WO2019006567A1 - Sistema de tratamiento y recirculación de agua para restablecer la calidad del agua a niveles óptimos en jaulas de piscicultura en agua dulce o salada - Google Patents

Sistema de tratamiento y recirculación de agua para restablecer la calidad del agua a niveles óptimos en jaulas de piscicultura en agua dulce o salada Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a system for the treatment and recirculation of fresh or salt water, more especially to an Aquatic Recirculation System (RAS).
  • RAS Aquatic Recirculation System
  • Farmed fish in any facility must be raised under the proper conditions necessary to keep them healthy and grow with a good Feed Conversion Rate (FCR). Fish need a continuous supply of clean water at an appropriate temperature and with an optimum dissolved oxygen content for good growth.
  • FCR Feed Conversion Rate
  • Farms that have water recirculation perform these tasks.
  • a mechanical and biological system is needed to purify water and eliminate or detoxify waste products and uneaten food.
  • the fish should be fed daily with a nutritionally complete food, to stimulate rapid growth and high survival.
  • Aquaculture Recirculation Systems represent an exciting, ecological and exclusive way to fish culture. Unlike the traditional method of cultivating fish in outdoor open ponds, net cages or tanks allow the rearing of fish in high densities, within a breeding environment controllable by the operator of the facility.
  • the filters of the recirculation systems clean the water and recycle it, sending it back to the fish culture tanks. Only new water is added to the tanks to compensate for the loss of water due to splashing, evaporation and to replace the one used to eliminate waste materials.
  • RAS designs have several process technologies, which work together to ensure minimal loss of water, heat and fish populations; while they clean and recycle water from fish tanks constantly.
  • Farms with RAS can be designed with different levels of complexity, however true water recirculation designs involve the use of equipment to safely remove and store waste, ensure cleanliness, reuse water and maintain the conditions breeding near the optimum environment for the fish species that are grown.
  • RAS farms recycle most of their water, they consume much less water than other types of farming systems, making them especially suitable for areas with limited water reserves.
  • a correctly designed and operated recirculation system requires a minimum daily water input, enough to clean the filter residues and replace the water lost by evaporation. This allows the construction of fish farms in areas where groundwater is limited and even opens the possibility of an operation in an urban area where chlorine-free municipal water is used.
  • the low water requirement of the recirculation systems translates into low water availability, so the control of water temperature (and the growth rates of fish populations) is one of the greatest benefits of these systems.
  • the control of the temperature of the water allows the aquaculturist to produce a certain species of fish, which normally could not be cultivated in a certain geographical area. It also allows the water temperature to be maintained at the optimum level to maximize feed conversion and provide an optimum increase. Growth can also occur throughout the year, which maximizes production and allows rapid product rotation. In theory, the marketing of the product also improves, since the fish reach their sales size weekly.
  • Farms with RAS indoors are designed to prevent leaks, which means less chance of loss and mitigation of possible conflicts with the regulations governing water bodies and fish escapes.
  • the aquaculturist With the recirculation systems, the aquaculturist has the opportunity to control the quality of the water for the benefit of the live fish population and the sale of the final product to the supermarkets.
  • fish By keeping dissolved oxygen at optimal levels, fish have a better feed conversion and are less stressed, which results in greater disease resistance, less feed waste and more growth.
  • Tanks Oxygen; Foam fractionator; Mechanical filter (FM); Biological filter (FB); Heaters / Coolers; Sterilizers; Illumination; Control systems (optional).
  • FM Mechanical filter
  • FB Biological filter
  • Heaters / Coolers Sterilizers
  • Illumination Control systems (optional).
  • the amount of fresh water that enters the system depends on the amount of food per day that is delivered. It is generally between 0.5 -0.8 m 3 of fresh water per kg of feed per day and also serves to lower the nitrate concentration. Then, low pressure pumps transport water from the second Reservoir to a UV filter. The filter is responsible for reducing the pathogens in the water that is now directed towards the fish. This line contributes 60% of water to the pond.
  • High pressure pumps transport water to oxygenation cones, where the water is supersaturated with oxygen to cover the demand of the fish. This line contributes 40% of water to the pond.
