2 Unidades de Cultivo_GM_ 2011

1

UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL NORTE

FACULTAD DE CIENCIAS DEL MAR

DEPARTAMENTO DE ACUICULTURA

2011

Hidráulica de

tanques de cultivo

y procesos de

extracción de

sólidos

Dr. Germán E. Merino

2

Temario

• Se orientará a la entrega de conocimientos básicos

que definen la hidráulica de tanques de cultivo.

• Se presentarán las etapas de tratamiento de

sólidos suspendidos en tanques de cultivo mas

relevantes y sus principios.

http://www.ag.auburn.edu/ras/photo_pages/systems_album/images/system006_jpg.jpg

3

• Aspectos importantes en tanques para peces:

– Tamaño y forma

• Fry y nursery generalmente entre 1 y 3 m3

• De producción mayores a 30 m3

• Circulares versus raceways:

– Velocidades mas altas para acondicionar mejor al pez

– Mejor distribución del agua

– Autolimpiantes

– Menores caudales

– Crean mayor demanda metabólica por continua natación del pez

– Poco eficientes en uso de área, pero se mejora con rectangulares

particionados y extremos redondeados

– Densidad y tamaño de siembra

– Caudal y tasa de recambio

– Sistema de drenaje y extracción de sólidos

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• Aspectos importantes en tanques para peces:– Tamaño y forma


• Densidad depende de

– Tamaño del pez

– Flujo del agua

– Aeración

• Tilapia del Nilo

– 40 peces/m3 @ 4 g, se obtuvo 544 g (21.7 kg/m3) en 415 dias

– 64 peces/m3 @ 19 g, se obtuvo 361 g (23.1 kg/m3)

– 42.6 peces/m3 @ 40 g, se obtuvo 323 g (13.4 kg/m3) en 164 d



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• Aspectos importantes en tanques para peces:– Tamaño y forma



• Poca información hay al respecto sobre crecimiento y funciones fisiológicas

• Flujo continuo mantiene la calidad del agua

• Flujo reducido o nulo reduce la calidad del agua

• Altos caudales causan un mayor gasto energético por natación

• Bajos caudales acumulan desechos y afectan a calidad del agua

• Se sugiere empíricamente 0.5 a 1.0 L/min/kg pez


6

• Aspectos importantes en tanques para peces:

– Tamaño y forma




7

Unidades de cultivo

8

Modelo que ilustra la relación entre las variables de diseños de las

unidades de cuidado y las variable físicas y biológicas para el

cultivo de peces.

Diseño de

estanque•Dimensionameiento

•Flujo plano

•grado de mezcla

Recambio de

agua•Cantidad

•Limites de carga

Stock de densidades•Biomasa

•Talla y longitud

•Conducta y especie especifica

Luz ambiental•Posición del

estanque

•Profundidad del

estanque

Velocidad de la

corriente•Magnitud

•Variabilidad

Comportamiento•Orientación de la

corriente

•Contacto

•agresión

Distribución de

animales en el sector•Distancia desde la salida del

afluente

•Densidad variable

Crecimiento y

metabolismo•Biomasa

•Conversión de alimento

•Consumo de O2

•Producción NH3

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Ingeniería de tanques de cultivo

Los tanques pueden fallar como unidades - Retos

• La distribución del caudal para obtener una

mezcla uniforme y una rápida eliminación de

sólidos

• La clasificación y cosecha de peces

• La eliminación de animales muertos

• El aislamiento del biofiltro mientras se usan

productos farmacológicos

¡Empezar pequeño y crecer a medida que hay éxito!

10


Tendencia: Menos tanques pero mas grandes

• Reduce el área necesaria

• Reduce el costo acumulado

de equipos

– Válvulas para controlar

caudal

– Estructuras para los drenajes

– Unidades de alimentación

– Sensores: oxígeno, pH,

temperatura, ORP

– Caudal, indicadores de nivel

• Reduce la mano de obra– El tiempo necesario para

analizar el agua

– Distribuye el alimento

– Ayuda a labores de limpieza

Gentileza: Juan Pablo Andaur - Camanchaca

11


Menos tanques pero mas grandes - DESVENTAJAS

• Riesgos económicos más grandes si se pierde un tanque

– Problemas mecánicos

– Problemas biológicos

• Posibles problemas a los que hay que sobreponerse

– Eliminación de animales muertos

– Clasificación y cosecha de peces

– Control de la hidráulica del tanque

• Velocidad del agua

• Áreas muertas

• Zonas de sedimentación

Gentileza: Juan Pablo Andaur - Camanchaca

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Determinación de los caudales:

• El cálculo del caudal requerido se basa en 5 factores.

