Hosted by SALL , contributed by Laertis on 24 March 2022
Η αλλοίωση και η αποσύνθεση των τροφίμων είναι ένα πρόβλημα που προκύπτει λόγω των αναποτελεσματικών πρακτικών και συνθηκών αποθήκευσης και μεταφοράς τους σε μεγάλες αποστάσεις. Από την άλλη πλευρά, πολλά τρόφιμα σπαταλούνται ή απορρίπτονται μετά την ημερομηνία λήξης τους ενώ θα μπορούσαν σε κάποιες περιπτώσεις να καταναλωθούν. Όταν τα τρόφιμα αποθηκεύονται, παράμετροι όπως η θρεπτική τους αξία, η αγωγιμότητα, η οσμή, το pH, η θερμοκρασία και η υγρασία συχνά μεταβάλλονται, και βοηθούν στην παρακολούθηση της ποιότητάς τους. Αρκετά τρόφιμα όταν ωριμάσουν υπερβολικά ή αλλοιωθούν αρχίζουν να εκπέμπουν αέρια, όπως αιθυλένιο και μεθάνιο, να αλλάζουν το χρώμα, να μεταβάλλουν την υγρασία, τη θερμοκρασία και το pH τους ή ακόμη και την αγωγιμότητά τους. Η εργασία αυτή προτείνει ένα σύστημα παρακολούθησης συγκεκριμένων τροφίμων με τη χρήση του μικροελεγκτή Arduino, ώστε να ανιχνεύονται πιθανές αλλοιώσεις, μετρώντας με τη βοήθεια αισθητήρων τα παραπάνω στοιχεία. Τα δεδομένα από τις μετρήσεις συγκρίνονται σε μια βάση δεδομένων εργαστηριακών μετρήσεων, αξιολογείται η κατάσταση του τρόφιμου, και προτείνονται αντίστοιχες ενέργειες.
Ιστορικό
Το 2ο Γενικό Λύκειο Καλαμαριάς βρίσκεται στο Καραμπουρνάκι και έχει 256 μαθητές και 29 εκπαιδευτικούς. Το σχολείο μας συμμετέχει τα τελευταία 30 χρόνια σε διάφορα Ευρωπαϊκά προγράμματα Erasmus+, εκπαιδευτικές ανταλλαγές και διεθνή συνέδρια. Κάθε σχολική χρονιά ομάδες μαθητών συμμετέχουν σε διάφορα εκπαιδευτικά προγράμματα (περιβαλλοντικά, πολιτιστικά, αγωγή σταδιοδρομίας κ.α) και δράσεις συνεργασίας με διεθνείς ή/και τοπικούς επιστημονικούς και εθελοντικούς φορείς (ESA, CERN, WWF, Κέντρο Διάδοσης Επιστημών "Νόησις", ΑΠΘ κ.α). Τα τελευταία 9 χρόνια λειτουργεί μαθητική ομάδα STEM με αντικείμενα τη Ρομποτική, τον Προγραμματισμό και τις Φυσικές Επιστήμες, δημιουργώντας αρκετά έργα με βάση τη μεθοδολογία STEM και πολλές επιτυχίες και διακρίσεις στην Ελλάδα και το εξωτερικό. Ανάμεσα σε άλλες, ενδεικτικά αναφέρουμε την διάκριση της ομάδας μας απο τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ESA) στον πανευρωπαϊκό διαγωνσιμό Astro Pi το 2018, τη συμμετοχή μας στην 84η ΔΕΘ, στο περίπτερο 13 στο stand του Νόησις - Καινοτόμες Μαθητικές Κατασκευές με το έργο "Internet of Things σε μιά έξυπνη πόλη" το Σεπτέμβη του 2019, 1η θέση στην κατηγορία "Ελεύθερη Παρουσίαση – Γυμνάσιο – Λύκειο" του Διαγωνισμού Aegean Robotics 2021 του Πανεπιστημίου Αιγαίου με το project το "Robot Hood - Το ρομπότ των Δασών" και διάκριση στον 3ο Πανελλήνιο Διαγωνισμό Ανοιχτών Τεχνολογιών 2020-2021, στην κατηγορία "Κλιματική Αλλαγή" με το βελτιωμένο project "Robot Hood - Το ρομπότ των Δασών".
