکی و دینامیکی برای بذر گندم، بذر یونجه و کود تریپل سوپرفسفات مطابق با نرخ کاشت معمول خطی کارها مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد، سیگنال خروجی حسگر متناسب با تمامی نرخ های مختلف جریان جرمی در هر دو حالت استاتیکی و دینامیکی بود. ضریب تبیین در حالت استاتیکی برای بذر گندم، بذر یونجه و کود تریپل سوپرفسفات به ترتیب 95/0، 99/0 و 98/0 بود. ضریب تبیین در حالت دینامیکی برای بذر گندم، بذر یونجه و کود تریپل سوپرفسفات به ترتیب 93/0، 86/0 و 98/0 بود. به علاوه، حسگر پیزوالکتریک به خوبی تغییرات لحظه ای جریان جرمی در هر نرخ را متناسب با خوانش ترازوی دیجیتال پایش نمود. نتایج نشان داد که حسگر توسعه یافته را می توان برای پایش نرخ جریان جرمی بذر و کود در لوله سقوط  کارنده ها استفاده کرد تا به صورت برخط میزان اعمال نهاده در واحد سطح محاسبه شود.
    کلیدواژگان: تشخیص نرخ جریان جرمی، حساسیت حسگر، سنجش تماسی، کشاورزی دقیق، واحد سنجش
  • نازیلا طربی*، حسین موسی زاده، جلیل تقی زاده طامه صفحات 37-52
    در تعیین دبی جرمی مواد فله ای مانند غلات که از مجاری بسته چون لوله عبور می کنند، اندازه گیری برخط نسبت حجمی مواد جامد و توزیع آنها در مقطع لوله از اهمیت ویژه ای برخوردار است. با توجه به نقاط ضعف روش های موجود مانند ایجاد مانع در مسیر عبور مواد (نفوذی بودن) و دقت پایین، در این پژوهش روش غیرتماسی توموگرافی ظرفیت خازنی الکتریکی برای پایش جریان مواد فله ای مورد بررسی قرارگرفت که برای تعیین میزان مواد و تراکم آن، از اندازه گیری خصوصیات دی الکتریک مواد درون لوله استفاده می کند. سامانه توموگرافی الکتروخازنی ساخته شده دارای 8 الکترود اصلی و 16 الکترود فرعی، محافظ های ضد نویز و مدار فرستنده و گیرنده است که بر روی لوله نارسانا به قطر 20 سانتی متر نصب شد. مشکل عمده در عملکرد توموگرافی الکتروخازنی موجود، نویزپذیری و عدم بازسازی تصویر مطلوب با الگوریتم مرسوم LBP است. به همین دلیل در این پژوهش عملکرد الگوریتم Tikhonov با الگوریتم مرسوم LBP مقایسه شد. در این پژوهش با استفاده از محافظ های مختلف، نویزپذیری سامانه کاهش داده شد به طوری که نرخ سیگنال به نویز به میزان 09/56 دسی بل رسید که نشان دهنده کیفیت مطلوب سیگنال است. مقایسه دو الگوریتم نشان داد که الگوریتم Tikhonov دارای رفتار مناسبی در ساخت توموگرام از توده گندم در کنار دیواره های لوله در مقایسه با الگوریتم LBP بوده و بجز شرایطی که لوله به طور کامل پر است، در سایر الگوهای پرشدگی مقطع لوله، دارای عملکرد مطلوب تری است.
