Análisis de sistemas de recirculación de acuicultura (RAS) para mejorar la eficiencia de la acuicultura
El *Plan Nacional de Desarrollo Pesquero para el 14.° Período del Plan Quinquenal-* exige explícitamente el desarrollo de pesquerías inteligentes, la promoción de la modernización de los equipos de acuicultura y la mejora de la eficiencia de la reproducción y los niveles de utilización de recursos. Los modelos tradicionales de acuicultura en estanques enfrentan desafíos como el alto uso de agua, una importante ocupación de tierra y el impacto ambiental, lo que dificulta satisfacer las demandas del desarrollo de la acuicultura moderna. El Sistema de Acuicultura de Recirculación (RAS), como nuevo modelo de cultivo intensivo, utiliza tecnologías de tratamiento y reciclaje de agua para lograr un cultivo de alta-densidad de organismos acuáticos en un entorno relativamente cerrado, lo que ofrece distintas ventajas técnicas.
1. Descripción general de los sistemas de recirculación de acuicultura
1.1 Conceptos básicos y componentes estructurales
Un sistema de acuicultura de recirculación (RAS) es un modelo de acuicultura moderno altamente intensivo que logra un cultivo de alta-densidad de organismos acuáticos en un ambiente relativamente cerrado a través de tecnologías de reciclaje y tratamiento de agua. RAS consta principalmente de tres módulos funcionales: la unidad de cultivo, la unidad de tratamiento de agua y la unidad de control y monitoreo de la calidad del agua.
1.2 Principio de funcionamiento
The operation of RAS is based on the principle of water purification and recycling. During the culture process, pollutants such as suspended solids and ammonia nitrogen produced by metabolism are first removed via mechanical filtration for particulate matter. The water then enters a biofilter where nitrifying bacteria convert toxic ammonia nitrogen into nitrite, which is further oxidized to nitrate. A protein skimmer removes dissolved organic matter through bubble adsorption, and a UV device eliminates pathogenic microorganisms. The multi-stage treated water is re-oxygenated, temperature-adjusted, and recirculated back into the culture tanks. During system operation, online monitoring equipment continuously tracks key parameters like pH (6.5–8.0), dissolved oxygen (>5 mg/L) y nitrógeno amoniacal (<0.5 mg/L), which are regulated via automated control devices to maintain the optimal culture environment
2. Análisis de la Eficiencia de la Producción en RAS
2.1 Capacidad de control del medio ambiente acuático
La capacidad de control del medio ambiente acuático de RAS se refleja principalmente en la regulación precisa de los parámetros de calidad del agua y la rápida respuesta a los factores estresantes ambientales. Este estudio, realizado a gran-escala con tres sistemas de prueba paralelos (cada uno con un volumen de 50 m³ y una densidad de población de 25 kg/m³), supervisó los datos de forma continua durante 180 días, lo que arrojó los resultados enTabla 1.
Los datos indican que RAS funciona excepcionalmente bien en la regulación del oxígeno disuelto. Incluso durante el consumo máximo de oxígeno por la noche, los niveles ideales se mantienen mediante el efecto sinérgico de las bombas de frecuencia variable (VFD) y la aireación microporosa. La regulación del pH, mediante monitoreo en línea junto con un sistema automático de dosificación de álcali, mostró una buena estabilidad en los resultados del monitoreo continuo. Para la eliminación del nitrógeno amoniacal, la eficiencia de nitrificación del biofiltro en condiciones estándar mejoró significativamente en comparación con los métodos convencionales.
El control de temperatura, logrado mediante intercambiadores de calor de tubos de titanio con algoritmos de control PID, mantuvo estable la temperatura del agua incluso bajo fluctuaciones significativas de la temperatura ambiente.
A lo largo de 180 días de operación continua, la tasa de cumplimiento y la estabilidad de todos los indicadores de calidad del agua en el sistema mejoraron significativamente en comparación con los modelos de cultivo tradicionales, demostrando plenamente las ventajas técnicas y el valor de aplicación de RAS en el control del medio ambiente acuático. Además, la tasa de cumplimiento de los indicadores clave de calidad del agua alcanzó el 98,5 %, y la estabilidad de los indicadores básicos como el oxígeno disuelto, el pH y el nitrógeno amoniacal fue un 47 % mayor que en el cultivo tradicional.
2.2 Desempeño del crecimiento biológico
Este estudio seleccionó la carpa herbívora (Ctenopharyngodon idella), pez de agua dulce, como tema para comparar las diferencias en el rendimiento del crecimiento entre RAS y el cultivo tradicional en estanques. El grupo de prueba constaba de tres unidades RAS de 50 m³, mientras que el grupo de control utilizó tres estanques de cultivo estándar de 500 m², ambos durante un ciclo de 180 días (los datos se muestran enTabla 2).
Los resultados mostraron que el control ambiental preciso y el manejo de la alimentación en RAS mejoraron significativamente el rendimiento del crecimiento de la carpa herbívora. El efecto de la temperatura constante y la estabilidad de la calidad del agua promovieron la actividad alimentaria y mejoraron la eficiencia de la conversión alimenticia.
2.3 Eficiencia operativa de instalaciones y equipos
La eficiencia operativa de RAS se evalúa principalmente a través del Índice Integral de Consumo de Energía (IEC), calculado de la siguiente manera:
IEC=(P × T × η) / (V × Y)
Dónde:
IEC=Índice Integral de Consumo de Energía (kW·h/kg)
P=Potencia total del sistema instalado (kW)
T=Tiempo de funcionamiento (h)
η=Factor de carga del equipo
V=Volumen de agua de cultivo (m³)
Y=Rendimiento por unidad de volumen de agua (kg/m³)
El análisis de los datos operativos mostró los siguientes parámetros clave de rendimiento para los principales equipos RAS: la eficiencia operativa del sistema de bombas alcanzó el 85 %, una mejora del 18 % con respecto a las bombas tradicionales; la carga de tratamiento de nitrógeno amoniacal del biofiltro fue de 0,8 kg/m³·d, un aumento del 40% en comparación con los biofiltros convencionales; y la unidad de desinfección UV mantuvo una eficiencia de esterilización superior al 99,9%.