Στόχος
Η πρόταση μέσω αυτής της εργασίας είναι να αναπτυχθεί ένα σύστημα που μπορεί να βοηθήσει την αναγνώριση της φρεσκάδας των τροφίμων και της ποιότητας των ειδών διατροφής. Το προτεινόμενο σύστημά μας βασίζεται σε ηλεκτρικούς αισθητήρες που μπορούν να παρακολουθήσουν τις συνθήκες αλλοίωσης των τροφίμων. Ο στόχος του προτεινόμενου συστήματος είναι να δημιουργήσει ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα με ένα μικροελεγκτή και αισθητήρες που μπορούν να ανιχνεύσουν την αλλοίωση των τροφίμων. Η χρήση αισθητήρων που μπορούν να μετρήσουν διαφορετικές παραμέτρους των τροφίμων όπως το pH, την υγρασία, την αιθανόλη και το επίπεδο μεθανίου καθώς και την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Συγκεκριμένα, η συσκευή αποτελείται από έναν μικροελεγκτή Arduino Uno και αισθητήρες μέτρησης PH, υγρασίας, αερίων αιθανόλης και μεθανίου. Οι συγκεκριμένες παράμετροι μεταβάλλονται όταν ένα τρόφιμο αρχίζει να αλλοιώνεται.
Οι μαθητές χρησιμοποιούν το κύκλωμα και τις μετρήσεις για να καταγράφουν τις επιτρεπτές ή όχι τιμές, συγκρίνουν τις μετρήσεις με τιμές αναφοράς, αναγνωρίζουν και διακρίνουν την ποιότητα του τροφίμου. Επίσης, συνειδητοποιούν την κρισιμότητα των ορθών μεθόδων αποθήκευσης και συντήρησης των τροφίμων και υιοθετούν στάσεις για την κατανάλωση, τη συσκευασία και την απόρριψη των τρόφιμων.
Συνδημιουργία με κοινωνικούς φορείς
Το φαγητό που καταναλώνουμε μπορεί να επηρεαστεί από μολύνσεις που μπορούν να συμβούν λόγω κακών συνθηκών αποθήκευσης, μη ασφαλούς συσκευασίας ή και χημικών αλλαγών που μπορεί να επέλθουν στην τροφή. Η αλλοίωση των τροφίμων συμβαίνει όταν ένα προϊόν διατροφής καθίσταται ακατάλληλο για χρήση από τον άνθρωπο. Οι παράγοντες μιας τέτοιας διαδικασίας είναι αποτέλεσμα διαφόρων εξωτερικών παραγόντων, όπως του είδους του τροφίμου, τη συσκευασία και την επεξεργασία που έχει υποβληθεί πριν την κατανάλωση. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της πιο πρόσφατης σχετικής έρευνας του ΟΗΕ, η Ελλάδα καταγράφει την τρίτη χειρότερη επίδοση στη σπατάλη τροφίμων, καθώς εκτιμάται πως καταλήγουν στα σκουπίδια 142 κιλά τροφίμων ανά κάτοικο ετησίως! Η σπατάλη τροφίμων έχει να κάνει με την ποσότητα των τροφίμων που καταλήγουν στα σκουπίδια. Βασική αιτία στον δυτικό κόσμο είναι ο υπερκαταναλωτισμός ενώ στις χώρες του λεγόμενου Τρίτου Κόσμου είναι οι συνθήκες διαχείρισης και αποθήκευσης. Συνολικά εκτιμάται πως το 17% της παγκόσμιας παραγωγής τροφίμων πετιούνται κάθε χρόνο στα
σκουπίδια. Η σπατάλη τροφίμων επηρεάζει και την κλιματική κρίση, μέσω της υπερθέρμανσης του πλανήτη. Εκτιμήσεις ειδικών αναφέρουν πως περίπου το 8%-10% των αερίων του θερμοκηπίου οφείλεται σε τρόφιμα που καταλήγουν στα σκουπίδια.
