ES2954482T3 - Aparato aeropónico - Google Patents

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Jack Richard Farmer
Benjamin George Crowther
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Abstract

Se divulga un aparato de aeroponía, que incluye una bandeja de lecho de cultivo (2) que tiene una base y al menos dos paredes laterales, pudiendo la bandeja de lecho de cultivo sostener un soporte para plantas en una posición espaciada de la base de la bandeja de lecho de cultivo, y un nebulizador (20) para nebulizar solución nutritiva, el nebulizador ubicado en la base de la bandeja del lecho de cultivo y que comprende un transductor ultrasónico (29) y un soporte para sostener el transductor ultrasónico. También se divulga un método para la producción de cultivos usando el aparato aeropónico ya sea haciendo fluir una solución nutritiva hacia la base de la bandeja del lecho de cultivo para contactar al menos las raíces de los cultivos o proporcionando una solución nutritiva en la base de la bandeja del lecho de cultivo y nebulizando el nutriente. solución para que la solución nutritiva nebulizada entre en contacto al menos con las raíces de los cultivos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Aparato aeropónico
La presente invención se refiere a aparatos aeropónicos y métodos de crecimiento de cultivos y otras plantas utilizando dichos aparatos aeropónicos.
El hidrocultivo, como la hidroponía o la aeroponía, es un método de cultivo sin tierra. La aeroponía, en particular, ofrece los beneficios de una alta densidad y un rápido crecimiento de los cultivos.
Los sistemas aeropónicos suministran agua y nutrientes a los cultivos rociando las raíces suspendidas bajo un soporte para plantas con una solución de agua pulverizada rica en nutrientes. Las plantas están sostenidas por, y sus hojas y copas se extienden por encima, del soporte para plantas. Los sistemas aeropónicos permiten que el aire entre en contacto tanto con el follaje como con las raíces de las plantas de cultivo para que los cultivos crezcan con un suministro abundante de oxígeno, dióxido de carbono, agua y nutrientes. Una mejor aireación de las raíces es una de las ventajas de la aeroponía sobre la hidroponía.
La solución nutritiva pulverizada puede producirse en sistemas de baja presión mediante bombas de baja presión que suministran la solución nutritiva mediante chorros. Los sistemas de baja presión generalmente se consideran adecuados solo para unidades aeropónicas domésticas o de demostración y no para grandes sistemas aeropónicos comerciales.
Los documentos JP H03 1523, CN-A-205727459 y CN-A-205584993 divulgan cada uno un sistema aeropónico a escala doméstica. El documento US 2015/313104 A1 divulga una maceta decorativa autónoma para cultivar y exhibir plantas con un transductor ultrasónico para producir vapor de agua o nutrientes.
El documento KR-A-20130074172 divulga un sistema multinivel a pequeña escala con un atomizador sonicador sumergido en líquido y suministrándose el aerosol a las raíces de las plantas con la ayuda de un ventilador.
El documento US-A-5,937,575 divulga aparatos y métodos para la estabilización de niebla nutritiva generada ultrasónicamente (es decir una columna o conjunto de aerosol). Para eliminar la sensibilidad a la humedad y temperatura del aire de entrada, la niebla se recircula desde la cámara de crecimiento hasta el depósito generador de niebla. La cámara y el depósito están conectados por un conducto de suministro de niebla y un conducto de retorno de niebla que forman un circuito de circulación de niebla. La recirculación elimina la dependencia de la densidad de la niebla de la humedad del aire de entrada y estabiliza la cantidad de nutrientes utilizados.
Los documentos CN-A-106508655 y CN-A-106577245 divulgan métodos de cultivo aeropónico para Polygonatum odoratum con nebulizadores ultrasónicos dispuestos debajo de la placa de plantación en campo del aparato suspendido en un espacio por encima de la base de los cubos de cultivo aeropónico.
El documento US-A-5,136,804 divulga un aparato que tiene medios de conducto para dirigir la niebla generada a los compartimientos de crecimiento, produciéndose la niebla por un generador de niebla que incluye un recipiente para recibir una cantidad de agua, y un transductor ultrasónico ubicado dentro del recipiente para ser sumergido en el agua cuando se recibe en el mismo.
