Produção de pós-larvas de tilápia do Nilo em sistemade recirculação de água com tanques retangulares e diferentes designs de entrada de água / Nile tilapia post-larvae production in a recirculating aquaculture system with rectangular tanks and different water inlet designs

O objetivo do presente estudo foi avaliar o efeito de diferentes formas de entrada de água em tanques retangulares na produção de pós-larvas de tilápia do Nilo em sistema de recirculação. 720 animais com peso de 0,02 g e comprimento de 12.52 mm foram distribuídos em 12 tanques retangulares, com relação de comprimento/largura de 1,20 e vazão de entrada de água de 3,2 vezes o volume útil dos tanques. Os tratamentos consistiram em três designs de entrada de água: superior, única vertical submersa e dupla vertical submersa, com quatro repetições cada. Foram avaliados o desempenho produtivo (peso e comprimento final, taxa de crescimento específico, fator de condição e sobrevivência) e a qualidade de água (pH, oxigênio dissolvido, temperatura, sólidos dissolvidose condutividade elétrica). O oxigênio dissolvido foi avaliado nas quatro extremidades e ao centro de cada tanque para verificar a existência de zonas mortas. Além disso, foi verificado a concentração de sólidos suspensos, 30 minutos após o arraçoamento aos 21 dias de estudo. O design de entrada de água não influenciou no desempenho produtivo e nos parâmetros gerais de qualidade de água (p>0,05). Não houve diferença na concentração de oxigênio dissolvido dentro do tanque do mesmo tratamento, indicando que não houve formação de zonas mortas (p>0,05). Houve diferença na concentração de oxigênio dissolvido nas extremidades e no centro dos tanques, devido aos tratamentos, onde os menores valores foram verificados para os tanques com entrada de água única vertical submersa (p<0,05). Os tanques com dupla entrada vertical submersa apresentaram menor concentração de sólidos suspensos, em comparação aos demais tratamentos (p<0,05). Dessa forma, não é indicado a utilização de entrada única vertical submersa e como nãohouve influência negativa no desempenho produtivo e qualidade de água, é possível produzir pós-larvas de tilápia do Nilo com entrada de água superior.

The aim of the present study was to evaluate the effect of the water inlet design in rectangular tanks, on the water quality and productive performance of Nile tilapia post-larvae. 720 animals weighing 0.02 g and 12.52 mm in length were distributed in 12 rectangular tanks, with a length/width ratio of 1.20 and a water inlet flow of 3.2 times the useful volume of the tanks. The treatments consisted of three water inlet designs: upper, single vertical submerged, and double vertical submerged, distributed in four replicates each. Productive performance (weight and final length, specific growth rate, condition factor and survival) and water quality (pH, dissolved oxygen, temperature, dissolved solids and electrical conductivity) parameter were evaluated. Dissolved oxygen was evaluated at the four ends and center of each tank to check for dead zones. In addition, the suspended solids concentration was evaluated 30 minutes after feeding at 21 days of study. The water inlet design did not influence theproductive performance and the general parameter of water quality (p>0.05). There was no difference in the concentration of dissolved oxygen within the tank for each treatment, which indicates that there was no formation of dead zones (p>0.05). There wasa difference in the concentration of dissolved oxygen in the extremities and the center of the tanks due to the treatments, where the lowest values were verifies for the tanks with submerged vertical water inlet (p<0.05). The tanks with submerged verticaldouble inlets showed a lower concentration of suspended solids, compared to the other treatments (p<0.05). Thus, the use of a single vertical submerged inlet is not indicated and there was no negative influence on production performance and water quality,it is possible to produce Nile tilapia post-larvae with upper water inlet.

Produção de pós-larvas de tilápia do Nilo em sistemade recirculação de água com tanques retangulares e diferentes designs de entrada de água / Nile tilapia post-larvae production in a recirculating aquaculture system with rectangular tanks and different water inlet designs

