WO2023172120A1 - Sistema hidropónico vertical con control ambiental para la producción hortícola - Google Patents
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Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
- A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
- A01G31/00—Soilless cultivation, e.g. hydroponics
- A01G31/02—Special apparatus therefor
- A01G31/06—Hydroponic culture on racks or in stacked containers
Definitions
- the present invention is related to the industrial sectors of protected horticulture production that allows the commercial exploitation of different plant species in part or all of their growth stage using minimal resources.
- the present invention refers to a vertical hydroponic system with environmental control for horticultural production, which allows the reduction of the production cycle with uniform growth and high quality products, stable continuous production planning and a lower use of resources. compared to conventional systems.
- Different lighting systems that can be lamps based on high or low power light-emitting diodes (LED), fluorescent lamps and, to a lesser extent, high-pressure sodium lamps. As for their shape, they can be found in bulb type, rectangular, quadratic and tubular.
- aeroponics has the disadvantage of very frequent changes in the value of the variable pH (hydrogen potential) of the nutrient solution (a variable on which the availability or non-availability of nutrients for plants depends. ) due to its interaction with the CO2 of the microenvironment.
- This parameter directly influences the availability of nutrients for the plant and if it is not controlled in the range of 5.5 to 6.5, nutritional deficiencies occur in the crop that generates loss of added value; Therefore, frequent monitoring and adjustment of the pH is required under this technique.
- NFT technique for its part, presents the main disadvantage of requiring a constant flow of nutrient solution (SN), generating a higher production cost due to the use of a hydraulic pump which must be permanently turned on to make this movement possible, in addition to this.
- Possible cuts or interruptions in the electricity service must be considered since if these exist, the crop can be lost in a very short time due to dehydration.
- Another important factor to consider is the difficulty in cleaning the system if it uses plastic pipes or channels due to their tightness and difficult access.
- the floating root technique presents less variability in the pH value and EC (electrical conductivity) compared to previous techniques, but it has the great disadvantage of a decrease in the dissolved oxygen of the nutrient solution due to the stagnation of This, so the use of air pumps is required to maintain good oxygenation in the root area of the plant, which increases electrical energy consumption.
- the main disadvantage is that there may be unevenness in the application of irrigation due to the effect of gravity (upper part of the tower with less amount of water applied and lower parts of the tower with a greater amount of water applied. ) in addition to possible clogging of drippers due to salts present in the nutrient solution, so its use in this type of nutrient solution application is less frequent in this type of systems.
- high-pressure sodium and fluorescent lamps have major disadvantages such as useful life (24,000 and 10,000 h respectively) and the most important of not being able to control the quality of light emitted (light quality understood as the electromagnetic spectrum emitted by the lamp that hits the leaf canopy and which will be the source of energy so that the plant can carry out the photosynthesis process).
- the wavelengths of red (610-750 nm) and blue (400-520 nm) are the most efficient for the photosynthesis process.
- Mini Split air conditioning systems these present greater advantages compared to central systems, highlighting energy savings (inverter technology), availability of different cooling capacities that allow adjustment to different production surfaces and ease of installation. , in addition to having the possibility of being controlled remotely.
- the main disadvantage regarding its use in agricultural production systems is its great dehumidifying power (removal of humidity from the air), which if not controlled can generate stress in the plants due to generating a vapor pressure deficit. very high that increases the evapotranspirative demand of the air and consequently stresses the cultivated plant species.
- Electrode humidifiers In the state of the art there are three types of humidifiers: 1) Electrode humidifiers, 2) evaporative humidifiers and 3) ultrasonic humidifiers. Regarding electrode-type humidification, these generate water vapor through the boiling process through the use of electrical resistances. These humidifiers have the disadvantage of being dangerous because the vapor they expel has a high temperature, in addition to having high electrical consumption. , as well as a non-adjustable output flow (amount of evaporated water).
- the evaporation type humidifier As for the evaporation type humidifier, they generate a lower flow rate compared to the ultrasonic one and it is not adjustable and works only with distilled water since, if it contains salts, the wick becomes easily clogged, in addition to having the disadvantage of a greater consumption of energy and little volume of evaporated water.
- the ultrasonic humidifier requires water with low dissolved salt content.
- programmable ultrasonic humidification equipment with independent control
- these equipment are not suitable for conventional systems because they cannot be connected to a relative humidity controller.
- patent documents KR20200106792A, US2017258022A1 and RU2730648C1 which disclose hydroponic systems that use floating platforms, active injection of oxygen in their nutrient solution containing trays (containers) and use various intakes for the filling and draining of nutrient solution, likewise, the positioning of the trays is in a zigzag, which does not allow the commercial exploitation of different plant species in part or all of their growth stage such as germination, seedling production, rooting , post-in vitro cultivation air conditioning stage or production of strawberries, leafy vegetables, aromatic species, etc., in addition to the problems already mentioned.
- Another object of the invention is to provide a vertical hydroponic system with environmental control for horticultural production that provides greater versatility in the nutrient solution application technique through a combination of NFT system and floating root, by means of a particular arrangement of trays.
- An additional object of the present invention is to provide a vertical hydroponic system with environmental control for horticultural production that comprises a disinfection system using UV light at the outlet of the hydraulic pump for disinfection of the water of the nutrient solution and elimination of microorganisms that can be pathogenic for plants, as well as to control the population of algae that can generate the sequestration of essential nutrients for cultivated plants.
- a further object of the present invention is to provide an environmentally controlled vertical hydroponic system for horticultural production comprising an LED artificial lighting system that emits electromagnetic wavelengths (measured in nm) at suitable intensities (measured in pmols/m 2 / s) adjusted to the requirements of the plant to provide a higher quality light source, improving the efficient use of electrical energy where the lamps are designed with a greater length to cover a greater production area per unit (level) with better characteristics in light emission, which contemplate the main relationships of the electromagnetic spectrum (Red: Blue and Red: Far Red) that directly influence the growth of crops, in addition to contemplating the radiation of the electromagnetic spectrum corresponding to the color green that promotes better photosynthetic rate and leaf expansion and also helps control flowering, stimulate the production of secondary metabolites (nutraceutical properties) and increase resistance to diseases
- Still another object of the present invention is to provide a vertical hydroponic system with environmental control for horticultural production which comprises an ultrasonic humidifier controlled by an environmental relative humidity controller to turn it on and off, which allows maintaining a stable relative humidity in the production area, as well as electrical energy savings due to its low operating time.
- a vertical hydroponic system with environmental control for horticultural production which is mainly made up of: a plurality of production structures that each comprise: a plurality of levels with an adequate separation for the production of seedlings and short species, where each level contains a stainless steel tray with a fold to facilitate handling; a black high-density polyethylene plastic tray, where the black color is used to control algae proliferation, configured to serve as a lining or cover for the stainless steel tray, which includes reliefs to improve the hydration of the substrate, prevent damage to the roots of seedlings and improve the drainage of nutrient solution, where each tray includes 4 propagation containers for seedling production, which allow a total of 960 seedlings per level; and a corrugated plastic lid with perforations at different densities configured for the insertion of baskets for hydroponic production, for crop production using the floating root-NFT technique; wherein each stainless steel tray and high-density polyethylene plastic tray contain a through insertion hole; and a drain-filling
- an LED lighting system made up of a plurality of modules each with 4 tubular LED lamps, where each of said plurality of modules is placed on each level of said plurality of levels located and fixed in a position parallel to the steel tray stainless steel through fastening clips which allow modifying the height of separation between the lamp and the plant canopy to adjust the light intensity and allow electrical energy savings; where each tubular LED lamp is designed considering red and white diodes for horticulture with specific light intensity and red:blue spectrum ratio; a hot/cold temperature control system with inverter technology; and a relative humidity control system, consisting of an air extractor, an ultrasonic humidifier for horticultural applications with a water tank tray and a fan for water vapor distribution; and a digital controller with an alarm system and control of two actuators, one for the humidifier and another for the extractor, which are activated if the value established is different from the current environmental reading with a margin established by the user, which allows manipulating the degree of allowable variability of the environmental
- Figure 1 is a general schematic view of the vertical hydroponic system with environmental control for horticultural production of the present invention.
