Fábricas de Plantas como un componente esencial en el Desarrollo de Áreas Urbanas
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Fábricas de Plantas como un
componente esencial en el
Desarrollo de Áreas Urbanas
Prof.& Dr. Qichang Yang
Instituto de Ambiente y Desarrollo
Sostenible en la Agricultura (IEDA),
CAAS
2015.05 Panamá
yangqichang@caas.cn
Traducido al español por: Eduardo Pittí – FCA – UP
Contenido Breve introducción a CAAS Desarrollo de Fábrica de Plantas en China Tecnologías clave desarrolladas en China Extensión de Fábrica de Plantas Enfrentando desarrollos y perspectivas
1. Breve Introducción a la
Academia China de Ciencias
Agrícolas
(CAAS) y la CPAE
Academia China de
Ciencias Agrícolas (CAAS)
CAAS, localizada en Beijing,
fue establecida en 1957 y
está afiliada al Ministerio de
Agricultura de China.
Actualmente, CAAS tiene 40
institutos de investigación, y
una escuela de Postgrado.
Tiene cerca de 9 400
profesionales técnicos y más
de 400 estudiantes de
Postgrado (M.S. y Ph.D.)
trabajando o estudiando en
CAAS.
Instituto de Ambiente y Desarrollo Sostenible
en la Agricultura (IEDA), es uno de los 40
Institutos en CAAS, 173 investigadores y 250
estudiantes de MSc&PhD.
Centro para la Agricultura
Protegida e Ingeniería
Ambiental (CPAE) en IEDA
Grupo 1: Ingeniería de Invernadero
Group 2: Fábrica de Plantas e
Hidroponía
Group 3: Ingeniería de Ahorro
Energético
Group 4: Control Climático en
Invernadero
Group 1: Tecnologías de Fábrica de Plantas (Control ambiental, iluminación, control de calidad artificial, hidroponía, etc.)
Group 2：Ingeniería de Invernaderos (Diseño, Optimización de la Estructura, etc.)
Grupo 3: Tecnologías de Ahorro Energético
(Iluminación de ahorro energético (LED) y
energía renovable (bomba de calor,
captador solar) en horticultura protegida,
etc.)
AHS AHS+HP
Grupo 4: Control Climático en Invernadero (Medición digital, control climático basado en la Internet, etc.)
Parque Nacional de Demostración de Ciencias Agrícolas y Tecnologías en CAAS, Beijing, 4.2 ha (principalmente exhibiendo una Fábrica de Plantas con luz artificial y luz solar)
Mapa del Parque Nacional de Demostración de
Ciencias Agrícolas y Tecnologías (CAAS)
Pa b e l l ó n d e n u e v a s v a r i e d a d e s
Pa b e l l ó n d e c o s e c h a : F r u t a s y
vegetales
Pa b e l l ó n P r e á m b u l o ( F P )
Fábrica de P a b e Vegetable
l l ó n d e Ve r d u r aHsalld e h o j a s
Leafy Factory
Plantas con
luz artificial,
800m2 P a b e l l ó n d e F r u t a s y Ve g e t a l e s
Pa b e l l ó n d e H o r t i c u l t u ra U r b a n a
Pa b e l l ó n d e I n n o v a c i o n e s2. Desarrollo de Fábrica de Plantas
en ChinaDesarrollo de Fábrica de Plantas en China Hasta el 2014, habían cerca de 110 Fábricas de Plantas en China. FP con luz artificial：alrededor de 43 Fábricas de Plantas, que están distribuidas en 13 ciudades o provincias (Otras 10-12 FPs serán construidas pronto). FP con energía solar：cerca de 67 Fábricas de Plantas (con sistema hidropónico para producción de hojas o frutos en invernaderos con control ambiental), que están distribuidas en 15 ciudades o provincias.
