Master's Thesis

Photobioreactor aeration optimization using image analysis

Final Thesis 14.58 MB Appendix 41.01 kB

Author of thesis: Ing. Kryštof Hruška

Acad. year: 2020/2021

Supervisor: Ing. Martin Naď, Ph.D.

Reviewer: Ing. Tomáš Létal, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis summarizes the knowledge about microalgae, their use, cultivation methods and obstacles that prevent their wider use. In the practical part of the work, a device was designed, constructed, and programmed. This device can analyze the bubbles of the tubular photobioreactor and, based on the obtained data, control its aeration. The Python programming language was used to create the program and the OpenCV library was used to analyze the photographs. The bubble detection is based on the edge detection and the subsequent refinement. The data obtained from the analysis are displayed on the device screen and the data are also stored in a csv file. The discussion lists possible improvements and lessons learned during the creation of this device.

Keywords:

photobioreactor, bubble detection, OpenCV, microalgae, image analysis, Python, edge detection

Date of defence

14.06.2021

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student představil práci na téma Optimalizace vzduchování fotobioreaktoru za pomoci analýzy obrazu. Po úvodu do problematiky byla popsána praktická část práce - model fotobioreaktoru a řídicí systém pro vzduchovací zařízení, vysvětleno praktické využití a popsány výsledky. Otázky oponenta byly zodpovězeny uspokojivě. Komisí byly položeny doplňující otázky, které byly taktéž zodpovězeny: Co znamená zkratka PID? Jak prakticky regulace funguje? Jaká je optimální velikost bublin pro růst řas?

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Process Engineering

Study programme

Mechanical Engineering (M2I-P)

Field of study

Process Engineering (M-PRI)

Composition of Committee

prof. Dr. Ing. Marcus Reppich (předseda)
prof. Ing. Petr Stehlík, CSc., dr. h. c. (místopředseda)
doc. Ing. Jaroslav Jícha, CSc. (člen)
prof. Ing. Zdeněk Jegla, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Vítězslav Máša, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Vojtěch Turek, Ph.D. (člen)
Ing. Dušan Vincour, Ph.D. (člen)
Ing. Radim Puchýř, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Martin Naď, Ph.D.

Cieľom diplomovej práce študenta, Bc. Kryštofa Hrušky, na tému „Optimalizace vzduchování fotobioreaktoru za pomoci analýzy obrazu“ bolo pomocou automatickej analýzy obrazu bublín v trubicovom fotobioreaktore riadiť a optimalizovať vzduchovanie.
V úvode práce sa študent venuje všeobecnému úvodu do problematiky fotobioreaktorov, popisu rôznych typov a kritickým faktorom, ktoré ovplyvňujú rast mikrorias. Následne sa detailnejšie zameriava na samotnú analýzu obrazu, kde popisuje rôzne prístupy autorov k úspešnej analýze obrazu.
V praktickej časti študent popisuje koncept práce a postup pri návrhu a konštrukcii zjednodušeného fotobioreaktoru, ktorý následne aj reálne zostavil. Následne aplikuje poznatky z rešeršnej časti pre vytvorenie softwaru pre analýzu obrazu. V práci popisuje rôzne úskalia a možné chyby, ktoré sú s analýzou obrazu spojené. Jednotlivé kroky sú vhodne doplnené o obrázky s popisom. Dáta z analyzovaného obrazu sú následne spracované a využité pre optimalizáciu vzduchovania.
Práca obsahuje všetky formálne náležitosti, avšak autor sa nevyhol miestami nejednotnému formátovaniu textu obrázkov. Taktiež niektoré vety sú písané dosť „rozpačito“. Tieto nedostatky však nijako nemenia význam ani neznižujú kvalitu práce. Študent bola počas vypracovávania diplomovej práce aktívny, nadmieru samostatný a dodržiaval všetky termíny stanovené vedúcim. Pre riešenie problémov, s ktorými sa musel vysporiadať, využíval vhodne zvolené postupy a splnil tak všetky ciele práce.
Prácu považujem za vydarenú a odporúčam ju k obhajobe.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Tomáš Létal, Ph.D.

Pan Bc. Kryštof Hruška ve své práci řešil optimalizaci vzduchování bioreaktoru. Rešeršní část ohledně řas a jejich pěstování v bioreaktorech na začátku práce je zpracována přehledně. Praktická část zahrnovala jak návrh a sestavení hardwaru pro snímání bublin a regulaci průtoku vzduchování, tak i tvorbu softwaru pro vyhodnocování klíčových parametrů bublin. Zařízení pro snímání bublin a regulaci průtoku vzduchování bylo sestaveno s využitím dvou kamer napojených na 2 Rapsberi Pi kolem jedné trubice fotobioreaktoru, přičemž jedno Rapsberi Pi plnilo řídící úlohu a umožňovalo na základě vyhodnocených snímků z kamer upravit intenzitu vzduchování. Konstrukce byla poměrně jednoduchá, při pořizování snímků se však objevovaly problémy například s odlesky světla a autor postupně vyladil různé způsoby osvětlení a nastavení kamer, aby byly pořízené snímky co nejkvalitnější pro následnou analýzu obrazu. V softwarové části věnované analýze obrazu s výhodou využil knihovny OpenCV a vhodně zvolil vybrané techniky pro identifikaci bublin, které byly předpokládány ve tvaru elips. Autor také řešil PID regulaci vzduchování a následně vytvořil software s grafickým uživatelským rozhraním, které umožňuje v online režimu pro zadanou velikost bublin nalézt požadovaný průtok vzduchu.
Práce obsahuje i pár gramatických chyb a popis některých vzorců není přesný, i když je zřejmé, že je autor používá korektně.
Zaměření práce je poměrně komplexní a snadno by se dalo nechat unést různými detaily v dílčích částech. Proto oceňuji zejména inženýrský přístup, kdy autor využívá adekvátních metod k tvorbě funkčního celku, přičemž si je dobře vědom různých omezení, nedostatků a případných možností vylepšení v budoucnu.
Práce je velmi zdařilá, hodnotím ji výborně a doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. Ve vztazích (5.4) na straně 26 jsou definovány operátory pro hodnocení složek gradientu jako složky samotné a na další straně je pak zmíněn vztah (5.6) pro určení úhlu směru gradientu. Ukažte na jednoduchém příkladu, jak by hodnocení gradientu probíhalo a jak by se určil úhel gradientu pro Gx = 0.
  2. Na konci kapitoly Diskuze doporučujete změnit koncept regulace vzduchování. Můžete nastínit konkrétní řešení, případně požadavky, které by mělo splňovat?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová