Uno studio di caso applicativo dei sensori di ossigeno disciolto nell'aerazione di precisione

I. Contesto del progetto: sfide e opportunità dell'acquacoltura indonesiana

L'Indonesia è il secondo produttore mondiale di acquacoltura e il settore rappresenta un pilastro fondamentale dell'economia nazionale e della sicurezza alimentare. Tuttavia, i metodi di allevamento tradizionali, in particolare quelli intensivi, devono affrontare sfide significative:

• Rischio di ipossia: negli stagni ad alta densità, la respirazione dei pesci e la decomposizione della materia organica consumano grandi quantità di ossigeno. Un livello insufficiente di ossigeno disciolto (DO) rallenta la crescita dei pesci, riduce l'appetito, aumenta lo stress e può causare soffocamento e mortalità su larga scala, con conseguenti perdite economiche devastanti per gli allevatori.
• Elevati costi energetici: gli aeratori tradizionali sono spesso alimentati da generatori diesel o dalla rete elettrica e richiedono un azionamento manuale. Per evitare l'ipossia notturna, gli agricoltori spesso utilizzano gli aeratori ininterrottamente per lunghi periodi, con un conseguente enorme consumo di elettricità o gasolio e costi operativi molto elevati.
• Gestione estensiva: affidarsi all'esperienza manuale per valutare i livelli di ossigeno nell'acqua, ad esempio osservando se i pesci "boccheggiano" in superficie, è altamente impreciso. Quando si osserva il boccheggiare, i pesci sono già gravemente stressati e iniziare l'aerazione a questo punto è spesso troppo tardi.

Per affrontare queste problematiche, in Indonesia si stanno promuovendo sistemi intelligenti di monitoraggio della qualità dell'acqua basati sulla tecnologia Internet of Things (IoT), in cui il sensore dell'ossigeno disciolto svolge un ruolo fondamentale.

II. Studio dettagliato di un caso di applicazione della tecnologia

Ubicazione: Allevamenti di tilapia o gamberetti su media e grande scala nelle zone costiere e interne delle isole al di fuori di Giava (ad esempio, Sumatra, Kalimantan).

Soluzione tecnica: implementazione di sistemi intelligenti di monitoraggio della qualità dell'acqua integrati con sensori di ossigeno disciolto.

1. Sensore di ossigeno disciolto: l'"organo sensoriale" del sistema

• Tecnologia e funzione: utilizza sensori ottici basati sulla fluorescenza. Il principio prevede uno strato di colorante fluorescente sulla punta del sensore. Quando viene eccitato dalla luce di una specifica lunghezza d'onda, il colorante emette fluorescenza. La concentrazione di ossigeno disciolto nell'acqua attenua (riduce) l'intensità e la durata di questa fluorescenza. Misurando questa variazione, la concentrazione di ossigeno disciolto viene calcolata con precisione.
• Vantaggi (rispetto ai tradizionali sensori elettrochimici):
  • Nessuna manutenzione: non è necessario sostituire elettroliti o membrane; gli intervalli di calibrazione sono lunghi e richiedono una manutenzione minima.
  • Elevata resistenza alle interferenze: meno suscettibile alle interferenze causate dalla portata dell'acqua, dall'acido solfidrico e da altre sostanze chimiche, il che lo rende ideale per ambienti di stagni complessi.
  • Elevata precisione e risposta rapida: fornisce dati DO continui, accurati e in tempo reale.

2. Integrazione del sistema e flusso di lavoro

• Acquisizione dati: il sensore DO è installato in modo permanente a una profondità critica nello stagno (spesso nell'area più lontana dall'aeratore o nello strato d'acqua intermedio, dove il DO è solitamente più basso), monitorando i valori DO 24 ore su 24, 7 giorni su 7.
• Trasmissione dati: il sensore invia i dati via cavo o in modalità wireless (ad esempio, LoRaWAN, rete cellulare) a un data logger/gateway alimentato a energia solare sul bordo dello stagno.
• Analisi dei dati e controllo intelligente: il gateway contiene un controller preprogrammato con limiti di soglia DO superiore e inferiore (ad esempio, avvio dell'aerazione a 4 mg/L, arresto a 6 mg/L).
• Esecuzione automatica: quando i dati di ossigeno disciolto in tempo reale scendono al di sotto del limite inferiore impostato, il controller attiva automaticamente l'aeratore. Lo spegne una volta che l'ossigeno disciolto torna a un livello superiore di sicurezza. L'intero processo non richiede alcun intervento manuale.
• Monitoraggio remoto: tutti i dati vengono caricati simultaneamente su una piattaforma cloud. Gli agricoltori possono monitorare da remoto lo stato dell'ossigeno disciolto e i trend storici di ogni bacino in tempo reale tramite un'app mobile o un pannello di controllo del computer e ricevere avvisi SMS in caso di condizioni di basso livello di ossigeno.

