diseño y operatividad de un sistema acuaponico

7/25/2019 diseo y operatividad de un sistema acuaponico

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Universidad de Guanajuato

Divisin de IngenierasMaestra en Ciencias del Agua

Diseo y Evaluacin de un Sistema Acuapnico para laProduccin de Animales Acuticos y Plantas para

Consumo Humano

Tsis

Que para obtener el grado de

Maestro en Ciencias del Agua

Presenta

Ing. Jos Roberto Regalado Arreola

Asesor de Tsis

Dra. Alicia del Rosario Martnez Yez


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Universidad de Guanajuato

MAESTRO EN CIENCIAS DEL AGUA

ALUMNO: ING. JOS ROBERTO REGALADO ARREOLA

SINODO DEL EXMEN DE TSIS DE GRADO

______________________________

Dr. Germn Cuevas Rodrguez

Presidente

______________________________

Dr. Hctor Gordon Nez Palenius

Secretario

______________________________

Dra. Alicia del Rosario Martnez Yez

Vocal

Guanajuato, Guanajuato, Septiembre 2013


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II

AGRADECIMIENTOS

A la JAPAMI y al Dr. Hctor Gordon Nez Palenius, por las gestiones

realizadas ante esta institucin que nos proporcion el agua en cantidad y calidad

necesaria para este trabajo de experimentacin, sin el vital lquido nada de estohubiera sido posible.

A mis padres quienes amo Ana Mara Arriola Rivas y Roberto Regalado

Caballero, por su interminable apoyo y profundo amor. A mi primo Eduardo por su

profundo afecto como hermano y apoyo en todo momento. A mi novia Mayte

Vanessa quien siempre estuvo a mi lado en todo momento difcil.

A la Dra. Alicia del Rosario Martnez Yez, quien me permiti ser parte de

este novedoso e ingenioso proyecto, gracias por todas aquellas veces que no se

rindi e hizo todo y ms all de lo que estuvo en sus manos para finalizar la

investigacin, pero an ms gracias por todas las veces que me permiti ser testigo

de su infinita paciencia en mis pequeos grandes errores.

Al Dr. Pedro J. Albertos Alpuche, a quien les estoy muy agradecido por

brindarme parte de su experiencia y apoyarme en el armado, puesta en marcha y

cuidado de los sistemas.

A mis estimadsimas amigas y compaeras de tesis Azucena y ngeles.

Gracias por todos esos momentos de apoyo y en especial los momentos de risas

necesarios para no volvernos locos en los invernaderos.

A todos los alumnos de la DICIVA que prestaron su servicio social en nuestro

proyecto. A mi amiga Ftima Aidee Navarro Lpez por su apoyo incondicional y su

gran amistad. A Athenea por su apoyo en el armado de los sistemas en sus largas

vacaciones al lado nuestro. A mi amigo Daniel Muoz Cancino por su apoyo en los

levantamientos topogrficos realizados.

En general a mis profesores de la maestra quienes no solo nos aportaronconocimiento tcnico sino tambin social, de vida y disciplina. A todos mis

compaeros de maestra con quien pase muy buenos momentos y quienes siempre

fueron un apoyo.


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III

RESUMEN

Un gran porcentaje del agua extrada en nuestro pas es utilizada en laproduccin primaria de alimentos. La agricultura y la produccin pecuaria sonactividades fundamentales en el Estado de Guanajuato, es por esta razn que

actualmente todos los pozos estudiados por la Comisin Estatal de Agua deGuanajuato presentan sobrexplotacin. La acuapona, se visualiza como unaalternativa tecnolgica dirigida al desarrollo sostenible, donde es posible obtener enun mismo ciclo de produccin biomasa animal y vegetal (peces y hortalizas) aptapara el consumo humano. Es un sistema de recirculacin acucola donde losdesechos producidos por algn organismo acutico son convertidos por medio deaccin bacteriana en nutrientes necesarios para el crecimiento de vegetales, ademsde tener la ventaja de un menor consumo de agua que los sistemas de recirculacinacucola convencionales, sistemas de cultivo hidropnico y cultivos a cielo abierto.La poca informacin existente respecto a los sistemas acuapnicos, hace necesariala realizacin de investigaciones que aporten datos importantes para el desarrollo de

esta alternativa. El objetivo de este trabajo, fue evaluar la produccin de tilapia yalbahaca en un sistema, de diseo original, a pequea escala. Para lo cual, seelabor la ingeniera bsica y a detalle, fue determinada la memoria de clculohidrulico y la eficiencia energtica de los componentes elctricos del sistemaacuapnico. Tambin se evalu el efecto de los sustratos utilizados en los filtrosbiolgicos sobre la sobrevivencia y produccin de biomasa animal y vegetal, ascomo, su eficiencia energtica y rentabilidad econmica. El experimento deproduccin de biomasas tuvo una duracin de 70 das. Se utilizaron 6 sistemasacuapnicos individuales, cada uno integrado por: un estanque, 1 sedimentador ytres filtros biolgicos los que a su vez estaban formados por 2 piezas, un biorreactory 1 cama para plantas. Se utilizaron 450 Oreochromis niloticus (75 por estanque,

25.92 7.31 g-1

peso hmedo) y 360 plantas de Ocimum basilicumL. (20 por cama,altura de 4.71.1cm). Las semillas se germinaron durante 30 das hasta desarrollar 4hojas verdaderas. En cada biorreactor se colocaron como sustrato piezas plsticas:bioesferas, taparroscas de desecho o poliducto, y en cada cama de siembra piedrade ro o grava de construccin, logrando as, seis combinaciones. El diseo originalcreado facilit el manejo zootcnico y agronmico, y al mismo tiempo demostr serhidrulicamente ptimo. La eficiencia energtica del sistema de aireacin y delsistema de bombeo fueron de 65.2 y 3.2 kW h/ton de tilapia producida,respectivamente. En todos los tratamientos se observ una sobrevivencia de plantasy peces mayor al 90%. Las mayores producciones, tanto de biomasa animal yvegetal, se presentaron en las combinaciones poliductopiedra y tapas - piedra, las

cuales a su vez fueron econmicamente, las ms rentables. El presente trabajo esuna contribucin a los sistemas convencionales de produccin agropecuaria, debidoa que el diseo original aqu presentado, se muestra como una alternativa viabledesde los aspectos biolgico y econmico para la produccin sostenible de protenaanimal de alta calidad y plantas para el consumo humano.

Palabras clave: Acuapona, Ingeniera Hidrulica, Diseo SRA, Oreochromisniloticus, Ocimum basilicum.


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IV

ABSTRACT

A large percentage of water extracted in our country is used in the primaryfood production. Agriculture and livestock production are key activities in the state ofGuanajuato, for this reason all wells currently studied by Guanajuatos State Water

Commission shown an overexploitation. Aquaponics is seen as a technologicalalternative directed to sustainable development, in which it is possible to obtain inone production cycle animal and produce biomass (fish and vegetables) suitable forhuman consumption. It is a recirculating aquaculture system where the wasteproduced by an aquatic organism is transformed in nutrients needed for plant growthby bacterial action, as well as having the advantage of consuming less water thanconventional recirculating aquaculture systems, hydroponics systems and traditionaloutdoor crops. The little information regarding aquaponics makes it necessary toconduct research that provides important data for the development of this alternative.

The goal of this study was to evaluate the production of tilapia and basil in an originaldesign system, at a small scale. To which the basic and detailed system engineeringwere developed, the hydraulic calculation and energy efficiency of electricalcomponents in the aquaponics system were determined too. We also evaluated theeffect of the substrates used in the biological filters upon survival and biomass ofanimal and plant production, as well as energy efficiency and profitability. Thebiomass production experiment lasted 70 days. We used six individual aquaponicssystems, each consisting of: a pond, a water clarifier and three biological filters eachone consisted of two parts, a bioreactor and a grow bed for plants. 450 Oreochromisniloticus were used (75 per pond, 25.92 7.31 g wet weight) and 360 plants of

Ocimum basilicum L. (20 per grow bed height of 4.7 1.1cm). Seeds weregerminated for 30 days to develop four true leaves. In each bioreactor were placedas substrate plastic parts: Bio balls, waste plastic bottle caps or PVC flexible conduitpieces, and in each grow bed river gravel or crushed stone, getting, six combinations.The original design created facilitated the fish husbandry and agronomic handling, atthe same time proved to be hydraulically optimal. The energy efficiency of theaeration and pumping systems were 65.2 and 3.2 kW h / t of tilapia produced,respectively. All treatments showed plants and fish survival greater than 90%. Themajor productions, both animal and plant biomass was obtained in the combinations:PVC flexible conduit pieces river gravel and waste plastic bottle caps rivergravel, which was also the most profitable. This paper is a contribution toconventional farming, because the original design presented here is shown as afeasible alternative from biological and economic aspects, for sustainable productionof high quality animal protein and vegetables for human consumption.

Key Words: Aquaponics, Hydraulic Engineering, RAS Design, Oreochromisniloticus, Ocimum basilicum.


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V

INDICE

Resumen . IIIAbstract ...................................................................................................... IV

ndice General ... Vndice de Cuadros, figuras y Ecuaciones.. VII1. INTRODUCCIN.. 102. MARCO TERICO... 122.1. El Uso del Agua en Mxico.. 122.1.1. Uso del Agua en el Estado de Guanajuato 14

2.1.2. Uso del agua en la produccin agropecuaria... 162.2. Agricultura protegida. 22

2.2.1. Hidropona.. 242.2.2. Plantas aromticas. 25

2.2.3. Albahaca (Ocimum basilicum L.). 272.3. Acuicultura.. 282.3.1. Uso del agua en Acuicultura. 282.3.2. Sistemas de produccin acucola en Mxico. 302.3.3. Acuicultura en el Estado de Guanajuato...................... 312.3.4. Especies de peces para consumo humano... 322.3.5. Tilapia (Oreochromis niloticus). 332.4. Sistemas de Recirculacin Acucola (SRA).. 352.4.1. Acuapona 37HIPTESIS.

