Sistemas Hidripónicos

7/28/2019 Sistemas Hidripnicos

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CAPTULO 1. SISTEMAS HIDROPNICOS


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CAPTULO1.SISTEMASHIDROPNICOS

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CAPTULO 1. SISTEMAS HIDROPNICOS

1.1 AntecedentesLos sistemas hidropnicos son sistemas de cultivo que prescinden de la tierra como un

medio de crecimiento para la planta. Estos sistemas actualmente tienen un gran auge para la

produccin en masa de plantas y flores, y son automatizadas en los ms sofisticados

sistemas inteligentes de riego. Pero hay que hacer hincapi en que este tipo de sistemas no

son algo nuevo, ya que se tienen registros de cultivos de esta naturaleza desde la poca

precolombina con las llamadas chinampas que se trataba de barcazas flotantes de

cultivo que permitan que las races llegaran al agua del lago de Texcoco y as

desarrollarse sin tierra. Y de forma majestuosa se desplazaban a lo largo del lago de

Texcoco como islas flotantes, como los mismos conquistadores espaoles las llamaron al

ver que incluso rboles frutales y milpas de maz crecan de forma hidropnica sobre las

aguas del lago.

Pero no fue sino hasta 1600 que el belga Jan Van Helmont realiza un estudio dentro del

cual, a travs de experimentos con retoos de sauce, demostr que es por medio del agua

que las plantas obtienen sus nutrientes, sin relacionar el oxgeno o el bixido de carbono.En los aos subsecuentes se realizaron experimentos que permitieron determinar una lista

de macro y de micro nutrientes esenciales para el crecimiento de las plantas. La tabla 1.1

despliega los macro nutrientes seguidos de los micronutrientes esenciales para el

crecimiento de las plantas.

Tabla 1.1 Macro y micronutrientes esenciales para el crecimiento de las plantas.

Macro nutrientes Micro nutrientes

Nitrgeno (N) Fierro (Fe)

Fosforo (P) Cloro (Cl)

Azufre (S) Manganeso (Mn)

Potasio (K) Boro (B)


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Calcio Ca) Zinc (Zn)

Magnesio (Mg) Cobre (Cu)

Molibdeno (Mo)

Se estableci as entonces la adicin de qumicos al agua para producir una solucin

nutriente que apoyara la vida de la planta. En 1920 la preparacin del laboratorio de

"cultura de agua" fue regularizada y se establecieron los mtodos para su correcto uso.

Fue hasta la dcada de los 20s que se acu el trmino de la Hidropona a partir de los

estudios realizados por el Dr. William F. Gereike de la Universidad de California, donde

por primera vez se implement esta tcnica de cultivos de manera cientfica y enfocada a la

produccin a grande escala. Estos estudios daran frutos dcadas ms tarde cuando, en

tiempos de guerra, cuando la hidropona result como la solucin al abastecimiento de

alimentos vegetales frescos a los soldados norteamericanos.

Entonces ahora la Hidropona se define como la ciencia de cultivo de plantas sin el uso de

tierra, pero con uso de un medio inerte, como arena gruesa, turba, vermiculita o aserrn al

que se agrega una solucin nutriente que contiene todos los elementos esenciales requeridos

por la planta para su crecimiento normal y desarrollo. Puesto que muchos mtodoshidropnicos emplean algn tipo de medio que contiene material orgnico como turba o

aserrn, son a menudo llamados "cultivos sin suelo", mientras que aquellos con la cultura

del agua seran los verdaderamente hidropnicos.

Despus del Segunda Guerra Mundial, se construyeron varias instalaciones comerciales en

los Estados Unidos, la mayora de stas se localizaron en Florida. Pobres tcnicas de

construccin y operacin causaron que muchas de ellas fueran infructuosas y de produccin

incoherente. Sin embargo, el uso comercial de la hidropona, creci y se extendi a lo largo

del mundo en los aos cincuenta a pases como Italia, Espaa, Francia, Inglaterra,

Alemania, Suecia, la URSS e Israel.


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1.2 ActualidadEn la actualidad los avances tecnolgicos han propiciado grandes mejoras y el desarrollo de

nuevos materiales coadyuv para hacer posible la construccin de los ms sofisticados y

complejos sistemas de cultivo hidropnicos con los ms altos estndares de calidad. Los

plsticos han suplido paulatinamente a los metales que, al estar en contacto con la solucin

nutritiva, adicionan sustancias no deseadas y perjudiciales para el crecimiento de las

plantas. De esta manera, la utilizacin de plsticos elimina cualquier problema relacionado

con la higiene de los cultivos. Y finalmente el desarrollo de tecnologa de control como son

los temporizadores y los accionamientos automatizados junto con la instrumentacin

adecuada, otorga autonoma a este tipo de sistemas, que en sus desarrollos ms complejos

implementan la utilizacin de un micro controlador.

