En este documento técnico del Dr. Prashanth Makaram, fundador y director ejecutivo de Crocus Labs GmbH, con el apoyo de Infineon, la atención se centra en los roles cruciales de los niveles de CO2 y la iluminación artificial en la mejora de la productividad en entornos de agricultura de ambiente controlado (CEA), como granjas verticales e invernaderos. . Destaca el desafío de mantener condiciones óptimas para el crecimiento de las plantas y demuestra cómo el monitoreo y ajuste precisos del CO2 y la luz pueden aumentar significativamente el rendimiento y la calidad de los cultivos. Al aprovechar el sensor de CO2 XENSIV™ PAS de Infineon junto con la iluminación inteligente de Crocus Labs, los productores pueden lograr un delicado equilibrio en el medio ambiente, lo que resulta en un uso eficiente de los recursos, un menor consumo de energía y, en última instancia, prácticas de producción de alimentos más sostenibles. Este enfoque no solo optimiza la salud y la producción de las plantas, sino que también permite ajustes ágiles en la estrategia de cultivos para alinearse mejor con las demandas del mercado.
Introducción
La llegada de las granjas verticales y los invernaderos modernos ha revolucionado el campo de la agricultura hortícola, ofreciendo soluciones innovadoras para abordar la creciente demanda de producción sostenible de alimentos. Estos sistemas agrícolas de ambiente controlado utilizan tecnologías avanzadas para optimizar el uso de recursos, maximizar el rendimiento de los cultivos y minimizar el impacto ambiental. Sin embargo, gestionar y mantener condiciones óptimas de crecimiento dentro de estos espacios cerrados plantea desafíos importantes. Además de la iluminación artificial, un factor crítico que afecta significativamente el crecimiento y la productividad de las plantas es la concentración de dióxido de carbono (CO2).
Planteamiento del problema
En la agricultura de ambiente controlado (ACE), como las granjas verticales y los invernaderos modernos, mantener condiciones de crecimiento óptimas es esencial para lograr la máxima productividad de los cultivos. Dos factores críticos que influyen significativamente en el crecimiento de las plantas son la iluminación artificial y la concentración de CO2. En CEA, optimizar el espectro de luz, la intensidad y la duración medidos por Daily Light Integral (DLI) es crucial para promover el crecimiento de los cultivos y maximizar los rendimientos. A diferencia de nosotros, los humanos, que sufrimos concentraciones más altas de CO2, los cultivos necesitan un cierto nivel de dióxido de carbono, normalmente mantenido entre 800 ppm (por ejemplo, plántulas de tomates y pepinos) y 1300 ppm para poder crecer de manera eficiente y prosperar en ambientes controlados. Las necesidades de iluminación y de CO2 varían según la variedad de cultivo y su etapa específica de crecimiento. La concentración de CO2 en las operaciones de cultivo de CEA herméticamente cerradas puede descender rápidamente a 200 ppm, lo que lleva a casi todas las empresas de CEA a utilizar la dosificación de CO2 como medida compensatoria para llevar los niveles de CO2 a una concentración óptima. A diferencia de otros factores ambientales, el CO2 debe controlarse con precisión y se ve muy afectado por la ventilación, el período de crecimiento de las plantas y el clima. Las instalaciones de CEA a menudo cuentan con sistemas de ventilación y estructuras físicas como estantes y bandejas que impiden el movimiento del aire, lo que resulta en una estratificación dentro del ambiente. En consecuencia, ciertas áreas pueden experimentar concentraciones de CO2 subóptimas, lo que afecta negativamente la fotosíntesis y el rendimiento general de la planta. Para mitigar este problema, los productores aumentan los niveles generales de CO2 en la granja inyectando CO2 adicional. Sin embargo, los productores deben tener cuidado, ya que una dosis excesiva de CO2 puede provocar un crecimiento desequilibrado de las plantas, una reducción de la calidad de los cultivos y un aumento de los costes operativos. El desequilibrio entre el suministro de CO2, la absorción de cultivos y la ventilación también contribuye al cambio climático a través de las emisiones directas de CO2, mientras que los mandatos de energía verde requieren que las granjas que utilizan sistemas de calefacción por calderas para generar CO2 exploren sistemas de enriquecimiento alternativos.
