LabCTI

Aquaponia

Projeto e construção de um sistema de aquaponia para cultivação de chás e temperos em residências

Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica para o Ensino Médio

Caracterização do problema

Previamente ao advento da agricultura os humanos eram nômades e viajavam constantemente em busca de animais selvagens e grãos. Com o surgimento da agricultura como fonte previsível e centralizada de alimentos, passaram a ter um incentivo para se fixarem. Assim cidades começaram a se formar [1].

Com os avanços industriais, hoje são usadas grandes máquinas tanto para o plantio de sementes como para manutenção das lavouras. Deste modo, o que era apenas feito em pequena escala para pequenas comunidades passou a envolver grandes quantidades de terra. Mesmo tendo sido um dos principais responsáveis pela estabilização do homem, as novas tecnologias apontam diversos gastos e problemas ecológicos. Dentre os principais problemas estão infertilidade do solo, desmatamento, erosão e consumo elevado de água [2]. Além dos problemas ecológicos, a necessidade de grandes quantidades de terra, de controle de produção, necessidade de adubos químicos e grandes perdas devem também ser considerados.

De modo a solucionar ou pelo menos minimizar alguns dos problemas supracitados surgiu a hidroponia [3]. A hidroponia consiste num sistema de cultivo caracterizado por não necessitar de solo. Neste sistema as raízes das plantas ficam dentro de uma solução com água e fertilizantes que alimentam as plantas. Dentre os principais objetivos da hidroponia estão redução da quantidade de água utilizada, redução do uso de agrotóxicos, consequentemente, não poluição do solo e, sobretudo, maior qualidade para os alimentos.

Apesar das vantagens de se usar a hidroponia, pesquisas apontam que há algumas características que necessitam de melhoria, tais como: elevado consumo de água, necessidade de agentes químicos (sais) para o crescimento das plantas, necessidade de constante manutenção, gastos extensivos devido a necessidade de terraplanagem, construção de estufas, mesas especiais, bancadas e sistemas hidráulicos e elétricos.

Em busca de soluções para resolver os problemas encontrados tanto na agricultura quanto na hidroponia desenvolveu-se a aquaponia. A aquaponia consiste em um ciclo onde a água utilizada em um aquário é bombeada para uma horta acima do nível do aquário (Figura 1). Assim a água com nutrientes provenientes dos peixes é bombeada para a cama de cultivo onde as plantas absorvem os nutrientes e fazem um processo de filtragem. Esta água filtrada retorna ao aquário, fazendo com que o ciclo continue. A utilização de peixe, além de fornecer nutrientes para as plantas faz com que se tenha um sistema sustentável e mais eficiente. Do ponto de vista sustentável, tem-se uma economia de até 80% do consumo de água. Com os nutrientes do peixe não é necessário o uso de componentes químicos (sais) para o crescimento das plantas. Do ponto de vista econômico, tem-se ainda mais vantagens: a aquaponia é um método extremamente barato, se comparado a agricultura e hidroponia, pois tem menos desperdício e não necessita de tanta mão de obra.

Apesar da aquaponia criar novas opções para o crescimento sustentável de vegetais seu uso ainda é escasso. Esta técnica é pouco difundida e exige que quem decida aplica-la em pequena escala prepare todo o sistema usando diversos materiais. Visando uma maior difusão desta tecnologia e maior qualidade de vida para as pessoas, seria interessante que houvesse um sistema compacto de aquaponia pronto para uso, que pudesse ser adquirido comercialmente.

Em vista do problema supracitado esta proposta sugere o projeto e construção de um sistema de aquaponia de fácil operação e montagem. Este kit permitirá que usuários cresçam verduras, chás e temperos na própria cozinha e possam usá-los frescos. Desta forma o uso de aquaponia poderá ser expandido ainda mais e muito mais usuários poderão beneficiar-se das vantagens deste tipo de tecnologia.