39OBJETIVO GENERAL.. 39OBJETIVOS ESPECFICOS 393. MATERIALES Y MTODOS... 403.1. Localizacin del rea de estudio. 403.2. Conceptualizacin del sistema de acuapona.. 403.3. Ingeniera bsica del sistema.. 413.3.1. Datos bsicos del proyecto y criterios de diseo.. 41

3.3.2. Unidades del sistema y dimensionamiento.. 433.3.3. Estanque de peces. 43

3.3.4. Biofiltros.. 443.3.5. Sedimentador de slidos... 473.4. Ingeniera a detalle del sistema... 493.5. Determinacin de eficiencia energtica. 503.6. Determinacin de la produccin de biomasa animal y vegetal.. 50

3.6.1. De los sistemas. 513.6.2. De los filtros. 51


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VI

3.6.3. De los sustratos.. 513.6.4. De los peces 523.6.5. De las plantas. 523.6.6. Anlisis estadstico. 533.7. Evaluacin econmica de los sistemas. 53

3.7.1. Valor Actual Neto (VAN) 543.7.2. Relacin Beneficio-Costo (B/C).. 543.7.3. Relacin Beneficio-Inversin Neta (N/K)... 553.7.4. Tasa Interna de Retorno (TIR) 55

4. RESULTADOS.. 564.1. Concepto del sistema acuapnico.. 564.2. Ingeniera bsica 574.2.1. Instalaciones existentes en el lugar. 574.2.2. Delimitacin del rea de trabajo.. 59

4.2.3. Arreglo de las unidades del sistema 614.3. Ingeniera a detalle 664.4. Memoria de clculo hidrulico. 804.5. Determinacin de eficiencia energtica. 864.6. Determinacin de la produccin de biomasa animal y vegetal.. 874.7. Evaluacin econmica de los sistemas. 89DISCUSIN GENERAL 90CONCLUSIONES.. 96REFERENCIAS.. 97


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VII

ndice de Cuadros, Figuras y Ecuaciones

Cuadro 1. Usos consuntivos del agua en el estado de Guanajuato (ao 2009).

Cuadro 2. Uso de agua requerida para la produccin de diversos cultivos, perodo de

1996 al 2005. Valores promedio ao en m3/ton.

Cuadro 3. Uso de agua requerida para la crianza de animales productivos a lo largo

de toda su vida, perodo de 1996 al 2005. Valores promedio ao en

m3/ton.

Cuadro 4. Uso de agua requerida para la produccin de carne de diversas especies

en Mxico, perodo de 1996 al 2005. Valores promedio ao en m 3/ton.

Cuadro 5. Comparacin entre cultivo con sustratos inertes (hidropona, sin suelo

arable) y cultivo tradicional en suelo arable.Cuadro 6. Produccin de especias y plantas medicinales en Mxico para el ao

2010.

Cuadro 7. Combinaciones de sustratos en los filtros biolgicos.

Cuadro 8. Resultados de la simulacin numrica del sedimentadorfiltros tipo torre.

Cuadro 9. Resultados de la simulacin numrica de los filtros tipos torre - las camas

de siembra de plantas.

Cuadro 10. Resultados de la simulacin numrica del desage de las camas distal y

medial.

Cuadro 11. Resultados de la simulacin numrica del desage de la cama uno.

Cuadro 12. Prdidas locales por friccin en accesorios.

Cuadro 13. Valores de sobrevivencia, crecimiento y produccin de peces tilapia y

plantas de albahaca, segn las combinaciones de sustrato utilizadas en

filtros biolgicos de sistemas acuapnicos.

Cuadro 14. Indicadores de evaluacin econmica de los diferentes sistemas

acuapnicos evaluados, de acuerdo a la combinacin de sustratos

utilizados en los filtros biolgicos.

Figura 1. Croquis de localizacin de rea de estudio.

Figura 2. Estanque para peces y sus dimensiones.


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VIII

Figura 3. Cama de siembra.

Figura 4. Sedimentador de slidos.

Figura 5. Imagen del sistema acuapnico diseado.

Figura 6. Instalaciones existentes del lugar.

Figura 7. Dimensionamiento del rea de trabajo.

Figura 8. Distribucin espacial dentro del rea de trabajo.

Figura 9. Delimitacin de los sistemas y espacios de trabajo.

Figura 10. Arreglo de unidades en el sistema y porcentajes de espacio destinados

para cada unidad.

Figura 11. Acotamiento de espacios para labor de cultivos entre dos sistemas

consecutivos.

Figura 12. Arreglo en perfil del sistema.Figura 13. Direccin del flujo (vista en planta).

Figura 14. Direccin del flujo del agua al interior del sistema (vista frontal).

Figura 15. Vista en planta del sistema completo, interconexiones y accesorios.

Figura 16. Vista frontal del sistema completo, interconexiones y accesorios.

Figura 17. Vista frontal de la primera seccin del sistema, interconexiones y

accesorios.

Figura 18. Vista frontal de la segunda seccin del sistema, interconexiones y

accesorios.

Figura 19. Vista frontal del biorreactor proximal al estanque de peces,

interconexiones y accesorios.

Figura 20. Vista frontal de los biorreactores medial y distal, interconexiones y

accesorios.

Figura 21. Vista del perfil de los filtros tipo torre.

Figura 22. Vista frontal del biofiltro (integrado por filtro tipo torre y cama de siembra).

Figura 23. Esquema de las interconexiones del sistema correspondiente a la

simulacin numrica del sedimentadorfiltros tipo torre.


simulacin numrica de los filtros tipos torre - las camas de siembra de

plantas.


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IX


simulacin numrica del desage de las camas distal y medial.


simulacin numrica del desage de la cama uno.

Figura 27. Carga a vencer por la bomba para alimentacin de agua del estanque de

peces al sedimentador de slidos y datos bsicos de la tubera.

Figura 28. Vista isomtrica de la alimentacin al sedimentador.

Ecuacin 1. Clculo de poblacin de peces por estanque.

Ecuacin 2. Clculo de volumen de agua efectivo dentro del filtro tipo torre e imagen

representativa.

Ecuacin 3. Clculo de volumen de agua efectivo dentro de la cama de siembra.Ecuacin 4. Clculo del tiempo de retencin hidrulico dentro del sedimentador.

Ecuacin 5. Clculo de la carga dinmica total.

Ecuacin 6. Valor Actual Neto.

Ecuacin 7. Relacin BeneficioCosto.

Ecuacin 8. Relacin BeneficioInversin Neta.

Ecuacin 9. Tasa Interna de Retorno.


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1. INTRODUCCIN

Mxico es un pas que para su desarrollo depende en gran medida de laproduccin agropecuaria, muestra de ello es que para el ao 2007 del total de agua

extrada de lagos, embalses y mantos acuferos cerca del 78% fue destinada para

actividades de riego agrcola. De la misma manera, para el estado de Guanajuato la

agricultura es una actividad fundamental, la cual para el ao 2011 demand un

volumen de agua cercano a los 3,500 millones de metros cbicos aun cuando

existen 17,280 perforaciones destinadas a la extraccin de aguas subterrneas, de

las cuales todos los pozos estudiados por la comisin estatal de agua de Guanajuatopresentan sobrexplotacin (CNA, 2011).

La hidropona es un sistema de agricultura protegida, as como una alternativa

de alta produccin. Se caracteriza por una alta eficiencia en el consumo de agua y

requerir de poco espacio para el crecimiento de las races, adems de optimizar

espacios para el crecimiento de la planta cultivada (Rodrguez, 2002). Por otro,

actualmente la acuicultura enfrenta dentro de sus principales retos el manejo

adecuado de sus aguas residuales. Estas aguas suelen estar cargadas de slidos,

molculas txicas en solucin, residuos qumicos provenientes de excretas,

medicamentos y alimentos no consumidos, los cuales son comnmente vertidas en

suelos o cuerpos de agua adyacentes produciendo impactos negativos en el medio

ambiente, haciendo que alternativas como los sistemas de recirculacin acucola

(SRA) y tratamiento de aguas sean una opcin viable e interesante para mitigar los

impactos ambientales negativos(Pillay y Kutty, 2005). Los filtros biolgicos y en

particular los sustratos utilizados son elemento clave en la eficiencia de los SRA.

En la actualidad algunas investigaciones han demostrado que los residuos de

la acuicultura pueden ser utilizados para nutrir al cultivo vegetal en sistemas

hidropnicos (Lennard y Leonard, 2006). De este principio nace la Acuapona, la

cual se visualiza como una alternativa tecnolgica dirigida al desarrollo sostenible

(Rakocy y Hargreaves, 1993; Racocy, 2005). La acuapona en trminos generales es


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un sistema en el cual los residuos producidos por algn organismo acutico son

convertidos por medio de accin bacteriana en nutrientes necesarios para el

crecimiento de vegetales, las cuales sirven como fuente de alimento (Van Gorder,2000; Parker, 2002). Este sistema adems de mitigar el impacto ambiental producido

por las granjas acucolas y obtener un doble beneficio al producir biomasa vegetal y

animal, tiene la ventaja de tener un menor consumo de agua que los sistemas

hidropnicos y cultivos a cielo abierto (McMurtry et al., 1997).

Debido a la poca informacin acerca de los sistemas de produccin

acuapnicos, es necesario realizar investigaciones que aporten informacinrelevante acerca del comportamiento biolgico y de la interaccin peces planta

agua. Debido a lo anteriormente sealado, este trabajo tiene la finalidad de crear un

diseo original de un sistema acuapnico de produccin a pequea escala y evaluar

la produccin de tilapia y albahaca con seis combinaciones diferentes de sustratos

en los filtros biolgicos.


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2. MARCO TERICO

2.1. El Uso del Agua en Mxico

El agua es un factor importante para el desarrollo de la vida cotidiana y para

la realizacin de las diversas actividades econmicas que sustentan a un pas. Entre

los diversos usos consuntivos convergen la agricultura, industria, abastecimiento

urbano, generacin de energa elctrica, industria pecuaria, acuicultura, turismo y de

cuestiones paisajsticas. Aunque no todas las actividades antes mencionadas

generan un gran consumo de agua si contribuyen de forma importante como unacausa limitante del recurso hdrico (CNA, 2008). Para el manejo del recurso hdrico

es de vital importancia conocer la cantidad de lluvia que se precipita a lo largo del

ao en el territorio nacional. Nuestro pas recibe un promedio anual de agua de

1,489 millones de metros cbicos, de los cuales cerca del 73% se pierde por

evapotranspiracin. Un volumen de 329 millones de metros cbicos escurre por una

vasta red de arroyos y ros de 633 mil kilmetros de longitud, mientras que el

volumen restante se incorpora a los mantos acuferos (CNA, 2011). Sin embargo,

existen contrastes muy relevantes en la parte norte, centro y sur del pas; as por

ejemplo, en algunas zonas de Baja California Sur se tienen registros de la

precipitacin media anual de hasta 50 mm por ao, mientras que, en algunos

estados del sur como Tabasco y partes de Chiapas alcanzan alturas de lluvia de

hasta 1,500 mm por ao (SEMARNAT, 2008).

