Capitolo 11 Modellazione dei sistemi di acquaponica

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

Astratto I modelli matematici possono assumere forme molto diverse e livelli di complessità molto diversi. Un modo sistematico di postulare, calibrare e convalidare, come previsto dalla teoria dei sistemi, può quindi essere molto utile. In questo capitolo, la modellazione dinamica dei sistemi aquaponici (AP), dal punto di vista teorico dei sistemi, è considerata e dimostrata a ciascuno dei sottosistemi del sistema AP, come acquari, digestore anaerobico e serra idroponica (HP). Essa mostra inoltre i collegamenti tra i sottosistemi, in modo che in linea di principio un modello completo di sistemi AP possa essere costruito e integrato nella pratica quotidiana per quanto riguarda la gestione e il controllo dei sistemi AP. La sfida principale è quella di scegliere una complessità del modello appropriata che soddisfi i dati sperimentali per la stima di parametri e stati e ci consenta di rispondere a domande relative all'obiettivo di modellazione, come simulazione, progettazione di esperimenti, previsione e controllo.

Parole chiavi Modellazione · Sistema di acquacoltura a ricircolo · Digestione anaerobica · Serra idroponica · Sistema acquaponico multi-loop · Strumenti

Contenuti

• 11.1 Introduzione
• 11.2 Background
• 11.3 RAS Modelling
• 11.4 Modellazione digestione anaerobica
• 11,5 HP Serra Modellazione
• 11.6 Modellazione acquaponica multi-loop
• 11.7 Strumenti di modellazione
• 11.8 Discussione e conclusioni
• Riferimenti

—

K. J. Keesman · S. Goddek

Metodi matematici e statistici (Biometris), Università di Wageningen, Wageningen, Paesi Bassi

O. Körner

Leibniz-Institute of Orticulture e Ornamentali (IGZ), Grossbeeren, Germania

K. Wagner

Institut für physikalische Prozesstechnik, Università di Scienze Applicate Saarbrücken, Saarbrücken, Germania

J. Urban

Laboratorio di elaborazione di segnali e immagini, Istituto di sistemi complessi, Boemia meridionale

Centro di ricerca di acquacoltura e biodiversità di idrocenosi, Facoltà di pesca e

Protezione delle acque, Università della Boemia meridionale di Ceske Budejovice, Nove Hrady, Repubblica Ceca

D. Karimanzira · T. Rauschenbach

Fraunhofer IOSB-AST, Ilmenau, Germania

© Autore (i) 2019 267

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

—

Riferimenti

Badiola M, Mendiola D, Bostock J (2012) Analisi dei sistemi di acquacoltura a ricircolo (RAS): principali questioni di gestione. 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) Il modello di digestione anaerobica IWA n. 1 (ADM1). Acqua Sci Technol 45:65 —73

Boote KJ, Jones JW (1987) Equazioni per definire la fotosintesi del baldacchino dalla data efficienza quantistica, massima frequenza fogliare, estinzione della luce, indice dell'area fogliare e densità del flusso fotonico. In: Biggins J (ed) Progressi nella ricerca della fotosintesi. Martinus Nijhoff, Dordrecht, pp 415-418

Bot GPA (1993) Modellazione fisica del clima serra. In: Hashimoto Y, Bot GPA, Giorno W, Tantau HJ, Nonami H (eds) La serra computerizzata. Stampa accademica, San Diego, pp 51-74

Buck-Sorlin G, De Visser PHB, Henke M, Sarlikioti V, Ven der Heijden G, Marcelis LFM, Vos J (2011) Verso un modello di impianto funzionale-strutturale della rosa tagliata: simulazione dell'ambiente luminoso, assorbimento della luce, fotosintesi e interferenza con la struttura vegetale. Ann Bot 108:1121 —1134

Challa H, Bakker M (1999) Produzione potenziale nell'ambiente serra. A: Stanhill G,

Enoch HZ (eds) Ecosistemi del mondo 20 — Ecosistemi serra. Elsevier, pagg 33-347

Colt JEK (2013) Impatto dell'aerazione e dell'alcalinità sulla qualità dell'acqua e della qualità del prodotto della tilapia trasportata, uno studio di simulazione. Aquac Eng:46—58

Corominas L, Riegler L, Takács I (2010) Nuovo quadro per la notazione standardizzata nelle acque reflue. J Int Assoc Acqua Pollut Res 61 (4) :S841-S857

Dahl O-J, Nygaard K (1966) SIMULA: un linguaggio di simulazione basato su Algolo. Common ACM 9

(9) :671—678. https://doi.org/10.1145/365813.365819 de Zwart HF (1996) Analisi delle opzioni di risparmio energetico nella coltivazione in serra utilizzando un modello di simulazione. Università agricola di Wageningen, Wageningen, p 236