Figura 1: Diagrama básico de um sistema de aquaponia. Os peixes são alimentados e geram amônia em seus resíduos. A amônia em grandes quantidades é tóxica, mas no sistema ela é transformada em alimento para as plantas. As bactérias estão presentes na cama de cultivo e no tanque dos peixes. Há dois grupos de bactérias, os quais transformam a amônia em nitrito e depois em nitrato, que alimenta as plantas. As plantas recebem o nitrato, transformando-o em alimento e nutriente. Plantas e peixes podem ser consumidos, gerando segurança alimentar, renda e saúde [4].

Objetivos e metas a serem alcançados

O objetivo geral desta proposta é projetar e construir um sistema compacto de aquaponia que possa ser utilizado em residências no cultivo de verduras, chás e temperos. De modo a atingir este objetivo geral, definem-se os seguintes objetivos específicos:

Avaliar os sistemas de aquaponia existentes na literatura e em uso;
Projetar um protótipo do sistema usando um software de desenho gráfico;
Dividir o projeto de protótipo em diferentes partes: tanque dos peixes, cama de cultivo, iluminação, sistema de circulação de água e oxigenação, sistema de alimentação e central de controle;
Avaliar diferentes tipos de tanque de peixe e selecionar o mais adequado;
Selecionar qual tipo de peixe é mais apropriado para uso;
Construir uma cama de cultivo;
Definir qual tipo de agregado e plantas serão adicionados a cama de cultivo;
Criar um sistema de iluminação artificial;
Implantar um sistema de circulação de água e oxigenação;
Projetar um sistema de alimentação automático para os peixes;
Criar uma central de controle;
Realizar testes de funcionamento;
Ajustar o funcionamento do protótipo de modo que possam ser cultivados chás e temperos;
Avaliar o crescimento dos vegetais e dos peixes;
Elaborar um manual de instruções de fácil compreensão por usuários;
Pesquisar patentes de sistemas similares para avaliação da possibilidade de depositarmos uma patente de nosso protótipo;

Metodologia a ser empregada

Uma vez que esta proposta está sendo submetida ao Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica para o Ensino Médio (PIBIC_EM), a metodologia foi formulada levando-se em consideração que serão alunos de EM que realizaram grande parte das atividades planejadas. Pretendemos montar uma equipe formada por 14 alunos de EM, 2 acadêmicos da UFSC Blumenau, o professor orientador (proponente) e professores coorientadores nas escolas públicas. Os alunos de EM serão divididos em duplas. Os acadêmicos da UFSC serão voluntários e auxiliaram os alunos. Serão realizadas reuniões semanais entre os alunos, acadêmicos e orientador. Os professores coorientadores participarão de reuniões mensais nas quais os alunos apresentarão as atividades realizadas e os planos para o próximo mês. Esperamos, mediante a participação dos alunos nas atividades aqui previstas despertar a vocação científica e incentivar talentos potenciais entre estudantes do ensino médio e profissional da Rede Pública.

O ponto de partida para alcançar os objetivos previstos neste projeto será realizar uma análise dos sistemas de aquaponia existentes. O levantamento parcial já realizado indica que o design inicial do protótipo de aquaponia que planejamos construir será similar a Figura 1. O protótipo começará a ser concebido em esquemas usando um software de desenho como o Inkscape ou Corel Draw. Dividiremos o projeto de protótipo em 6 partes principais, a saber, tanque de peixes, cama de cultivo, iluminação, sistema de circulação de água e oxigenação, sistema de alimentação e central de controle. Assim, através do esquema e divisão do projeto em partes (etapas) seremos capazes de planejar de forma mais eficiente como será feita a montagem e os detalhes de interação entre as várias partes deste sistema. A seguir descrevemos a metodologia a ser empregada em cada uma das etapas.

Tanque de peixes: será o habitat dos peixes. Avaliaremos o uso de um aquário convencional ou de um recipiente de acrílico. As dimensões do tanque deverão ser planejadas de modo que o sistema possa ser facilmente acomodado em uma cozinha por exemplo. Um local de possível instalação do tanque em uma cozinha seria na parede, logo acima da pia. Isto tornaria o sistema ainda mais funcional e embelezaria o ambiente. Uma vez que o tanque esteja projetado a atenção deverá ser voltada para o tipo de peixe que será usado. Avaliaremos diferentes espécies começando pela tilápia. Atenção deverá ser dada ao tamanho que cada peixe poderá ter e a possibilidade de consumo. O tipo e número de peixes determinará qual ração será mais apropriada e sua quantidade.

