diseño y construcción de un sistema hidropónico con iot
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Diseño y Construcción de un Sistema hidropónico con
IoT adaptable a acuaponía
por
Carlos Alberto Ávila Guzmán
Proyecto de Grado
Ingeniería Mecánica
Universidad de los Andes
Mayo de 2018
Bogotá, Colombia
Profesor Asesor:
Giacomo Barbieri, Ph.D.
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Contenido Lista de ilustraciones ......................................................................................................................... 3
Lista de Tablas ................................................................................................................................... 3
1 Objetivos ................................................................................................................................... 4
2 Introducción .............................................................................................................................. 5
3 Estado del arte .......................................................................................................................... 8
3.1 Contexto Colombiano ....................................................................................................... 8
3.2 Plantas ............................................................................................................................... 9
3.2.1 Diferencias de Cultivos con y sin suelo ..................................................................... 9
3.2.2 Nutrientes................................................................................................................ 10
3.2.3 Estimación de nutrientes ........................................................................................ 12
3.2.4 Demanda de nutrientes .......................................................................................... 13
3.2.5 Sustratos y medios para cultivos hidropónicos ....................................................... 15
3.3 Hidroponía ....................................................................................................................... 19
3.3.1 Técnica de película de nutrientes (NFT) .................................................................. 20
3.3.2 Sistema flotante (RAFT, DFW o DWC) ..................................................................... 21
3.3.3 Camas de grava y sistemas de sifón (flood and drain o Ebb and flood) .................. 21
4 Metodología ............................................................................................................................ 22
4.1.1 Diseño conceptual ................................................................................................... 22
5 Sistema IoT (internet de las cosas) .......................................................................................... 32
6 Caso de estudio (aplicación de la metodología) ..................................................................... 34
6.1 Plantas ............................................................................................................................. 34
7 Conclusiones............................................................................................................................ 37
8 Trabajos Futuros ...................................................................................................................... 38
9 Anexos: .................................................................................................................................... 39
10 Referencias .......................................................................................................................... 42
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Lista de ilustraciones
Ilustración 1. Estado actual de Fosforo, nitrógeno, y agua fresca (Steffen et al., 2015) .................. 5
Ilustración 2. acumulación de peso seco DW como una función del tiempo en la lechuga tomado
de (Xu,G ;Levkovitch, I; Soriano, 2004) ........................................................................................... 14
Ilustración 3. toma de N P K para una planta de lechuga tomado de (Xu,G ;Levkovitch, I; Soriano,
2004) ............................................................................................................................................... 15
Ilustración 4. proceso de diseño en ingeniería, tomado de (Dieter, 2009) .................................... 22
Ilustración 5, bosquejos iniciales de posibles sistemas para resolver el sistema hidropónico,
imagen 1: sistema aeropónico, imagen 2: sistema NFT radial, imagen3 sistema hidropónico con
inclinación. ...................................................................................................................................... 25
Ilustración 6 Matriz HOQ definición del problema e identificación de valores target. tomado de
(Dieter, 2009) .................................................................................................................................. 26
Ilustración 7 primera iteración sistema NFT conceptual ................................................................ 27
Ilustración 8 segunda iteración sistema NFT conceptual con múltiples electroválvulas ................ 28
Ilustración 9. diagrama esquemático de sistema casi definitivo y con sensores ............................ 28
Ilustración 10 sistema de alerta cuando la humedad en el medio del NFT es menor al 10% ........ 32
Ilustración 11, gráficos de ejemplo obtenidos por el servidor en tiempo real ............................... 33
Ilustración 12 interfaz para celular de medida de humedad en el suelo IoT .................................. 34
Ilustración 13 calibración de higrómetro ........................................................................................ 39
Ilustración 14. bandeja raft para el tanque en poliestireno expandido cortado a laser................. 39
Ilustración 15 diferentes etapas de la planta, y medición .............................................................. 40
Ilustración 16 bio-bola y biofiltro .................................................................................................... 40
Ilustración 17 ensamble montaje final ............................................................................................ 41
Lista de Tablas Tabla 1. Diferencias principales entre cultivos con suelo y sin suelo tomado de(Highfield, 2014) 10
Tabla 2. rango de concentraciones de elementos fundamentales, para soluciones nutritivas en
plantas tomado de: (Silber & Bar-Tal, 2008) ................................................................................... 11
Tabla 3. requerimientos funcionales del proyecto ......................................................................... 23
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1 Objetivos
Universidad de los andes General:
Diseño y construcción de un módulo hidropónico con IoT para piscicultura Especifico:
• Proceso de desarrollo y diseño en ingeniería del módulo.
• Generación de Big Data, del módulo.
• Diseño de la lógica de control del módulo hidropónico
• Desarrollo, construcción e implementación del cultivo hidropónico
• Verificación del sistema hidropónico.
Cliente objetivo
General:
• Desarrollar un producto funcional (modulo hidropónico)
Especifico:
• Viable económicamente (precio menor a 2 SMLV)
• Fácil ensamble e implementación
• Desarrollable en 16 semanas
• Peso máximo 100 Kg
• Generar alertas con IoT
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2 Introducción
A lo largo de la historia humana, la agricultura ha sido un pilar fundamental en la evolución
tecnológica del ser humano debido a que esto permitió el desarrollo de el nomadismo, no
obstante, la agricultura se está viendo afecta debido a la demanda incremental de recursos
y comida en el mundo. Elementos como el Fosforo (necesario para la formación de raíces,
semillas frutos y flores, entre otros), el Nitrógeno (necesario para la producción de hojas,
proteínas y componentes de la clorofila, entre otros) y el agua fresca, se encuentran
actualmente en términos de cantidad y disponibilidad de recursos en una zona de
incertidumbre y de riesgo incremental en variadas zonas de Europa y en una zona de alto
riesgo para Norte América como se observa en la Ilustración 1 . (Steffen et al., 2015)
Ilustración 1. Estado actual de Fosforo, nitrógeno, y agua fresca (Steffen et al., 2015)
Por consiguiente, el desarrollo de soluciones que permitan la recirculación y disminución
de desperdicio, tanto de nutrientes como de agua es necesario. haciendo altamente viable la
hidroponía como una alternativa a la agricultura, donde inicialmente se da un cultivo sin
suelo. Elementos como el Fosforo, el Nitrógeno y el agua no se desperdician en un alto
grado como si ocurre en la agricultura convencional. (Delaide et al., 2017)
Adicionalmente un campo que actualmente ha tomado mucha fuerza en la industria de la
agricultura es la piscicultura, que consiste en la cría y crecimiento controlado de peces. De
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la unión de estos dos campos, hidroponía y piscicultura, surge una nueva rama llamada
acuaponía.
La acuaponía principalmente se define como la integración de un cultivo vegetal con un
sistema recirculante de agua con desechos de peces, conocido como RAS (Recirculating
Aquaculture System). los sistemas hidropónicos convencionales necesitan fertilizantes
minerales adicionales necesarios para las plantas, conocidos como soluciones nutritivas
mayores y menores, necesarios de suplir debido a la ausencia de suelo con minerales.
En los cultivos tipo RAS estos fertilizantes minerales pueden ser reducidos puesto que son
suplidos a partir del “agua de desechos” producida por los peces, que es rica en nutrientes
necesarios para el crecimiento de las plantas. Y las plantas se benefician a partir de la
remoción de nitrógeno y fósforo disuelto, que es malo para los peces en altas
concentraciones, este proceso es posible debido al crecimiento en conjunto con las plantas
de bacterias nitrificadoras, que le agregan oxígeno al amonio y a los nitritos, produciendo
así nitratos mediante un proceso conocido como nitrificación. (Forchino, Lourguioui,
Brigolin, & Pastres, 2017)
La unión entre peces, plantas y bacterias nitrificadoras crea una relación simbiótica, que
beneficia a los tres organismos y reduce al máximo la cantidad de recursos necesarios para
el cultivo de plantas y peces, haciendo ciclos muy similares a los que se dan naturalmente
en los lagos y las plantas de sus alrededores. Donde los nutrientes excretados por los peces
son aprovechados por las plantas, las bacterias nitrificadoras obtienen energía a partir del
amonio y los nitritos, que son perjudiciales para los peces, a su vez el agua que antes era
parte de los desechos de los peces es recirculada y aprovechada por los organismos.
Disminuyendo los residuos y el consumo de agua, donde la única perdida de agua se da
prácticamente por la evaporación en las plantas, reduciendo el impacto económico y
ambiental de recursos que actualmente se encuentra en niveles críticos.
