CULTIVOS PROTEGIDOS (INVERNADEROS) Y LA APLICACIÓN DE HERRAMIENTAS DE LA INGENIERIA QUIMICA. AUTOR: JORGE RHI SAUSI INVERNADEROS INTELIGENTESMR RESUMEN El crecimiento de los cultivos protegidos (invernaderos) en México ha tenido un despegue acelerado en los últimos años y su tendencia sigue siendo ascendente. Existe un gran déficit de recursos humanos, no solo con relación a las prácticas agrícolas en los cultivos protegidos, sino también, en cuanto a la innovación y desarrollo de los invernaderos para las condiciones climáticas, sociales y económicas de México. De las cinco variables de control más importantes en una exitosa práctica agrícola: temperatura, humedad, radiación solar, nutrientes y control de plagas y enfermedades, las primeras tres son de competencia directa de la Ingeniería Química. Un análisis comparativo de las diferentes tecnologías desarrolladas en Europa, Asia y Medio Oriente, para los invernaderos, se presenta en este trabajo a través de una visión analítica a su geometría y las condiciones específicas que originaron tales tecnologías en sus países de origen y su efecto en México. Un nuevo campo de aplicación de la Ingeniería Química, demanda aceleradamente la atención de profesionistas, académicos y estudiantes de la Ingeniería Química para incorporarse en este tema, no solo por la extraordinaria necesidad de la producción sustentable de alimentos, sino también, por las implicaciones ecológicas, sociales y económicas que esta agricultura promete. INTRODUCCION De una manera muy sucinta, pertenezco a la generación donde la enseñanza de la Ingeniería Química, cambió de las “Operaciones Unitarias” de Arthur D. Little, del Massachusetts Institute of Technology (MIT), a los “Fenómenos de Transporte” de Robert Byron Bird, de la University of Madison-Wisconsin. Casi toda la enseñanza de la Ingeniería Química se sintetizó en los fenómenos de transporte y sus tres leyes básicas: conservación de momentum, conservación de energía y conservación de masa. Para algunos de nosotros fue la primera vez que podíamos “tocar la ciencia”, y dejar de vernos como un desprendimiento de la Ingeniería Mecánica aplicada a los procesos químicos. Este tipo de síntesis, magistralmente llevada por Byrd, Lightfoot y Steward en su popular libro “Fenómenos de Transporte” (1960), también nos abrió las puertas para entender las matemáticas aplicadas a los procesos físicos y químicos y su importancia. Quien no recuerda el famoso ejemplo de navegar el río Kikapú para explicar la diferencia entre lo que era una ecuación diferencial y una ecuación parcial diferencial, que por cierto, no parece que existe tal río, existen los indígenas kikapus, los cuales fueron vistos por los “blancos” en los Grandes Lagos por primera vez, y acabaron en territorio donado por México, cerca de Nacimiento, al huir de las guerras indígenas norteamericanas. En realidad la saga de la Ingeniería Química (J.K. Ferrell) se remonta desde 1805, cuando John Dalton publicó sus Pesos Atómicos y sentó las bases para el balance de las ecuaciones químicas y por ende las bases de los balances de masas de la Ingeniería Química. En 1883, Osborne Reynolds define sus grupos adimensionales, permitiendo con esa técnica, aplicar el escalamiento industrial. En 1885 se ofrece el primer curso en Ingeniería Química en el Central College (luego sería el Imperial College) de Londres. En 1891, el MIT, gradúa los primeros 7 Ingenieros Químicos de sus aulas. En 1905, la Universidad de Wisconsin-Madison, otorga el primer grado de doctorado a un Ingeniero Químico. En 1908, se funda el American Institute of Chemical Engineers (AICHE). En 1922, se funda Institution of Chemical Engineers (IChemE) en Inglaterra y en 1959, se funda el Instituto Mexicano de Ingenieros Químicos (IMIQ) en México. Pero la Ingeniería Química moderna (ver Wikipedia), ahora trata con la aplicación de las Ciencias Físicas (Física y Química), las Ciencias de la Vida (Biología, Microbiología y Bioquímica) junto con las Matemáticas, en el proceso de convertir materias primas o químicos en una forma más útil o de mayor valor. Uno de esos temas es sin duda los “Cultivos Protegidos”. CULTIVOS PROTEGIDOS Figura 2. Típico invernadero para producción de hortalizas. Los cultivos