Cama de cultivo: será o local de crescimento das plantas. A cama de cultivo poderá ser fabricada usando-se uma caixa de plástico. As dimensões de largura e comprimento deverão ser similares as do tanque de peixes para que a cama de cultivo possa ser acomodada sobre o tanque de forma simétrica. Avaliaremos o uso de argila expandida, cascalhos e brita como forma de sustentação das hortaliças. O material a ser escolhido deverá ser mineral, não poluir a água, além de trazer benefícios as plantas em seu crescimento e fortalecimento.

Iluminação: auxiliará no processo de fotossíntese das plantas. De modo que o sistema possa ser utilizado no interior de uma residência, haverá a necessidade de uma fonte de iluminação artificial para as plantas. Será pesquisado qual o melhor tipo de lâmpada que emita a radiação apropriada para simular a luz do sol. A pesquisa deverá também considerar o custo para aquisição da lâmpada e o gasto mensal que esta lâmpada ocasionará ao sistema. Avaliaremos a possibilidade de a iluminação artificial ser automatizada e só ligar durante o dia, de modo similar ao sol. Isso ocasionará uma redução de gastos para o funcionamento da iluminação.

Sistema de circulação de água e oxigenação: causará a circulação de amônia e rejeitos do tanque de peixes para a cama de cultivo. Uma bomba de aquário será utilizada para forçar a circulação da água do tanque para as plantas na cama de cultivo. Esta bomba irá também propiciar a oxigenação da água para os peixes. Avaliaremos a possibilidade de a água advinda da cama de cultivo retornar ao tanque através de um sistema em cascata, de modo a maximizar a oxigenação. A bomba auxiliará também na limpeza da água, pois possui um filtro que irá sugar o excesso de excrementos.

Sistema de alimentação: será responsável pela alimentação dos peixes. Construiremos este sistema utilizando a impressora 3D do LabCTI [5]. Este sistema será preenchido com ração de peixe suficiente para pelo menos uma semana. Em horários programados será liberada uma quantidade apropriada de ração no tanque de peixes. A programação da quantidade de ração e intervalos de liberação será feita na central de controle do sistema de aquaponia.

Central de controle e interface de usuário: será responsável pelo funcionamento adequado do sistema. Utilizaremos um sistema de Arduíno para automatizar o gerenciamento do sistema. O sistema Arduíno foi escolhido devido ao seu baixo custo e fácil acesso a população, tendo em vista que é um sistema “aberto”, de fácil programação e implementação.

A leitura da temperatura no tanque será feita por um conjunto de termopares implantados na lateral do aquário, submerso na água. Os termopares serão conectados à um LCD que indicará a temperatura em tempo real e a temperatura ideal para os peixes. Um aquecedor de aquário será acoplado ao tanque e, caso a temperatura esteja muito inferior a ideal o sistema irá acionar o aquecedor para aumento da temperatura. A necessidade ou não de um sistema de aquecimento está diretamente relacionada ao tipo de peixe presente no aquário. Além da leitura de temperatura, realizaremos a leitura do pH, usando sensores de pH arduíno, também conectados ao LCD, onde será indicado o pH atual da água e o pH ideal para vida dos peixes. O sistema que liberará a ração dos peixes será projetado de forma a garantir a compreensão do usuário e o funcionamento eficaz do equipamento.

Calibração do sistema e testes adicionais: realizaremos testes de calibração dos indicadores de temperatura e pH, bem como a calibragem na quantidade de comida de acordo com o tipo e quantidade de peixes. Testes de qualidade, usabilidade, eficiência e produção também serão realizados, buscando conhecer e solucionar todos os erros que venha a ocorrer durante o funcionamento do sistema.

Uma vez que sistema esteja operacional elaboraremos um manual de instruções de fácil compreensão por usuários. Este manual será rico em digramas e imagens e apresentará uma seção de problemas mais comuns e possíveis soluções.

