LAZARRAGA MUÑOZ, Rodrigo (Paseo del vigía, 1445Puerto Varas, 03, 55511, CL)
| REIVINDICACIONES 1. Sistema portátil de generación de oxígeno in situ e inyección de oxígeno en niveles industriales para jaulas de peces en el mar, que comprende una plataforma flotante, tipo pontón, con una flotabilidad de por lo menos 50 toneladas y es capaz de ser remolcado en mar abierto, donde en su interior posee este sistema que genera oxígeno al 93 - 95% de pureza, y comprende un sistema generador y de distribución de electricidad, el cual provee energía eléctrica a los componentes de este sistema generador de oxígeno, donde este último comprende básicamente medios generadores de aire a presión, medios generadores de oxígeno a presión, medios de compresión y acumulación de oxígeno de alta presión y medios de control del sistema de generación de oxígeno. 2. El sistema portátil de la reivindicación 1 , donde el sistema generador y distribuidor de electricidad comprende medios acumuladores de combustible, preferentemente diesel, proveniente de estanques de almacenamiento ubicados al interior del pontón que permite el funcionamiento del sistema de generación e inyección de oxígeno in situ por períodos extendidos de tiempo. 3. El sistema portátil de la reivindicación 1 , donde los medios generadores de aire a presión, comprenden esencialmente medios compresores, que en una realización preferida es un compresor recíproco que genera un flujo de aire a una presión de alrededor de 620,5 - 792,9 KPa (90 - 1 15 psi); medios secadores, los cuales por enfriado extraen el agua que puede venir en el aire comprimido; medios filtrantes, que en una realización preferida, comprenden 2 filtros y una trampa centrifuga que eliminan las partículas en suspensión, las gotas de aceite que puede arrastrarse del compresor y finalmente las gotas de agua que salen del compresor como complemento a la acción del secador; y medios acumuladores de aire que sirven para actuar como amortiguador de las fluctuaciones de presión que se producen, dado que el proceso de generación de oxígeno tiene un consumo de aire que no es estable en el tiempo. El sistema portátil de la reivindicación 1 , donde los medios generadores de oxígeno a presión comprenden esencialmente un sistema denominado "Generator por Pressure Swing Adsorption", que toma aire a presión y lo pasa a una cama de tamiz molecular que contiene un adsorbente especifico para el nitrógeno, por lo que a la salida de dicha cama hay un flujo enriquecido de oxígeno al 93 - 95%, y un acumulador de oxígeno en baja presión. El sistema portátil de la reivindicación 1 , donde los medios de compresión y acumulación de oxígeno de alta presión comprenden esencialmente un compresor de pistón de oxígeno y un acumulador de alta presión de oxígeno que almacena grandes cantidades de oxígeno en forma gaseosa lo que evita perdidas por evaporación. El sistema portátil de la reivindicación 1 , donde los medios de control del sistema de generación de oxígeno comprende un tablero manual de equipos, un PLC, medios de recepción de señales de oxígeno disuelto, un computador con HMI, un programa computacional con algoritmos de control y un tablero manual de válvulas. |
CAMPO DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención pretende mejorar los rendimientos productivos en el ciclo de los peces, más específicamente a un sistema portátil de generación e inyección de oxígeno en niveles industriales para jaulas de peces en el mar, orientado principalmente a la industria acuícola, centros de acopio, entre otros.
DESCRIPCIÓN DEL ARTE PREVIO
El oxígeno del agua de mar se deriva en su mayor parte del aire, por lo que va acompañado de los gases que integran normalmente dicha mezcla. Como el oxígeno es más soluble en el agua que el nitrógeno, se encuentra en mayor proporción que en el aire. El volumen del oxígeno en el agua de mar es aproximadamente de 25 a 30 veces inferior al volumen del mismo elemento en el aire.
El oxígeno se disuelve en el agua por simple absorción, la que se acentúa por el oleaje que remueve el agua y pone nuevas capas en contacto con el aire, lo que favorece el proceso de difusión. Por lo tanto la oxigenación del agua está en directa relación con la agitación del mar. También la riqueza del oxígeno está relacionada con la salinidad, a mayor salinidad corresponde menor cantidad de oxígeno.
Otro factor que influye en la absorción del oxígeno por el agua es la temperatura. Por esta causa en los mares abiertos la riqueza del oxígeno decrece desde los polos al ecuador
El oxígeno es el elemento fundamental para la vida, requerido por peces y plantas para llevar a cabo procesos vitales como la oxidación de las proteínas, hidratos de carbono y grasas. Esto permite que la desintegración de dichas sustancias genere una consecuente liberación de energía empleada para las funciones vitales de los seres. Si el nivel de oxígeno no es suficiente para el ecosistema, las plantas desdoblarán la fructosa y la glucosa en anhídrido carbónico y alcohol, o sea que en poco tiempo, sus células morirán.