- Figure 2 is a perspective view of the production structure of the vertical hydroponic system with environmental control for horticultural production of the present invention.
- Figure 2A is a perspective view of the stainless steel tray and black high-density polyethylene plastic tray of the vertical hydroponic system with environmental control for horticultural production of the present invention.
- Figure 3 is a detailed view of the drain-fill system of the vertical hydroponic system with environmental control for horticultural production of the present invention.
- Figure 4 is a general schematic view of the central pumping-filtering-disinfection system of the vertical hydroponic system with environmental control for horticultural production of the present invention.
- Figure 5 is a detail view of a module of the LED lighting system of the vertical hydroponic system with environmental control for horticultural production of the present invention.
- Figure 6 is a schematic view of the hot/cold temperature control and relative humidity control systems of the system. vertical hydroponic with environmental control for horticultural production of the present invention.
- the proposed vertical hydroponic system with environmental control for horticultural production is a horticultural production model that allows the commercial exploitation of different plant species in part or all of their growth stage (germination, production seedling, rooting, post-in vitro cultivation air conditioning stage or production of strawberries, leafy vegetables, aromatic species, etc.) using minimal resources (water, fertilizers, energy and space) at the required time, to achieve greater efficiency in the use of inputs, optimization of spaces and reduction of costs obtaining high quality products and better agronomic characteristics than traditional systems.
- Said vertical hydroponic system 1000 is generally made up of a plurality of production structures 1100. ; a 1200 drain-fill system; a central pumping-filtering-disinfection system 1300; a 1400 LED lighting system, a hot/cold temperature control system with inverter technology 1500; a relative humidity control system Sj)O; and an air movement system 1700 made up of a plurality of fans to homogenize environmental variables throughout the production area, such as temperature, relative humidity, vapor pressure deficit and CO2 concentration.
- each of the plurality of production structures 1100 comprises a base frame 1110 formed by 4 stainless steel angle posts with perforated flange for anchoring to the ground, tray holder angles that form levels of production 1120, all fastened with screws, washers and lock nuts (not shown), where each production level 1120 has a separation distance between levels appropriate for the production of seedlings, leafy vegetables, strawberries and other short species , as well as medicinal plants (of high economic value) used in pharmaceuticals and cosmetics, well known in the state of the art.
- Each production level 1120 comprises at least one stainless steel tray 1130 with folding for easy handling, which is covered by a black high-density polyethylene plastic tray 1140 to control algae proliferation, configured to serve as a liner.
- each plastic tray 1140 comprises a plurality of reliefs 1141 to improve substrate hydration (when used for seedling production), prevent damage to the seedling root when handling the propagation trays and improve drainage of nutrient solution.
- the size of the 1130 tray is designed so that it can contain a total of 4 propagation containers for a total of 960 seedlings per level, when the tray is used for seedling production.
- said plastic tray 1140 comprises a corrugated plastic lid 1142 with perforations 11421 at different densities, configured for the insertion of baskets for hydroponic production, for crop production using the floating root-NFT technique (not shown), wherein The plastic cover 1142 also serves as protection to prevent the entry of radiation that allows the proliferation of algae, also providing darkness for better root development.
- Each stainless steel tray 1130 and high-density polyethylene plastic tray 1140 comprise a through insertion hole 1150 for installation of the drain-fill system 1200.
- the positioning of the trays is completely horizontal and they are stacked vertically which offers greater advantages, in addition to the fact that they are not fixed to the structure 1100, they are supported by the pair of opposing angles also provided with a rail with a safety stop, which allows the horizontal movement of the tray 1130, in order to partially remove it (not shown) using said rail to facilitate harvesting activities.
- the drain-fill system 1200 consisting of a plurality of fill-drain lines 1210 connected to each of said plurality of stainless steel trays 1130 and high-density polyethylene trays 1140 through the through insertion holes 1150, where each filling-draining line comprises a counter 1211 that joins the high-density polyethylene plastic tray 1140 to the stainless steel tray 1130.
- Said counter 1211 comprises an upper basket 1212 that functions as a pre-filter means to remove substrate particles and plant remains, said counter 1211 is connected to a distribution/discharge pipe 1213 with a flexible part 12131 to allow horizontal movement of the production tray by means of said rail with safety stop and another rigid part 12132 with a universal flexible PVC sucker 1214, which has the function of a trap to facilitate its separation during maintenance and cleaning activities.
- a passage valve 1215 is installed. All of these elements are found in each of the levels to contain the nutrient solution or control the filling-draining of the trays 1140.
- the connection between the lines 1210 and the levels of the structure are made using conventional pipes and accessories.
- the central pumping-filtering-disinfection system 1300 is shown, which is made up of a water tank 1310, in fluid connection with a hydraulic pump 1320, a ring filter 1330, and a UV lamp 1340 which form a means of filtering and disinfecting water for the elimination of algae using UV radiation, accessories, pipes and CPVC passage valves, where the design and arrangement of the pipe for the conduction of nutrient solution 1350 allows that by combining the opening or closing of a plurality of passage valves 1360, only the use of a single hydraulic pump 1320 and a single pipe line 1350 is required for filling and draining the trays 1140 containing nutrient solution, in addition to being able to carry out the filtering and UV disinfection process both during filling and draining.
- the central system 1300 contemplates a free fall of nutrient solution to the tank 1310, which allows passive oxygenation, avoiding investment costs in active oxygenation systems and operating costs due to greater electrical energy consumption due to the use of air pumps.
- the system includes the use of union nuts for quick connection-disconnection of the filter, pump and UV lamp to carry out maintenance and cleaning activities.
- each production level 1120 contains a module 1410 with 4 tubular LED lamps 1420 arranged equidistant from each other.
- Each lamp module 1410 is held in a parallel position to the stainless steel tray 1130 by means of holding clips 1440 shown in Figure 2. These holding clips allow the height of separation between the lamp and the plant canopy to be modified to adjust the light intensity. and allow electrical energy savings.
- the 1420 lamps present an array of diodes designed to obtain a lamp with the optimal length and light emission characteristics for the growth of crops in the 1100 production structure.
- the 1420 lamp was designed considering red and white horticultural diodes with light intensity and specific red:blue spectrum ratio.
- connection of the lamp modules between levels is carried out using multi-contacts which are controlled by two 1430 timers for their automated on and off, where each timer controls 5 levels of the production rack.
- the daily integral light to be established depends on the plant species cultivated.
- the automated LED lighting system 1400 of the invention uses the most recent artificial lighting technology to enter the field of agriculture (light-emitting diodes), which have the great advantage of emitting wavelengths adjusted to the requirements of the plant. to provide a higher quality light source, improving the efficient use of electrical energy, where for the present invention longer lamps were designed to cover a greater production area per unit (level) with better light emission characteristics, the which contemplates the main relationships of the electromagnetic spectrum (Red: Blue and Red: Far Red) that directly influence the growth of crops, in addition to contemplating the radiation of the electromagnetic spectrum corresponding to the color green that promotes a better photosynthetic rate and leaf expansion and which also helps control flowering, stimulate the production of secondary metabolites (nutraceutical properties) and increase resistance to diseases.
- This developed technology guarantees a longer useful life compared to conventional artificial light sources (30,000 h).
- the 1410 lamp holder module was designed for easy connection and anchoring to the 1100 production structure to facilitate its installation, ensuring good distribution of the lamps to maintain uniform lighting on each level and area. of production.
- the temperature control systems 1500 and relative humidity control systems 1600 are shown.
