With a growing global population, food security and waste management strategies are needed (FAO, 2002b); insects have been promoted for these goals. Black soldier fly larvae (BSFL) are endorsed for their ability in decomposition and use as feed (Bava et al., 2019; Swett Walker, 2018). Studies show the life cycle of BSFL is impacted by bacterial supplementation (Franks et al., 2021; Kooienga et al., 2020). We seek to determine the effects of supplementing BSFL diet with Pseudomonas putida 3P. We conducted two forms of a 10-day bench-top study observing larval mass, frass conversion, C:N content, and ammonia production with supplementation of Pseudomonas putida 3P in single and double-doses. Supplementation with P. putida results in roughly 1.5X larger larval wet and dry mass, variable concentrations of ammonia, and approximately 1.15X smaller C:N ratios in frass. This suggests interruption of larval rearing may affect volatile ammonia concentrations and inhibit P. putida behavior.

Genom fluglarvskompostering erhålls biomassa från organiskt avfall samt en näringsrik behandlingsrest som kan användas som gödningsmedel eller för biogasutvinning. Larvbiomassan kan användas som djurfoder eller för att tillverka biodiesel. Eskilstuna Strängnäs Energi och Miljö AB planerar bygga en pilotanläggning för fluglarvskompostering med larver av den amerikanska vapenflugan (Hermetia illucens). Behandlingen ska ske i lådor staplade på varandra, avskilda med ett mellanrum för att tillåta luftning av materialet. Luftningsbehovet utgörs av larvernas syrebehov samt av att transportera bort fukt och värme från materialet. Syftet med det här projektet var att utvärdera luftningsbehovet under fluglarvskomposteringsbehandling av matavfall med staplade behandlingslådor. Först designades ett experimentskåp att utföra experimenten i och därefter ett ventilationssystem till skåpet. Två experiment utfördes där tre staplar med nio behandlingslådor vardera utvärderades. I experiment I användes totalt 15 kg matavfall och 15 000 larver per behandlingslåda, i experiment II användes 11 kg matavfall och 10 000 larver per behandlingslåda. Under experimenten togs prover för torrsubstans (TS) och glödförlust (VS), pH samt tillväxt av larverna. Sensorer mätte lufttemperatur, relativ luftfuktighet och materialtemperatur. I båda experimenten erhölls en behandlingsrest med betydligt lägre TS-halt än önskat, vilket troligtvis berodde på att luftflödet i experimentskåpet var lägre än beräknat. I experiment I evaporerade i genomsnitt 6,2 kg vatten per behandlingslåda och i experiment II 4,8 kg, vilket för båda experimenten motsvarade cirka 50 % av det med matavfallet tillsatta vattnet. Enligt resultaten av experimenten kan torrsubstansen av matavfallet reduceras med runt 60 %. Runt 32 % av torrsubstansen i matavfallet omvandlades till larvbiomassa. Materialtemperaturen var i genomsnitt 27–30 °C under experimenten. Lufttemperaturen i experimentskåpet var 27–28 °C och 31 °C i inluften. Den relativa luftfuktigheten i experimentskåpet var 59–67 % och 36 % i inluften. Baserat på resultaten krävs ett luftflöde på 8,4 m3/h per behandlingslåda för att nå en TS på 50 % i behandlingsresten om matavfallet har en TS-halt på 15 %. Baserat på resultaten är ett nedåtriktat luftflöde att föredra framför uppåtriktat i de fall ett vertikalt luftflöde används. Skillnader i temperaturer och luftfuktighet indikerade dock att det vertikala, nedåtriktade, luftflödet inte kunde förse alla behandlingslådor i staplarna med samma luftflöde. På grund av detta kan det vara lämpligt att överväga ett horisontellt luftflöde i containern i vilken behandlingen ska ske. Vidare kan det vara fördelaktigt att reglera vattenhalten i matavfallet så att stora variationer i luftningsbehov undviks eller reglera luftflödet efter vattenhalt i ingående matavfall. Inför val av ventilationsdesign rekommenderas fortsatta studier av hur höga luftflöden påverkar behandlingen. / Larvae of the Black Soldier Fly (Hermetia illucens) can convert organic waste into biomass. The residue is nutrient-rich and can be used as fertilizer or for biogas production. The aim of this study was to assess the aeration need for designing a ventilation system in a pilot plant for larvae composting in Sweden. First, a cabinet with required ventilation arrangement for performing the experiments was designed. Two experiments were performed, where three stacks each comprised of nine boxes with spacers were used. In the first experiment, a total of 15 kg of municipal food waste and 15 000 larvae were used per box. In the second experiment, a total of 11 kg food waste and 10 000 larvae were used per box. In the first experiment 6.2 kg of water evaporated per treatment box and in the second 4.8 kg, both corresponding to about 50 % of the water present in the substrate added. An average temperature of 31 °C in the inlet air resulted in temperatures of 27-30 °C in the material during the treatment. Based on the results, 8.4 m3/h of air is needed per treatment box to reach 50 % dry matter in the residue of food waste containing 15 % dry matter. The results also indicate that to reach the desired water content in the residue, there might be a need to adjust the initial water content in the food waste and use horizontal airflow in the treatment container. Before deciding on a ventilation design, further studies are necessary to assess how high airflows affect the treatment.