III. Risultati e valore dell'applicazione

L'adozione di questa tecnologia ha portato cambiamenti rivoluzionari per gli agricoltori indonesiani:

1. Mortalità significativamente ridotta, resa e qualità aumentate:
   • Il monitoraggio di precisione 24 ore su 24, 7 giorni su 7 previene completamente gli eventi ipossici causati dalle ore notturne o dai cambiamenti climatici improvvisi (ad esempio, pomeriggi caldi e silenziosi), riducendo drasticamente la mortalità dei pesci.
   • Un ambiente DO stabile riduce lo stress dei pesci, migliora il rapporto di conversione alimentare (FCR), favorisce una crescita più rapida e sana e, in definitiva, aumenta la resa e la qualità del prodotto.
2. Risparmi sostanziali sui costi energetici e operativi:
   • Passa dal funzionamento "aerazione 24 ore su 24, 7 giorni su 7" a quello "aerazione su richiesta", riducendo il tempo di esecuzione dell'aeratore del 50%-70%.
   • Ciò comporta direttamente un netto calo dei costi dell'elettricità o del gasolio, abbassando significativamente i costi di produzione complessivi e migliorando il ritorno sull'investimento (ROI).
3. Consente una gestione precisa e intelligente:
   • Gli agricoltori non devono più occuparsi del laborioso e impreciso compito di controllare costantemente gli stagni, soprattutto di notte.
   • Le decisioni basate sui dati consentono una programmazione più scientifica dell'alimentazione, dei farmaci e dello scambio idrico, consentendo una moderna transizione dall'“agricoltura basata sull'esperienza” all'“agricoltura basata sui dati”.
4. Capacità di gestione del rischio migliorata:
   • Gli avvisi sui dispositivi mobili consentono agli agricoltori di essere immediatamente a conoscenza di anomalie e di intervenire a distanza, anche quando non sono sul posto, migliorando notevolmente la loro capacità di gestire i rischi improvvisi.

IV. Sfide e prospettive future

• Sfide:
  • Costo dell'investimento iniziale: il costo iniziale dei sensori e dei sistemi di automazione rimane un ostacolo significativo per i piccoli agricoltori individuali.
  • Formazione tecnica e adozione: è necessario formare gli agricoltori tradizionali affinché modifichino le vecchie pratiche e imparino a utilizzare e manutenere le attrezzature.
  • Infrastruttura: un'alimentazione elettrica stabile e una copertura di rete stabile nelle isole remote sono prerequisiti per il funzionamento stabile del sistema.
• Prospettive future:
  • Si prevede che i costi delle attrezzature continueranno a diminuire con il progredire della tecnologia e il raggiungimento delle economie di scala.
  • I sussidi e i programmi di promozione del governo e delle organizzazioni non governative (ONG) accelereranno l'adozione di questa tecnologia.
  • I sistemi futuri integreranno non solo sensori di ossigeno disciolto, ma anche di pH, temperatura, ammoniaca, torbidità e altri parametri, creando un "IoT subacqueo" completo per gli stagni. Gli algoritmi di intelligenza artificiale consentiranno una gestione completamente automatizzata e intelligente dell'intero processo di acquacoltura.

Conclusione

L'applicazione dei sensori di ossigeno disciolto nell'acquacoltura indonesiana è un esempio di successo altamente rappresentativo. Grazie al monitoraggio preciso dei dati e al controllo intelligente, affronta efficacemente i principali punti critici del settore: il rischio di ipossia e gli elevati costi energetici. Questa tecnologia rappresenta non solo un aggiornamento degli strumenti, ma una rivoluzione nella filosofia agricola, guidando costantemente l'industria dell'acquacoltura indonesiana e globale verso un futuro più efficiente, sostenibile e intelligente.