protegidos es la manera genérica de denominar los cultivos bajo invernaderos. ¿Y que es un invernadero? La Asociación Mexicana de Constructores de Invernaderos (AMCI), los define así: “Es una construcción agrícola de estructura metálica, usada para el cultivo y/o protección de plantas, con cubierta de película plástica traslúcida que no permite el paso de la lluvia al interior y que tiene por objetivo reproducir o simular las condiciones climáticas más adecuadas para el crecimiento y desarrollo de las plantas cultivadas establecidas en su interior, con cierta independencia del medio exterior y cuyas dimensiones posibilitan el trabajo de personas en el interior. Los invernaderos pueden contar con un cerramiento total de plástico en la parte superior y malla en los laterales.” En general se pueden clasificar en dos grupos: Clase A (estructuras de invernaderos o en batería) y Clase B (estructuras tipo casa sombras y macro túneles), en ambos casos la durabilidad de las estructuras deben de ser de un mínimo de vida útil de 10 años. CRECIMIENTO DE CULTIVOS PROTEGIDOS EN MEXICO Agros, S.A, usando como fuente AMPHI (Asociación Mexicana de Productores de Hortalizas en Invernaderos, A.C.) considera que en el 2004, teníamos 2,750 Ha de invernaderos en México, con un crecimiento del 15% para los próximos 5 años, eso significa, extrapolando el crecimiento, de una superficie de 5,500 Ha para 2010. José Santiago, en Productores de Hortalizas (mayo. 2008) considera que la cifra de 6,000 Ha de invernaderos en México, que se manejan en foros y seminarios, es demasiada alta, estimando que solo deben de ser alrededor de 1,200 Ha de invernaderos y complementados con cerca de 2,500 Ha de Figura 3. Fuente Agros, S.A. 2004, Mario Steta macro túneles y casas sombras. De cualquier manera lo que es innegable, es que el crecimiento de los cultivos en invernadero está aceleradamente creciendo, y ahora, hasta se ha convertido en política de estado, el impulsar los cultivos protegidos. VARIABLES EN LOS CULTIVOS PROTEGIDOS. Sin pecar de simplista, en general podemos decir, que las prácticas agrícolas serían muy exitosas si fuese posible controlar al menos cinco variables: Temperatura, Humedad, Radiación Solar, Nutrientes, y Plagas y Enfermedades. El control de estas variables es imposible en cultivos de campo abierto, la naturaleza lo hace a su forma y no podemos controlarla, a lo más, es acomodarnos a los ciclos climáticos que más o menos hemos identificados en nuestras regiones y cultivar bajo esas condiciones. Sin embargo, en los cultivos bajo ambiente controlado si es posible, y al menos tres de estas variables: Temperatura, Humedad y Radiación Solar, podemos entenderlas bajo los principios de la Ingeniería Química. Veamos cómo actúan y se controlan actualmente estas variables en los invernaderos. TECNOLOGIAS DEL MUNDO. Las tecnologías de los invernaderos pueden agruparse en cinco tipos, principalmente por su origen de diferentes países: Israel, Holanda, Francia, España, y Corea. Su geometría y tipo de materiales de construcción nos permiten diferenciarlas. Israel: geometría tipo “Diente de Sierra”. Holanda: geometría tipo “Capilla”, cubierta de vidrio. Francia: Multi túnel, ventanas cenitales mariposa, doble capa en cubierta. España: Multi túnel, ventanas cenitales mariposa Corea: Multi túnel, ventanas cenitales enrollables, paredes laterales inclinadas. Figura 4. Modelos de invernaderos en el mundo. LOS PROTAGONISTAS. Actualmente los invernaderos que se han instalado en México pueden relacionarse a cualquiera de estos modelos. El modelo Diente de Sierra, típico de Israel, se origina por la necesidad de conservar la escasa humedad que existe en el medio ambiente de ese país, de tal suerte que la continuidad de túneles mediante la formación “diente de Salida de aire a sierra”, permite una ventilación superior pero a baja baja velocidad, pues el aire a su salida por la ventana superior, velocidad nuevamente se encuentra con otra ventana en posición vertical, impidiendo que el aire se desaloje a alta velocidad, Figura 5. Modelo “Diente de Sierra” resultando con esto el conservar la humedad al interior del invernadero. La ventilación en este tipo de invernadero depende sustancialmente de la dirección