    کلیدواژگان: توموگرافی الکتریکی، ظرفیت خازنی، تصویرسازی، غلات
  • سید امید داودالموسوی، شاهین رفیعی*، علی جعفری صفحات 53-71

    امروزه تامین امنیت غذایی برای جمعیت روبه رشد جهان با حفظ منابع کره زمین و حداقل اثرات زیست محیطی به یکی از چالش های اساسی و مهم در کشاورزی پایدار تبدیل شده است و استفاده بهینه از منابع  یکی از الزامات اصلی کشاورزی پایدار است. در این مطالعه به بررسی الگوی مصرف انرژی در تولید هلو، تجزیه وتحلیل و مدل سازی انرژی و عملکرد تولید هلو در شهرستان نظرآباد پرداخته شد. داده ها از طریق مصاحبه با باغداران و پر کردن پرسش نامه های تخصصی جمع آوری شد. نتایج نشان داد که کل انرژی مصرفی و تولیدی به ترتیب برابر 83/72716 و 89/5234 مگاژول در هکتار بود. برق با سهم 59 درصدی از کل انرژی های ورودی پرمصرف ترین نهاده بود. شاخص های کارایی انرژی، بهره وری انرژی، شدت انرژی و انرژی خالص به ترتیب 07/0، kg/MJ 03/0،MJ/kg 39/26 و MJ67481- به دست آمد. مدل سازی با سه روش رگرسیون گرادیان تقویت شده، رگرسیون درختان تصمیم و رگرسیون جنگل تصادفی انجام شد و RRMSE به ترتیب 003/0- ،0090/0- و 0091/0- و  R2به ترتیب 98/0، 95/0 و 90/0 محاسبه شد نتایج نشان داد که روش گرادیان تقویت شده قادر است بادقت بالاتری مقادیر شاخص های بهره وری انرژی تولید هلو را پیش بینی کند. نتایج نشان داد که بهره وری انرژی و تولیدات به وسیله نهاده های آب آبیاری، برق، کودهای شیمیایی و حیوانی، نیروی کارگری، سموم شیمیایی، سوخت دیزل و ماشین ها و روش یادگیری ماشین بادقت بالایی قابل پیش بینی می باشد. تحلیل حساسیت با SHAP انجام شد و نتایج نشان داد که تاثیرگذارترین نهاده در پیش بینی انرژی، کود شیمیایی ازته بود.

    کلیدواژگان: تحلیل حساسیت با SHAP، شهرستان نظرآباد، کارایی انرژی، هلو، یادگیری ماشین
  • سپیده خراسانی*، فاطمه شهدادی، اعظم ایوبی، محمد بلوردی، نیلوفر دامغانی صفحات 73-87

    لواشک های میوه ای، محصولات مغذی هستند که با خشک کردن لایه نازکی از پوره یا آب میوه در شرایط خاص تهیه می شوند. هدف از این مطالعه بررسی تاثیر برخی اجزاء گیاهی (پسته، گردو، کنجد، شاهدانه و برگ مورینگا) بر خواص فیزیکی شیمیایی، حسی و آنتی اکسیدانی لواشک آلو بود. میزان 5 درصد از این محصولات گیاهی به فرمولاسیون لواشک آلو اضافه و ویژگی هایی مانند pH، اسیدیته، محتوی ویتامین ث، شاخص های رنگی، خاصیت مکانیکی (نیروی کششی)، ترکیبات فنولی و خواص آنتی اکسیدانی و حسی نمونه های لواشک با نمونه شاهد مقایسه شد. نتایج نشان داد کمترین میزان pH (0/3) و بیشترین میزان اسیدیته (2/4وزنی/وزنی) و ویتامین ث (210 میلی گرم در صد گرم) مربوط به تیمار شاهد بود. افزودن اجزاء گیاهی مختلف باعث افزایش pH و کاهش اسیدیته گردید. اضافه کردن این محصولات باعث افزایش ترکیبات فنولی و فعالیت آنتی اکسیدانی نمونه ها گردید و بیشترین میزان ترکیبات فنولی (1024میلی گرم در صد گرم) و فعالیت ضدرادیکالی (52 درصد) در تیمارهای حاوی پودر کنجد مشاهده شد. بیشترین میزان نیروی کششی مربوط به تیمار شاهد (4/25 نیوتن) بود. سایر تیمارها تفاوت معنی داری از لحاظ نیروی کششی نشان ندادند (05/0P>). از لحاظ ویژگی های حسی، بیشترین امتیازات پذیرش کلی را تیمارهای شاهد و نمونه های حاوی مورینگا و پسته کسب کردند. افزودن این محصولات باعث کاهش شاخص روشنایی (L*) و زردی (b*) و افزایش شاخص قرمزی a* نسبت به شاهد گردید. بطور کلی نتایج این پژوهش نشان داد افزودن اجزاء گیاهی مورد بررسی علاوه بر ایجاد تنوع در لواشک باعث افزایش خواص آنتی اکسیدانی و ارزش تغذیه ای آن می گردد.

