Commerciële aquacultuur vereist een continue zuurstofoverdracht omdat vissen en garnalen opgeloste zuurstof verbruiken, terwijl biologische filtratie, organische afbraak en andere processen ook zuurstof verbruiken. De zuurstofbehoefte verandert afhankelijk van de biomassa, de bezettingsdichtheid, de watertemperatuur, de voeractiviteit en de nachtelijke omstandigheden. APSA-zuurstofsysteemvoldoet aan deze eis door zuurstof te scheiden van perslucht en met zuurstof verrijkt gas te leveren aan vijvers, tanks, zuurstofkegels of recirculerende aquacultuursystemen.
PSA-zuurstofgeneratie maakt gebruik van adsorptievaten gevuld met moleculaire zeef. Een compressor levert gefilterde en gedroogde lucht aan de adsorptiebedden, waar de moleculaire zeef bij voorkeur stikstof adsorbeert. Zuurstofrijk gas gaat naar een zuurstofontvanger en komt vervolgens in het oxygenatiesysteem aan de waterzijde terecht. De adsorptiebedden wisselen af tussen drukverhoging en regeneratie om de gasproductie op peil te houden.
Zuurstofproductie op locatie verandert de aanbodstructuur
Een commerciële boerderij die zuurstofcilinders of vloeibare zuurstof gebruikt, is afhankelijk van een externe toeleveringsketen: gasproductie, transport, opslag en levering aan de boerderij. Een PSA-installatie verplaatst het zuurstofproductieproces naar de boerderij.
Het basisproces is:
Omgevingslucht → compressor → luchtbehandeling → PSA-adsorptie → zuurstofontvanger → zuurstofdistributie → wateroxygenatie
Het systeem heeft dus meer nodig dan een adsorptie-eenheid. De compressor moet voor de benodigde toevoerluchtstroom zorgen, filters en drogers moeten verontreinigingen en vocht verwijderen en de zuurstofontvanger moet het gas bufferen voordat het het distributienetwerk bereikt.
Voor boerderijen die in afgelegen gebieden opereren of een continue zuurstoftoevoer nodig hebben, moet bij de inkoopberekening rekening worden gehouden met het elektriciteitsverbruik, het onderhoud, de reserveonderdelen en de kosten voor het transport van extern geleverde zuurstof.
Hogere zuurstofconcentratie vermindert het gasvolume dat nodig is voor zuurstofoverdracht
Atmosferische lucht bevat ongeveer 21% zuurstof. Conventionele beluchtingsapparatuur moet een grote hoeveelheid lucht door het water bewegen om de benodigde hoeveelheid zuurstof over te brengen.
Een PSA-generator scheidt stikstof uit perslucht en produceert met zuurstof verrijkt gas. NEWTEK's gepubliceerde aquacultuurconfiguraties omvatten een zuurstofzuiverheidsbereik van ongeveer 90% tot 99,5%, afhankelijk van de configuratie, met standaardPSA-zuurstofsystemen gewoonlijk gespecificeerd rond 93% ± 3%.
De hogere zuurstofconcentratie verandert het overdrachtsproces aan de waterzijde. In plaats van zuurstof over te brengen uit een grote hoeveelheid atmosferische lucht, ontvangt de diffusor of zuurstofkegel een gasstroom met een hogere zuurstofconcentratie.
De daadwerkelijke overdracht is afhankelijk van:
- Gasstroomsnelheid
- Waterdiepte
- Diameter van de bel
- Watertemperatuur
- Contacttijd
- Bedrijfsdruk
- Diffusor- of zuurstofkegelstructuur
Daarom moet de PSA-output worden geëvalueerd samen met de zuurstofoverdrachtapparatuur en niet als een geïsoleerde gasspecificatie.
PSA-zuurstof kan aquacultuursystemen met hoge dichtheid leveren
Naarmate de bezettingsdichtheid toeneemt, wordt ook de zuurstofbehoefte per eenheid watervolume een kritische ontwerpparameter. Vissen en garnalen verbruiken continu zuurstof, terwijl de beschikbaarheid van zuurstof snel kan afnemen als de beluchtingscapaciteit niet overeenkomt met de biologische vraag.
