Aqu @teach: Tecnología del sistema acuícola de recirculación (RAS)

Un sistema de acuicultura recirculante (RAS) consiste en tanques de peces y varias unidades de filtración que limpian el agua. En un RAS clásico, el agua está en flujo constante desde los tanques de peces a través del sistema de filtración y luego de vuelta a los tanques de peces (Figura 4). Debido al metabolismo de los peces, el agua que sale de los tanques contiene altas concentraciones de sólidos, nutrientes y dióxido de carbono, mientras que es pobre en oxígeno en comparación con el agua entrante. El objetivo de las unidades de filtración es disminuir las concentraciones de sólidos, nutrientes, toxinas y dióxido de carbono, y aumentar los niveles de oxígeno disuelto en el agua antes de que sea devuelto a la pecera.

El sistema de filtración consta de varias etapas (Figura 4). El primer paso de tratamiento después de la salida es la separación de sólidos (Figura 4, punto 2), donde los sólidos (restos de alimento, heces y ensamblajes de bacterias) se eliminan del agua. Después de esto, el agua se desinfecta con UV (Figura 4, punto 6). Este paso no siempre se implementa en piscifactorías y también se puede colocar después del biofiltro. A continuación, el agua entra en el biofiltro (Figura 4, punto 3), donde las bacterias metabolizan parte de la carga orgánica, y oxidan el amoníaco a nitrito y luego al nitrato. Todas estas reacciones metabólicas bacterianas utilizan oxígeno disuelto (O₂) y, al igual que los peces, liberan dióxido de carbono (CO₂) en el agua. Por lo tanto, el CO₂ en agua debe reducirse después de la biofiltración. Esto se hace en la unidad de desgasificación en la que se aumenta la superficie de agua a aire de modo que el CO₂ la fase de aire (Figura 4, punto 4). Como último paso, la concentración de oxígeno en el agua debe aumentarse a un nivel adecuado para los peces. Esto se hace en la unidad de oxigenación (Figura 4, punto 5). En las secciones siguientes se describen estos componentes del sistema con más detalle.

Figura 4: Componentes principales de un sistema acuícola de recirculación (RAS)

La pecera

El tanque de peces es el área de cultivo para los peces y, por lo tanto, un componente central de un RAS. Los diseños de tanques ‘clásicos’ son tanques redondos y canales de flujo cuadrado. Uno de los principales aspectos que hace que los tanques redondos sean favorables sobre los canales de flujo cuadrado es el efecto de autolimpieza que se puede lograr a través de un patrón hidráulico circular (Figura 5). El flujo en los acuarios tiene dos funciones: i) distribución uniforme del agua de entrada y los piensos para peces; y ii) transporte de partículas al centro de la cisterna. El flujo giratorio primario es el flujo desde la entrada y, a continuación, en sentido horario o antihorario alrededor del tanque. Transporta sólidos asentables a la parte inferior. El flujo giratorio primario crea un flujo radial secundario y juntos generan un tanque autolimpiante.

Figura 5: Función de los patrones de flujo primario y secundario: el flujo primario garantiza una buena distribución del agua del agua de entrada y el flujo secundario contribuye a la eliminación efectiva de los sólidos (adaptado después de Timmons et al. 1999)

Aunque los tanques redondos tienen numerosas ventajas sobre los tanques cuadrados, su principal desventaja (baja eficiencia de área) a menudo los convierte en una solución subóptima para una granja RAS. Por lo tanto, en las últimas décadas se han desarrollado y probado muchas otras formas de tanques (se presentan más detalles en Capítulo 12).

Dado que RAS ha ganado popularidad y estos sistemas también están planeados como empresas a gran escala (por ejemplo, Nordic Aquafarms está planeando invertir en una granja RAS de 500 millones de dólares en Belfast, Maine, EE.UU.), los diseños de tanques grandes se han convertido cada vez más en importante. Estos tanques grandes son a menudo (al menos en teoría) mucho más rentables que los tanques más pequeños tradicionales (Figura 6).

Figura 6: Un tanque redondo grande (6 m de profundidad, 32,5 m de diámetro) como parte de un RAS de salmón (Swiss Alpine Fish

Las condiciones de flujo tienen un impacto importante en la salud de los peces. Se pueden establecer diferentes flujos de agua y, por lo tanto, estructurar las cuencas hidráulicamente mediante el uso de paneles. De esta manera, los peces permanecen en la parte óptima del tanque (Figura 7). Es importante saber que los nadadores necesitan nadar, en otras palabras, necesitan una corriente. La velocidad de la corriente debe adaptarse a las especies de peces. Generalmente, los peces más pequeños requieren una velocidad de corriente más baja, aunque debe ser lo suficientemente alta como para asegurar que la separación de sólidos aún funcione. Todo esto también tiene un impacto en la calidad de la carne de pescado.