- the temperature control system 1500 established for the production system is a Mini Split hot/cold with inverter technology. It is worth mentioning that the capacity and number of equipment depends on the number of production structures installed, the area of the country in which the production system is located, as well as the surface to be cooled. Said 1500 temperature control system with inverter system has several advantages in terms of equipment costs and ease of installation, in addition to having a low annual cost of operation. maintenance.
- the jW$O relative humidity control system is made up of an air extractor 1610, an ultrasonic humidifier 1620 for horticultural applications with a tray 1621 for water tank and a fan for water vapor distribution and a digital controller 1630 with a alarm and control of two actuators, (one for the humidifier and the other for the extractor), which are activated if the set value is different from the current environmental reading recorded by a relative humidity sensor 1640 with an activation margin established by the user, which allows manipulating the degree of permissible variability of environmental relative humidity based on the cultivated plant species.
- the use of said ultrasonic humidifier with a consumption of up to 4.5 L/h controlled by an environmental relative humidity controller for its on and off allows maintaining a stable relative humidity in the production area, as well as saving electrical energy due to its low operating time.
- the use of a dehumidifier is contemplated. It is important to note that the water supply of the humidifier comes from the water condensed by the cooling system through the drain tube as shown in Figure 6.
- the arrangement of the drain-fill system 1200 of the invention allows the connection between all production levels of one or more production structures 1100 contemplating a single central pumping-filtering-disinfection system 1300.
- the inclusion of this The system offers the great advantage of passive oxygenation through free fall of the nutrient solution to the central tank, thus eliminating the use of air pumps.
- the central tank 1310 allows the nutrient solution variables to be adjusted in a single event, after which, the nutrient solution is returned to each of the levels of the structure 1100 to continue the growth of the plants until a decompensation occurs again. and require readjustment or, where appropriate, renewal.
- the hydroponic system 1000 of the present invention contemplates greater versatility in the nutrient solution application technique, being a combination of NFT system and floating root. This is possible by interconnecting the trays through the designed drain-fill system 1200. This arrangement avoids the disadvantages generated by the NFT and floating root techniques separately, since establishing a drain-fill system in the container trays of nutrient solution allows it to be returned to the central tank 1310 to be readjusted and returned to the plastic trays 1140 through the hydraulic pump 1320 and the same drain-fill system 1200, thus improving the management and control of the nutrient solution, in addition to generating passive oxygenation since air pumps are not required because in the drainage process contact of the nutrient solution with the air is generated through a free fall to the central tank, on the other hand, periods of short operation of the hydraulic pump unlike the NFT which requires constant operation also allowing less use of electrical energy.
- the combination and arrangement of the central drainage-filling system 1200 and the central pumping-filtering-disinfection system 1300 allows filtering and disinfection to be carried out both in the draining and in the filling process itself, in addition to presenting the great advantage that this central system can be connected to “n” number of production structures.
- This hydroponic system arrangement also allows it to be used for irrigation of crops that require the use of substrate. (seedling and strawberry production) through the sub-irrigation irrigation technique (water is delivered to the root zone of the plant from below the surface of the substrate and is absorbed upwards), allowing the collection and reuse of the surplus of nutrient solution (this system enables the reuse of nutrient solution, thus reducing the cost of operation and increasing the efficient use of water).
- this system can also be used for drip irrigation using self-compensated drippers (they work from a certain pressure) that allow irrigation uniformity to be maintained at all levels of the tower regardless of its height.
- the system can support the integration of a drip system for the production of species such as strawberries and medicinal plants that require the use of pots with substrate and that have a low tolerance of electrical conductivity (an increase in conductivity may occur.
- electricity greater than 2.5 mS/cm in root area due to the accumulation of salts in the substrate due to water evaporation in combination with the use of the sub-irrigation irrigation method) the drip system contemplates the use of self-compensated drippers (they work when reaches a certain pressure in the distribution pipe lines of the entire system) which allows maintaining irrigation uniformity at all levels of the tower regardless of its height.
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Environmental Sciences (AREA)
- Hydroponics (AREA)
Abstract
Se proporciona un sistema hidropónico vertical con control ambiental para la producción hortícola, el cual están conformado principalmente por: una pluralidad de estructuras de producción con una pluralidad de niveles con una separación adecuada para la producción de plántulas y especies de porte bajo, en donde cada nivel contiene una charola de acero inoxidable; una bandeja de plástico de polietileno de alta densidad color negro con relieves para mejorar la hidratación del sustrato, en donde cada charola de acero inoxidable y bandeja de plástico de polietileno de alta densidad contienen un orificio pasante de inserción; y un sistema de drenado-llenado conformado por una pluralidad de líneas de llenado-drenado conectadas a cada una de dicha pluralidad de charolas y bandejas mediante los orificios pasantes de inserción; un sistema central de bombeo-filtrado-desinfección, el cual comprende un depósito para agua; una bomba hidráulica; un filtro de anillas; y una lámpara UV configurada para desinfección de la solución nutritiva y eliminación de microorganismos que puedan ser patógenos para las plantas; un sistema de iluminación LED, conformado por una pluralidad de módulos cada uno con 4 lámparas LED tubulares, en donde cada lámpara LED tubular está diseñada considerando diodos para horticultura color rojo y blanco con intensidad de luz y relación de espectro rojo:azul específica; un sistema de control de temperatura de frío/calor con tecnología inverter; y un sistema de control de humedad relativa, conformado por un extractor de aire, un humidificador ultrasónico para aplicaciones hortícolas con bandeja para depósito de agua y ventilador para distribución de vapor de agua; y un controlador digital con sistema de alarma y control de dos actuadores.
Description
SISTEMA HIDROPÓNICO VERTICAL CON CONTROL AMBIENTAL PARA LA PRODUCCIÓN HORTÍCOLA
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención está relacionada a los sectores industriales de producción de horticultura protegida que permite la explotación comercial de diferentes especies vegetales en parte o en la totalidad de su etapa de crecimiento utilizando recursos mínimos. Particularmente, la presente invención se refiere a un sistema hidropónico vertical con control ambiental para la producción hortícola, el cual permite la disminución del ciclo de producción con crecimiento uniforme y productos de alta calidad, la planeación de producción continua estable y un menor uso de recursos en comparación con los sistemas convencionales.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En la actualidad, en el estado de la técnica se conocen diferentes sistemas de producción agrícola en ambientes controlados tanto en su conjunto como en sus elementos que lo conforman. Estos sistemas presentan la gran desventaja de requerir grandes capacidades operativas, tecnología demasiado sofisticada, altas inversiones y producción poco sostenible. Además de presentar los desafíos principales de incrementar el uso eficiente de luz, reducir el consumo de energía eléctrica y encontrar productos que generen una mejor rentabilidad.
En cuanto al sistema en conjunto se pueden encontrar dos tipos: abierto (permiten una interacción entre las condiciones externas y el área de producción, principalmente para la inyección de CO2, luz y eliminación de humedad ambiental) y cerrado (no hay interacción entre el ambiente externo y el área de cultivo, incluye equipos generadores de CO2 y deshumidificadores), esta última es contemplada mayormente para entornos extremos (ej. zonas con muy bajo o nulo potencial productivo agrícola).
En cuanto elementos internos que lo conforman, se pueden encontrar principalmente:
Diferentes técnicas y sistemas hidropónicos que van desde la aeropónica, raíz flotante, NFT (Nutrient Film Technique por sus siglas en inglés), goteo (uso de diferentes sustratos) y mecha. Desde el punto de vista de la verticalidad del sistema hidropónico pueden encontrarse diseños tipo cilindrico vertical (fija o colgante), torres triangulares a base de tuberías de plástico y torre por niveles apilados (bandejas, tuberías o canaletas) usando estructuras metálicas (racks).
Diferentes sistemas de iluminación que pueden ser lámparas a base de diodos emisores de luz (LED por sus siglas en inglés) de alta o baja potencia, lámparas fluorescentes y en menor grado lámparas de sodio de alta presión. En cuanto a su forma se pueden encontrar de tipo bombilla, rectangulares, cuadráticas y tubulares.
