Oxigeno Disuelto – Stanislaus Sonnenholzner

Oxígeno disuelto y su importancia en Acuicultura: Sistemas de aireación para mejorar la productividad de los cultivos acuícolas IV Congreso Internacional de Acuacultura-ESPE 2014 20-22 mayo 2014 Quito, Ecuador Stanislaus Sonnenholzner, Escuela Superior Politécnica Litoral (ESPOL), Centro Nacional de Acuicultura e Investigaciones Marinas (CENAIM)

Introducción

Introducción Aumento de volumen de producción en acuicultura se puede lograr [A] incrementando las áreas de producción [B] intensificando los sistemas de producción / mejorando condiciones de cultivo

Posibilidad de incremento de mayores áreas (cultivo extensivo-semi-intensivo) limitado. Mayoría de tierras aptas ya utilizadas, limitación de fuentes de agua, conflictos con otros usuarios.

Incremento de unidad de producción/unidad área-tiempo se logra mediante herramientas de manejo tecnológico (nutrición/alimentación; programas de selección genética; manejo de variables de calidad de agua.

Luego de satisfacer los requerimientos alimenticios del animal, concentraciones bajas de oxígeno disuelto son el siguiente factor limitante en la producción de peces, camarones u otra especie acuícola

Oxigeno disuelto El aire que respiramos contiene 21% de oxígeno, pero este es sólo ligeramente soluble en agua. El agua saturado con oxígeno contiene 20-40 veces menos oxígeno por volumen que el aire y el costo energético para extraer el oxígeno disuelto del agua es alto para los organismos acuáticos, considerando además que el agua es mas denso y viscoso.

El oxígeno es transferido hacia y desde el agua dependiendo de la presión parcial del oxigeno relativo al aire, la respiración remueve oxigeno, la fotosíntesis lo adiciona.

La disponibilidad de O2 limita la actividad y crecimiento de animales acuáticos. Concentraciones prolongadas a bajas concentraciones reducen el consumo de alimento y crecimiento y son susceptibles a infecciones y enfermedades. Niveles muy bajos causan mortalidades.

La solubilidad del oxigeno en agua es muy baja y decrece con aumento de temperatura, salinidad y elevación.

Solubilidad Oxígeno

Efectos positivos de Oxígeno en Acuicultura

Efectos de Aireación en producción

Tratamiento Producción (kg ha-1)

Peso promedio (g)

Supervivencia (%)

Control 3473±699 194±26.9 87±5.3 10% Saturación 4201±241 229±4.7 90±3.6 30% Saturación 4340±315 235±6.8 91±4.0

Producción y supervivencia de Tilapia (±sd) para estanques sin aireación (control) y con aireación iniciando con concentración de 10% y 30% de saturación.

Teichert-Coddington and B. Green. Aquaculture 118 (1993)

Efectos de Aireación en producción

Producción (±sd) de camarón L. vannamei en estanques con aireación para mantener concentración mínimas de oxígeno sobre 15%, 45% y 65% de saturación.

McGraw, Teichert-Coddington, D. Rouse and C. Boyd. Aquaculture 199 (2001)

Tratamiento Producción (kg/ha)

Supervivencia (%)

FCR Electricidad (kWh/ha)

Ingreso neto (US$/ha)

Producción/uso energía (kg/ha/kWh)

15% Saturación

2976±10.2 57±2.7 2.64±0.06 3527±51.1 20,147±606 0.87±0.122

40% Saturación

3631±44.7 73±3.7 2.21±0.22 5093±63.6 24,545±2760 0.73±0.103

65% Saturación

3975±24.2 71±4.4 1.96±0.11 9014±59.2 26,696±1498 0.44±0.034

Oxígeno Disuelto La sangre de peces contiene hemoglobina que se combina con O2 para transportarlo hacia los tejidos. La carga y descarga de O2 en la hemoglobina se encuentra gobernado por la tensión (presión parcial) de oxígeno.

