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Propagaci贸n, injerto y producci贸n de plantel en sistemas cerrados con iluminaci贸n artificial
Toyoki Kozai kozai@faculty.chiba-u.jp
Traducci贸n, Alicia Namesny www.poscosecha.com/es/publicaciones/ Grupo THM
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Sistema cerrado
Propagación, injerto y producción de plantel en sistemas cerrados con iluminación artificial para comercialización en Japón
Indice
Información comercial
Resumen
3
Introducción
4
Sistema cerrado de producción de plantas
5
Características de los componentes principales de los sistemas cerrados
8
Componentes innecesarios en un sistema cerrado pero necesarios en un invernadero
8
Ventajas
9
Ahorro y recursos y características de alto rendimiento del sistema cerrado
13
Conclusiones
15
Referencias
15
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Sistema cerrado
Resumen Un “sistema cerrado de producción de plantas” o simplemente un “sistema cerrado” se define en este artículo como una estructura similar a un almacén cubierta con paredes opacas térmicamente aisladas, en el que la ventilación se mantiene en un mínimo y se utiliza luz artificial como única fuente de iluminación para el crecimiento de las plantas. Se enriquece con CO2 hasta un nivel de 1,000 mmol.mol y el agua evapotranspirada se recoge en un panel enfriador de aire acondicionado y se recicla para riego. No se libera al exterior agua residual conteniendo fertilizantes químicos. Las ventajas del sistema cerrado sobre un invernadero para la producción de plantas de tamaño menor a 30 – 40 cm incluyen: (1) crecimiento rápido y uniforme de plantas de alta calidad, (2) productividad superior en más de 10 veces por unidad de superficie, crecimiento rápido, alta densidad de plantación y alto rendimiento, (3) alta eficiencia de uso del agua y del CO2, (4) alta eficiencia de uso de la luz por parte de las plantas debido a la optimización de temperatura, intensidad de la luz y período, concentración de CO2 y contenido de agua del sustrato, (5) prácticamente no existen gastos de calefacción en países del norte. Los costos iniciales y de operación por capacidad de producción planta en sistemas cerrados son comparables o menores que los de invernaderos. En 2007 los sistemas cerrados se usaron en 45 sitios distintos de Japón para producción comercial de plantel, plantas aromáticas y medicinales y hortalizas de hoja, y en 15 sitios distintos a efectos de investigación.
Palabras clave: aire acondicionado, CO2, enriquecimiento, control ambiental, lámpara, luz, transplante
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Introducción Recientemente
hemos
desarrollado
sistemas
cerrados
de
producción de plantas con lámparas (llamados de aquí en más, para abreviar, “sistemas cerrados”) con el objetivo de producir comercialmente plantas de alta calidad, usando un mínimo de electricidad, agua, CO2, mano de obra y espacio. Los detalles se describen en Kozai et al. (2004, 2005a, 2005b y 2006). En un sistema cerrado, el ambiente de las plantas puede controlarse con precisión según se desee, independientemente del tiempo, y el agua de riego puede reciclarse colectando el agua evapotranspirada de las plantas y sustrato en los paneles del enfriamiento de un acondicionador de aire. Así es posible producir plantas de alta calidad, sin pestes, sin utilizar agroquímicos y con cantidades mínimas de otros recursos. Los costos de electricidad son aproximadamente 1 centavo de US por plantín, lo que representa el 1 a 5% del precio de venta de tomate, berenjena, pensamiento y plantel libre de virus de boniato. Esta considerable reducción en los costos de electricidad por unidad se alcanza utilizando paredes aisladas térmicamente, estantes múltiples, iluminación avanzada, sistemas de acondicionamiento del aire, etc. La capacidad de producción anual de plantel por unidad de superficie es superior en aproximadamente 10 veces o más que el sistema cerrado que en un invernadero, principalmente debido al uso de estantes múltiples, al rápido crecimiento, a la alta densidad de plantación y al alto porcentaje de plantas comercializables. El sistema cerrado necesita un 30% menos de fertilizante debido a que no se libera agua conteniendo fertilizantes al exterior,
90%
menos
agua
debido
a
que
se
recicla
el
agua
evapotranspirada usándola para riego, y a que prácticamente no se utilizan pesticidas. Existen muchas otras ventajas en el sistema cerrado sobre el de invernadero, como se describe posteriormente. El sistema cerrado también puede aplicarse a la producción de plantas aromáticas y medicinales, a plantas ornamentales y a hortalizas de hoja si si altura es menor que 30 a 40 cm.