El documento KR-A-2014 0088760 divulga un sistema de nieblaponía (fogponics) ultrasónico en el cual la solución nutritiva en aerosol se puede suministrar uniformemente por un conducto de niebla desde el sistema generador de niebla y requiere menos módulos de vibración ultrasónica.
Otras divulgaciones también hacen uso de generadores de niebla o neblina ultrasónicos y conductos de suministro de niebla o neblina para suministrar niebla a los compartimentos de crecimiento, por ejemplo, los documentos CN-A-101803561, CN-A-105594578, CN-A-2011393457, CN-A-204168859, CN-A-102845293, CN-A-202197639 y CN-A-102870659.
El documento CN-A-201557432 divulga un invernadero de cultivo aeropónico con una boquilla de pulverización de un atomizador ultrasónico dispuesta en la parte superior del invernadero por encima de la zona de plantación.
El cultivo aeropónico comercial y de alta densidad y alta presión (HPA) utilizan bombas de alta presión que suministran la solución nutritiva a través de boquillas de pulverización. Las boquillas de pulverización de las instalaciones aeropónicas de alta presión generalmente proporcionan un patrón de pulverización amplio y están ubicadas a lo largo de líneas de alimentación presurizadas a intervalos regulares. La solución nutritiva puede atomizarse en gotitas en una rango de distribuciones de tamaño que depende de la presión operativa del sistema HPA. El control sobre el tamaño de las gotitas a nivel de las instalaciones es extremadamente difícil debido a la variación de la calidad de las boquillas y a la caída de presión en la línea de alimentación. El control de la cantidad de agua y nutrientes suministrados a las raíces de las plantas se controla mediante la duración de la pulverización.
Las gotitas de alta velocidad generadas por los sistemas HPA pueden degradar las estructuras de raíces finas y los restos celulares generados pueden obstruir las boquillas HPA. En consecuencia, las raíces deben estar suficientemente separadas de las boquillas. La interceptación de gotitas de agua por las raíces (especialmente en lechos densos de raíces) puede dejar las raíces de la periferia del lecho sin agua, por lo que en los sistemas HPA los arcos de pulverización de las boquillas están diseñados para solaparse, pero esto da como resultado mayores costes, una mayor complejidad del sistema y un aumento de los puntos de falla en las líneas de alimentación presurizadas. La necesidad de ángulos de pulverización relativamente amplios también significa que los lechos de cultivo en los sistemas HPA deben ser relativamente altos, lo que reduce la densidad de lecho alcanzable.
Las boquillas HPA son particularmente propensas a obstruirse, lo que significa que los sistemas HPA requieren un tratamiento y filtración de agua complejos o requieren el uso de agua dulce que no contenga partículas. Esto aumenta el coste y la complejidad de un sistema HPA. Además, cada boquilla HPA tiende a estar dispuesta de modo que se encienda o apague con toda la línea de alimentación (que puede tener un gran número de boquillas conectadas). Por lo tanto, generalmente no es posible controlar partes específicas de la zona de cultivo.
Por lo tanto, existe una necesidad de sistemas aeropónicos mejorados que reduzcan u obvien los problemas con los sistemas conocidos.
Un objetivo de la presente invención es abordar esta necesidad.
En consecuencia, la presente invención proporciona, en un primer aspecto, un aparato aeropónico con sistema de lecho de cultivo modular accionado por ultrasonidos según la reivindicación 1.
Esto es ventajoso porque el uso de nebulizadores con transductores ultrasónicos permite controlar el tamaño de las gotitas y la velocidad de las gotitas y adaptar y/o controlar el tamaño de las gotitas, la densidad del aerosol (neblina) o la duración de la aplicación del aerosol (nebulización), para la edad, especie y salud de las plantas de cultivo dentro de la o de una bandeja del lecho de cultivo. El uso de nebulizadores ultrasónicos también permite un lecho de cultivo menos profundo para aumentar la eficiencia del uso del espacio vertical dentro de una granja aeropónica y el consiguiente aumento en el rendimiento por unidad de superficie.
