Las lechugas que se cultivan como verduras tiernas en la Universidad de Purdue se cosechan 15 días después de plantar las semillas. Las semillas se siembran juntas para minimizar la pérdida de fotones entre plantas. Foto cortesía de Cary Mitchell, Purdue Univ.
Los investigadores del proyecto OptimIA están trabajando para resolver los problemas de control ambiental a los que se enfrentan los productores agrícolas de interior.
Si bien algunos podrían pensar que los desafíos ambientales que enfrentan los productores agrícolas de interior deberían ser relativamente menores y fáciles de superar en un ambiente cerrado, estarían equivocados.
“Algunos de los desafíos y cuellos de botella que enfrentan las granjas de interior incluyen un flujo de aire insuficiente que conduce a un ambiente no uniforme, iluminación que es un desperdicio y cómo se entrega la luz al dosel”, dijo Murat Kacira, director del Centro de Agricultura de Ambiente Controlado (CEAC) en la Universidad de Arizona y miembro del equipo de investigación del proyecto OptimIA. “Además de estos desafíos, están los relacionados con la gestión de la humedad y el agua en el entorno aéreo, así como la identificación de la mejor calidad de luz, intensidad de luz y recetas de luz para cultivos agrícolas de interior”.
Antes del inicio del proyecto OptimIA en 2019, se realizaron encuestas a las partes interesadas en la industria agrícola de interior, incluidos los productores, para determinar cuáles son las áreas de mayor necesidad de investigación.
“Una granja de interior es una caja cerrada”, dijo Kacira. “Sabes lo que entra y lo que sale, pero exige los recursos para controlar ese entorno, que incluyen el control de la luz, la temperatura, la humedad, el dióxido de carbono y todos los demás procesos para hacer crecer el cultivo y cumplir con las expectativas de producción.
“Una granja de interior ofrece un control más estricto que en un ambiente de invernadero. No hay el mismo efecto de la dinámica exterior, por ejemplo, la intensidad de la luz, la temperatura y la recirculación del agua del aire. Ser capaz de recolectar el agua del aire es más fácil en un sistema agrícola interior en comparación con un sistema de invernadero. Hay más capacidad de control cuando se trata de una granja de interior en comparación con un invernadero, por supuesto, con un gasto adicional por el uso de recursos para lograr dicho control”.
Enfocado en el control ambiental
Kacira y su equipo de estudiantes graduados KC Shasteen y Christopher Kaufmann de la Universidad de Arizona son contribuyentes significativos en los aspectos de control ambiental del proyecto OptimIA.
“También estamos considerando la luz porque la luz lleva la energía a las plantas y luego la energía debe liberarse para enfriar y para la transpiración adecuada y el despliegue de nutrientes desde las raíces”, dijo Kacira.
El equipo de Kacira realizó simulaciones por computadora para ayudar a mejorar el flujo de aire e identificar la optimización conjunta de las variables ambientales para el ahorro de energía. Sobre la base de los resultados de la investigación de simulación por computadora, Kaufmann está realizando experimentos en las instalaciones agrícolas verticales de CEAC para evaluar los diseños de sistemas de flujo de aire vertical y horizontal para mitigar la quema de puntas en los cultivos de lechuga. Shasteen y Kacira trabajaron en el modelado con la optimización conjunta de variables, incluidas la luz, la temperatura, la humedad relativa y el nivel de dióxido de carbono.
“Hemos podido cuantificar los resultados de rendimiento y determinar cuál sería el uso de energía para cualquiera de esas estrategias de control ambiental”, dijo Kacira. “Nuestros colegas de OptimIA en el equipo de economía utilizan estos modelos y los resultados y la información que hemos generado a partir de esta investigación. Están desarrollando modelos económicos para una variedad de escenarios de rentabilidad y economía para aplicaciones de granjas de interior y sistemas de granjas de interior.
“Nos enfocamos principalmente en el diseño y optimización de sistemas de flujo de aire, manejo de humedad y co-optimización de variables ambientales principalmente para ahorro de energía. Nuestras colaboraciones también incluyeron a Nadia Sabeh en Dr. Invernadero en el lado de la gestión de la humedad del aspecto del control ambiental”.
Aplicaciones del mundo real
Algunos de los resultados de la investigación del equipo de la Universidad de Arizona relacionados con los diseños, conceptos y recomendaciones de los sistemas de flujo de aire se han incorporado a entornos de cultivo reales en operaciones comerciales.
“Podemos incorporar algunos de los resultados de nuestra investigación en ensayos de sitios comerciales a través de nuestras colaboraciones”, dijo Kacira. “Tenemos más de 20 colaboradores de la industria como parte del proyecto OptimIA. Algunos de los colaboradores mostraron interés en implementar algunos de los diseños de sistemas de flujo de aire, control ambiental y co-optimización de estas variables en sus operaciones. También tendremos la oportunidad antes de que finalice el proyecto OptimIA de implementarlos directamente y evaluar algunos de los resultados de la investigación en entornos comerciales”.
Ahorro en costos de energía
La iluminación de fuente única es el mayor costo de energía de las granjas de interior. Los costos de energía de la granja interior representan al menos el 30 por ciento de los costos operativos totales. Otros costos de energía están relacionados con el funcionamiento de los ventiladores, la deshumidificación y la ventilación.
“El enfoque de la investigación de OptimIA en la Universidad de Purdue es identificar y tratar de reducir los costos de energía relacionados con los cultivos de interior”, dijo Cary Mitchell, profesor de horticultura en la Universidad de Purdue. “Si un productor agrícola de interior está utilizando iluminación de fuente única, ese será el mayor costo de energía. Estas granjas de interior gastan cientos de miles de dólares por año en electricidad y es principalmente para iluminación”.