O objetivo do presente estudo foi avaliar o efeito de diferentes formas de entrada de água em tanques retangulares na produção de pós-larvas de tilápia do Nilo em sistema de recirculação. 720 animais com peso de 0,02 g e comprimento de 12.52 mm foram distribuídos em 12 tanques retangulares, com relação de comprimento/largura de 1,20 e vazão de entrada de água de 3,2 vezes o volume útil dos tanques. Os tratamentos consistiram em três designs de entrada de água: superior, única vertical submersa e dupla vertical submersa, com quatro repetições cada. Foram avaliados o desempenho produtivo (peso e comprimento final, taxa de crescimento específico, fator de condição e sobrevivência) e a qualidade de água (pH, oxigênio dissolvido, temperatura, sólidos dissolvidose condutividade elétrica). O oxigênio dissolvido foi avaliado nas quatro extremidades e ao centro de cada tanque para verificar a existência de zonas mortas. Além disso, foi verificado a concentração de sólidos suspensos, 30 minutos após o arraçoamento aos 21 dias de estudo. O design de entrada de água não influenciou no desempenho produtivo e nos parâmetros gerais de qualidade de água (p>0,05). Não houve diferença na concentração de oxigênio dissolvido dentro do tanque do mesmo tratamento, indicando que não houve formação de zonas mortas (p>0,05). Houve diferença na concentração de oxigênio dissolvido nas extremidades e no centro dos tanques, devido aos tratamentos, onde os menores valores foram verificados para os tanques com entrada de água única vertical submersa (p<0,05). Os tanques com dupla entrada vertical submersa apresentaram menor concentração de sólidos suspensos, em comparação aos demais tratamentos (p<0,05). Dessa forma, não é indicado a utilização de entrada única vertical submersa e como nãohouve influência negativa no desempenho produtivo e qualidade de água, é possível produzir pós-larvas de tilápia do Nilo com entrada de água superior.(AU)

The aim of the present study was to evaluate the effect of the water inlet design in rectangular tanks, on the water quality and productive performance of Nile tilapia post-larvae. 720 animals weighing 0.02 g and 12.52 mm in length were distributed in 12 rectangular tanks, with a length/width ratio of 1.20 and a water inlet flow of 3.2 times the useful volume of the tanks. The treatments consisted of three water inlet designs: upper, single vertical submerged, and double vertical submerged, distributed in four replicates each. Productive performance (weight and final length, specific growth rate, condition factor and survival) and water quality (pH, dissolved oxygen, temperature, dissolved solids and electrical conductivity) parameter were evaluated. Dissolved oxygen was evaluated at the four ends and center of each tank to check for dead zones. In addition, the suspended solids concentration was evaluated 30 minutes after feeding at 21 days of study. The water inlet design did not influence theproductive performance and the general parameter of water quality (p>0.05). There was no difference in the concentration of dissolved oxygen within the tank for each treatment, which indicates that there was no formation of dead zones (p>0.05). There wasa difference in the concentration of dissolved oxygen in the extremities and the center of the tanks due to the treatments, where the lowest values were verifies for the tanks with submerged vertical water inlet (p<0.05). The tanks with submerged verticaldouble inlets showed a lower concentration of suspended solids, compared to the other treatments (p<0.05). Thus, the use of a single vertical submerged inlet is not indicated and there was no negative influence on production performance and water quality,it is possible to produce Nile tilapia post-larvae with upper water inlet.(AU)

AUMENTO DA PRODUÇÃO E REDUÇÃO DO GASTO ENERGÉTICO DE TANQUES DE CULTIVO MASSIVOS DA MICROALGA MARINHA NANNOCHLOROPSIS OCEANICA