No obstante, aunque el ciclo es muy completo, posee una complejidad biológica, puesto que
es necesario el control de diferentes parámetros con el fin de que los organismos puedan
vivir y realizar sus funciones vitales de forma adecuada (información que será presentada
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en el estado del arte), por tanto, surge la necesidad de realizar un sistema de control
electrónico de diferentes variables, necesarias para el correcto funcionamiento del sistema.
En términos de Domínguez et al, la inteligencia computacional, principalmente en los
parámetros de monitoreo y control automático, es una herramienta de desarrollo. La
instrumentación y la automatización en la acuaponía proveen una oportunidad de maximizar
la calidad y la cantidad de la producción. Generando las siguientes ventajas: un buen control
provee un sistema más preciso y seguro, se reduce la cantidad de trabajo humano
especializado, una menor cantidad de movimiento de personas implica una menor
probabilidad de entrada de enfermedades en las plantas, se puede mejorar el consumo
eléctrico del sistema, se puede dar un aumento en la productividad del cultivo y finalmente
con el tiempo se produce una sería de “Big Data” que a futuro puede ser analizada y
evaluada para mejorar la producción. (Domingues, Takahashi, Camara, & Nixdorf, 2012)
Para términos prácticos del proyecto, se miden los siguientes parámetros mediante un
microprocesador: Temperatura del agua del repositorio de las bacterias, humedad relativa
en 3 puntos del sistema y PH en el repositorio de las bacterias, adicionalmente se controlaron
las siguientes variables: humedad relativa con el fin de solucionar problemas por falta o
exceso de agua y se controló la temperatura del repositorio de las bacterias.
Por tanto, el propósito principal de este proyecto es diseñar y desarrollar un módulo de
sistema hidropónico semi-automatizado, dadas todas las ventajas planteadas con
anterioridad, que busca ser implementado a futuro en un sistema de piscicultura, con el fin
de que el cultivo hidropónico no solo generé una producción de plantas si no también que a
futuro pueda acoplarse a un tanque con peces y actuar como filtro biológico.
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3 Estado del arte
3.1 Contexto Colombiano
En el caso de Colombia, la producción de sistemas Acuapónicos es muy reducida.
Principalmente se evidencian sistemas de piscicultura e hidroponía independientes los unos
de los otros. la mayoría de los sistemas acuapónicos existentes son de pequeña escala y no
de uso industrial. A niveles industriales el gobierno colombiano, ha estado desarrollando
programas para el incremento en la producción, consumo interno y exportación de pescado,
que buscan apalancar este tipo de industria.
De los ministerios existentes, el de Agricultura y desarrollo rural, se encuentra haciendo
alianzas público-privadas para incrementar el número de partes interesadas en el desarrollo
de la piscicultura. (FOOD AND AGRICULTURE ORGANIZATION OF THE
UNITEDNATIONS, 2015)
Haciendo de la acuaponía una oportunidad de inversión en el contexto de Colombia, donde
adicionalmente se tienen ventajas debido a factores como la ubicación, el clima y recursos
hídricos entre otros. por tanto, la hidroponía es un recurso que puede ser explotado a partir
de mejoras en la compra, la venta, la exportación y en un producto más saludable a partir
de la implementación de políticas por parte del gobierno.
A partir de métodos como el mencionado con anterioridad RAS, es posible disminuir en el
consumo de agua y nutrientes, dando dos productos en simultaneo como lo son el pescado
y las plantas. Actualmente Colombia se encuentra exportando Tilapia y trucha
principalmente, teniendo un mercado para especies que son fácilmente adaptables para
sistemas acuapónicos.(Mario Esteban Muñoz Gutiérrez, 2012)
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3.2 Plantas
Debido a la ausencia de suelo en la hidroponía y en la Acuaponía, es necesario evaluar que
plantas pueden desarrollarse en las condiciones específicas de estos tipos de cultivos. Las
principales diferencias entre los cultivos con y sin suelo, se basan principalmente en: el uso
de fertilizantes, el consumo de agua y la productividad.
3.2.1 Diferencias de Cultivos con y sin suelo
Uno de los principales factores en los cultivos con suelo, es el control de la entrega de
nutrientes a las plantas debido a que este proceso se da de forma compleja en el suelo, tales
como interacciones bióticas y abióticas, adicionalmente en los cultivos con suelo, se deben
agregar fertilizantes y los nutrientes deben ser absorbidos por el suelo, para luego ser
absorbidos por las raíces de las plantas.
De forma contraria, en los cultivos sin suelo como los hidropónicos y acuapónicos, los
nutrientes son entregados a las plantas en forma de soluciones disueltas en el agua y pueden
ser entregadas según las necesidades de las diferentes plantas. Lo cual genera dos ventajas
principales: la primera: los nutrientes se desperdician menos debido a los sistemas
recirculantes, y la segunda: los nutrientes pueden ser monitoreados y corregidos de forma
más fácil que en un sistema convencional. Debido a la ausencia de suelo en este tipo de
cultivos, para poder entregar los nutrientes es necesario un medio inerte, puesto que no debe
interferir con la entrega y absorción de nutrientes, adicionalmente este medio debe servir
como soporte para el crecimiento de la planta y de sus raíces.
Otro factor diferencial importante es el uso del agua, en los cultivos tradicionales con suelo,
una gran cantidad de agua es desperdiciada por: evaporación superficial, la transpiración de
las hojas de las plantas y la filtración de agua a capas inferiores del suelo. Mientras que en
sistemas recirculantes sin suelo el agua se pierde principalmente por la transpiración en las
hojas, necesitando aproximadamente solo un 10% del agua necesaria en un cultivo con
suelo.(Highfield, 2014)
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Las principales diferencias pueden ser vistas en la siguiente tabla:
Tabla 1. Diferencias principales entre cultivos con suelo y sin suelo tomado de(Highfield, 2014)
3.2.2 Nutrientes
Las plantas absorben diferentes elementos desde sus raíces, se han encontrado más de 50
elementos diferentes en distintas plantas, sin embargo, no todos estos elementos son
fundamentales para el desarrollo y crecimiento. Los nutrientes requeridos por las plantas
verdes son exclusivamente inorgánicos. Donde los nutrientes fundamentales se definen
como aquellos requeridos para el ciclo de vida de las plantas y que cuya funcionalidad no
puede ser remplazada por ningún otro elemento. Estos nutrientes se clasifican en
macronutrientes y micronutrientes, donde los primeros respectivamente son aquellos que se
necesitan en una gran cantidad (hidrogeno, oxigeno, carbono, nitrógeno, fosforo, calcio,
potasio, sulfuro y magnesio) mientras que los segundos son aquellos que se requieren en
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una menor cantidad (hierro, manganeso, boro, zinc, cobre, molibdeno, sodio y selenio).
(Silber & Bar-Tal, 2008)
En los sistemas acuapónicos el agua de los peces proporciona 10 de los 13 necesarios. Sin
embargo, niveles como los de hierro, calcio y potasio, generalmente son muy bajos en el
agua de los peces y por tal motivo deben ser suministrados externamente. Los cuales pueden
ser entregados a partir del hidróxido de calcio y el hidróxido de potasio, que a su vez
permiten regular el PH, mientras que el hierro, es agregado como un componente quelado
(donde el hierro esta unido a una estructura orgánica con el fin de que no se precipite en el
fondo del tanque). (Rakocy, 2007)
Sin embargo, como el proyecto en esta etapa de la investigación no contará con peces, los
nutrientes son suplementados externamente y las proporciones que deben ser utilizadas
serán descritas a continuación:
Tabla 2. rango de concentraciones de elementos fundamentales, para soluciones nutritivas en plantas tomado de: (Silber & Bar-Tal, 2008)
No obstante, las concentraciones de nutrientes mostradas en la Tabla 2, no tienen en cuenta
los factores: tiempo, crecimiento de las plantas, tipo de planta y lugar donde se encuentra,
es una guía ilustrativa básica de lo que se requiere, los nutrientes deben ser calculados como
se expresará más adelante.
