Iluminación led para mejorar la producción en cultivos intensivos de tilapia y monitorear sólidos suspendidos en sistemas acuícolas con tecnología biofloc

Abstract

El uso de nuevas tecnologías como la iluminación LED (Light Emitting Diode) y la tecnología biofloc (BFT) permiten mejorar la eficiencia y la sostenibilidad en la producción acuícola. Los sistemas acuícolas con BFT no requieren intercambio de agua, por lo cual, los residuos orgánicos se acumulan y degradan en el estanque, lo que genera condiciones ideales para la formación de comunidades microbianas, llamadas bioflocs. Los bioflocs, son conglomerados de microbios, algas, protozoos, detritus y partículas orgánicas, que al ser alimentados con carbohidratos (azúcar, almidón, melaza, harina de yuca, etc.) se ven forzados a tomar el nitrógeno inorgánico presente en el agua del tanque para poder producir la proteína requerida para su crecimiento y multiplicación celular, lo que a su vez mejora la calidad del agua. Posteriormente, estos bioflocs, si se mantienen en suspensión en el agua, sirven como alimento para los peces, complementando así la alimentación y reduciendo a su vez la compra de alimentos comerciales. Además, con el desarrollo de nuevas tecnologías como la iluminación LED se puede mejorar la producción en sistemas acuícolas. Los LEDs son fuentes de luz de alta eficiencia en la conversión de energía, vida de larga duración, baja emisión de calor, bajo consumo eléctrico, intensidad de luz ajustable, robustos, y resistentes al medio ambiente. A su vez, las lámparas LED de colores permiten obtener iluminaciones con longitudes de ondas específicas. Es por esto, que en esta investigación se propone la implementación de sistemas de iluminación LED en sistemas intensivos de tilapia con BFT con el propósito de mejorar la producción, el crecimiento y la composición nutricional de las tilapias, y de los bioflocs como fuente de alimento para las tilapias. Además, con el propósito de monitorear la concentración de biofloc, en esta tesis también se propone un nuevo método para monitorear la turbidez y los sólidos suspendidos totales (TSS). Por esta razón, la tesis se divide en dos fases: la primera fase evalúa el efecto de la longitud de onda (color) en el crecimiento y la composición nutricional de la tilapia, y también el efecto de la luz de color en los bioflocs como fuente de alimento para los peces. Esta etapa fue realizada a través de un experimento piloto con alevines de tilapia de 0.242g. La experimentación duro 73 días, y en esta, tres tanques fueron iluminados con luz natural (luz proveniente del sol) y lámparas LED cuyas longitudes de onda (𝜆) fueron 627.27 nm para luz roja, 513.33 nm para luz verde, y 451.67 nm para la luz azul. La intensidad de luz utilizada en las tres lámparas fue de 0.832 𝑚𝑊 𝑐𝑚2 ⁄ , y el régimen de luz utilizado (fotoperiodo) 4 fue de 18 horas de luz y 6 horas de oscuridad. También, un cuarto tanque fue utilizado como tanque de control o tanque testigo, y estuvo solo iluminado con luz proveniente del sol (luz natural). Los resultados obtenidos en esta fase mostraron un efecto significativo de la longitud de onda sobre el crecimiento de las tilapias, y la composición nutricional de las tilapias y los bioflocs. Por su parte, la segunda fase de esta investigación se centró en monitorear la concentración de biofloc en el agua. En específico, se desarrolló una nueva técnica de medición de sólidos suspendidos y turbidez, a través de un sistema de iluminación LED, un teléfono celular, y el uso de redes neuronales convolucionales. En esta fase, se implementó una red convolucional con arquitectura AlexNet (modelo pre-entrenado) y una regresión lineal múltiple (MLR) para estimar valores de TSS y turbidez, basándose en las partículas suspendidas de una muestra liquida. Para esto, la muestra fue iluminada con luz LED blanca, roja, verde y azul, con el fin de evaluar con que color de luz la red neuronal obtenía una mayor precisión para estimar el número total de partículas suspendidas. Los resultados obtenidos en esta fase muestran un método de medición de alta precisión, y en el cual se reduce la intervención humana y los costos para realizar mediciones de TSS y turbidez. Este sistema fue diseñado para monitorear en un futuro la concentración de biofloc en la acuicultura, y probado mediante el monitoreo de la concentración de alimento para peces en el agua. Sin embargo, con adaptaciones adecuadas, el método podría ser utilizado en otras áreas donde se requiera evaluar la calidad del agua potable, la calidad del agua utilizada para el consumo humano, la evaluación de aguas con residuos industriales, etc.