  • the present invention provides a water treatment and recirculation system to restore water quality to optimum levels, in fish culture system Mainly oriented to the aquaculture industry in both fresh and salt water and / or collection centers, which includes means to boost water flows at the required pressures, a thick mechanical filter with 100 micron app mesh, whose focus is to capture the coarse particulate , means of production of oxygen, means of generating autonomous electricity; and variable control means by means of a PLC, which administers variables such as pressure, oxygen and CO2 level, flows, pH, among others, which comprises:
  • Figure 1 (Previous Art) shows a general outline of a system of recirculation and water treatment of the previous art.
  • Figure 2 shows
  • a pre-filtering system is entered to remove thick particulate, which comprises a mechanical filtering with 100 micron app mesh.
  • an ultra filtering is provided by means of a PES membrane system (Polyestersulfonate) that allows disinfecting the water by physical removal of bacteria and viruses, elimination of organic matter, ammonium and improving water quality.
  • PES membrane system Polymersulfonate
  • the ultrafiltration system fulfills several functions, having very small pores of 20 nanometers, since it is possible to disinfect the water because the pathogens have larger sizes. Indeed, the bacteria are of the order of 1 miera, the spores 1 miera and the viruses are of the order of 100 nanometers. They are also removed all the suspended solids of the water what improves notably the quality of this, in addition they are removed in these organic molecules nitrogen and carbon that is normally degraded in NH4 and CO2 which reduces the amount of ammonium produced and therefore the need for biofiltration. Finally, heavy metals are removed from the water.
  • This system allows to remove all this by mechanical filtration which avoids to depend on living organisms as a biofilter in an online system that does not lose the pressure of the line and with a modular design that allows to grow or make maintenance easily.
  • the CO2 produced by means of a multitubular exchanger with membranes of hydrophobic materials and micro perforations must be degassed and eliminated, which drains the CO2 to an extraction gas under atmospheric or vacuum conditions.
  • This system of gas exchange has great advantages over traditional degasifiers and oxygen cones, since having hydrophobic fibers with nanometric pores, there is a very high gas transfer between the liquid that goes outside the fiber and the gas , which allows reaching the equilibrium point easily, having teams with a very high transfer ratio versus size.
  • a device of 40 [cm] in diameter and 1, 2 [m] in length has a capacity of 80 m 3 / h of liquid.
  • the flow of gas goes from the liquid to the gas or from the gas to the liquid depending on the Henry's law equation. For example, if there is water as a liquid with 6 [ppm] of O2 saturation and a rich O2 flow as an exchange gas, oxygen will be injected water, at 1 [atm] you can reach 50 [ppm] of saturation if the pressure increases to 2 [atm] you can reach 100 [ppm] of saturation. On the other hand if a gas depleted in 02 is used as a 100% flow of N2, the water will deliver its O2 to the gas flow, reaching concentrations as low as 20 parts per billion [ppb]
  • this system is first used as a degasser using air under vacuum conditions to remove CO2 from water and then O2 is used to inject oxygen into the water, using cones or hydrophilic membrane systems or by a multitubular system with micro perforations and pressures. superior to the atmosphere.
  • the injected oxygen can be produced in situ by an oxygenation system using VPSA technology.
  • the VPSA technology allows generating oxygen in the place with a significantly lower fuel consumption than alternative technologies.
  • Oxygen that is purchased and stored in Liquid Oxygen Termos (LOX) can also be used.

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Abstract

Sistema de tratamiento y recirculación de agua para restablecer la calidad del agua a niveles óptimos, en sistema de cultivo de peces orientado principalmente a la industria acuícola tanto en agua dulce como salada y/o centros de acopio, que comprende medios para impulsar flujos de agua a las presiones requeridas, un filtro mecánico grueso con malla de app 100 mieras, cuyo foco es capturar el particulado grueso, medios de producción de oxígeno, medios de generación de electricidad autónomo; y medios de control de variables mediante un PLC, que administra variables tales como presión, nivel de oxígeno y C02, flujos, pH, entre otros, que comprende: a) medios para ultrafiltrar y remover partículas de hasta 0,02 mieras, con el objeto de remover macro moléculas de material orgánico, desinfectar bacterias y virus por remoción mecánica y eliminación de contaminantes dañinos como puede ser el amoniaco; b) medios para desgasificar para eliminar el CO2 producido mediante un intercambiador multitubular con membranas de materias hidrofóbico y micro perforaciones que arrastra el CO2 a un gas de extracción en condiciones atmosféricas o de vacío; y c) medios para oxigenar el agua mediante un intercambiador multitubular con membranas de materias hidrofóbico y micro perforaciones que inyecta el O2 de un gas en condiciones atmosféricas al agua.