Een PSA-systeem kan zuurstof toevoeren aan:
- Intensieve visvijvers
- Garnalenvijvers
- Broederijtanks
- Recirculerende aquacultuursystemen
- Cultuurtanks voor binnen
- Tanks voor levende vissen
In een RAS-installatie doorloopt het water bijvoorbeeld mechanische filtratie en biologische behandeling voordat het terugkeert naar de kweektank. Zuurstof kan stroomafwaarts worden geïnjecteerd via een zuurstofkegel of diffusor voordat het behandelde water terugkeert naar de aquariums.
De zuurstofgenerator wordt daarom onderdeel van de waterbehandelingslus:
Cultuurtank → filtratie → biologische behandeling → oxygenatie → kweektank
De zuurstofproductie kan worden afgestemd op de werkelijke vraag op het landbouwbedrijf
De PSA-capaciteit moet worden berekend op basis van het zuurstofverbruik en niet alleen op basis van het vijveroppervlak.
De belangrijkste inputs zijn onder meer:
| Ontwerpparameter | Technische functie |
|---|---|
| Biomassa | Bepaalt het biologische zuurstofverbruik |
| Bezettingsdichtheid | Bepaalt het zuurstofverbruik per eenheid watervolume |
| Watertemperatuur | Verandert de zuurstofoplosbaarheid en de metabolische vraag |
| Doel DOEN | Definieert de vereiste toestand van opgeloste zuurstof |
| Piekvraag | Bepaalt het maximale generatorvermogen |
| Efficiëntie van zuurstofoverdracht | Bepaalt hoeveel gegenereerde zuurstof het water binnenkomt |
| Bedrijfsuren | Bepaalt de dagelijkse zuurstofproductie |
| Toekomstige biomassa | Bepaalt de uitbreidingsvereisten |
Als een boerderij bijvoorbeeld 30 Nm³/u zuurstof nodig heeft die het water binnenkomt, maar het zuurstofoverdrachtsysteem slechts 75% van de toegevoerde zuurstof overdraagt, moet de generator meer dan 30 Nm³/u leveren.
Een vereenvoudigde ontwerprelatie is:
Vereiste zuurstofproductie=vereiste zuurstofoverdracht ÷ overdrachtsefficiëntie
Bij de berekening moet gebruik worden gemaakt van gemeten of door de leverancier gespecificeerde overdrachtsprestaties in plaats van aan te nemen dat alle zuurstof die de PSA-generator verlaat, in het water terechtkomt.
Sensoren voor opgeloste zuurstof kunnen de zuurstoftoevoer regelen
PSA-zuurstofproductie wordt nuttiger wanneer deze wordt gekoppeld aan monitoring van opgeloste zuurstof.
Een sensor voor opgeloste zuurstof meet het werkelijke DO-niveau in het kweekwater. Het signaal kan een PLC binnenkomen, die een zuurstofklep, zuurstofstroomsnelheid of extra PSA-capaciteit regelt volgens vooraf gedefinieerde bedrijfslimieten.
De regellus kan als volgt worden gestructureerd:
DO-sensor → PLC → zuurstofstroomregeling → diffusor/zuurstofkegel → kweekwater
Wanneer DO onder het geconfigureerde bereik daalt, kan het besturingssysteem de zuurstoftoevoer verhogen. Wanneer DO terugkeert naar het vereiste bereik, kan het systeem de zuurstofstroom verminderen.
De PSA-systemen van NEWTEK omvatten zuurstofsensoren, druksensoren, automatische besturing en industriële communicatie-interfaces zoals Modbus, Profibus en Ethernet.
Dankzij deze opstelling kan het zuurstofsysteem reageren op meetbare wateromstandigheden in plaats van de generator gedurende de gehele productiecyclus op maximaal vermogen te laten draaien.