Distribución Regional de Fábricas de
Plantas en China(2014)
Fábrica de plantas con luz artificial
Fábrica de plantas con luz solar
Haerbin,Heilongjiang,100m2
Beijing，7 en total, 6269m2
Changchun,Jilin，200m2
Tianjin，4 en total,11300m2 Shenyang,Liaoning，30000m2
Shenyang,Liaoning，3000m2
Erdos, Mongolia Interior，4000m2 Langfang,Hebei，2000m2
Erdos, Mongolia Interior,100m2
Qian'an Tangshan,3000m2 Shouguang,Shandong，200m2
Tai’an,Shandong，15000m2
Yangling,Shanxi,2000m2
Gaoqing,Shandong，616m2
Xian,Shangxi,200m 2
Nanjing,Jiangsu，3000m2
Zhengzhou,Henan,200m2
Chengdu,Sichuan,1500m2 Nanjing,Jiangsu，300m2
Wuxi,Jiangsu，10000m2 Shanghai, 4 FPs,18000m2
Suzhou,Jiangsu，500m2 Shanghai 1000m2
Changxing,Zhejiang, 880 m2
Xiaoshan,Zhejiang, 1500 m2 Universidad Zhejiang, 800
m2
Fuzhou,Fujian,250m 2
Dongguan,Guangdong，100m2
Shenzhen,Guangdong，4000m2
Shunde,Guangdong，1000m2 Zhuhai,Guangdong，40m2
Shunde,Guangdong，40000m22.1 ¿Por qué necesitamos desarrollar
Fábricas de Plantas en China?
(Muchas razones: expansión de la población, poca tierra,urbanismo,
necesidad de vegetales de alta calidad, envejecimiento de la fuerza
laboral agrícola,etc.)
La necesidad de demonstraciones agrícolas de alta
tecnología. Más de 6 000 Parques Agrícolas con exhibiciones de
Ciencia y Tecnología en China, como Shouguang, Changchun,
Nanjing, etc. Usualmente combinados con exhibiciones y tours.
Parques Agrícolas con
Demonstraciones de Ciencia y Tecnología
Vegetable Expo en Shouguang,Shandong. El número de visitantes en
2014 llegó hasta 2.2 millones. La Fábrica de Plantas es uno de los
mayores puntos de atracción.La Horticultura Protegida (PH) en China se desarrolló
rápidamente desde 1990. Las demonstraciones han
jugado un rol importante.
(Data from China Agriculture Yearbook ,2013,MOA)Component & percentage of the areas
of protected horticulture in China（104ha）
Tunnel Chinese
290.6 Solar
73.7% Greenhouse
(Low 100.1
25.4%
tunnel and
awning Multi-span
81.1 greenhouse
27.9%) 3.5
0.9%
(Data from China Agriculture Yearbook ,2013,MOA) La necesidad de una producción de vegetales de alta calidad Los grupos de consumidores de alto poder adquisitivo está incrementando rápidamente en las ciudades grandes (incrementa la demanda de vegetales frescos, limpios y libre de pesticidas) . Fábrica de Plantas en Fábrica de Plantas en Shenyang, Provincia de Beijing Liaoning
La necesidad de investigación (Uni., Inst., compañías de
tecnología de vanguardia :CAAS,CAU,BAMI,NWAFU,NAU,ZU,
etc.)
La Fabrica de Plantas establecida en el
Instituto de Maquinaria Agrícola de Beijing
( B A M I ) , á r e a t o t a l d e 1289m2, i n c l u y e n d o F P s
con luz artificial y luz natural, usada para
investigaciones científicas.La necesidad de una producción ubicua de
plantas en una ciudad (puede ser usada en el
hogar, escuelas, supermercados, lugares
especiales, etc.
Fábrica de Plantas Miniatura2.2 Desarrollo de Fábrica de Plantas
con luz artificial en China
--- En el 2005, el primer laboratorio de fábrica de plantas con luz artificial
fue establecido en Beijing;
--- Del 2006 al 2008, --- avances logrados en las tecnologías clave de
fábrica de plantas.
