Capítulo 11 Modelação de Sistemas Aquapônicos

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

Abstrato Os modelos matemáticos podem assumir formas muito diferentes e níveis muito diferentes de complexidade. Uma forma sistemática de postular, calibrar e validar, conforme fornecido pela teoria dos sistemas, pode, portanto, ser muito útil. Neste capítulo, a modelagem de sistemas dinâmicos de sistemas aquapônicos (AP), a partir de uma perspectiva teórica de sistemas, é considerada e demonstrada para cada um dos subsistemas do sistema AP, tais como tanques de peixes, digestor anaeróbio e estufa hidropônica (HP). Ele mostra ainda as ligações entre os subsistemas, de modo que, em princípio, um modelo completo de sistemas AP pode ser construído e integrado na prática diária no que diz respeito à gestão e controle de sistemas AP. O principal desafio é escolher uma complexidade de modelo adequada que atenda aos dados experimentais para estimativa de parâmetros e estados e nos permita responder a questões relacionadas ao objetivo de modelação, como simulação, design de experimentos, previsão e controle.

Palavras Modelação · Sistema aquícola de recirculação · Digestão anaeróbica · Estufa hidropônica · Sistema aquapônico multi-loop · Ferramentas

Conteúdo

• 11.1 Introdução
• 11.2 Fundo
• 11.3 Modelação RAS
• 11.4 Modelação da Digestão Anaeróbia
• 11,5 HP Greenhouse Modelling
• 11.6 Modelação Aquapônica Multi-loop
• 11.7 Ferramentas de modelação
• 11.8 Discussão e Conclusões
• Referências

—

K. J. Keesman · S. Goddek

Métodos Matemáticos e Estatísticos (Biometris), Universidade de Wageningen, Wageningen, Países Baixos

O. Körner

Leibniz-Instituto de Culturas Vegetais e Ornamentais (IGZ), Grossbeeren, Alemanha

K. Wagner

Institut für physikalische Prozesstechnik, Universidade de Ciências Aplicadas Saarbrücken, Saarbrücken, Alemanha

J. Urban

Laboratório de Processamento de Sinais e Imagens, Instituto de Sistemas Complexos, Sul da Boêmia

Centro de Pesquisa de Aquicultura e Biodiversidade de Hidrocenoses, Faculdade de Pescas e

Protecção das águas, Universidade da Boémia do Sul em Ceske Budejovice, Nove Hrady, República Checa

D. Karimanzira · T. Rauschenbach

Fraunhofer IOSB-AST, Ilmenau, Alemanha

© O (s) Autor (es) 2019 267

S. Goddek et al. (eds.), Sistemas de Produção de Alimentos Aquaponics, https://doi.org/10.1007/978-3-030-15943-6_11

—

Referências

Análise de Badiola M, Mendiola D, Bostock J (2012) Recirculating Aquaculture Systems (RAS): principais questões de gestão. 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) A Digestão Anaeróbica IWA Modelo nº 1 (ADM1). Esqui de Água Technol 45:65 —73

Boote KJ, Jones JW (1987) Equações para definir a fotossíntese do dossel a partir de uma dada eficiência quântica, taxa máxima foliar, extinção da luz, índice de área foliar e densidade do fluxo de fótons. In: Biggins J (ed) Progresso na pesquisa de fotossíntese. Martinus Nijhoff, Dordrecht, páginas 415-418

Bot GPA (1993) Modelação física do clima de estufa. Em: Hashimoto Y, Bot GPA, Dia W, Tantau HJ, Nonami H (eds) A estufa computadorizada. Imprensa Acadêmica, San Diego, pp 51-74

Buck-Sorlin G, De Visser PHB, Henke M, Sarlikioti V, Ven der Heijden G, Marcelis LFM, Vos J (2011) Rumo a um modelo funcional de planta estrutural de corta-rosa: simulação de ambiente luminoso, absorção de luz, fotossíntese e interferência com a estrutura da planta. Ann Bot 108:1121 —1134

Challa H, Bakker M (1999) Produção potencial dentro do ambiente de estufa. Em: Stanhill G,

Enoch HZ (eds) Ecossistemas do mundo 20 — Ecossistemas de estufa. Elsevier, pp 333-347

Colt JEK (2013) Impacto da aeração e da alcalinidade na qualidade da água e na qualidade do produto da tilápia transportada — um estudo de simulação. Aquac Eng:46—58

Corominas L, Riegler L, Takács I (2010) Novo quadro para notação padronizada em águas residuais. J Int Assoc Água Poluir Res 61 (4) :S841—S857