En las branquias, la tensión de oxígeno es mayor que el de la sangre, y el O2 se carga en la hemoglobina. El O2 es utilizado rápidamente en los tejidos y los fluidos de los tejidos tiene una menor tensión que la sangre que ingresa a los tejidos del sistema arterial, de tal forma que la hemoglobina descarga O2 a los fluidos del tejido.

Stanislaus Sonnenholzner CENAIM

La relación entre la tensión del oxígeno y el porcentaje de saturación de la hemoglobina se denomina curva de disociación de oxyhemoglobina.

Oxígeno Disuelto Peces activos como la trucha que viven en ambientes ricos de oxígeno por lo general tienen una hemoglobina de “baja” afinidad que permite una rápida descarga oxígeno a los tejidos (ventaja para ejercicio). Pero presentan la desventaja de que la hemoglobina no se carga completamente a menos que la tensión de oxígeno en las branquias sea alto.


Peces que se han desarrollado en ambientes con carencia de O2 tienen hemoglobina de alta afinidad (peces de agua caliente). El oxígeno se carga efectivamente en la hemoglobina sobre un amplio rango de tensiones de oxígeno (transporta mas oxígeno). La desventaja sin embargo es que menos O2 puede ser descargado en los tejidos a menos que la tensión de oxigeno en los tejidos se muy baja, haciendo que este tipo de peces por lo general tengan poca actividad.

Curva de disociación de Oxyhemoglobina


Concentraciones críticas de O2 Los peces de agua fría (salmónidos) tienden a ser mas sensibles a hipoxia que peces de agua caliente en términos de concentración de O2 (mg/L). Por ejemplo; concentraciones de 5-6 mg/L afectan crecimiento de truchas, mientras que peces de agua cálidas presentan problemas a 3-4 mg/L.


Sin embargo, cuando se expresa la concentración en términos de tensión de oxígeno (mm Hg) que es la fuerza generadora para la difusión de oxígeno a través del epitelio de las branquias y carga de O2 en la hemoglobina, las diferencias críticas de concentración para crecimiento no son tan diferentes. A 15°C una concentración de 5.5 mg/L equivale a 85 mm Hg, mientras que 28°C una concentración de 3.5 mg/L equivale a 70 mm Hg.

Tensión oxigeno en aire = 150 mm Hg

Concentración de Oxígeno Disuelto

La concentración crítica de O2 varía entre especies

0

1

2

3

5

4

6

7 Rango óptimo

Letal si expuesto por período prolongado

Crecimiento lento

0

1

2

3

5

4

6

7 Rango óptimo

Crecimiento lento

Letal: ej: trucha arco iris

Especies agua cálida Especies agua fría

Stanislaus Sonnenholzner 11 Abril 2014

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Causas de baja concentración de oxígeno disuelto en estanques

Excesiva concentración de microalgas Aumento de respiración nocturna & posibilidad de muerte súbita de fitoplancton por factores ambientales (nubosidad, lluvias) contribuyendo a la materia orgánica sujeto de descomposición bacteriana y demanda de oxígeno

Exceso alimento balanceado Falta de control de consumo (aumenta carga orgánica y consecuente descomposición bacteriana que demanda oxígeno )

Falla en equipos de aireación suplementaria Mala calidad de agua de recambio


Consumo de oxígeno en estanques

% Consumo Oxígeno en Columna Agua

80%

20%

Respiración fitoplancton bacterias bentos Organismo de cultivo

0.1-0.8 g O2/kg/biomasa/hr

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

6 18 6 18 6 18 6 18 6 18 6

Alto Moderado Bajo

Sobresaturación

Critico

Fluctuación de O2 en piscinas con diferente concentración de microalgas


Aireación - Oxigenación Suplir bajas esporádicas oxigeno disuelto – Aireación de Emergencia Sistema extensivo/semi-intensivos; oxígeno disuelto < 2-3 mg/L; alimentación excede 40 kg/ha/d; disco secchi < 25 cm

