balance de masa i [compatibility mode]
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balance de masaTRANSCRIPT
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Dr. Manuel SegoviaDepartamento de AcuiculturaDepartamento de Acuicultura
CICESE
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Acuicultura tradicional Restricciones en el uso del recurso hídrico
Impacto al ambiente por liberación de efluentes Impacto al ambiente por liberación de efluentes
acuícolas
Control de nutrientes en efluentes
Uso de espaciop
Control de enfermedades
Control de parámetros fisicoquímicos
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Porque recirculaciónUso racional del aguaImpacto ambientalImpacto ambientalSitio ClimaClimaCalidad de aguaEnfermedadesEnfermedadesDepredaciónEspecies exóticasp
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Que es un sistema deQue es un sistema de recirculación?
Es un sistema donde el recambio de agua es menor al 10% del volumen total por díaU i d d di d i i i Un sistema donde por medio de operaciones unitarias básicas se lleva a cabo el reciclado y reacondicionamiento del aguareacondicionamiento del aguaEl reuso del agua afecta variables fisicoquímicas (ya sea aumentando o disminuyendo su concentración)yConforme se incrementa el reuso del agua, el reacondicionamiento de la misma se vuelve mas iimportante
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Una vez que reconocemos que hayUna vez que reconocemos que hay cinco operaciones unitarias que hacemos?
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S di i l iSe dimensionan las operaciones unitarias en el sistema deunitarias en el sistema de recirculación para la cantidad pde biomasa que se va a producir
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E d i d t i lEs decir, se determina la
capacidad de carga del sistema
de recirculación acuícola
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Capacidad de cargaSe especifica en términos de carga (biomasa de organismos/flujo de agua) en densidad (biomasa d i / l )de organismos/volumen)Producción de metabolitos es proporcional al li t idalimento consumidoCapacidad de carga puede definirse en términos de cantidad de alimento suministrado (kg de cantidad de alimento suministrado (kg de alimento/día) o consumo de oxigeno (kg de oxigeno/volumen)oxigeno/volumen)
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En el diseño de un sistema de recirculación es esencial predecir la recirculación es esencial predecir la capacidad de carga y producciónPaso necesario y criticoPaso necesario y criticoMal calculo
reducción de la tasa de crecimientoreducción de la tasa de crecimientoAumento de la tasa de conversión de alimentoalimentoSusceptibilidad a enfermedadesMortalidad Mortalidad
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Ley de la conservación de la materia
La materia ni se crea ni se destruye, solo se transformatransforma
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A áli i d b l dAnálisis de balance de masa o materialesmateriales
Δm = E – S + G - RΔm E S G R
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Análisis de balance de masaAnálisis de balance de masa o materialeso materiales1. Limites del sistema deben de estar bien definidos
2. Aislamiento e identificación de un flujos que cruzan los limites del sistemacruzan los limites del sistema
3. Identificar el material a ser balanceado
4. Identificar los procesos de transformación que se llevan a cabo dentro del sistema
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Tasa de acumulación Tasa de flujo Tasa de flujo
Tasa neta detransformación de
de una masa dentro de los limites del sistema
=Tasa de flujo de la masa en el sistema
‐ de la masaafuera delsistema
+transformación dela masadentro delsistema
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Acumulación = entra ‐ sale + genera ‐ consume
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Como lo llevamos a cabo?