Mitchell ha estado interesado durante mucho tiempo en la energía como uno de los parámetros que determinan y limitan las ganancias en la agricultura de interior.
“Todos los investigadores de OptimIA están interesados en ahorrar recursos para cultivar verduras de hoja verde y hierbas culinarias en interiores”, dijo. “Ese es el hilo conductor entre todos nosotros. Los investigadores de Purdue se centran en el ahorro de energía. “
Evita desperdiciar luz
Mitchell y la estudiante de doctorado Fatemeh Sheibani están trabajando en la iluminación LED de dosel cerrado. Esta iluminación es similar a la iluminación dentro del dosel que se usa en algunos cultivos de invernadero, incluidos los tomates de alambre alto y las rosas recién cortadas.
“Uno de nuestros hallazgos es que si se reduce la distancia de separación entre las lámparas LED y el cultivo de abajo sin atenuar los LED, la productividad de las plantas aumenta”, dijo.
Los LED son una fuente puntual de luz y gran parte de la luz se irradia como una estrella en todas las direcciones.
“Cuando las lámparas LED se montan en lo alto de una granja interior, gran parte de la luz se dirige hacia un lado oblicuamente”, dijo Mitchell. “No toda la luz se dirige hacia las plantas. Hay una cantidad significativa de fotones desperdiciados que caen fuera del área de recorte. No hay mucho que se pueda hacer al respecto aparte de acercar las luces a las plantas”.
Debido a que los LED son fríos, a diferencia de las lámparas de descarga de alta intensidad (HID), la distancia de separación entre los dispositivos LED y las plantas se puede reducir sin quemar las plantas.
“La distancia de separación se puede reducir para que la mayoría de los fotones emitidos oblicuamente sean realmente capturados por la superficie del cultivo en lugar de salir del borde del banco”, dijo Mitchell. “Independientemente de si los productores colocan lámparas LED a lo largo del banco o al otro lado del banco, no quieren gradientes de crecimiento del cultivo. Los cultivadores quieren tanto crecimiento en los bordes como en el medio del banco. Esto puede hacer que los cultivadores instalen luces no solo en el medio del banco, sino también hacia los bordes. Cuanto más hacia los bordes se montan las luminarias, más fotones se pierden”.
Poner más luz en las plantas.
Sheibani está estudiando dos escenarios de iluminación de dosel cerrado. Un escenario es que a medida que las luces LED se colocan más cerca de las plantas, la luz se atenúa. Aunque la luz se atenúa, hay la misma intensidad de luz en la superficie de la planta porque se capturan más fotones emitidos lateralmente, pero se usa menos electricidad. En un segundo escenario, Sheibani colocó las luces LED más cerca de las plantas, pero no las atenuó.
“En este segundo escenario, colocar los accesorios más cerca de las plantas una vez más redujo la cantidad de pérdida de fotones”, dijo Mitchell. “En este caso, para la misma potencia y uso de energía, los rendimientos de la planta aumentaron porque aumentó la intensidad de luz efectiva. Las plantas crecieron más rápido y más grandes. Cada incremento de espacio más cercano da como resultado una mayor eficiencia de utilización de energía”.
En las granjas verticales de interior, la distancia de separación tradicional entre la parte inferior de las luminarias LED y la parte superior del cultivo es de 40-50 centímetros.
“Hemos probado distancias de separación entre los accesorios y las plantas de 45, 35, 25 y 15 centímetros”, dijo Mitchell. “Descubrimos que la eficiencia en la utilización de la energía aumenta linealmente a medida que las luces se colocan más cerca de las plantas. Esto debería ser relativamente fácil de implementar en la mayoría de las granjas de interior, pero puede requerir algunas modificaciones de diseño por parte de los proveedores de equipos”.
Mitchell explicó que la razón por la que se estudiaron los dos escenarios es porque algunas granjas interiores están equipadas con luces LED no regulables.
“En el caso de las luminarias LED no regulables, cuando las luces se acercan a las plantas, la energía que consumen las luces es la misma, pero el rendimiento aumenta, lo que significa que las plantas crecen más rápido”, dijo. “Esto significa que las plantas pueden alcanzar la misma biomasa y cosecharse antes o la fecha de cosecha puede permanecer igual y se puede producir más biomasa. Esto les da a los productores la opción de usar iluminación de dosel cerrado para lo que mejor se adapte a sus necesidades de producción”.
Mitchell señala que no todas las luminarias LED disponibles comercialmente funcionan bien en aplicaciones de iluminación de dosel cerrado.
“Hay algunas luces LED donde la distribución de colores no es uniforme, donde hay grupos de luz azul”, dijo. “Esto no es gran cosa con una distancia de separación de 45 centímetros entre las luces y las plantas porque con la cantidad de dispersión del haz hay suficiente distancia para que los otros colores se superpongan a la luz azul. Pero cuando las luces se colocan dentro de los 25 a 15 centímetros de la superficie de la planta, hay grupos de luz azul. La luz azul inhibe la expansión de las hojas y promueve la coloración de las hojas. El resultado pueden ser cultivos de aspecto muy extraño si la iluminación del dosel cerrado se realiza con LED con distribución de luz desigual. Afortunadamente para los productores, la mayoría de los arreglos LED comerciales disponibles en la actualidad para la iluminación hortícola son bastante uniformes”.
Para más: Murat Kacira, Universidad de Arizona, Centro de Agricultura de Ambiente Controlado; [email protected]; http://ceac.arizona.edu/. Cary Mitchell, Universidad de Purdue, Horticultura y Arquitectura del Paisaje; [email protected]; https://ag.purdue.edu/department/hla/directory.html#/cmitchel.
Este artículo es propiedad de Urban Ag News y fue escrito por David Kuack, un escritor técnico independiente en Fort Worth, Texas.