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3.2.3 Estimación de nutrientes
En 1909, E.A. Mitscherlich desarrolló una ecuación que relaciona el crecimiento con el
suministro de nutrientes de plantas. Observó que cuando las plantas recibían cantidades
adecuadas de todos los nutrientes menos uno, el crecimiento es proporcional a la cantidad
de este elemento limitante que no se suministró completamente al suelo. finalmente, el
crecimiento de la planta aumentó a medida que más de este elemento fue agregado, pero no
en una proporción directa a la cantidad agregada.(Silber & Bar-Tal, 2008) Mitscherlich
expresó esto matemáticamente como:
𝑑𝑦
𝑑𝑥= (𝐴 − 𝑦)𝐶 (1)
donde y es el rendimiento, x es la cantidad de nutrientes, A es el rendimiento potencial que
se obtiene suministrando todos los factores de crecimiento en sus cantidades óptimas y C es
el constante de proporcionalidad que depende del factor de crecimiento individual. (Silber
& Bar-Tal, 2008) Si se integra la expresión se tiene:
𝑦 = 𝐴(1 − 𝑒−𝐶𝑥) (2)
Mitscherlich encontró que el valor de C es0.122 para N (nitrógeno), 0.60 para P (fosforo) y
0.4 para K (potasio). Diferentes investigaciones desde Mitscherlich han encontrado que C
no es, de hecho, constante, pero varía ampliamente con cultivos cultivados bajo diversas
condiciones climáticas. Por lo tanto, el valor de C debe determinarse para el elemento de
interés bajo las condiciones climáticas del sistema.(Silber & Bar-Tal, 2008) Se ha
desarrollado una extensión de este concepto para el caso en cuáles dos o más factores limitan
el crecimiento:
𝑦 = 𝐴(1 − 𝑒−𝐶1𝑥1)𝐴(1 − 𝑒−𝐶2𝑥2) … 𝐴(1 − 𝑒−𝐶𝑛𝑥𝑛) (3)
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En la ecuación anterior la tasa de aplicación no se considera, ni la tasa de crecimiento ni el
consumo de nutrientes en función del tiempo. El principal problema de la fertilización de
sustrato y de plantas cultivadas en el suelo es el volumen limitado de sustratos, lo que
significa menor capacidad de amortiguación debido a la ausencia de suelo, para la
composición de la solución y el suministro limitado de nutrientes (factor de capacidad).
Estos dos factores se pueden definir como los factores de cantidad e intensidad. La cantidad
factor es la demanda por planta como se describe en la siguiente sección. Las
concentraciones de raíces y nutrientes tienen efectos complementarios, ya que la tasa de
captación es la integral del [área de flujo × superficie de la raíz (o longitud)] en un sub-
volumen de suelo dado, sobre el número total de sub-volúmenes en el perfil del suelo. El
flujo F está determinado por la concentración de nutrientes en el suelo y el área superficial
de la raíz, como se muestra por Michaelis-Menten. (Silber & Bar-Tal, 2008) Ecuación:
𝐹 = 𝐹𝑚𝑎𝑥 𝐶𝑟
𝐾𝑚 + 𝐶𝑟 (4)
Donde C se encontró con anterioridad, 𝐹𝑚𝑎𝑥 y 𝐾𝑚 son coeficientes de la planta que se
obtienen experimentalmente mediante hacer fluir soluciones nutritivas completas a las
plantas. El cálculo de los diferentes C y F ha permitido desarrollar modelos para simular la
absorción de nutrientes y la influencia en el crecimiento. Lo que permite la optimización de
procesos en términos de cantidad de nutrientes, mejorando el ámbito económico del sistema.
(Silber & Bar-Tal, 2008)
3.2.4 Demanda de nutrientes
En la lechuga la demanda de nutrientes varía durante el crecimiento del cultivo. Existen
diferencias considerables en la tasa de crecimiento y en el tiempo en que la tasa máxima de
consumo de nutrientes se produce dependiendo de los tipos de cultivos y entre las variedades
de especies de plantas. En muchos casos, la función de consumo de nutrientes no se
comporta de forma monótona, sino que exhibe cambios en las diferentes etapas fisiológicas
de la planta. Básicamente, la tasa de requerimiento de nutrientes en cada fase de crecimiento
está asociada a dos procesos predominantes: formación de nuevos tejidos vegetales
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vegetativos; y formación de órganos reproductivos (flores, frutas, semillas, etc.). Los
requisitos de nutrientes para el peso seco (DW) aumentan principalmente relacionado con
la tasa de fotosíntesis, que se ve afectada por diversos factores meteorológicos como la
radiación fotosintéticamente activa (PAR), la temperatura y la humedad del aire, el viento
velocidad y posición de azimut solar. Sin embargo, además de los aspectos climáticos, otros
factores de crecimiento pueden limitar la producción de biomasa. La fase de crecimiento
inicial se caracteriza comúnmente por una tasa exponencial, ya que cada hoja nueva busca
la interceptación de la luz y la producción de biomasa. En fases avanzadas de crecimiento
la producción de la lechuga se caracteriza por crecimiento vegetativo rápido, dado por una
tasa exponencial como se puede observar en la Ilustración 2. (Silber & Bar-Tal, 2008)
Ilustración 2. acumulación de peso seco DW como una función del tiempo en la lechuga tomado de (Xu,G ;Levkovitch, I; Soriano, 2004)
Adicionalmente la curva del consumo de nutrientes depende de la curva de producción de
materia seca (Ilustración 2), pero hay diferencias entre las dos curvas, que varían con la
etapa de desarrollo y entre nutrientes específicos. Las principales diferencias entre las
curvas de consumo de varias hortalizas surgen de las diferencias entre sus patrones de
crecimiento, es decir producción continua o producción concentrada.
Las tasas diarias de absorción de nutrientes pueden derivarse de las curvas de consumo de
nutrientes, y aquellas que dan como resultado un rendimiento óptimo son específicas de los
cultivos y dependen de las condiciones climáticas, pero son independientes de las
características del suelo y de técnicas de riego. Si no se tienen en cuenta los cambios en la
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tasa de absorción de nutrientes en el tiempo, se pueden ocasionar períodos de sobre-
fertilización y falta de fecundación en las plantas.
La sobre-fertilización puede aumentar la salinidad del suelo y producir contaminación
ambiental, mientras que la falta de fertilización puede dar como resultado una deficiencia
de nutrientes y una reducción del crecimiento de las plantas. En la Ilustración 3 se pueden
observar las tazas de absorción de nutrientes por un cultivo vegetativo típico
(lechuga).(Raviv, Lieth, & Silber, 2008)
Ilustración 3. toma de N P K para una planta de lechuga tomado de (Xu,G ;Levkovitch, I; Soriano, 2004)
3.2.5 Sustratos y medios para cultivos hidropónicos
Los componentes de los medios de cultivo sin tierra y las mezclas utilizados en la
horticultura se seleccionan principalmente en función de sus características físicas y
químicas, en particular, por su capacidad superior para proporcionar simultáneamente
niveles suficientes de oxígeno y agua a las raíces. Los sustratos deben ser porosos y tener la
capacidad de contener el agua con fuerzas bajas, para que las plantas puedan extraerla
fácilmente y experimenten un menor riesgo de deficiencia de agua y oxígeno. Algunos
ejemplos de medios de crecimiento son: lana de roca, poliuretano, perlita, vermiculita y
otros. Los medios deben ser libres de plagas, y se deben poder desinfestar entre los ciclos
de crecimiento en caso de contaminación o alguna enfermedad. También deben ser
químicamente neutros y permitir el control del pH y la disponibilidad de nutrientes en la
zona de la raíz.(Papadopoulos, Bar-Tal, Silber, Saha, & Raviv, 2008) se expondrán algunos
de los medios de crecimiento más relevantes.
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3.2.5.1 Arena
La arena es la fracción gruesa del suelo mineral. Se define por la Sociedad Internacional de
Ciencias del Suelo como: partículas arriba 0.02 mm de diámetro, y además se separa en: (i)
arena gruesa, 0.2-2.0 mm; y (ii) arena fina, 0.02-0.2 mm. La arena pura es ampliamente
utilizada en los desiertos y costas debido a que es una fuente barata, local y natural.
A menudo se utiliza como cama de cultivo en el suelo sobre una película de polietileno que
la separa del suelo.
El tamaño de partícula y la distribución de la arena a menudo es muy variable lo que puede
causar problemas. La profundidad requerida de la capa de arena depende del rango de
diámetro de partícula. Cuanto más fina es la arena, más profunda la capa de arena requerida
para evitar la acumulación de agua y la mala aireación de las raíces. La arena también se
usa como un componente de varios sustratos, sirve como lastre para plantas pesadas y en
viveros al aire libre. La arena es muy duradera porque no se altera química o biológicamente
durante su uso como medio de crecimiento. La arena desechada se puede usar en
infraestructura y construcción, por lo tanto, no plantea problemas de contaminación
ambiental.