Los transductores ultrasónicos pueden estar ubicados en la base de la bandeja de lecho de cultivo. La neblina generada puede dispersarse en el espacio entre la superficie de la solución y el soporte para plantas (es decir, en el espacio de raíces donde, en uso, están suspendidas las raíces de los cultivos) como un flujo rastrero (lateral y verticalmente) que permite que la base de la bandeja de lecho de cultivo esté más cerca del soporte para plantas que en los sistemas HPA. Como la generación de neblina no se produce mediante un sistema de alta presión, los daños en las raíces y la obstrucción de la boquilla se reducen o evitan en gran medida, lo que reduce el tiempo de inactividad de las instalaciones.
El transductor ultrasónico o los transductores ultrasónicos está/están montados debajo de la base de la bandeja de lecho de cultivo (es decir, pueden estar montados por debajo). El transductor o transductores ultrasónicos montados por debajo pueden sujetarse en un soporte de modo que el transductor ultrasónico esté en contacto con (y preferiblemente comprimido contra) la base de la bandeja de lecho de cultivo. Generalmente, esta disposición prevé que haya una única capa (normalmente una única capa relativamente delgada) de, por ejemplo, plásticos o material metálico entre el transductor ultrasónico y la solución nutritiva, en uso. Preferiblemente, la única capa de, por ejemplo, plásticos o material metálico proporciona buenas propiedades de transmisión acústica.
El montaje por debajo es muy ventajoso, especialmente en una instalación comercial con múltiples transductores ultrasónicos, ya que permite un mejor acceso y la eliminación de transductores ultrasónicos defectuosos y/u otros componentes sin apagar todos los transductores ultrasónicos/componentes en el lecho de cultivo. Además, la parte de fijación montada por debajo del transductor ultrasónico ayuda a la disipación del calor. Esto puede reducir el calor que irradia al espacio de las raíces, lo que puede tener un efecto negativo en el crecimiento de las raíces de las plantas. Además, el montaje por debajo reduce o elimina significativamente la interacción de los detritos de las raíces con el transductor ultrasónico, lo que prolonga la vida útil de los transductores ultrasónicos y hace que se requiera mucha menos limpieza, mejorando la eficiencia operativa y reduciendo los costes.
El transductor ultrasónico puede montarse en un soporte que puede fijarse permanentemente a la bandeja de lecho de cultivo. Preferiblemente, el soporte tiene una superficie/interfaz fácil de limpiar. Preferiblemente, el transductor ultrasónico se puede retirar del soporte (por ejemplo, puede atornillarse/comprimirse en su posición) sin retirar el soporte de la bandeja del lecho de cultivo.
El aparato también puede comprender uno o más protectores de nebulizador para proteger el transductor de las raíces de las plantas y proteger de otro modo los transductores, en uso. El protector o protectores del nebulizador se pueden formar en la base de la bandeja del lecho de cultivo.
El aparato también puede comprender uno o más protectores de nebulizador para proteger el transductor de las raíces de las plantas y proteger de otro modo los transductores, en uso. El protector o protectores del nebulizador se pueden formar en la base de la bandeja del lecho de cultivo.
El soporte y/o la parte de fijación pueden ser tales que la interfaz entre los transductores y la solución nutritiva, en uso, esté formada de un material plástico (es decir, una interfaz de solución nutritiva: plásticos) o un material metálico (es decir, una interfaz de solución nutritiva: material metálico). La parte de fijación puede estar provista de fijaciones mecánicas y/o adhesivas, por ejemplo, una o más de las siguientes: abertura roscada, adhesivo, espiga roscada, pernos o una parte de fijación de plástico.
Preferiblemente, en uso, las raíces del cultivo estarán suspendidas en el espacio de las raíces. La solución nutritiva puede entrar en contacto con las raíces de los cultivos como un aerosol de solución nutritiva en el aire.
En diferentes momentos de cualquier ciclo de drenaje/inundación que pueda utilizarse durante el funcionamiento del aparato aeropónico de la invención, parte de las raíces del cultivo pueden estar sumergidas en la solución nutritiva, pero por las raíces generalmente no están constantemente sumergidas. Incluso estando sumergidas parte de las raíces, el resto de las raíces están en contacto con el aerosol producido por el aparato. El volumen de raíces que puede sumergirse periódicamente en la solución nutritiva depende generalmente del tipo de cultivo y del tiempo dedicado al crecimiento del cultivo (que está relacionado con el tamaño de la planta). Sin embargo, durante la operación aeropónica, generalmente sólo una pequeña proporción del espacio de las raíces (por volumen del espacio de las raíces) será ocupada por la solución nutritiva. Durante el funcionamiento del aparato aeropónico de la invención, las plantas crecen de forma aeropónica durante la primera parte de su vida, impulsando las condiciones aeropónicas la tasa de crecimiento. En etapas posteriores del crecimiento, las raíces principales de los cultivos pueden entrar en la masa de agua principal (es decir, en la solución nutritiva), lo que puede proporcionar ventajas adicionales, que incluyen el aumento de la resistencia del cultivo al estrés hídrico, mientras que el resto de las raíces obtienen los beneficios de las condiciones aeropónicas.