Siempre que el ecosistema demande más oxígeno del que el intercambio superficial pueda aportar, se necesita aportar oxígeno por medios externos o artificiales.
El oxígeno, alimentación y el agua son tres parámetros fundamentales en la piscicultura. En particular, la disponibilidad de O 2 en el agua tiene un efecto directo en el rendimiento de los cultivos. Las tendencias hacia altas densidades de peces resultarán en concentraciones adecuadas de O 2 disuelto en el agua necesarias para el desarrollo de los peces. La inyección de O 2 tiene como objetivo principal incrementar el nivel de oxígeno disuelto en los estanques de cultivo de peces. Su concentración determinará, en la mayoría de las veces, el rendimiento de la producción. Los mayores beneficios se ven reflejados en el aumento de la tasa de conversión alimenticia, brindando un uso más eficiente del alimento, mejora el crecimiento de los peces y les brinda una mayor resistencia ante organismos patógenos, reduce el stress y la mortalidad y optimiza el uso de las instalaciones alcanzando mayores densidades.
Todo lo anterior, fuerza a disponer de sistemas generadores de oxígeno capaces de inyectar dicho gas en el agua de mar para optimizar la crianza de peces, como los salmones, por ejemplo. Es sabido que durante el ciclo productivo de los peces existe alta mortalidad asociada a bajas de oxígeno, especialmente durante el verano debido a diferentes factores como los blooms de algas, corrientes anóxicas, biomasa de la jaula, etc. muchos de estos problemas son indetectables debido a que las bajas ocurren durante la noche.
Actualmente una baja de OD (demanda de oxígeno por sus siglas en inglés), se evidencia como eventos puntuales, ya que no se utilizan sistemas de monitoreo constante y en línea de OD en las jaulas de cultivo, y se solucionan, estos eventos puntuales, trasladando cilindros o termos contenedores de oxígeno, que desde el punto de vista logístico es poco operacional cuando los centros se encuentran muy alejados, además, la cantidad de 0 2 a ser trasladado no es una cantidad industrial que pueda solucionar problemas a gran escala.
Una solución alternativa se puede encontrar en los documentos de patentes como el documento FR 2735463, del titular SPIE CITRA ILE DE FRANCE, titulado "Independent or semi-independent water oxygenation system", que describe un pontón con compresores de aire que alimentan unos difusores micro cerámicos que están suspendidos en el agua por cables. Sin embargo, este documento es un sistema para producir aire que inyectan al agua. Aquí hay claramente una diferencia sustantativa ya que al inyectar aire que tiene 20% de oxígeno y no un flujo de oxígeno al 93%, además solo posee contenedores de aire y no un sistema de generación de oxígeno como en el caso de la presente invención, donde se provee un sistema de generación e inyección de oxígeno que está montado sobre un pontón que comprende un galpón, que en su interior contiene medios de acumulación de diesel, medios para comprimir aire, medios para secar el aire, medios filtradores, medios de generación de electricidad, medios generadores de oxígeno, medios de acumulación: de alta presión diseñado para contener el oxígeno, y medios compresores de alta presión especiales para el aire, que funcionan en forma sincronizada por medio de un sistema de control interno que permite tomar decisiones de cuanto producir, almacenar e inyectar oxígeno. El documento de patente ¡ US 4,906,359, del titular COX JR BERTHOLD V, titulado "Solar activated water aeration station" que describe una estación de aireación de agua para inyectar aire a una determinada profundidad. Esta estación incluye una plataforma flotante y paneles solares, los cuales están para dar energía a un motor y una bomba, además, tiene medios para proporcionar una inclinación apropiada para aprovechar al máximo la energía solar. Sin embargo, los sistemas de paneles solares tienen una limitación natural que les impide escalar el diseño a una escala industrial. Un cálculo conservador indicaría que para el requerimiento de paneles solares para un sistema como el de la presente invención sería del orden de 2.000 m 2 de paneles con cientos de baterías. Las baterías no están consideras en ambos caso y solo alimentan en horas diurnas. Además, este sistema, como el anterior, es solo para producir aire que inyectan al agua.
La patente JP 56073528, del titular MIYAKE TAKAMURA, titulado "Oxygen supply device used in fish farm or the like", que describe un sistema de inyección de oxígeno a través de difusores cilindricos que comprenden una pluralidad de agujeros estrechos. Sin embargo, el oxígeno es conectado a un compresor de aire y no se describe un sistema de generación de oxígeno montado sobre un pontón.
