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Gestión de CO2 y climatización en granja vertical: una vía decisiva para mejorar la rentabilidad desde la fotosíntesis

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Cuando en una granja vertical no mejoran ni el rendimiento de cultivo ni la calidad, lo que más se suele revisar es la cantidad de luz o la solución nutritiva. Ambas son importantes. Pero si se deja de lado el diseño del aire, se pierde una oportunidad clara de mejora.

El CO2 es la materia prima de la fotosíntesis, y el flujo de aire es la vía que lleva ese CO2 hasta la superficie de la hoja. Aunque suba solo la concentración, si no hay viento, el intercambio se atasca alrededor de la hoja. Y aunque solo haga circular el aire, si se rompe el equilibrio con la temperatura, la humedad y el CO2, el efecto será limitado.

En este artículo voy a ordenar una forma de pensar el ambiente aéreo que conecta con la mejora de la rentabilidad de una granja vertical, entendiendo como un solo conjunto la concentración de CO2, el flujo de aire, la temperatura y la humedad.

El ambiente aéreo visto desde la planta: el mecanismo de la fotosíntesis y el crecimiento

El CO2 es la materia prima de la fotosíntesis y algo central para el crecimiento de la planta. Con la concentración actual de CO2 en la atmósfera, de alrededor de 400 ppm, la capacidad fotosintética no puede desplegarse al máximo. Según la investigación, muchos cultivos alcanzan su máxima velocidad de fotosíntesis entre 1000 y 1200 ppm. Eso significa que, si gestiona bien el CO2, todavía hay margen para aumentar el rendimiento de cultivo.

Las plantas con falta de CO2 muestran síntomas muy característicos: hojas finas, color más pálido y retraso en el crecimiento.

Sin un flujo de aire adecuado, la planta no puede crecer bien. En la superficie de la hoja hay una capa de aire inmóvil llamada “capa límite foliar”. Si esa capa es gruesa, dificulta el intercambio gaseoso. Cuando la velocidad del aire está alrededor de 0.3 a 0.7 m/s, esa capa límite se vuelve más fina y se favorecen tanto la absorción de CO2 como la liberación de vapor de agua.

El viento favorece la transpiración, enfría la planta cuando hace calor y activa la corriente de transpiración que transporta agua y nutrientes desde la raíz hasta la hoja. También ayuda a que el tallo sea más grueso y fuerte, y evita el acame. En un entorno sin viento, la planta se etiola y se debilita. Por eso, un flujo de aire moderado es indispensable para formar plantas resistentes.

En el siguiente artículo también hablo de los fundamentos de la fotosíntesis y del entorno de luz.

LED y PPFD en granja vertical: entendamos lo básico y ajustemos el entorno lumínico

La fotosíntesis se compone de la fase luminosa y de las reacciones independientes de la luz (ciclo de Calvin), en las que se fija el CO2 tomado del aire. La velocidad de la fotosíntesis queda limitada por el elemento que más falta hace: luz, CO2 o temperatura. Cuanto mayor es la intensidad de la luz, más CO2 hace falta, y la velocidad de fijación del CO2 se maximiza dentro de un rango térmico óptimo de 20 a 28 °C. Lo importante es el equilibrio óptimo entre todos los elementos.

El efecto de la gestión del CO2 varía según el cultivo, pero en cultivos de hoja como la lechuga o la komatsuna puede esperarse un aumento del rendimiento de cultivo del 30 al 40 %, y en hortalizas de fruto como el tomate o el pimiento, del 20 al 30 %. Si logra el equilibrio óptimo entre luz, CO2 y temperatura, podrá sacar al máximo el potencial de la planta.

Apuntar al mejor ambiente aéreo en una granja vertical

Para crear un ambiente aéreo adecuado, no basta con “enviar aire”. Hace falta diseñar el viento a partir de la fisiología de la planta.

Diseño del flujo de aire según el cultivo

La intensidad y la dirección ideales del viento cambian según la especie. En hojas como la lechuga o la komatsuna, por lo general conviene una velocidad del aire de 0.3 a 0.5 m/s. En cambio, en hortalizas de fruto como el tomate o la fresa, suele funcionar mejor un nivel algo más fuerte, de 0.5 a 0.7 m/s. Si el viento es demasiado débil, la capa límite se vuelve más gruesa y se bloquea el intercambio de CO2. Si es demasiado fuerte, provoca estrés mecánico o exceso de transpiración.

