Técnicas de gestión de operaciones

CO2 y climatización en una granja vertical: por qué las filas del fondo se estancan incluso a 1000ppm

Lista de artículos para responsables de gestión de operaciones

La lista de verificación tiene una marca en cada línea, igual que hoy. CO2 a 1000ppm, climatización funcionando según lo configurado. Sobre el papel, la operación aprueba. Pero el rendimiento de cultivo no se corresponde con esa nota de aprobado. Subes la dosificación y toca un techo a mitad de camino, y la desigualdad en el crecimiento persiste de un punto a otro del estante. La causa normalmente no está en ningún equipo individual, sino en lo que hay entre un equipo y el siguiente. Mientras operes el equipo de inyección de CO2 y la unidad de climatización por separado, es un punto ciego que sigue pasando inadvertido. Reconfigura lo que fluye entre ellos — el flujo de aire — como un solo tubo, y el motivo del techo, la clave para diseñarlos para que trabajen juntos, y la perspectiva de recuperar el coste empiezan a verse conectados.

Pero lo digo de entrada: el flujo de aire no es la única razón por la que las filas del fondo se ralentizan. Una caída en el borde de la luz, la irregularidad local de temperatura o humedad, o la dispersión en el aporte de nutrientes en las raíces producen el mismo síntoma. Así que el verdadero punto de entrada de este artículo es «cuando el fondo se ralentiza, primero determina cuál de estos factores actúa: flujo de aire, luz, temperatura o aporte de nutrientes», y el flujo de aire es uno de los candidatos. Desde ahí, trazaremos el único hilo del flujo de aire que suele pasarse por alto.

El medidor marca 1000, pero solo las filas del fondo no crecen

Solo las filas del fondo no crecen. Aunque el medidor esté apuntando a 1000ppm.

En una granja vertical, el CO2 a menudo se gestiona con el criterio de «mantenlo a 1000ppm» y la climatización con el de «respetar el valor de consigna», cada uno vigilado por una persona diferente, en un medidor diferente. Así que cuando tienes un bloque cuyo crecimiento se ralentiza aunque el CO2 debería mantenerse a 1000ppm, tu primer pensamiento es que la fotosíntesis ha tocado techo. Pero fíjate bien y, dentro de la misma sala, las filas cerca de la salida de la climatización están bien, y solo las filas más alejadas en el fondo son lentas. Una vez que ese es el panorama, esto es menos un problema de CO2 que una cuestión de si el aire se está moviendo o no — como si la concentración cayera solo alrededor de las hojas.

En una granja vertical completamente cerrada con hoja, con la luz mantenida constante por LED, «no hay suficiente luz» no puede explicar por qué el crecimiento difiere de fila en fila. El medidor puede marcar 1000, pero ese es el valor en algún punto de la sala, y no hay garantía de que el aire alrededor de las hojas en las filas del fondo sea el mismo. La cuestión es «cuánto llega realmente a las hojas», pero mientras mires el medidor de un solo punto de la sala y el equipo de inyección de CO2 y la climatización por separado, esa brecha permanece invisible.

Si llega a las hojas lo decide el flujo de aire, no la cantidad

Una hoja que realiza fotosíntesis absorbe el dióxido de carbono justo en su superficie y forma allí una capa delgada a modo de película. Se llama capa límite foliar, y cuando el aire allí no se mueve, lo que se ha absorbido no se repone y permanece empobrecida en CO2. La concentración alrededor de la hoja se decide, en definitiva, por una resta: «cuánto de lo que absorbió la hoja devuelve el aire». Aunque el medidor de la sala marque 1000ppm, diría que no sería extraño que la superficie foliar en las filas del fondo hubiera caído a algo así como 600 o 700ppm. ¿Te suena?

En otras palabras, parece un problema de cantidad de CO2, pero en realidad es un problema de «el trabajo de transportar». Por muchos equipos de inyección que añadas para llevar toda la sala a 1200 o 1300ppm, si no hay movimiento alrededor de la hoja la capa límite permanece escasa en CO2, y las filas del fondo siguen lentas de todas formas. A la inversa, las filas cerca de la salida intercambian su aire incluso con flujo débil, así que al mismo 1000ppm llega correctamente.