De acuerdo a la Comisin Nacional del Agua (2008), aproximadamente del

total de la lluvia presente en la superficie en el ao 2007, el 67% de esta se presentaen tan solo cuatro meses, el 83% de esta escurre superficialmente por los grandes

ros y el resto se incorpora a los mantos acuferos, lo que dificulta su

aprovechamiento y obliga a la construccin de grandes obras hidrulicas para su

captacin, almacenaje y distribucin. En el ltimo lustro, se ha presentado un

crecimiento poblacional importante, de 25 a 103 millones de habitantes para el 2005.

Sumado a esto, las dos terceras partes del territorio nacional son semiridas, el


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mayor crecimiento y desarrollo se ha llevado a cabo en la zona centro y norte del

pas, las cuales tienen una disponibilidad del agua menor que en el sur, debido a

factores como el cambio climtico y su ubicacin en la franja desrtica delhemisferio, lo que favorece la presencia de sequas y desabastos de agua

(SEMARNAT, 2008; CENAPRED, 2001 al 2004). Lo anteriormente sealado, ha

ocasionado problemas de disponibilidad de agua debido a la sobre explotacin de

fuentes superficiales y subterrneas de agua, con los subsecuentes conflictos

sociales y estancamientos en el desarrollo econmico (CNA, 2010 y 2008).

Para fines de administracin en nuestro pas, los confinamientos del aguasubterrnea han sido divididos en 653 acuferos, y se sabe que para el ao 2008

ms de cien presentaron sobreexplotacin. Se estima que en promedio en el

territorio mexicano cerca del 37% del volumen total de agua concesionado para usos

consuntivos proviene del subsuelo y la mayora de los acuferos que presentan esta

problemtica se encuentran ubicados en la zona centro y norte del pas. De estos

mantos sobreexplotados se extrae un volumen aproximado del 58% del total de

agua subterrnea destinada para todos los usos en esta zona (CNA, 2010).

Expresado en porcentajes, en las regiones norte y centro del pas se

concentra el 77% de la poblacin y se dispone solo del 31% de agua, mientras que

en las regiones sur sureste se dispone de aproximadamente el 69% del total de

agua captada y se ubica el 23% de la poblacin total. En lo que respecta al uso del

agua, en diciembre del ao 2006 se concesion un volumen de 77,321 millones de

m3 de agua para diversas actividades econmicas, sin incluir la generacin de

energa hidroelctrica. Del volumen total disponible de agua, el 77% corresponde aluso en la agropecuario, el 14% al uso pblico y el 9% para las actividades de la

industria, las cuales obtienen el recurso en mayor medida de fuentes de

subterrneas (CNA, 2010; CNA, 2008; SEMARNAT, 2008).


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2.1.1. Uso del Agua en el Estado de Guanajuato

El estado de Guanajuato pertenece a dos regiones hidrolgicas, la reginhidrolgica Lerma Santiago (RH-12), cuya extensin abarca ms del 80% de la

superficie del estado, y la regin hidrolgica del Panuco (RH-26) con una extensin

de cerca del 17% de la superficie. La primera se caracteriza porque sus aguas tienen

un flujo hacia el Ocano Pacfico y la segunda por presentar escurrimientos hacia el

Golfo de Mxico (CEAG, 2001). Con el objetivo de llevar a cabo una correcta gestin

del recurso hdrico, Guanajuato participa en conjunto con otros estados en tres

consejos de cuenca, los cuales son: Lerma Chapala, Ro Santiago y Ro Panuco,siendo el de mayor extensin en el estado el Lerma Chapala. Dentro de las dos

regiones hidrolgicas del estado se encuentran distribuidas siete subcuencas, stas

son: San Gaspar, Salamanca Cuitzeo - Sols, Adjuntas, Pericos, Ro Lerma, Santa

Mara Extoraz y la ms extensa Begoa, que se extiende abarcando los municipios

de la parte norte central del estado (CEAG, 2001). A lo largo de la superficie del

estado, fluye una red de ros con una longitud total de 877 kilmetros. Dentro de la

Regin RH-12 los ms importantes son Laja, Turbio, Guanajuato, Temascato, Verde

y Lerma, este ltimo es el ms largo de la regin y del estado. En la regin RH-26

solamente se ubica el ro Santa Mara (INEGI, 1995 y 2000).

El estado de Guanajuato cuenta con una infraestructura hidrulica que

almacena cerca de 1,500 millones de m3 en 5,000 almacenamientos de agua

superficial. Las principales obras hidrulicas del estado son: Presa Sols, Laguna de

Yuriria, Presa Allende, Presa Peuelitas, Presa la Pursima, Presa el Palote, Presa

Soledad y Presa la Esperanza, siendo las de mayor tamao la presa Sols con unacapacidad de 1,217 Mm3, La presa Ignacio Allende capaz de almacenar 251 Mm3y

la presa La Pursima con una capacidad mxima de 195 Mm3 (CEAG 2001; CEAG,

2004). Con la finalidad de estimar la precipitacin promedio en el estado existe una

red de cuarenta y cuatro estaciones hidromtricas distribuidas a lo largo del territorio

operadas por la Comisin Nacional del Agua (CNA), la Comisin Estatal del Agua de

Guanajuato (CEAG) y la Secretara de Desarrollo Agropecuario y Rural (SDAyR), de


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- 15 -

las cuales 41 estaciones hidromtricas convencionales corresponden a la CNA, 2

estaciones convencionales a la CEAG y una estacin semiautomtica a la SDAyR

(CNA, 2000; CEAG, 2001).

Para el estado de Guanajuato se estima un escurrimiento superficial de 1,364

millones de m3en la regin hidrolgica Lerma Chapala (RH-12) y un escurrimiento

de 150 millones de m3 en la regin hidrolgica del Pnuco (RH-26), contra una

extraccin de demanda de aguas superficiales de 1,557 millones de m3, lo que

refleja un dficit de 193 millones de m3 (CEAG 2001; CEAG, 2004). Debido a las

caractersticas fsicas del territorio estatal, Guanajuato posee las condicionesapropiadas para la formacin de mantos acuferos. Para su administracin, la

Comisin Nacional del Agua delimit los acuferos en 20 zonas y en 1999 la CNA en

coordinacin con la Comisin Estatal del Agua en Guanajuato dividi el estado en 15

zonas para el estudio de las aguas subterrneas. En lo que respecta al balance de

las aguas subterrneas en el estado, anualmente en promedio se tiene una recarga

a los mantos acuferos de aproximadamente 2,948 millones de m3, mientras que se

reporta una extraccin de 4,194 millones de m3,cifras que resultan en un dficit de

1,245 millones de m3(CEAG, 2001).

En el estado existen un total de 17,280 pozos registrados (cifra que se conoce

gracias a los contratos derivados de energa elctrica) con una profundidad media

de 10 a 200 metros y un abatimiento medio anual de 0.5 a 3.5 metros. Cabe

mencionar que todos los acuferos estudiados por la Comisin Estatal del Agua de

Guanajuato presentan sobreexplotacin (CEAG, 2001; CEAG, 2004). De acuerdo a

la Comisin Estatal del Agua (1999), del total del agua tanto superficial ysubterrnea disponible en el estado, cerca del 90% se destina a la actividad agrcola

y de abrevadero, aproximadamente el 8% es usada por el sector pblico urbano y

rural y el 1% se dispone para la actividad agrcola. Por otra parte, del total de agua

extrada del subsuelo cerca del 99.73% es usada por la actividad agrcola (CEAG,

2001; CEAG, 2004). Para el ao 2001, haba un registro de 80 empresas

clasificadas en 16 diferentes grupos y giros. Estas empresas eran capaces de


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- 16 -

generar aproximadamente 65,062 m3de aguas residuales por da, de los cuales el

44% de este gasto proviene de la industria qumica y petroqumica, siendo los

municipios ms afectados San Francisco del Rincn y Salamanca, generando unalto grado de contaminacin en los ros Turbio y Lerma (CEAG, 2001).

2.1.2. Uso del agua en la produccin agropecuaria

En la actualidad, uno de los factores limitantes en las producciones

agropecuarias en Mxico es el recurso hdrico, ya que los mantos acuferos

nacionales tienen una gran presin de demanda. Del total del agua extrada en elpas, alrededor del 78% es destinada para riego en actividades agrcolas (CNA,

2008). Esta produccin agrcola constituye el 4% del PIB nacional con un valor de

155 mil millones de pesos y existen entre 20 y 25 millones de hectreas destinadas a

esta actividad, de las cuales, se cosechan de 18 a 22 millones de hectreas. En el

ao 2004, el 76% del agua extrada del subsuelo se utiliz para el riego de los

cultivos, y el 6.5% de esta agua se destin para las actividades pecuarias y de

acuicultura (SEMARNAT, 2005). Mxico es uno de los pases que cuenta con mayor

infraestructura para el riego en el mundo, ocupado el sexto lugar a nivel mundial, es

por ello que, aproximadamente el 10.5% de la superficie del territorio est destinada

para actividades de agricultura (alrededor de 21 millones de hectreas) (CNA, 2008).

Para el ao 2007, el Censo Agrcola, Ganadero y Forestal report que el 18% de la

superficie dedicada a la agricultura utiliz tcnicas de riego. El agua es suministrada

mediante 85 distritos de riego (utilizados en el 54% de la superficie regada) y

pequeas obras operadas por el productor conocidas como unidades de riego

(utilizadas por el 46% de las superficies regadas). Las metodologas de riegomayormente usadas en el pas son las de uso tradicional teniendo una eficiencia del

uso del agua de un 46% y se estima que con el uso de nuevas tecnologas podra

aumentar a un 60% (CNA, 2001). Cabe destacar que en el ao 2008, la Comisin

Nacional del Agua reporta que las eficiencias en el uso del agua en el sector agrcola

son an muy bajas cubriendo un rango de eficiencia de entre el 33 y 55%. La

superficie restante es irrigada por temporal y 2.7 millones de hectreas de esta son


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irrigadas por 22 distritos de temporal tecnificado (SEMARNAT, 2008). De acuerdo a

la Comisin Nacional del Agua (2008), el 88% del volumen de agua que se utiliza

por los distritos de riego proviene de fuentes superficiales tales como presas y ros,mientras que el otro 12% proviene de fuentes de agua subterrnea extrada de

pozos profundos. Por otro lado, el 57% del agua utilizada por las unidades de riego

proviene de fuentes de agua subterrnea y el 43% restante de fuentes superficiales.