Diferentes sistemas de control de temperatura que pueden clasificarse en sistemas centrales y sistemas de aire acondicionado.
Diferentes tipos de sistemas de humidificación ambiental: del tipo ultrasónico, del tipo electrodos y del tipo evaporación.
Tipos de sistemas de control automatizados. Existen una gran diversidad de software-hardware que permite el monitoreo, control y registro de las variables ambientales y de solución nutritiva que permiten condiciones óptimas de crecimiento para las plantas; la desventaja de estos sistemas es que incrementan en mayor o menor grado (dependiendo del tipo de sistema usado) el costo de inversión debido a los precios elevados de estos softwares (licencias, capacitación, etc.) y hardware.
De conformidad con lo anterior se tiene que en cuanto a los sistemas del tipo abierto los cuales permiten un ingreso de luz natural, generan un descontrol en esta variable, puesto que la intensidad y calidad de la luz es cambiante durante el día, así como también durante las diferentes épocas del año, generando problemas de variabilidad en las características finales del cultivo de un ciclo de producción a otro y por consiguiente pérdida del valor agregado al producto final. Además de esto se permite el ingreso de radiación
infrarroja (calor sensible) que no es de utilidad para las plantas y que eleva la temperatura del ambiente interno, el cual debe ser removido por el sistema de enfriamiento generando un mayor consumo de energía eléctrica. En los sistemas cerrados debido a que no hay interacción entre el ambiente externo y el área de cultivo se debe incluir equipos para la generación de CO2 y deshumidificadores para eliminar excesos de humedad ambiental generados por la traspiración de las plantas, esto incrementa el costo de producción (mayor consumo de energía eléctrica, costo de generación de CO2 por inyección o combustión y requerimiento de mantenimiento de equipos), así como aumento del monto de inversión inicial.
En caso de la técnica de hidroponía, la aeroponía presenta la desventaja de cambios muy frecuentes en el valor de la variable pH (potencial de hidrógeno) de la solución nutritiva (variable de la cual depende la disponibilidad o no disponibilidad de los nutrientes para las plantas) por su interacción con el CO2 del microambiente. Este parámetro influye directamente en la disponibilidad de los nutrimentos para la planta y de no ser controlada en el rango de 5.5 a 6.5 se presentan deficiencias nutrimentales en el cultivo que genera pérdida de valor agregado; por lo que se requiere de un monitoreo y ajuste frecuente del pH bajo esta técnica. Otro factor importante a considerar es el requerimiento de sistema de presurización y nebulización de la solución nutritiva que asegure un tamaño adecuado de gota de agua para una buena distribución de nutrientes y oxígeno a toda la raíz, así como uniformidad de aplicación en cada una de las plantas cultivadas.
La técnica NFT por su parte presenta la desventaja principal de requerir de un flujo constante de solución nutritiva (SN) generando un mayor costo de producción por el uso de una bomba hidráulica la cual debe estar encendida permanentemente para hacer posible este movimiento, además de esto hay que considerar posibles cortes o interrupciones en el servicio de electricidad ya que de existir estos el cultivo puede perderse en tiempo muy corto por deshidratación. Otro factor importante a considerar es la dificultad para realizar la limpieza del sistema si esta emplea tubería o canaletas plásticas debido a su hermeticidad y difícil acceso.
En cuanto a la técnica de raíz flotante, esta presenta menor variabilidad del valor de pH y la CE (conductividad eléctrica) en comparación con las técnicas anteriores, pero presenta la gran desventaja de una disminución del oxígeno disuelto de la solución nutritiva debido al estancamiento de esta, por lo que se requiere del uso de bombas de aire para mantener una buena oxigenación en el área radicular de la planta, lo cual incrementa el consumo de energía eléctrica.
Con respecto al sistema por goteo la principal desventaja es que puede presentarse una desuniformidad en la aplicación del riego debido a efecto de la gravedad (parte superiores de la torre con menos cantidad de agua aplicada y partes inferiores de la torre con mayor cantidad de agua aplicada) además de posibles taponamientos de goteros a causa de sales presentes en la solución nutritiva, por lo que su uso en este tipo de aplicación de solución nutritiva es menos frecuente en este tipo de sistemas.
De igual forma, los sistemas de iluminación artificial convencionales, independientemente de la forma de la lámpara, las características de luz que estas emiten representan uno de los mayores retos para la producción agrícola, debido a que la condición de luz (calidad, intensidad y fotopehodo) tienen un efecto muy importante sobre el crecimiento y desarrollo de los cultivos.
En cuanto a las lámparas de sodio de alta presión y fluorescentes presentan grandes desventajas como lo son tiempo de vida útil (24 000 y 10 000 h respectivamente) y la más importante de no poder controlar la calidad de luz emitida (calidad de luz entendida como el espectro electromagnético emitido por la lámpara que incide en el dosel de la hoja y que será la fuente de energía para que la planta pueda realizar el proceso de fotosíntesis). Siendo las longitudes de onda del color rojo (610-750 nm) y azul (400-520 nm) las más eficientes para el proceso de fotosíntesis.
Por otro lado, las desventajas de los sistemas centrales de climatización es que si no se cuenta con conductos de distribución es necesario realizar una instalación que puede ser costosa y modifica de manera significativa la estructura del área de producción, puesto que se deben hacer perforaciones en los techos, pisos y paredes para insertar los conductos de ventilación. De igual
manera su eficiencia es menor, puesto que terminarán calentando o enfriando áreas que no necesariamente se usan para producción, además de que los sistemas con conductos presentan una pérdida de energía del 30 por ciento a medida que el aire se mueve a lo largo de los conductos.
En cuanto a los sistemas de aire acondicionado Mini Split, estos presentan mayores ventajas en comparación a los sistemas centrales, destacando el ahorro de energía (tecnología inverter), disponibilidad de diferentes capacidades de enfriamiento que permite ajustarse a diferentes superficies de producción y facilidad de instalación, además de tener la posibilidad de ser controlado a distancia. Como principal desventaja en cuanto a su uso en sistemas de producción agrícola destaca su gran poder deshum ¡dificante (remoción de humedad del aire), que de no ser controlado puede generar un estrés en las plantas a causa de generar un déficit de presión de vapor muy alto que eleva la demanda evapotranspirativa del aire y por consiguiente un estrés en la especie vegetal cultivada.
Asimismo, en el estado de la técnica existen tres tipos de humidificadores: 1 ) Humidificadores de electrodo, 2) humidificadores por evaporación y 3) humidificadores ultrasónicos. En cuanto a humidificación del tipo electrodo estos generan vapor de agua por proceso de ebullición mediante el uso de resistencias eléctricas, estos humidificadores tienen la desventaja de ser peligrosos debido a que el vapor que expulsa tiene una alta temperatura, además de tener un consumo eléctrico elevado, así como un caudal de salida no regulable (cantidad de agua evaporada). En cuanto al humidificador del tipo evaporación generan un caudal menor en comparación al ultrasónico y no es regulable y funciona sólo con agua destilada ya que, si esta contiene sales, la mecha se obstruye con facilidad, además de poseer la desventaja de un mayor consumo de energía y poco volumen de agua evaporada. Por su parte, el humidificador ultrasónico requiere de agua con contenidos bajos de sales disueltas. Actualmente en el mercado existen equipos de humidificación ultrasónica programadles (con control independiente), en este caso estos equipos no son adecuados para sistemas convencionales debido a que no pueden ser conectados a un controlador de humedad relativa.