--- En el 2009, el primer laboratorio de fábrica de plantas con luces LED
fue establecido en Beijing;
--- En Septiembre de 2009, la primera fábrica de plantas comercial con
luces artificiales fue establecida en la Ciudad de Changchun, Provincia de
Jinlin；
--- En Enero de 2010, la primera fábrica de plantas familiar con luces
artificiales fue desarrollada exitosamente en la ciudad de Shanghai para la Shanghai
Expo 2010；
--- Después del 2010，la fábrica de plantas con luces artificiales fue
exitosamente popularizada y aplicada en Beijing, Nanjing, Shandong,
Zhuhai y muchas otras ciudades；
--- En 2013， las fábricas grandes con luces LED en China han sido
establecidas en Beijing, Zhejiang y Shandong, etc.1. Fábrica de Plantas en CAAS, 2005 Fábrica de Plantas con luz artificial, 1er sistema experimental en China, 20m2, 2005, CAAS
2. Fábrica de Plantas en CAAS, 2009 Laboratorio de Fábrica de Plantas con luces LED, 2do sistema experimental en China, 100m2, 2009, CAAS
3. Fábrica de Plantas en CAAS, 2013 Laboratorio de Fábrica de Plantas con luces LED, 3er sistema experimental en China, 100m2, 2013, CAAS
4. Fábrica de Plantas en la Ciudad de Chang
Chun, Provincia de Jinin, 2009
Construida en 2009, el área de construcción de 200 m2
está compuesta de dos partes: 1) Fábrica de vegetales; 2)
fábrica de plántulasSistemas de Cultivo en Fábricas de Plantas
Fábrica de vegetales con
Luz Fluorescente,160 m2Fábrica de plántulas con luces LED, 40m2
5. Fábrica de Plantas en la Ciudad de Nanjing,
Provincia de Jiangsu, 2011
Construida en Mayo de 2011, área de construcción de 300 m2, usa
luces fluorescentes y LED como fuente de luz artificial.
InteriorSistema de Cultivo LF + LED
6. Fábrica de Plantas en la Ciudad de Shouguang,
Provincia de Shandong, 2009
Construida en 2009, cubre un área de 200m2, utiliza fuente de luz
LED, sistema hidropónico de cultivo, manejo computarizado.Sistema de Cultivo en Fábrica de Plantas
Fábrica de Plantas en Shouguang
usada para exhibiciones7. Fábrica de Plantas en el Distrito de
Tongzhou, Beijing, 2010Plano de una Fábrica de Plantas
Área de construcción: 1289 m2, dividida en cuatro áreas
principales: zona de cultivo de tejidos, área de plántulas, área de
cosecha y área de empaque-almacenamiento.
植物工厂平面示意图Aplicación de Sistema de Energía solar en Fábrica de Plantas
8. Fábrica de plantas en la Universidad de Zhejiang, 2013
Vista aérea de la fábrica de
plantas, 1600 m2 (incluye FP
con luz artificial 880 m2)
Camas móviles de
cultivo con luces
LEDVista Interna de la Fábrica de Plantas
9. FP para producir vegetales saludables e inocuos (Fuzhou, Provincia de Fujian) Esta área es de 250m2, produciendo 260,000 cabezas de lechuga.