La agricultura de riego llega a generar ms de la mitad de la produccin

agrcola nacional y en promedio las reas que cuentan con infraestructura para

suministrar el riego son 3.7 veces ms productivas que las de temporal(SEMARNAT, 2008; CNA, 2008; CNA, 2010). Por lo que respecta al uso del agua

para la agricultura en el estado, la Comisin Estatal del Agua de Guanajuato (2001)

report un total de 416,000 hectreas regadas. Lo que corresponde a un 67.5% de

la superficie destinada para la agricultura, el otro 32% es irrigada por temporal.

Guanajuato cuenta para esta prctica con dos distritos de riego que irrigan cercar de

125,060 hectreas, el Alto Lerma (011) y la Begoa (085), adems de esto 11,000

hectreas son irrigadas por el distrito de riego 087 perteneciente al estado de

Michoacn, el resto de la superficie destinada a la agricultura es regada por

unidades de riego. Por otra parte, del total de la superficie irrigada el 27% lo hace

por medio del riego. En el cuadro 1, se muestran los usos consuntivos del agua en el

Estado de Guanajuato.

Cuadro 1. Usos consuntivos del agua en el estado de Guanajuato en el ao 2009

(CNA, 2011).

Usos consuntivos de agua en el estado de Guanajuato (m3)

Fuente AgriculturaAbastecimiento

pblicoIndustria

Industria

termoelctrica

Industria

hidroelctrica

Subterrnea 2,118,756,100 557,562,557.40 60,113,704 20,543,076 0

Superficial 1,325,558,628 93,922,755.14 379,840 0 800,100,000

La agricultura de riego se ha desarrollado en el estado de Guanajuato a lo

largo del bajo en dos etapas a partir de la dcada de los sesenta. La primera etapa


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corresponde a la modernizacin agroindustrial que sufri la industria alimentaria

entre las dcadas de los sesenta y setenta. Dicha modernizacin trajo consigo el

establecimiento de empresas transnacionales dedicadas a la produccin dealimentos balaceados para la industria avcola, porcina y a la produccin de harina

de trigo. Esta modernizacin ocasion un cambio total en el paisaje agrcola puesto

que los cultivos predominantes (maz y frijol) perdieron terreno frente a los cultivos

de sorgo y materia prima para la elaboracin de alimentos balanceados (Gmez

Cruz y Perales, 1981). La segunda etapa se da en la dcada de los ochenta y se

centraliz en la exportacin masiva de hortalizas congeladas, gracias esta

oportunidad de expansin en el mercado agrcola la superficie hortcola cultivadapas de aproximadamente 10,000 a 70,000 hectreas con un valor entre 10 y 170

millones de dlares (Bivings y Runsten, 1992).

Gracias a la expansin agrcola estas dos etapas de crecimiento ocasionaron

un impacto negativo sobre los mantos acuferos haciendo que Guanajuato pasara a

ser el estado con mayor nmero de pozos a nivel nacional, con 1,100 perforaciones

en 1960 y 16,500 en 1996 (CEAG, 2001). La Comisin Estatal del Agua de

Guanajuato (1994) ha estimado que entre 1970 a 1990, el estado ha experimentado

un crecimiento en la superficie destinada a riego de 135,900 hectreas a 473,900

hectreas haciendo que entre los aos de 1977 a 1994 la profundidad promedio de

los pozos llegara hasta 150 metros de profundidad con un descenso promedio del

espejo de agua de uno a tres metros por ao.

La cantidad de agua requerida para la produccin de un cultivo depende de

diversos factores. La huella hdrica de un producto de consumo se define como eltotal del volumen de agua fresca que es usada para producir dicho producto

(Hoekstra et al., 2009). A su vez, la huella hdrica se subdivide en tres diferentes

tipos: azul, verde y gris. La primera se refiere al agua superficial y subterrnea

consumida para la produccin de un bien. La huella hdrica verde hace referencia al

agua de lluvia consumida, mientras que la huella hdrica gris de un producto se


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refiere al volumen de agua requerida para asimilar la carga de contaminantes

(Mekonnen y Hoekstra, 2010).

De acuerdo a la SAGARPA (2011a) a nivel nacional y estatal, los cultivos de

grano como el maz, la cebada y el trigo tienen una alta produccin. Al mismo

tiempo, es notable que dichos productos requieren de una cantidad considerable de

agua para su desarrollo, cabe mencionar que en el estado de Guanajuato se tiene

una problemtica de sobrexplotacin de los mantos acuferos (CEAG, 2001; CEAG,

2004), y la actividad con mayor demanda de agua subterrnea es la agrcola. El

gasto de agua y la huella hdrica depende del tipo de cultivo y producto obtenido. Enel cuadro 2 se muestra la huella hdrica de algunos cultivos producidos en el pas y

en el estado de Guanajuato, y en los cuadros 3 y 4 la huella hdrica para la crianza y

mantenimiento de especies animales productivas y algunos productos de origen

animal.

La produccin y consumo de carnes en nuestro pas, por orden de

importancia, son las aves de corral, bovino y porcino. En el cuarto lugar, se ubican

los peces de agua dulce junto con los ovinos y caprinos (FAO, 2010; SAGARPA,

2011b). En el cuadro 3 se pueden observar los volmenes de agua reportados para

la crianza de estas especies por ao, en el perodo entre 1996 al 2005. En el caso

del cultivo acucola, a la fecha, no se han encontrado datos de huella hdrica en la

literatura consultada.


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Cuadro 2. Uso de agua requerida para la produccin de diversos cultivos, perodo de1996 al 2005. Valores promedio ao en m3/ton (Mekonnen y Hoekstra, 2010).

Huella hdrica por cultivo (m3!ton)

"ultivo#$ico Guanajuato

H% H% &erde H% H% A'ul H% H% Gris H% H% &erde H% H% A'ul H% H% Gris

Maz 1852 62 357 1874 87 355

ri!" 333 558 185 457 658 183

#eba$a c"n ca%cara 1038 864 37 790 900 31

&rr"z 1239 349 162 - - -

S"r!" 1044 177 27 1562 69 24

#a'a $e &z(car 135 33 15 101 42 15

#alabaza ) #*a)"te 193 26 65 203 11 62+%pinaca 199 98 94 242 37 84

#"lifl"r, rc"li 212 70 74 270 5 74

ec*u!a 116 49 49 147 11 46

#eb"lla 210 87 83 244 37 78

&n% 418 138 36 470 63 35

&/" fre%c" 171 475 121 216 427 158

&/" en p"l" 657 1827 465 832 1644 607

+%prra!" 1278 712 252 1701 475 233

re%a 228 90 43 171 83 33

San$a 176 60 45 196 31 44

Meln 134 26 45 149 6 43

epin" ) pepinill" 70 31 39 69 52 38

ri/"l 4369 174 475 4228 71 417

apa 138 112 13 170 67 13

iient" er$e 129 82 76 170 82 102


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Cuadro 3. Uso de agua requerida para la crianza de animales productivos a lo largode toda su vida, perodo de 1996 al 2005. Valores promedio ao en m3/ton(Mekonnen y Hoekstra, 2010).

specie animal

Huella hdrica

del animal

vivo hasta el

in de su vida

(m3!ton)

*eso

promedio

del animal

hasta el in

de su vida

(+g)

Huella

hdrica

promedio

hasta el in

su vida

(m3!animal)

*romedio

de

tiempo

de vida

(a,os)

*romedio anual

de huella hdrica

de un animal

(m3!a,o!animal)

aca% lec*era% ----- ----- 20,558 10 2,056

#aball"% 40,612 473 19,189 12 1,599

ana$" acun" 7,477 253 1,889 3 630

#er$"% 3,831 102 390 0.75 520

e/a% 4,519 31.3 141 2.1 68

"ll" ----- ----- 47 1.4 33

#abra% 3,079 24.6 76 2.3 32

"ll"% $e en!"r$a 3,364 1.9 6 0.25 26

En el cuadro 4, se pueden observar los volmenes de agua necesarios para

la obtencin de carne de diversas especies productivas.

Cuadro 4. Uso de agua requerida para la produccin de carne de diversas especiesen Mxico, perodo de 1996 al 2005. Valores promedio ao en m3/ton (Mekonnen yHoekstra, 2010).

*roducto H%H% &erde H%H% A'ul H%H% Gris

#arne $e re% 15,843 801 618

#arne $e "e/a 20,987 485 94

#arne $e cabra 10,489 304 1

#arne $e cer$" 6,859 837 653

#arne $e p"ll" 4,526 403 524

Es interesante observar que, se requiere una alta cantidad de agua para

producir un kilo de carne de ovino, seguida por los bovinos y caprinos, y en menor

medida para cerdos y pollos. Cabe mencionar que en la literatura consultada, no se

han encontrado reportes del uso de agua requerida para la obtencin de carne de

peces de agua dulce. Este hecho llama poderosamente la atencin, debido a que en


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el caso de la produccin acucola intensiva, la cual es manejada por medio de

estanquera, el elemento agua es fundamental para dichas producciones. Muy

probablemente, el recurso agua hasta la fecha no ha sido tomado en cuenta en laacuicultura, debido a que en gran medida, los organismos (como peces) que se

consumen, an los de agua dulce, se obtienen por medio de la captura directa. Sin

embargo, con el acelerado y sostenido crecimiento y situacin actual de la

produccin acucola en estanques en Mxico y el mundo, es fundamental evaluar el

gasto hdrico necesario para la obtencin de carne de peces de agua dulce y otros

productos acucolas.

2.2. Agricultura protegida

La agricultura es una actividad fundamental, conforme la poblacin crece, las

necesidades para la distribucin y la produccin de alimentos tambin lo hacen, por

lo que la planificacin de superficies para la prctica agrcola se vuelve cada vez

ms costosa y complicada (FAO, 1998). El crecimiento demogrfico, las tendencias

econmicas de la poblacin y la distribucin de la superficie destinada para el cultivo

son factores que determinan la demanda de alimentos para un sistema agropecuario

y definen en gran medida el grado de pobreza de un pas. Adems, tanto las

condiciones climticas como el grado de tecnologa de una regin limitan

fuertemente la produccin (FAO, 2002; FAO, 2007).