Normalmente, las microverduras (normalmente cultivadas durante 5 - 10 días antes de la cosecha) tienen poco (<10%, a menudo <5% en volumen) del volumen de sus raíces periódicamente en solución nutritiva. Las verduras de hoja verde (por ejemplo, brotes de guisantes, lechugas cultivadas normalmente durante 4 semanas antes de la cosecha) pueden tener periódicamente una mayor parte del volumen de sus raíces en solución nutritiva, por ejemplo < 50% en volumen, normalmente < 40% en volumen. Los cultivos de verduras de hoja verde de crecimiento más prolongado, por ejemplo la albahaca (que puede crecer durante tres meses y podarse periódicamente), y los cultivos de frutos y de enraizamiento pueden tener periódicamente una parte significativa del volumen de sus raíces sumergida en la solución nutritiva (por ejemplo, <70% en volumen). Por lo tanto, en uso, periódicamente el 70% o menos del volumen de las raíces del cultivo puede estar sumergido en líquido (por ejemplo, solución nutritiva), normalmente el 50% o menos del volumen de las raíces del cultivo puede estar sumergido en líquido (por ejemplo, solución nutritiva), más habitualmente el 20% o menos del volumen de las raíces del cultivo puede estar sumergido en líquido (por ejemplo, solución nutritiva), y más habitualmente el 10% o menos (por ejemplo, 5% o menos) del volumen de las raíces del cultivo puede estar sumergido en líquido (por ejemplo, solución nutritiva).
En el aparato, el ajuste de la frecuencia del transductor ultrasónico cambia el tamaño de las gotitas. El ajuste de la tensión cambia la tasa de producción de gotitas. Los transductores ultrasónicos individuales que actúan sobre una masa de agua generan distribuciones predecibles del tamaño de las gotitas.
En uso, las gotitas de solución nutritiva se emiten como una neblina/aerosol desde la superficie del agua que se dispersa a través del lecho en todas direcciones en un flujo rastrero. El aparato puede proporcionar un control del tamaño de las gotitas, produciendo normalmente gotitas dentro del rango entre 1 y 100 μm de diámetro.
La parte de fijación puede comprender un adhesivo, opcionalmente un adhesivo epoxi y/u otro adhesivo adecuado.
Preferiblemente, la parte de fijación se transmite acústicamente.
En una realización, un transductor ultrasónico puede adherirse a la base de la bandeja del lecho de cultivo utilizando un adhesivo, por lo que el nebulizador comprendería el transductor y una parte de fijación que comprende adhesivo. En esta realización se prefiere que la ubicación en la base de la bandeja del lecho de cultivo, donde se adhiere el transductor, se transmita al menos parcialmente acústicamente.
La parte de fijación puede comprender un soporte, opcionalmente un soporte que se puede desmontar de la bandeja del lecho de cultivo.
Preferiblemente, el transductor ultrasónico también se puede desmontar del soporte.
El soporte será normalmente diseñado acústicamente. El soporte puede comprender una parte formada por un material acústicamente transparente (por ejemplo, una lente acústica).
Para lograr un mayor control sobre el tamaño de las gotitas o un mayor flujo de neblina/aerosol, el aparato puede comprender al menos dos transductores ultrasónicos. En este caso, uno o cada uno de los transductores ultrasónicos, puede tener una frecuencia resonante predeterminada o diferente. Una frecuencia resonante predeterminada estará preferiblemente en el rango de kilohercios a megahercios y puede ser de 200 kHz a 100 MHz, siendo generado el tamaño de gotita en el aerosol más pequeño a mayor frecuencia.