Description

SISTEMA DE TRATAMIENTO Y RECIRCULACION DE AGUA PARA RESTABLECER LA CALIDAD DEL AGUA A NIVELES ÓPTIMOS EN JAULAS DE PISCICULTURA EN AGUA DULCE O SALADA
CAMPO DE APLICACIÓN
La presente invención se refiere a un sistema de tratamiento y recirculación de agua dulce o salada, más especialmente a un Sistemas de Recirculación Acuícola (RAS).
DESCRIPCIÓN DEL ARTE PREVIO
Los peces de cultivo en cualquier instalación se deben criar con las condiciones adecuadas y necesarias para que se mantengan saludables y crezcan con una buena Tasa de Conversión Alimenticia (FCR). Los peces necesitan un continuo suministro de agua limpia a una temperatura apropiada y con un contenido de oxígeno disuelto óptimo para un buen crecimiento.
Las granjas que cuentan con recirculación de agua realizan estas tareas. Se necesita un sistema mecánico y biológico para purificar el agua y eliminar o desintoxicar los productos de desecho y alimentos no consumidos. Los pescados se deben alimentar diariamente con un alimento nutricionalmente completo, para estimular el rápido crecimiento y una alta supervivencia.
Existen varios diseños de sistemas de recirculación y la mayoría funcionan con eficacia si logran contar con el oxígeno y la aireación, la retención de partículas, la filtración biológica para eliminar los residuos de amoníaco y nitrito y el amortiguamiento de los niveles de pH del agua. Estos procesos se pueden lograr mediante el uso de las
i unidades simples, las cuales utilizan una combinación de filtros
que a menudo se utilizan en granjas pequeñas. En el caso de la filtración de grandes granjas se utilizan varios componentes interconectados y procesos unitarios.
Los Sistemas de Recirculación Acuícola (RAS por sus siglas en inglés) representan una manera excitante, ecológica y exclusiva para el cultivo de peces. A diferencia del método tradicional de cultivo de peces en estanques abiertos al aire libre, las jaulas de red o tanques, permiten la cría de peces en altas densidades, dentro de un ambiente de crianza controlable por el operador de la instalación. Los filtros de los sistemas de recirculación limpian el agua y la reciclan, enviándola nuevamente a los tanques de cultivo de peces. Sólo se le añade agua nueva a los tanques para compensar la pérdida de agua producto de las salpicaduras, la evaporación y para reemplazar la que se utiliza para eliminar los materiales de desecho.
Los diseños RAS cuentan con varias tecnologías de proceso, los cuales trabajan en conjunto para garantizar una mínima pérdida de agua, el calor y de las poblaciones de peces; mientras que limpian y reciclan el agua de los tanques de peces constantemente.
Las granjas de cultivo con RAS se pueden diseñar con diferentes niveles de complejidad, sin embargo los verdaderos diseños de recirculación de agua implican el uso de equipos para remover y almacenar de manera segura los residuos, garantizar la limpieza, reutilizar el agua y mantener las condiciones de cría cerca del ambiente óptimo para las especies de peces que se cultivan.
Por el contrario, muchos de los sistemas de cultivo en tanques antiguos, que se han utilizado para el cultivo peces se denominan sistemas "abiertos" o "fluidos" debido a que el agua pasa una sola vez a través del tanque y luego se desecha.
Aunque se les han aplicado algunas mejoras a los antiguos diseños, con el objetivo de reducir el uso de agua y crear híbridos de operaciones, estas no son exactamente granjas de recirculación.
Debido a que las granjas RAS reciclan la mayor parte de su agua, consumen mucho menos agua que otros tipos de sistemas de cultivo, por lo cual son especialmente adecuados para áreas con reservas de agua limitadas.