La agricultura protegida se define como la modificacin del ambiente areo y

radicular de la planta, luz, temperatura, humedad y nutricin, con el objetivo de lograr

incrementar el rendimiento de los cultivos, extender las temporadas productivas ypermitir que las plantas crezcan en perodos del ao que regularmente no lo hacen

(Jensen y Malter, 1995). Para permitir la modificacin de dichos parmetros es

necesario contar con sistemas que brinden una proteccin adecuada y se ajusten a

las necesidades particulares de cada cultivo. Estos sistemas pueden variar de

acuerdo a su complejidad y funcin, desde pequeos semilleros, cubiertas plsticas,

cajoneras, tneles, hasta edificaciones como los invernaderos, los cuales son


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estructuras en donde se puede cultivar hortalizas, flores y plantas verdes, permiten

la manipulacin de factores climticos y el cultivo fuera de temporada (Tognoni y

Alpi, 1999). En la actualidad, la prctica de esta tcnica ha permitido a algunospases incrementar su superficie para la produccin de alimentos.

En Mxico, la agricultura protegida se ha incrementado en los ltimos aos

debido a las ventajas que tiene sobre otros sistemas, ya que ofrece la oportunidad

de obtener productos de forma constante sin depender del clima. Comparndola con

cultivos de temporal, es posible programar las cosechas de acuerdo a la demanda y

precio, se obtienen hasta tres cosechas al ao dando como resultado un aumento enel rendimiento, se obtiene mayor calidad en los productos, hay un importante ahorro

de agua y un mejor control de enfermedades y plagas (Serrano, 2005).

Gracias a las mltiples ventajas ambientales, comerciales y sociales que la

agricultura protegida ofrece, Mxico es un pas en el que la superficie ocupada por

cultivos de invernadero se encuentra en expansin. Para el ao de 1980, exista un

total de 300 hectreas de invernadero a lo largo del territorio nacional. Para el ao

de 1999, el nmero ascendi a 721, para 2005 a 3,214, y para el 2007, el Instituto de

Nacional de Estadstica y Geografa report un total de 18,127 unidades que

ocupaban una superficie de 12,540 hectreas. Para el ao 2008, haba un total de

18,517 hectreas ocupadas por invernaderos, para ese mismo perodo en el estado

de Guanajuato existan 175 hectreas (SAGARPA, 2011a). De acuerdo a la

SAGARPA (2009) para el ao 2008 del total de la superficie del pas destinada a la

agricultura protegida, el 44% de esta corresponda a invernaderos, el 51% a

estructuras de malla sombra y el 5% a otros tipos de infraestructuras. Por otro lado,el 79% de los invernaderos presentes en el pas el 79% eran de alta tecnologa, el

17% de media y el 5% de baja.

A nivel nacional, los estados que cuentan con ms infraestructura para la

prctica de la agricultura protegida son: Sinaloa con el 30% del total del pas, Baja

California con un 16%, Estado de Mxico con 12%, Jalisco con un 7% y el otro 35%


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se encuentra distribuido en el resto del pas. Casi el 38% de infraestructura

destinada para la agricultura protegida produce jitomate, el 33% ctricos y forrajes, el

16% pimiento morrn, el 10.8% pepino, el 1.6% plantas ornamentales y el 1% meln(SAGARPA, 2011 a).

2.2.1. Hidropona

La hidropona es un sistema en donde es posible la produccin de plantas

donde en lugar de tierra, se utiliza un medio inerte como arena gruesa, turba,

vermiculita o aserrn a la que se agrega una solucin nutritiva (Barbado, 2005), y hasido desarrollada gracias a diversos experimentos realizados para determinar que

sustancias necesitan las plantas para crecer (Howard, 2004). Debido a que una gran

superficie del pas presenta una precipitacin media anual relativamente baja y

adems existen diversas zonas con problemas de erosin de suelo, los sistemas

hidropnicos son una alternativa altamente productiva, ya que tiene una alta

eficiencia en el consumo de agua y requiere de poco espacio para el crecimiento de

las races, adems la planta se hace crecer hacia arriba optimizando el espacio y por

lo cual alcanza un gran tamao (Rodrguez, 2002).

Como principales ventajas se tiene que en los sistemas hidropnicos las

labores de cultivo, fumigacin, riego y otras prcticas tradicionales extenuantes son

eliminadas, gracias a la proporcin constante de nutrientes, la planta puede

aprovecharlos con mayor eficiencia. El hecho de que los sistemas hidropnicos

puedan estar bajo condiciones protegidas permite obtener un mejor control de

plagas, una alimentacin eficiente de las plantas, un ambiente propicio para elcrecimiento ptimo de las races y la manipulacin de factores como la temperatura,

luz, humedad y composicin del aire. Adems, los pequeos horticultores pueden

adaptar pequeos sistemas en los jardines de sus casas (Benton, 2005). Las

diferencias entre el cultivo con sustratos inertes (hidropona) y cultivo tradicional en

suelo arable pueden observarse en el Cuadro 5.


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- 25 -

Las desventajas que afectan a este sistema de produccin son un costo inicial

por hectrea muy alto, se necesita de conocimientos especializados para poder

operarlos, las enfermedades y plagas pueden ser rpidamente esparcidas por todoel cultivo por medio de la solucin nutritiva, las plantas pueden reaccionar

rpidamente a buenas o malas condiciones, y usualmente se tiene descargas de

aguas residuales cargadas con sales a suelos externos (Manson, 1990).

2.2.2. Plantas aromticas

Entre las especies que son posibles de cultivar en sistemas hidropnicos, seencuentran las plantas aromticas, las cuales, han extendido su utilizacin de forma

relevante y son consumidas en cantidades importantes en nuestro pas (SAGARPA,

2011a). Este tipo de plantas pueden ser de ciclo anual, perenne o bienal, y pueden

ser cultivadas en suelo, macetas o hidropona. Una gran parte de las plantas

aromticas pueden ser procesadas mediante el secado para conservar su aroma y

sabor, aunque tambin pueden ser consumidas de forma fresca, principalmente

hojas y tallos tiernos. En general se caracterizan por pequeos arbustos y la mayora

se reproducen por medio de semillas. Sus principales usos son culinarios, sin

embargo, tambin son utilizadas con fines medicinales (Mendiola y Montalbn,

2009). En el cuadro 6 se puede observar que en el ao 2010 algunas de las

especias y plantas medicinales ms producidas fueron jamaica, pimienta, cha,

manzanilla, albahaca, te limn, achiote y ans. De la misma manera es notable que

las ms rentables son ans, jamaica, cha, pimienta, manzanilla, albahaca, achiote y

pimienta verde.


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Cuadro 5. Comparacin entre cultivo con sustratos inertes (hidropona, sin sueloarable) y cultivo tradicional en suelo arable (RESH, 2001).

Prctica de cultivo Con suelos arables Con sustratos inertes

Agua

El uso del agua es pocoeficiente, las plantasnormalmente estnsujetas a trastornosdebidos a una pobrerelacin agua-suelo

Mayor eficiencia en el uso deagua, se pueden reducir las

prdidas por evaporacin, noexiste estrs hdrico

Calidad del frutoDebido a las deficienciasde calcio y potasio el frutofrecuentemente es blando

El fruto es firme, lo quepermite cosecharlo y enviarlo

a zonas distantes

Nutricin vegetal

A veces los nutrientes noson utilizados por las

plantas debido al pH omala estructura del

terreno

Buen control del pH yuniformidad para la nutricin

de las plantas

Nmero de plantasLimitado por la nutricinque pueda dar el suelo y

por la luz disponible

Es posible usar una mayordensidad de plantacin, lo que

dar una mayor cosechaControl de malas

hierbas Siempre existen No existen

Enfermedades y

parsitos del suelo

Gran nmero de

enfermedades del suelo

No hay enfermedades,

insectos ni animales en elmedio de cultivoEsterilizacin delmedio de cultivo

Proceso muy largo, de dosa tres semanas

El tiempo preciso para la labores muy corto

Estado sanitario

La utilizacin de restosorgnicos suele ser causade enfermedades en los

consumidores

No existen agentes patgenosya que no se aaden

componentes biolgicos

Fertilizantes

Se aplican grandescantidades a todo el suelocon una distribucin poco

uniforme, teniendograndes prdidas

Hay uniformidad en laaplicacin y se utilizan

pequeas cantidades

Trasplante

Se requiere de unapreparacin del suelo y a

pesar de ello la plantasuele estresarse

No necesita una preparacinespecial del suelo, siendo

mnima la prdida vegetativa


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Cuadro 6. Produccin de especias y plantas medicinales en Mxico para el ao2010. (SAGARPA, 2011a).

Cultivo Superficiecosechada(ha)

Produccin(ton)

Valor deproduccin(millones de pesos)

Achiote 500 452.27 5.247Albahaca 78 1,236 5.515

Albahaca de invernadero 5.62 84.42 1.927Ans 334 397.28 8,714Cha 2,329 2,913 57.24

Comino 152 124 3.34Hierbabuena 29.5 288 1.196

Jamaica 19,020 5,469 119.316Jengibre 37 11 0.216

Manzanilla 866 1,505 11.84Mejorana 28 50 0.158Mostaza 10 19 0.399Neem 20 7 0.00324Noni 42 318 1.937

Organo 65 128 0.692Pimienta 2,348 3,286 50.384

Pimienta verde 142 354 3.414

Romero 41 343 1.281Te limn 73.5 770 2.437Tomillo 4 34 0.05

2.2.3. Albahaca (Ocimum basilicum L.)

De las especies de plantas aromticas consumidas en nuestro pas, la

albahaca (Ocimum basilicum L.) se utiliza ampliamente con diversos fines. Es una

planta anual, que slo dura un corto perodo que va de la siembra a la recoleccin(Mendiola y Montalbn, 2009). Es una planta herbcea de la familia de las labiadas,

originaria de los pases tropicales; es una hierba muy ramosa, con hojas ovaladas y

enteras. Las flores se disponen en largos ramilletes terminales. Es una planta muy

aromtica y perfumada, que se ha utilizado desde siempre para dar sabor y aroma a

muchas salsas y guisos; pero adems de ser condimento culinario, cuenta con

propiedades medicinales (Javanmardi et al., 2002; 2003). Contiene una


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concentracin importante de carotenoides, los cuales son transformados en el

cuerpo en vitamina A, y ayuda a reducir los riesgos de contraer algunas formas de

cncer, as como a la produccin de rodopsina (protena) que se encuentra en lasparedes de la retina del ojo responsable de mantener una vista saludable (Rinzler,

2001). Para el ao 2010,en Mxico el cultivo de albahaca abarc una superficie de

aproximadamente 453 hectreas, de las cuales se cosech un rea total de 449

hectreas. La produccin para ese mismo ao fue de 3,723 toneladas dando un

rendimiento de 8.29 toneladas por hectrea. El valor de produccin de esta

herbcea fue de $12,260.00 por tonelada lo que gener un valor de produccin de

$45,651,000.00 (SAGARPA, 2011a).

