Capítulo 11 Modelización de sistemas acuapónicos

Karel J. Keesman, Oliver Körner, Kai Wagner, Jan Urban, Divas Karimanzira, Thomas Rauschenbach y Simon Goddek

Resumen Los modelos matemáticos pueden tomar formas muy diferentes y niveles de complejidad muy diferentes. Una forma sistemática de postular, calibrar y validar, según lo dispuesto por la teoría de sistemas, puede ser muy útil. En este capítulo, la modelización de sistemas dinámicos de sistemas acuapónicos (AP), desde una perspectiva teórica de sistemas, se considera y demuestra a cada uno de los subsistemas del sistema AP, tales como tanques de peces, digestor anaeróbico e invernadero hidropónico (HP). También se muestran los vínculos entre los subsistemas, de modo que en principio se puede construir un modelo completo de sistemas AP e integrarlo en la práctica diaria con respecto a la gestión y el control de los sistemas AP. El principal reto es elegir una complejidad de modelo adecuada que cumpla con los datos experimentales para la estimación de parámetros y estados y nos permita responder preguntas relacionadas con el objetivo de modelado, como la simulación, el diseño del experimento, la predicción y el control.

Palabras clave Modelado · Sistema acuícola de recirculación · Digestión anaeróbica · Invernadero hidropónico · Multi-loop aquaponic system · Herramientas

Contenido

• 11.1 Introducción
• 11.2 Antecedentes
• 11.3 Modelado de RAS
• 11.4 Modelación de la digestión anaeróbica
• Modelado de invernadero de 11.5 HP
• 11.6 Multi-loop Aquaponic Modelado
• 11.7 Herramientas de modelado
• 11.8 Discusión y conclusiones
• Referencias

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K. J. Keesman · S. Goddek

Métodos matemáticos y estadísticos (Biometris), Universidad de Wageningen, Wageningen (Países Bajos)

O. Körner

Leibniz-Instituto de Cultivos Vegetales y Ornamentales (IGZ), Grossbeeren, Alemania

K. Wagner

Institut für physikalische Prozesstechnik, Universidad de Ciencias Aplicadas Saarbrücken, Saarbrücken, Alemania

J. Urbano

Laboratorio de Procesamiento de Señales e Imágenes, Instituto de Sistemas Complejos, Bohemia Meridional

Centro de Investigación de Acuicultura y Biodiversidad de Hidrocenosis, Facultad de Pesca y

Protección de las Aguas, Universidad de Bohemia Meridional en Ceske Budejovice, Nove Hrady, República Checa

D. Karimanzira · T. Rauschenbach

Fraunhofer IOSB-AST, Ilmenau, Alemania

© El Autor (es) 2019 267

S. Goddek y otros (eds.), Aquaponics Food Production Systems, https://doi.org/10.1007/978-3-030-15943-6_11

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Referencias

Badiola M, Mendiola D, Bostock J (2012) Análisis de sistemas de recirculación de acuicultura (RAS): temas principales en la gestión. Aquac Eng 51:26 —35. https://doi.org/10.1016/j.aquaeng.2012.07. 004

Batstone DJ, Keller J, Angelidaki I, Kalyuzhnyi SV, Pavlostathis SG, Rozzi A, Sanders WTM, Siegrist H, Vavilin VA (2002) El modelo de digestión anaerobia IWA no 1 (ADM1). Agua Sci Technol 45:65 —73

Boote KJ, Jones JW (1987) Ecuaciones para definir la fotosíntesis del dosel a partir de la eficiencia cuántica dada, la velocidad máxima de las hojas, la extinción de la luz, el índice de área foliar y la densidad de flujo de fotones. In: Biggins J (ed) Progreso en la investigación de fotosíntesis. Martinus Nijhoff, Dordrecht, pp 415-418

Bot GPA (1993) Modelización física del clima de invernadero. En: Hashimoto Y, Bot GPA, Día W, Tantau HJ, Nonami H (eds) El invernadero computarizado. Prensa Académica, San Diego, pp 51—74

Buck-Sorlin G, De Visser PHB, Henke M, Sarlikioti V, Ven der Heijden G, Marcelis LFM, Vos J (2011) Hacia un modelo funcional y estructural de planta de corte rosa: simulación del ambiente de luz, absorción de luz, fotosíntesis e interferencia con la estructura de la planta. Ann Bot 108:1121 —1134

Challa H, Bakker M (1999) Producción potencial en el entorno de invernadero. En: Stanhill G,

Enoch HZ (eds) Ecosistemas del mundo 20 — Ecosistemas de invernadero. Elsevier, pp 333—347

Colt JEK (2013) Impacto de la aireación y alcalinidad en la calidad del agua y la calidad del producto de la tilapia transportada — un estudio de simulación. Aquac Eng:46—58