No description available.

No description available.

Tesis por compendio / [ES] La presente tesis doctoral presentaba como principal objetivo contribuir al conocimiento sobre estrategias de alimentación y técnicas de producción que puedan mejorar la sostenibilidad del sector acuícola a través de un enfoque multidisciplinar, evaluando el crecimiento, la salud y la calidad sensorial de los peces, así como la producción de especies vegetales. También se evaluó El impacto ambiental de las diferentes propuestas mediante el análisis del Ciclo de Vida (LCA) como parte de la discusión general de la tesis. El primer estudio evaluó el efecto de la sustitución de diferentes niveles de aceite de pescado (FO) por aceites vegetales en piensos para la seriola mediterránea (Seriola dumerili, Risso, 1810) en el perfil de ácidos grasos (FA) de diferentes tejidos. El perfíl de FA de la grasa visceral, hígado, músculo rojo y blanco cambiaron cuando se modificó la fuente lipídica en el pienso, mientras que el perfíl de FA del tejido cerebro fue bastante resistente a su alteración por los cambios en la dieta. Estos nuevos datos podrían ayudar a evaluar si las funciones fisiológicas claves se conservan cuando los peces son alimentan con dietas con niveles bajos de FO, así como para definir las necesidades de FA en la dieta de la S. dumerili para mejorar la sostenibilidad de la producción y el bienestar de los peces. El segundo estudio evaluó los efectos de un periodo de realimentación en la composición de ácidos grasos en el músculo de la seriola mediterránea. Después de 109 días durante los cuales los peces fueron alimentados con un pienso a base de aceite de pescado (FO 100) o un pienso (FO 0) en la que el FO fue sustituido completamente por aceites vegetales, todos los peces alimentados con la dieta FO 0 fueron sometidos a una realimentamentación con un pienso FO 100, durante 90 días. Un recebo de 90 días puede mejorar parcialmente el perfil de FA en los músculos de la seriola mediterránea previamente alimentada con dietas a base de aceite vegetal.El tercero estudio analizó los efectos de dos densidades de producción (baja - ALD, 3,81 kg m¿3 frente a alta - AHD, 7,26 kg m¿3) sobre el crecimiento, la salud y la calidad de la carne de la trucha arco iris (Oncorhynchus mykiss, Walbaum 1792) así como el rendimiento y calidad microbiológica de la lechuga (Lactuca sativa, L.) producida en un sistema acuapónico de baja tecnología en comparación con el cultivo hidropónico (HYP). Las producciones de trucha arco iris y lechuga fueron exitosas en el sistema acuapónico probado, mientras que la densidad de población no afectó el crecimiento de los peces ni a la calidad de la carne. En el cuarto estudio se evaluó el efecto de la sustitución dietaria de la harina de pescado (FM) por harina de Hermetia illucens (Linnaeus, 1758), parcialmente desgrasada (HI) sobre el crecimiento, la digestibilidad del alimento, la morfología intestinal y la calidad del filete de la trucha arco iris producida en un sistema acuapónico de baja tecnología. El crecimiento de los peces y la calidad del filete no se vieron esencialmente afectados por la sustitución de harina de pescado al 25% con HI. Sin embargo, con una sustitución del 50%, se detectó ciertos efectos sobre la histología intestinal y el color del filete y las características nutricionales, que justifican una mayor investigación. en base a los resultados de esta tesis, los aceites vegetales y la harina de insecto son ingredientes alternativos prometedores para ser incluidos en las dietas de especies marinas y de agua dulce de alto valor económico. Sin embargo, las formulaciones futuras deberán centrarse no solo en las características nutricionales y el coste de los ingredientes, sino también en su impacto ambiental. La acuaponía es una técnica prometedora para la cría de especies de agua dulce de alto valor como la trucha arco iris. Además, la optimización de la densidad de producción de peces en acuaponía es un aspecto clave para obtener altos rendimientos y una buena calidad del producto. / [CA] La present tesi doctoral va tenir com a objectiu contribuir al coneixement sobre estratègies d'alimentació i tècniques de producció que puguin millorar la sostenibilitat del sector aqüícola