    کلیدواژگان: لواشک آلو، اجزاء گیاهی، شاخص های رنگی، خواص آنتی اکسیدانی، ویژگی های حسی
  • علیرضا شفیع زاده، مرتضی آغباشلو*، میثم طباطبائی، حسین مبلی، محمدحسین نادیان صفحات 87-113
    کاهش ذخیره منابع انرژی های فسیلی یک زنگ خطر برای بشر است. از طرف دیگر، مصرف روبه رشد سوخت های فسیلی مشکل های زیست محیطی بسیاری مانند گرمایش زمین را با خود به همراه داشته است. این موارد جایگزینی انرژی های تجدیدپذیر را اجتناب ناپذیر ساخته است. در میان انواع انرژی های تجدیدپذیر زیست توده یکی از منابع قابل اطمینان و پایدار است. تبدیل های حرارتی - شیمیایی زیست توده به عنوان یک روش امیدوارکننده جهت تبدیل زیست توده خام به سوخت در حالت های مایع (روغن زیستی)، جامد (کربن زیستی) و گاز (گاز زیستی) در نظر گرفته شده است. پیرولیز به عنوان یکی از مهم ترین تبدیل های حرارتی - شیمیایی برای تولید موثر روغن زیستی موردتوجه گسترده قرار گرفته است. بااین حال، باتوجه به پیچیدگی و نیاز به تجهیزات پیشرفته این فرایندها، اندازه گیری مقدار محصول های تولید شده و کیفیت آنها به دلیل زمان و هزینه بربودن بسیار چالش برانگیز است؛ بنابراین مدل سازی به عنوان یک شیوه موثر برای به حداکثر رساندن عملکرد و بهره وری پیرولیز موردتوجه گسترده قرار گرفته است. در میان روش های مختلف مدل سازی، یادگیری ماشین در سال های اخیر بخصوص برای بهینه سازی فرایند پیرولیز پیش بینی بازده، پایش بلادرنگ و کنترل فرایند توجه زیادی را به خود جلب کرده است. براین اساس، علاوه بر روش های پایه همچون شبکه های عصبی مصنوعی (یادگیری همبستگی های غیرخطی بین مقادیر ورودی و خروجی)، مدل های هم آمیخته یادگیری ماشین که از مدل های رایج برای مدل سازی و بهینه سازی مسایل پیچیده بسیار بهتر عمل می کنند موردتوجه خاص قرار گرفته اند. این مطالعه به طور جامع به تحقیق های صورت گرفته در مورد کاربردهای یادگیری ماشین در مدل سازی فرایند پیرولیز و چشم انداز پیشروی این فناوری می پردازد. این مدل های ماشین یادگیری برای پیش بینی تولید روغن زیستی ضریب تعیین بین 26/0 در ضعیف ترین حالت و 99/0 را در بهترین حالت ارایه داده اند. این مدل ها مقادیر بین 6/0 و 93/0 را برای پیش بینی ارتقای کیفیت روغن زیستی ارایه نموده اند.
    کلیدواژگان: پیرولیز، تبدیل حرارتی &ndash، شیمیایی، زیست توده، مدل سازی، یادگیری ماشین
|
  • Nayeb Abdollrahmani Razkeh, Arash Mohebbi *, Aaref Mardani Pages 1-16
    In line with the optimal management to water consumption, the usage of irrigation systems equipped with water cleanup systems increased the acceptance of these systems. In this research, a smart filter equipped with automatic self-cleaning technology was constructed. The experimental of this research in the form of a factorial test based on a completely randomized design with three factors working pressure, water quality and the diameter of filter openings with three repetitions in controlled laboratory conditions. The amount of water consumed will be higher for samples containing large amounts of impurities and filters with larger aperture diameters, and using filters with smaller aperture diameters and considering low operating pressure can reduce the amount of water consumed for washing. The results showed that the best quality of purified water (96.3%) and the lowest amount of water used for washing occurred (21.2 L) at a working pressure of 100 kPa, although this has increased the number of filter washing times. Setting the washing process at the beginning of the first point of pressure deviation causes a high amount of water to be purified in each cycle. Setting up the working pressure unit of the smart filter control unit within 100 kPa and using a net with an opening diameter of 0.1 mm reduces the amount of water used to wash (79%) and increases the quality of the treated water (90%), which will allow the use of waters containing large amounts of suspended soluble solid materials.