La figura 1.1 muestra el esquema del funcionamiento del invernadero inteligente abordado

en el presente documento. Aqu se implementa la utilizacin de un micro controlador,

dispositivo electrnico diseado para realizar la toma de decisiones de acuerdo a ciertos

estmulos y parmetros.

Fig. 1.1 Esquema del funcionamiento del invernadero inteligente.


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1.3 Partes constitutivas del cultivo hidropnicoEs necesario que la planta cuente con ciertas componentes imprescindibles para poder

crecer. Las partes que constituyen al cultivo hidropnico para su correcto funcionamiento

son los que se mencionan a continuacin.

Sustrato: Este es el medio en donde crecer la planta. El sustrato es un espacioinorgnico y estril que ayudar en don tares especficas que son fungir como

sostn de las races, cubrindolas de la luz y dejndolas respira; y absorber el

agua y los nutrientes suministrados a la planta por medio del riego. Un buen

sustrato deber poseer ciertas cualidades, destacando una buena capilaridad,

retencin de humedad, alto porcentaje de aireacin, bajo costo, alta

disponibilidad, ser liviano, tener un excelente drenaje y ser biolgica y

qumicamente inertes.

El sustrato que se utilizar en el sistema hidropnico al que se hace referencia

en el presente trabajo serpeatmoss. Este se trata de un musgo de turbera quetiene la capacidad de retener grandes cantidades de lquidos en sus fibras.

Existen variadas especies de este tipo de musgo, y es ampliamente utilizado en

cultivos hidropnicos debido a sus propiedades de retencin de lquidos. Sehar la utilizacin de este sustrato debido a la alta disponibilidad en el

mercado y su bajo costo.

Riego y tcnica de cultivo: El tipo de riego que se implementa en el proyecto es elde subirrigacin dentro de la tcnica de cultivo de NFT. Como ya se mencion

antes, ste se trata de un sistema en donde una pequea pelcula de solucin

nutritiva circula por dentro de una tubera de PVC que se perfora a lo largo de la

misma, de forma que los cultivos hidropnicos se inserten en pequeos

contenedores dentro de la tubera, y as las races se encuentren siempre en contacto

con esa pelcula de nutrientes. La figura 1.2 muestra la forma correcta en que

deben perforarse las tuberas de PVC para formar parte del sistema hidropnico.


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A su vez, una bomba hidrulica, rotodinmica y sumergible har circular la solucin

nutritiva desde el depsito para riego hasta el sistema de cultivos. Dicha bomba

trasladar la solucin nutritiva por medio de un sistema de tuberas, cuyo clculo y

explicacin se harn ms adelante, y que sern las encargadas de irrigar los sistemas

NFT en cada uno los ramales dispuestos para cultivo. Cada debe de manejar un

caudal bajo para evitar desbordes y problemas relacionados con un exceso de

solucin fluyendo por la tubera perforada. Por lo tanto el flujo de la solucin se

lograr por gravedad, colocando las tuberas de PVC a modo de serpentn vertical y

con una pendiente de 8% cada tubo con la finalidad de que la solucin corra por s

misma. La figura 1.3 ilustra la disposicin de tuberas de PVC a modo de serpentn,

y la pendiente que presentan cada uno de los tubos.

Una vez fuera del sistema de NFT, la solucin nutritiva es canalizada de retorno aldepsito de riego por medio de otro sistema de tuberas. A continuacin se hace

nfasis en el diseo del sistema de tuberas y el clculo del mismo.

Fig. 1.2 Representacin de la tubera de PVC para la tcnica de NFT


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Fig. 1.3 Representacin de tuberas de PVC a modo de serpentn


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1.4 InmueblePara este proyecto se contempla el diseo de los sistemas hidropnicos y su automatizacin

dentro un pequeo invernadero piloto y el diseo de una proyeccin para un invernadero de

mayores dimensiones que se pretende para produccin. Para ambos casos, se asume que la

estructura del invernadero ya existe y que se cuenta con las instalaciones elctricas e

hidrulicas tales como para montar un sistema como al que se hace referencia. Entonces

primero se describirn las caractersticas del invernadero piloto y posteriormente se har lo

mismo con el diseo de produccin. Ahora bien, antes de poder continuar con la

explicacin de la distribucin de tuberas es imperante que se tomen ciertas consideraciones

relacionadas con los invernaderos. Estas son el rea disponible para disear el sistema

hidropnico, la distribucin de la misma, el espacio volumtrico disponible, etc.