Un sistema de recirculación correctamente diseñado y operado requiere una entrada mínima de agua diaria, lo suficiente como para limpiar los residuos de los filtros y reemplazar ei agua perdida por evaporación. Esto permite la construcción de piscifactorías en zonas donde el agua subterránea es limitada e incluso abre la posibilidad de una operación en una zona urbana donde se utilice el agua municipal sin cloro.
Dado que los peces de un sistema de recirculación se cultivan en tanques, con suministro de oxígeno y sus desechos metabólicos se eliminan a través de la constante recirculación de agua, se pueden criar peces a altas densidades y de manera segura.
El bajo requerimiento de agua de los sistemas de recirculación se traduce en poca disponibilidad de agua, por lo que el control de la temperatura del agua (y las tasas de crecimiento de las poblaciones de peces) es uno de los mayores beneficios de estos sistemas. El control de la temperatura del agua permite le permite al acuicultor producir una especie determinada de peces, que normalmente no se podría cultivar en un área geográfica determinada. También permite que la temperatura del agua se mantenga en el nivel óptimo para maximizar la conversión de alimento y brindar un óptimo crecimiento. El crecimiento también puede ocurrir durante todo el año, lo que maximiza la producción y permite la rápida rotación del producto. En teoría, la comercialización del producto también mejora, ya que los peces alcanzan su tamaño de venta semanalmente.
Con el cultivo de peces en instalaciones cerradas, el acuicultor ya no está limitado por las condiciones meteorológicas, en la que una ola de frío repentina puede acabar con la producción de todo un año, matando las larvas de peces o perturbando el desove normal de los reproductores. Además, los acuicultores de estanques y jaulas pueden perder sus cosechas debido a los bajos niveles de oxígeno durante el verano o el invierno y tienen mayores dificultades para el control de depredadores. Tener a los peces en instalaciones cerradas, también permite la cosecha en tiempos de fuertes lluvias, nieve o heladas, condiciones que podrían detener las cosechas en jaulas o estanques.
Las granjas con RAS en interiores están diseñadas para prevenir los escapes, lo que significa menos posibilidades de pérdida y la mitigación de los posibles conflictos con las regulaciones que rigen los cuerpos de agua y escapes de peces.
Con los sistemas de recirculación, el acuicultor tiene la oportunidad de controlar la calidad del agua para el beneficio de la población de peces vivos y la venta del producto final a los supermercados. Al mantener el oxígeno disuelto en niveles óptimos, los peces tienen una mejor conversión de alimento y están menos estresados, lo que se traduce en una mayor resistencia a las enfermedades, menos desperdicio de alimento y mayor crecimiento.
Además, los peces están aislados de posibles contaminantes ambientales, como el mal sabor causado por la proliferación de algas que pueden afectar a las jaulas y de cualquier contaminación potencial debido a los residuos de pesticidas que escurren en la aguas. Esto trae como resultado un producto de alta calidad. En muchos casos donde el agua dulce es suministrada por pozos, la probabilidad de brotes de enfermedades se reduce en gran medida y no se requieren medicamentos. Los principales objetivos de estos sistemas de recirculación acuícola son:
Proporcionar un medio-ambiente físico óptimo y sustentable para los peces con respecto al espacio, caudal de agua, y densidad de cultivo/población.
Proteger la población de infecciones por agentes patógenos.□ Proveer, mantener y asegurar las necesidades fisiológicas de los peces (principalmente oxígeno y nutrición). Eliminar desechos metabólicos producidos por los peces (heces, CO2 y amoniaco). □ Eliminar desechos de comida y productos de degradación (compuestos orgánicos sólidos y disueltos).□ Mantener la temperatura y los parámetros químicos del agua dentro de los límites aceptables de calidad.
Sin embargo estos sistemas suelen tener dimensiones grandes o enormes, debido a que deben comprender una serie de subsistemas para como: Tanques; Oxígeno; Fraccionador de espuma; Filtro mecánico (FM); Filtro biológico (FB); Calentadores/Enfriadores; Esterilizadores; Iluminación; Sistemas de control (opcional).