El equipo del sistema emplea un control de enlace inteligente, ajustando automáticamente la potencia operativa y el tiempo de funcionamiento según los parámetros de calidad del agua. Por ejemplo, los equipos de control de temperatura pueden funcionar con carga reducida (p. ej., 30 %) durante períodos de temperatura estable, y los sistemas de aireación pueden funcionar en modo de frecuencia variable de ahorro de energía-durante períodos de bajo consumo de oxígeno durante la noche. A través de este control inteligente de los equipos, el Índice de Consumo Integral de Energía promedio del sistema fue de 2,1 kW·h/kg, un 45% menor que los modelos de cultivo tradicionales.
3. Cuantificación de los beneficios integrales de RAS
3.1 Indicadores cuantitativos de beneficios de producción
Este estudio estableció un sistema de evaluación cuantitativa de los beneficios de producción de RAS, que cubre tres dimensiones: beneficio de producción, beneficio de calidad y beneficio de tiempo. Según el análisis de datos de diez bases RAS-a gran escala, el índice integral de beneficios de producción del sistema alcanzó 0,85, una mejora del 56 % con respecto a los modelos culturales tradicionales.
La evaluación de los beneficios del resultado también considera el valor-agregado de la mejora de la calidad del producto. Los productos acuáticos de RAS mostraron mejoras significativas en indicadores sensoriales como la textura de la carne y el contenido de grasa intramuscular en comparación con el cultivo tradicional, logrando una tasa de prima de mercado del 15% al 20%. En términos de beneficio de calidad, la alimentación precisa y el control ambiental en el sistema dieron como resultado un tamaño de producto más uniforme y un aumento notable en la tarifa del producto premium. Durante las últimas etapas de la cultura, la uniformidad del tamaño del producto alcanzó más del 92 %, lo que facilitó el procesamiento estandarizado y las ventas a gran-escala.
3.2 Evaluación del consumo de recursos
Se utilizó un método de Evaluación del Ciclo de Vida (LCA) para cuantificar el consumo de recursos durante la operación del sistema. Los indicadores clave de evaluación incluyeron el consumo de agua dulce, el consumo de electricidad y el aporte de alimento (los datos se muestran enTabla 3).
El análisis de eficiencia en la utilización de recursos mostró que el sistema logra una alta eficiencia y conservación de recursos a través de tecnologías de tratamiento y reciclaje de agua, observándose los ahorros más significativos en los recursos de agua y tierra. Los resultados de la evaluación de impacto ambiental indicaron que la intensidad de las emisiones de carbono del sistema era un 52% menor que la de la cultura tradicional.
Las ventajas del sistema en la conservación de recursos también son evidentes en la mejora de la eficiencia en la utilización del alimento. El uso de sistemas de alimentación inteligentes combinados con datos de monitoreo de la calidad del agua permitió una alimentación cuantitativa y precisa, lo que redujo significativamente el desperdicio de alimento. Las investigaciones indican que la tasa de conversión alimenticia en RAS mejora entre un 25% y un 30% en comparación con el cultivo tradicional. En cuanto a la utilización de recursos humanos, a través de la automatización y el monitoreo inteligente, las horas de trabajo por tonelada de producto disminuyeron de 0,48 h en el cultivo tradicional a 0,15 h, lo que redujo sustancialmente la mano de obra y al mismo tiempo mejoró el ambiente de trabajo.
3.3 Análisis de viabilidad económica
La viabilidad económica se evaluó utilizando los métodos del valor actual neto (VAN) y del período de recuperación. La inversión inicial incluye ingeniería civil, compra, instalación y puesta en marcha de equipos. Los costos operativos incluyen energía, mano de obra, alimentación y mantenimiento. Las fuentes de ingresos incluyen las ventas de productos acuáticos y los beneficios del ahorro de recursos hídricos.
CE= Σ [ (Ct - Ot) / (1 + r)^t ] - I0
Dónde:
VAN=Valor actual neto (10 000 CNY)
I0=Inversión inicial (10 000 CNY)
Ct=Entrada de efectivo en el año t (10.000 CNY/año)
Ot=Salida de efectivo en el año t (10.000 CNY/año)
r=Tasa de descuento (%)
t=Periodo de cálculo (años)
Calculado para una escala de producción anual de 500 toneladas, el sistema requiere una inversión inicial de 8,5 millones de CNY, costos operativos anuales de 4,2 millones de CNY e ingresos por ventas anuales de 7,5 millones de CNY. Utilizando una tasa de descuento de referencia del 8%, el período de recuperación es de 3,2 años y la Tasa Interna de Retorno Financiero (TIR) es del 28,5%. El análisis de sensibilidad muestra que el proyecto mantiene una buena resistencia al riesgo incluso con fluctuaciones del precio del producto de ±20%.
4. Conclusión
Los sistemas de recirculación de acuicultura (RAS) superan significativamente a los modelos de cultivo tradicionales en términos de control del medio ambiente acuático, rendimiento del crecimiento biológico y eficiencia operativa del equipo. Las investigaciones futuras deberían centrarse en mejorar los niveles de inteligencia del sistema, optimizar la eficiencia operativa de los equipos y explorar modelos para la promoción a gran-escala para mejorar aún más los beneficios integrales de la acuicultura con recirculación.