Viento con dirección: flujo vertical vs flujo horizontal

El flujo vertical, de arriba abajo o de abajo arriba, se adapta bien a una estantería de cultivo de varios niveles porque permite igualar la diferencia de temperatura entre capas. Es especialmente eficaz para prevenir la condensación en invierno. El flujo horizontal es ideal para una cama de cultivo amplia y en un solo plano, porque facilita crear un entorno uniforme y distribuir el CO2 de forma eficiente por toda el área de cultivo. En muchos casos, la mejor circulación de aire se logra combinando ambos.

La regla de oro para colocar ventiladores sin dejar puntos muertos

Es fundamental no crear “puntos muertos” del viento. Si aparecen, se generan zonas localmente muy húmedas y el riesgo de enfermedades aumenta. Coloque los equipos de modo que el aire se cruce y forme un flujo uniforme, y preste especial atención a las esquinas. Entre estanterías de cultivo o en zonas donde las plantas están muy densas, conviene instalar ventiladores pequeños de apoyo.

Tenga en cuenta además que el diseño del ambiente de aire en una granja vertical no persigue lo mismo que un sistema general de ventilación industrial. El entorno óptimo para la planta no es igual al entorno cómodo para las personas que trabajan allí.

En una granja vertical, el ambiente de viento se crea sobre todo con tres equipos:

1. Ventiladores de circulación de aire:
   • Ventajas: fáciles de instalar y con buena relación costo-beneficio
   • Uso: principalmente para la circulación del aire, ajustando la dirección del viento según la estación y la franja horaria
2. Aire acondicionado:
   • Ventajas: permite controlar la temperatura y mover el aire al mismo tiempo
   • Uso: se combina en las horas en que hace falta ajustar la temperatura
3. Deshumidificador:
   • Ventajas: sirve tanto para controlar la humedad como para mover el aire
   • Uso: útil cuando la humedad es alta o para prevenir la condensación nocturna

Si combina bien estos equipos, podrá crear el entorno óptimo según la estación y la hora del día. En una granja vertical grande, en particular, es importante optimizar el flujo de aire mediante simulaciones de flujo de aire.

Diseño del aire para eliminar el riesgo de condensación

El riesgo de condensación en una granja vertical puede reducirse mucho con un buen diseño del viento. Haga circular aire de forma periódica para que también alcance paredes y techo y así evitar la condensación, y asegure un flujo adecuado al amanecer, cuando empieza a subir la temperatura. Durante la noche, mantenga un viento suave para evitar el estancamiento del aire, y dirija el flujo de forma prioritaria hacia las zonas de “puente térmico” del aislamiento.

Solo con optimizar el flujo del aire, puede reducir de forma significativa el riesgo de moho y de enfermedades causadas por la condensación.

Sistema de suministro para lograr la concentración óptima de CO2

Tipos de equipos de suministro de CO2 y criterios de elección

Es importante elegir el equipo de suministro de CO2 según la escala y el objetivo. Sea cual sea el sistema que elija, si no existe un entorno de viento adecuado, el CO2 no llegará a la planta y el efecto del suministro se perderá.

Como el ambiente aéreo de una granja vertical no se ve fácilmente, suele infravalorarse. Pero en realidad es un elemento decisivo para la rentabilidad. Si combina un diseño correcto del flujo de aire, una temperatura homogénea gracias al viento y un suministro eficiente de CO2, podrá optimizar el entorno de crecimiento y esperar mejoras tanto en el rendimiento de cultivo como en la calidad.

El “equilibrio de oro” del entorno para maximizar el poder del CO2

Para sacar todo el potencial del CO2, no basta con suministrarlo. El efecto depende del equilibrio con los demás elementos del entorno.

La combinación con la luz que hace valer el efecto del CO2

El crecimiento de la planta no depende solo del CO2. Es el resultado de varios elementos entrelazados: luz, temperatura, viento y humedad. Estos factores no muestran su mayor efecto por separado, sino cuando trabajan en conjunto.

La relación entre luz y CO2 es un fundamento del cultivo vegetal. En la fase luminosa de la fotosíntesis se produce la energía química llamada ATP, y esa energía se usa en la fase oscura para convertir el CO2 en azúcares. Si la luz se intensifica, se produce más energía y puede procesarse más CO2. Por eso, lo básico es programar el suministro de CO2 para que coincida con las horas de luz intensa.

La relación entre temperatura y CO2

La temperatura también afecta mucho la eficiencia con la que se utiliza el CO2. En muchos cultivos, la fijación de CO2 es máxima en un rango de 20 a 25 °C. Si sale de ese rango, por mucho CO2 que suministre, la planta no podrá aprovecharlo del todo. Incluso con la misma concentración de 1000 ppm, a 17 °C el efecto puede reducirse entre un 30 y un 40 %, y por encima de 30 °C puede caer más del 50 %.