Dicho esto, la irregularidad de fila en fila no la decide solo el flujo de aire. También ocurre con una caída en el borde de la luz, con diferencias locales de humedad, o con una dispersión en el aporte de nutrientes en las raíces. El flujo de aire es uno de esos factores, y por eso — como veremos más adelante — hay que medir y determinar en lugar de decidir por suposición.

Hay dos caminos por los que la concentración alrededor de la hoja se deteriora, según cómo se dosifique. Uno es cuando, al intentar dosificar toda la sala de forma uniforme, el CO2 que sale se calienta, se vuelve menos denso y se acumula en la parte alta por convección. Es la física del CO2 cálido y boyante que se acumula arriba, y ha sido observado en estudios de simulación CFD en invernaderos (Ref.: 1). El otro es cuando, en un lugar donde el aire no se mueve — como las filas del fondo — lo que absorbió la hoja no se repone y la capa límite permanece empobrecida en CO2. El primero es «se escapa hacia arriba», el segundo es «llega pero no se intercambia» — están ocurriendo cosas diferentes, pero comparten que ambos son casos en los que se derrumba el supuesto de «medidor de un solo punto de la sala = concentración en la superficie foliar». Los invernaderos y los tipos cerrados difieren en su forma, pero la física en sí — un gas cálido y boyante que se acumula hacia arriba — no depende de la forma. Por eso, si dosificas localmente, cerca del cultivo, puedes aumentar al menos la concentración alrededor de la hoja. Cuánto llega no lo decide la cantidad que metes, sino el método de dosificación y cómo generas el flujo de aire.

Además, dado que la temperatura y el ambiente dentro de la sala varían bastante de un lugar a otro, un sensor de un solo punto no puede representar la uniformidad de toda la sala, y no puedes captar la irregularidad real sin mirar varios puntos — así se ha reportado también en mediciones reales (Ref.: 4). No confiar demasiado en un medidor de un solo punto no es intuición; es la lógica de cómo se mide.

Haces funcionar el flujo de aire por cómo lo distribuyes, no por el volumen total

Intentas reforzar el flujo de aire en las filas del fondo subiendo el volumen de aire de la climatización, y ahora la deshumidificación cambia con él. ¿No te ha pasado esto? Estás circulando aire para eliminar la humedad generada por la transpiración, pero en el momento en que intentas llevar CO2 al fondo con ese mismo aire, empiezas a preocuparte de si las hojas de las filas delanteras se están secando demasiado. El flujo de aire está todo conectado en un solo mando, así que subes el fondo y la parte delantera no responde, y ajustas la humedad y otra cosa se mueve.

Esta sensación de que «todo está conectado en un solo mando» es la parte difícil del cultivo de hoja. Subes el volumen de aire para llegar al fondo, y en la parte delantera el flujo es demasiado fuerte, la transpiración avanza y se inclina hacia el exceso de secado. Porque estás trabajando el mismo tubo único.

Pero aquí me gustaría separar «volumen total de flujo de aire» y «cómo se distribuye el flujo de aire» como dos cosas diferentes. Intenta subir el fondo solo con el mando de volumen total de aire, y la parte delantera tiende a sacrificarse. Lo que realmente funciona es la distribución, y puedes tocar eso por separado de la unidad de climatización en sí. Por ejemplo, añade un pequeño ventilador de circulación solo en la zona sin viento del fondo para agitar el aire. Eso es un trabajo, independiente del flujo principal de aire usado para la deshumidificación, de mover solo la capa límite del fondo. Sin subir el volumen total, repones solo el punto empobrecido. Pero no dejes que el flujo de aire golpee directamente las hojas de forma continua; hazlo fluir por encima o a los lados de las plantas. Si soplas directamente de forma continua, las hojas se dañan.