Preferiblemente, cada bandeja de lecho de cultivo comprende una pluralidad de transductores ultrasónicos. Esto es ventajoso porque mejora el suministro uniforme del aerosol a las raíces, en uso. Cada bandeja de lecho de cultivo puede comprender de 2 a 48 transductores ultrasónicos, preferiblemente de 4 a 36 transductores ultrasónicos, más preferiblemente de 6 a 24 transductores ultrasónicos.
Preferiblemente, cuando hay una pluralidad de transductores ultrasónicos, cada transductor ultrasónico puede ser controlable independientemente. Esto es ventajoso en una instalación comercial porque permite un mayor control sobre las condiciones de crecimiento sobre cada parte del aparato.
El aparato puede incluir además uno o más ventiladores para hacer circular el aire y mejorar aún más el suministro uniforme del aerosol a las raíces.
Ejemplos de transductores ultrasónicos pueden tener una frecuencia resonante de alrededor de 600kHz, 1,7 MHz, 2,4 MHz y/o 3 MHz.
Normalmente, el o cada transductor ultrasónico puede ser un transductor piezoeléctrico.
Convenientemente, el aparato puede comprender además un puerto de líquido. El puerto de líquido puede actuar como una entrada de líquido para permitir que la solución nutritiva fluya hacia la base de la bandeja del lecho de cultivo y puede actuar además como una salida de líquido para permitir que el líquido fluya fuera de la base de la bandeja del lecho de cultivo. En su lugar, puede haber una entrada de líquido y una salida de líquido.
La base de la bandeja del lecho de cultivo puede tener forma para formar al menos un sumidero para recoger la solución nutritiva, y en donde el nebulizador está ubicado en el sumidero o dentro de él. Esto puede ser ventajoso porque permite que volúmenes relativamente pequeños de solución nutritiva cubran el nebulizador, en uso.
Preferiblemente, sin embargo, la base de la bandeja del lecho de cultivo es sustancialmente plana para reducir la retención no deseada de materia vegetal u otra materia orgánica y/o agua estancada. La base de la bandeja del lecho de cultivo puede estar inclinada (es decir, tener una pendiente, normalmente poco profunda) para mejorar el drenaje de la solución nutritiva y la limpieza.
Generalmente, el puerto/entrada de líquido puede conectarse a una tubería de entrada conectado a un depósito, el depósito para contener la solución nutritiva. El aparato comprenderá además normalmente una bomba para bombear la solución nutritiva desde el depósito hasta el puerto/entrada de líquido. Así, el aparato puede comprender además una o más tuberías de entrada, un depósito y, opcionalmente, al menos una bomba. El aparato también puede comprender una o más válvulas, uno o más filtros y/o un sistema de dosificación de nutrientes.
La solución nutritiva puede ser un subproducto de la acuicultura (es decir, la cría en tanques de animales acuáticos como caracoles, peces, cangrejos de río o gambas).
La bandeja del lecho de cultivo está preferiblemente adaptada para sostener un soporte para plantas espaciado de la base de la bandeja del lecho de cultivo mediante uno o más soportes ubicados en las paredes laterales de la bandeja del lecho de cultivo. La bandeja del lecho de cultivo puede adaptarse para sostener un soporte para plantas espaciado de la base de la bandeja del lecho de cultivo mediante fijaciones mecánicas y/o se pueden formar uno o más soportes por la forma de la pared o paredes laterales de la bandeja del lecho de cultivo.
Las bandejas del lecho de cultivo pueden ser modulares. Así, una o más de las paredes laterales pueden ser desmontables. El aparato puede comprender además accesorios de bandeja de lecho de cultivo para unir dos o más bandejas de cultivo. Una bandeja de lecho de cultivo o una pluralidad de bandejas de lecho de cultivo unidas entre sí pueden formar el lecho de cultivo del aparato.
Un sistema modular de lecho de cultivo aeropónico accionado por ultrasonidos para operación comercial es muy ventajoso porque permite el uso de aeropónicos para la producción de cultivos de manera eficiente y a mayor escala que la que se lograba anteriormente. En uso, el aparato puede ser tal que las bandejas del lecho de cultivo, los soportes para plantas y/o el lecho de cultivo (es decir, la combinación que comprende al menos una bandeja del lecho de cultivo y al menos un soporte para plantas) puedan levantarse y/o moverse alrededor de la instalación ya sea manualmente o mediante sistemas automatizados.