Corominas L, Riegler L, Takács I (2010) Nuevo marco para la notación estandarizada en aguas residuales. J Int Assoc contaminación del agua Res 61 (4) :S841—S857

Dahl O-J, Nygaard K (1966) SIMULA: un lenguaje de simulación basado en Algoll. Commun ACM 9

(9) :671—678. https://doi.org/10.1145/365813.365819 de Zwart HF (1996) Analizando opciones de ahorro de energía en el cultivo de invernadero utilizando un modelo de simulación. Universidad Agrícola de Wageningen, Wageningen, pág. 236

Delaide B, Goddek S, Keesman, KJ, Jijakli MH (2018). Metodología para cuantificar el rendimiento de digestión de lodos aeróbicos y anaeróbicos para el reciclaje de nutrientes en acuapónica. https://popups. uliege.be:443/1780-4507 22, 12

Drayer GE, Howard AM (2014) Modelado y simulación de un hábitat acuático para la investigación biorregenerativa de soporte vital. Acta Astronaut 93:S.138—S.147. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2013. 07.013

El-Mashad H (2003) Reactor Solar Termófilo Anaeróbico (STAR) para la producción de energía renovable Tesis de doctorado de la Universidad de Wageningen. ISBN: 9058089533-238

Emerenciano M, Carneiro P, Lapa M, Lapa K, Delaide B, Goddek S (2017) Mineralizacão de sólidos. Aquac Bras 21—26

Emrich S, Suslov S, Judex F (2007) Totalmente basado en agentes. Modelos de propagación epidémica usando anylogic. En: Actas de la EUROSIM

FAO (2016) El estado mundial de la pesca y la acuicultura 2016. Contribuir a la seguridad alimentaria y la nutrición para todos. Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, Roma

Ficara E, Hassam S, Allegrini A, Leva A, Malpei F, Ferretti G (2012) Modelos de digestión anaeróbica: un estudio comparativo. En: Actas de la 7ª conferencia internacional de Viena sobre modelización matemática 2012, p. 1052

Fortmann-Roe S (2014) Insight maker: una herramienta de uso general para modelado y simulación basada en web. Simul Model Pract Teoría 47:28 —45

Frantz JM, Hand B, Buckingham L, Ghose S (2010) Cultivador virtual: software para calcular los costos de calefacción de la producción de invernadero en los Estados Unidos. HortTechnology 20:778 —785

Galí A, Benabdallah T, Astals S, Mata-Álvarez J (2009) Versión modificada del modelo ADM1 para aplicación de residuos agrícolas. Bioresour Technol 100 (11) :2783—2790

Goddek S (2017) Oportunidades y desafíos de los sistemas acuapónicos multi-bucle. Universidad de Wageningen. https://doi.org/10.18174/412236

Goddek S, Delaide BPL, Joyce A, Wuertz S, Jijakli MH, Gross A, Eeding EH, Bläser I, Reuter M, Keizer LCP, Morgenstern R, Körner O, Verreth J, Keesman KJ (2018) Mineralización de nutrientes y reducción de materia orgánica de lodos basados en RAS secuencial Reactores B. Aquac Eng 83:10-19. ISSN: 0144-8609

Goddek S, Keesman KJ (2018) La necesidad de la tecnología de desalinización para diseñar y dimensionar sistemas acuapónicos de bucle múltiple. Desalinización 428:76 -85. https://doi.org/10.1016/j.desal.2017. 11.024

Goddek S, Körner O (2019) Un modelo de simulación completamente integrado de acuapónica multi-bucle: Un estudio de caso para el dimensionamiento de sistemas en diferentes entornos. Agric Syst

Goddek S, Delaide B, Mankasingh U, Ragnarsdottir K, Jijakli H, Thorarinsdottir R (2015) Desafíos de la acuapónica sostenible y comercial. Sostenibilidad 7:4199 —4224. https://doi.org/10.3390/su7044199

Goddek S, Espinal CA, Delaide B, Jijakli MH, Schmautz Z, Wuertz S, Keesman KJ (2016) Navegación hacia sistemas aquapónicos desacoplados: un enfoque de diseño de dinámica de sistema. Agua (Suiza) 8:303. https://doi.org/10.3390/W8070303

Graber A, Junge R (2009) Sistemas aquapónicos: reciclaje de nutrientes a partir de aguas residuales de pescado por producción vegetal. Desalinización 246:147 —156

Halamachi I, Simon Y (2005) Un novedoso modelo de simulación por computadora para el diseño y manejo de sistemas acuícolas de recirculación. Aquac Eng 32 (3—4) :S443—S464. https://doi.org/10.1016/j. aquaeng.2004.09.010