del viento, pues es imperativo que la dirección del viento sea perpendicular a las ventanas superiores del invernadero, y así, se genere la caída de presión necesaria para poder producir el efecto Bernoulli para la ventilación cenital, como lo veremos más adelante. Cuando la dirección del viento no es perpendicular, la ventilación es sumamente deficiente, siendo únicamente la realizada por convección térmica. Este tipo de invernadero tiene mejor ventilación cuando la dirección de los vientos es constante y se pueden orientar perpendiculares a los vientos predominantes, lo cual desafortunadamente, son condiciones muy difíciles de conseguir en México, y además, el efecto de la luz solar tendrá que ser tomada en cuenta también en la orientación, como lo veremos más adelante. El modelo de Holanda, conocido como tipo Capilla (dos aguas), se origina pensando en dos condiciones climáticas muy características de los países bajos: su posición geográfica con baja radiación solar y su clima frío con altas precipitaciones de nieve. La primera característica, requirió de un material de construcción con alta transparencia y resistencia mecánica, y este es el vidrio. La segunda característica, se resuelve mediante un techo de dos aguas (capilla) con vértice pronunciado para tener una pendiente descendente alta y así la nieve no se acumule en el techo. En este Figura 6. Modelo “Capilla” modelo ya se incorporan ventanas cenitales móviles. Este tipo de invernadero es el más costoso por m2 de construcción, por lo que su justificación en México se dificulta, pues su retorno a la inversión es muy lento. El modelo de España o Francia, es tipo Multi túnel, donde las ventanas cenitales se pueden ajustar a la dirección de los vientos, pues tienen dobles ventanas cenitales independientes, de tal manera que se pueden abrir o cerrar las ventanas, dependiendo de la dirección del viento y así provocar el efecto Bernoulli. En el caso francés, también se incorpora una doble capa en el techo para permitir una barrera aislante térmica, tanto para la conservación, como para la disipación del calor. Aún así, en algunos casos, esta Figura 7. Modelo multi túnel con doble barrera debe de analizarse cuidadosamente con respecto ventilación mariposa también, a su contra efecto de reducir la radiación solar. El modelo de Corea es también de multi túnel, pero dos grandes diferencias los identifican. Por un lado, las paredes laterales de los invernaderos no son verticales, tienen una inclinación que favorece considerablemente la resistencia al viento. Por otro lado, se utilizan ventanas enrollables, a diferencia del tipo piñón y cremallera, como en el caso español o Figura 8. Modelo multi túnel, ventanas francés, por lo que su costo de instalación es mucho enrollables y paredes inclinadas menor. LOS TRANSPORTES. Mencionábamos que de las cinco variables de control para una producción agrícola exitosa: 1. Temperatura 2. Humedad 3. Radiación solar 4. Nutrientes 5. Plagas y enfermedades. Las primeras tres, son competencia directa de la Ingeniería Química, veamos brevemente algunas de sus características más importantes y sus efectos en los invernaderos. TEMPERATURA Curiosamente a lo que se piensa, la ventilación en un invernadero no se efectúa porque el “aire entra”, sino más bien, porque el aire se succiona. Lo anterior está basado, como se mencionó anteriormente, en el efecto de Bernoulli. Cuando el viento se encuentra con la pared del invernadero, tiene que incrementar su velocidad para poder pasar por esa área de sección transversal adyacente a la superficie de la cubierta en la parte superior (Fig. 9). Este incremento de velocidad, como sabemos por el principio de Bernoulli, lo tiene que hacer a costa de disminuir su presión. De tal manera que la presión interior (P0) del invernadero es mayor que la presión exterior (Pa) en la superficie de la cubierta en la parte superior, provocando que el flujo de aire sea de la parte interior a la exterior, y tomando el aire de las paredes laterales. Es el mismo principio de sustentación de un ala de avión. VENTILACION NATURAL, CONVENTIVA Y FORZADA V2 V1 V2 V1 Pa P0 Pa P0 Figura 9. Flujo interno en invernaderos Simultáneamente a la ventilación natural, producto de la velocidad