Es útil monitorizar las condiciones de crecimiento y cultivos con uno o más sensores. Los sensores pueden ser sensores de humedad (por ejemplo, humedad relativa), luz, oxígeno, pH, temperatura, dióxido de carbono y/o densidad de raíces (por ejemplo, sensores que detecten la transmisión de luz a través del lecho de raíces). Por lo tanto, el aparato puede comprender además una o más fijaciones de sensores para la fijación de sensores en la bandeja del lecho de cultivo. El aparato puede comprender además uno o más sensores. Los sensores pueden incluir uno o más sensores, por ejemplo, para medir o determinar el peso/masa, la tensión superficial, la temperatura, la viscosidad, el nivel de agua, la densidad de la solución nutritiva, la humedad (por ejemplo, presión de vapor y/o humedad relativa), la luz, el oxígeno, el pH, la composición del gas, la intensidad del sonido, la presión (de la solución nutritiva o de la fase gaseosa), el dióxido de carbono y/o la densidad de las raíces. Los sensores especialmente útiles incluyen el nivel de agua, la temperatura (del gas y/o de la solución nutritiva) y la humedad relativa. Se pueden fijar uno o más sensores a las fijaciones de sensor. Por supuesto, el aparato también puede tener uno o más de los mismos sensores asociados a él para medir y/o determinar las condiciones y propiedades del entorno.
El aparato puede comprender uno o más accesorios de iluminación ubicados encima, a los lados y/o debajo de la bandeja del lecho de cultivo o bandejas del lecho de cultivo, de modo que se pueda proporcionar iluminación cuando se instale la iluminación.
El aparato puede comprender además un soporte para plantas. El soporte para plantas puede comprender una bandeja de soporte para planta y/o un material fibroso (por ejemplo, puede comprender estera(s) fibrosa(s)). Otros soportes para plantas que pueden ser adecuados incluyen plantones y/o macetas. El soporte para plantas sería generalmente desmontable.
Una bandeja de soporte para plantas puede ser de material plástico. Las bandejas de soporte para plantas pueden comprender porciones de soporte para soporte para plantas (y/o soporte para macetas para plantas). Dichas porciones de soporte pueden incluir una pluralidad de aberturas, por ejemplo, en (y definidas por) la base de la bandeja de soporte para plantas. Es ventajoso que cada bandeja de soporte para plantas tenga una forma tal que las bandejas de soporte para plantas sean apilables para su almacenamiento.
Así, en uso, el aparato puede comprender un soporte para plantas y una solución nutritiva que cubra el nebulizador. Una vez plantados los cultivos, el aparato puede comprender cultivos en el soporte para plantas, las raíces de los cultivos ubicadas en el espacio (es decir, el espacio de las raíces, que normalmente es un espacio de aire) entre el soporte para plantas y la base de la bandeja del lecho de cultivo.
Una gran ventaja de la presente invención es que proporciona eficiencia aeropónica y eficiencia operativa mejoradas. En particular, el montaje del nebulizador en la base de la bandeja del lecho de cultivo es un gran beneficio operativo porque reduce el tiempo de inactividad del aparato y la necesidad de limpiarlo. Además, el aparato (y el método) de la presente invención mejora la resolución del control del riego para ayudar al ahorro de agua.
Así, en un segundo aspecto, la presente invención proporciona, un método para la producción de cultivos, comprendiendo el método, a) proporcionar aparatos aeropónicos según el primer aspecto, b) proporcionar un soporte para plantas en la posición espaciada de la base de la bandeja del lecho de cultivo, c) proporcionar cultivos en el soporte para plantas, y, o bien: i) hacer fluir la solución nutritiva en la base de la bandeja del lecho de cultivo para que entre en contacto al menos con las raíces de los cultivos, y/o ii) proporcionar la solución nutritiva en la base de la bandeja del lecho de cultivo y nebulizar la solución nutritiva de modo que la solución nutritiva nebulizada entre en contacto al menos con las raíces de los cultivos.