I
El sistema de oxigenación e inyección de oxígeno de la presente invención, se diferencia de lo existente en el mercado por su capacidad de generación de OD in situ, además posee la característica de inyectar en forma continua sin tener mayores problemas logísticos en cantidades industriales.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La figura 1 muestra un esquema en bloques del sistema de la presente invención.
La figura 2 muestra una vista en planta del sistema de la presente invención con todos los equipos que componen el sistema y una modalidad de distribución. La figura 3 muestra un esquema de la disposición de la presente invención respecto a la distribución de conexión de jaulas de peces en el mar. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
El sistema (100) de generación e inyección de oxígeno in situ, se dispone sobre una plataforma flotante, denominada pontón, con paredes laterales y techo, para albergar en su interior el sistema (100) de la presente invención. Este pontón tiene una flotabilidad de por lo menos 50 toneladas y es capaz de ser remolcado en mar abierto.
El sistema (100) de generación e inyección de oxígeno, el cual genera oxígeno al 93 - 95% de pureza, comprende un sistema generador y de distribución de electricidad, el cual provee energía eléctrica a los componentes de este sistema generador de oxígeno, donde este último comprende básicamente medios generadores de aire a presión, medios generadores de oxígeno a presión, medios de compresión y acumulación de oxígeno de alta presión y medios de control del sistema de generación de oxígeno.
El generador y distribuidor de electricidad comprende medios acumuladores de combustible, preferentemente diesel, proveniente de estanques de almacenamiento (302) ubicados al interior del pontón que permite el funcionamiento del sistema (100) de generación e inyección de oxígeno por períodos extendidos de tiempo. Este estanque de almacenamiento (302) considera por lo menos 15.000 litros de capacidad, medidor de nivel y una(s) bomba(s) para entregar el diesel a los grupos electrógenos. El sistema de distribución de electricidad considera un tablero de fuerza (201 ) y tablero de conmutación (202) para distribuir la energía producida por el sistema de generación a la línea de producción de oxígeno. Mientras que el sistema electrónico contiene las protecciones y sistema de distribución para el manejo y encendido de toda la electrónica de control. Además, comprende un banco de batería (203) y UPS (204) con capacidad para mantener los sistemas electrofónicos de control funcionando por 24 horas y con un nivel óptimo y regulado de voltaje y frecuencia. Los medios generadores de aire a presión, comprenden esencialmente medios compresores (102), que en una realización preferida es un compresor recíproco que genera un flujo de aire a una presión de alrededor de 620,5 - 792,9 KPa (90 - 115 psi); medios secadores (103), los cuales por enfriado extraen el agua que puede venir en el aire comprimido; medios filtrantes (104), que en una realización preferida, comprenden 2 filtros y una trampa centrifuga que eliminan las partículas en suspensión, las gotas de aceite que puede arrastrarse del compresor y finalmente las gotas de agua que salen de) compresor como complemento a la acción del secador; y medios acumuladores (105) de aire que sirven para actuar como amortiguador de las fluctuaciones de presión que se producen, dado que el proceso de generación de oxígeno tiene un consumo de aire que no es estable en el tiempo.
Los medios generadores de oxígeno a presión comprenden esencialmente un sistema denominado "Generator por Pressure Swing Adsorption" (106) y un acumulador de oxígeno en baja presión (107). El sistema "Generator por Pressure Swing Adsorption" (106), toma aire a presión y lo pasa a una cama de tamiz molecular que contiene un adsorbente especifico para el nitrógeno, por lo que a la salida de dicha cama hay un flujo enriquecido de oxígeno al 93 - 95%. Al saturarse la primera cama se cierra el paso de aire de ésta y se empieza a llenar la segunda cama con un proceso idéntico al primero. La primera cama luego empieza a botar el nitrógeno adsorbido por el sustrato a la atmosfera. Este proceso es controlado por un PLC interno del equipo. Mientras que, a la salida de la generación de oxígeno, existe un acumulador (o estanques) de oxígeno a baja presión, con el propósito de amortiguar la presión de la salida del proceso y así garantizar la pureza del proceso. Estos estanques operan en un rango de alrededor de 344,7 - 413,7 KPa (50 - 60 psi).