Y la razón por la que los mandos parecen estar todos conectados es también que partes del supuesto de que la humedad siempre se «elimina con flujo de aire». Mientras cargues al volumen de aire con el trabajo de deshumidificación, cada vez que ajustas la humedad el flujo de aire se mueve y la fotosíntesis también oscila. Aquí, si tienes equipos con capacidad de deshumidificación dedicada, el trabajo de bajar la humedad absoluta de toda la sala puede transferirse a esa capacidad. Pero sacar el vapor de agua que se ha acumulado alrededor de la hoja sigue siendo trabajo del flujo de aire. Así que aunque traslades el papel protagonista de la deshumidificación a la unidad de climatización, sigues necesitando por separado el flujo de aire como agitador en la superficie foliar. Se reduce a pensar el mando en dos escalas: «la humedad de toda la sala» y «el intercambio de aire alrededor de la hoja». Cómo diseñar la humedad alrededor de la hoja en sí merece una exploración por separado, como el diseño del VPD.

Cuando realmente concreto la distribución, en lo que me he apoyado en los sitios de granja vertical son unas pocas colocaciones simples. Coloca los ventiladores enfrentados para que sus flujos no se cancelen y en cambio hagan un circuito completo de la sala. Los rincones donde el aire tiene dificultad para envolver son los sospechosos habituales del aire estancado, así que dirige el flujo de aire hacia ellos. Entre los estantes de un estante multinivel, introduce un pequeño ventilador auxiliar para ayudar a que cada capa se intercambie. Y usa la dirección de forma deliberada: flujo de aire vertical cuando quieres igualar la diferencia de temperatura entre capas del estante, flujo de aire horizontal cuando quieres uniformizar una cama de cultivo amplia y única. En muchos casos, solo combinando estos dos desaparecen los puntos ciegos. Nada de esto es equipamiento a gran escala; es ajustar cómo distribuyes.

En experimentos también, cuando se cultiva hortaliza de hoja en una cámara sellada, el crecimiento es mejor cuando la velocidad del aire alrededor del cultivo es aproximadamente 0,3 a 0,5 m/s, y una vez que supera 0,6 m/s el flujo es demasiado fuerte y el peso seco realmente cae. En el mismo experimento en una sola instalación — quedan factores de confusión como las diferencias en la etapa de desarrollo — se reportó que uniformizar el flujo de aire redujo la variación entre plantas (la desviación estándar del peso seco) casi a la mitad, desde alrededor del 23%, por lo que las plantas se volvieron más uniformes (Ref.: 5). El flujo de aire no es mejor cuanto más fuerte; es algo que distribuyes a los puntos empobrecidos, ni demasiado ni demasiado poco.

El rango en que añadir CO2 funciona, y juzgar lo que puedes recuperar

Entregarlo alrededor de la hoja, ni demasiado ni demasiado poco — esa ha sido la historia de la distribución hasta ahora. Solo una vez que el flujo de aire está en orden puedes discutir honestamente «hasta dónde funciona añadir CO2». Dicho de otro modo, hablar solo de concentración mientras el transporte está atascado no lleva a ningún lado. Sobre esa base, a partir de aquí es cuestión de dinero. Pensemos en dos etapas.

Primero, como premisa básica, añadir CO2 funciona «solo mientras nada más sea el factor limitante». Las hortalizas de hoja de luz artificial completamente controlada se gestionan con luz y temperatura mantenidas constantes, así que bajo esas condiciones hay un techo en el CO2 que la fotosíntesis puede usar. Aproximadamente desde los ~400ppm del aire ambiente, el rendimiento de cultivo sube en proporción a lo que añades, pero por encima de cierta concentración la curva se aplana, y el incremento en rendimiento de cultivo al añadir más se vuelve progresivamente menor. Eso es lo que realmente es el techo, y a partir de ahí estás pagando cada vez menos a cambio — lo que llamaré «solo pagar».