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En este artículo describimos brevemente la definición, concepto, base teórica, métodos, materiales, aplicación y ventajas del sistema cerrado usando lámparas en relación a un invernadero usando luz solar, desde los puntos de vista biológicos, ingenieriles y económicos. Este artículo es un resumen de la investigación sobre el sistema cerrado en nuestro laboratorio. Para más detalles técnicos, consultar la literatura citada.
SISTEMA CERRADO DE PRODUCCIÓN DE PLANTAS Definición y componentes principales Un “sistema cerrado de producción de plantas” o, simplemente, “sistema cerrado” se define en este artículo como una estructura similar a un almacén (Figura 1), (1) cubierta con paredes y techo aislados térmicamente, (2) en que la ventilación se mantiene en un mínimo y (3) que utiliza lámparas (por ejempo, tubos fluorescentes) como única fuente de luz para el crecimiento de las plantas.
Figura 1 – Esquema mostrando los cuatro principales componentes del sistema cerrado de producción de plantas Warehouse-like structure
Estructura similar a un almacén cubierta con aislantes térmicos opacos
Multi-shelves
Estantes múltiples con tubos fluorescentes
Air conditioner
Acondicionador de aire
CO2 supply unit
Unidad de suministro de CO2
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Los principales componentes del sistema cerrado son: (1) una estructura similar a un almacén cubierta con aislantes térmicos opacos, (2) estantes múltiples que tienen lámparas, instalados en la estructura similar al almacén (Figuras 2, 3, y 4), (3) acondicionadores de aire, que se usan sobre todo para enfriar y deshumidificar, y a veces para calentar, (4) ventiladores para el movimiento interno del aire (Figura 5) (5) una unidad de aprovisionamiento de CO2 para promover la fotosíntesis de las plantas, (6) una unidad de suministro de nutrientes y (7) una unidad de control ambiental. Como fuente de luz se usan normalmente lámparas fluorescentes, aunque también pueden usarse LED (light emitting diode, diodo emisor de luz), etcétera, como fuente de luz. Para la producción de plantel se utilizan bandejas de alvéolos.
Figura 2 – Vista exterior de una unidad de sistema cerrado
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Figura 3 – Este recinto (69m2) puede contener 384 bandejas de alvéolos de 288 celdas o 110.000 plantines de tomate, con una capacidad de producción de plantel por año de 2.6 millones de unidades.
Figura 4 – Vista exterior de un sistema cerrado compuesto de 21 unidades.
Figura 5 – El microambiente en cada estante es casi el mismo que en los demás estantes. La velocidad del aire y la dirección son casi la misma sobre las bandejas de alvéolos. Air flow Air conditioners Fans
Corriente de aire Acondicionadores de aire Ventiladores
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Características de los componentes principales de los sistemas cerrados Todos los componentes principales de un sistema cerrado se producen en masa ya sea para uso doméstico o para uso industrial. Por tanto, en muchos países, en relación a los componentes principales: 1) es común un descuento considerable para compras al por mayor debido a la significativa reducción en los costos de envasado, mano de obra, transporte, etc. 2) año a año se han logrado significativos avances técnicos y reducción en los precios, debido a la fuerte competencia entre los fabricantes y 3) por ley se ha establecido el reciclaje y/o reutilización de sistemas para tubos fluorescentes, aire acondicionado y aislantes térmicos, a efectos de conservación ambiental y de aprovechamiento de los recursos. Estos componentes principales del sistema cerrado se utilizan sin ninguna modificación para construir el sistema cerrado y cada componente tiene una rica variedad de tipos, tamaños, capacidades, precios, etc. Por tanto, somos capaces de construir varios tipos de sistemas cerrados de acuerdo a lo que se desee, de la misma forma que se construye un ordenador en base a las partes o unidades más apropiadas, por ejemplo, la unidad central de procesamiento, el disco duro, las memorias, impresoras, etc. Estas características reducen significativamente las inversiones para investigación y desarrollo del sistema cerrado y aumentan la flexibilidad del sistema cerrado.
Componentes innecesarios en un sistema cerrado pero necesarios en un invernadero Componentes que son innecesarios en un sistema cerrado pero que normalmente son necesarios en un invernadero son: 1) pantallas térmicas y de sombreo instaladas debajo del techo, 2) ventiladores de techo, de pared lateral o de pie, 3) calentadores, 4) canteros, camas o bolsas conteniendo sustrato, 5) láminas de cristal o de plástico como material de cubierta.