Los medios de compresión y acumulación de oxígeno de alta presión comprenden esencialmente un compresor de pistón de oxígeno (108) y un acumulador de alta presión de oxígeno (109). El compresor de pistón de oxígeno (108) no utiliza aceite en su compresión, que una parte del oxígeno producido lo
I comprime para almacenar en el acumulador de alta presión (109). El acumulador de alta presión de oxígeno (109) almacena grandes cantidades de oxígeno en forma gaseosa lo que evita perdidas por evaporación. Los medios de control del sistema de generación de oxígeno comprende un tablero manual de equipos (205), un PLC (206), medios de recepción de señales de oxígeno disuelto (207), un computador (208) con HMI, software (209) y algoritmos de control (210) y un tablero manual de válvulas (211 ). El tablero manual de equipos (205) permite accionar en forma individual y manual cada uno de los equipos del sistema mediante una botonera de encendido. Considera además indicadores visuales de encendido, botones de emergencia e indicadores de fases eléctricas. El PLC (206) almacena los algoritmos de control y opera en forma automática constantemente tomando decisiones en bases a las mediciones de los sensores de oxigeno disuelto y estados de los equipos para determinar si se debe encender o apagar los equipos, válvula etc. La recepción de las señales de oxígeno disuelto se recibe por forma inalámbrica, las cuales son medidas por sensores de oxigenación, que en una realización preferida, los sensores son ópticos.
El computador (208) con HMI sirve de interfaz para el usuario mostrando en una forma gráfica toda la información relevante del estado de los equipos, tales como encendido o apagado, válvulas abiertas o cerradas, niveles de oxígeno en el agua, flujo de oxígeno etc. Este puede modificar parámetros de operación que influyen en la decisión adoptada por el sistema de control o derechamente operar el sistema en forma manual a través del sistema de computación. De contar con la necesaria conectividad (internet), esta interfaz puede operar en forma remota (no necesitando estar en el pontón) logrando que se pueda operar y monitorear desde cualquier lugar.
El software (209) y algoritmos de control (210) están almacenados en el PLC (206), desarrollados exclusivamente para esta aplicación de acuerdo a las necesidades y mejores prácticas establecidas en terreno. Estos algoritmos incluyen a modo de ejemplo: Control PID de los niveles de oxígeno disuelto en la jaula; Rutina de carga de baterías inteligente; Considerar tiempos de partidas de equipos que optimicen la vida útil de dichos equipos; Toma de decisiones en frecuencia de tiempo en línea con el proceso a controlar y los equipos a utilizar; Uso inteligente del sistema de acumulación de oxigeno tales como usarlo como buffer para optimizar uso energético, usarlo en caso de emergencia mecánica, usarlo en caso de sobre consumo por parte de la biomasa de peces.
Dependiendo de las constante del controlador PID asignadas el sistema considera el error proporcional, el acumulado y la pendiente del sistema para determinar si corresponde oxigenar o no una jaula (3) y por cuánto tiempo. El sistema (100) luego suma la cantidad de oxigeno que se necesita entregar a las jaulas (3) y determina si correspónde encender uno o más líneas de generación, es decir, encender la válvula solenoide para oxigenar dicha jaula (3) en particular. Esta decisión se toma para todas las jaulas (3). Posteriormente el sistema determinar en función de cuantas válvulas estarán encendidas y por cuánto tiempo si: oxigenar las jaulas desde los estanques de acumulación (109), si el consumo es menor y los estanques están llenos; encender una, dos, tres o todas las líneas de generación de oxigeno; encender los compresores de oxigeno.
El tablero manual de válvulas (211 ) permite controlar en forma manual el encendido o apagado de las válvulas que proveen de oxígeno a los peces.
Además, el sistema comprende sensores como flujómetro másico de medición de oxígeno entregado, así como de válvulas de control para entrega de oxígeno a las jaulas de peces. El sistema de inyección de oxígeno a las jaulas se realiza mediante cañerías que transportan el oxígeno a las jaulas de peces y de ahí con mangueras microperforadas, : que se introducen al agua a aproximadamente 10 metros de profundidad. Actualmente existen en el mercado sistemas de oxigenación por medio de mangueras o difusores cerámicos. El sistema (100) de oxigenación está diseñado, de manera que pueda operar en forma autónoma. Su función principal consiste en mantener siempre los niveles oxígeno o Set Point (SP) en óptimos, situación que dependiendo del cliente que determina cuál es el nivel mínimo de operación en referencia al oxígeno a suministrar. De la misma forma, el usuario del sistema es aquél que monitorea el sistema.