De conformidad con lo anterior, se tienen por ejemplo los documentos de patente KR20200106792A, US2017258022A1 y RU2730648C1 , los cuales divulgan sistemas hidropónicos que utilizan plataformas flotantes, inyección activa de oxígeno en sus bandejas contenedoras de solución nutritiva (recipientes) y utilizan vahas tomas para el llenado y drenado de solución nutritiva, de igual forma, el posicionamiento de las bandejas es en zigzag, lo cual no permite la explotación comercial de diferentes especies vegetales en parte o en la totalidad de su etapa de crecimiento como germinación, producción de plántula, enraizamiento, estadio de climatización post cultivo ¡n vitro o producción de frutillas, hortalizas de hoja, especies aromáticas, etc., además de las problemáticas ya mencionadas.
Por lo tanto, no existe en el estado de la técnica un sistema hidropónico vertical con control ambiental para la producción hortícola, el cual permita la disminución del ciclo de producción con crecimiento uniforme y productos de alta calidad, la planeación de producción continua estable y un menor uso de recursos en comparación con los sistemas convencionales.
OBJETOS DE LA INVENCIÓN
Es por lo tanto un objeto de la presente invención proporcionar un sistema hidropónico vertical con control ambiental para la producción hortícola, el cual sea un sistema semi abierto, donde se permite solo la extracción de aire (uso de un extractor) para controlar los excesos de humedad relativa y mantener una concentración de CO2 ambiental entre los 350 y 400 ppm evitando el uso de generadores de CO2.
Otro objeto de la invención es proporcionar un sistema hidropónico vertical con control ambiental para la producción hortícola que proporcione una mayor versatilidad en la técnica de aplicación de solución nutritiva mediante una combinación de sistema NFT y raíz flotante, por medio de un arreglo particular de bandejas de metal con cubierta plástica a base de polietileno de alta densidad apiladas con ayuda de estructura de metal tipo anaquel que en su conjunto forman el rack de producción, en donde las
bandejas se interconectan mediante un sistema de drenado-llenado diseñado y construido con tubería y accesorios convencionales.
Un objeto adicional de la presente invención es proporcionar un sistema hidropónico vertical con control ambiental para la producción hortícola que comprenda un sistema de desinfección mediante luz UV a la salida de la bomba hidráulica para desinfección del agua de la solución nutritiva y eliminación de microorganismos que puedan ser patógenos para las plantas, así como para controlar la población de algas que puedan generar el secuestro de nutrientes esenciales para las plantas cultivadas.
Otro objeto adicional de la presente invención es proporcionar un sistema hidropónico vertical con control ambiental para la producción hortícola que comprenda un sistema de iluminación artificial LED que emita longitudes de onda electromagnética (medidas en nm) a intensidades adecuadas (medidas en pmoles/m2/s) ajustadas a los requerimientos de la planta para brindar una fuente de luz de mayor calidad mejorando el uso eficiente de la energía eléctrica en donde las lámparas están diseñadas con una mayor longitud para cubrir mayor área de producción por unidad (nivel) con mejores características en emisión de luz, las cuales contemplan las principales relaciones de espectro electromagnético (Rojo:Azul y Rojo: Rojo lejano) que influyen directamente en el crecimiento de los cultivos, además de contemplar la radiación del espectro electromagnético correspondiente al color verde que promueve una mejor tasa fotosintética y expansión foliar y que además ayuda a controlar la floración, a estimular la producción de metabolites secundarios (propiedades nutracéuticas) e incrementar la resistencia a enfermedades
Todavía un objeto más de la presente invención es proporcionar un sistema hidropónico vertical con control ambiental para la producción hortícola el cual comprenda un humidificador ultrasónico controlado por un controlador de humedad relativa ambiental para su encendido y apagado, lo que permite mantener una humedad relativa estable en el área de producción, así como un ahorro de energía eléctrica debido a su bajo tiempo de funcionamiento.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Estos y otros objetos se alcanzan mediante un sistema hidropónico vertical con control ambiental para la producción hortícola, el cual están conformado principalmente por: una pluralidad de estructuras de producción que comprenden cada una: una pluralidad de niveles con una separación adecuada para la producción de plántulas y especies de porte bajo, en donde cada nivel contiene una charola de acero inoxidable con doblez para facilitar su manipulación; una bandeja de plástico de polietileno de alta densidad color negro, en donde el color negro es empleado para controlar proliferación de algas, configurada para servir de forro o cubierta de la charola de acero inoxidable, la cual comprende relieves para mejorar la hidratación del sustrato, evitar daños a la raíz de plántulas y mejorar el drenado de solución nutritiva, en donde cada charola comprende en su interior 4 contenedores de propagación para producción de plántula, los cuales permiten un total de 960 plántulas por nivel; y una tapa de plástico corrugado con perforaciones a diferentes densidades configuradas para la inserción de canastillas para producción hidropónica, para producción de cultivos mediante la técnica de raíz flotante-NFT; en donde cada charola de acero inoxidable y bandeja de plástico de polietileno de alta densidad contienen un orificio pasante de inserción; y un sistema de drenado-llenado conformado por una pluralidad de líneas de llenado-drenado conectadas a cada una de dicha pluralidad de charolas de acero inoxidable y bandejas de polietileno de alta densidad mediante los orificios pasantes de inserción, en donde cada línea de llenado-drenado comprende: una contra que une la bandeja de plástico de polietileno de alta densidad a la charola de acero inoxidable, dicha contra comprende una canastilla superior que funge como un prefiltro para eliminar partículas de sustrato y restos de plantas, dicha contra está conectada de manera fluida a una tubería con una parte flexible que permite el desplazamiento horizontal de la charola de acero inoxidable mediante un riel con tope de seguridad para facilitar
actividades de cosecha, y otra parte rígida con un chupón universal de PVC flexible, en donde dicho chupón tiene la función de trampa para facilitar su separación en actividades de mantenimiento y limpieza; un copie reductor que tiene instalada una válvula de paso, en donde estos elementos se encuentran en cada uno de la pluralidad de niveles para contener la solución nutritiva o controlar el llenado-drenado de la charola; un sistema central de bombeo-filtrado-desinfección, el cual comprende un depósito para agua; una bomba hidráulica; un filtro de anillas; y una lámpara UV configurada para desinfección de la solución nutritiva y eliminación de microorganismos que puedan ser patógenos para las plantas, así como para controlar la población de algas que puedan generar el secuestro de nutrientes; y una tubería para la conducción de solución nutritiva que permite, mediante la combinación de la apertura o cierre de válvulas de paso, el uso solamente de dicha sola bomba hidráulica y una sola tubería para la distribución a cada una de la pluralidad de líneas de llenado y drenado de las charolas contenedoras de solución nutritiva; un sistema de iluminación LED, conformado por una pluralidad de módulos cada uno con 4 lámparas LED tubulares, en donde cada uno de dicha pluralidad de módulos está colocado en cada nivel de dicha pluralidad de niveles ubicado y fijado en posición paralela a la charola de acero inoxidable mediante clips de sujeción los cuales permiten modificar la altura de separación entre lámpara y dosel de la planta para ajustar la intensidad de luz y permitir ahorro de energía eléctrica; en donde cada lámpara LED tubular está diseñada considerando diodos para horticultura color rojo y blanco con intensidad de luz y relación de espectro rojo:azul específica; un sistema de control de temperatura de frío/calor con tecnología inverter; y un sistema de control de humedad relativa, está conformado por un extractor de aire, un humidificador ultrasónico para aplicaciones hortícolas con bandeja para depósito de agua y ventilador para distribución de vapor de agua; y un controlador digital con sistema de alarma y control de dos actuadores, uno para el humidificador y otro para el extractor, los cuales se activan si el valor
establecido es diferente a la lectura ambiental actual con un margen establecido por el usuario, lo cual permite manipular el grado de variabilidad permisible de la humedad relativa ambiental en base a la especie vegetal cultivada.
Las características y ventajas adicionales de la invención deberían comprenderse más claramente mediante la descripción detallada de la realización preferida de la misma, dada por medio de un ejemplo no limitativo con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La Figura 1 es una vista esquemática general del sistema hidropónico vertical con control ambiental para la producción hortícola de la presente invención.