Dahl O-J, Nygaard K (1966) SIMULA: uma linguagem de simulação baseada em Algol. Commun ACM 9

(9) :671—678. https://doi.org/10.1145/365813.365819 de Zwart HF (1996) Analisando opções de economia de energia no cultivo de estufa usando um modelo de simulação. Universidade Agrícola de Wageningen, Wageningen, p. 236

Delaide B, Goddek S, Keesman, KJ, Jijakli MH (2018). Uma metodologia para quantificar o desempenho da digestão de lodo aeróbio e anaeróbio para reciclagem de nutrientes em aquapônica. https://popups. uliege.be:443/1780-4507 22, 12

Drayer GE, Howard AM (2014) Modelação e simulação de um habitat aquático para pesquisa bioregenerativa de suporte de vida. Astronauta Acta 93:S.138—S.147. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2013. 07.013

El-Mashad H (2003) Solar Termofílico Reator Anaeróbio (STAR) para produção de energia renovável tese de doutorado Universidade de Wageningen. ISBN: 9058089533-238

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

Emrich S, Suslov S, Judex F (2007) Totalmente baseado em agente. Modelações de propagação epidêmica usando qualquer lógica. Em: Procedimentos do EUROSIM

FAO (2016) O Estado da Pesca Mundial e da Aquicultura 2016. Contribuir para a segurança alimentar e nutrição para todos. Organização das Nações Unidas para a Alimentação e a Agricultura, Roma

Ficara E, Hassam S, Allegrini A, Leva A, Malpei F, Ferretti G (2012) Modelos de digestão anaeróbica: um estudo comparativo. In: Procedimentos da 7ª Conferência Internacional de Viena sobre modelagem matemática 2012, p 1052

Fortmann-Roe S (2014) Insight maker: uma ferramenta de uso geral para modelagem e simulação baseada na web. Teoria do Modelo de Simul Pract 47:28 —45

Frantz JM, Mão B, Buckingham L, Ghose S (2010) Grower virtual: software para calcular os custos de aquecimento da produção de estufa nos Estados Unidos. HortTechnology 20:778 —785

Galí A, Benabdallah T, Astals S, Mata-Alvarez J (2009) Versão modificada do modelo ADM1 para aplicação de agroresíduos. Bioresour Technol 100 (11) :2783—2790

Goddek S (2017) Oportunidades e desafios de sistemas aquapônicos multi-loop. Universidade de Wageningen. https://doi.org/10.18174/412236

Goddek S, Delaide BPL, Joyce A, Wuertz S, Jijakli MH, Gross A, Eing EH, Bläser I, Reuter M, Keizer LCP, Morgenstern R, Körner O, Verreth J, Keesman KJ (2018) Mineralização de nutrientes e redução de matéria orgânica de lamas à base de RAS em UASB-EGSB sequencial reactores. Aquac Eng 83:10 —19. ISSN: 0144-8609

Goddek S, Keesman KJ (2018) A necessidade da tecnologia de dessalinização para projetar e dimensionar sistemas aquapônicos multi-loop. Dessalinização 428:76 —85. https://doi.org/10.1016/j.desal.2017. 11.024

Goddek S, Körner O (2019) Um modelo de simulação totalmente integrado de aquapônica multi-loop: Um estudo de caso para dimensionamento de sistemas em diferentes ambientes. Agric Syst

Goddek S, Delaide B, Mankasingh U, Ragnarsdottir K, Jijakli H, Thorarinsdottir R (2015) Desafios da aquapônica sustentável e comercial. Sustentabilidade 7:4199 —4224. https://doi.org/10.3390/su7044199

Goddek S, Espinal CA, Delaide B, Jijakli MH, Schmautz Z, Wuertz S, Keesman KJ (2016) Navegando em direção a sistemas aquapônicos dissociados: uma abordagem de projeto de dinâmica do sistema. Água (Suíça) 8:303. https://doi.org/10.3390/W8070303

Graber A, Junge R (2009) Sistemas aquapônicos: reciclagem de nutrientes de águas residuais de peixes por produção vegetal. Dessalinização 246:147 —156

Halamachi I, Simon Y (2005) Um novo modelo de simulação computacional para a concepção e gestão de sistemas aquícolas de recirculação. Aquac Eng 32 (3—4) :S443—S464. https://doi.org/10.1016/j. aquaeng.2004.09.010

Hassan J et al (2016) Acúmulo transitório de NO2-e N2O durante a desnitrificação explicado pela suposição da diversificação celular por transcrição estocástica de genes de desnitrificação. POS Comput Biol 11 (1) :e1004621