Hassan J et al (2016) Acumulación transitoria de NO2-y N2O durante la desnitrificación, explicada por el supuesto de diversificación celular por transcripción estocástica de genes de desnitrificación. PLoS Comput Biol 11 (1) :e1004621

He E, Wurtsbaugh W (1993) Un modelo empírico de tasas de evacuación gástrica para peces y un análisis de digestión en truchas pardas piscívoras. Trans Am Fish Soc 122 (5) :S.717—S.730

Henze M, Willi G, Takashi M, Mark L (2002) Modelos de lodos activados ASM1, ASM2, ASM2d Y ASM3. IWA Publishing en su serie de informes científicos y técnicos, Reino Unido. ISBN: 1-900222-24-8

Heuvelink E (1996) Crecimiento y rendimiento de tomate: análisis cuantitativo y síntesis. Departamento de Horticultura. Universidad Agrícola de Wageningen, Wageningen, Países Bajos, pág. 326

Jablonsky J, Papacek S, Hagemann M (2016) Diferentes estrategias de regulación metabólica en cianobacterias: del control transcripcional al bioquímico. Sci Rep 6:33024

Janka E, Körner O, Rosenqvist E, Ottosen CO (2018) Simulación de la eficiencia operativa de PSII a partir de la fluorescencia de clorofila en respuesta a la luz y la temperatura en el crisantemo (Dendranthema grandiflora) utilizando un modelo de hoja multicapa. Photosynthetica 56:633 —640

Karimanzira D, Keesman KJ, Kloas W, Baganz D, Rauschenbach T (2016) Modelado dinámico del sistema acuapónico INAPRO. Aquac Eng 75:29 —45. https://doi.org/10.1016/j.aquaeng.2016.10.004

Keesman KJ (2011) Identificación del sistema: una introducción. Springer, Londres

Knaus U, Palm HW (2017) Efectos de la biología de los peces sobre las hierbas acuapónicas cultivadas en el norte de Alemania (Mecklenburg Pomerania Occidental). Acuicultura 466:51 —63. https://doi.org/ 10.1016/j.aquaculture.2016.09.025

Körner O, Hansen JB (2011) Una herramienta en línea para optimizar la producción de cultivos de invernadero. Acta Hortic 957:147 —154

Körner O, Van Straten G (2008) Apoyo a la decisión de las estrategias dinámicas de control del clima con efecto invernadero. Comput Electron Agric 60:18 —30

Körner O, Aaslyng JM, Andreassen AU, Holst N (2007) Modelado del microclima para el control dinámico del clima de invernadero. HortScience 42:272 —279

Körner O, Warner D, Tzilivakis J, Eveleens-Clark B, Heuvelink E (2008) Apoyo a la decisión para optimizar el consumo de energía en invernaderos europeos. Acta Hortic 801:803 —810

Körner O, Gutzmann E, Kledal PR (2017) Un modelo dinámico que simula los efectos simbióticos en sistemas acuapónicos. Acta Hortic 1170:309 —316

Licamele JD (2009) Producción de biomasa y dinámica de nutrientes en un sistema acuapónico. Universidad de Arizona

Liebig HP, Alscher G (1993) Combinación de modelos de crecimiento para COSub2/sub- optimizado y control de temperatura de lechuga. Acta Hortic 328:155 —162

Lugert V, Thaler G, Tetens J, Schulz C, Krieter J (2014) Una revisión sobre el cálculo del crecimiento de peces: múltiples funciones en la producción de peces y su aplicación específica. Rev Aquac 8 (1) :30—42

Lupatsch I, Kissil GW (1998) Predicción de residuos acuícolas procedentes del cultivo de dorada (Sparus aurata) utilizando un enfoque nutricional. Aquat Living Resour 11 (4) :265—268. https://doi.org/10. 1016/S0990-7440 (98) 80010-7

Lupatsch I, Kissil GW, Sklan D (2003) Comparación de la eficiencia energética y proteica entre tres especies de peces dorados (Sparus aurata), lubina europea (Dicentrarchus labrax) y mero blanco (Epinephelus aeneus): gasto energético para la deposición de proteínas y lípidos. Acuicultura:175—189

Macal CM, North MJ (2005) Tutorial sobre modelado basado en agentes y simulación. En: Conferencia de simulación, 2005 actas del invierno. IEEE

Madsen LO, Møller-Pedersen B, Nygaard K (1993) Programación orientada a objetos en el lenguaje de programación BETA. Addison-Wesley. ISBN 0-201-62430-3

Marcelis LFM (1994) Crecimiento del fruto y partición de materia seca en pepino. Departamento de Horticultura. Universidad Agrícola de Wageningen, Wageningen, pág. 173

McCarthy J, Levin MI (1965) LISP 1.5 manual del programador. MIT Press, Cambridge, MA