En cuanto a dónde está esa «cierta concentración»: de hecho, en un experimento con lechuga hidropónica, subir el CO2 de 500 a 800 µmol/mol (aproximadamente el mismo criterio que ppm) aumentó el peso fresco y el peso seco, pero subirlo más de 800 a 1200 no mostró ningún aumento adicional — se reportó un patrón de saturación (Ref.: 6). Por el criterio de la literatura, la saturación comienza alrededor de 800. Dicho esto, este punto de saturación se desplaza con la variedad y el nivel de luz, y hay reportes de incrementos más allá de 800, así que es solo un criterio. En otro estudio también, aunque subir el CO2 sí aumenta la tasa fotosintética, cómo funciona depende de la intensidad luminosa y la combinación de fuentes de luz, y visto como canopeo se aproxima a la saturación cuanto más subes la concentración — eso ha sido medido y modelado (Ref.: 7, 8).

Así que como decisión de gestión, el punto de llegada es en torno a tener en cuenta la saturación de la literatura cerca de 800 mientras se fija el objetivo operativo alrededor de 1000. No detenerse en 800 solo porque la saturación comience allí, sino incorporar la irregularidad del sitio y dejar algo de margen por encima — aproximadamente ese tanto de más. Elevar el objetivo a 1200 o 1300 está, por el punto de saturación de la literatura, ya en el lado de «solo pagar», un lugar en el que ir con cuidado.

Pero aquí conecta con la primera parte. El número del medidor y la cantidad que la hoja puede realmente absorber divergen. Si el medidor marca 1000ppm pero las hojas de las filas del fondo solo pueden absorber menos que eso, entonces en esas filas del fondo el techo aún no ha llegado. No ha llegado, pero aparece disfrazado de techo — «añadir CO2 no las hace crecer». Este es el patrón que tira más dinero a la basura. El CO2 no es realmente el factor limitante, lo es el transporte, pero añades equipos de inyección o subes la concentración del cilindro, acumulando inversión que no funciona. En los libros de fin de mes, lo único que queda es un coste que no puedes recuperar: «la factura de CO2 subió pero el rendimiento de cultivo no cambió».

Así que como forma de ver la relación coste-eficacia, determinar primero dónde está el factor limitante es lo primero. Limitado a un sitio donde las filas del fondo son lentas y una tira de papel colgante o una medición de dos puntos ha confirmado la ausencia de flujo de aire, lo primero que hay que añadir puede no ser CO2 caro sino redirigir el flujo de aire hacia el fondo estancado, o añadir un pequeño ventilador de unos pocos miles a poco más de diez mil yenes (veremos cómo confirmarlo en la siguiente sección). Porque esto arregla el transporte alrededor de la hoja, eleva la propia eficiencia del CO2. Es una inversión que hace que el CO2 que ya añadiste empiece a funcionar. Invierte el orden — sube la concentración mientras el transporte sigue estrecho — y solo acumulas CO2 rico en la sala a través de una capa límite foliar delgada, y el equipo de inyección, el cilindro y la factura de electricidad van todos a «solo pagar».

La electricidad es un coste pesado de por sí. Según una revisión de granjas verticales, la electricidad representa aproximadamente el 20 al 40% del coste de producción, de los cuales la iluminación usa algo menos del 80-90% (Ref.: 9). Este es el rango de valores en la literatura del sector, no la proporción de tu propia instalación, pero no cambia que la electricidad de climatización e iluminación es una capa gruesa incluso dentro del coste operativo general. En cuanto a eso, la electricidad adicional de un pequeño ventilador apuntado al fondo estancado es, contra este total de climatización e iluminación, menor por órdenes de magnitud — no es un tamaño sobre el que agonizar aquí. La cuestión es si el flujo de aire que estás generando con esa electricidad se está estancando y desperdiciando antes de llegar a las hojas. El efecto de la electricidad, esa pesada partida presupuestaria, termina dependiendo de cómo llega el flujo de aire.