Microalgas são organismos unicelulares, clorofilados que representam a base da cadeia alimentar na maioria dos ambientes aquáticos. Estes organismos têm composição bioquímica complexa, podendo fornecer importantes bioprodutos para consumo humano e animal. A demanda cada vez maior por alimentos e bioprodutos que garantam segurança nutricional e novos fármacos poderá ser obtido com a produção em larga escala de microalgas. Entretanto, para se atingir este patamar é necessário o desenvolvimento de tecnologias novas e mais produtivas de cultivo destes microorganismos. A produção massiva de microalgas é, ainda hoje, um processo custoso, que demanda um alto gasto de energia e uma infraestrutura relativamente grande, sendo atualmente economicamente viável apenas para produtos com valor agregado muito elevado, no entanto para a produção de elementos de baixo valor, como biocombustíveis, o sistema de produção atual é inviável. A viabilidade econômica de um sistema de cultivo de microalgas é atingida quando se obtêm altas densidades celulares no menor volume possível e com um gasto mínimo de energia, água e nutrientes. Cerca de um terço do custo de produção de biomassa de microalgas está relacionada à demanda energética do sistema de mistura/circulação dos tanques de cultivo. A eficiência na circulação da coluna de água pode evitar a sedimentação das células, aumentar sua exposição à luz incidente e maximizar o aporte de nutrientes para cada célula. Um sistema de mistura muito comum em tanques de cultivo de microalgas é a injeção de bolhas de ar, que transfere a energia das bolhas de ar para água, resultando na circulação (movimentação) da coluna de água. O principal objetivo desta Tese foi a otimização do sistema de coluna de bolhas em sistemas fechados (fotobiorreatores cilíndricos) e abertos (tanques circulares). Para isto, foram feitas análises do tamanho de bolhas e da taxa de vazão do ar. No estudo foram empregadas técnicas de simulação numérica, utilizando a ferramenta de Dinâmica Computacional de Fluidos (CFD) e abordagem experimental. Os resultados de nossas pesquisas são apresentados da seguinte forma: 1) No capítulo 1 desta Tese, foi estudado o efeito do tamanho das bolhas de ar, na mistura e produtividade de dois tanques de cultivo: i) fotobioreatores cilíndricos fechados e verticais com 330 L de volume útil; ii) tanques abertos circulares de 1600 L. A abordagem inicial foi feita aplicando-se programa de Dinâmica Computacional de Fluidos (CFD) que indicou uma maior eficiência de 2 bolhas menores para a redução das áreas de sedimentação (zonas mortas) e também para o aumento do desempenho hidrodinâmico do sistema. Posteriormente foram realizados experimentos em fotobiorreatores e tanques circulares. Sistemas de injeção de bolhas de ar formados por um conjunto de nove injetores de ar de 1 mm de diâmetro foram comparados a sistemas padrão, com um único injetor de 3 mm de diâmetro. Os sistemas com bolhas menores resultaram em ganhos de produção de até 36%, sem um acréscimo no custo energético. Durante os experimentos do primeiro capítulo se verificou que diferenças significativas de biomassa entre os sistemas com diferentes tamanhos de bolhas de ar ocorriam após 4 a 6 dias de experimento. 2) No capítulo 2 testamos as hipóteses de que tais diferenças poderiam ser causadas por i) maior absorção de nutrientes, ou ii) maior exposição das células à luz incidente. Através de experimentos a incidência de luz foi medida em várias profundidades dos tanques de cultivo. Da mesma forma, a concentração de nutrientes dissolvidos (amônia, nitrato e fosfato) foi determinada ao longo do cultivo. Os nutrientes não foram um fator limitante para o crescimento das células, mas a incidência de luz sim, pois esta diminui drasticamente abaixo da camada de 5 cm da superfície do tanque, passando a ser limitante a partir de 4 a 6 dias de cultivo. Foi sugerido que o sistema de mistura com bolhas menores era capaz de diminuir o tempo de permanência das células de microalgas em zonas sem luz dos tanques de cultivo. Este resultado foi apoiado por simulações com modelo lagrangiano, acompanhando as partículas de microalgas durante a circulação no interior do tanque utilizando a ferramenta CFD. 3) No terceiro capítulo diferentes vazões de ar foram testadas visando-se otimizar o novo sistema de mistura com bolhas menores. Através de experimentos com diferentes vazões de ar foi possível estimar a demanda de energia do sistema de injeção de bolhas de ar. Simulações numéricas prévias aos experimentos com cinco vazões diferentes apontaram 3 valores que apresentavam maior potencial para otimização experimental. Estas três vazões foram testadas em experimentos com fotobiorreatores de 330 L. As análises teórica de gasto de energia e experimental de produção de biomassa nos mostraram que o ajuste de uma vazão de ar de 0,024 L min-1 apresenta o melhor custobenefício para os sistemas de produção aqui avaliados de produção de N. oceanica. Entretanto, comparações do gasto de energia para a produção de microalgas nas diferentes vazões e a energia contida no lipídeo produzido mostraram que os sistemas 3 apresentam um balanço negativo, necessitando maiores ajustes para incrementar a sua produção.