del aire exterior, interiormente tenemos un flujo de aire del suelo a la cúspide por cambios en la densidad debido al calentamiento del efecto invernadero. De tal manera que es la combinación de ambos efectos los que finalmente afectan la ventilación interior y de ese modo a la temperatura del invernadero. Por otro lado, con el propósito de homogenizar las temperaturas al interior de los invernaderos, se introducen ventiladores de recirculación, que como su nombre lo indica, sirven para recircular el aire interiormente y así homogenizar las temperaturas y humedades dentro del invernadero. Esta circulación de aire forzada, también tiene el propósito de estimular el movimiento de las hojas y así permitir el fenómeno de evapotranspiración a través de las estomas. Este proceso, por así decirlo, significa para las plantas su respiración. Lo importante de mencionar es que la presión de vapor que se ejerce sobre la superficie de las hojas, impide que Figura 10. Ventiladores de este proceso se lleve a cabo, por lo que el movimiento de las recirculación hojas al tener un flujo de aire, hace que la presión de vapor disminuya en la superficie de la hoja, y por ende, se realice el proceso de evapotranspiración. Recordemos que del 100% de agua que las plantas absorben por las raíces, solo el 5% es utilizado para la producción de materia orgánica, el resto lo tienen que desechar. Adicionalmente, se pueden utilizar también extractores de aire, de esta manera el aire caliente acumulado en los techos es desplazado rápidamente hacia el exterior, por los extractores. Por todo lo anterior, observamos que dentro del invernadero tenemos movimiento de flujos por tres efectos: ventilación Figura 11. Extractores de techo natural, ventilación forzada y ventilación convectiva. HUMEDAD La humedad al interior del invernadero es una variable que debe de ser controlada al igual que la temperatura. Todas las plantas requieren de cierto grado de humedad para producir más eficientemente. En el caso del tomate, por ejemplo, estos valores son entre 75/85 % de humedad relativa al interior del invernadero. Cuando la humedad relativa es menor, se puede incrementar mediante el uso de nebulizadores, los cuales, además de producir un descenso en la temperatura, incrementan la humedad relativa. Figura 12. Nebulizadores Sin embargo, para el caso de México, en general podemos decir que la mayoría de las zonas agrícolas son bastante húmedas, por lo que el problema principal es como disminuir la humedad. Un exceso de humedad produce enfermedades, en particular hongos en las plantas. En este caso, los deshumidificadores existentes son muy costosos y su efectividad no muy confiable, aquí observamos un área de oportunidad para investigación y desarrollo. RADIACION SOLAR La radiación solar es uno de las variables más complejas y poco estudiadas en el caso de los cultivos protegidos. No solo por su complejidad inherente, sino también, por la posición relativa del invernadero con respecto a la inclinación solar y durante el curso del año. Sin embargo, es una de las variables más útiles para control de riego. La radiación solar es la responsable del proceso de fotosíntesis de las plantas, que dicho sea de paso, es quizá la reacción química más eficiente en todo lo que conocemos, pues es a partir de agua y bióxido de carbono, que puede producir toda la materia orgánica que requiere, utilizando los fotones como fuente energética. El proceso de fotosíntesis se lleva a cabo desde el amanecer hasta cerca del mediodía en la mayoría de las plantas, posteriormente la planta descansa y no requiere más radiación solar. Toda radiación que siga incidiendo en el invernadero solo será usada para calentamiento, lo cual, en climas cálidos obviamente no deseamos. En ese sentido, deseamos bloquear la radiación solar, y esto se consigue con pantallas que impidan la penetración de la luz solar. Pantallas malla sombra, térmicas, aluminizadas y otras, se presentan como alternativa de solución para el control de esta variable. Nuevamente, aquí se presenta un campo extraordinario para estudiar, modelar y simular, estos procesos de radiación solar, y que nos lleven a un mejor entendimiento de cómo este fenómeno afecta las condiciones internas de