– Los principales cuatro requerimientos son:

• Flujo para concentraciones de amoniaco

• Flujo para concentración de oxigeno

• Flujo para concentración de dióxido de carbono

• Flujo para concentración de sólidos suspendidos

– El quinto es Tasa de recambio (implica velocidad)

– Los caudales podrían no satisfacer la tasa de recambio máxima permitida

• Ej. Tanques de pequeño volumen con alta densidad y altas tasas de alimentación limitan su recambio a velocidades maximas permitidas por el pez

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Operaciones unitarias:Extracción de sólidos

DISEÑO DE TANQUE

DE CULTIVO DE PECES

Movimiento de sólidos

EXTRACION DE SÓLIDOS

DISUELTOS Y FINOS

Fraccionador de espumas

DESINFECCION

Radiación UV

Ozono

AERACION Y/O

OXIGENACION

Piedras de aire

Tubos difusores

Columnas de empaque

LHO

EXTRACCION DE SOLIDOS

SUSPENDIDOS

Sedimentación

Swirl separators

Filtros rotatorios y de banda

Filtros de arena

NITRIFICACION

Biofiltro de lluvia

Biofiltro fluidizado

Biofiltro sumergido

EXTRACCION CO2

Difusores

Columnas empacadas

Cada equipo requiere un caudal óptimo para su

operación que puede no concordar con el

caudal del tanque de cultivo

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Extracción de sólidos

GENERACION DE

SOLIDOS

Alimento no consumido

Heces

Sólidos sedimentables

“Bajo condiciones de calma estos sólidos sedimentarán

de la columna de agua en 1 h”

Oxígeno

HecesUrea

AmoniacoCO2

Alimento

15

Velocidad de agua en tanques

• Recambios de agua

– mantienen la calidad del agua

– provee una corriente para mover los sólidos

• Tanques autolimpiantes = 15 a 20 cm/s

• Velocidad de natación recomendada

– (0.5 a 2) x (longitudes de cuerpo del pez) / segundo

– Vs < 5.25 / L0.37 ………….. Vs en long cuerpo /s;

L en long cuerpo/cm

(Timmons et al., 2000)

16

Velocidad de natación

• Salmón del Atlántico

– Finstad et al., 2005 (Journal of Fish Biology 66:86–96)

• 29,5 cm LT ====> 0,54 a 0,69 BL/s

– Thorstad et al., 2007 (Hydrobiologia, 582(1):99-107)

• 15,2 cm LT, salvaje ======> 0,56 BL/s

• 19,8 cm LT, hatchery ====> 0,77 BL/s

• Lenguados

– Merino et al., 2007 (Aquaculture 271:206–215)

• California halibut 5,4 cm LT, cultivado =====> 0,5 a 1,0 BL/s

– Ogata y Oku, 2000 (J. of the World Aquac. Soc., 31:225–231)

• Japanese flounder 12,5 cm LT, cultivado =====> 1.0 bl/s

Velocidad de natación: óptimo para mantener salud, tono muscular, y

respiración entre 0,5–2 veces la long. del pez por segundo (Timmons y

Youngs, 1991; Losordo y Westers, 1994; Merino et al., 2007).

17

Calculando la velocidad de agua en tanques

• Tabla muestra valores calculados desde la

ecuación Vs < 5.25 / L0.37

Longitud de cuerpo x Vs = Velocidad agua en tanque

cm/longitud cuerpo longitud cuerpo/s cm/s

2 4.1 8.2

5 2.9 14.5

10 2.2 22.4

15 1.9 28.9

20 1.7 34.7

Cumple con

velocidad

autolimpiante

18

Ingeniería de tanques de cultivo - Rectangulares

Los tanques rectangulares

• Calidad de agua diferencial entre zona afluente y efluente

• Tienen bajas velocidades – no autolimpiantes

• Los sólidos sedimentables deben recorrer todo el raceway

• Excelente uso del área disponible

• Eficientes y fáciles de manejar y desdoblar peces

20

Velocidad de agua en raceways

• Requiere alto caudal para ser autolimpiante

• Típico es 4 a 6 rec/h

• Vraceway ≠ Vorificio

• Vraceway = (Lraceway * R) / 36

Vraceway, en cm/s

Lraceway, en m

R, en recambios/h

Afluente

Vorificio

Efluente

Velocidad de

agua de tanque

autolimpiante,

15 a 20 cm/s

m

cm

s

h

1

100

3600

1

21

Calculando la velocidad de agua en

raceways

• Tabla muestra valores calculados desde la ecuación Vraceway = (Lraceway * R) / 36

