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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
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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.
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• 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 y tamaño de siembra
• 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
– 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 y tamaño de siembra
– Caudal y tasa de recambio
• 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
– Sistema de drenaje y extracción de sólidos
6
• Aspectos importantes en tanques para peces:
– Tamaño y forma
– Densidad y tamaño de siembra
– Caudal y tasa de recambio
– Sistema de drenaje y extracción de sólidos
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Unidades de cultivo
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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!
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Ingeniería de tanques de cultivo
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
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Ingeniería de tanques de cultivo
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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
Velocidad del agua en CSTR
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
Velocidad del agua en CSTR
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
Velocidad del agua en CSTR
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
Velocidad del agua en CSTR
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)
46
47
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
63
Grupo Ingeniería Aplicada
Al Diseño y Operación de Centros
de Cultivo