2.3. Acuicultura

La acuicultura, hace referencia a todas las formas de cultivo de animales

acuticos (peces, moluscos y crustceos) y plantas de medios de agua dulce,

salobre o marina (Pillay y Kutty, 2005). Dentro del marco legal se define a la

acuicultura como el aprovechamiento de las aguas y riberas para la cra y

reproduccin de animales acuticos. La acuicultura en nuestro pas tiene una larga

historia iniciando desde tiempos prehispnicos y siendo reglamentada en 1923 con

el surgimiento del Primer Reglamento de Pesca Martima y Fluvial de la Repblica

Mexicana (Fragoso y Aur, 2006).

2.3.1. Uso del agua en Acuicultura

El uso de agua para la acuicultura a menudo es relacionado con el uso de aguadulce destinado para esta actividad, as mismo a nivel mundial, es considerada como

una competencia directa para el cultivo de alimentos bsicos, debido a que requiere

de volmenes significativos para su labor especialmente en sistemas abiertos, donde

adems las aguas residuales vertidas son perjudiciales para el entorno. Aunado a

esto, la creciente demanda del vital lquido para la urbanizacin e industrializacin

restringe en gran medida el agua para la acuicultura. Sin embargo, en diversos


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- 29 -

pases se han implementado propuestas tecnolgicas para el aprovechamiento de

las aguas residuales tratadas provenientes de la acuicultura. Dichas aguas pueden

ser utilizadas para irrigacin y fertilizacin de cultivos, o bien se puede crearsistemas de recirculacin, donde el consumo de agua es mnimo y no daa el medio

ambiente ya que el agua nunca es vertida. Por otro lado, en las lneas costeras

tambin se desarrollan actividades de acuicultura aunque se han visto restringida

por la competencia directa con el turismo, las pesqueras, la navegacin y el

desarrollo urbano. Existe adems un tercer uso del agua destinada para la

acuicultura, el cual hace referencia a la utilizacin del agua dulce para manejar la

salinidad de las aguas salobres. Dicha actividad hoy en da ha sido prohibida enmuchos pases debido a los problemas de intrusin salina que est causando (FAO,

2007).

En el artculo 17, incisos IV y VI de la Ley General de Pesca y Acuicultura

Sustentable se observan como principios rectores que, la investigacin cientfica y

tecnolgica en materia acucola se consolide como herramienta fundamental y se

busquen nuevas tecnologas donde se utilicen los recursos naturales de forma ms

eficiente y al mismo tiempo se reduzcan los impactos ambientales negativos y se

aumente la productividad (DOF, 2007). Actualmente, uno de los principales retos a

los que se enfrenta la produccin acucola intensiva es el manejo del agua residual,

ya que puede contener residuos slidos en suspensin y molculas txicas en

solucin, desechos qumicos procedentes de las excretas, alimento no consumido y

medicamentos, entre otros. Una vez utilizada el agua proveniente de los sistemas

productores acucolas, generalmente se descarga en el suelo o en cuerpos de agua

adyacentes provocando diversos impactos al ambiente, por lo cual, laimplementacin de sistemas de recirculacin y tratamiento de agua en este tipo de

granjas son elementos clave para mitigar el efecto ambiental negativo asociado a

dichas producciones (SEMARNAT, 2005).


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2.3.2. Sistemas de produccin acucola en Mxico

La actividad acucola en Mxico se puede dividir en acuicultura de repoblacin,de subsistencia, comercial o industrial. La primera se basa en la siembra y cosecha

de individuos en sus diferentes etapas de desarrollo en cuerpos de agua y el

rendimiento que suele tener es de 100 a 800 kg/ha. La acuicultura de subsistencia

es tambin conocida como acuicultura rural y se prctica con fines de subsistencia o

de manera semi-comercial. El rendimiento puede ser de 100 a ms de 400 kg por ha

y es practicada primordialmente en estanques habilitados, los cuales son embalses

pequeos (bordos y jageyes) temporales y permanentes. La tercera obtieneproducciones de 1.5 ton/ha hasta 25 ton/ha dependiendo del grado tecnolgico con

que se cuenta. Los sistemas de produccin se refieren al nivel de intensidad

necesario para producir una especie en particular. Dichos sistemas son: sistema

extensivo, semiintensivo, intensivo y para algunas especies hiperintensivo (FAO,

2012).

Los sistemas extensivos se caracterizan por tener una reducida densidad de

organismos (un organismo por metro cbico de agua), dedicarse principalmente a la

siembra y cosecha de los mismos, no cuentan con tecnologa para medir parmetros

fisicoqumicos del agua, tienen solamente un ciclo de produccin al ao, los

recambios de agua son limitados por la naturaleza del lugar y la alimentacin se

lleva a cabo por las caractersticas mismas del lugar. Suelen utilizarse diversos

embalses (presas, jageyes, bordos) o estanques rsticos, en los que se puede

incorporar ms de una especie para apoyar la alimentacin del pez. La produccin

que puede alcanzar este sistema es de 1,000 a 1,500 kg por ciclo productivo(Fragoso y Aur, 2006).

El sistema de produccin semiintensivo se lleva a cabo en estanques, bordos,

canales de riego, estanques rsticos y presas, el productor interviene solamente en

la alimentacin. Es caracterizado por tener una densidad media de organismos (de

uno a diez peces por metro cbico de agua), la alimentacin se lleva a cabo de


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manera parcial con alimentos naturales presentes en el aguar y es complementada

con alimentos balanceados. Es necesario cambiar por lo menos un 5% del agua del

estanque al da, se monitorizan parmetros en el agua como la cantidad de oxgenodisuelto y se pueden obtener hasta dos cosechas por ao (FAO, 2012; Fragoso y

Aur, 2006).

Los sistemas de produccin acucola intensivos utilizan estanques pequeos

de cemento, jaulas, canales de corrientes rpidas y sistemas de recirculacin. Este

tipo de estructuras se utilizan con la finalidad de mantener un buen control y manejo

de las caractersticas del agua para lograr densidades altas de produccin (hasta 50kg de organismos por metro cbico de agua). La explotacin bajo este sistema

requiere de un flujo de agua alto (hasta 3 recambios totales del agua por da), y se

puede tener todas las etapas de produccin de la especie animal. La dieta es

soportada en su mayora por alimentos balanceados y los parmetros fisicoqumicos

tales como cantidad de amonio, nitratos, nitritos, oxgeno disuelto y pH son medidos

continuamente.

2.3.3. Acuicultura en el Estado de Guanajuato

De acuerdo a la Secretaria de Desarrollo Agropecuario del Estado (2006-

2012), Guanajuato cuenta con una infraestructura para el desarrollo acucola de 40

mil hectreas de espejo de agua. Dicha actividad se centra en dos grandes lagos, el

primero en Cuitzeo conformado por 4,000 hectreas y el segundo en Yuriria

abarcando aproximadamente 6,300 hectreas. Otros embalses de importancia son

la presa Sols, presa Allende, la Pursima, la presa de Jess Mara y la Golondrina.Es importante resaltar que entre la laguna de Yuriria, el lago de Cuitzeo y la presa

Sols, ubicados en la regin sur del estado, se produce ms del 60% de la

produccin y se cuenta con ms del 73% de los permisos para la pesca comercial.

Debido a las altas cargas contaminantes que provienen de las partes altas de

la cuenca as como las generadas en los valles, las demandas agrcolas que


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reducen el nivel de aguas en almacenamientos al mnimo operable y la obstruccin a

las actividades pesqueras por parte del lirio, se ha limitado considerablemente la

actividad acucola en el estado a la produccin de solo algunas especies (CEAG,2001). Como ha sido planteado, la produccin acucola en el estado se basa

principalmente en la captura de especies directo del medio, por lo cual, es

importante ofrecer alternativas de produccin acucola que permitan tener estas

fuentes de protena de forma constante, las cuales deben ser inocuas para el

consumo humano, entre esas alternativas se encuentran los sistemas de

recirculacin acucola.

2.3.4. Especies de peces para consumo humano

La actividad acucola en nuestro pas ha ido en aumento en los ltimos aos,

llegando a alcanzar una produccin de 156,957 toneladas para el 2009 con un valor

de 4,775 millones de dlares. Mxico produjo alrededor de 24,522 toneladas de

peces de agua dulce, 3,070 de peces de agua marina, 125,806 de crustceos, 3,407

de bivalvos y 152 de rana. Dichas cifras reflejan la importancia del cultivo de

crustceos y peces de agua dulce los cuales aportan a la produccin total

aproximadamente el 80% de la produccin y un poco ms del 15% respectivamente.

Para el ao 2009, las principales especies producto de la acuicultura a lo largo del

territorio mexicano fueron el camarn blanco (Penaeus vannamei) con cerca de 126

mil toneladas aportando cerca del 80% del total de la produccin acucola, especies

de agua dulce, tales como tilapia, carpa, trucha y bagre, las cuales contribuyen con

casi el 16% de la produccin total. Dentro de las especies de agua dulce la ms

utilizada es la tilapia (Oreochromis), de la cual se produjern 11 mil toneladas, lascuales representarn el 45% de la produccin de peces de agua dulce en el pas. La

segunda especie ms cultivada fue la carpa con 6 mil toneladas, despus la trucha

con casi 5 mil y por ltimo el bagre con cerca de mil quinientas toneladas (FAO,

2009).


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Lo anterior demuestra que Mxico es un gran consumidor de peces de agua

dulce entre ellos las tilapias, sin embargo, a pesar de que la produccin nacional es

substancial, las importaciones han aumentado en los ltimos aos, adems, esteproducto se obtiene principalmente por captura y en segundo lugar de sistemas de

produccin acucolas (Hartley-Alcocer, 2007), lo que ejerce una gran presin en las

poblaciones naturales. Entre las especies de tilapia importantes que se producen en

el pas se encuentra Oreochromis niloticus. Es un pez proveniente de frica que se

caracteriza por su alta adaptabilidad a diversos alimentos y calidades de agua, es

resistente a las enfermedades y de fcil reproduccin, caractersticas que lo han

convertido en una de las especies ms populares en la acuicultura (Vega-Villasanteet al., 2010).