En un sistema tradicional de tratamiento y recirculación de agua, el agua es transportada desde unos estanques al sistema de tratamiento mediante gravedad, donde esta agua pasa a través de filtros rotatorios que remueven las partículas sólidas mayores a 40 [μιη], luego el agua es acumulada en un primer Reservorio. Desde ahí, bombas de retorno toman el agua y la llevan hasta unos biofiltros sumergidos. Estos filtros remueven desechos metabólicos producidos por los peces mediante el consumo de oxígeno. Luego el agua fluye por gravedad a un filtro desgasificador. Éste filtro principalmente "separa" el dióxido de carbono del agua y la airea. Posteriormente el agua ingresa pasivamente a un segundo Reservorio. En este segundo Reservorio se añade agua "nueva", dependiendo del nivel de recambio y salinidad requeridos. Aquí además se controla y regula la temperatura del agua del sistema y se monitorea pH, temperatura y salinidad. La cantidad de agua fresca que ingresa al sistema depende de la cantidad de alimento por día que se entrega. Generalmente es entre 0,5 -0,8 m3de agua fresca por kg de alimento al día y sirve también para bajar la concentración de nitrato. Luego, bombas de baja presión transportan el agua desde el segundo Reservorio hacia un filtro UV. El filtro está encargado de reducir los patógenos en el agua que ahora se dirige hacia los peces. Esta línea aporta el 60% de agua al estanque.
Bombas de alta presión transportan el agua hacia conos de oxigenación, donde se sobresatura el agua con oxígeno para poder cubrir la demanda por parte de los peces. Esta línea aporta el 40% de agua al estanque.
Finalmente, ambas líneas de agua se reúnen al regresar a los estanques con peces.
Todo lo anterior también está disponible para que este sistema RAS sea implementado en el mar, es decir, funciona con agua salada.
RESUMEN DE LA INVENCIÓN
La presente invención provee un sistema de tratamiento y recirculación de agua para restablecer la calidad del agua a niveles óptimos, en sistema de cultivo de peces orientado principalmente a la industria acuícola tanto en agua dulce como salada y/o centros de acopio, que comprende medios para impulsar flujos de agua a las presiones requeridas, un filtro mecánico grueso con malla de app 100 mieras, cuyo foco es capturar el particulado grueso, medios de producción de oxígeno, medios de generación de electricidad autónomo; y medios de control de variables mediante un PLC, que administra variables tales como presión, nivel de oxígeno y CO2, flujos, pH, entre otros, que comprende:
a) medios para ultrafiltrar y remover partículas de hasta 0,02 mieras, con el objeto de remover macro moléculas de material orgánico, desinfectar bacterias y virus por remoción mecánica y eliminación de contaminantes dañinos como puede ser el amoniaco; b) medios para desgasificar para eliminar el CO2 producido mediante un intercambiador multitubular con membranas de materias hidrofóbico y micro perforaciones que arrastra el CO2 a un gas de extracción en condiciones atmosféricas o de vacío; y c) medios para oxigenar el agua mediante un intercambiador multitubular con membranas de materias hidrofóbico y micro perforaciones que inyecta el O2 de un gas en condiciones atmosféricas al agua.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 (Arte Previo) muestra un esquema general de un sistema de recirculación y tratamiento de agua del arte previo. La Figura 2 muestra
un esquema general de un sistema de recirculación y tratamiento de agua
de la presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Como muestra la Figura 2 los medios de suministro de agua de tratamiento y renovación es esencial ya que se está en presencia de un sistema cerrado, por lo que esta agua de renovación debe estar en condiciones especiales para maximizar la sobrevivencia de los peces que están en jaulas tanto para peces que se encuentran en jaulas con agua dulce como para los peces que se encuentran en jaulas con agua salada.
Primero se debe elevar la presión del agua mediante una bomba para generar presión y así que impulsar los flujos de agua a las presiones requeridas
Segundo se ingresa a un sistema de pre filtrado para remover particulado grueso, que comprende un filtrado mecánico grueso con malla de app 100 mieras.
Posteriormente y como parte de la presente invención, se provee un ultra filtrado mediante sistema de membranas de PES (Poliestersulfonato) que permite desinfectar el agua por remoción física de bacterias y virus, eliminación de materia orgánica, amonio y mejorar la calidad del agua.