Delaide B, Goddek S, Keesman, KJ, Jijakli MH (2018). Una metodologia per quantificare le prestazioni di digestione dei fanghi aerobici e anaerobici per il riciclo dei nutrienti in acquaponica. https://popups. uliege.be:443/1780-4507 22, 12

Drayer GE, Howard AM (2014) Modellazione e simulazione di un habitat acquatico per la ricerca bioregenerativa di supporto vitale. Astronauta Acta 93:S.138-S.147. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2013. 07.013

El-Mashad H (2003) Reattore solare termofilo anaerobico (STAR) per la produzione di energia rinnovabile tesi di dottorato di ricerca di Wageningen University. ISBN: 9058089533-238

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

Emrich S, Suslov S, Judex F (2007) Completamente basato su agente. Modellazioni di diffusione epidemica utilizzando anylogic. In: Atti dell'EUROSIM

FAO (2016) Stato mondiale della pesca e dell'acquacoltura 2016. Contribuire alla sicurezza alimentare e alla nutrizione per tutti. Organizzazione delle Nazioni Unite per l'Alimentazione e l'Agricoltura, Roma

Ficara E, Hassam S, Allegrini A, Leva A, Malpei F, Ferretti G (2012) Modelli di digestione anaerobica: uno studio comparativo. In: Atti della 7a conferenza internazionale di Vienna sulla modellazione matematica 2012, p 1052

Fortmann-Roe S (2014) Insight maker: uno strumento generico per modellazione e simulazione web-based. Simul Modello Pratt Teoria 47:28 —45

Frantz JM, Hand B, Buckingham L, Ghose S (2010) Virtual Grower: software per calcolare i costi di riscaldamento della produzione di serra negli Stati Uniti. HortTechnology 20:778 —785

Galí A, Benabdallah T, Astals S, Mata-Alvarez J (2009) Versione modificata del modello ADM1 per l'applicazione dei rifiuti agricoli. Bioresour Technol 100 (11) :2783—2790

Goddek S (2017) Opportunità e sfide dei sistemi acquaponici multi-loop. Università di Wageningen. https://doi.org/10.18174/412236

Goddek S, Delaide BPL, Joyce A, Wuertz S, Jijakli MH, Gross A, Jing EH, Bläser I, Reuter M, Keizer LCP, Morgenstern R, Körner O, Verreth J, Keesman KJ (2018) Mineralizzazione dei nutrienti e riduzione della materia organica dei fanghi a base RAS in sequenziale Reattori B. Aquac Eng 83:10 —19. ISSN: 0144-8609

Goddek S, Keesman KJ (2018) La necessità della tecnologia di dissalazione per la progettazione e il dimensionamento di sistemi acquaponici multi-loop. Desalazione 428:76 —85. https://doi.org/10.1016/j.desal.2017. 11.024

Goddek S, Körner O (2019) Un modello di simulazione completamente integrato di acquaponica multi-loop: un caso di studio per il dimensionamento del sistema in ambienti diversi. Agric Syst

Goddek S, Delaide B, Mankasingh U, Ragnarsdottir K, Jijakli H, Thorarinsdottir R (2015) Sfide di acquaponica sostenibile e commerciale. Sostenibilità 7:4199 —4224. https://doi.org/10.3390/su7044199

Goddek S, Espinal CA, Delaide B, Jijakli MH, Schmautz Z, Wuertz S, Keesman KJ (2016) Navigare verso sistemi aquaponici disaccoppiati: un approccio progettuale system dynamics. Acqua (Svizzera) 8:303. https://doi.org/10.3390/W8070303

Graber A, Junge R (2009) Sistemi Aquaponic: riciclo dei nutrienti dalle acque reflue dei pesci mediante produzione vegetale. dissalazione 246:147 —156

Halamachi I, Simon Y (2005) Un nuovo modello di simulazione al computer per la progettazione e la gestione di sistemi di acquacoltura a ricircolo. Aquac Eng 32 (3-4) :S443-S464. https://doi.org/10.1016/j. aquaeng.2004.09.010

Hassan J et al (2016) Accumulo transitorio di NO2-e N2O durante la denitrificazione spiegato assumendo la diversificazione cellulare mediante trascrizione stocastica dei geni di denitrificazione. PLoS Comput Biol 11 (1) :e1004621

Egli E, Wurtsbaugh W (1993) Un modello empirico di tassi di evacuazione gastrica per i pesci e un'analisi della digestione nella trota fario piscivora. Trans Am Fish Soc. 122 (5) :S.717—S.730