Figura 7: Sistema de flujo desarrollado especialmente para la cría de salmón, Swiss Alpine Fish AG, Lostallo, Suiza

Separación de sólidos

Hay varias razones para la eliminación de sólidos. En primer lugar, la calidad del agua se mejora mediante la reducción de los sólidos orgánicos, lo que reduce la mineralización (respiración aeróbica) y, por lo tanto, también ayuda a estabilizar el contenido de oxígeno. En segundo lugar, la preservación de la calidad del agua también beneficia la absorción de piensos y el control de las existencias. Además, la eliminación de sólidos reduce la carga bacteriana, ya que elimina la fuente de alimento para los microorganismos. La alta actividad bacteriana en la columna de agua conduce a un consumo innecesario de oxígeno.

Otro beneficio de la eliminación de sólidos es la prevención de la obstrucción de las branquias de los peces, lo que puede conducir a un crecimiento lento o incluso a la muerte de los peces. Sin embargo, esto depende de las especies de peces. Los peces que alimentan el filtro, como muchas especies de carpas, pueden incluso depender de una cierta cantidad de compuestos suspendidos en su hábitat natural y, por lo tanto, también pueden soportar una mayor cantidad de sólidos suspendidos en RAS que, por ejemplo, los salmónidos (Avnimelech 2014).

Una de las razones técnicas más importantes por las que es necesario eliminar los sólidos es la posible obstrucción del biofiltro (c.f. Capítulo 9). Además, la eficacia de la reducción del germen mediante la desinfección (c.f. Capítulo 9) se incrementa mediante la eliminación de sólidos. Los sólidos en el agua de los peces tienen diferentes tamaños, y los tratamientos para eliminar estos sólidos varían principalmente de acuerdo con su tamaño (Figura 8).

El tratamiento de aguas residuales y la eliminación de lodos son factores de costo importantes de las RAS intensivas. Un RAS requiere 300-1000 l de intercambio de agua por kg de pescado producido, y produce 100-200 g de lodo de peso seco. Para minimizar el volumen de aguas residuales es factible tratar el agua de lodo resultante de la separación sólida. De esta manera, incluso un sistema de filtración de baja tecnología puede lograr una reducción significativa del volumen final de aguas residuales.

Figura 8: Procesos de eliminación de sólidos y rango de tamaño de partículas (en μm) sobre el cual los procesos son más eficaces (adaptados después de Timmons and Ebeling 2007)

Desinfección

Las enfermedades bacterianas y virales pueden plantear serios problemas en RAS intensivas. La desinfección del agua con ozono o radiación UV son los métodos más comunes. La luz UV a cierta intensidad puede destruir el ADN de bio-organismos como patógenos y organismos unicelulares. En RAS, la luz UV (Figura 9) se incluye principalmente en una pieza corta de tubería entre la unidad de filtración mecánica (por ejemplo, filtro de tambor) y el biofiltro. La intensidad o dosis de luz UV puede expresarse en µWs/cm² (energía por área). En RAS, la dosis de UV necesaria para matar (desactivar) alrededor del 90% de los organismos oscila entre 2000 y 10.000 µWs/cm². Sin embargo, para matar todos los hongos y parásitos pequeños se necesita una dosis de hasta 200.000 µWs/cm² . Para una máxima eficiencia, es importante colocar la luz UV después del sistema de filtración mecánica para que no quede bloqueada por los sólidos suspendidos.

Figura 9: Reactor UV (Sistemas UV AKR)

La adición de ozono (O₃) es otro método eficaz para reducir los patógenos y otros organismos no deseados en una RAS. En contacto con el agua se divide en O₂ un radical de oxígeno libre O. Este radical ‘ataca’ y oxida sustancias orgánicas. Esto resulta en la degradación de partículas suspendidas o de algunas sustancias (aclaración de la turbidez del agua, formación de color por ácidos húmicos). Del mismo modo, las paredes celulares biológicas de los organismos también son atacadas por el radical O de la molécula de ozono, matando bacterias, algas flotantes y filamentosas. Sin embargo, el ozono es muy reactivo y también puede dañar las bacterias nitrificantes en el biofiltro y atacar las branquias de los peces si se aplica en cantidades demasiado altas. Por lo tanto, la dosificación debe controlarse permanentemente. Los agentes químicos se pueden utilizar para tratamientos puntuales para reducir las concentraciones germinales en el agua. El peróxido de hidrógeno (H₂O₂) se usa comúnmente, a veces estabilizado por ácido peracético (CH₃CO₃H). La sobredosis puede tener efectos graves en la salud de los peces y puede dañar las bacterias filtrantes.