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algunos
Sistema cerrado casos
también
se
necesitan
los
siguientes
componentes en un invernadero: 6) un sistema de enfriamiento evaporativo y/o un sistema de iluminación suplementario. Por tanto, las inversiones para investigación y desarrollo de los componentes de un invernadero son costosos. Componentes que a menudo son comunes a ambos sistemas, el cerrado y un invernadero, para la producción de plantel, son las bandejas de alvéolos con celdas, una unidad de riego y una unidad de control ambiental. Sin embargo, los algoritmos de control para estas unidades para el sistema cerrado son mucho más simples que para un invernadero, debido a que el ambiente en el sistema cerrado no es afectado por el tiempo (clima). Una unidad proveedora de CO2 es indispensable para el sistema cerrado con un mínimo de ventilación, pero no es imprescindible para el invernadero con ventilación.
Ventajas Las ventajas de un sistema cerrado sobre un invernadero incluyen: 1) crecimiento rápido y uniforme de plantas de alta calidad (Figura 6), 2) una productividad por unidad de superficie multiplicada por más de 10 debido al uso de estantes múltiples, por el rápido crecimiento (Figura 6) y por la alta densidad de plantación (Figuras 7 y 8), fácil injerto (Figuras 9 y 10) y alta tasa de rendimiento (figuras 11 y 12), 3) altas eficiencias de uso del agua y del CO2 (Figuras 13 y 14) debido a la minimización de la ventilación y al reciclaje del agua y del CO2.
Figura 6 - Un transplante de boniato cultivado durante 14 días en el sistema cerrado, a partir de una estaquilla con un único nudo y una hoja.
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Figura 7 - Plántulas de espinaca 12 días después de haber sido sembradas en bandejas de 228 celdas en un sistema cerrado y plántulas cultivadas en bandejas de 144 celdas en invernadero. Green house Closed system 128-cell 288-cell
Invernadero Sistema cerrado 128 celdas 288 celdas
Figura 8 - Plántulas de tomate 14 días después de sembradas en sistema cerrado en bandejas de, respectivamente 128, 200 y 288 celdas. Low density High density 128-cell 200 cell 288 cell
Baja densidad Alta densidad 128 celdas 200 celdas 288 celdas
Figura 9 - Plantel de tomate injertado producido usando el sistema cerrado Grafted tomato (Solanum lycopersicum) transplants .... Plantel de tomate (Solanum lycopersicum), injertado, 20 días después de sembrado.
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Figura 10 - Plantel de berenjena producido usando sistema cerrado Grafted cucumber transplants
Plantel de berenjena injertado
Figura 11- Plantel de berenjena luego de 29 días de sembrado cultivado en sistema cerrado y en invernadero Closed system Greenhouse
Sistema cerrado Invernadero
Figura 12 - Plantas de pensamiento 64 días después de la siembra. Izquierda: cultivadas durante 28 días después de la siembra en sistema cerrado y después durante 36 días en invernadero de plástico. Derecha: Plantas cultivadas durante los 64 días después de la siembra en invernadero de plástico.
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Figura 13 - La eficiencia de uso de CO2 en un sistema cerrado es del 87%. CO2 utilization efficiency Fixed Supplied Ventilated Number of air changes Unit mol
Eficiencia de uso del CO2 Fijado Suministrado Ventilado Número de cambios de aire Unidad mol
Figura 14 - La eficiencia de uso del agua en un sistema cerrado, en el cual el agua proveniente del exceso de humedad del aire (“deshumidificación”) se utiliza para riego, es del 98,5%. Water utilization efficiency Dehumidified Dehumidified for Re-u Irrigated Ventilated P: Increase in plants S: Increase in substrate Unit
eficiencia de uso del agua Deshumidificación Deshumidificación para reuso Riego Ventilado P: Aumento en plantas S: Aumento en sustrato Unidad
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Ahorro de recursos y características de alto rendimiento del sistema cerrado Lo que sigue es un resumen de los ahorros en recursos y de las características de alto rendimiento de un sistema cerrado en comparación con el de un invernadero (los detalles de estas características y sus razones se explican en Kozai et al. (2005a, 2005b) y Kozai (2006)): 1) Los costos iniciales de inversión por unidad de capacidad de producción de planta para trasplantar es comparable o menor que el de invernadero. 2) Los costos de operación son bajos debido a la escasa superficie, aproximadamente 1/10, y por tanto también los de mano de obra. 3) Uniformidad y control preciso del microambiente sobre las bandejas se logran mediante el uso de microventiladores instalados en cada estante para provocar la circulación de aire. 4) El crecimiento y desarrollo de las plantas y su uniformidad se mejoran debido al control ambiental optimizado. 5) La capacidad de producción anual por unidad de superficie es alrededor de 10 veces superior respecto a un invernadero, como se comentó antes. 6) El costo de calefacción es un porcentaje de lo que serían en un invernadero, aún durante el invierno en países nórdicos. 7) La carga de refrigeración no cambia significativamente aún durante el año, debido a que está determinada por la tasa de generación de calor de las lámparas, no por la tasa de transmisión de calor a través de las paredes. 8)
Los
costos
de
electricidad
para
enfriamiento
son
aproximadamente el 20% de los costos de iluminación, enfriamiento, etc., si se utiliza un acondicionador de aire que tenga un valor COP (coeficiente de performance) mayor que 5 bajo condiciones estándar del tiempo. 9) El consumo de electricidad por transplante en el sistema cerrado es a menudo unas pocas veces el de la iluminación suplementaria en los invernaderos durante el invierno en la parte norte de USA, los Países Bajos, Inglaterra, etc. 10) El costo de electricidad es solo el 2 a 5% del precio de venta de los transplantes.