Εφαρμογή
Το προτεινόμενο ηλεκτρονικό κύκλωμα βασίζεται σε ένα μικροελεγκτή Arduino και σε ηλεκτρικούς αισθητήρες που μπορούν να παρακολουθήσουν τις συνθήκες αλλοίωσης των τροφίμων, μετρώντας ενδεικτικές παραμέτρους όπως το pH, την υγρασία, τις εκπομπές αιθυλένιο ή/και μεθανίου καθώς και την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Οι συγκεκριμένες παράμετροι μεταβάλλονται όταν ένα τρόφιμο αρχίζει να αλλοιώνεται.
Ο μετρητής – αισθητήρας pH ανιχνεύει σε μια ουσία την ένδειξη του αριθμού ιόντων υδρογόνου που σχηματίζεται σε έναν ορισμένο όγκο νερού. Μετά τη βαθμονόμηση του pHμετρου ακολούθησαν πειραματικές μετρήσεις διαφόρων υγρών διαλυμάτων, όπως λεμόνι σε νερό, καφές, γάλα, νερό βρύσης, μαγειρική σόδα σε νερό και απορρυπαντικό σε νερό, για την επαλήθευση των μετρήσεων αναφοράς. Ο αισθητήρας MQ4 ανιχνεύει την εκπομπή αερίων αιθυλενίου & μεθανίου. Έχει βρεθεί ότι όταν αρκετά τρόφιμα/φρούτα χαλάνε, εκπέμπουν αέρια αιθυλενίου ή/και μεθανίου. Οι αισθητήρες συγκεντρώνουν τις μετρήσεις από το περιβάλλον και εξάγουν αναλογική τάση ανάλογη της συγκέντρωσης του αερίου. Όσο υψηλότερη είναι η συγκέντρωση αερίου στον αέρα, τόσο μεγαλύτερη είναι η τάση εξόδου, ενώ η χαμηλότερη συγκέντρωση δίνει χαμηλότερη τάση εξόδου. Ο αισθητήρας υγρασίας ανιχνεύει το επίπεδο υγρασίας εντός του τροφίμου. Η αντίστασή του αισθητήρα είναι αντιστρόφως ανάλογη με την υγρασία του τροφίμου. Δηλαδή όσο περισσότερη υγρασία τόσο μεγαλύτερη αγωγιμότητα (χαμηλότερη αντίσταση), και όσο λιγότερη υγρασία τόσο μικρότερη αγωγιμότητα (μεγαλύτερη αντίσταση).
Αναστοχασμός
Ο έλεγχος της ποιότητας και της αλλοίωσης των τροφίμων και η μείωση της υπερκατανάλωσης και σπατάλης τροφής αποτελεί μια μεγάλη πρόκληση για την επιστημονική κοινότητα και την ανθρωπότητα. Σκοπός αυτής της εργασίας είναι αφενός η κατασκευή ενός κυκλώματος για τη μέτρηση και ανίχνευση των εκπεμπόμενων αερίων, όπως το αιθυλένιο και το μεθάνιο, των επιπέδων υγρασίας, του pH και της ηλεκτρικής αγωγιμότητας, αφού αποτελούν βασικούς παράγοντες αλλοίωσης που εμφανίζονται κατά την έναρξη του σταδίου της αποσύνθεσης των τροφίμων. Οι μαθητές εφαρμόζουν τη μέθοδο STEM και συνδυάζουν γνώσεις και ικανότητες Φυσικής, Μαθηματικών, Μηχανικής και Πληροφορικής για το σχεδιασμό, την κατασκευή, τον πειραματικό έλεγχο του κυκλώματος και την καταγραφή των τιμών μέτρησης. Τέλος με τη σύγκριση των τιμών μέτρησης με τις τιμές αναφοράς, αναγνωρίζουν την καταλληλόλητα του τροφίμου. Επιπλέον, οι μαθητές συνειδητοποιούν την κρισιμότητα των ορθών μεθόδων αποθήκευσης και συντήρησης των τροφίμων και υιοθετούν στάσεις για την κατανάλωση, τη συσκευασία και την απόρριψη των τρόφιμων.