3.2.5.2 Toba
La toba es el nombre común para los piroclásticos (Piro griego 'fuego', y fragmento de
Klastos ') material volcánico, caracterizado por alta porosidad y área de superficial. la toba
posee una gran capacidad de amortiguación y puede adsorber o liberar nutrientes,
especialmente el fosforo durante el período de crecimiento de las plantas. La estabilidad
química de la toba depende de su composición mineralógica. la toba negra es inestable y se
disuelve fácilmente en una solución por debajo de pH 6, mientras que las tobas rojas y
amarillas son más estables. Un ácido (pH inferior a 5), puede ser riesgoso para la toba debido
a la toxicidad generada por Al y Mn. Adicionalmente la toba es un material estable, que
puede durar por muchos años, Las plantas en crecimiento pueden mejorar las propiedades
químicas de la toba debido a la acumulación de materia orgánica y ácido fúlvico de bajo
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peso molecular. Se pueden usar tratamientos con vapor, solarización o químicos para
limpiarla y quitar las plagas. (Papadopoulos et al., 2008)
3.2.5.3 Piedra pómez
La piedra pómez al igual que la toba volcánica, es un producto de actividad volcánica y
generalmente se forma a partir de lavas silícicas desarrolladas en la composición riolítica.
La rápida liberación de gases y presión durante las erupciones volcánicas conducen a la
expansión del gas y la formación de materiales de baja densidad, como lo es la piedra
pómez. Es común en áreas ricas en actividad volcánica, como las Azores portuguesas, las
islas griegas, Islandia, Japón, Nuevo Zelanda, Rusia, Sicilia, Turquía y los Estados Unidos.
La materia prima se extrae de canteras, molidas y tamizadas según especificaciones.
La capacidad de la piedra pómez es relativamente baja en comparación con: lana de roca,
perlita o
sustratos orgánicos adicionalmente la piedra pómez puede limitar la absorción de agua y
nutrientes por las plantas, especialmente en climas cálidos. La piedra pómez no tiene
capacidad de amortiguación y posee una carga superficial muy baja, derivada
principalmente de las impurezas de carbonatos y metales. Es estable incluso a un pH de
2.(Papadopoulos et al., 2008)
3.2.5.4 Perlita
La perlita es una roca volcánica vidriosa con una composición riolítica y un 2-5 por ciento
de agua combinada). Las principales reservas conocidas de perlita del mundo (alrededor de
70 por ciento) se encuentran a lo largo de la costa Egea en Turquía. La perlita comercial es
producida calentando la tierra, luego se tamiza el material entre 760-1100° C. El agua que
se encuentra dentro de la perlita se convierte en gas, debido a la alta temperatura del horno.
Posteriormente el volumen de la perlita se expande 4-20 veces su volumen original, lo que
resulta en un material de bajo peso y con alta porosidad.
La perlita se usa con frecuencia en mezclas de tierra para macetas y como un elemento
independiente del medio. La Perlita tiene una fuerza capilar fuerte y puede mantener de 3 a
4 veces su peso en agua. el agua retenida en 10 kPa es mucho más alta para la perlita de
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fracción gruesa (0.5-1.0 mm de diámetro) que para la perlita de fracción fina (0.25-0.50 mm
de diámetro). Esta diferencia en retención de agua la capacidad entre las fracciones gruesa
y fina indican que la mayor parte del agua se retiene por las partículas gruesas en los poros
internos.
La perlita es neutra con un pH de 7.0-7.5, pero no tiene una buena capacidad de
amortiguación y no contiene nutrientes minerales. Cuando el pH es muy bajo, hay un riesgo
de liberación tóxica de Al en la solución. La perlita es un producto estéril, ya que es
producido a una temperatura muy alta. Químicamente, la perlita es un material estable, que
puede durar varios años; su estabilidad no se ve muy afectada por los ácidos o
microorganismos. La reutilización de perlita sin procesamiento para cultivos sucesivos es
un proceso arriesgado debido a la compactación de los medios y el suelo, la acumulación
de sal y la contaminación por plagas. Reemplazar perlita usada por nuevos medios para
obtener cultivos sucesivos es costoso, y recuperar el gasto vendiendo el producto a un precio
más alto puede no funcionar bien. (Silber & Bar-Tal, 2008)
3.2.5.5 Arlita o arcilla expandida
La arcilla expandida es un producto granular con una estructura cristalina con porosidad
interna. Es producido formando la arcilla en pellets y luego poniéndola en hornos rotatorios
a 1200 C; a esta temperatura, se libera un gas y se expande la arcilla, la materia prima debe
tener un bajo contenido de sales solubles para que las sustancias como la cal, no se agreguen
a la arlita durante el proceso. De lo contrario, la sal puede lixiviarse durante el cultivo. El
tamaño de la arlita utilizado en horticultura es de 4-8 o 4-16 mm. Los gránulos de arcilla
expandidos se han utilizado en la horticultura desde 1936, se ha demostrado la arlita no tiene
cambios significativos en sus características físicas después de 5 años de cultivo intensivo.
Los gránulos de arcilla expandida son neutros, con un pH de aproximadamente 7.0. La arlita
es un material inerte con capacidad de almacenamiento en búfer y estéril. Después de su
uso, puede lavarse y ser esterilizado sin ningún efecto perjudicial. (Papadopoulos et al.,
2008)
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3.3 Hidroponía
Como se mencionó con anterioridad, los sistemas hidropónicos tienen la característica de
que el agua es recirculante y no necesitan específicamente de tierra como medio de
crecimiento, a lo largo del tiempo diferentes tipos de sistemas hidropónicos se han
desarrollado y hay una gran cantidad de tecnologías existentes.
La elección de un sistema de cultivo hidropónico para adaptarlo a un acuapónico debe
principalmente basarse en las ventajas de cada tipo de sistema hidropónico especifico, por
ejemplo: los sistemas de cama de grava (GRAVEL BED) pueden eliminar el requisito de
un biofiltro separado, ya que el sustrato también actuará como sustrato para la nitrificación
bacterias, y por lo tanto reemplaza los biofiltros convencionales. Del mismo modo, el
sustrato de la cama de grava también puede actuar como un medio de filtrado. Por otro lado,
los defensores de los componentes hidropónicos flotantes o en balsas (RAFT) argumentan
que los sustratos de arena o grava son excesivamente pesados y pueden fácilmente
obstruirse, lo que conduce a la canalización del agua, biofiltración ineficiente y falta de
nutrientes en las plantas. Mientras que los sistemas de película de nutrientes (NFT), que
utilizan una fina película de agua que normalmente fluye por un canal estrecho, con raíces
parcialmente en la película de agua, poseen diferentes ventajas sobre la cama de grava y los
sistemas flotantes como: la facilidad y las ventajas económicas de la construcción, el peso
sustancialmente más bajo de los componentes. No obstante, los sistemas NFT aún no han
sido muy investigados en sistemas de acuaponía, a pesar de requerir menores volúmenes de
agua y ser uno de los más utilizados y mejor comprendidos en los sistemas de cultivo
hidropónico. (Lennard & Leonard, 2006) por tanto el fin de esta parte del documento es
discutir los principales sistemas hidropónicos.
20
3.3.1 Técnica de película de nutrientes (NFT)
La Técnica de la película de nutrientes (NFT) implica cultivar plantas en una capa delgada
de solución nutritiva alrededor de las raíces, sin el uso de un sustrato específico. Cuando el
sistema NFT apareció por primera vez, parecía ser un sistema de crecimiento ideal porque
permite un control óptimo sobre el riego de las raíces sin un substrato, sin embargo, los
sistemas NFT se usan solo para algunos cultivos debido a los gastos y la dificultad de
resolver una variedad de problemas técnicos relacionado con la falta de un posible
amortiguador (muy poca cantidad de los substratos descritos en la parte de medios de
cultivo) y en la facilidad con la que pueden surgir de enfermedades en las plantas.
Técnicamente la mayoría de los cultivos podrían cultivarse en un sistema NFT, pero la
adopción generalizada de este tipo de sistemas no ha ocurrido probablemente porque tales
sistemas carecen de la capacidad de amortiguar, incluso la menor interrupción en el
suministro de agua y nutrientes genera un riesgo considerable en la planta, debido a que se
pueden propagar enfermedades transmitidas por el agua estancada a la raíz.
El sistema consiste en un tubo con una pendiente del 0.3 al 2%, las raíces de la planta se
mantienen dentro del fondo del tubo mientras la solución de nutrientes se aplica
continuamente. En el extremo inferior del tubo la solución es drenada. La capa de solución
de nutrientes debe ser lo más delgada posible, casi como una película.
El ancho del canal varía según el cultivo; los canales de 4-8 cm son suficientes para cultivos
como la lechuga, mientras que para tomate y pimiento dulce se necesitan canales de 15 cm.