Mantener niveles de oxigeno >40% saturación -Aireación Suplementaria Sistemas semi-intensivos/intensivos; biomasas de >0.2 kg/m3; oxígeno disuelto > 40-50% saturación; alimentación >40 kg/ha/d Incrementar capacidad de carga del sistema Sistemas intensivos/super-intensivos; suministro de oxígeno disuelto continuo; con fuente de aire biomasa de hasta 40 kg/m3, con fuente de oxígeno puro hasta 120 kg/m3; sistemas recirculación-raceways


Aireación - Oxigenación

Aumento de capacidad de carga y producción por aireación y/u oxigenación solo se justifica si aumenta la rentabilidad del negocio La intensificación de los cultivos es limitada! Cada 10 mg/L de Oxígeno consumido genera: 1.0-1.4 mg/L TAN 13 a 14 mg/L CO2

10 a 20 mg/L TSS


Transferencia gases – aireación

Aireación: aire (gases) entra en contacto con agua – los gases tienden al equilibrio con las presiones parciales en aire


O2 aire

aire

aire

Agua 21% O2

78% N2

0.04% CO2

Solubilidad gas en agua @15°C O2 10.1 mg/L N2 16.4 mg/L CO2 0.7 mg/L

Factores inciden en transferencia O2

Área de interfase gas-agua


Gotas/burbujas mas pequeñas Uso empaques/sustratos


Tasa de remoción de película superficial Creación de turbulencia


O2 aire

aire

aire

Agua


Gradiente de concentración Incrementar la concentración de saturación: incremento presión (sistemas presurizados); usar oxígeno puro en lugar de aire Radio G:L Incremento mantiene presiones parciales de fase gaseosa con pocos cambios a través de la unidad de transferencia


O2 O2

O2

O2

Agua

Fuentes de oxígeno puro incrementan la solubilidad del OD 5X versus fuentes de aire Ej: @ 15°C – 48.1 mgl/L versus 10.1 mg/L Incremento presión de 1 a 2 atm duplica solubilidad de 48.1 a 96 mg/L

Stanislaus Sonnenholzner

Gravedad – caída de agua en cascada (a través de mallas, desniveles) – utilizados principalmente para desgasificación de agua

Aireadores


Bombas verticales (1 - 100 kW); Acuicultura (1 - 3 kW); 1730 -3450 rpm

Aireadores


Bombas dispersión (7.5 - 10 kW); descarga agua a través de tubo perforado; 500-1000 rpm

Aireadores


Hélice de aspiración (Aire-O2); 1 - 25 kW; motor eléctrico, cámara dentro del cual gira el eje creando una caída de presión, y succiona aire (venturi); aire propulsado por aspas.

Aireadores


Paletas; 0.75 - 10 kW; dispersan agua al aire por acción de rotación de paletas sobre superficie del agua.

Aireadores


Accionados por tractores (paletas, bombas) Aireadores


Sopladores o Blowers (Turbinas); Regenerativo - rotary lobe (desplazamiento positivo)

Aireadores


Difusores aire/oxígeno


Fuente: colorite plastics (http://www.coloriteaerationtubing.com)

Difusores aire/oxígeno


Bomba “air-lift” (menor densidad de aire-agua en relación al agua genera circulación vertical & horizontal (desestratificación)

Aireadores

Fuentes O2 – Gas oxígeno

Disponible en cilindros (3-7 m3) @ 170 psi Costo y capacidad limitada; usado por lo general en sistemas de emergencia Precio US$ 4.87/m3


Fuentes O2 – Oxígeno Líquido


Capacidad 30 – 10,000 gal (0.1 – 38 m3) @ 150-200 psi; 1 gal OXL = 3.26 m3 oxigeno gaseoso Requiere vaporizador / intercambiador calor; filtros, etc Inversión capital menor que generador Costo anual de OXL > generador oxígeno; transporte mayor costo Precio US$ 4.30/kg

Fuentes O2 – Oxígeno Líquido


Fuentes O2 – Generador Oxígeno


Dispositivos comerciales 1-30 libras O2/hr Costo elevado capital y operación x consumo energía – compresor Compresión @ 90-150 psi > 85% O2 Requerimiento electricidad/generador Costo 1.1 kWh por kg O2