La Figura 2 es una vista en perspectiva de la estructura de producción del sistema hidropónico vertical con control ambiental para la producción hortícola de la presente invención.
La Figura 2A es una vista en perspectiva de la charola de acero inoxidable y bandeja de plástico de polietileno de alta densidad color negro del sistema hidropónico vertical con control ambiental para la producción hortícola de la presente invención.
La Figura 3 es una vista en detalle del sistema de drenado-llenado del sistema hidropónico vertical con control ambiental para la producción hortícola de la presente invención.
La Figura 4 es una vista esquemática general del sistema central de bombeo-filtrado-desinfección del sistema hidropónico vertical con control ambiental para la producción hortícola de la presente invención.
La Figura 5 es una vista en detalle de un módulo del sistema de iluminación LED del sistema hidropónico vertical con control ambiental para la producción hortícola de la presente invención.
La Figura 6 es una vista esquemática de los sistemas de control de temperatura de frío/calor y de control de humedad relativa del sistema
hidropónico vertical con control ambiental para la producción hortícola de la presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
De conformidad con la presente invención, el sistema hidropónico vertical con control ambiental para la producción hortícola propuesto es un modelo de producción de horticultura que permite la explotación comercial de diferentes especies vegetales en parte o en la totalidad de su etapa de crecimiento (germinación, producción de plántula, enraizamiento, estadio de climatización post cultivo in vitro o producción de frutillas, hortalizas de hoja, especies aromáticas, etc.) utilizando recursos mínimos (agua, fertilizantes, energía y espacio) en el momento requerido, para lograr una mayor eficiencia en el uso de insumos, optimización de espacios y reducción de costos obteniendo productos de alta calidad y mejores características agronómicas que los sistemas tradicionales. Todo lo anterior a partir del control de variables ambientales que influyen directamente en el crecimiento de los cultivos como la temperatura, la humedad relativa, el déficit de presión de vapor, la velocidad de viento, la concentración de CO2 y condición de luz (calidad, intensidad y fotopehodo), así como, el control nutrimental mediante la hidroponía (producción agrícola sin suelo).
Entre las ventajas de este sistema destacan las siguientes: 1 ) disminución del ciclo de producción con crecimiento uniforme y productos de alta calidad, 2) planeación de producción continua estable y 3) menor uso de recursos en comparación con los sistemas convencionales.
Con referencia ahora a las Figuras 1-6, se muestra el sistema hidropónico vertical con control ambiental para la producción hortícola de la presente invención numerado generalmente en 1000. Dicho sistema hidropónico vertical 1000 está conformado de manera general por una pluralidad de estructuras de producción 1100; un sistema de drenado-llenado 1200; un sistema central de bombeo-filtrado-desinfección 1300; un sistema de iluminación LED 1400, un sistema de control de temperatura de frío/calor con
tecnología inverter 1500; un sistema de control de humedad relativa Sj)O; y un sistema de movimiento de aire 1700 conformado por una pluralidad de ventiladores para homogeneizado de variables ambientales en toda el área de producción, tales como temperatura, humedad relativa, déficit de presión de vapor y concentración de CO2.
Como se muestra en las Figuras 2 y 2A, cada una de la pluralidad de estructuras de producción 1100 comprende un marco de base 1110 formado por 4 postes de ángulo de acero inoxidable con ceja perforada para anclaje a suelo, ángulos porta charola que forman niveles de producción 1120, todos sujetos con tornillería, arandelas y tuercas de seguridad (no mostrados), en donde cada nivel de producción 1120 tiene una distancia de separación entre niveles adecuada para la producción de plántulas, hortalizas de hoja, frutillas y otras especies de porte bajo, así como plantas medicinales (de alto valor económico) empleados en farmacéutica y cometería, bien conocidas en el estado de la técnica. Cada nivel de producción 1120 comprende al menos una charola de acero inoxidable 1130 con doblez para facilitar su manipulación, la cual está cubierta por una bandeja de plástico 1140 de polietileno de alta densidad color negro para controlar proliferación de algas, configurada para servir de forro de la charola de acero inoxidable, cada bandeja de plástico 1140 comprende una pluralidad de relieves 1141 para mejorar la hidratación del sustrato (cuando se emplea para producción de plántula), evitar daños a la raíz de plántulas al manipular las charolas de propagación y mejorar el drenado de solución nutritiva. El tamaño de la charola 1130 está pensado para que esta pueda contener un total de 4 contenedores de propagación para un total de 960 plántulas por nivel, cuando la charola es utilizada para producción de plántula. Adicionalmente, dicha bandeja de plástico 1140 comprende una tapa de plástico corrugado 1142 con perforaciones 11421 a diferentes densidades, configuradas para la inserción de canastillas para producción hidropónica, para producción de cultivos mediante la técnica de raíz flotante-NFT (no mostrado), en donde la tapa de plástico 1142 además funge como protección para evitar entrada de radiación que permita la proliferación de algas, brindando además oscuridad para un mejor desarrollo radicular.
Cada charola de acero inoxidable 1130 y bandeja de plástico de polietileno de alta densidad 1140 comprenden un orificio pasante de inserción 1150 para la instalación del sistema de drenado-llenado 1200. El posicionamiento de las bandejas es completamente horizontal y están apiladas verticalmente lo que oferta mayores ventajas, además de que no están fijadas a la estructura 1100, están sostenidas por el par de ángulos contrapuestos provistos además de un riel con tope de seguridad, el cual permite el desplazamiento horizontal de la charola 1130, con la finalidad de sacarla parcialmente (no se muestra) mediante dicho riel para facilitar actividades de cosecha.
Con referencia ahora a la Figura 3, se muestra el sistema de drenado- llenado 1200, conformado por una pluralidad de líneas de llenado-drenado 1210 conectadas a cada una de dicha pluralidad de charolas de acero inoxidable 1130 y bandejas de polietileno de alta densidad 1140 mediante los orificios pasantes de inserción 1150, en donde cada línea de llenado-drenado comprende una contra 1211 que une la bandeja de plástico de polietileno de alta densidad 1140 a la charola de acero inoxidable 1130. Dicha contra 1211 comprende una canastilla superior 1212 que funge como un medio de prefiltro para eliminar partículas de sustrato y restos de plantas, dicha contra 1211 está conectada a una tubería de distribución/descarga 1213 con una parte flexible 12131 para permitir desplazamiento horizontal de la charola de producción mediante dicho riel con tope de seguridad y otra parte rígida 12132 con un chupón universal de PVC flexible 1214, que tiene la función de trampa para facilitar su separación en actividades de mantenimiento y limpieza. Posterior a dicho chupón 1214 se encuentra un copie reductor donde está instalada una válvula de paso 1215. Todos estos elementos se encuentran en cada uno de los niveles para contener la solución nutritiva o controlar el llenado-drenado de las charolas 1140. La conexión entre las líneas 1210 y los niveles de la estructurase realiza mediante tubería y accesorios convencionales.
Con referencia a la Figura 4, se muestra el sistema central de bombeo- filtrado-desinfección 1300, el cual está conformado por un depósito para agua 1310, en conexión de fluido con una bomba hidráulica 1320, un filtro de anillas
1330, y una lámpara UV 1340 los cuales forman un medio de filtrado y desinfección del agua para la eliminación de algas mediante radiación UV, accesorios, tubería y válvulas de paso de CPVC, en donde el diseño y arreglo de la tubería para la conducción de solución nutritiva 1350 permite que mediante la combinación de la apertura o cierre de una pluralidad de válvulas de paso 1360 se requiera solo el uso de una sola bomba hidráulica 1320 y una sola línea de tubería 1350 para el llenado y drenado de las charolas 1140 contenedoras de solución nutritiva, además de poder realizar el proceso de filtrado y de desinfección UV tanto en el llenado como en el drenado.