La longitud del canal puede variar entre 1 y 20 m. Las verduras fructíferas se benefician de
un índice de flujo más rápido. Un flujo más lento puede que sea adecuado para mantener
las raíces cubiertas de agua, pero puede no ser adecuado en un sistema NFT; puesto que, si
el caudal es demasiado bajo, el problema no es la falta de agua, pero si la falta de nutrientes,
especialmente para las plantas cuyas raíces están en el lugar con menor inclinación pues
están expuestas al agua de la que muchas otras plantas ya han extraído algunos nutrientes,
haciendo que Las últimas plantas en el sistema obtengan menos nutrientes,
especialmente potasio. A veces se hace una distinción en los caudales necesarios para un
cultivo joven (2 litros por minuto) versus un cultivo maduro (5 litros por minuto).(Van Os,
Gieling, & Lieth, 2008)
21
3.3.2 Sistema flotante (RAFT, DFW o DWC)
En los sistemas tipo draft las raíces están continuamente expuestas a agua en movimiento y
nutrientes, las raíces pueden estar sumergidas en el agua, mientras que con el sistema NFT
el agua fluye como una película siendo lo más delgada posible, en los sistemas tipo raft la
solución de nutrientes tiene una profundidad de aproximadamente 5-15 cm. El gran buffer
o capacidad de amortiguamiento del agua y la cantidad de nutrientes lo hacen
considerablemente más simple para controlar. Solo una fracción relativamente pequeña del
agua y de nutrientes es realmente absorbida por las plantas.
El gran volumen de agua también amortigua la temperatura, haciendo que el sistema sea
práctico en regiones donde las fluctuaciones de temperatura de las soluciones de nutrientes
pueden ser un problema. El ancho de los canales en un sistema raft son típicamente
alrededor de 100-130 cm. Las plantas se aseguran en agujeros en paneles de poliestireno
por medio de una espuma de poliuretano; los paneles flotan en el agua. El sistema a menudo
se instala a la altura de trabajo para que cultivos como la lechuga o las hierbas se pueden
plantar y cosechar fácilmente.(Van Os et al., 2008)
3.3.3 Camas de grava y sistemas de sifón (flood and drain o Ebb and flood)
En este tipo de sistemas las plantas son cultivadas en contenedores mediante un sistema de
riego por inundación en una bandeja, tanque o piso hermético. Durante el riego, el agua
fluye hacia la bandeja o piso para que el sustrato de cada planta se sumerja a medida que se
inunda el sistema. La duración requerida de la inundación depende de la conductividad
hidráulica del sustrato en los contenedores.
La duración debe ser adecuada para permitir que el agua se absorbida por la raíz:
generalmente 10-30 minutos si el sustrato tiene alta conductividad hidráulica insaturada (se
requiere de más tiempo, cuando el sustrato no tiene buena conductividad). Luego de esto la
bandeja o tanque se drena, permitiendo así que a el sustrato también se drene.
El sistema debe tener canales de drenaje diseñados para maximizar la uniformidad en el
contenido de agua a través del tanque y en todas las plantas. Es importante que el agua sea
drenada completamente para prevenir enfermedades en la raíz. Si quedan puntos húmedos
22
alrededor de la planta se pueden dar: crecimiento de algas, enfermedades de la raíz y riego
desigual.(Van Os et al., 2008)
4 Metodología
La metodología a seguir para el correcto desarrollo del proyecto es la planteada por (Dieter,
2009), que consta de 8 etapas que serán ilustradas a continuación:
Ilustración 4. proceso de diseño en ingeniería, tomado de (Dieter, 2009)
4.1.1 Diseño conceptual
4.1.1.1 Identificación del problema
El diseño conceptual abarca los tres primeros puntos del diagrama y será explicado a
continuación. La definición del problema partió inicialmente de objetivos del alcance del
problema. Para facilitar este proceso, los objetivos se dividieron en dos puntos de vista
diferentes: el primero se enfoca en el ámbito académico y busca satisfacer un problema
enfocado a la investigación, en este objetivo se busca desarrollar toda la parte de
investigación y experimentación para entender los sistemas hidropónicos. El segundo
23
objetivo, se enfoca en un cliente arbitrario con el fin de poder desarrollar un producto
funcional, que pueda ser económicamente viable y que tenga un impacto social, para esto
se realizó un sistema hidropónico funcional y se verifico el crecimiento de plantas en el
sistema.
4.1.1.2 Definición del problema
Una vez planteados los objetivos del problema, se procedió a indagar en los requerimientos
funcionales del proyecto, que no solo debían estar enfocados a satisfacer las necesidades
del proyecto de investigación, ni de un cliente especifico, si no, también a los requerimientos
biológicos del sistema hidropónico para poder funcionar de forma adecuada, después de una
revisión bibliográfica se plantearon los requerimientos que se observan en la Tabla 3
4.1.1.3 Requerimientos funcionales
Tabla 3. requerimientos funcionales del proyecto
# Requerimiento Clase Texto Valor Derivado por Verificación
1 Precio Performance Se debe
limitar el
precio del
sistema
1 SMMLV
(manufactura)
1 SMMLV
(compras)
Restringido por
el presupuesto
del proyecto.
El valor no debe
superar los 2
SMMLV
2 Tamaño Funcional El tamaño
del montaje
está
restringido
Tamaño
inferior a 2 m^2
El sistema debe
ser montado en
el laboratorio de
fluidos, por
tanto, el espacio
disponible es
restringido.
El tamaño debe ser
inferior a 2 m^2
3 Capacidad agua Funcional Se debe
definir una
capacidad
mínima de
filtrado
250 litros de
agua
El módulo de
plantas debe
tener un valor
superior el
módulo de los
peces.
Capacidad >= 250
litros
4 Alimentación
energética
Funcional se debe
restringir el
consumo
energético a
los recursos
disponibles
120 V El sistema debe
funcionar con la
red eléctrica
convencional de
Colombia,
Voltaje <120V
24
5 Capacidad
plantas
Performance Se debe
seleccionar
una cantidad
de plantas
# de plantas Se debe buscar
optimizar la
cantidad de
plantas
soportadas por el
sistema, en
relación con la
cantidad de
peces
#plantas=#plantas
6 Caudal de la
bomba
Performance El flujo debe
ser continuo
4 litros/minuto
Por tubo de
NFT
Se debe tener un
flujo constante y
mínimo para el
correcto
desarrollo de las
plantas
Caudal en la salida de
la bomba >24
l/minuto
7 Operación
bomba
Performance La bomba
debe
funcionar
siempre
24 horas/día El NFT necesita
tener siempre el
agua
recirculando
Operación bomba =
24 horas al día
8 Horas de luz Funcional Las plantas
necesitan un
tiempo
mínimo de
luz
14 horas al día Para el correcto
desarrollo de la
planta es
necesaria una
cantidad de
horas de luz
Tiempo de luz =14
Horas
9 Nivel de PH Funcional Se debe
controlar el
PH para los
diferentes
organismos
6.5<PH<7.5 El nivel de PH
es fundamental
para el
desarrollo de
bacterias
nitrificantes y la
absorción de
nutrientes
El valor medido de
PH debe estar en el
rango:
6.5<PH<7.5
10 Temperatura Performance Se necesita
un rango de
temperatura
para el
desarrollo de
las plantas y
las bacterias
16°C<t<24°C Las bacterias
necesitan una
temperatura
estándar para
crecer,
adicionalmente
es importante
para la absorción
de nutrientes
La temperatura debe
estar dentro del rango
16<t<24
11 Nivel de película Performance Se necesita
regular el
nivel del
agua
1/2<Nivel<1/4
De la altura del
canal
Un nivel muy
alto hace que el
agua se riegue, y
uno muy bajo
acarrea
problemas para
la planta
El nivel del agua
debe estar en el
rango:
1/2<Nivel<1/4
De la altura del canal
25
4.1.1.4 Búsqueda de información y conceptualización
La búsqueda de este tipo de proyecto está altamente ligada a la conceptualización, pues
entender los requerimientos, de clientes, empresas y los organismos del sistema (plantas y
bacterias) permite hacer una adecuada conceptualización, pues plantea ventajas y
desventajas de los diferentes tipos de sistemas. La información necesaria para el proyecto
se encuentra en el numeral 3 de este documento, las decisiones ingenieriles tomados fueron
en base a la documentación presentada en el estado del arte. Algunos de los primeros
bosquejos y conceptos de ideas serán presentados a continuación: Como una primera
propuesta se plantea un sistema aeropónico como se observa en la Ilustración 5 imagen 1,
la primera es una alternativa de cultivo aeropónico, la cual en principio fue descartado
debido a dos factores principales: el primero es que la manufactura del sistema es compleja,
lo que implica un incremento en el costo del proyecto y el cultivo hidropónico está
restringido en términos monetarios, la segunda y más importante, es que este tipo de
sistemas tiene muy poco sustrato o medio de crecimiento para las plantas, generalmente en
el sustrato se alojan las bacterias nitrificadoras que permiten la transformación de los nitritos
y la armonía, proceso que es fundamental si se quieren agregar en un futuro peces al sistema.