Henze M, Willi G, Takashi M, Mark L (2002) Modelli fanghi attivi ASM1, ASM2, ASM2d E ASM3. IWA Publishing nella sua serie di report scientifici e tecnici, Regno Unito. ISBN: 1-900222-24-8

Heuvelink E (1996) Crescita e resa del pomodoro: analisi quantitativa e sintesi. Dipartimento di Orticoltura. Wageningen Agricultural University, Wageningen, Paesi Bassi, p 326

Jablonsky J, Papacek S, Hagemann M (2016) Diverse strategie di regolazione metabolica nei cianobatteri: dal controllo trascrizionale al controllo biochimico. Sci Rep 6:33024

Janka E, Körner O, Rosenqvist E, Ottosen CO (2018) Simulazione dell'efficienza operativa PSII dalla fluorescenza della clorofilla in risposta alla luce e alla temperatura nel crisantemo (Dendranthema grandiflora) utilizzando un modello a foglia multistrato. Photosynthetica 56:633 —640

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

Keesman KJ (2011) Identificazione del sistema: un'introduzione. Springer, Londra

Knaus U, Palm HW (2017) Effetti della biologia dei pesci sulle erbe acquaponiche coltivate nel nord della Germania (Meclemburgo Pomerania Occidentale). Acquacoltura 466:51 —63. https://doi.org/ 10.1016/j.aquaculture.2016.09.025

Körner O, Hansen JB (2011) Uno strumento on-line per ottimizzare la produzione di colture in serra. Acta Hortic 957:147 —154

Körner O, Van Straten G (2008) Sostegno decisionale per strategie dinamiche di controllo del clima a effetto serra. Comput Electron Agric 60:18 —30

Körner O, Aaslyng JM, Andreassen AU, Holst N (2007) Microclima modellante per il controllo dinamico del clima serra. HortScience 42:272 —279

Körner O, Warner D, Tzilivakis J, Eveleens-Clark B, Heuvelink E (2008) Sostegno decisionale per ottimizzare il consumo energetico nelle serre europee. Acta Hortic 801:803 —810

Körner O, Gutzmann E, Kledal PR (2017) Un modello dinamico che simula gli effetti simbiotici nei sistemi acquaponici. Acta Hortic 1170:309 —316

Licamele JD (2009) Produzione di biomasse e dinamica nutriente in un sistema acquaponico. L'Università dell'Arizona

Liebig HP, Alscher G (1993) Combinazione di modelli di crescita per COsub2/sub- ottimizzato e temperaturacontrollo della lattuga. Acta Hortic 328:155 —162

Lugert V, Thaller G, Tetens J, Schulz C, Krieter J (2014) Una rassegna sul calcolo della crescita del pesce: molteplici funzioni nella produzione ittica e la loro applicazione specifica. Rev. Aquac 8 (1) :30-42

Lupatsch I, Kissil GW (1998) Previsione dei rifiuti di acquacoltura provenienti dalla cultura dell'orata (Sparus aurata) utilizzando un approccio nutrizionale. Aquat Living Resour 11 (4) :265-268. https://doi.org/10. 1016/S0990-7440 (98) 80010-7

Lupatsch I, Kissil GW, Sklan D (2003) Confronto tra l'efficienza energetica e le proteine tra tre specie di pesci orate (Sparus aurata), spigola europea (Dicentrarchus labrax) e cernia bianca (Epinephelus aeneus): spesa energetica per la deposizione di proteine e lipidi. Acquacoltura: 175-189

Macal CM, North MJ (2005) Tutorial sulla modellazione e simulazione basata su agenti. In: Conferenza di simulazione, 2005 atti dell'inverno. VALE A DIRE

Madsen LO, Møller-Pedersen B, Nygaard K (1993) Programmazione orientata agli oggetti nel linguaggio di programmazione BETA. Addison-Wesley. ISBN 0-201-62430-3

Marcelis LFM (1994) Crescita della frutta e suddivisione della materia secca nel cetriolo. Dipartimento di Orticoltura. Università agricola di Wageningen, Wageningen, p 173

McCarthy J, Levin MI (1965) LISP 1.5 manuale programmatore. MIT Press, Cambridge, MA

Orellana JUW (2014) Cultura del kingfish della coda gialla (Seriola lalandi) in un sistema di acquacoltura a ricircolo marino (RAS) con acqua di mare artificiale. Aquac Eng:20—28

Pagand P, Blancheton JP, Casellas C (2000) Un modello per prevedere le quantità di azoto inorganico disciolto rilasciato negli effluenti di un sistema idrico a ricircolo di spigola (Dicentrarchus labrax). Aquac Eng 22 (1—2) :S137—S153