A busca de patentes será constante durante a execução do projeto. Com auxílio do orientador, que possui vasta experiência na publicação de patentes, os alunos aprenderão como realizar a busca de patentes e auxiliarão na avaliação da possibilidade de depositarmos uma patente de nosso protótipo.

Resultados esperados

Ao termino deste projeto esperamos alcançar os seguintes resultados:

Projeto completo e de fácil reprodução do sistema de aquaponia, composto por tanque dos peixes, cama de cultivo, iluminação, sistema de circulação de água e oxigenação, sistema de alimentação e central de controle;
Interface de usuário amigável, compacta e automatizada para fácil operação do sistema;
Manual de instruções de fácil compreensão por usuários e indicação de problemas mais comuns e possíveis soluções;
Análise do custo total para produção do sistema de aquaponia residencial;
Análise da energia consumida (em kWh) para operação do sistema e do custo mensal em R$.

No que tange aos alunos participantes do projeto esperamos:

– Despertar vocação científica e incentivar talentos potenciais entre estudantes do ensino médio e profissional da Rede Pública;

– Desenvolver atitudes, habilidades e valores necessários à educação científica e tecnológica dos estudantes.

Referências Bibliográficas

N.p., n.d. Web. <http://monografias.brasilescola.uol.com.br/agricultura-pecuaria/agricultura.htm>.
“Os Impactos Da Agricultura – Cultivando.com.br.” Os Impactos Da Agricultura – Cultivando.com.br. N.p., n.d. Web. 09 May 2016. <http://www.cultivando.com.br/saude_meio_ambiente_agricultura_sustentavel_impactos_agricultura.html>.
Elna. Universidade De Brasília Faculdade De Agronomia E Veterinária GUILHERME CRISPIM HUNDLEY Aquaponia, Uma Experiência Com Tilápia (Oreochromis Niloticus), Manjericão (Ocimum (n.d.): n. pag. Web.
N.p., n.d. Web. <https://3dprint.com/33438/helios-labs-3d-printed-feeder/>.
N.p., n.d. Web. <http://equilibrium.org.br/portal/empresas/sistemas-de-aquaponia>.
Nogueira,s.de C.v.; Silva, E.c.da Espaçamento E Tempo Em Berçário Na Produção De Alface No Sistema, and Hidropônico Nft Com Uso De Espuma Fen. Hidropônico NFT Com Uso De Espuma Fenólica. Horticultura Brasileira, v 20, N.2, Julho,2002. Suplemento 2. Espaçamento E Tempo Em Berçário Na Produção De Alface No Sistema Hidropônico NFT Com Uso De Espuma Fenólica. (n.d.): n. pag. Web.
Gcg. Índice Geral (n.d.): n. pag. Web.
Integração Da Produção De Plantas E, and Pe. AQUAPONIA (n.d.): n. pag. Web
18. QUALIDADE DE CULTIVARES DE ALFACE PRODUZIDOS EM HIDROPONIA 1 (n.d.): n. pag. Web.
Magalhães, Adriana G., Dimas Menezes, Luciane V. Resende, and Egídio Bezerra Neto. “Desempenho De Cultivares De Alface Em Cultivo Hidropônico Sob Dois Níveis De Condutividade Elétrica.” Hortic. Bras. Horticultura Brasileira 28.3 (2010): 316-20. Web.
[Figura 1]: N.p., n.d. Web. https://www.aquaponicsandearth.org/2013/09/why-is-the-nitrogen-cycle-so-important-to-aquaponics/, imagem traduzida e editada.