Adicionalmente se plantearon dos sistemas muy similares entre sí Ilustración 5, que
consisten en sistemas radiales, la ventaja de este tipo de sistemas es que permiten distribuir
los nutrientes de forma más eficiente y organizar las plantas de acuerdo con su etapa de
madures, para poder ser finalmente cosechadas en el último radio del círculo, no obstante,
también los materiales y la manufactura no son fáciles de realizar localmente.
Ilustración 5, bosquejos iniciales de posibles sistemas para resolver el sistema hidropónico, imagen 1: sistema aeropónico, imagen 2: sistema NFT radial, imagen3 sistema hidropónico con inclinación.
26
4.1.1.5 Selección de concepto
Para la selección del concepto, se procedió a aislar los tres sistemas descritos con
anterioridad en el estado del arte (raft, NFT, Flood and drain), una vez se tenían los sistemas
bien definidos se procedió a utilizar una matriz HOQ (house of quality) que busca satisfacer
las necesidades de un proyecto, a partir de requerimientos funcionales y un peso ponderado.
Haciendo así relaciones entre lo que el cliente quiere del producto y las especificaciones
críticas de diseño. Para el HOQ se evaluaron los puntos 1,2,3,4,5. Ver la Ilustración 6
Ilustración 6 Matriz HOQ definición del problema e identificación de valores objetivo. tomado de (Dieter, 2009)
De esta se obtuvieron en el siguiente orden los siguientes valores objetivo:
1. Litros de agua
2. Peso
3. temperatura
4. Dimensiones
5. Automatización
6. Caudal
27
7. PH
8. Precio
9. Cantidad de plantas
10. Medio de crecimiento
Teniendo estos valores claros y con la información consultada en la revisión bibliográfica,
se procedió a seleccionar en orden de importancia de cumplimiento de valores los sistemas
y se obtuvo lo siguiente:
1. NFT
2. Raft
3. Flood and rain
Por tanto, se procedió a seleccionar el sistema tipo NFT como el ideal para el proyecto: En
una primera iteración se seleccionó un sistema NFT vertical y se creó un primer diseño
conceptual del posible sistema (Ilustración 7) este sistema fue descartado por diferentes
razones: la primera es por una restricción de espacio, la segunda porque no fue posible
encontrar una bomba comercialmente disponible en el mercado colombiano que cumpliera
con características específicas que serán mencionadas más adelante, la tercera, el sistema
cuenta con una electroválvula, la cual en este montaje debía ser puesta de forma vertical y
la electroválvula no funciona adecuadamente en esta configuración.
Ilustración 7 primera iteración sistema NFT conceptual
En una segunda iteración se procedió a replantear el sistema a un NFT de tipo horizontal,
con múltiples electroválvulas y sensores de nivel (Ilustración 8), esto debido a que como se
menciona en el estado del arte, la ausencia de agua es crítica en este tipo de sistemas debido
a la falta de sustratos y de nutrientes, por tanto si se da una falta de energía se bloque una
28
pequeña cantidad de agua, que le da un tiempo de supervivencia a la planta, no obstante este
sistema fue descartado, por tener un control complejo y un alto consumo energético.
Ilustración 8 segunda iteración sistema NFT conceptual con múltiples electroválvulas
En una tercera iteración se sigue teniendo el NFT vertical puesto que las electroválvulas
obtenidas, se probaron y se determinó que efectivamente estas funcionan mejor de
forma horizontal (dado que se genera goteo con la gravedad) lo cual se caracterizó
experimentalmente, poniendo la electroválvula, un tubo de PVC de media pulgada por
2 metros y abajo un sensor de flujo, no obstante el sensor de flujo no tenía la resolución
para medir el flujo que se estaba retornando, pero visualmente era posible observar el
agua retornando de la electroválvula. En una cuarta iteración se planteó un sistema como
el mostrado a continuación Ilustración 9:
Ilustración 9. diagrama esquemático de sistema casi definitivo y con sensores
29
A este diseño se le agregaron sensores, una visualización y un tanque que actúa como
biofiltro y en donde se controlan los parámetros del agua que entra al sistema NFT, el
sistema esquemático de la ilustración anterior es el diseño preliminar al definitivo, donde
finalmente se omite: el segundo filtro en paralelo, las múltiples electroválvulas y solo se
deja una en la entrada del NFT, el sensor de luz y el sensor de PH sumergido en el tanque.
Inicialmente el filtro en paralelo se tenía por cuestiones de mantenimiento, pero en términos
prácticos y económicos no es una opción viable, el sensor de luz se descartó, pues no proveía
información suficiente al sistema y el de PH no se dejó sumergido debido a que es un
instrumento muy frágil y sensible.
Luego de eso se caracterizó y selecciono el sistema definitivo (ver anexos) como se
evidencia en la Ilustración 9 en el sistema cuenta de izquierda a derecha con: un sumidero,
que es un tanque de 250 litros de agua, cuya función principal es evitar que las propiedades
del agua cambien drásticamente, en el intermedio hay un bio-filtro, que busca
principalmente sacar los desechos grandes y fomentar el desarrollo de bacterias
nitrificadoras y finalmente a la derecha el sistema NFT. Luego de definir el sistema se
determinaron parámetros necesarios para el correcto funcionamiento, entre ellos el volumen
total de agua en el sistema, la columna de agua y el caudal necesario. El volumen se calculó
matemáticamente, asumiendo que la película del tubo ocupa ¼ de su volumen, por tanto, se
tiene un volumen de 275.2 litros de agua. La altura de la columna se determinó a partir de
la geometría del sistema y es de 1.3m, finalmente, el caudal necesario como se indica en la
revisión bibliográfica para un tubo de NFT, para el correcto funcionamiento del sistema
debe tener un caudal de 2 a 5 litros por minuto, en cada tubo del NFT. Una vez se tenía esto
determinado se procedió a hacer una selección de componentes.
Para el control de parámetros se tuvieron 3 puntos seleccionados de los puntos críticos de
la matriz HOQ, que fueron la temperatura, el caudal y la humedad del sustrato. Inicialmente
el sensor de flujo permite determinar si la bomba se encuentra funcionando al caudal
requerido del sistema, también permite calcular la cantidad de agua que ha recirculado, el
actuador de este sensor es una electroválvula, que permite mantener el agua en el sistema
mientras se toman acciones. El segundo parámetro por verificar fue la temperatura, no
obstante, debido a las condiciones del laboratorio de fluidos no fue necesario agregar un
30
elemento que aumentara o disminuyera la temperatura del agua, pues generalmente se
mantenía en temperaturas dentro del rango de los requerimientos y finalmente la humedad
del sustrato permite también identificar si a los canales del NFT no les está llegando la
cantidad de agua adecuada.
Como parámetros del sistema NFT se seleccionaron:
• Tubos de PVC X 2 metros y diámetro de 2 pulgadas para agua a presión,
inicialmente se escoge este tipo de tubo debido a que en condiciones normales
no suelta ningún material toxico para las plantas, además el color blanco es ideal
para que no se de crecimiento de algas. La dimensión recomendada de los
canales como se mencionó en el estado del arte es de 4 a 8 cm para plantas como
la lechuga, y las 2 pulgadas (5.08 cm) se encuentran dentro del rango adecuado,
finalmente la longitud recomendad del tubo es de 1 a 10 m. se selecciona un
tamaño de 2 m debido a restricciones de espacio en el laboratorio de fluidos.