Ele E, Wurtsbaugh W (1993) Um modelo empírico de taxas de evacuação gástrica para peixes e uma análise da digestão em truta marrom piscívora. Trans Am Fish Soc 122 (5) :S.717—S.730

Henze M, Willi G, Takashi M, Mark L (2002) Modelos de lamas ativadas ASM1, ASM2, ASM2d E ASM3. IWA Publishing em sua série de relatórios científicos e técnicos, Reino Unido. ISBN: 1-900222-24-8

Heuvelink E (1996) Crescimento e rendimento do tomate: análise quantitativa e síntese. Departamento de Horticultura. Universidade Agrícola de Wageningen, Wageningen, Países Baixos, p. 326

Jablonsky J, Papacek S, Hagemann M (2016) Diferentes estratégias de regulação metabólica em cianobactérias: do controle transcricional ao bioquímico. Sci Rep 6:33024

Janka E, Körner O, Rosenqvist E, Ottosen CO (2018) Simulação da eficiência operacional PSII a partir da fluorescência clorofila em resposta à luz e à temperatura em crisântemo (Dendranthema grandiflora) usando um modelo de folha multicamada. Photosynthetica 56:633 —640

Karimanzira D, Keesman KJ, Kloas W, Baganz D, Rauschenbach T (2016) Modelagem dinâmica do sistema aquapônico INAPRO. Aquac Eng 75:29 —45. https://doi.org/10.1016/j.aquaeng.2016.10.004

Keesman KJ (2011) Identificação do sistema: uma introdução. Springer, Londres

Knaus U, Palm HW (2017) Efeitos da biologia de peixes nas ervas aquaponicais cultivadas no norte da Alemanha (Mecklenburg Ocidental Pomerânia). Aquicultura 466:51 —63. https://doi.org/ 10.1016/j.aquaculture.2016.09.025

Körner O, Hansen JB (2011) Uma ferramenta on-line para otimizar a produção de culturas com efeito de estufa. Acta Hortic 957:147 —154

Körner O, Van Straten G (2008) Apoio à decisão para estratégias dinâmicas de controlo do clima com efeito de estufa. Comput Electron Agric 60:18 —30

Körner O, Aaslyng JM, Andreassen AU, Holst N (2007) Modelação de microclima para controle dinâmico do clima de estufa. HortScience 42:272 —279

Körner O, Warner D, Tzilivakis J, Eveleens-Clark B, Heuvelink E (2008) Apoio à decisão para optimizar o consumo de energia em estufas europeias. Acta Hortic 801:803 —810

Körner O, Gutzmann E, Kledal PR (2017) Modelo dinâmico simulando os efeitos simbióticos em sistemas aquapônicos. Acta Hortic 1170:309 —316

Licamele JD (2009) Produção de biomassa e dinâmica de nutrientes em um sistema aquaponico. A Universidade do Arizona

Liebig HP, Alscher G (1993) Combinação de modelos de crescimento para controle otimizado de Cosub2/sub e temperatura de alface. Acta Hortic 328:155 —162

Lugert V, Thaller G, Tetens J, Schulz C, Krieter J (2014) Uma revisão sobre o cálculo do crescimento de peixes: múltiplas funções na produção de peixe e sua aplicação específica. Rev. Aquac 8 (1) :30—42

Lupatsch I, Kissil GW (1998) Predição de resíduos aquícolas provenientes da cultura de dourado (Sparus aurata) usando abordagem 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) Comparação da eficiência energética e proteica entre três espécies de peixes dourados (Sparus aurata), robalo europeu (Dicentrarchus labrax) e garoupa branca (Epinephelus aeneus): gasto energético para deposição de proteínas e lipídios. Aquacultura: 175—189

Macal CM, North MJ (2005) Tutorial sobre modelagem e simulação baseada em agentes. In: Conferência de simulação, 2005 procedimentos do inverno. IEEE

Madsen LO, Møller-Pedersen B, Nygaard K (1993) Programação orientada a objetos na linguagem de programação BETA. Addison Wesley. ISBN 0-201-62430-3

Marcelis LFM (1994) Crescimento de frutos e particionamento de matéria seca em pepino. Departamento de Horticultura. Universidade Agrícola de Wageningen, Wageningen, p. 173

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

Orellana JUW (2014) Cultura de peixe-do-mato (Seriola lalandi) em um sistema de aquicultura de recirculação marinha (RAS) com água do mar artificial. Aquac Eng:20—28