PF for producing healthy and safe vegetables
(800m2,Beijing)10. Fábrica de Plantas usada en nave espacial, desarrollada por la Universidad de Beijing de Aeronáutica y Astronáutica
3. Tecnologías clave desarrolladas en China
Investigaciones en tecnologías clave en
fábricas de plantas con luz artificial
Control y
mediciones
Digitales
Fuente de Cultivación
luz LED Tecnologías 3D sin
clave en suelo
Fábrica de
Plantas
Control Internet of
de Things
calidad （IOT）3.1 Optimización de Parámetros de la Luz
LED para el cultivo de vegetales
Plantación en
10 días
campo
30 días 20 díasEn China se han desarrollado LEDs controlables
en parámetros lumínicos (calidad de la luz,
intensidad y fotoperiodo)Parámetros de la Fuente de Luz para el Cultivo
de Vegetales
Eficiencia Superficie
Número Radiación
de la emisora de Peso
Parámetro Longitud de diodos Fotosintéticamente
conversió luz （kg）
de Onda （PCS/cm2） Activa
n de poder （cm）
LED(nm) （μmol ·m-2· s-1）
（%）
ROJO 660 1.82 288 6.7
LEDA L54× W28 15
AZUL 450 0.20 29 13
ROJO 637 0.14 256 28
LEDB L54× W28 10
AZUL 460 0.11 42 18
Light Quality Treatments
Radiación
Radiación Fotosintéticamente Total de Radiación Proporción de
Tratamient Fotosintéticamente Fotosintéticamente Activa Radicación
Activa （∑PPFD）（μmol Fotosintéticament
o Activa (ROJA) (AZUL) ·m-2·s-1） e Activa（R/B）
（μmol ·m-2·s-1） （μmol ·m-2·s-1）
LEDA1 132 22 154 6/1
LEDA2 136 17 153 8/1
LEDA3 140 14 154 10/1
LEDB1 131 23 154 6/1
LEDB2 136 17 153 8/1
LEDB3 139 14 153 10/1Características fotosintéticas de la
lechuga en distintos tratamientos
Tasa Conductividad Concentración
Tratamiento Tasa de transpiración Estomatal Intercelular de CO2
Fotosintética(μ mol -2· s-1)
(mol· m (mol· m-2· s-1)
· m-2· s-1) (μ mol· mol-1)
LEDA1 7.63bc 2.11cd 0.078d 247.8d
LEDA2
7.88b 3.863a 0.165b 332.8a
LEDA3
7.30c 2.42bc 0.098d 294.8b
LEDB1 7.57bc 1.88d 0.053e 275.9c
LEDB2 8.44a 3.62a 0.188a 270.2c
LEDB3 6.45d 2.58b 0.137c 295.2b
CK 5.70e 2.52b 0.086d 306.8b
（Wenjing etc，2007）3.2 Ahorro energético en luces utilizando un
sistema LED móvil
Structure designTratamientos A：CK；B：F-LED30；C：M-LED30；D：M-LED10；E：F-LED10
Consumo de electricidad de iluminación, rendimiento
de plantas y eficiencia en el uso de luz (LUEs) para
iluminación (LED móvil, LED fijo y luz fluorescente)
Tratamiento Consumo de Electricidadz Rendimientos y LUEsx
(kWh·m-2) (g·m-2) (g·kWh-1)
625.9±9.23aw 10.2±0.15a
M-LED10 61.2
F-LED10 60.5 620.1±35.76a 10.2±0.59a
M-LED30 74.1 629.8±13.17a 8.5±0.18b
F-LED30 72 621.9±6.37a 8.6±0.09b
FL 105 438.7±15.76b 4.2±0.15c3.3 Ahorro energético en enfriamiento al
introducir aire frío del exterior
Fábrica de
plantas
Aire
frío del
exterior
Aire caliente
El aire frío del exterior fue introducido para
enfriamiento en coordinación con el aire acondicionadoSistema Intercambiador de Aire(AE) para introducir
aire frío del exterior a la Fábrica de Plantas
AE Filtro de
aireEl Coeficiente de Rendimiento del Intercambiador de Aire
(AE) afectado por la temperatura exterior del aire es mucho
mayor que el del Aire Acondicionado (AC)
Temperatura interna del aire: 25℃
16 AE
AC
14 EUE AE AC
y=-0.94x + 15
Eficiencia del uso de
R² = 0.98 Más alto 15.5 8.8
12
energía eléctrica
y=-0.18x + 8.4 Promedio 14.2 8.2
10
R² = 0.68
Note: EUE-electric-energy use efficiency;
8
6
-1 0 1 2 3 4
T(℃)
11PFALcon AE
1 PFALsin AE
Consumo de energía
Consumo de energía eléctrica
durante el fotoperiodo (kW h
0.8 y = 0.04x + 0.37
R² = 0.63
eléctrica por hora,
0.6 afectado por la
0.4 temperatura del aire
0.2 y = 0.04x + 0.21
exterior (T)
R² = 0.67
）
0
Stages Ti ηE
1
durante la fase oscura (kWh）
Consumo de energía eléctrica
Fotoperiodo 25℃ 24.6-63.0%
0.8 y = 0.03x + 0.44
R² = 0.62 Fase oscura 15℃ 2.3-33.6%
0.6
Note: Ti – temperatura interna;
0.4 ηE-efecto de ahorro de energía
eléctrica.