Zuurstofbufferopslag scheidt de opwekking van vraagfluctuaties
De PSA-adsorptiecyclus en de zuurstofbehoefte van het bedrijf veranderen niet noodzakelijkerwijs in hetzelfde tempo. Een buffertank kan deze twee bedrijfsomstandigheden scheiden.
De PSA-generator vult de zuurstofontvanger, terwijl het stroomafwaartse oxygenatiesysteem gas aanzuigt op basis van de vraag aan de waterzijde. De ontvanger vangt daardoor kortetermijnverschillen tussen zuurstofproductie en -verbruik op.
Het benodigde tankvolume is afhankelijk van:
- PSA-zuurstofproductie
- Zuurstofbehoefte
- Bedrijfsdruk
- Piekstroom
- Drukbereik
- Vereiste reservetijd
Een te kleine ontvanger kan snelle drukveranderingen veroorzaken wanneer meerdere kweektanks tegelijkertijd zuurstof nodig hebben. Een te grote ontvanger verhoogt het volume van de apparatuur en de kapitaalkosten zonder de capaciteit voor het genereren van zuurstof te vergroten.
PSA-zuurstof kan samen met mechanische beluchting werken
PSA-zuurstof vervangt niet noodzakelijkerwijs mechanische beluchters.
Mechanische beluchters verplaatsen water en atmosferische lucht, terwijl PSA-apparatuur met zuurstof verrijkt gas levert. De twee systemen kunnen verschillende functies vervullen binnen dezelfde vijver of tank.
Een gecombineerd arrangement kan gebruik maken van:
Mechanische beluchter → watercirculatie
PSA-zuurstof → geconcentreerde zuurstoftoevoer
DO-sensor → stuursignaal
Dankzij deze configuratie kan de mechanische apparatuur de waterbeweging in stand houden, terwijl het PSA-systeem extra zuurstof levert wanneer de biologische vraag de zuurstofbijdrage van normale beluchting overschrijdt.
De juiste opstelling is afhankelijk van de vijverdiepte, het watercirculatiepatroon, de biomassa, de locatie van de diffusor en de vereiste DO.
PSA-zuurstof ondersteunt RAS-oxygenatie
RAS-faciliteiten circuleren continu water door middel van filtratie en biologische behandeling. Nitrificerende bacteriën in biofilters verbruiken zuurstof terwijl ze ammoniak en nitriet omzetten, waardoor er buiten de aquariums zelf zuurstof nodig is.
Een typisch RAS-oxygenatieproces kan het volgende omvatten:
- Cultuurwater verlaat de tank.
- Mechanische filtratie verwijdert zwevende vaste stoffen.
- Biofiltratie zet stikstofverbindingen om.
- Zuurstof wordt geïnjecteerd via een diffusor of zuurstofkegel.
- Zuurstofrijk water keert terug naar de kweektanks.
De PSA-generator moet daarom voldoende zuurstof leveren voor zowel het biologische als het aquatische zuurstofverbruik.
Het zuurstofinjectiepunt moet worden geselecteerd op basis van de waterdruk, de stroomsnelheid, de contacttijd en de zuurstofoverdrachtapparatuur. Het simpelweg verhogen van de PSA-gasproductie garandeert geen proportionele toename van opgeloste zuurstof als het overdrachtsapparaat aan de waterzijde zijn overdrachtslimiet heeft bereikt.