El sistema central 1300 contempla una caída libre de solución nutritiva al depósito 1310 lo que permite una oxigenación pasiva evitando costos de inversión en sistemas de oxigenación activa y costos de operación debido a un mayor consumo de energía eléctrica debido al uso de bombas de aire.
Además de lo anterior el sistema contempla el uso de tuercas unión para conexión-desconexión rápida del filtro, bomba y lámpara UV para realizar actividades de mantenimiento y limpieza
>
Con referencia ahora a las Figuras 1 > se muestra el sistema de iluminación LED 1400, en donde cómo se puede apreciar cada nivel de producción 1120 contiene un módulo 1410 con 4 lámparas LED tubulares 1420 dispuestas de manera equidistante entre sí. Cada módulo de lámparas 1410 está sujeto en posición paralela a la charola de acero inoxidable 1130 mediante clips de sujeción 1440 mostrados en la Figura 2, estos clips sujetadores permiten modificar la altura de separación entre lámpara y dosel de la planta para ajustar la intensidad de luz y permitir ahorro de energía eléctrica. Las lámparas 1420 presentan un arreglo de diodos diseñados para obtener una lámpara con la longitud y características de emisión de luz óptima para el crecimiento de los cultivos en la estructura de producción 1100. La lámpara 1420 fue diseñada considerando diodos para horticultura color rojo y blanco con intensidad de luz y relación de espectro rojo:azul específica.
La conexión de los módulos de lámparas entre niveles se realiza empleando multicontactos los cuales están controlados por dos timers 1430 para el encendido y apagado automatizado de las mismas, en donde cada
timer controla 5 niveles del rack de producción. La luz integral diaria a establecer es dependiente de la especie vegetal cultivada.
El sistema automatizado de iluminación LED 1400 de la invención utiliza la tecnología de iluminación artificial más reciente en ingresar al campo de la agricultura (los diodos emisores de luz), que presentan la gran ventaja de emitir longitudes de onda ajustadas a los requerimientos de la planta para brindar una fuente de luz de mayor calidad mejorando el uso eficiente de la energía eléctrica, en donde para la presente invención se diseñaron lámparas de mayor longitud para cubrir mayor área de producción por unidad (nivel) con mejores características en emisión de luz, las cuales contempla las principales relaciones de espectro electromagnético (Rojo:Azul y Rojo: Rojo lejano) que influyen directamente en el crecimiento de los cultivos, además de contemplar la radiación del espectro electromagnético correspondiente al color verde que promueve una mejor tasa fotosintética y expansión foliar y que además ayuda a controlar la floración, a estimular la producción de metabolites secundarios (propiedades nutracéuticas) e incrementar la resistencia a enfermedades. Esta tecnología desarrollada garantiza una vida útil mayor con respecto a las fuentes de luz artificial convencionales (30 000 h).
Además de las mejoras en características de emisión de luz, se diseñó el módulo porta lámparas 1410 de fácil conexión y anclaje a la estructura de producción 1100 para facilitar su instalación asegurando una buena distribución de las lámparas para mantener una iluminación uniforme en cada nivel y área de producción.
Con referencia a las Figuras 1 y 6, se muestran los sistemas de control de temperatura 1500 y de control de humedad relativa 1600. El sistema de control de temperatura 1500 establecido para el sistema de producción es un Mini Split frío/calor con tecnología inverter. Cabe mencionar que la capacidad y número de equipos depende del número de estructuras de producción instaladas, zona del país en el que se ubica el sistema de producción, así como la superficie a enfriar. Dicho sistema de control de temperatura 1500 con sistema inverter presenta varias ventajas en cuanto costos del equipo y facilidad de instalación, además de tener un costo bajo anual de
mantenimiento.
El sistema de control de humedad relativa jW$O está conformado por un extractor de aire 1610, un humidificador ultrasónico 1620 para aplicaciones hortícolas con bandeja 1621 para depósito de agua y un ventilador para distribución de vapor de agua y un controlador digital 1630 con sistema de alarma y control de dos actuadores, (uno para el humidificador y otro para el extractor), los cuales se activan si el valor establecido es diferente a la lectura ambiental actual registrada por un sensor de humedad relativa 1640 con un margen de activación establecido por el usuario, lo que permite manipular el grado de variabilidad permisible de la humedad relativa ambiental en base a la especie vegetal cultivada. El empleo de dicho humidificador ultrasónico con un gasto de hasta 4.5 L/h controlado por un controlador de humedad relativa ambiental para su encendido y apagado permite mantener una humedad relativa estable en el área de producción, así como un ahorro de energía eléctrica debido a su bajo tiempo de funcionamiento.
Dependiendo de la zona en el que se establece el sistema de producción y variabilidad de la humedad relativa en las diferentes estaciones del año se contempla el uso de un deshumidificador. Es importante señalar que el suministro de agua del humidificador proviene del agua condensada por el sistema de enfriamiento a través del tubo de drenado como se muestra en dicha Figura 6.
Por otra parte, el arreglo del sistema de drenado-llenado 1200 de la invención permite la conexión entre todos los niveles de producción de una o más estructuras de producción 1100 contemplando un solo sistema central de bombeo-filtrado-desinfección 1300. La inclusión de este sistema ofrece la gran ventaja de realizar una oxigenación pasiva mediante caída libre de la solución nutritiva al depósito central, por lo que elimina el uso de bombas de aire. Asimismo, el depósito central 1310 permite ajustar las variables de solución nutritiva en un solo evento, posterior a esto, la solución nutritiva es retomada en cada uno de los niveles de la estructura 1100 para continuar el crecimiento de las plantas hasta volver a presentar una descompensación y requerir ser reajustada o en su caso renovada. La conducción de solución nutritiva mono
tubo para el llenado y drenado de la misma, es posible mediante el uso y arreglo del sistema de válvulas de paso 1360 que permiten controlar la dirección de flujo, además de la filtración de partículas finas y la desinfección UV de la solución nutritiva tanto en el drenado como en el llenado empleando solamente a dicha bomba hidráulica 1320, la lámpara de desinfección UV 1340 (con capacidad de flujo acorde a la capacidad de la bomba hidráulica) y dicho filtro de anillas 1330.
Asimismo, el sistema hidropónico 1000 de la presente invención contempla mayor versatilidad en la técnica de aplicación de solución nutritiva siendo una combinación de sistema NFT y raíz flotante. Esto es posible mediante la interconexión de las charolas por medio del sistema de drenado- llenado diseñado 1200. Este arreglo evita las desventajas que generan las técnicas NFT y raíz flotante por separado, ya que el establecer un sistema de drenado-llenado en las bandejas contenedoras de solución nutritiva permite que esta pueda ser retomada al depósito central 1310 para ser reajustada y ser regresada a las bandejas de plástico 1140 mediante la bomba hidráulica 1320 y el mismo sistema de drenado-llenado 1200, mejorando así el manejo y control de solución nutritiva, además de generar una oxigenación pasiva ya que no se requiere de bombas de aire debido a que en el proceso de drenado se genera un contacto de la solución nutritiva con el aire mediante una caída libre al depósito central, por otra parte, se mantienen periodos de funcionamiento cortos de la bomba hidráulica a diferencia del NFT que requiere un funcionamiento constante permitiendo además un menor uso de energía eléctrica.
Igualmente, la combinación y arreglo del sistema central de drenado- llenado 1200 y el sistema central de bombeo-filtrado-desinfección 1300 permite que se realice un filtrado y una desinfección tanto en el drenado como en el mismo proceso de llenado, además de presentar la gran ventaja de que este sistema central puede ser conectado a “n” número de estructuras de producción.