El equilibrio entre los elementos del entorno

Para entender la interacción entre los factores ambientales, veamos una tabla simple que organiza cómo se influyen entre sí:

El orden de prioridad al ajustar el entorno es este: primero mantener la temperatura dentro del rango adecuado, porque es la condición base de la fotosíntesis; después optimizar la concentración de CO2, porque es la materia prima de la fotosíntesis; luego ajustar el flujo de aire para crear un ambiente uniforme y promover el intercambio gaseoso; y, por último, mantener la humedad en un nivel apropiado para optimizar la transpiración.

Cómo el viento determina el efecto del CO2

Por mucho CO2 que suministre, si no llega hasta la superficie de la hoja, su efecto será limitado. Alrededor de la hoja existe una capa fina de aire llamada “capa límite”, y si esa capa es gruesa, dificulta el desplazamiento del CO2. Un viento adecuado adelgaza esa capa y favorece la absorción del CO2.

La velocidad óptima del aire cambia según el cultivo, pero con 0.3 a 0.5 m/s en cultivos de hoja y 0.5 a 0.7 m/s en hortalizas de fruto, la eficiencia de uso del CO2 puede mejorar entre un 20 y un 30 %. Al instalar un ventilador de circulación de aire, no lo coloque para que el aire incida directamente sobre la hoja, sino para que fluya por encima o por el lateral de la planta. Si el viento da directamente sobre la hoja de forma continua, puede dañarla.

El punto de equilibrio de una inversión en CO2

Suministrar CO2, por supuesto, cuesta dinero. La relación entre concentración de CO2 y rendimiento de cultivo no es lineal: a partir de cierto punto, el efecto deja de crecer al mismo ritmo. Desde la concentración exterior, de unas 400 ppm, hasta 800 ppm, el rendimiento de cultivo aumenta casi de forma lineal y ahí está la zona más eficaz. Entre 800 y 1200 ppm, el efecto se va reduciendo poco a poco, y por encima de 1200 ppm la relación costo-beneficio empeora.

En muchas granjas verticales, el objetivo más eficiente en términos de costo-beneficio está entre 800 y 1000 ppm. Superar las 1000 ppm suele no compensar económicamente, salvo en cultivos especiales de alto valor agregado.

Qué observar en la planta para identificar el entorno óptimo

No basta con la teoría. También es importante no pasar por alto las señales que emite la propia planta. Si las hojas son de un verde intenso y tienen grosor, eso indica que el entorno de CO2 es bueno. Si son finas y tiran un poco al amarillo, puede haber falta de CO2. Si los brotes nuevos se abren rápido y los entrenudos están cortos, es señal de que el equilibrio ambiental es bueno. Si los entrenudos se alargan y la planta muestra tendencia a la etiolación, entonces falta CO2 en relación con la luz.

Si adquiere el hábito de leer estas señales, podrá detectar problemas de equilibrio ambiental que no se ven solo con los datos.

Resumen: la climatización y la gestión del CO2 determinan la rentabilidad de una granja vertical

La razón de fondo por la que la climatización y la gestión del CO2 se convierten en la clave de la mejora de la rentabilidad es que son un “entorno invisible”. La cantidad de luz o la solución nutritiva son fáciles de visualizar como números, y por eso es más sencillo mantener el ciclo de mejora. En cambio, la interacción entre concentración de CO2, flujo de aire, temperatura y humedad no se ve a simple vista, y por eso, aunque surja un problema, la identificación de la causa suele retrasarse.

En el diseño del CO2 y del flujo de aire, lo más importante es pensar en la “combinación”. Aunque mantenga el CO2 en 1000 ppm, si el flujo de aire es desigual, en la superficie de la hoja puede que el efecto real no pase de unas 400 ppm. Al contrario, si el flujo de aire está bien diseñado, incluso con una concentración de CO2 más contenida puede obtener un efecto sobre el rendimiento de cultivo que supere claramente el costo. Para maximizar el retorno de la inversión, antes que llevar un único factor al extremo, lo primero es diseñar el equilibrio teniendo en cuenta la interacción entre todos los elementos.

El nivel objetivo de 800 a 1000 ppm es, en muchos cultivos y tamaños de instalación, el punto donde converge la mejor relación costo-beneficio. Antes de plantearse invertir en concentraciones aún mayores, conviene eliminar primero los elementos que están bloqueando el efecto: puntos muertos del flujo de aire, desigualdad térmica o mala disposición de los equipos. El impacto sobre la rentabilidad será mayor.

Si hace girar un ciclo de mejora que combine teoría y observación de campo, el ambiente aéreo de una granja vertical terminará conectando de forma directa y segura con la rentabilidad.

172 consejos para mejorar la rentabilidad de una granja vertical