Equipe

Prof. Marcio Rodrigo Loos, P.hD. Coordenador Geral marcio.loos@ufsc.br Currículo lattes
Profa. Dra Ana Julia Dal Forno ana.forno@ufsc.br Orientadora Currículo lattes	Prof. Dr. Daniel Alejandro Ponce Saldías daniel.alejandro@ufsc.br Orientador Currículo lattes	Prof. Dr. Daniel Girardi d.girardi@ufsc.br Orientador Currículo lattes
Prof. Dr. Fábio Rafael Segundo fabio.segundo@ufsc.br Orientador Currículo lattes	Prof. Dr. Fernando Fuzinatto Dall’Agnol fernando.dallagnol@ufsc.br Orientador Currículo lattes	Prof. Dr. Marcelo Roberto Petry marcelo.petry@ufsc.br Orientador Currículo lattes
Diogo Guimarães da Silva Monitor Engenharia Têxtil Currículo Lates	Igor França Monitor Licenciatura em Química Currículo Lates	Cristian Fernando Oecksler Monitor Engenharia de Controle e Automação Currículo Lates
Amanda Scaranello Bontadine Bolsista PIBIC-EM Ensino Médio Currículo Lates	Maria Clara Lima Bolsista PIBIC-EM Ensino Médio Currículo Lates	Daniel Kratz Bolsista PIBIC-EM Ensino Médio Currículo Lates
Gabriela Antunes Bolsista PIBIC-EM Ensino Médio Currículo Lates	Heloisa Hort Bolsista PIBIC-EM Ensino Médio Currículo Lates	Jonathaan Manollo Martins Bolsista PIBIC-EM Ensino Médio Currículo Lates
Lucas Pinheiro Bolsista PIBIC-EM Ensino Médio Currículo Lates	Mariana dos Santos Pontara Bolsista PIBIC-EM Ensino Médio Currículo Lates	Mariane schalm Bolsista PIBIC-EM Ensino Médio Currículo Lates
Clara Rothbarth Bolsista PIBIC-EM Ensino Médio Currículo Lates	Jaqueline Bieging Voluntária Ensino Médio Currículo Lattes	Jefferson Nazario Bolsista PIBIC-EM Ensino Médio Currículo Lattes

Andrei Possamai

Bolsista PIBIC-EM

Ensino Médio

Currículo Lattes

Sara Bezerra

Bolsista PIBIC-EM

Ensino Médio

Currículo Lattes

Pedro Bernardo

Bolsista PIBIC-EM

Ensino Médio

Currículo Lattes

Allana Santana

Bolsista PIBIC-EM

Ensino Médio

Currículo Lattes

Gabriel Schmdit

Bolsista PIBIC-EM

Ensino Médio

Currículo Lattes

Leonardo May

Bolsista PIBIC-EM

Ensino Médio

Currículo Lattes

Divisão das Atividades

Alunos	Atividades
Todos	Avaliar os sistemas de aquaponia existentes na literatura e em uso; [TODOS]
Equipe 1: Mariana Pontara Maria Clara	Projetar um protótipo do sistema usando um software de desenho gráfico;
Equipe 1: Mariana Pontara Maria Clara	Dividir o projeto de protótipo em diferentes partes: tanque dos peixes, cama de cultivo, iluminação, sistema de circulação de água e oxigenação, sistema de alimentação e central de controle.
Equipe 2: Heloisa Hort	Avaliar diferentes tipos de tanque de peixe e selecionar o mais adequado;
Equipe 2: Heloisa Hort	Selecionar qual tipo de peixe é mais apropriado para uso.
Equipe 3: Jefferson Nazario	Construir uma cama de cultivo;Definir qual tipo de agregado e plantas serão adicionados a cama de cultivo.
Equipe 4: Jonthaan Manollo	Criar um sistema de iluminação artificial.
Equipe 5: Daniel Kratz Maria Clara Lucas Pinheiro Pedro Bernardo	Implantar um sistema de circulação de água e oxigenação.
Equipe 6: Daniel Kratz Maria Clara Lucas Pinheiro	Projetar um sistema de alimentação automático para os peixes;
Equipe 6: Daniel Kratz Maria Clara Lucas Pinheiro	Avaliar o crescimento dos vegetais e dos peixes. [TODOS]
Equipe 7: Gabriela Antunes Jefferson Nazario Andrei Possamai	Criar uma central de controle;Realizar testes de funcionamento; [TODOS]
	Ajustar o funcionamento do protótipo de modo que possam ser cultivados chás e temperos. [TODOS]