La versatilidad de este arreglo de sistema hidropónico permite también que sea empleado para el riego de cultivos que requieren el uso de sustrato
(producción de plántula y frutillas) mediante la técnica de riego por sub irrigación (el agua se entrega a la zona de la raíz de la planta desde abajo de la superficie del sustrato y se absorbe hacia arriba), permitiendo la recolección y reutilización del excedente de solución nutritiva (este sistema posibilita el reúso de solución nutritiva disminuyendo así el costo de operación e incrementando el uso eficiente del agua). Por otra parte, también puede ser usado para riego por goteo empleando goteros auto compensados (funcionan a partir de una presión determinada) que permiten mantener uniformidad de riego en todos los niveles de la torre sin importar la altura de este. Por otra parte, el sistema puede admitir la integración de un sistema por goteo para la producción de especies como frutillas y plantas medicinales que requieren del uso de macetas con sustrato y que presentan baja tolerancia de conductividad eléctrica (se puede presentar un incremento de la conductividad eléctrica mayor a 2.5 mS/cm en área radicular debido a la acumulación de sales en el sustrato por evaporación de agua en combinación del uso del método de riego de subirrigación), el sistema por goteo contempla el uso de goteros auto compensados (funcionan cuando se alcanza una presión determinada en las líneas de tubería distribuidoras de todo el sistema) lo que permiten mantener una uniformidad de riego en todos los niveles de la torre sin importar la altura de este.
De acuerdo con lo anteriormente descrito, será evidente para un técnico en la materia que las modalidades del sistema hidropónico vertical con control ambiental para la producción hortícola de la presente invención y sus características y componentes respectivos arriba descritos se presentan con fines únicamente ilustrativos, pues un técnico en la materia puede realizar numerosas variaciones a los mismos, siempre y cuando se realicen de conformidad con los principios de la presente invención. Por consecuencia de lo anterior, la presente invención incluye todas las modalidades que un técnico en la materia puede plantear a partir de los conceptos contenidos en la presente descripción, de conformidad con las siguientes reivindicaciones.
Claims
1.- Sistema hidropónico vertical con control ambiental para la producción hortícola, caracterizado porque comprende: una pluralidad de estructuras de producción que comprenden cada una: una pluralidad de niveles con una separación adecuada para la producción de plántulas y especies de porte bajo, en donde cada nivel contiene una charola de acero inoxidable con doblez para facilitar su manipulación; una bandeja de plástico de polietileno de alta densidad color negro para controlar proliferación de algas, configurada para servir de forro o cubierta de la charola de acero inoxidable, la cual comprende relieves para mejorar la hidratación del sustrato, evitar daños a la raíz de plántulas y mejorar el drenado de solución nutritiva, en donde cada charola comprende en su interior 4 contenedores de propagación que permiten un total de 960 plántulas por nivel; en donde cada charola de acero inoxidable y bandeja de plástico de polietileno de alta densidad contienen un orificio pasante de inserción; y un sistema de drenado-llenado conformado por una pluralidad de líneas de llenado-drenado conectadas a cada una de dicha pluralidad de charolas de acero inoxidable y bandejas de polietileno de alta densidad mediante los orificios pasantes de inserción, en donde cada línea de llenado-drenado comprende: una contra que une la bandeja de plástico de polietileno de alta densidad a la charola de acero inoxidable, dicha contra comprende una canastilla superior que funge como un prefiltro para eliminar partículas de sustrato y restos de plantas, dicha contra está conectada de manera fluida a una tubería con una parte flexible que permite el desplazamiento horizontal de la charola de acero inoxidable mediante un riel con tope de
seguridad para facilitar actividades de cosecha, y otra parte rígida con un chupón universal de PVC flexible, el cual tiene la función de trampa para facilitar su separación en actividades de mantenimiento y limpieza; un copie reductor que tiene instalada una válvula de paso, en donde estos elementos se encuentran en cada uno de la pluralidad de niveles para contener la solución nutritiva o controlar el llenado-drenado de la charola; un sistema central de bombeo-filtrado-desinfección, el cual comprende un depósito para agua; una bomba hidráulica; un filtro de anillas; y una lámpara UV configurada para desinfección de la solución nutritiva y eliminación de microorganismos que puedan ser patógenos para las plantas, así como para controlar la población de algas que puedan generar el secuestro de nutrientes; y una tubería para la conducción de solución nutritiva que permite, mediante la combinación de la apertura o cierre de válvulas de paso, el uso solamente de dicha sola bomba hidráulica y una sola tubería para la distribución a cada una de la pluralidad de líneas de llenado y drenado de las charolas contenedoras de solución nutritiva; un sistema automatizado de iluminación LED, conformado por una pluralidad de módulos cada uno con 4 lámparas LED tubulares, en donde cada uno de dicha pluralidad de módulos está colocado en cada nivel de dicha pluralidad de niveles ubicado y fijado en posición paralela a la charola de acero inoxidable mediante clips de sujeción los cuales permiten modificar la altura de separación entre lámpara y dosel de la planta para ajustar la intensidad de luz y permitir el crecimiento óptimo para la especie vegetal cultivada; en donde cada lámpara LED tubular está diseñada considerando diodos para horticultura color rojo y blanco con intensidad de luz y relación de espectro rojo:azul específica; un sistema de control de temperatura de frío/calor con tecnología inverter; un sistema de control de humedad relativa, conformado por un extractor de aire, un humidificador ultrasónico para aplicaciones hortícolas con bandeja para depósito de agua y ventilador para distribución de vapor de agua; y un controlador digital con sistema de alarma y control de dos actuadores, los
cuales se activan si el valor establecido es diferente a la lectura ambiental actual con un margen establecido por el usuario; y un sistema de movimiento de aire para homogeneizado de variables ambientales en toda el área de producción, tales como temperatura, humedad relativa, déficit de presión de vapor y concentración de CO2.
2.- El sistema hidropónico vertical de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicha estructura de producción comprende adicionalmente un medio de anclaje al piso.
3.- El sistema hidropónico vertical de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la bandeja de plástico comprende adicionalmente una tapa de plástico corrugado con perforaciones a diferentes densidades configuradas para la inserción de canastillas para producción hidropónica, para producción de cultivos mediante la técnica de raíz flotante-NFT; en donde dicha tapa funge además como protección para evitar entrada de radiación que permita la proliferación de algas, brindando además oscuridad para un mejor desarrollo radicular.
4.- El sistema hidropónico vertical de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el posicionamiento de las bandejas es completamente horizontal y están apiladas verticalmente; y porque sostenidas por un par de ángulos contrapuestos provistos de un riel con la finalidad de sacar parcialmente la bandeja de cultivo mediante dicho riel para facilitar la cosecha.
5.- El sistema hidropónico vertical de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho sistema central de bombeo-filtrado-desinfección comprende una pluralidad de válvulas de paso las cuales permiten el uso de una sola bomba hidráulica y una sola línea de tubería para el llenado y drenado de las charolas contenedoras de solución nutritiva.
6.- El sistema hidropónico vertical de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque dicho sistema central contempla una caída libre de solución nutritiva al depósito para permitir una oxigenación pasiva evitando el uso de sistemas de oxigenación activa y bombas de aire.
7.- El sistema hidropónico vertical de conformidad con la
reivindicación 1 , caracterizado además porque dichas lámparas tubulares tienen una mayor longitud para cubrir mayor área de producción por unidad (nivel) con mejores características en emisión de luz, las cuales contempla las principales relaciones de espectro electromagnético Rojo:Azul y Rojo: Rojo lejano, las cuales influyen directamente en el crecimiento de los cultivos.
8.- El sistema hidropónico vertical de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque dichas lámparas contemplan la radiación del espectro electromagnético correspondiente al color verde que promueve una mejor tasa fotosintética y expansión foliar y que además ayuda a controlar la floración.
9.- El sistema hidropónico vertical de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho controlador digital comprende adicionalmente un sensor de humedad relativa el cual en conjunto con el sistema de alarma y control de dos actuadores permiten manipular el grado de variabilidad permisible de la humedad relativa ambiental con base a la especie vegetal cultivada.
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-
2022
- 2022-03-11 WO PCT/MX2022/050016 patent/WO2023172120A1/es active Application Filing
Patent Citations (2)
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