a través d'un enfocament multidisciplinari, avaluant el creixement, la salut i la qualitat sensorial dels peixos, així com la producció de espècies vegetals. El impacte ambiental de les diferents propostes també es va avaluar mitjançant l'anàlisi de l'Cicle de Vida (LCA) com a part de la discussió general de la tesi. En el primer estudi es va avaluar la substitució de diferents nivells d'oli de peix per olis vegetals en pinsos per a la seriola Mediterrània (Seriola dumerili, Risso, 1810) en el perfil d'àcids grassos (FA) de diferents teixits. El segon estudi es van avaluar els efectes d'un període de realimentació en la composició d'àcids grassos en el múscul de la seriola mediterrània. Un rentat de 90 dies pot millorar parcialment el perfil de FA en els músculs de la seriola mediterrània prèviament alimentada amb dietes a base d'oli vegetal. El tercer estudi va estudiar els efectes de dues densitats de producció (baixa - ALD, 3,81 kg m-3 enfront de alta - AHD, 7,26 kg m-3) sobre el creixement, la salut i la qualitat de la carn de la truita (Oncorhynchus mykiss, Walbaum 1792) i el rendiment i qualitat microbiològica de l'enciam (Lactuca sativa, L.) produïda en un sistema aquapònic de baixa tecnologia en comparació amb el cultiu hidropònic (HYP). En conclusió, les produccions de truita i enciam van tindre èxit en el sistema aquapònic provat, mentre que la densitat de població no va afectar al creixement dels peixos ni a la qualitat de la carn. En el quart estudi es va avaluar l'efecte de la substitució dietària de la farina de peix amb farina de Hermetia illucens (Linnaeus, 1758), parcialment desgreixada (HI) sobre el creixement, la digestibilitat de l'aliment, la morfologia intestinal i la qualitat del filet de la truita produïda en un sistema aquapònic de baixa tecnologia, el creixement dels peixos i la qualitat de l'filet no es van veure essencialment afectats per la substitució de farina de peix al 25% amb HI, mentre que amb una substitució del 50%, es va detectar certs efectes sobre la histologia intestinal i el color del filet i les característiques nutricionals, que justifiquen una major investigació. En conclusió, en base als resultats d'aquesta tesi, els olis vegetals i la farina d'insecte són ingredients alternatius prometedors per a ser inclosos en les dietes d'espècies marines i d'aigua dolça d'alt valor econòmic. No obstant això, les formulacions futures hauran de centrar no només en les característiques nutricionals i el cost dels ingredients, sinó també en el seu impacte ambiental. La aquaponia és una tècnica prometedora per a la cria d'espècies d'aigua dolça d'alt valor com la truita. A més, l'optimització de la densitat de producció de peixos en aquaponia és un aspecte clau per obtenir alts rendiments i una bona qualitat del producte, al temps que es redueix l'impacte ambiental, assegurant la salut i el benestar dels peixos. / [EN] The present PhD thesis aimed at improving the knowledge on feeding strategies and rearing techniques that might improve the sustainability of the aquaculture sector through a multidisciplinary approach, evaluating fish growth performance, health and quality, and vegetable production. The environmental impact of the different solutions was also assessed using a Life Cycle Assessment (LCA) analysis as a part of thesis general discussion. The first contribution evaluated how replacing different levels of fish oil by vegetable oils in the diet of Mediterranean yellowtail, Seriola dumerili (Risso, 1810), affects the fatty acids (FA) signature, i.e. overall FA profile, in different tissues. The FA signatures of red and white muscle, liver, and visceral fat tissues changed when the dietary FA source changed, whereas FA signatures in the brain were rather robust to such dietary changes. The second contribution assessed the effects of a wash-out on the fatty acid composition in the muscles of Mediterranean yellowtail. A 90-d wash-out can partially improve the FA profile in muscles of Mediterranean yellowtail previously fed vegetable oil-based diets. The third contribution investigated the effects of two stocking densities (low - ALD, 3.81 kg m¿3 vs. high - AHD, 7.26 kg m¿3) on the growth, health, and flesh quality of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss, Walbaum 