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11) La humedad relativa durante el fotoperíodo se mantiene siempre alrededor del 70% debido al balance de humedad entre la deshumidificación por los acondicionadores de aire y la tasa de evapotranspiración de las plantas y del sustrato en el sistema cerrado. 12)
La
eficiencia
de
uso
de
la
PAR
(radiación
activa
fotosintéticamente) es aproximadamente 10% debido al ambiente optimizado, lo que significa unas 2 veces respecto a los invernaderos. 13) No se requieren costos de ventilación porque no se instala sistema de ventilación. 14) El costo de enriquecimiento con CO2 es considerablemente pequeño debido a que el sistema cerrado es casi estanco al aire, de forma que alrededor del 85% del gas CO2 suministrado al sistema cerrado se fija mediante fotosíntesis. 15) La cantidad de agua necesaria para riego es unos pocos porcentajes de la necesaria en un invernadero debido al reciclaje del agua evapotranspirada. 16) La desinfección de un sistema cerrado es relativamente fácil debido a su estanqueidad al aire. 17) Una unidad de control ambiental es mucho más simple que para un invernadero, como se comentó antes. 18) El manejo de la producción es más fácil que en un invernadero debido a que el ambiente dentro del sistema cerrado y, por tanto, el crecimiento de las plantas, no es afectado por el tiempo. 19) La liberación de contaminantes de un sistema cerrado es considerablemente restringida debido a que el uso de pesticidas es mínimo y no existe agua residual conteniendo fertilizantes.
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Conclusiones Puede concluirse que la calidad y tasa de crecimiento de plantas o transplantes es considerablemente mayor cuando se producen en un sistema cerrado que en un invernadero. El sistema cerrado es energética y materialmente eficiente especialmente en relación a las cantidades de agua necesarias para riego y a la energía necesaria para calentar en invierno. Además, el sistema cerrado es un sistema medioambientalmente amistoso para la producción de plantas en el sentido que no libera agua contaminada que contiene fertilizantes al exterior y a que raramente necesita pesticidas o funguicidas. El consumo de energía y sus coste para iluminación y enfriamiento del sistema cerrado es mínimo y resulta solo unos porcentajes mínimos del costo de venta de las plantas. Los costos iniciales y de operación en un sistema cerrado para la producción de planta anual / transplante es menor que el comparable a las de invernadero, y se ha utilizado en 2005 en aproximadamente 30 lugares distintos en Japón para la producción comercial de plantel, hortaliza de hoja, plantas herbáceas y medicinales.
Agradecimientos El autor desea expresar su agradecimiento al Dr. K. Ohyama, Mrs. Okabe, Tsuchiya y Wu.
Referencias Kozai T., Chun C., Ohyama K. (2004). Closed systems with lamps for comercial production of transplants using minimal resources. Acta Horticulturae, 630: 239-252. Kozai T., Afreen F., Zobayed S.M.A. (Eds.). (2005a). Photoautotrophic (sugar-free medium) micropropagation as a new micropropagation and transplant production system, Springer, Dordrecht, The Nedtherlands, 315 pp. Kozai T., Itagi T., Okabe K., Ohyama K. (2005b). Practical recent transplant production technology, Nougyou-Denka Kyokai, Tokio, 150 pp. (in Japanese). Kozai T. (2006). Closed systems for high quality transplants using minimum resources. In: Dutta S., Ibaraki Y. (Eds.). Plant Tissue Culture Engineering, Springer, The Netherlands 275-312.
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Fotos, portada y página 17, de Dentsu Facility Manegement en la Web
Propagación, injerto y producción de plantel en sistemas cerrados con iluminación artificial para comercialización en Japón
Toyoki Kozai Universidad de Chiba, Yayoi-cho, Chiba 263-8522, Japón Fax +43 290 2107, Email kozai@faculty.chiba-u.jp Traducción, Alicia Namesny www.poscosecha.com/es/publicaciones/ Grupo THM
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