Microalgae are unicellular, chlorophyllous organisms that form the basis of the food chain in most aquatic environments. These organisms have complex biochemical composition, being able to provide important bioproducts for human and animal consumption. Increasing demand for food and bioproducts to ensure nutritional safety and new drugs can be achieved with the large-scale production of microalgae. However, in order to reach this level, it is necessary to develop new and more productive technologies for cultivating these microorganisms. The massive production of microalgae is still a costly process, which requires a high energy expenditure and a relatively large infrastructure, and is not currently economically viable, especially for the production of low value compounds such as biofuels. The economic viability of a microalgae cultivation system is achieved when high cell densities are obtained in the smallest possible volume and with a minimum energy, water and nutrient expenditure. About one-third of the cost of producing microalgae biomass is related to the energy demand of the mixing / circulation system of the culture tanks. Efficient water column circulation can prevent sedimentation of cells, increase their exposure to incident light, and maximize the nutrient supply for each cell. A very common mixing system in microalgae culture tanks is the injection of air bubbles, which transfers energy from the air bubbles to water, resulting in the circulation (movement) of the water column. The main objective of this thesis was the optimization of the bubbling system in closed systems (photobioreactors) and open (circular tanks). For this, analyzes of bubble size and air flow rate were performed. In the study, numerical modeling techniques were used, using the Computational Fluid Dynamics (CFD) tool and experimental approach. The results of our research are presented as follows: 1) In chapter 1 of this thesis, the effect of air bubble size on the mixing and productivity of two culture tanks was studied: i) closed and vertical cylindrical photobioreactors with 330 L of useful volume; ii) circular open tanks of 1600 L. The initial approach was carried out by applying Fluid Computation Dynamics (CFD) program, which indicated a higher efficiency of smaller 4 bubbles for the reduction of settling areas (dead zones) and also for the increase of the hydrodynamics of the system. Subsequently experiments were performed on photobioreactors and circular tanks. Air bubble injection systems consisting of a set of nine 1 mm diameter air injectors were compared to standard systems with a single 3 mm diameter injector. Systems with smaller bubbles resulted in production gains of up to 36%, without an increase in energy cost. During the experiments of the first chapter it was verified that significant differences of biomass between the systems with different sizes of air bubbles occurred after 4 to 6 days of experiment. 2) In Chapter 2 we tested the hypotheses that such differences could be caused by i) greater absorption of nutrients, or ii) greater exposure of cells to incident light. Through experiments the incidence of light was measured at various depths of the culture tanks. Likewise, the concentration of dissolved nutrients (ammonia, nitrate and phosphate) was determined throughout the culture. The nutrients were not a limiting factor for cell growth, but the light incidence did, as it decreased dramatically below the 5 cm layer of the tank surface, becoming limiting from 4 to 6 days of culture. It has been suggested that the blending system with smaller bubbles was able to decrease the residence time of the microalgae cells in areas without light of the culture tanks. This result was supported by simulations with lagrangian model, following the microalgae particles during the circulation inside the tank using the CFD tool. 3) In the third chapter different airflows were tested in order to optimize the new mixing system with smaller bubbles. Through experiments with different air flows it was possible to estimate the energy demand of the air bubble injection system. Numerical simulations prior to the experiments with five different flows indicated 3 values that presented the greatest potential for experimental optimization. These three air flow rates were tested in experiments with 330 L photobioreactors. The theoretical analyzes of energy expenditure and experimental biomass production showed that the adjustment of an air flow of 0,024 L min-1 presents the best cost-benefit for the production systems of N. oceanica. However, comparisons of the energy expenditure for the production of microalgae at the different air flows rates and the energy contained in the lipid produced showed that the systems present a negative balance, demanding more optimizations to increase their production.

Aeração em cultivos superintensivos de tilápias Oreochromis niloticus, em bioflocos e com troca mínima de água