1792) and the yield and microbiological quality of lettuce (Lactuca sativa, L.) produced in a low-tech aquaponic system compared to hydroponic cultivation (HYP). Rainbow trout and lettuce productions were successful in the tested aquaponic system, whereas stocking density did not affect fish growth or flesh quality. The fourth contribution evaluated the effects of dietary substitution of fishmeal with partially defatted (Hermetia illucens, Linnaeus, 1758,) meal (HI) on the growth, feed digestibility, gut morphology, and fillet quality of rainbow trout reared in a low-tech aquaponic system fish growth and fillet quality were essentially unaffected by a 25% fish meal replacement with HI, whereas at a replacement rate of 50%, certain effects on gut histology and fillet colour and nutritional characteristics were detected, which warrant further investigation. In conclusion, based on the results of the present thesis, vegetable oils and insect meal are promising alternative ingredients to be included in diets for high-value marine and freshwater carnivorous species. Nevertheless, future aquafeed formulations will be required to focus not only on the nutritional characteristics and costs of the ingredients but also on their environmental impact. Aquaponics is a promising technique to be used for rearing high-value freshwater species such as rainbow trout. Furthermore, the optimization of fish stocking density in aquaponics is a key aspect to obtain high product yields and quality, reducing the environmental impact as well as assuring fish health and welfare. / Thesis written with the financial contribution of ECCEAQUA project (MIUR; CUP: C26C18000030004) / Bordignon, F. (2022). Feeding Strategies and Rearing Techniques for a Sustainable Aquaculture [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/180851 / Compendio

Controlled-environment agriculture, in specific indoor vertical farming, has emerged as a promising approach to meet the increasing demand for food while reducing the environmental impacts such as land and water use. However, such climate-controlled farms often require significant energy and resource inputs, particularly for artificial lighting and climate regulation and in certain cases undesired emissions such as CO2. To address these challenges, this thesis investigates the use of model-based control approaches to optimize energy, resource, and byproduct utilization in both independent and symbiotically connected farms. The thesis begins with a review of existing process models and optimization techniques, highlighting the limitations of current plant growth models and the absence of insect larvae (Hermitia illucens) models that are capable of describing growth, complex interactions between environmental variables, and resource utilization. To overcome these limitations, this thesis proposes the development of comprehensive models combining first-principle models and empirical models that integrate physical and biological processes such as heat and mass transfer; insect growth, development, and metabolism; and finally plant photosynthesis and transpiration. A custom designed, lab-scale production unit is developed in this work to perform experiments and measure various environmental and biological process variables, facilitating the development, calibration, and validation of the proposed models to accurately represent the underlying processes. Using these models with optimal control theory, this thesis develops a framework for implementing the optimal control of plant and insect production units independently, addressing techniques for formulating the necessary optimal control problems under process or model incompleteness and also hardware or process constraints. Optimal control strategies are synthesized to primarily minimize energy and resource utilization while maintaining or even improving biomass yields. The effectiveness of the proposed approach is demonstrated through case studies, showcasing significant reduction in energy and resource utilization while achieving the automation and process goals. Furthermore, this work investigates the efficacy of resource consumption and byproduct exchange between plant production units and insect