un invernadero. Figura 13. Pantalla malla sombra LA “TROPICALIZACION” DE LOS INVERNADEROS. Sin duda una de las tareas que más se dificulta actualmente en la selección de invernaderos, es cuál de estas tecnologías se adapta mejor a las condiciones de México. Veamos caso por caso. Concepto México Israel Holanda Corea España Superficie 1,984,375 22,145 41,526 220,186 504,030 107 Millones 7.2 16.4 72 45.2 $ 24,782 $ 31,471 9.0 4.0 (Km2) Población PIB (per capita) México/País (Superficie) $ 12,500 USD 1.0 $ 20,400 $ 38,618 90.0 50.0 Tabla 1. Comparativo de superficies de los países de tecnologías de invernaderos con México España 4:1 Holanda 50:1 Israel 90:1 Figura 14. Comparativo de superficies de los países exportadores de tecnologías de invernaderos Corea 9:1 Como puede observarse de las figuras anteriores, la dimensión superficial de México con respecto al resto de los países es enorme. Esto tiene relevancia porque cada país diseñó sus invernaderos de acuerdo a sus muy particulares necesidades de clima y recursos disponibles. Pero también se traduce en que dichos invernaderos se utilizaron en áreas relativamente pequeñas con poca variabilidad de clima. Aún en el caso de España que llega a ser la cuarta parte del territorio mexicano, en realidad la parte de invernaderos se concentra solo en dos regiones muy compactas: Almería y Murcia (véase recuadro en el mapa). Pero el caso de México es muy diferente, tenemos una gran variabilidad de climas y precipitaciones pluviales, de hecho, nuestra agricultura nunca ha sido autosuficiente en una sola región, siempre se ha tenido que recurrir al comercio para el intercambio de productos agrícolas, desde el origen mismo de las culturas mesoamericanas. La diversidad de climas impide que en una sola región se puedan cultivar diferentes productos, y además, en diferentes ciclos. Figura 15. Climas, Temperaturas y Precipitación pluvial en México Como puede observarse, la diferencia en climas a lo largo y ancho del país es muy distinta, así mismo, las temperaturas medias anuales y la precipitación pluvial. Por lo tanto, es casi imposible tratar de generalizar los modelos de invernaderos anteriores para todo México, mi opinión personal es que las tecnologías de España y Corea, son las que mejor se pueden tropicalizar. Por supuesto que nos falta generar el “Modelo México”, que sin duda tendrá que acondicionarse para resolver los dos problemas principales en la mayoría de nuestros climas: alta humedad y alta temperatura, simultáneamente. Invernaderos Inteligentes MR, ha desarrollado un nuevo modelo de invernadero, se le llama Invernaderos Casa Sombra, pues es ambos, invernadero y casa sombra. Creemos que este modelo será una nueva opción para México, no solo por sus características para usarse en gran variedad de climas, sino también por su costo más económico. CONTROL. Hasta el momento el control de las variables de control climático se realiza mediante la aplicación de tecnologías aisladas y con control de tipo set point, donde su respuesta es solo 0 ó 1 en la mayoría de los casos. La temperatura, mediante la apertura y cierre de ventanas como primera opción, como segunda alternativa se puede disponer de nebulizadores y extractores, también de las llamadas paredes de agua, que básicamente son enfriadores que funcionan a base de la evaporación de agua en una cortina o pared (aire lavado). Por el lado de incrementar la temperatura, se utilizan calefactores de gas, en flama directa, o bien, calefacción por agua, en serpentines distribuidos a lo largo del cultivar. Otro aditamento que se utiliza para evitar el calentamiento interior del invernadero, es mediante el uso de pantallas sombra, o aluminizadas. De la misma manera, si queremos evitar un enfriamiento de los invernaderos, se utilizan pantallas térmicas, que funcionan como aislante de la cubierta plástica. La humedad, mediante nebulizadores o humidificadores, encendido o apagado, dependiendo si falta o se excede del valor escogido. Si es mayor, no tenemos hasta el momento deshumidificadores que económicamente sean viables. Por lo tanto, la humedad solo se puede controlar hacia arriba. La radiación solar, en realidad su control es más bien por horas luz, y es a partir de ahí que se emplean