Em sistemas que utilizam a tecnologia de bioflocos, os aeradores precisam fornecer oxigênio suficiente para a respiração dos organismos cultivados e da biota acompanhante. O sistema de aeração empregado deve ser capaz de manter o material particulado em suspensão evitando a formação de zonas mortas dentro dos tanques de cultivo. Devido a que os aeradores devem funcionar as 24 horas do dia, durante todo o ciclo de cultivo, o custo de energia elétrica é mais elevado do que quando são usados em sistemas convencionais. Consequentemente, escolhendo o modelo de aerador mais eficiente, conseguira-se reduzir custos e incrementar os lucros. O objetivo desta pesquisa foi de determinar, dentre os modelos mais utilizados na piscicultura brasileira, aquele que seja o mais eficiente em termos de consumo de energia elétrica e que satisfaça os requerimentos do sistema de produção com bioflocos sem causar impactos no crescimento dos organismos cultivados nem na funcionalidade do floco formado. Inicialmente, as características físicas e mecânicas de quatro modelos de aeradores foram observadas. Os modelos utilizados foram o chafariz, o aerador de pás, o propulsor e o modelo soprador. A eficiência padrão dos aeradores (SAE) foi avaliado como fator comparativo. A metodologia de determinação de SAE foi inicialmente aplicada em água salgada sem sólidos em suspensão (clara) para obter o aerador mais eficiente. O modelo chafariz obteve o maior SAE (2,03 kg O2.kWh-1) e foi selecionado para testar seu SAE em baixas salinidades tanto em água clara como em bioflocos. Em baixa salinidade também foi testado o soprador considerando como controle. Ambos modelos de aeradores diminuíram o SAE em água com bioflocos em baixas salinidades (0,89 kg O2.kWh-1 para o chafariz e 0,23 kg O2.kWh-1 para o soprador). Os resultados em baixas salinidades em ambos tipos de água confirmam a que as variações de salinidade influenciam no valor de SAE. Isto pode ser devido à dificuldade da transferência de oxigênio quando acontecem mudanças na densidade da água, na tensão superficial, no diâmetro da gotícula ou borbulha formada e na concentração de sólidos suspensos na coluna de água. Embora a salinidade influenciou negativamente no SAE, o modelo chafariz manteve a prevalência sobre o modelo soprador. Na última parte da pesquisa, foi realizado um cultivo de tilápia Oreochromis niloticus com altas densidades iniciais (7 kg.m-²) para testar a influência do modelo chafariz nos bioflocos formados. Parâmetros de qualidade de água e de desempenho dos peixes cultivados foram medidos. A maioria dos índices de desempenho foram melhores (p<0,05) para o modelo chafariz do que para o modelo soprador. A temperatura média da água, tanto de manhã como à tarde, foi maior utilizando o modelo soprador. Isto pode ter relação com a forma de incorporar oxigênio na água, já que o modelo chafariz aumenta a superfície de contato entre a água e o ar, provocando uma maior troca térmica o que aumenta o esfriamento da água. Embora a temperatura da água foi menor (p<0,05) nos tanques contendo o modelo chafariz, o ganho de peso diário não apresentou diferenças significativas (p>0,05), e além disso a produtividade atingida pelo modelo chafariz (14,1 kg.m-2) foi maior (p<0,05) do que a obtida pelo modelo soprador (13,5 kg.m-2). Finalmente, conclui-se que o modelo chafariz cumpre com os requisitos para ser utilizado em cultivos superintensivos de tilápias em bioflocos.

In Biofloc Technology, aeration systems needs to provide enough dissolved oxygen for fish and microbiota. Aerators must be capable to keep solids in suspension to avoid sedimentation and formation of dead zones too. Due to the aeration devices works 24 hours per day and for several months, the cost of energy is higher using biofloc systems than when those are used in conventionally ponds culture. Consequently, choosing the most efficient aeration system might reduce production cost and increase profits. The aim of this research was to determinate the best model of aerator between the most popular semiintensive Brazilian models that fits in Biofloc Technology requirements without impacts in fish´s grows and in flocs development. Initially, the physical and mechanical characteristics of four aerators models have been observed. Such models were vertical pump sprayer, paddle wheel, propeller aspirator pump and blower. Standard Aerator Efficiency (SAE) has been determined as comparative factor. SAE methodology has been applied firstly in clean seawater to choose the best aerator model. Vertical pump sprayer obtained the best SAE (2,03 kg O2.kWh-1) values in the conditions tested. This model has been chosen for testing their SAE in both clean and bioflocs low salinity waters. At this part of this research, blower model was tested as control treatment too. Both of aerator models decrease their SAE in low salinity bioflocs water (0.89 kg O2.kWh-1 vertical pump sprayer´s SAE and 0.23 kg O2.kWh-1 blower´s SAE). Results obtained in lower salinities, in both type of water, confirms that SAE reduction impact because of the salinity. This may occurred due to the difficult of oxygen transfer when water density, surface tension and bubble or drop diameter change. High total suspense solid concentrations should affect SAE too. Independent of the salinity or type of water, better SAE results remains for vertical pump sprayer than blower aerator. In the last part of this research, a high initial densities (7 kg.m-²) tilápia Oreochromis niloticus culture was performed to testing the potential impacts of using vertical pump sprayer in biofloc technology comparing with blower´s results. Water quality and production index was measured. Majorly results observed, indicated that vertical pump sprayer aerator was better (p<0.05) than control aerator system (blower). Temperature was bigger in the blower´s tanks than in the vertical pump sprayer tanks. That may be in relation with the form of diffusing oxygen into the water, because the vertical pump sprayer rises the superficial of contact between air and water, performing the thermal exchange. Although temperature in vertical pump sprayer was lower than blower´s, the daily weight gain wasn´t different within treatments (p<0.05) besides the vertical pump sprayer productivities was higher (14.1 kg.m-2) that blower´s (13.5 kg.m-2). Finally, joining all the parts of this research, it concludes that vertical pump sprayer fits the Biofloc technology requirements for an aeration system in a tilápia production.