Lraceway x Tasa recambio (R) = Velocidad racewaym # / h cm / s

20 2.0 1.1

20 4.0 2.2

20 6.0 3.3

40 2.0 2.2

40 4.0 4.4

40 6.0 6.7

10 1.0 0.27

10 2.0 0.55

10 4.0 1.11

10 6.0 1.66

Awabi

Genérico

22

Calculando el OFR para la velocidad de agua

en raceways

• Tabla muestra valores calculados desde la ecuación

OFR= Vsc = (Q/Asup) = (Vraceway * Atransv / Asup)

Lraceway V raceway Q Vsc

m cm/s m3/s cm / s

20 1.1 0.01 0.03

20 2.2 0.01 0.06

20 3.3 0.02 0.08

40 2.2 0.01 0.03

40 4.4 0.02 0.03

40 6.7 0.03 0.08

10 0.27 0.001 0.01

10 0.55 0.003 0.03

10 1.11 0.01 0.06

10 1.66 0.01 0.08

Awabi

Genérico

23

Distribución de velocidades de sedimentación

para heces de lenguado de california de 11 g

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0,0 0,1 1,0 10,0 100,0

Vs (cm/s)

Fracció

n d

e p

artí

cu

las

co

n V

< V

s

SedimentanSuspendidas

24

Diseño de los raceways

• Basado en los requerimientos de oxígeno

– Implica velocidades de 2 a 4 cm/s

• No se basa en los requerimientos para sacar los SST

– Requiere velocidades entre 15 a 30 cm/s

• Velocidad para satisfacer OD << velocidad para sacar

SST

• Los peces “barren” los SST lentamente hacia la zona

efluente del raceways

25

Extracción de sólidos de

racewaysUna solución es aerear para aumentar la mezcla y mantener los sólidos en suspensión

Puede micronizar los sólidos y hacer mas difícil su extracción

Afluente

Vorificio

Efluente

26

Figura 3: Distribución del tamaño de partícula (PSD) antes y

después de pasar por una caída de agua de 0,7 m al final de un

raceway, las líneas punteadas muestran la diferencia de 21,8 %

entre las dos PSDs en 80mm (Extraído de Brinker, A. T. & Rösch,

R., 2005)

27

Hidráulica en raceways flujo cruzado

AfluenteEfluente

Vorificio

28

Hidráulica en raceways flujo cruzado

AfluenteEfluente

Vorificio

29

Hidráulica de tanque multicelular

Velocidad es unas 24

veces más que un PFR

con el mismo caudal

30

Ingeniería de tanques de cultivo - Circulares

Los tanques circulares son excelentes para el cultivo

• Aumenta la uniformidad de la calidad del agua

• Permite tener un amplio rango de velocidades de

rotación para poder optimizar la salud y condición

de los peces

• Permite concentrar y eliminar rápidamente los

sólidos sedimentables

¡Los tanques circulares son cada vez mas grandes!

31

La Lobina

La Longaniza

32

Tanques circulares - Ventajas

• Ventajas

– Condiciones uniformes

– Velocidad de rotación óptima

• Para natación de los peces

• Para autolimpieza

– El caudal distribuye el alimento y los

peces

– Rápida eliminación de desechos

• Movimiento de los peces

• Rotación del tanque cada 60 a 90 s

– Crea velocidades de rotación del

tanque > 15 a 30 cm/s

33

Velocidad del agua en CSTR

Vorificio

Vrotacion

afluente• La fuerza de impulso

creada por el caudal de

entrada

– Controla la velocidad de

rotación

– Depende de

• Caudal de entrada

• Velocidad del agua de

entrada

– Se puede ajustar

seleccionando el tamaño y

número de los orificios de

entrada

• El alineamiento del caudal de

entrada

34


Vorificio

Vrotacion

afluente

Vrotación = α * Vorificio

α = 0.15 a 0.20

α depende del diseño de la entrada

Atrans QVorificio

transA

Q

orificioV

35


Tiempo de retención

hidráulico Vorificio

Vrotacion

afluente

QTRH

Ejemplo:

hL

LTRH 1min60

min333

20000 En realidad el recambio

máximo de agua será de

aproximadamente 63%

durante este TRHteórico

El TRHreal sería de 1.6 h

36


Relación ideal

Diámetro : Profundidad

Razón = 3 : 1

Cuidado a razones mayores

4.5 : 1

afluente

diámetro

Rotación

secundaria

Rotación

secundaria

efluente

profundidad

El flujo rotatorio principal crea un flujo secundario radial• transporta los sólidos sedimentables al centro y fondo del

tanque

• crea tanques que se autolimpian

37


Cuidado a razones mayores

4.5 : 1

Se generaran zonas muertas en

el medio del tanque

afluente

efluente

Profundidad = 1

Diámetro = 6

Rotación

secundaria

Rotación

secundariaZona sin

rotaciónZona sin

rotación

38

Limpieza drenaje fondo

• Sedimentación de sólidos alrededor del drenaje

central es mas frecuente si

– 1 recambio/h (raramente si son 2 rec/h)

– Alto diámetro : profundidad (ej., 12:1)

– Bajos caudales de fondo (< 5%)

• Diámetro : Profundidad de 3:1 y 6:1 con poca

sedimentación de sólidos

• LO MEJOR – 2 recambios/h

39

Tanques circulares - Introducción de agua

• Entrada típica de agua a

tanques de cultivo

– Mala mezcla

– Velocidades más altas en

la pared del tanque

– Mala eliminación de

sólidos

• Entrada recomendada de agua a

tanques de cultivo

– Mejor mezcla

– Menos “corto circuito” del agua

a lo largo del fondo del tanque

– Mejor eliminación de sólidos

40

Entrada afluente apropiado

• Beneficios de producción:

Genera corrientes de aguas relativamente constante

Controla la velocidad del agua

Control visual de la velocidad del agua.

Lo acompaña un diagrama que relaciona el flujo del agua con la altura del agua en el tubo plástico transparente en relación al nivel del agua en el tanque

41

Eco-Flow Modelos de 40 a 4000 L/min

42

• El manifold debe

colocarse

distante de la

pared para

permitir natación

de los peces

• La mejor

distancia es r/4

43

• Tanques con diámetros mayores a 5 m se pueden beneficiar con manifolds vertical y horizontal

44

Captura de sólidos

Una alternativas para capturar los sólidos:

• Sistemas de doble drenaje– 10 a 15% por el drenaje central

– 90 a 85% por rebalse central o lateral

• Drenaje central del fondo va a un swirl separator

• Rebalses van a filtro rotatorio– Swirl separators

– Tanque de cultivo

45

Extracción de sólidos con doble

drenaje

afluente

Rotación

secundaria

Rotación

secundaria

efluenteEfluente con

sólidos

suspendidos

sedimentadosEfluente con sólidos

suspendidos NO sedimentados

Se desacoplan el tiempo de

residencia hidráulico

(TRH) con el tiempo de

residencia de los sólidos

(TRS)

48

Tanques de drenaje doble tipo Cornell

Caudal del drenaje central, debe ser el mayor de:

• 6 L/min/m2 de fondo

• TRH basado en el drenaje central < 200 min

• 10 al 15% del caudal total del tanque

• Velocidad entre 15 y 30 cm/s

49

Tanques de drenaje doble tipo Cornell*

*M.B. Timmons, Cornell University

95% caudal5% caudal

50

Malla de exclusión

• Material resistente a la

corrosión

– Hojas de aluminio

perforado

– Acero inoxidable

– Fibra de vidrio

– Plástico perforado

Tamaño

Apertura

(mm)

1,6 x 3,2

3,2 x 6,4

6,4 x 12,7

12,7 x 19,1

Tamaño

peces

(g)

Alevín a 0,45

0,45 a 2,3

2,3 a 15

15 y mas

Summerfelt – ICRA 2009 – Roanoke, USA

Regla

Velocidad del agua por la

malla debe ser ≤ 30 cm/s

51

Separación de sólidos en tanques

doble drenaje

Tipo de

flujo

Agua de entrada al tanque

Agua en el drenaje lateral

Agua en el drenaje central

SST (mg/L)

Trucha arcoiris

1.3 ± 0.1

2.5 ± 0.2

26.2 ± 2.1

SST (mg/L)