Como criterio de recuperación, no mires la partida de CO2 por sí sola. Optimiza el coste del cilindro, el equipo de inyección y la electricidad de deshumidificación como partidas separadas, y es el mismo tira y afloja de antes: corta una y otra deja de funcionar. Lo que quieres ver es el único punto de «cada euro que metes ¿se está convirtiendo en CO2 que la hoja puede realmente absorber», pero medir directamente el CO2 efectivo alrededor de la hoja no es fácil. Así que en la práctica lo deduces de forma indirecta, en la superposición de la diferencia de concentración de CO2 fila a fila y la diferencia de rendimiento de cultivo (veremos cómo medirlo en la siguiente sección). Mientras ese punto esté atascado por el transporte, la recuperación seguirá siendo lenta sin importar qué partida toques. A la inversa, si ese punto está abierto, entonces incluso una dosificación modesta de alrededor de 1000ppm convierte lo que añades directamente en rendimiento de cultivo y margen bruto. Cuando miras la recuperación en base a la rentabilidad plurianual — cuántos años se tarda en recuperar la inversión de capital — si este único punto está abierto es la premisa primera. No confundir el techo con un atasco de transporte: esa es la mayor bifurcación entre recuperar y solo pagar.

Mostrar el factor limitante de forma barata y visible, y dónde traspasar al especialista

Incluso si propones añadir un pequeño ventilador o cambiar la dirección del flujo de aire, desde el punto de vista de la dirección la conversación gira en torno a «¿eso realmente va a aumentar el rendimiento de cultivo?». Que el CO2 alrededor de la hoja estaba escaso también se descarta como «solo tu imaginación» a menos que lo midas correctamente. ¿Cómo puedes poner en una forma que puedas mostrar a la gente dónde está el factor limitante? Entonces: ¿hasta dónde puedes medir en el sitio, y a partir de dónde se convierte en asunto de especialistas o equipos? Pensemos en esa línea en tres etapas.

Primero, el rango que puedes confirmar barato en el sitio. Si todo lo que estás haciendo es convertir «podría ser mi imaginación» en «no es mi imaginación», no necesitas equipos caros. Extiende la mano y siente el flujo de aire. O pega una tira delgada de papel ligero o pañuelo en la punta de un palo y sostenla a la altura de la hoja. Con solo esto, el hecho de que el fondo está sin viento aparece a la vista de cualquiera. Grábalo en vídeo y tienes material para mostrar a los responsables tal como está. En la parte delantera el papel ondea; en el fondo cuelga y no se mueve. Ese solo trozo transmite «el transporte es estrecho» con suficiente claridad.

Si quieres añadir números a eso, consigue un sensor de CO2 portátil y un anemómetro. Cuestan desde unos pocos miles hasta decenas de miles de yenes, y mides la parte delantera y el fondo a la misma altura y la misma posición de hoja y los alineas. El medidor de la sala a 1000ppm, pero en las hojas del fondo visiblemente más bajo y la velocidad del aire casi cero. Una tabla que alinee estos dos puntos es la forma más efectiva de mostrarlo. Incluso con un solo sensor, puedes acercarte midiendo la parte delantera y el fondo por turnos, desfasados en el tiempo. Cómo circula el flujo de aire lo decide la colocación de estantes y ventiladores, así que con el mismo equipo no varía día a día. Por eso medir la velocidad del aire es suficiente hacerlo una vez cuando estás determinando el factor limitante; no es el tipo de número que vigilas cada día.

Y lo más importante es contrastar esa medición con el rendimiento de cultivo. Lo que funciona es, más que el número de concentración en sí, la correspondencia de que si el rendimiento de cultivo en las filas del fondo es menor que en la parte delantera, entonces el hecho de «rendimiento de cultivo bajo solo en el fondo» y el hecho de «CO2 escaso y sin viento solo en el fondo» se superponen en el mismo lugar. A la inversa, si el rendimiento de cultivo es uniforme pero solo el CO2 y la velocidad del aire están desviados, el factor limitante puede estar en algún lugar diferente al flujo de aire. Por eso los superpones. Si vas a poner un pequeño ventilador, o a cambiar la dirección, haz una pequeña prueba comparando el rendimiento de cultivo de las filas del fondo antes y después. Arregla solo un bloque primero y compáralo con la fila intacta de al lado. Entonces puedes juzgar si vale la pena un ventilador de poco más de diez mil yenes a partir de los datos de cosecha que ya estás tomando.