1.4.1 Invernadero pilotoEl rea disponible en el invernadero es de 12 m2. La distribucin de dicha rea es en un

espacio rectangular de 3 x 4 metros. El invernadero posee un techo a dos aguas teniendo en

su parte ms alta 2.80 metros de altura, mientras tiene 2 metros en la parte baja. La figura

1.4 muestra una vista en planta del invernadero. La figura 1.5 muestra un isomtrico del

invernadero. Las unidades mostradas en la figura 1.4 son metros, ninguna de las dos figurasposee escala.

Fig. 1.4 Vista en planta del invernadero piloto, unidades (m), sin escala


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1.4.2 Invernadero para produccinEl invernadero que se tiene contemplado como una proyeccin del invernadero piloto para

una produccin de mayores proporciones tiene las caractersticas que se muestran en la

tabla 1.2.

Tabla 1.2 Caractersticas del invernadero de produccin

rea total 600 m2

Forma Rectangular

Longitud de lados 40m x 15m

Altura del punto ms alto 4 m

Fig. 1.5 Vista en isomtrico del invernadero de produccin, unidades (m), sin escala


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1.5 Diseo de los sistemas hidropnicos1.5.1 Diseo de los sistemas hidropnicos para invernadero piloto

Teniendo entonces las medidas del lugar en donde implantaremos nuestro sistema de

cultivos hidropnicos, es posible comenzar a establecer su diseo. Antes que nada

estableceremos una divisin del rea total disponible en dos: la primera en el rea de

cultivos hidropnicos y la segunda en el rea de control.

El rea destinada para los cultivos hidropnicos ser la comprendida en el espacio de 2.9 x

3 metros delimitados por una lnea imaginaria en el eje C y la pared del invernadero situada

en el eje A. El rea restante del invernadero ser dispuesta para el sistema de control y el

depsito de riego de nutrientes.

Fig. 1.5 Isomtrico del invernadero piloto (sin escala)


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Una vez establecidos los parmetros del inmueble y tomando las consideraciones

anteriores, pueden entonces disearse tanto el sistema de cultivos como un sistema de

bombeo de solucin nutritiva, que alimente a los cultivos hidropnicos por medio de un

arreglo de tuberas. El depsito para riego se encuentra localizado sobre el eje C, tangente

al eje 1. Por lo anterior, la tubera de alimentacin comenzar la distribucin paralela al eje

1, desde el eje C y en direccin al eje A. Es necesario tomar en consideracin que dicho

arreglo solamente cumple con trasladar la solucin nutritiva a la entrada de los sistemas

hidropnicos, ms no el retorno al tanque; ste se lleva a cabo por otro arreglo de tuberas

que se detallar ms adelante.

Estos sistemas se encuentran montados verticalmente, sujetos de canaletas de aluminio que

estn fijas horizontalmente de las columnas del invernadero. As, cada tubo de PVCperforado, se sujeta de las canaletas de aluminio que se encuentran dispuestas

horizontalmente. Aunque dichas canaletas no presenten pendiente alguna, los tubos de

PVC, que se sujetan con cinchos de plstico, se colocan un tanto inclinados cuidando lograr

el 2 % de pendiente (Ruiz). La distancia entre las canaletas es de 25 centmetros, habiendo

seis niveles, y la que se encuentra situada en la parte ms alta se encuentra a 1.8 metros de

altura. Lo anterior establece que cada sistema hidropnico constar de seis niveles de

tubera de PVC perforada.

Ahora bien, las canaletas transversales se encuentran montadas en tres de las paredes del

invernadero. La primera est delimitada por los ejes A y B, y es tangente al eje 1. Este

sistema se extiende hasta una altura de 1.8 metros, al igual que los dems. El segundo de

los sistemas est situado tangente al eje A y delimitado por los ejes 1 y 2. As, este sistema

ocupa toda una de las paredes de tres metros. El tercero de los sistemas est situado

tangente al eje 2, entre A y B; opuesto al primer sistema. Estos dos sistemas (el primero y

tercero) ocupan la mitad de las dos paredes de 4 metros del invernadero. El cuarto y ltimo

sistema se encuentra montado en una mampara de madera situada de forma paralela a los

ejes 1 y 2, en un punto medio entre stos. Tiene un metro de ancho y se extiende desde el

eje B hasta una distancia de 1.5 metros en direccin al eje A. Los 50 centmetros restantes

para llegar al eje A se consideran como paso para un fcil acceso a los otros sistemas


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hidropnicos. La figura 1.6 es una representacin grfica de los tubos de PVC que

conforman los sistemas hidropnicos dentro del invernadero piloto.