Preferiblemente, la nebulización de la solución nutritiva comprende nebulizar la solución nutritiva para proporcionar una distribución de tamaño de gotita predeterminada y/o controlable. La distribución del tamaño de las gotitas puede comprender gotitas que tienen un diámetro en el rango de 1 a 100 μm, preferiblemente de 5 a 80 μm. El tamaño de las gotitas puede medirse mediante varios métodos, por ejemplo, utilizando un microscopio óptico para determinar la distribución del tamaño de las gotitas.
En una realización, el método puede comprender además proporcionar uno o más sensores de densidad de las raíces, para determinar la densidad del lecho de las raíces, y nebulizar la solución nutritiva con una frecuencia resonante predeterminada para generar una distribución de tamaño de gotitas predecible (y controlable) correspondiente a la distribución óptima de tamaño de gotita para la densidad del lecho de raíces.
La solución nutritiva puede ser un subproducto de la acuicultura (es decir, la cría en tanques de animales acuáticos como caracoles, peces, cangrejos de río o gambas).
Ventajosamente, el aparato y el método de la presente invención mejoran el rendimiento de los cultivos en comparación con los aparatos y métodos conocidos.
Los cultivos que pueden ser adecuados para el aparato y el método de la presente invención incluyen (pero no se limitan a) cultivos para ensaladas (por ejemplo, brotes de lechuga, rúcula, berros), hierbas (por ejemplo, albahaca, cilantro), cebolletas, hortalizas de raíz (por ejemplo, zanahorias, rábano, wasabi), cultivos frutales (por ejemplo, pimientos, fresas, tomates) y microverduras (por ejemplo, rábano, guisante, girasol, puerro).
En esta memoria descriptiva, neblina se refiere a un aerosol de gotitas de líquido (por ejemplo, solución acuosa) en gas (por ejemplo, aire).
La realización de la presente invención se describirá ahora con referencia a las siguientes figuras, en las que:
La FIG. 1 a) es una vista en perspectiva del aparato según la invención de un lecho de cultivo de dos bandejas, b) una vista lateral y c) una sección en A - A de la Figura 1 b).
La FIG. 2 muestra una vista en perspectiva del aparato según la invención de un lecho de cultivo de una bandeja, b) una vista lateral y c) una sección en B - B de la Figura 2b).
La FIG. 3 muestra una vista esquemática del aparato según la invención.
La FIG. 4 muestra una vista en perspectiva de un lecho de cultivo (bandeja de lecho de cultivo única) según otra realización de la invención.
La FIG. 5 muestra una vista en perspectiva parcialmente despiezada de un lecho de cultivo que comprende dos bandejas de lecho de cultivo conectadas entre sí.
La FIG. 6a muestra una vista en perspectiva de un soporte para plantas en forma de bandeja de soporte para plantas adecuado para su uso con los lechos de cultivo como se muestra en FIG.4 y FIG. 5.
La FIG. 6b muestra una vista en perspectiva de diez bandejas de soporte para plantas como las mostradas en la FIG.
6a apiladas para su almacenamiento.
La FIG. 7 muestra una vista en perspectiva de un aparato aeropónico según la invención, listo para su uso, que comprende una disposición en estantería de tres lechos de cultivo, teniendo cada lecho de cultivo una bandeja de lecho de cultivo y cinco bandejas de soporte para plantas.
La Figura 1 muestra un aparato según la invención de un lecho de cultivo 2 de dos bandejas. El lecho de cultivo 2 tiene dos bandejas de lecho de cultivo 4, 6, una primera bandeja de lecho de cultivo 4 y una segunda bandeja de lecho de cultivo 6 unidas entre sí en la conexión 14 mediante conectores de base 16 y conectores laterales 18. Cada bandeja de lecho de cultivo tiene paredes laterales 8, paredes extremas 10 y una base 22. La base 22 tiene un perfil para formar un sumidero 24 para recoger la solución nutritiva (no mostrada) y un puerto nebulizador 12 para el nebulizador 20 situado en el sumidero 24, de modo que el nebulizador está convenientemente cubierto con solución nutritiva cuando está en uso. Como se ve en detalle en la Figura 1 (c), el nebulizador 20 comprende un soporte de nebulizador con una parte inferior 30 y una parte superior 28 de soporte de nebulizador y un transductor ultrasónico 29 que comprende un disco piezoeléctrico. El soporte del nebulizador 28, 29, 30 está fijado de forma desmontable a la base de la bandeja del lecho de cultivo en la interfaz del nebulizador 32 en la superficie externa del puerto del nebulizador 12.