• Bomba Sumergible EVANS Fuente 25 Watts 2.4m 1320 lph ( 22 litros por
minuto) la selección de la bomba, fue un proceso complicado debido a las
soluciones comerciales en Colombia, el principal limitante es que la bomba
opere 24 horas continua, puesto que las soluciones encontradas en el mercado
no eran las más adecuadas en términos de caudal y columna, o se incrementaban
mucho en precio y no cumplían la restricción de presupuesto, si se divide el flujo
en los 5 tubos del sistema NFT, se tiene un caudal de 4.4 litros por minuto
suponiendo que no hay perdidas, no obstante se caracterizó el flujo del caudal
por el tubo con un sensor de flujo YF-S201 y un Arduino, y se obtuvo un valor
de 4.1 litros por minuto en un tubo con todo el sistema en operación
• Para el sumidero se seleccionó un tanque Bebedero de 250 Litros Bajito
Colempaques, con el fin de que las propiedades dentro de todo el sistema y el
agua no pudieran cambiar drásticamente con pequeños cambios del ambiente,
adicionalmente para aprovechar el espacio arriba del agua se procedió a poner
una bandeja raft en poliestireno expandido sobre la boca del tanque, razón por
31
la cual se compró un tanque bajito, pues maximiza el área en la boca del tanque
frente a un tanque tradicional. ( Ilustración 14 ,anexos)
• Electroválvula tipo solenoide: funciona a 12V, haciendo posible de controlar con
un Arduino y un relay, con el fin de mantener el nivel del agua en el sistema en
caso de emergencia. Si se detecta que el valor del flujo medido por el sensor de
flujo es =0 entonces cierra la electroválvula haciendo que el agua quede
estancada, mientras se toman acciones de corrección. Su valor comercial es bajo
haciéndola posible para el proyecto. Su principal problema radica en que debe
ser orientada horizontalmente y no tiene posiciones intermedias, Las presiones
a las que funciona son de 0,02 a 0,8 MPa que son adecuadas acorde al proyecto
y el diámetro de entrada y de salida es de ½ in, que es una medida comercial de
tubos PVC en Colombia.
• Higrómetro FC-08, en un principio se había considerado medir el nivel de agua
en el canal, no obstante, es más adecuado medir la humedad en el medio, como
lo es la espuma agrícola. Pues provee información más útil para el sistema.
• Se adiciono un filtro realizado con tubería de PVC y diferentes accesorios, en el
interior del filtro se tiene carbón activado, arena una malla y agro-espuma, con
el fin de no dejar pasar sistemas sólidos en el NFT. Adicionalmente se tiene un
Bio-filtro, con Bio-esferas (esferas poliméricas que buscan maximizar el área
superficial y la disponibilidad de oxígeno, para ser un ambiente adecuado para
las bacterias), puesto que el NFT al no tener mucho sustrato ni medio de
crecimiento para las plantas, no es adecuado para el crecimiento de bacterias
nitrificadoras.
32
5 Sistema IoT (internet de las cosas)
El internet de las cosas ha permitido revolucionar las dinámicas sociales y las
comunicaciones, permitiendo que múltiples aparatos estén conectados al internet generando
información que antes no era posible, adicionalmente se agregan nuevas funcionalidades,
como el de conocer los sistemas en tiempo real. Este tipo de tecnologías permite no solo
adquirir datos si no analizarlos y tomar decisiones. La implementación de estas tecnologías
permite corregir errores de forma instantánea, un ejemplo puntual es el sistema NFT que se
desarrolló en el presente proyecto, el sistema de alarmas fue desarrollado con posterioridad
a cuando se pusieron las plantas y si se hubiera implementado, hubiera sido posible detectar
un fallo que tuvo la bomba y hacer de forma inmediata las correcciones necesarias,
mitigando las consecuencias de la falla de la bomba. Adicionalmente se puede generar una
gran cantidad de datos analizables y comparables.
Como se ha mencionado con anterioridad, los sistemas NFT se ven muy perjudicados por
la ausencia de agua, razón por la cual se decidió medir este parámetro constantemente y
subirlo a un servidor en internet, dándole la capacidad de IoT. Actualmente el sistema solo
tiene la capacidad de generar dos tipos de alarmas, una cuando el nivel es inferior a 10%
envía una alarma visible y sonora a un celular, indicando que el nivel de agua del sistema
NFT está por debajo de lo indicado, con el fin de que la persona tome acciones pertinentes.
(Ilustración 10) finalmente si el nivel es menor al 5 % se envía un mensaje de texto de alerta
a un celular especificado, estas mediciones son detectadas por un Higrómetro en la agro-
espuma que es el medio de crecimiento de las plantas.
Ilustración 10 sistema de alerta cuando la humedad en el medio del NFT es menor al 10%
33
El sistema IoT, busca generar una serie de Big Data que a futuro pueda ser comparada con
variables de la lechuga, tales como: desarrollo de las hojas, peso seco y humedad relativa
del sustrato entre otras. A largo plazo es información que permite relacionar el crecimiento
de la lechuga con diferentes parámetros, para este proyecto se realizaron lecturas básicas de
humedad relativa del suelo mediante un higrómetro que fue caracterizado midiendo el nivel
en agro espuma con diferentes cantidades de agua( Ilustración 13 de anexos) y un sensor de
ultrasonido para el crecimiento de la planta, los cuales luego son enviados a un servidor
llamado ThingSpeak y pueden ser visualizados en tiempo real por los usuarios (Ilustración
11), adicionalmente con la aplicación virtuino se creó una interfaz para el celular, que
permite conocer la humedad en dos puntos del sistema y en caso de una falla (si la humedad
es menor al 10%) envía una alerta sonora al celular, en caso de ser una falla crítica ( si la
humedad es menor al 5%) envía un mensaje de texto SMS a los usuarios predeterminados
en la aplicación (Ilustración 12) . Para realizar el sistema se utilizó un Arduino Uno y un
Nodemcu, el Arduino uno adquiere los datos y los envía de forma serial al Nodemcu, dado
que el Nodemcu solo tiene una lectura analógica.
Ilustración 11, gráficos de ejemplo obtenidos por el servidor en tiempo real
34
Ilustración 12 interfaz para celular de medida de humedad en el suelo IoT
6 Caso de estudio (aplicación de la metodología)
6.1 Plantas
Para el sistema se seleccionó como planta la lechuga, la principal razón es su fácil
adaptabilidad al clima de Bogotá y su buen desarrollo en cultivos hidropónicos,
adicionalmente al ser un vegetal con alta demanda genera una posible oportunidad de
negocio y se encuentra muy documentado en la literatura. Para el NFT, se procedió a agregar
una solución nutritiva liquida comprada comercialmente, con los macro y micro- nutrientes
necesarios que fueron explicados en la Tabla 2, la cual se agregó manualmente. El sistema
consta de 5 tubos de PVC, cada uno con 10 huecos para plantas, para un total de 50 plantas.
Para caracteres prácticos cada tubo se nombró con una letra A, B, C, D, E y cada planta en
35
el tubo con un número del 1 al 10, teniendo así las plantas A1, A2…D5, D6. Las plantas de
los tubos A, B, C y D tenían como medio de crecimiento espuma agrícola, mientras que en
el tubo E se tenía arlita, en el tubo E se sembraron y se pusieron plantas maduras de las
cuales ninguna germino o prospero.
Como una primera variable, se realizó una medición del número de hojas por planta como
se puede observar en la Gráfica 1:
Gráfica 1 Cantidad de hojas Vs tiempo
En la Gráfica 1, es posible evidenciar que en general se tuvo un crecimiento respecto a la
cantidad de hijas en el sistema, en algunas ocasiones la cantidad de hojas podría disminuir
por planta pues se secaban y la hoja muere. Para las fechas del 28 – 29 de abril y del 12 al
14 de mayo, no se tienen valores reportados debido a que el laboratorio no abre los fines de
semana. Del 6 al 9 de mayo se observa que la gráfica tiende a estabilizarse y decrecer un
36
poco, esto se debe a que la bomba presento una falla y dejo de funcionar por un tiempo
indeterminado, no obstante, el sistema de control cerro la electroválvula del principio del
sistema dejando el agua estancada, lo que hizo que las plantas pudieran sobrevivir
parcialmente, sin embargo, se vio afectado su crecimiento de hojas.
Una segunda variable por analizar fue determinar si la planta se encontraba erguida o no,
para esto se le asigno un valor dependiendo del estado de la planta, si la planta no está
erguida se le asignó un valor de 0, si la planta se encontraba parcialmente erguida se le
asigno una variable de 1 y finalmente si la planta estaba completamente erguida se le asigno
un valor de dos. Los valores acumulados de todas las plantas por días fueron los siguientes:
Gráfica 2 Variable de planta erguida Vs fecha
Se puede observar que el comportamiento de la Gráfica 2 es muy similar al de la Gráfica 1,
en un principio las plantas no están erguidas debido a que se afectan mucho con el trasplante
al sistema NFT, se mantienen durante unos días sin estar erguidas y luego tienden a pararse
las hojas muy rápido, al igual que en la gráfica anterior desde el 6 de mayo, se observa que
este parámetro decreció un poco y luego se mantuvo constante, lo cual fue principalmente
37
causado por la falla en la bomba, aproximadamente el 10 de mayo, las plantas vuelven a
retomar agua de forma adecuada y empiezan a erguirse de nuevo. Adicionalmente en los
datos fue posible observar a partir de los datos, que en general las plantas que más estuvieron
erguidas fueron las del tubo C.