Orellana JUW (2014) Cultivo de pez rey cola amarilla (Seriola lalandi) en un sistema acuícola de recirculación marina (RAS) con agua de mar artificial. Aquac Esp:20—28

Pagand P, Blancheton JP, Casellas C (2000) Modelo para predecir las cantidades de nitrógeno inorgánico disuelto liberado en efluentes de un sistema de recirculación de agua de lubina (Dicentrarchus labrax). Aquac Eng 22 (1—2) :S137—S153

Pavlostathis SG, Giraldo-Gómez E (1991) Cinética del tratamiento anaeróbico: Una revisión crítica. Crit Rev Environ Control 21:411 —490

Poorter H, Anten NP, Marcelis LFM (2013) Mecanismos fisiológicos en modelos de crecimiento vegetal: necesitamos un enfoque biológico de sistemas supra-celulares. Plant Cell Environ 36:1673 —1690

Rath T (1992) Einsatz wissensbasierter Systeme zur Modellierung und Darstellung von gartenbautechnischem Fachwissen am Beispiel des hybriden Expertensystems HORTEX. Universidad de Hannover, Alemania

Rath T (2011) Softwaresystem zur Planung von Heizanlagen von Gewächshäusern. Fachgebiet Biosystem- und Gartenbautechnik. Universidad de Leibniz Hannover, Alemania

Reyes Lastiri D, Slinkert T, Cappon HJ, Baganz D, Staaks G, Keesman KJ, (2016) Modelo de un sistema aquapónico para minimizar las necesidades de agua, energía y nitrógeno. Agua Sci Technol. wst2016127. https://doi.org/10.2166/wst.2016.127

Richie M, Haley D, Oetker M (2004) Efecto de la frecuencia de alimentación sobre la evacuación gástrica y el retorno del apetito en Tilapia Oreochromis niloticus (L.). Acuicultura 234 (1—4) :S657—S673. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2003.12.012

Rusten BE (2006) Diseño y funcionamiento de los reactores de biofilm de lecho móvil Kaldnes. Aquac Esp:322—331

Sánchez-Romero A, Miranda-Baeza A, Rivas-Vega M (2016) Desarrollo de un modelo para simular la dinámica del nitrógeno en un sistema integrado de cultivo de camarón-macroalgas con intercambio de agua cero. J World Aquacult Soc 47 (1) :129—138

Sinha NK, Kuszta B (1983) Modelado e identificación de sistemas dinámicos. Von-Nostrand Reinhold (Nueva York)

Soukup J, Macháček P (2014) Serialización y objetos persistentes. Springer. https://doi.org/10. 1007/978-3-642-39323-5

Sterman J (2000) Dinámica empresarial: pensamiento y modelado de sistemas para un mundo complejo. McGraw Hill, Boston

Štys D, Stys D Jr, Pecenkova J, Stys KM, Chkalova M, Kouba P, Pautsina A, Durniev D, Nahlık T, Cısa P (2015) 5iD Observador del comportamiento de las escuelas de peces en laberintos y uso de entropía semántica y sintáctica para la definición de la estructura escolar. World Acad Sci Eng Technol Int

J Comput Electr Autom Control Inf Eng 9 (1) :281—285 van Ooteghem RJC (2007) Diseño de control óptimo para un invernadero solar. Universidad de Wageningen, Wageningen, pág. 304

Vanthoor B (2011) Un método de diseño de invernadero basado en modelos. Universidad de Wageningen, Wageningen, pág. 307

Waller U, Buhmann AK, Ernst A et al (2015) Acuicultura multitrófica integrada en un sistema de recirculación de intercambio cero para la producción de peces marinos y halofitos hidropónicos. Aquac Int 23:1473

Weatherley LR, Hill RG, Macmillan KJ (1993) Modelado de procesos de un sistema acuícola intensivo. Aquac Eng:215—230

Wik TEI, Lindén BT, Wramner PI (2009) Modelado integrado de acuicultura dinámica y tratamiento de aguas residuales para sistemas acuícolas de recirculación. Acuicultura 287 (3/4) :361—370

Willems JC, Polderman JW (1998) Introducción a la teoría de sistemas matemáticos: un enfoque conductual. Springer. ISBN: 978-1-4757-2953-5

Wolfram S (1991) Mathematica: un sistema para hacer matemáticas por ordenador. Wolfram Research, Champagne

Yogev U, Barnes A, Gross A (2016) Análisis de nutrientes y balance energético para un modelo conceptual de tres bucles fuera de la red, acuapónica. Agua 8:589. https://doi.org/10.3390/W8120589

Zeigler BP, Praehofer H, Kim TG (2000) Teoría de modelado y simulación, 2º edn. Elsevier, Londres

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