Oxigenador Tubos - U Gas

venteo mecanismo

de recirculación

Agua

El O2 se transfiere a medida que desciende por el tubo Velocidad del agua de 1.0 a 3.0 m/s, La transferencia de O2 aumenta en un flujo entre 10-45 m de profundidad No descarga el N2 eficazmente Se puede alcanzar entre 20 a 40 mg/L a la salida

Contactor de Burbuja de Flujo Descendente

Venteo de gas

Flujo oxigenado

Oxígeno

bomba

Cono

de Oxigenación

También denominado contactor de burbuja de flujo descendente: Puede ser presurizado para alcanzar concentraciones de oxígeno de 20-40 mg/L,

Tomado de: Brian Vinci & Steven Summerfelt, Freshwater Institute Shepherdstown, WV Curso Recirculación 2002

Contactor de Burbuja de Flujo Descendente

Oxigenadores de Baja Carga

suministro oxígeno

venteo gas

flujo

flujo estanque receptor

Tomado de: Brian Vinci & Steven Summerfelt, Freshwater Institute Shepherdstown, WV Curso Recirculación 2002


Transferencia de oxígeno al agua Transferencia de oxígeno (kg O2/hr) - Standard Oxygen Transfer Rate (SOTR) Transferencia de oxígeno por unidad de energía (kg O2/kw-hr) - Standard Oxygen Aeration Efficiency (SAE) Capacidad de generar circulación de agua Costos de inversión, operativos & mantenimiento

Criterios selección – Aireadores mecánicos


Ln deficit de OD OD (mg/L)

Concentración saturación 7.69 mg/L

Evaluación – Aireadores mecánicos


Cuadro Comparativo (SAE) de Aireadores - Boyd (1990)

Tipo Aireador # Testados Promedio Rango

Paleta 24 2.2 1.1 - 3.0 Hélice aspiración 11 1.6 1.3 – 1.8 Bomba vertical 5 1.4 0.7 – 1.8 Bomba dispersadora 3 1.3 0.9 – 1.9 Difusión (1 m) 5 0.9 0.7 – 1.2

Fuente: Boyd 1990. Water quality in ponds for aquaculture. Auburn, AL, Auburn University/Alabama Agricultrual Experiment Station

kg O2 / kW-hr


La transferencia de oxígeno disminuye a medida que la concentración de oxígeno del agua llega al punto de saturación.

SOTR y SAE son ajustados al valor de oxígeno promedio actual del estanque

AOTR = Tasa de transferencia de oxígeno actual AAE = Eficiencia de aireación actual

Eficiencia Aireación Estándar Actual


0 mg/L

1 mg/L

2 mg/L

3 mg/L

Factores para corregir SAE

Corrección de Eficiencia Aireación estándar a valores actuales


Ubicación de Aireadores

Incorrecto

Correcto

Resumen

Varios estudios demuestran que mantener concentraciones óptimas de Oxigeno Disuelto (>50% de saturación) mejora significativamente los crecimientos y producción de especies acuáticas, mejora consumo de alimento, reduce problemas de calidad de agua. La aireación bien manejada se justifica económicamente.

Uso de aireación permite escalar el nivel de intensidad de cultivo (capacidad de carga). Suministro de oxígeno utilizando aire como fuente puede sostener una capacidad de carga de 40 kg/m3; uso de oxigeno puro puede aumentar la capacidad de carga hasta 120 kg/m3

Sistema de aireación a elegir depende de la intensidad de cultivo (emergencia, suplementario, incremento capacidad de carga)

Caso de aireación suplementaria de estanques seleccione aireador con mejor SAE (Eficiencia de Aireación). Correcta ubicación de aireadores mejora eficiencia de aireación.



Notas útiles

La Acuicultura No es para Todos

Producir mas no significa tener mayor rentabilidad

Solo invierta lo que este dispuesto a perder

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