Artic charr

1.5 ± 0.1

1.9 ± 0.1

13.1 ± 1.5

El agua de recambio contiene 0.5 ± 0.2 mg SST/L

Ebeling y Vinci, com pers

52

Asúmase que se desea producir 454,000 kg/año

• Tasa de alimentación media: ralimento = 1,2 %BW/d

• Factor de conversión: FCR = 1,3 kg alimento / kg

pez

• Densidad de cultivo: 80 kg pez/m3

• Demanda de oxígeno: 0,75 kg O2/kg alimento

• Valores medios anuales

Diseño de tanque - Ejemplo

53

Cálculo de la biomasa en el sistema

• Cálculo en base a la tasa de alimentación:

sistema elen peces kg 600,129

365

1

pez kg//alimento kg 012,0

producido pez kg/alimento kg 3,1año/producido pez kg 000,454

anual Producción

lim

d

año

d

r

FCRBiomasa

entoa

sistema

54

Necesidad total del oxígeno

• Cálculo de la demanda de oxígeno por parte de

los peces alimentados:

– ROD = tasa consumo medio de oxígeno (kg O2/pez d)

– αOD = proporcionalidad media consumo de oxígeno (kg

O2/kg alimento)

• Está entre 0,4 y 1,0 kg O2/kg alimento, para agua fría y

agua cálida respectivamente

día

dia

rBiomasaR ODentoasistemaOD

/consumido O kg 1166

alimento kg

O kg 75,0

pez kg

alimento kg 012,0pez kg 600,129

2

2

lim

55

Caudal total necesario – Carga de oxígeno

• Calcular el caudal (Q) para satisfacer la

demanda de OD de lo peces:

– Se asume ODin = 20 mg/L

– ODout = 6 mg/L (en condiciones estables)

– Se desarrolla un balance de masas y se despeja para

Q

L/min 840,57

/min 1440

1

mg )620(

mg 10O kg 1166

1

6

2

día

L

kgdía

ODODRQ

outin

ODtotal

56

Volumen total de tanques requerido

• Se asume una densidad promedio para todos los

estanques del sistema:

– Densidad de cultivo = 80 kg pez/m3

3

3

m 620,1

/pez kg 80

pez kg 600,129

cultivo de Densidad

m

BiomasaVolumen sistema

total

57

Revisar la tasa de recambio de los estanques

• Regla:

– Un recambio de 30 a 60 min evacúa los metabolitos

excretados y mantiene buenas carácterísticas

hidráulicas en tanques circulares

min 28

m 84.57

minm 620,1

Re

3

3

tan

total

totalque

Qcambio

58

Número de tanques requeridos

• Asumiendo tanques de

9 m diámetro:

– Profundidad de 2.3 m

– Volumen de 150 m3

– 10 a 11 estanques

• Asumiendo tanques de

15 m diámetro:

– Profundidad de 3.7 m

– Volumen de 670 m3

– 2 a 3 estanques

V total = 1620 m3

59

Resumen del diseño de estanques

Diez estanques

• Diámetro

– 9.14 m

• Profundidad

– 2.3 m

• Volumen por tanque

– 150 m3

• Demanda de oxígeno

– 117 kg O2/d

• Caudal de recambio (30 min)

– 5,000 L/min (150 m3 x 2 /60 min)

• Densidad de cultivo

– 86 kg/m3

60

Diseño de tanque de drenaje doble

REGLA

• El caudal de drenaje debe ser el MAYOR de los siguientes criterios:

a) 6 L/min por m2 de área del tanque

b) Tiempo de residencia basado en el drenaje central < 200 min

c) 10 a 15% del caudal total del tanque

a) Área = (9.14/2)2 x π = ~66 m2

a) Por lo tanto 6 L/min m2 x 66 m2 =396 L/min

b) V/Q ≤ 200 min, Q = V/200 min

= 150000 L/200 min = 750 L/min

c) 500 L/min @ 10% y 750 L/min @ 15%

Diez estanques

• Diámetro

– 9.14 m

• Volumen por tanque

– 150 m3

• Caudal de recambio (30 min)

– 5,000 L/min

(150 m3 x 2 /60 min)

61

Conclusiones

• Extracción de sólidos sedimentados no es fácil

• Mejorar hidráulica de los tanques cultivo

• Separar TRH del TRS

• Tener doble drenajes para extracción de sólidos sedimentados

y sólidos no sedimentados

• Drenaje con sólidos sedimentados debe dirigirse al

sedimentador

• Drenaje con sólidos no sedimentados debe dirigirse al filtro

de mallas

62

• Aquacultural Engineering Society

http://www.aesweb.org/

http://www.elsevier.nl/locate/aquaeng

63

Grupo Ingeniería Aplicada

Al Diseño y Operación de Centros

de Cultivo

2 Unidades de Cultivo_GM_ 2011

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