0.2 y = 0.03x + 0.26
R² = 0.68
0
-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12
T (℃) 153.4 Ahorro de energía utilizando Energía
Solar y LEDs en Fábrica de Plantas
Componentes
de la celda
solar
batería3.5 Control de calidad de los vegetales
Nitrato Nitrato
75~80% 20~25%
Nivel elevado de Cánceres y enfermedades
Nitrato
Nitrato
Hemoglobina Metahemoglobina
（transporta oxígeno） （deja de transportar
oxígeno）
(Cassens, 1997)Reduciendo la concentración de nitrato con
iluminación continua pre-cosecha
de corto plazo
Contenido de nitrato
Ácido ascórbico
Azúcar solubleRelación de luz Roja/Azul durante el
tratamiento de luz continua pre-cosecha
Contenido de Nitrato Azúcar soluble
Nitrato (mgkg-1)
3500
Azúcar soluble (mg g-1)
3000 3
2500 2.5
2000 2
1500 1.5
1000 1
500 0.5
0 0
LED1 LED2 LED3 LED4 LED1 LED2 LED3 LED4
Radiación fotosintéticamente activa de
Tratamientos Relación componentes rojo y azul (μmol·m-2·s-1)
R/A Rojo Azul
LED1 2 100 50
LED2 4 120 30
LED3 8 133 17 (Zhou et al, 2013)
LED4 -- 150 0Reduciendo la concentración de nitrato al enriquecer
el contenido de selenio en la solución de nutrientes
4000 a 3500
roots NO3 - content（mg/kg FW）
3500 3000 a
leaves NO-3 content（mg/kg
3000 b
2500
2500 b
2000 c
2000 d
c 1500 e e
1500 d
de
e 1000
1000
FW）
500 500
0 0
CK 0.05 0.1 0.5 1 5 CK 0.05 0.1 0.5 1 5
El enriquecimiento con selenito significativamente
-
disminuyó el contenido de NO3 en raíces y hojas.
(Lei et al, 2014)3.6 Degradación Fotocatalítica de Substancias Fitotóxicas en Solución de Nutrientes residual con Nano-TiO2
3.7 Manejo de la Solución de
Nutrientes y Sistema de Control
Sistema de Manejo
de la Solución de
Nutrientes3.8 Medición Digital y Control
Sistema de control
S t re s s D et e ct o r ## 1 7 o n D u ty !
DAN GE R!
N u m be r o f d a y s
a n a l yz ed : 7 N u m be
r o f a l a rm s : 4
26 O ct 27 O ct 28 O ct 29 O ct
3 0 Oc t 1 N ov A L L2 N o v
A
3
Nov
Model
Alar m D iar y
9: 0 0- 12: 00 Ai r
VP D > 2 kP a
M y
C o m p u te r 12 : 00- 15: 00 L eaf
T > 34 C
Ai r VPD >
4 kPa
SR LP S # 14
LP S #2 6
LP S # 17
LP S # 99
15 : 00- 16: 00 Air
VPD > 2 kPa
T est # 1 ne
gat iv e
Sistema de adquisición de datos
Se comparan los Base de datos
valores medidos dinámica
Simulacion
esMedición Digital y Control Detección en tiempo real de temperatura, humedad, luz, solución de nutrientes (EC, pH, DO, temperatura del líquido) de la Fábrica de Plantas basado en monitoreo inteligente con un controlador lógico programable (PLC).