2.3.5. Tilapia (Oreochromis niloticus)

Las tilapia es una especie animal marina, que prospera en ambientes acuticos

dulceacucolas y salobres como ros, arroyos, lagos y lagunas costeras. Es nativa de

frica, mayormente producida en las regiones de Amrica central, sur del Caribe, sur

de Norte Amrica, Sudeste asitico, Medio Oriente y frica. La incorporacin de esta

especie a los cultivos acucolas nacionales fue hecha en el ao de 1964 por la

Universidad de Auburn, Alabama y se logr adaptar a temperaturas de supervivencia

de 24 y 29 C (Fragoso y Aur, 2006). Es conocida por su fcil reproduccin y rpido

crecimiento, entre otras caractersticas. La tilapia es una especie que puede

adaptarse a altas densidades, acepta una gran variedad de alimentos naturales y

artificiales, es resistente a enfermedades, tiene una tasa alta de produccin y puede

sobrevivir en condiciones de bajas concentraciones de oxgeno y diferentessalinidades. Su cultivo es extensivo, intensivo y semi-intensivo, y se lleva a cabo en

zonas tropicales cercanas a una fuente de agua natural en estanques rsticos,

tanques circulares de concreto y jaulas flotantes. Cabe mencionar que la cra de

esta especie es una de los ms rentables en la produccin de peces, se trabaja en

31 estados de la repblica mexicana y adems el 91% de la produccin la aporta la

actividad acucola (FAO, 2008; SAGARPA, 2011a).


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La densidad de siembra de la tilapia vara segn la etapa de cultivo, para la

etapa de siembra la superficie de cultivo va desde los 350 a los 850 metroscuadrados con una densidad de siembra de 100 a 150 organismos por metro

cuadrado, para la etapa de levante la superficie de cultivo esta entre 450 a 1,500

metros cuadrados con una densidad de siembra de 20 a 50 organismos por metro

cuadrado y por ltimo para la etapa de engorda la superficie de cultivo puede variar

aproximadamente de 1,000 a 5,000 metros cuadrados con una densidad de siembra

de 10 a 30 organismos por metro cuadrado (Fragoso y Aur, 2006).

Este pez posee un cuerpo robusto, comprimido y discoidal raramente alargado,

su aleta dorsal tiene forma de cresta con espinas y radios en su parte terminal

mientras que su aleta caudal es redonda y trunca. Su boca es capaz de alargarse y

cuenta con labios gruesos, mandbulas anchas con dientes cnicos y a veces

incisivos. La mayora de las variedades de tilapia son omnvoras y en su medio

natural suelen alimentarse de fitoplancton, plantas acuticas, algas, zooplancton,

detritus, invertebrados, pequeos insectos y organismos bentnicos (SAGARPA,

2011a).

Para mantener la bioseguridad de los peces, los flujos de agua deben ser altos

y las explotaciones pueden realizarse de ciclo completo o incompleto, lo que permite

todas las etapas de produccin o solamente etapas como engorda y reproduccin.

Las densidades de siembra de peces que se pueden encontrar para la produccin

intensiva son de hasta 50 kg/m3con flujos de agua de hasta 3 recambios totales por

hora (Fragoso y Auro, 2006). Con lo que respecta a los gneros, el macho tiene dosorificios en la papila genital, el ano y el orificio urogenital, mientras que la hembra

posee tres, el ano, el poro genital y el orificio urinario. La madurez de los machos es

alcanzada en un periodo de cuatro a seis meses y la de las hembras en un periodo

de tres a cinco meses, su incubacin es bucal y dura de tres a seis das (FAO,

2008).


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2.4. Sistemas de Recirculacin Acucola (SRA)

Los sistemas de recirculacin cerrada, son unidades de produccin intensiva, elcual basa su principio de funcionamiento en la reutilizacin del agua despus de un

reacondicionamiento de la misma por medio de filtracin biolgica. Entre las

principales ventajas, se encuentra que al cultivarse en espacios cerrados permite un

mejor control de las tasas de crecimiento del producto, se pueden programar

cosechas, se obtiene mayor produccin por unidad de rea que con cualquier otro

sistema, es ambientalmente sostenible, usa entre un 90 99% menos agua que un

sistema de acuicultura convencional y menos del 1% del rea, adems, permite unmanejo seguro de los residuos (Timmons y Ebeling, 2010). El nitrgeno es un

nutriente esencial para los organismos vivos y se puede encontrar en protenas,

cidos nucleicos, nucletidos de piridina y pigmentos. En los sistemas acucolas el

nitrgeno es resultado de los desechos de las cras cultivadas, tales como amonio,

urea, cido rico, aminocidos excretados, residuos orgnicos provenientes de

organismos muertos, alimento no consumido, heces fecales y gas nitrgeno de la

atmsfera (Kajimura et al, 2004). Particularmente para los SRA, la descomposicin

de estos elementos es de vital importancia debido a su toxicidad, por lo cual se hace

necesaria la remocin de los mismos. El proceso por medio del cual el amonio

puede ser transformado por un filtro biolgico se llama nitrificacin y consiste en la

sucesiva oxidacin del amonio a nitritos y posteriormente a nitratos (Timmons y

Ebeling, 2010).

El amonio es producido en mayor medida, por las excretas de los organismos

cultivados y se encuentra en forma no ionizada. Al igual que los nitritos y nitratos, es

altamente soluble en agua. Esta molcula existe en dos formas, no ionizada (NH3) yionizada (NH4

+). La cantidad presente de estas formas a su vez estn en funcin del

pH, temperatura y salinidad. Comnmente a la suma de estas dos se le conoce

como amonio total o simplemente amonio (Anthoniscn et al., 1976). En trminos

qumicos es comn expresar los compuestos inorgnicos nitrogenados en trminos

del nitrgeno que contengan, resultando NH4+-N (nitrgeno amoniacal ionizado),


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NH3N (nitrgeno amoniacal no ionizado), NO2-N (nitrgeno de nitritos) y NO3N

(nitrgeno de nitratos).

De estos compuestos el amonio no ionizado es altamente txico para los peces

an en bajas concentraciones y puede producir alteraciones en el crecimiento. La

tolerancia a ste depender de la especie, aunque por lo general todas soportan una

concentracin que oscile entre 0.1 y 0.05 mg/L (Tomasso et al., 1979; Wood, 2004).

Los nitritos son el producto intermedio en el proceso de la nitrificacin, mientras que

los nitratos son el producto final y el compuesto menos txico, excediendo incluso

concentraciones de 1,000 mg/L (Colt y Tchobanoglous, 1976). Estos niveles ensistemas de recirculacin son usualmente controlados por los intercambios diarios

de agua. Dentro del proceso de la nitrificacin hay dos grupos de bacterias que son

fundamentales para que este se lleve a cabo, estas se categorizan en bacterias

autotrficas, llamadas as por que obtienen su energa a partir de los de compuestos

inorgnicos. Y en bacterias heterotrficas, mismas que obtienen su energa a partir

de compuestos orgnicos. Dentro del grupo de las bacterias autotrficas se

encuentran: Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobusy Nitrosovibria,

y son las responsables de oxidar el amonio a nitritos. Por otro lado, en el grupo de

las bacterias heterotrficas estn por los gneros Nitrobacter, Nitrococcus y

Nitrospira, las cuales se encargan de oxidar los nitritos a nitratos (Hagopian y Riley,

1998).

Forzosamente, las primeras bacterias nitrificantes en el proceso son las

autotrficas, y son aerobias, las cuales consumen dixido de carbono como su

principal fuente de carbono y requieren de oxgeno para crecer. A su vez estasbacterias pueden coexistir en un medio junto con organismos heterotrficos como

bacterias, protozoos y micrometazoos, las cuales crecen significativamente ms

rpido y prevalecen por encima de las primeras en la competicin por espacio y

oxgeno donde las concentraciones de partculas orgnicas son altas. Por esta

razn, es necesario que el agua que entra en un biofiltro sea lo ms limpia posible

para evitar concentraciones de estos microorganismos (Timmons y Ebeling, 2010).


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La implementacin de filtros biolgicos en SRA es la forma por medio del cual se

aprovecha el ciclo del nitrgeno para la remocin de compuestos txicos. En

sistemas acucolas algunos de los filtros biolgicos ms comunes son biofiltrossumergibles, biofiltros de camas flotantes, biofiltros tipo wet/dry y biofiltros de cama

fluidizada. Todos estos biofiltros estn diseados para permitir el intercambio

gaseoso y la digestin biolgica. Para su correcta seleccin o diseo se debe

considerar la temperatura de operacin, requerimientos de oxgeno, fuentes de

agua, alimento usado por da, tipo de alimento, tipo de pez criado, costo y

manutencin (Hoff, 1996).

El pH ptimo para la supervivencia de las bacterias y la operacin eficiente de

los biofiltros se recomienda sea de entre 7 y 8 para bacterias autotrficas y entre 7.5

y 8.5 para heterotrficas, fuera de estos rangos de pH la eficiencia del biofiltro se

reduce en aproximadamente un 50%. Otro factor importante es la cantidad de

oxgeno presente en el agua, normalmente debe contener de entre tres a ocho

partes por milln de oxgeno y est en funcin de la demanda biolgica de oxgeno,

compuestos orgnicos e inorgnicos presentes, temperatura, altitud, clima y limpieza

(Grady y Lim, 1980).

2.4.1. Acuapona

A nivel mundial, cada da se hace ms evidente la escasez de agua, por lo

cual, es necesario buscar alternativas para un uso eficiente del recurso hdrico.

Algunas investigaciones han demostrado que los residuos de la acuicultura pueden

ser utilizados como nutrientes para el crecimiento de plantas en sistemashidropnicos (Naegel 1977; Waten y Busch, 1984; Seawright et al., 1998; Lennard y

Leonard, 2006), por lo cual, es posible incorporar la hidropona a la acuicultura. La

acuapona se visualiza como una alternativa de produccin agropecuaria dirigida al

desarrollo sostenible, ya que ha sido propuesta como un mtodo para el control de la

acumulacin de desechos producidos por el cultivo acucola, y puede definirse como

la integracin de la produccin de plantas de forma hidropnica a un sistema de


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recirculacin en acuicultura (Rakocy y Hargreaves, 1993; Racocy, 2005). En

trminos generales, la acuapona es un sistema de produccin orgnica en el cual

los desechos producidos por algn organismo acutico (por lo general peces), sonconvertidos a travs de la accin bacteriana en nitratos, los cuales, sirven como

fuente de alimento para las plantas.