El sistema de ultrafiltración cumple varias funciones, al tener poros muy pequeños de 20 nanómetros, ya que se logra desinfectar el agua debido a que los patógenos tienen tamaños mayores. En efecto, las bacterias son del orden de 1 miera, las esporas 1 miera y los virus son del orden de 100 nanómetros. También se remueven todos los sólidos suspendidos del agua lo que mejora notablemente la calidad de esta, además se remueven en estas moléculas orgánicas nitrógeno y carbono que normalmente se degrada en NH4 y CO2 lo que reduce la cantidad de amonio producido y por consiguiente la necesidad de biofiltración. Por último se remueven los metales pesados del agua.
Este sistema permite remover todo esto por filtración mecánica lo que evita depender de organismos vivos como un biofiltro en un sistema en línea que no pierde la presión de la línea y con un diseño modular que permite crecer o hacer mantenciones fácilmente.
Además, se debe desgasificar y elimina el CO2 producido mediante un intercambiador multitubular con membranas de materias hidrofóbico y micro perforaciones que arrastra el CO2 a un gas de extracción en condiciones atmosféricas o de vacío.
Este sistema de intercambio de gases tiene grandes ventajas con respecto a los desgasificadores tradicionales y conos de oxígeno, ya que al tener fibras hidrofóbicas con poros nanométricas, se tiene una transferencia de gas altísima entre el líquido que va por fuera de la fibra y el gas, lo que permite llegar al punto de equilibro fácilmente, teniendo equipos con una altísima razón de transferencia versus tamaño. Por ejemplo un equipo de 40 [cm] de diámetro y 1 ,2 [m] de largo tiene una capacidad de 80 m3/h de líquido.
El flujo de gas va ir desde el líquido al gas o del gas al líquido dependiendo de la ecuación de Ley de Henry. Por ejemplo si hay agua como líquido con 6 [ppm] de saturación de O2 y un flujo rico O2 como gas de intercambio, se le inyecta oxígeno al agua, a 1 [atm] se puede llegar a 50 [ppm] de saturación si la presión aumenta a 2 [atm] se puede llegar a 100 [ppm] de saturación. En cambio sí se usa un gas empobrecido en 02 como un flujo 100% de N2 el agua entregara su O2 al flujo de gas pudiendo llegar a concentraciones tan bajas como 20 partes por billón [ppb]
Es así como en este sistema, primero se usa como desgasificador usando aire en condiciones de vacío para remover CO2 del agua y después se usa O2 para inyectar oxígeno al agua, usando conos o sistemas de membranas hidrofílicas o mediante sistema multitubular con micro perforaciones y presiones superiores a la atmosfera.
El oxígeno inyectado se puede producir in situ mediante un sistema de oxigenación utilizando tecnología VPSA. La tecnología VPSA permite generar el oxígeno en el lugar con un consumo de combustible significativamente menor a las tecnologías alternativas. También puede usarse oxigeno que es comprado y almacenado en Termos de Oxígeno Líquido (LOX).
Por último todo este proceso de tratamiento y recirculación de agua se puede controlar mediante un PLC, para administrar variables tales como presión, nivel de oxígeno y CO2, flujos, entre otros.

Claims

REIVINDICACIONES
1 ) Sistema de tratamiento y recirculación de agua para restablecer la calidad del agua a niveles óptimos, en sistema de cultivo de peces orientado principalmente a la industria acuícola tanto en agua dulce como salada y/o centros de acopio, que comprende medios para impulsar flujos de agua a las presiones requeridas, un filtro mecánico grueso con malla de app 100 mieras, cuyo foco es capturar el particulado grueso, medios de producción de oxígeno, medios de generación de electricidad autónomo; y medios de control de variables mediante un PLC, que administra variables tales como presión, nivel de oxígeno y CO2, flujos, pH, entre otros, CARACTERIZADO porque comprende:
a) Medios para ultrafiltrar y remover partículas de hasta 0,02 mieras, con el objeto de remover macro moléculas de material orgánico, desinfectar bacterias y virus por remoción mecánica y eliminación de contaminantes dañinos como puede ser el amoniaco;
b) Medios para desgasificar para eliminar el CO2 producido mediante un intercambaidor multitubular con membranas de materias hidrofóbico y micro perforaciones que arrastra el CO2 a un gas de extracción en condiciones atmosféricas o de vacío; y
c) Medios para oxigenar el agua mediante un intercambiador multitubular con membranas de materias hidrofóbico y micro perforaciones que inyecta el O2 de un gas en condiciones atmosféricas al agua.
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