production units under different resource exchange infrastructures and climate conditions. By identifying the optimal strategies for resource exchange, this thesis shows that the overall resource utilization can be minimized, while maximizing the productivity of both plant and insect production processes, highlighting the possible synergies and sustainability. Overall, the potential of first-principle models and optimal control approaches to optimize yield and resource utilization in climate-controlled (indoor) food production systems is demonstrated with implications of efficient and sustainable food production via smart resource management and integration of production units with potential symbiotic relationships. / Landwirtschaft in kontrollierter Umgebung, insbesondere die Vertikale Landwirtschaft, hat sich als vielversprechender Ansatz erwiesen, um die steigende Nachfrage an Lebensmitteln zu befriedigen und gleichzeitig die Belastungen auf die Umwelt zu verringern. Solche klimatisierten Farmen erfordern jedoch oft einen erheblichen Energie- und Ressourceneinsatz, insbesondere für die künstliche Beleuchtung und die Klimatisierung. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, untersucht diese Arbeit den Einsatz modellbasierter Regelungsansätze zur Optimierung der Energie- und Ressourcennutzung sowohl in unabhängiger als auch in symbiotischer Verbindung. Die Arbeit beginnt mit einem Überblick über bestehende Prozessmodelle und Optimierungstechniken, wobei die Grenzen der derzeitigen Pflanzenwachstumsmodelle und die Notwendigkeit von Modellen für Insektenlarven (Hermitia illucens), die das Wachstum, komplexe Wechselwirkungen zwischen Umweltvariablen, Energie- und Ressourcennutzung beschreiben, aufgezeigt werden. Als Lösungsansatz wird in dieser Arbeit die Entwicklung umfassender Modelle vorgeschlagen, in denen First-Principle-Modelle und empirische Modelle kombiniert werden, um folgende physikalische und biologische Prozesse zu integrieren: die Wärme- und Stoffübertragung; Insektenwachstum, -entwicklung und -stoffwechsel; und Photosynthese und Transpiration der Pflanzen. Dafür wird eine maßgeschneiderte Produktionseinheit im Labormaßstab entwickelt, die dazu dient verschiedene Umwelt- und biologische Prozessvariablen zu messen, welche die Entwicklung, Kalibrierung und Validierung der vorgeschlagenen Modelle zur genauen Darstellung der zugrunde liegenden Prozesse erleichtert. Unter Verwendung dieser Modelle und auf Basis der optimalen Steuerung wird in dieser Arbeit ein Rahmen für deren Umsetzung in den Produktionseinheiten für die jeweilge unabhängige Insekten- und Pflanzenproduktion und für deren gekoppelte Produktion, entwickelt. Dabei werden außerdem Möglichkeiten zur Beschreibung der erforderlichen Optimalsteureungsprobleme evaluiert unter Prozess- oder Modellunvollständigkeit sowie Hardware- oder Prozessbeschränkungen behandelt. Es werden optimalersteuerungsstrategien entwickelt, die die Energie- und Ressourcennutzung minimieren, die Erträge verbessern und gleichzeitig die festgelegten Automatisierungs- und Prozessanforderungen erfüllen. Die Effektivität des vorgeschlagenen Ansatzes wird anhand von Fallstudien demonstriert. Darüber hinaus untersucht diese Arbeit die Effizienz des Ressourcenverbrauchs und des Austausches von Nebenprodukten zwischen den Pflanzen- und Insektenproduktionseinheiten in verschiedenen Infrastrukturen für den Ressourcenaustausch sowie unter verschiedenen klimatischen Bedingungen. Durch die Identifizierung der optimalen Ressourcenaustauschstrategien und intellegentes Ressourcenanagement zeigt diese Arbeit, dass die Gesamtressourcennutzung minimiert werden kann, während die Produktivität sowohl der Pflanzen- als auch der Insektenproduktionsprozesse maximiert wird. Die mögliche Synergien und die Nachhaltigkeit der symbiotischen Beziehungen werden dabei hervorgehoben. Insgesamt wird das Potential von First-Principle-Modellen und Optimalsteuerung zur Optimierung des Ertrags sowie der Ressourcennutzung in klimatisierten Lebensmittelproduktionssystemen aufgezeigt. Dies führt zu einer effizienten und nachhaltigen Lebensmittelproduktion durch intelligentes Ressourcenmanagement und der Integration von Produktionseinheiten mit potenziellen symbiotischen Beziehungen.