El principio se basa en que los nutrientes requeridos para el crecimiento y

desarrollo de vegetales, son muy similares a los residuos producidos por los peces

que son liberados y transformados posteriormente por los microorganismos

nitrificantes presentes en el medio, las plantas toman del agua lo que necesitan, yas, al absorber estos nitratos, limpian el lquido que regresa a los peces,

permitiendo a estos ltimos vivir en un medio adecuado para su crecimiento y

desarrollo (Van Gorder, 2000; Parker, 2002). Una de las principales ventajas que

tiene el sistema acuapnico es el menor consumo de agua a comparacin con la

hidropona (McMurtry et al., 1997), y en un mismo tiempo se obtienen productos

animal y vegetal orgnicos comercialmente atractivos (Rakocy y Hargreaves, 1993).

Adems, disminuye significativamente el impacto al ambiente, ya que el sistema es

cerrado con lo que no hay descargas y con esto se optimizan los recursos mano de

obra, agua, alimento balanceado y nutrientes para las plantas (amonio y nitratos).

Los estudios sobre este tipo de sistema de produccin mixto (acucola e

hidropnico integrado) son escasos, por lo cual, es necesario realizar

investigaciones que nos permitan conocer los aspectos biolgicos, ambientales y el

manejo de los recursos agua, peces y plantas. En particular, a la fecha no se ha

desarrollado ningn diseo de ingeniera analizado desde el punto de vistahidrulico. Debido a lo anteriormente sealado, el presente trabajo tiene como

finalidad evaluar la produccin de tilapia y albahaca del diseo original de un sistema

acuapnico a pequea escala.


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Hiptesis

En sistemas acuapnicos, la produccin de tilapia y albahaca es similar a otros

sistemas de recirculacin acucolas y de produccin convencional.

Objetivo General

Evaluar la produccin de tilapia y albahaca en sistemas acuapnicos en

comparacin con sistemas de recirculacin acucolas y de produccin convencional.

Objetivos Especficos

Crear un concepto de sistema acuapnico a pequea escala.

Elaborar la ingeniera bsica del sistema acuapnico para la produccin de tilapia y

albahaca.

Elaborar la ingeniera a detalle y determinar la memoria de clculo hidrulico del

sistema acuapnico.

Determinar la eficiencia energtica de los componentes elctricos del sistema.

Evaluar el efecto, sobre la sobrevivencia y produccin de biomasa animal y vegetal,

de diferentes sustratos utilizados en los filtros biolgicos de los sistemas

acuapnicos.

Evaluar la rentabilidad econmica de acuerdo a los sustratos utilizados en los filtros

biolgicos de los sistemas acuapnicos.


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3. Materiales y Mtodos

3.1. Localizacin del rea de estudio

El presente trabajo se llev a cabo en un rea de la zona de invernaderos de

la Divisin de Ciencias de la Vida (DICIVA), Campus Irapuato Salamanca, de la

Universidad de Guanajuato, localizado en la comunidad de El Copal. El rea de

inters est situada sobre el camino hacia el CESAVEG, cerca del casco de la Ex

Hacienda y colindante a los edificios de laboratorios dentro de la zona de las aulas

de agronoma (204433.91N; 1011950.97O) (Figura 1).

Figura 1. Croquis de localizacin.

3.2. Conceptualizacin del sistema de acuapona

Para hacer el diseo del sistema acuapnico se siguieron los lineamientos

establecidos por Timmons y Ebeling (2010), Lennard y Leonard (2006), Racocy

(2005), McMurtry et al. (1997), Rakocy y Hargreaves (1993). Los cuales mencionan

que este tipo de sistemas deben contar con los siguientes elementos bsicos:


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estanque(s) para organismo acuticos, filtro(s) fsico(s), filtro(s) biolgico(s), camas

de crecimiento de plantas, un elemento motriz y tubera de interconexin.

3.3. Ingeniera bsica del sistema

La ingeniera bsica para el sistema acuapnico para la produccin de tilapia

y albahaca se llev a cabo tomando en cuenta las instalaciones existentes en el

lugar, acondicionando el espacio de trabajo destinado al proyecto y a su vez

realizando una delimitacin para los sistemas dentro de ste. Para hacer est

delimitacin se tom en cuenta una distribucin espacial apta para acomodar nuevesistemas idnticos, un rea libre para realizar actividades biolgicas especficas, un

pasillo y espacios ergonmicos para el manejo zootcnico y vegetal.

Los criterios de diseo para las unidades del sistema se tomarn de acuerdo

a Timmons y Ebeling (2010), Fragoso y Aur (2006), Racocy (2005) y Hoff (1996), y

fueron los siguientes: poblacin de siembra de peces, nmero de recambios de agua

por da, espacio mnimo de la especie vegetal, los materiales disponibles en la

regin, el tiempo de retencin hidrulico (TRH) para el sedimentador y los filtros

biolgicos. El modelo del estanque de peces fue seleccionado tomando en cuenta el

espacio requerido por la poblacin animal. El material seleccionado para ste fue

polietileno de alta densidad grado alimenticio, debido al fcil manejo que ofreca,

resistencia a condiciones de cultivo en invernaderos y a precio relativamente bajo. El

sedimentador de slidos se calcul basndose en el TRH requerido en los biofiltros

de acuerdo a Racocy (2005).

3.3.1. Datos bsicos del proyecto y criterios de diseo

El tipo de sistema de produccin acucola que se seleccion para el proyecto

fue el intensivo. Los criterios de diseo para el sistema acuapnico de este trabajo

fueron: carga animal, espacio mnimo vital de plantas (Timmons y Ebeling, 2010),

materiales disponibles en la regin, el tiempo de retencin hidrulico (TRH) (Racocy,


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2005), y el aprovechamiento de la fuerza de la gravedad para la dinmica del flujo

en la recirculacin, y adems, buscando un menor consumo de energa elctrica. La

densidad de siembra seleccionada para este trabajo fue de 15 kg/m3, con un pesocomercial para plato de 340 g/pez. Con el modelo descrito en la Ecuacin 1 se la

poblacin de peces por estanque, lo que result en una poblacin de 75 peces.

Poblacin =VX

M

Poblacin = 1.7m15

kgm

0.30 kg P!"= 75 #!c!$

Dnde:

V Volumen del estanque en m3.

Densidad de siembra de peces.

M Peso plato comercial.

Ecuacin 1. Clculo de poblacin de peces por estanque

El TRH (Tiempo de Retencin Hidrulico) es el tiempo que el agua es retenida

dentro del sistema con el objetivo de llevar a cabo la sedimentacin de partculas de

gran tamao o para remover nutrientes por medio del cultivo vegetal. Para

determinar este valor, se realiz un estudio previo donde fueron evaluados pH,

temperatura y oxgeno disuelto en un slo sistema como parmetros de control de

calidad de agua, a diferentes TRH, dando como resultado un tiempo de 30 min,

donde los parmetros antes mencionados se mantenan estables. Esto significa que

la especie vegetal tuvo este tiempo de contacto con un volumen especfico de agua

a una concentracin adecuada de oxgeno, antes de que este saliera de la unidad

donde las plantas estaban contenidas. Con 30 min como TRH para un contenedor

de agua de 0.125 m3, donde las plantas se desarrollan, el gasto resultante fue de

0.250 m3/h. Por lo cual se producen 10.6 cambios totales de agua por da en el


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sistema, lo cual indica que cada 2.26 horas hay una recirculacin completa del agua

del estanque.

Debido a que el sistema propuesto en este trabajo es considerado como un

sistema de recirculacin acucola, en donde se necesita un flujo continuo de agua, y

por tanto una fuente motriz para esto, fue importante disear el sistema de tal

manera que el consumo de energa elctrica no fuera alto. Por este motivo, un

parmetro de diseo considerado fue la accin de la gravedad, aprovechando esta

fuerza para movilizar el volumen de agua en una seccin determinada del sistema se

pudo llevar a cabo la recirculacin utilizando solamente una fuente motriz para esto.

3.3.2. Unidades del sistema y dimensionamiento

El sistema acuapnico propuesto en el presente trabajo est compuesto por

tres unidades bsicas, las cuales tienen la funcin de permitir de manera controlada

la simbiosis entre el cultivo animal y vegetal (Rakocy y Hargreaves, 1993). El

conjunto de partes es el siguiente:

Estanque para el cultivo de peces.

Sedimentador de slidos.

Biofiltros, compuestos a su vez por un filtro tipo torre y una cama para

siembra de plantas.

3.3.3. Estanque de peces

Para el cultivo de la especie animal se seleccion un tanque de polietileno de

alta densidad, de forma cnica truncada, con un dimetro superior de 2.13 m, un

dimetro inferior de 0.79 m y un volumen efectivo de agua de 1.7 m3(Figura 2). Las

razones por las cuales se eligi este receptculo fueron las siguientes:


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El volumen efectivo de agua fue el necesario para albergar la densidad de

siembra seleccionada (15 kg pez/m3).

Sus dimensiones permitieron un fcil manejo y acceso hacia los peces.

Debido al material del cual estaba construido era resistente a la intemperie y

temperaturas en invernaderos, as como fcil de reparar en caso de tener

alguna descompostura.

Se poda limpiar con rapidez y facilidad, al mismo tiempo, manejar sustancias

desinfectantes.

Al ser un material plstico maniobrar con la unidad era relativamente sencillo

ya que era ligero y flexible. Bajo costo en relacin a otros estanques similares.

Figura 2. Estanque para peces y sus dimensiones

3.3.4. Biofiltros

En la presente propuesta de diseo se utilizaron tres filtros biolgicos,

conformados, primero por una subunidad denominada filtro tipo torre, el cual es un

filtro tipo wet/dry en una configuracin cilndrica, elaborado de PVC, de 1.5 m de

altura y 0.101 m de dimetro. En su interior se rellen con material filtrante como

medio de soporte de bacterias nitrificantes. Con el objetivo de asegurar las

concentraciones adecuadas de oxgeno para las bacterias dentro del filtro tipo

torre, la subunidad se dise de tal manera que el nivel de agua en su interior

alcanz solamente la mitad de la altura de la estructura y se agreg una lnea de

alimentacin de aire (Figura 3).


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V%&='()

*

V%& ='(0.101m)

(0.75m)=0.00+m

V%& = + l,n-!V%&/ Volm!n !!c,i2o -! aga. / i3m!,4o -!l il,4o. / 6l,4a !!c,i2a -! aga.

Ecuacin 2. Clculo de volumen de agua efectivo dentro del filtro tipo torre e imagenrepresentativa

La segunda subunidad que compona el biofiltro fue llamada cama de

siembra, misma que tena la funcin de albergar un nmero especfico de plantas.

La cama de siembra fue fabricada con fibra de vidrio, con dimensiones de 1.5 m de

largo, 0.6 metros de ancho y 0.3 m

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diseño y operatividad de un sistema acuaponico