Finalmente se midió la supervivencia de las plantas, para las plantas correspondientes a “A,
B, C, D” dado que en E no prospero ninguna semilla. De 40 plantas 32 sobrevivieron y 8
no. El momento en el que las plantas en su mayoría empezaron a decaer fue como se ha
mencionado con anterioridad en el fallo de la bomba. Por tanto, es recomendable poner una
bomba en paralelo, que se activa en caso de que el caudal varíe significativamente.
7 Conclusiones
• Se logro entender y diseñar un sistema NFT adaptable a acuaponía y relacionar variables
de la planta como: el crecimiento de hojas versus el tiempo.
• Se construyo un sistema NFT funcional.
• A partir de un proceso de diseño en ingeniería fue posible construir un producto
terminado, con diferentes condiciones y especificaciones de cliente.
• Se implemento un sistema IoT de alertas y soluciones de emergencia como el cierre de una
electroválvula.
• se creó un lugar de visualización en tiempo real de humedad relativa en un servidor de
internet y en una aplicación de Android.
• Se lograron germinar y hacer crecer tanto semillas como plántulas de lechuga en el
sistema.
38
8 Trabajos Futuros
• El laboratorio de fluidos de la Universidad de los Andes tiene una leve inclinación lo
que hacía en algunos casos problemático el flujo de agua en el sistema NFT, razón
por la cual fue necesario agregar válvulas de bola en todos los tubos con el flujo. Una
mejor solución podría llegar a ser la implementación de una base para el montaje que
permita variar la inclinación.
• Es necesario caracterizar los nutrientes requeridos por las plantas en las diferentes
etapas de la vida de la planta, con el fin de maximizar la producción y la cantidad de
recursos utilizados, en esta etapa de investigación sería útil un trabajo
multidisciplinar.
• La electroválvula utilizada es de tipo solenoide. Lo cual solo permite dos estados:
normalmente abierto y normalmente cerrado. Con el fin de mejorar el control y poder
variar el flujo de agua de forma automatizada, se debe adquirir una electroválvula
que permita estados intermedios, no obstante, no fue posible por restricciones de
presupuesto.
• El sistema NFT funciona mejor si se pone verticalmente y no horizontalmente, por
restricciones de espacio y también debido a que el tipo de electroválvula utilizada
gotea si se pone verticalmente (gotea a causa de la gravedad y el peso de la columna
de agua) fue necesario ponerlo horizontalmente.
• Con el fin de disminuir el flujo del sistema NFT, se hacía recircular el agua y se
variaba el caudal con una válvula de bola, lo cual no es eficiente energéticamente,
pues se está consumiendo potencia y el agua solo está recirculando. Idealmente se
debería variar el flujo de la bomba con pulsos PWM, consumiendo solo la potencia
necesaria.
• Idealmente el montaje debería estar en un lugar con iluminación natural, pues
disminuye costos de consumo energético y fomenta el crecimiento de las plantas. No
obstante, el proyecto se encuentra en el laboratorio de fluidos de la universidad, es
recomendable mejorar la iluminación del montaje y ponerlo en un lugar donde pueda
recibir luz solar.
39
• Sería recomendable tener el sumidero de agua arriba del nivel del NFT con el fin de
que, si hay un fallo en la bomba, el NFT se pueda alimentar por gravedad mientras
se busca una posible solución.
• Para el sistema de datos IoT se recomienda cambiar la tarjeta Nodemcu y Arduino
uno, por una con más entradas analógicas, con el fin de poder adquirir los datos de
forma más fácil. Una posible solución podría ser un Raspberry pi o un Photon
Particle. Adicionalmente utilizar un servidor que permita un ingreso de datos en un
tiempo menor a 15 segundos, que es un limitante del actual.
• Se debe realizar un trabajo multi-disciplinario con diferentes ciencias e ingenierías,
para poder caracterizar de una buena forma los sistemas, en todos los ámbitos. Y no
solo el ingenieril.
9 Anexos:
Ilustración 13 calibración de higrómetro
Ilustración 14. bandeja raft para el tanque en poliestireno expandido cortado a laser
40
Ilustración 15 diferentes etapas de la planta, y medición
Ilustración 16 bio-bola y biofiltro
41
Ilustración 17 ensamble montaje final
42
10 Referencias
Delaide, B., Delhaye, G., Dermience, M., Gott, J., Soyeurt, H., & Jijakli, M. H. (2017). Aquacultural Engineering Plant and fi sh production performance, nutrient mass balances , energy and water use of the PAFF Box , a small-scale aquaponic system, 78(June), 130–139. https://doi.org/10.1016/j.aquaeng.2017.06.002
Dieter, G. (2009). Engineering Desing 4th Edition (4th ed.). Maryland: McGraw-Hill,.
Domingues, D. S., Takahashi, H. W., Camara, C. A. P., & Nixdorf, S. L. (2012). Automated system developed to control pH and concentration of nutrient solution evaluated in hydroponic lettuce production. Computers and Electronics in Agriculture, 84, 53–61. https://doi.org/10.1016/j.compag.2012.02.006
FOOD AND AGRICULTURE ORGANIZATION OF THE UNITEDNATIONS. (2015). Fisheries and Report of the FAO TECHNICAL WORKSHOP ON ADVANCING AQUAPONICS : AN EFFICIENT USE OF LIMITED RESOURCES (Vol. 1133). Bogor, Indonesia. Retrieved from http://agris.fao.org/agris-search/search.do?recordID=XF2017000351
Forchino, A. A., Lourguioui, H., Brigolin, D., & Pastres, R. (2017). Aquaponics and sustainability: The comparison of two different aquaponic techniques using the Life Cycle Assessment (LCA). Aquacultural Engineering, 77, 80–88. https://doi.org/10.1016/j.aquaeng.2017.03.002
Highfield, E. (2014). 6 . Plants in aquaponics. FAO 2014, 83–102.
Lennard, W. A., & Leonard, B. V. (2006). A Comparison of Three Different Hydroponic Sub-systems (gravel bed, floating and nutrient film technique) in an Aquaponic Test System. Aquaculture International, 14(6), 539–550. https://doi.org/10.1007/s10499-006-9053-2
Mario Esteban Muñoz Gutiérrez. (2012). Sistemas de recirculación acuapónicos Aquaponic recirculation systems. Informador Técnico (Colombia) Revistas Sena, 76(60), 123–129. Retrieved from revistas.sena.edu.co/index.php/inf_tec/article/download/36/41
Papadopoulos, A. P., Bar-Tal, A., Silber, A., Saha, U. K., & Raviv, M. (2008). Inorganic and synthetic organic components of soilless culture and potting mixes. Soilless Culture: Theory and Practice (1st ed.). Elsevier Ltd. https://doi.org/10.1016/B978-044452975-6.50014-9
Rakocy, J. (2007). Ten Guidelines for Aquaponic Systems. Aquaponics Journal, 3rd Quarte(46), 14–17. Retrieved from http://aquaponicsjournal.com/docs/articles/Ten-Guidelines-for-Aquaponics.pdf
Raviv, M., Lieth, J. H., & Silber, A. (2008). Soilless Culture. Soilless Culture (1st ed., Vol. 3). Elsevier Ltd. https://doi.org/10.1016/B978-044452975-6.50008-3
Silber, A., & Bar-Tal, A. (2008). Nutrition of substrate-grown plants. Soilless Culture: Theory and Practice (1st ed.). Elsevier Ltd. https://doi.org/10.1016/B978-044452975-6.50010-1
Steffen, W., Richardson, K., Rockström, J., Cornell, S. E., Fetzer, I., Bennett, E. M., … Sörlin, S. (2015). Planetary boundaries : Guiding changing planet, 1259855. https://doi.org/10.1126/science.1259855
Van Os, E., Gieling, T. H., & Lieth, J. H. (2008). Technical equipment in soilless production systems.
43
Soilless Culture: Theory and Practice (1st ed.). Elsevier Ltd. https://doi.org/10.1016/B978-044452975-6.50007-1
Xu,G ;Levkovitch, I; Soriano, S. . et al. (2004). Integrated effect of irrigation frequency and phosphorus level on lettuce: Yield, P uptake and root growth. Plant Soil, 263, 297–309.