Automatische monitoring kan storingen in het zuurstofsysteem identificeren
Een commercieel zuurstofsysteem voor aquacultuur moet zowel de omstandigheden aan de gaszijde als aan de waterzijde monitoren.
| Parameter | Wat het aangeeft |
|---|---|
| Opgeloste zuurstof | Actuele zuurstoftoestand in kweekwater |
| Zuurstofzuiverheid | PSA-scheidingstoestand |
| Zuurstof stroom | Gaslevering aan het water |
| PSA-druk | Bedrijfstoestand van het adsorptiesysteem |
| Compressordruk | Beschikbaarheid van toevoerlucht |
| Watertemperatuur | Veranderingen in de zuurstofoplosbaarheid en de biologische vraag |
| Alarmstatus |
Een dalende zuurstofzuiverheid kan bijvoorbeeld wijzen op verontreiniging van de moleculaire zeef, problemen met het schakelen van kleppen, een overmatige vraag of problemen met de toevoerlucht. Een dalende zuurstofdruk kan duiden op beperkingen van de compressorcapaciteit, filterverstopping, klepproblemen of overmatige stroomafwaartse stroming.
Het besturingssysteem moet deze signalen gebruiken om alarmen te genereren en abnormale apparatuur te isoleren, in plaats van uitsluitend te vertrouwen op handmatige inspectie.
PSA-zuurstof en conventionele beluchting: structureel verschil
Bij conventionele beluchting wordt atmosferische lucht rechtstreeks in het water gebracht. De zuurstoftoevoer wordt daarom beperkt door de zuurstofconcentratie in de atmosferische lucht en het overdrachtsrendement van de beluchter.
PSA-zuurstof scheidt zuurstof van de lucht voordat het gas het waterzijdige systeem binnendringt.
| Factor | Conventionele beluchting | PSA-zuurstofsysteem |
|---|---|---|
| Gas geleverd | Atmosferische lucht | Met zuurstof verrijkt gas |
| Belangrijkste scheidingsapparatuur | Geen | Adsorptievaten met moleculaire zeef |
| Luchttoevoer | Blower/beluchter | Luchtcompressor |
| Zuurstofcontrole | Werking luchtstroom en beluchter | Zuurstofstroom, zuiverheid en DO-controle |
| Waterzijdige uitrusting | Schoepenwiel, ventilator of diffuser | Zuurstofdiffusor, zuurstofkegel of soortgelijke apparatuur |
| Hoofdonderhoud | Beluchter, motor, lagers, diffuser | Compressor, filters, kleppen, analysator, moleculaire zeef |
| Systeemintegratie | Directe lucht-watermenging | PSA + ontvanger + zuurstofverdeling + wateroxygenatie |
Voor aquacultuur met hoge dichtheid kan PSA-zuurstof de mechanische beluchting aanvullen wanneer de zuurstofbehoefte groter is dan wat beluchting door atmosferische lucht kan overbrengen. De juiste configuratie is afhankelijk van de biomassa, het watervolume, de temperatuur, het DO-doel, de efficiëntie van de zuurstofoverdracht en het bedrijfsschema.
Over NEWTEK
NEWTEKontwikkelt op locatiePSA-zuurstofen stikstofgeneratiesystemen. Het PSA-zuurstofproces maakt gebruik van zeoliet-moleculaire zeefadsorptie, waarbij gecomprimeerde en gezuiverde lucht de adsorptievaten binnendringt, stikstof bij voorkeur wordt geadsorbeerd en zuurstofrijk gas het adsorptiebed verlaat.
De systeemconfiguratie omvat luchtzuivering, adsorptievaten, druksensoren, zuurstofsensoren, automatische regeling, gasleidingen en communicatie-interfaces. NEWTEK's gepubliceerde PSA-zuurstofspecificaties omvatten productiecapaciteiten van 1–300 Nm³/h, zuurstofzuiverheid van 93% ± 3% en zuurstofuitlaatdruk van 0,01–0,5 MPa, afhankelijk van de configuratie.
Voor commerciële aquacultuur kan het PSA-systeem worden aangesloten op zuurstofontvangers, zuurstofkegels, diffusers, sensoren voor opgeloste zuurstof en waterbehandelingsapparatuur. De uiteindelijke capaciteit moet worden berekend op basis van biomassa, watertemperatuur, beoogde DO, piekzuurstofbehoefte, zuurstofoverdrachtsefficiëntie en geplande productie-uitbreiding, in plaats van alleen op basis van het vijveroppervlak.