Solución: Infineon se encuentra con Crocus Labs
Para abordar estos desafíos, los productores pueden explotar la relación entre la concentración de CO2, la intensidad de la luz y la fotosíntesis para optimizar el crecimiento y la productividad de las plantas. La Figura 1 muestra la curva de intensidad de luz y CO2. Al mantener el equilibrio adecuado entre CO2 y espectros de luz, los productores pueden maximizar el rendimiento cuántico para la asimilación de CO2. Sin embargo, existe un punto de saturación en el que mayores aumentos de CO2 y de intensidad de la luz tienen un impacto mínimo en la actividad fotosintética. La colocación estratégica de sensores de CO2 en toda el área de cultivo permite a los productores obtener información completa sobre la distribución de CO2 y tomar decisiones informadas sobre la suplementación de CO2 y los espectros de luz. El sistema de iluminación inteligente de Crocus Labs aprovecha el sensor de CO2 Infineon XENSIV™ PAS para recopilar datos de diferentes partes de la granja. Esta perfecta integración permite la sincronización de las salidas espectrales de las luces con los requisitos específicos de CO2 de diferentes plantas en diferentes etapas de crecimiento y en diferentes ubicaciones, creando un entorno de crecimiento ideal. Al garantizar tasas fotosintéticas uniformes adaptadas a las necesidades de las plantas, los productores pueden lograr mayores rendimientos, mejorar la calidad de los cultivos y reducir los costos operativos (de electricidad y dosificación de CO2). Esta capacidad de controlar con precisión el espectro de luz y el CO2 también ofrece a las granjas la flexibilidad de mitigar los riesgos del mercado adaptando su selección de cultivos. Por ejemplo, en un escenario en el que el mercado se satura de pepinos, lo que provoca una caída de su precio, las granjas pueden simplemente ajustar los parámetros de luz y CO2 para adaptarse a un cultivo diferente. Esta adaptabilidad les ayuda a evitar pérdidas financieras y mantener la rentabilidad.
Al integrar el sensor de CO2 XENSIV™ PAS de alta precisión de Infineon con el sistema de iluminación inteligente de Crocus Labs, Crocus Labs ofrece a los productores una solución integral que combina monitoreo de CO2 en tiempo real, control de iluminación preciso y ajuste espectral inteligente. Por ejemplo, en una granja vertical de 10 metros de altura distribuida en 1000 metros cuadrados que cultivan verduras de hojas verdes, la integración permite a los productores monitorear los niveles de CO2 y ajustar dinámicamente los espectros de iluminación en diferentes ubicaciones de la granja para compensar la pérdida en el nivel óptimo de CO2 y así satisfacer las necesidades específicas de las plantas. Al analizar los datos del sensor de CO2 y utilizar algoritmos avanzados, el sistema de iluminación puede ajustar de manera inteligente la salida espectral para optimizar la eficiencia fotosintética, promover la calidad de las plantas y al mismo tiempo reducir la necesidad de una sobredosis de CO2.
En otro caso de uso, considere un invernadero que cultive cultivos frutales. Con la integración del sensor de CO2 de Infineon y el sistema de iluminación de Crocus Labs, los productores pueden ajustar la composición espectral de la luz en función de las mediciones de CO2 en tiempo real. Por ejemplo, durante la transición de la etapa de floración a la de fructificación, XENSIV™ PAS CO2 ayuda a mantener niveles uniformes de CO2, mientras que el sistema de iluminación de Crocus Labs se puede ajustar para agregar más longitud de onda roja para mejorar el desarrollo de la fruta. Al controlar con precisión tanto los niveles de CO2 como los espectros de iluminación, los productores pueden crear un entorno de crecimiento ideal que maximice la capacidad fotosintética de la planta, lo que da como resultado flores vibrantes y saludables.
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