Pagand P, Blancheton JP, Casellas C (2000) Modelo para prever as quantidades de azoto inorgânico dissolvido libertado em efluentes de um sistema de recirculação de água de robalo (Dicentrarchus labrax). Aquac Eng 22 (1—2) :S137—S153

Pavlostathis SG, Giraldo-Gomez E (1991) Cinética do tratamento anaeróbio: Uma revisão crítica. Controle Ambiental Rev Crit 21:411 —490

Poorter H, Anten NP, Marcelis LFM (2013) Mecanismos fisiológicos em modelos de crescimento de plantas: precisamos de uma abordagem de biologia de sistemas supra-celulares. Célula Planta Environ 36:1673 —1690

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

Rath T (2011) Sistema de software zur Planung von Heizanlagen von Gewächshäusern. Fachgebiet Biosystem- und Gartenbautechnik Leibniz University Hannover, Alemanha

Reyes Lastiri D, Slinkert T, Cappon HJ, Baganz D, Staaks G, Keesman KJ, (2016) Modelo de um sistema aquapônico para necessidades minimizadas de água, energia e nitrogênio. Tecnol de Água. wst2016127. https://doi.org/10.2166/wst.2016.127

Richie M, Haley D, Oetker M (2004) Efeito da frequência alimentar na evacuação gástrica e no retorno do apetite em Tilapia Oreochromis niloticus (L.). Aquicultura 234 (1—4) :S657—S673. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2003.12.012

Rusten BE (2006) Concepção e operação dos reatores de biofilme de leito móvel Kaldnes. Aquac Eng:322—331

Sánchez-Romero A, Miranda-Baeza A, Rivas-Vega M (2016) Desenvolvimento de um modelo para simular a dinâmica do nitrogênio em um sistema integrado de cultura de camarão e macroalgas com troca de água zero. J World Aquacult Soc 47 (1) :129—138

Sinha NK, Kuszta B (1983) Modelação e identificação de sistemas dinâmicos. Von-Nostrand Reinhold, Nova Iorque

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

Sterman J (2000) Dinâmica de negócios: pensamento e modelagem de sistemas para um mundo complexo. 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 Visualizador - observação do comportamento da escola de peixes em labirintos e utilização de entropia semântica e sintática para definição da estrutura escolar. Mundo Acad Sci Eng Technol Int

J Comput Electr Autom Control Inf Eng 9 (1) :281—285 van Ooteghem RJC (2007) Projeto de controle ideal para uma estufa solar. Universidade de Wageningen, Wageningen, p. 304

Vanthoor B (2011) Um método de projeto de estufa baseado em modelos. Universidade de Wageningen, Wageningen, p. 307

Waller U, Buhmann AK, Ernst A et al (2015) Aquicultura multitrófica integrada em um sistema de aquicultura de recirculação de troca zero para produção de peixes marinhos e halófitos hidropônicos. Aquac Int 23:1473

Weatherley LR, Hill RG, Macmillan KJ (1993) Modelação de processos de um sistema de aquicultura intensivo. Aquac Eng:215—230

Wik TEI, Lindén BT, Wramner PI (2009) Modelagem integrada de aquicultura dinâmica e tratamento de águas residuais para sistemas de aquicultura de recirculação. Aquicultura 287 (3/4) :361—370

Willems JC, Polderman JW (1998) Introdução à teoria dos sistemas matemáticos: uma abordagem comportamental. O Springer. ISBN: 978-1-4757-2953-5

Wolfram S (1991) Mathematica: um sistema para fazer matemática por computador. Wolfram Research, Champagne

Yogev U, Barnes A, Gross A (2016) Análise de nutrientes e balanço energético para um modelo conceitual de três loops off grid, aquaponics. Água 8:589. https://doi.org/10.3390/W8120589

Zeigler BP, Praehofer H, Kim TG (2000) Teoria da modelagem e simulação, 2º edn. Elsevier, Londres

Acesso Aberto Este capítulo está licenciado sob os termos da Licença Internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite o uso, compartilhamento, adaptação, distribuição e reprodução em qualquer meio ou formato, desde que você dê crédito apropriado ao (s) autor (es) original (s) e à fonte, forneça um link para a licença Creative Commons e indique se foram feitas alterações.

As imagens ou outros materiais de terceiros neste capítulo estão incluídos na licença Creative Commons do capítulo, salvo indicação em contrário em uma linha de crédito para o material. Se o material não estiver incluído na licença Creative Commons do capítulo e seu uso pretendido não for permitido por regulamentos legais ou exceder o uso permitido, você precisará obter permissão diretamente do detentor dos direitos autorais.

! image-20200929112107029