Tabla 1: Ventajas y desventajas de la desinfección con UV, ozono y peróxido de hidrógeno (H₂O₂) en RAS

Biofiltración

El proceso de nitrificación se lleva a cabo en el biofiltro para oxidar el amonio libre tóxico en nitrito tóxico y eventualmente en nitrato no tóxico. Las bacterias nitrificantes son el corazón del biofiltro. Estas bacterias crecen en la superficie del medio filtrante. El medio puede ser fijo (por ejemplo, filtro de goteo) o movido (por ejemplo, filtro de lecho móvil). Las bacterias nitrificantes son sensibles a los cambios en la calidad del agua en el sistema (especialmente el pH y la temperatura), por lo que los cambios rápidos deben evitarse o realizarse en pasos lentos, ya que de lo contrario pueden morir grandes cantidades de bacterias nitrificantes, lo que provocaría picos de amoníaco y nitrito en el sistema. Además, dado que las bacterias nitrificantes son aeróbicas, el contenido de oxígeno disuelto en el biofiltro debe mantenerse siempre en un umbral determinado (dependiendo también de la temperatura del agua). Las reacciones químicas que tienen lugar en el biofiltro se explican en Capítulo 5. Más detalles sobre la elección de la biofiltración correcta se proporcionan en Chapter 12.

Desgasificación y aireación

La transferencia de gas entre la fase líquida y la fase gaseosa ocurre cuando hay subsaturación en una fase. La solubilidad del gas depende de la presión, la temperatura, la salinidad y la presión parcial del gas. La transferencia se lleva a cabo sobre las superficies de contacto entre el gas y el líquido. Aireación aumenta el contenido de oxígeno en el agua. Desgasificación elimina gases como el dióxido de carbono del agua.

Desgasificación

Los gases, especialmente el dióxido de carbono resultante de la respiración de los peces y las bacterias, se acumulan en el agua del sistema. Estos pueden tener efectos nocivos en los peces si las concentraciones se vuelven demasiado altas. Por lo tanto, generalmente se agrega una unidad de desgasificación a RAS intensivas. La salida de gas (desgasificación) se logra aumentando la superficie de contacto entre el agua y el aire, ya sea por aireación de la columna de agua o por rociar agua a través del aire. Diferentes biofiltros ya tienen un alto efecto de desgasificación: en un filtro de goteo el agua pasa a través del aire, mientras que en un filtro de cama móvil el aire pasa a través del agua. Por lo tanto, esto puede hacer redundante una unidad de desgasificación adicional.

Oxigenación

El contenido de oxígeno disuelto (O₂) es uno de los parámetros de calidad del agua más importantes en RAS y, a menudo, la primera restricción en situaciones de emergencia (por ejemplo, en caso de cortes de energía, fallo de la bomba, etc.). Existen numerosas técnicas para enriquecer el oxígeno disuelto en el agua. La ingesta de gas de agua (aireación) puede mejorarse mediante: (i) maximizando el área de contacto de oxígeno/agua mediante el uso de remolinos o pequeñas burbujas; (ii) maximizando el período de contacto de oxígeno/agua utilizando un diámetro de burbuja pequeño y/o un flujo lento de agua; (iii) aumentando la presión (aumenta la solubilidad) — nivel del agua, presión vaso; y iv) aumento de la presión parcial de O₂(aumenta la solubilidad) — oxígeno puro.

Entrada de oxígeno de alta eficiencia

En RAS intensivas, las tecnologías de oxigenación dependen del uso de oxígeno puro en lugar de la simple aireación, que se vuelve poco práctico a ciertas densidades de peces. El oxígeno es producido in situ con un generador de oxígeno o suministrado por una empresa externa y almacenado en tanques de oxígeno líquido fuera de la instalación acuícola.

Entrada de oxígeno de baja eficiencia

En los estanques de peces extensos, la entrada de oxígeno de baja eficiencia suele ser suficiente. Esto se logra (i) manteniendo el agua fría, ya que esto disuelve más oxígeno, y (ii) aumentando el movimiento del agua. Diferentes modos de aireación pueden ser compatibles con esto (véase Capítulo 12).

Bombas y pozos de bombeo

Una bomba es para RAS lo que el corazón es para el cuerpo humano. Si falla, entonces el resultado puede ser catastrófico. Por lo tanto, no se debe escatimar ningún gasto al comprar una bomba. Se pueden utilizar bombas controladas por velocidad para reducir el flujo si es necesario. Mediante el uso de una serie paralela de bombas con válvulas de retención, las posibilidades de fallo del sistema pueden reducirse. Antes de comprar una bomba, las pérdidas de presión en las tuberías deben calcularse, por ejemplo, con la ayuda de esta calculadora en línea: http://www.pressure- Drop.com/online-calculator/.

*Copyright © Socios del Proyecto Aqu @teach. Aqu @teach es una asociación estratégica Erasmus+ en educación superior (2017-2020) dirigida por la Universidad de Greenwich, en colaboración con la Universidad de Ciencias Aplicadas de Zúrich (Suiza), la Universidad Técnica de Madrid (España), la Universidad de Liubliana y el Centro Biotécnico Naklo (Eslovenia) . *