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Por medio de Q
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Flujo de aguaO d l O2 transportado al tanqueDesechos removidos del tanque
Diseño de sistema cerradoParámetros (O2, NH4, NH3‐H, CO2, SST, NO2, 4 3alcalinidad)Calidad de aguaProducción
Flujo suficientemente altoj
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Balance de masa
Transporte (in) de X + producción (X)=
Transporte (out) de X
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Q QQ Q
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Q QQ1 Q1
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Q QQ1 Q1
UNIDAD DE TRATAMIENTO
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Q QQ1 Q1
UNIDAD DE TRATAMIENTO
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Circulación
Remoción de sólidos
Unidadde Nitrificación
cultivo
DesgasificaciónDesgasificación
Aireación/Oxigenación
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Q QPQ1 Q1P
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Q QPQ1 Q1PC1
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Q QPQ1 Q1PC1 C2
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Operaciones Unitarias:Operaciones Unitarias:
1 Circulación1. Circulación 2. Remoción de Sólidos (RS)3. Filtración Biológica (FB)3. Filtración Biológica (FB)4. Desgasificación / Remoción de Gases (RG)5. Aireación / Oxigenación (A) y/o (O)5. Aireación / Oxigenación (A) y/o (O)
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Operación Unitaria
Antes de unidad de
Después de unidad de
tratamiento tratamientoRS + ‐RS +FB + ‐RG +RG + ‐
A y/o O ‐ +
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Q QPQ1 Q1PC1C2
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Δm = E – S + G - R
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Ecuación básica para pelaborar el balance de masa
de un sistema 100% de un sistema 100% recirculación
Q1C2 + P = Q1C1Q1C2 P Q1C1
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Q1C2 + P = Q1C1
Para efectos prácticos! Podríamos entender la ecuación que esta arriba como:
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Q1C2 + P = Q1C1
Lo que entra + lo que se produce = a lo que sale
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Q1C2 + P = Q1C1
Lo que entra + lo que se produce = a lo que sale
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Q1C2 + P = Q1C1
Lo que entra + lo que se produce = a lo que sale
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Entonces, que flujo necesito para mantener el balance de
?masa?
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Q1C2 + P = Q1C11 2 1 1
Y esta ecuación se despeja de d f b bldos formas en base a esta tabla
Operación Unitaria Antes de unidad de tratamiento
Después de unidad de tratamientotratamiento tratamiento
RS + ‐
FB + ‐
RG + ‐
A y/o O ‐ +
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Forma 1:
Q1 (C2 - C1) = -P
Forma 2:
1 ( 2 1)
Forma 2:
Q (C C ) PQ1 (C1 – C2) = P
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Forma 1:
Q1 (C2 - C1) = -P1 ( 2 1)
Para calcular la tasa de flujo Para calcular la tasa de flujo para el parámetro del oxigeno di ldisuelto
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Forma 2:
Q1 (C1 – C2) = P
Para calcular la tasa de flujo para
Q1 ( 1 2)
Para calcular la tasa de flujo para el parámetro del sólidos
did l i ó suspendidos totales, nitrógeno amoniacal total y dióxido de ycarbono
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El balance de masa debe de tomar en cuenta otro factor o tratamientotratamiento
t t i tQ Q
tratamiento
C1 C21 2
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TC2 = C1 + (Coptimo‐ C1)
T
100
d d
100
donde:C optimo= el mejor resultado obtenido con elp
tratamientoC ti = para CO el 0.5 mg/LC optimo para CO2 el 0.5 mg/L
para SST y amonio 0 mg/L
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Carga Masa de organismos acuáticos que se pueden mantener por unidad de flujo de agua
Unidad (L) kg org acuáticosUnidad (L) kg org. acuáticosLpm litros por minuto
Densidad (Dorg) kg org. acuáticosde org´s m3 por volumende org s m3 por volumen
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Si combina el numero de intercambios por hora (R)
L = 0 06 DL = 0.06 DorgR
0.06 constante que convierte Lpm a m3 h‐1q pL = capacidad de carga kg/m3/hDorg= densidad de peces en kg/m3
org p g/R = numero de intercambios por hora
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Capacidad de carga depende de:
Calidad de aguagTamaño del organismoE iEspecieEstadio
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Usando la ecuación anterior y si asumimos que:
Pez requiere 250 g O2/kg alimentoLa carga (kg de org por Lpm por flujo)
Loxigeno 144 ΔO2250F
=250F%
F% = tasa de alimentaciónF% tasa de alimentación
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Conforme densidad aumenta[O2] se mantiene con O2 puro inyectadoOtros parámetros se vuelven limitantesOtros parámetros se vuelven limitantesIncremento producción
CO2
NH33
SSTSe conoce como efecto acumulativo de OSe conoce como efecto acumulativo de O2
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10 mg/L de oxigeno que se consumen
producen
1.4 mg/L amonio4 g/
14 mg/L CO2
10‐20 mg/L de sólidos suspendidos
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M fá il i á i Mas fácil estimar carga máxima que carga optima (curva de aprendizaje)
Pq?