Para la generación in situ de oxígeno en forma automática, el proceso comienza básicamente con las mediciones de los sensores de oxígeno, los cuales se encuentran en puntos estratégicos dentro del módulo. Estos sensores pueden ser de tecnología óptica o galvánica que sensan el nivel de oxigeno disuelto en el agua y lo transforman en una señal 4- 20 mA que es entregada al sistema de la presente invención por medio de una señal inalámbrica o por cable. Por ejemplo, si los niveles de SP se programaron en 7 PPM (partes por millón), significa que cualquier medición mayor del sensor de oxígeno mantienen el sistema apagado como podría ser un caso de 7,5 PPM (no es necesario en este caso inyectar oxigeno), en caso contrario, si la medición del sensor de oxígeno está bajo a lo especificado en el SP, entonces el sistema de oxigenación debe encenderse, caso ejemplificador sería si el sensor midiera 6,5 PPM.
Las señales emitidas por los sensores de oxígenos son recepcionadas por el PLC (206) del sistema de oxigenación de la presente invención y éste comprueba que existe un valor menor al SP para comenzar a encender los equipos en forma secuencial, comenzando con el encendido de grupo electrógeno (101 ), luego el encendido de secadores de aire (103), posteriormente el encendido de los compresores de aire (102), luego el encendido de generador de oxígeno (106) y por último, siempre y cuando existe capacidad en los estanques de acumulación (109), el encendido del acumulador de alta presión para oxigeno (109), para llenar o rellenar dichos estanques de acumulación (109).
Una vez encendido todos los equipos, el oxígeno producido puede ser enviado a los estanques de acumulación (109) o puede tomar directamente una matriz de alimentación hacia las jaulas. En la matriz de alimentación (abastecida por los estanques de acumulación (109) y la producción de O2 ¡n situ), se encuentra un totalizador, encargado de registrar el consumo de oxígeno que se está entregando a las jaulas (3). Cada matriz de alimentación (4) está controlada por medio de una válvula selenoide, la que al encenderse, permite el paso de oxígeno cuando los niveles están bajo al SP y éste opera controlado por medio del PLC (206). Este equipo es capaz de discriminar, en base a las mediciones de los sensores, a cual jaula (3), que conforma un módulo, alimenta con oxígeno en forma independiente respecto al módulo de jaulas (2) a la cual pertenece.
Luego el oxígeno que es transportado por medio de la matriz de alimentación (4) se conecta al módulo de jaulas (2) por medio de una caja de distribución (5), la cual deriva el oxigeno hacia las jaulas (3) por medio de líneas de distribución para entregarlo finalmente por medio de las mangueras microperforadas.
Una vez que el oxígeno pasa por la válvula solenoide se dirige hasta la jaula (3) en cuestión, por medio de mangueras de alta presión, que conforman la matriz de alimentación (4), al llegar a las jaulas (3), el oxígeno puede ser suministrado al agua por medio de diferentes formas, entre ellas podemos encontrar la oxigenación por medio de difusores cerámicos o mangueras microperforadas. En este punto el oxígeno sale por medio de burbujas pequeñísimas y uniforme, lo que garantiza una oxigenación altamente eficiente, esto permite subir los niveles en un caso de 6,5 a 7 PPM y por medido del sensor se vuelve nuevamente a tomar la medición de modo que el PLC (206) tome la decisión, de esta forma comienza nuevamente el proceso. El sistema se mantiene encendido hasta llegar al nivel de SP.
El sistema (100) de la presente invención, está diseñado de modo que siempre está llenando o rellenando los estanque acumuladores de alta presión de oxigeno (109), de modo que el sistema cuando detecta la falta de oxigeno en una o varias jaulas, lo primero que hace es utilizar el oxigeno de los estanques de acumulación (109) hasta que llega a un nivel determinado (se utiliza aproximadamente el 20% del oxigeno sin necesidad de encender los equipos), o bien utiliza las constante del controlador PID cuando existe alguna diferencia de los tipos de errores o tiempos, por otra parte ese oxigeno también se utiliza para solucionar cualquier eventualidad con los niveles de oxigeno bajo, es decir se puede utilizar paralelamente a la producción de oxigeno o se puede tener de reservas y utilizar en forma manual sin la necesidad de encender los equipos.
Adicionalmente el sistema está diseñado de modo que opera para alimentar a la UPS (203) y de este modo se mantiene la alimentación del sistema en forma constante, es decir, está diseñado para encender solo el generador en el caso que los niveles de OD estén sobre el SP de modo que siempre se mantiene la energía suficiente para energizar los equipos y componentes. Además posee la característica de operar en forma remota. Además, el sistema está diseñado de modo que cada cierta cantidad de horas se encienda para recargar las baterías de la UPS (203), la carga de batería! no lleva más de 2 horas y permite energizar el sistema (100) de por lo menos 17 hrs.