Fig. 1.6 Representacin de los sistemas hidropnicos de invernadero piloto

1.5.2 Diseo de los sistemas hidropnicos de invernadero de produccinEl invernadero de produccin, como ya se mencion anteriormente, es una proyeccin del

sistema piloto pero en mayores dimensiones. Eso quiere decir que el diseo del sistema de

tuberas ser el mismo. Se trata de un sistema de tubera a presin, con ramales de tubera

secundaria en paralelo. As mismo los sistemas hidropnicos sern montados en guas de

manera que se puedan colocar verticalmente a manera de serpentn. Algunos autores no


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recomiendan este tipo de sistemas debido a la falta de luz en los cultivos ms bajos, sin

embargo en este proyecto se contempla la adicin de lmparas de LEDs de bajo consumo

energtico. Adems dichas lmparas se disearon y calcularon especialmente para este

proyecto por lo que los costos se han reducido a lo indispensable para la construccin de las

mismas. Aunado a lo anterior se plantea tambin la implantacin de un sistema sustentable

que descarta cualquier costo de operacin relacionado con el consumo energtico.

Tomando en cuenta lo anterior, se procede a establecer el diseo de los sistemas

hidropnicos que se encuentran distribuidos como se muestra en la figura 1.7. Se puede

observar claramente como cada tres metros un ramal de tubera secundaria alimenta a un

sistema de cultivos. Las lneas azules que comienzan en el depsito de solucin nutritiva

representan las lneas de alimentacin a los sistemas y las lneas rojas representan a lossistemas hidropnicos. En este caso, habr 11 (once) sistemas hidropnicos de cultivo en

los lados del invernadero que miden 40 m y 5 (cinco) sistemas en uno de los lados de 15 m

del invernadero. Asimismo puede observarse como en el rea central se encuentran

implantados sistemas hidropnicos longitudinalmente, creando pasillos en el invernadero.

Estos sern ocho paneles, haciendo que se formen nueve pasillos en el invernadero. Dichos

paneles estarn separados por 1.6 m entra cada uno, y se encontrarn a 2 m del lado del

invernadero de 5 m donde se encuentran colocados sistemas hidropnicos. Del otro lado,donde se encuentra el acceso, los paneles estn a 5 m de distancia de la orilla. Esto se debe

a que en esa zona del invernadero se est planeado implantar el rea de control. El depsito

de solucin nutritiva se encuentra bajo tierra en la misma rea designada para el rea de

control. Cada panel contendr 22 (veintids) sistemas hidropnicos ya que contar con

cultivos por ambos lados. De esta forma, el invernadero para produccin contar con 203

(doscientos tres) sistemas hidropnicos que sern alimentados de la misma manera en cmo

se alimenta a los sistemas hidropnicos del invernadero piloto. Tambin es necesaria la

implantacin de un rea de almacn.

A continuacin se presentarn las distribuciones de tuberas para ambos invernaderos para

posteriormente de puntualizar el valor de las prdidas de carga (cadas de presin) y tener la

informacin suficiente para la seleccin de una bomba adecuada para el sistema propuesto.


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Fig. 1.7 Vista en planta del invernadero de produccin, mostrando los sistemas

hidropnicos


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1.6 Distribucin del sistema de tuberasEl presente apartado del trabajo est dedicado a la explicacin y clculo del sistema de

tuberas que se encargarn de alimentar los sistemas hidropnicos planteados en el punto

anterior. Dichos sistemas de tuberas estn constituidos por tuberas de PVC hidrulico. El

invernadero piloto tiene tuberas de 1 de dimetro y el invernadero de produccin cuenta

con tuberas de 1 . La carga dinmica total (CDT) de la bomba hidrulica y la potencia

de la de accionamiento de la misma se determinan en el captulo 4 Memorias de Clculo,

para ambos casos. Las figuras 1.8 y 1.9 muestras las distribuciones de tuberas para los

diseos piloto y de produccin respectivamente.

Fig. 1.8 Detalle de la tubera de alimentacin a los sistemas hidropnicos de invernadero

piloto

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