Tamaño de organismoEspecieCaracterísticas del sistemaManejo
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PProducción de un contaminante (NAT, CO2, SST) o consumo de (O2, CaCO3)Directamente relacionado a la F
PO2 = ‐ 0.25 kg por kg por alimento consumido= ‐ 0.12 kg por kg consumido por BN= ‐ 0.13 bacterias heterótrofas (hasta 0.5)= ‐ 0.5 kg (0.25+0.12+0.13)
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PCO2 = 1.375 gramos producidos por gramo
de O2 consumido
PNAT = F x PC x 0.092
Psolidos, SST = 0.25kg X kg de alimento seco
20% – 40%
P = producciónC [ ] á i l d lid d d C = [ ] parámetro particular de calidad de agua
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Seleccionar diseño/condiciones de operación
Parámetro tilapia truchaParámetro tilapia trucha
ToF 75 85 50 65ToF 75-85 50-65O2 mg/L 4-6 6-8CO mg/L 40 50 20 30CO2 mg/L 40-50 20-30SST mg/L < 15 < 10Amonio total mg/L < 3 < 1Amonio total mg/L < 3 < 1NH3 mg/L < 0.6 < 0.02Nitrito mg/L < 1 < 0 1Nitrito mg/L < 1 < 0.1Cloro mg/L >200 > 200
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OO2
Primer factor limitantePrimer factor limitanteRequiere flujo alto para mantener [O2]R l id d d O Regla 0.25 unidades de O2 por metabolismo depende de tipo de
iorganismoWester (1978) 200‐250 g/kgPecor (1978) 110 g/kg, pez poco activoO pez + biofiltroO2 pez + biofiltro
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Amonio Valores máximos entre amonio y amoniaco
no se conocen
Valores máximos varíanValores máximos varían
0.025 mg/L amonio no ionizado
[ ] recomendada determinada por pH
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Producción de amonio
PNATF x PC x 0.092
T=NAT TSe basa en una serie de aproximaciones0.092 = 0.16 x 0.8 x 0.8 x 0.9
16% (proteína es 16%)80% nitrógeno es asimilado80% nitrógeno asimilado es excretado90% de nitrógeno excretado es NATtodo NAT excretado en el tiempo Tsólidos se remueven rápidamente
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CO2Parámetro muy importante pero ignoradoDorg < 40 kg m3 equivale < 20 mg/LAl d id d i d l d COAlta densidad, otro tipo de control de CO2
PCO2 = 1.375 gramos producidos pord d O id cada gramo de O2 consumido
(bacterias y peces)Ni eles má imos 10 20 mg/LNiveles máximos 10‐20 mg/LAltas concentraciones crónicas = deposición calcárea en el hígado (nefrocalcinosis)calcárea en el hígado (nefrocalcinosis)
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Sólidos suspendidos totalesActividad mas importanteConcentraciones en sistema 10‐30 mg/L1 kgalimento produce 8 litros desechos líquidos1 lbalimento = 1 galón de desechos
NitratosNitratosProducto terminal de la nitrificación1 kg por día de NAY = 1 kg por día de NO3
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Premisa crecimiento org´s tasa definida
Alimentación
Consumo O2 generación metabolitos
Crecimiento pez en base a temperatura
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SIEMPRE DISEÑAR SISTEMASIEMPRE DISEÑAR SISTEMAPARA CAPACIDAD
MAXIMA DE CARGA:DENSIDAD MAXIMA Y DENSIDAD MAXIMA Y
MAXIMA TASA DE ALIMENTACION
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P esencialmente relacionado a la tasa de alimentaciónalimentaciónFactor mas importante al diseñar un sistema
dcerradoParametros llegan a equilibrio:g qProducción (biomasa)Fl j d Flujo de aguaCambio en [ ] de parametros a través del equipo de tratamiento