las pantallas tipo malla sombra de diferentes porcentajes de sombra. La aplicación más importante es ahora para el control de riego. TABLEROS DE MANDO DE INDICADORES (TMI) P. Longoria (Sistema de Indicadores para la Gestión de un Complejo Hortícola, presentación en CIQA, Saltillo, Coah.) ha hecho una propuesta muy interesante de incorporar Tableros de Mando de Indicadores para el manejo remoto de los invernaderos, mediante el uso de Internet. La tele gestión permite una comunicación permanente con el Invernadero para conocer el estado de las instalaciones y de los procesos en tiempo real y actuar sobre los mismos. Figura 16. Tele gestión vía Internet El equipar con tecnología un invernadero, permite la transferencia de datos, con lo que, mediante sensores y actuadores se puede controlar cualquier proceso del complejo hortícola donde se instale. La idea es la adaptación tecnológica y económica de la tele gestión al campo agrícola. La tele gestión, permite una comunicación permanente con el Invernadero para conocer el estado de las instalaciones y de los procesos en tiempo real y actuar sobre los mismos. SISTEMA DE GESTION DE INDICADORES Es un sistema de información que permite traducir la estrategia de negocio en mediciones, que impulsan el comportamiento y el desempeño de las personas que trabajan en él, hacia el logro de los objetivos planteados, además, permite dotar al complejo hortícola de infraestructura de monitoreo en tiempo real de las actividades laborales para tomar decisiones basadas en hechos, que permitan implementar medidas y acciones para el logro de las metas planteadas. Igualmente, facilita el seguimiento y gestión de la operación de cada invernadero del Complejo Hortícola. Los componentes del TMI serían: 1.- Sistema de Indicadores para la Gestión Integral del Complejo Hortícola. 2.- Sistema de Comunicación y Seguimiento 3.- Portal del “Tecno Parque” EL TABLERO DE MANDO SE INTEGRA CON: Cuatro perspectivas: Financiera Del Cliente De los Procesos del Invernadero De Aprendizaje y Desarrollo 1.- Sistema de indicadores para la gestión integral del complejo hortícola El TMI provee un enfoque integral para la gestión de la operación de un invernadero o de todo un Complejo Hortícola. Se generan indicadores de gestión y para cada uno de ellos se establece el responsable de su seguimiento, la periodicidad de la medición y el grado de cumplimiento. Utilizando tecnologías de información y comunicación el TMI integra un conjunto de aplicaciones que facilitan y potencian el seguimiento de las actividades desarrolladas en un invernadero facilitando así la gestión de un complejo hortícola. Figura 17. Diagrama esquemático del TMI 2.- Sistema de comunicación y seguimiento El SCS (Sistema de Comunicación y Seguimiento), permite crear y editar sesiones de observación de actividades clave para la operación de un Invernadero. 3.- Portal del tecno parque Se programan sesiones de trabajo en las que pueden participar varios expertos o personas interesadas en las actividades del Complejo Hortícola. Los participantes reciben una invitación a participar en la observación y validan su sesión con su nombre de usuario y contraseña. CONCLUSIONES Hemos presentado una síntesis de lo que son los cultivos protegidos y su crecimiento en México. También hemos analizado las diferentes tecnologías del mundo que tienen presencia en nuestro país. A través de un análisis de la geometría de los invernaderos, hemos mostrado las diferentes razones de su diseño y cómo estos corresponden a sus condiciones muy particulares de clima en sus países de origen. Las herramientas de la Ingeniería Química, en particular los fenómenos de transporte, nos ilustran de una manera más comprensible las diferentes variables que influyen para una exitosa práctica agrícola de los cultivos protegidos. Propuestas de tele gestión como la presentada por el Dr. Longoria, abren todo un campo en el manejo agrícola de un negocio. Se requiere de una mayor participación de profesionales, académicos y estudiantes, en el diseño, operación y control de los cultivos protegidos en México. Una nueva disciplina se abre apara la Ingeniería Química con excelentes oportunidades para contribuir a una agricultura sustentable en nuestro país.