Pavlostathis SG, Giraldo-Gomez E (1991) Cinetica di trattamento anaerobico: Una revisione critica. Crit Rev Environ Control 21:411 —490

Poorter H, Anten NP, Marcelis LFM (2013) Meccanismi fisiologici nei modelli di crescita delle piante: abbiamo bisogno di un approccio biologico dei sistemi sopra-cellulari. Cellula vegetale Environ 36:1673 —1690

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

Rath T (2011) Softwaresystem zur Planung von Heizanlagen von Gewächshäusern. Fachgebiet Biosystem- und Gartenbautechnik. Leibniz University di Hannover, Germania

Reyes Lastiri D, Slinkert T, Cappon HJ, Baganz D, Staaks G, Keesman KJ, (2016) Modello di sistema acquaponico per ridurre al minimo il fabbisogno idrico, energetico e azoto. Acqua Sci Technol. wst2016127. https://doi.org/10.2166/wst.2016.127

Richie M, Haley D, Oetker M (2004) Effetto della frequenza di alimentazione sull'evacuazione gastrica e sul ritorno dell'appetito in Tilapia Oreochromis niloticus (L.). Acquacoltura 234 (1-4) :S657—S673. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2003.12.012

Rusten BE (2006) Progettazione e funzionamento dei reattori biofilm a letto mobile Kaldnes. Aquac Eng:322—331

Sánchez-Romero A, Miranda-Baeza A, Rivas-Vega M (2016) Sviluppo di un modello per simulare la dinamica dell'azoto in un sistema integrato di coltura di gamberetti e macroalghe con scambio zerowater. J World Aquacult Soc47 (1) :129-138

Sinha NK, Kuszta B (1983) Modellazione e identificazione di sistemi dinamici. Von-Nostrand Reinhold, New York

Soukup J, Macháček P (2014) Serializzazione e oggetti persistenti. - Springer. https://doi.org/10. 1007/978-3-642-39323-5

Sterman J (2000) Dinamiche aziendali: pensiero e modellazione dei sistemi per un mondo complesso. 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 Visualizzatore - Osservazione del comportamento delle scuole di pesce nei labirinti e uso di entropia semantica e sintattica per la definizione della struttura scolastica. Mondo Acad Sci Eng Technol Int

J Comput Electr Autom Control Inf Eng 9 (1) :281-285 van Ooteghem RJC (2007) Design di controllo ottimale per una serra solare. Università di Wageningen, Wageningen, p 304

Vanthoor B (2011) Un metodo di progettazione di serra basato su modelli. Università di Wageningen, Wageningen, p 307

Waller U, Buhmann AK, Ernst A et al (2015) Acquacoltura multi-trofico integrata in un sistema di acquacoltura a ricircolo a scambio zero per la produzione di pesci marini e alofiti idroponici. Aquac Int 23:1473

Weatherley LR, Hill RG, Macmillan KJ (1993) Modellazione di processo di un sistema di acquacoltura intensivo. Aquac Eng:215—230

Wik TEI, Lindén BT, Wramner PI (2009) Modellazione integrata di acquacoltura dinamica e trattamento delle acque reflue per sistemi di acquacoltura a ricircolo. Acquacoltura 287 (3/4) :361-370

Willems JC, Polderman JW (1998) Introduzione alla teoria dei sistemi matematici: un approccio comportamentale. - Springer. ISBN: 978-1-4757-2953-5

Wolfram S (1991) Mathematica: un sistema per fare matematica per computer. Wolfram Research, Champagne

Yogev U, Barnes A, Gross A (2016) Analisi dei nutrienti e del bilancio energetico per un modello concettuale di un tre loop off grid, acquaponica. Acqua 8:589. https://doi.org/10.3390/W8120589

Zeigler BP, Praehofer H, Kim TG (2000) Teoria della modellazione e simulazione, 2a edn. Elsevier, Londra

Accesso Aperto Questo capitolo è concesso in licenza secondo i termini della Licenza Internazionale Creative Commons Attribution 4.0, che consente l'uso, la condivisione, l'adattamento, la distribuzione e la riproduzione in qualsiasi supporto o formato, purché si dia credito appropriato all'autore o agli autori originali e alla fonte, fornisca un link a la licenza Creative Commons e indica se sono state apportate modifiche.

Le immagini o altro materiale di terze parti in questo capitolo sono inclusi nella licenza Creative Commons del capitolo, salvo diversa indicazione in una linea di credito al materiale. Se il materiale non è incluso nella licenza Creative Commons del capitolo e l'uso previsto non è consentito dalla normativa legale o supera l'uso consentito, è necessario ottenere l'autorizzazione direttamente dal titolare del copyright.

! image-20200929112107029