    Keywords: consumption management, filter, Irrigation, purification, Smart system
  • Salman Ranjbari, Mohammadreza Maleki *, Farzad Mohammadi, Jalal Khodaei, Kaveh Mollazade Pages 17-36
    It is difficult to accurately measure the flow rate of seeds and fertilizers in grain drills, because the granules move in a continuous dense state. The purpose of this research was to monitor the mass flow of granular materials in the fall tube of the drill using a piezoelectric sensor. The laboratory system consisted of a repository box, a fluted roller metering device, a fall tube, and a piezoelectric sensor. To simulate the drill movement in the field, a vibrating stand was designed to oscillate the set-up in two perpendicular directions. The maximum amplitude stand was 8.99 cm according to the peaks and depressions available in a field after plowing. The sensor was evaluated in two static and dynamic modes for wheat seed, alfalfa seed, and triple superphosphate fertilizer with the usual drilling rate. The results showed the output signal of the sensor was proportional to all different mass flow rates in both static and dynamic states. The correlation coefficient was 0.95, 0.99, and 0.98 in static mode and 0.93, 0.86, and 0.98 in dynamic mode for wheat, alfalfa seed, and triple superphosphate fertilizer, respectively. In addition, the piezoelectric sensor could instantaneously monitor the sudden changes in the mass flow according to the reading of the digital scale. The results showed that the developed sensor can be used to monitor the mass flow rate of seeds and fertilizers in drills for calculating the drilling rate in real time.
    Keywords: Contact sensing, Precision Agriculture, Seed flow rate detection, Sensing unit, Sensor sensitivity
  • Nazilla Tarabi *, Hossein Mousazadeh, Jalil Taghizadeh-Tameh Pages 37-52
    In determining the mass flow rate of bulk materials such as grains that pass through closed channels such as pipes, the online measurement of the volume ratio of solid materials and their distribution in the pipe cross-section is of particular importance. Considering the features of conventional methods such as be creating obstacles in the passage of materials (permeability) and low accuracy, in this research the non-contact tomography method of electrical capacitance was investigated for monitoring the flow of solid materials. In this method, to measure the amount of material and its density, it uses the measurement of the dielectric properties of the material inside the pipe. The developed electro-capacitance tomography system has 8 main electrodes and 16 secondary electrodes, anti-noise guards and a transmitter and receiver circuit, which was installed on a non-conductive pipe with a diameter of 20 cm. The main problem in the performance of the electro-capacitance tomography is the noise and lack of optimal image reconstruction with the conventional LBP algorithm. In this study, the performance of Tikhonov algorithm was compared with the conventional LBP algorithm. In this research, by using different guards, the noise level of the system was reduced so that the signal-to-noise ratio reached 56.09 dB. The results of the comparison of two algorithms showed that the Tikhonov algorithm has a good behavior in reconstruction of a tomogram of the wheat mass next to the pipe walls compared to the LBP algorithm, and except for the condition that the pipe is completely full, in other filling patterns of the pipe, has a better performance.
    Keywords: Electrical Tomography, capacitance, Image Reconstruction, grains
  • Seyed Omid Davodalmosavi, Shahin Rafiee *, Ali Jafari Pages 53-71

    Today, providing food security for the world's growing population by preserving the earth's resources & minimal environmental effects has become one of the basic & important challenges in sustainable agriculture, & the optimal use of resources is one of the main requirements of sustainable agriculture. In this study, the pattern of energy consumption during peach production, analysis & modeling of energy & performance of peach production in Nazarabad city was investigated. Data were collected through interviews & filling specialized questionnaires. The results showed that the total energy consumption & production were equal to 72716.83 & 5234.89 megajoules per hectare, respectively. Electricity was the most consumed input with a share of 59% of the total input energy. The indices of energy efficiency, energy efficiency, energy intensity and net energy were obtained as 0.07, (kg/MJ) 0.03, (MJ/Kg) 26.39 and (MJ) -67481 respectively. Modeling was done with three methods enhanced gradient regression, decision tree regression, and random forest regression, and RRMSE was -0.003, -0.0090, and -0.0091, and R2 was 0.98, 0.95, and 90, respectively was calculated. The results showed that the enhanced gradient method is able to accurately predict the values of the energy efficiency indices of peach production. The results showed that the energy efficiency and production can be predicted with high accuracy through the inputs of irrigation water, electricity, chemical and animal fertilizers, labor force, chemical poisons, diesel fuel and machines and machine learning method. Sensitivity analysis was performed with SHAP and the results showed that the most influential input in energy prediction was nitrogen fertilizer.