Tecnología de Monitoreo Remoto Monitoreo y control remoto basado en IoT (Internet of Things) al utilizar teléfonos móviles, computadoras portátiles a través de un sistema de transmisión de redes.
4. Extensión de Fábrica de Plantas
4.1 Fábrica de Plantas Doméstica (exhibida en Shanghai Expo 2010)
Mini Fábrica de Plantas Automática LED Control de temperatura Monitoreo remoto de nutrientes, CO2,luz Reemplazo de aire Rápidas funciones automáticas
Mini Fábrica de Plantas
E-Garden
Angel-GardenMini Fábrica de Plantas
4.2 Cultivos Verticales en Áreas Urbanas Cultivo en columnas
Cultivo en Columnas
Column cultivation
Vertical Culture
Multi-layer cultivation (leaf vegetable)
with LED lightCultivo en Paredes
蔬菜工厂 Cultivos en capas múltiples (verduras de hojas)
Cultivos en Capas Múltiples (frutas y
vegetales)
Pimentón Tomate3 tipos de Cultivos
Cultivo Gigante Calabaza( 150-500Kg）
Producción de tubérculo de camote por encima del suelo
Raíces de tubérculoExtended to Disney
park (Orlando,FL) in
2007
80Casa Ecológica
Restaurante Ecológico
5. Enfrentando Desafíos y
Perspectivas5.1 Enfrentando los desafíos de Fábricas
de Plantas
Costo inicial elevado (construcción y equipos)
Alto consumo energético (luz, aire acondicionado)
Limitado número de especies de plantas (la mayoría
son lechugas en FP con luz artificial)
Rentabilidad (poca competencia en comparación a
otros sistemas de producción de vegetales, ejemplo:
invernadero, en campo.)Los vegetales de invernaderos y de campo son muy baratos, si los vegetales de las Fábricas de Plantas se pusieran en el mismo mercado, tendrían menor competición. Por lo que se necesitan crear mercados especiales para consumidores que exijan calidad superior.
Viejo edificio industrial (en desuso) para
Fábrica de Plantas (podría disminuir el
costo inicial de construcción)Usado actualmente para Fábrica de Plantas
Ciudad de
Dongguan, Provincia
Guangdong (2013)Una Fábrica de Plantas con luz artificial (8000m2)
en un edificio industrial viejo (Beijing)Fábrica Móvil de Plantas con Luz Artificial
5.2 Perspectivas de Fábricas de
Plantas en China
Áreas prioritarias de desarrollo: Parque de Ciencia y
Tecnología Agrícola para demostrar Fábricas de Plantas.
Producir vegetales saludables e inocuos (frescos, limpios,
libres de pesticidas y multi-funcionales) para clientes
exigentes en ciudades grandes como Beijing, Shanghai.
Utilización Multi-Funcional en áreas especiales:
entorno familiar, edificios, supermercados, escuelas,
restaurantes (Fábricas de Plantas ubicuas)
Agricultura vertical (proyecto en desarrollo en CAAS)Reconocimientos
Kun Li
Dr.Qichang Yang Hui Fang
Dr.Lingling Wei
Dr.Yuxin Tong Dr.Wenke Liu
Dr.Ruifeng
Cheng
Jun Wang
Dr.Yi Zhang Ye Tian
Dr. Bo Lei
Zhonghua Bian Min XinGracias por su atención Yangqichang@caas.cn
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