A partir de aquí está la línea donde se convierte en asunto de especialistas o equipos. Piensa por separado en el rango que puedes manejar en el sitio y el rango que derivas fuera. Encontrar los puntos empobrecidos con dos o tres mediciones es el trabajo del sitio, pero una vez que quieres captar cómo circula el aire por toda la sala como un campo, entra en el territorio del monitoreo que toma muchos puntos simultáneamente, y pasa a manos de especialistas en medición. El diagnóstico punto a punto es el sitio; diseñarlo como un campo es el especialista. Asimismo, la «distribución» — añadir ventiladores de circulación o ajustar la dirección — la puedes manejar en el sitio, pero los cambios de diseño del lado del «volumen total» como alterar la capacidad propia de la unidad de climatización o la posición y el número de salidas, o trasladar el papel protagonista de la deshumidificación del volumen de aire a la capacidad de deshumidificación, se convierten en reformas de equipos. Y una vez que llegas al punto donde, debido a cómo están construidos los estantes o la forma de la sala, el aire no circula aunque añadas un ventilador, estás en el mundo del CFD, diseñando el propio flujo de aire por cálculo. El tamaño de la decisión de inversión cambia, así que derivas al especialista después de mostrar, con el movimiento del papel y la medición de dos puntos en el sitio, que algo está «claramente mal».

De hecho, estudios que usan análisis CFD han demostrado que rediseñar la posición y estructura de las aberturas de entrada y salida puede mejorar enormemente la uniformidad de la distribución del flujo de aire interior, y reportan que — incluyendo aprovechar la disipación de calor (calor residual) de los LED en el diseño del flujo de aire — sirve como guía para estrategias de diseño que ordenan el flujo de aire del canopeo (Ref.: 2, 3). Deriva al especialista en la etapa donde el estancamiento no desaparece estructuralmente, y podrás reajustar la disposición por cálculo en lugar de por intuición. Dicho de otro modo, el diagnóstico hasta ese punto puede cubrirse perfectamente con el movimiento del papel y una medición de dos puntos en el sitio.

En definitiva, lo que debes hacer en el sitio no es medir con precisión, sino mostrar — barato, de una forma que cualquiera pueda ver — tu lectura de que «este es el factor limitante». Un vídeo del movimiento del papel, CO2 y velocidad del aire de dos puntos, una comparación de rendimiento de cultivo de un bloque. Este conjunto de tres es suficiente en la mayoría de los casos, y solo cuando quede un problema estructural que incluso esto no pueda explicar completamente pasas el testigo al especialista. Entra en mediciones o reformas a gran escala desde el principio, y podrías acabar pagando dinero donde el factor limitante no está.

Por cierto, cómo suministrar CO2 — es decir, elegir el equipo, ya sea un cilindro, un tanque de carbónico líquido, o un generador de tipo combustión — también es un punto que se divide por escala y coste. Pero esa es la historia de la siguiente etapa, condicionada a que el flujo de aire esté abierto, y cualquier método que elijas, si no se transporta alrededor de la hoja el efecto se deteriora igual. Comparar los equipos es suficiente para concretarlo por separado después de que el hilo principal de este artículo (determinar si el transporte o la concentración es el factor limitante) esté hecho.

Deja de ver el CO2 y la climatización como partidas separadas y equipos separados, y léelos como un solo tubo de flujo de aire que conecta hasta la fotosíntesis en la hoja. Haz eso, y que las filas del fondo se ralenticen, que el dinero no vuelva, y los momentos en que hay que traspasar al especialista, todo se explica en una misma y única cadena.