    Keywords: Analysis analysis with SHAP, Nazarabad city, Energy Efficiency, peach, Machine learning
  • Sepideh Khorasani *, Fatemeh Shahdadi, Azam Ayobi, Mohammad Balvardi, Nilofar Dameghani Pages 73-87

    Fruit leathers are nutritious products that are made by dehydrating a thin layer of fruit puree or juice under specific conditions. The aim of this study was to investigate the effect of various plant components (pistachio, walnut, sesame, hemp and moringa leaves) on the physicochemical, sensory and antioxidant properties of plum leather. The amounts of 5% of these components were added to the plum leather formulation and the pH, total acidity, vitamin C content, color indices, mechanical property (rupture force), phenolic compounds, antioxidant activity, and sensorial properties of these treatments were compared with control. The results showed that the lowest pH (3.0) and the highest acidity (4.2% w/w) and vitamin C content (210 mg/100 g) were related to the control. Addition of different plant components increased the pH and decreased total acidity. Adding these components to plum leather increased the phenolic compounds and antioxidant activity of samples and the highest amount of phenolic compounds (1024 mg/100 g) and anti radical activity (52%) were observed in treatments with sesame powder. The highest amount of rupture force was related to the control (25.4 N). Other treatments did not show a significant difference in terms of rupture force (P> 0.05). In terms of sensorial characteristics, the highest overall acceptance was obtained by control and the samples containing pistachio and moringa leaves. Addition of these components decreased the brightness (L *) and yellowing (b *) indices and increased a * index compared to the control. In general, the results of this study showed that the addition of plant components, in addition to creating new leather formulations, increases their antioxidant properties and nutritional values.

    Keywords: Plum leather, plant components, Color indices, Antioxidant activity, Sensorial properties
  • Alireza Shafizadeh, Mortaza Aghbashlo *, Meisam Tabatabaei, Hossein Mobli, Mohammad Hossein Nadian Pages 87-113
    Reducing the reserves of fossil energy sources serves as a warning sign for humanity. On the other hand, the increasing consumption of fossil fuels has led to significant environmental problems, such as global warming. These issues make the replacement of renewable energy sources with fossil fuels inevitable. Among various renewable energy sources, biomass is a reliable and sustainable resource. Thermochemical conversions of biomass are a promising method for converting raw biomass into liquid (bio-oil), solid (bio-char), and gas (biogas) fuels suitable for modern life. As one of the most important thermochemical conversions for efficient bio-oil production, pyrolysis has received significant attention. However, pyrolysis requires advanced equipment, precise product quantity, and quality measurement, which can be challenging and costly. Therefore, modeling has been extensively researched to enhance the performance and efficiency of pyrolysis. In recent years, machine learning has gained considerable attention in pyrolysis modeling, particularly for yield optimization, real-time monitoring, and process control. In addition to conventional techniques like artificial neural networks that capture nonlinear correlations between input and output values, combined machine learning models have been of particular interest for modeling and optimizing complex problems more effectively. This study provides a comprehensive overview of the research conducted on the application of machine learning in pyrolysis process modeling and assesses the prospects of this technology. These machine learning models have provided R2 between 0.26 in the weakest case and 0.99 in the best case for predicting bio-oil production. These values have been presented between 0.6 and 0.93 to predict the improvement of bio-oil quality modeling.
    Keywords: Biomass, Thermochemical Conversion, Pyrolysis, modeling, Machine learning