Los transductores ultrasónicos 29 pueden tener frecuencias resonantes en el rango de kilohercios a megahercios, siendo el tamaño de la gotita en el aerosol/neblina generado más pequeño con mayor frecuencia.
Cada bandeja de lecho de cultivo tiene soportes (no mostrados) en las paredes laterales 8 para sostener un soporte para plantas (no mostrado) espaciado de la base 22 de la bandeja de lecho de cultivo 2, formando un espacio 26 para raíces.
La Figura 2 muestra una segunda realización del aparato según la invención, que comprende una única bandeja de lecho de cultivo 102 con paredes laterales 108, sin pared extrema (para una conexión más fácil a otra bandeja de lecho de cultivo si se desea), seis puertos de nebulizadores 112 que sostienen nebulizadores 120 distribuidos por la base 122 de la bandeja de lecho de cultivo, teniendo cada uno transductores ultrasónicos 129 montados debajo sostenidos por soportes de nebulizador. Cada uno de los nebulizadores comprende una parte inferior 130 del soporte del nebulizador y una parte superior 128 del soporte del nebulizador, y comprendiendo el transductor ultrasónico 129 un disco piezoeléctrico. El soporte del nebulizador 128, 129, 130 está fijado de forma desmontable a la base de la bandeja del lecho de cultivo en la interfaz del nebulizador 132 en la superficie externa del puerto del nebulizador 112.
Los transductores ultrasónicos 129 pueden tener frecuencias resonantes en el rango de kilohercios a megahercios (por ejemplo, 200 kHz a 100 MHz) con el tamaño de gotita en el aerosol/neblina generado generalmente más pequeño con mayor frecuencia.
La bandeja del lecho de cultivo 102 tiene soportes (no mostrados) en las paredes laterales 108 para sostener un soporte para plantas (no mostrado) espaciado de la base 122, formando un espacio 126 para raíces.
La Figura 3 es un esquema del aparato según la invención. Un lecho de cultivo de una única bandeja de lecho de cultivo 202 tiene paredes laterales 210 con soportes 237 que sostienen una estera de soporte para plantas 236 por encima de la base de la bandeja de lecho de cultivo para formar un espacio de lecho 226 para raíces. La solución nutriente 234 sumerge un soporte de nebulizador 232 que sostiene un transductor ultrasónico 230. Cuando se activa, el nebulizador producirá una neblina de solución nutritiva 234 que se dispersa por todo el espacio del lecho 226 para raíces.
La solución nutritiva 234 se suministra a través de la entrada 238 desde el depósito 248 y se suministra a través de los primeros conductos 246, la bomba de baja presión 244 y el segundo conducto 242.
El exceso de solución nutritiva se elimina a través de la salida 240.
La Figura 4 muestra una vista de un lecho de cultivo según otra realización de la invención que comprende una única bandeja de lecho de cultivo 302 con paredes laterales 308, paredes extremas 310, una pluralidad de protectores de nebulizador 320 distribuidos sobre la base 322 de la bandeja de lecho de cultivo, teniendo cada uno un transductor ultrasónico (no mostrado) montado debajo del protector de nebulizador 320. Los protectores de nebulizador 320 protegen al transductor de las raíces de las plantas y los protegen de otro modo durante su uso. La base 322 de la bandeja de lecho de cultivo 302 es, por lo demás, sustancialmente plana y uniforme para una limpieza más fácil, sin esquinas afiladas dentro de la bandeja del lecho de cultivo 302. La bandeja del lecho de cultivo 302 comprende un puerto de líquido 312 para la entrada y salida de solución nutritiva/líquido residual y un panel de control 352.
La Figura 5 muestra un aparato aeropónico según una realización de la invención que comprende un lecho de cultivo 402 que comprende dos bandejas de lecho de cultivo. Las dos bandejas de lecho de cultivo se pueden conectar entre sí retirando las paredes laterales 410 entre ellas y usando fijaciones de unión (no mostradas). Una pluralidad de protectores de nebulizador 420 se distribuyen sobre la base 422 de las bandejas del lecho de cultivo, teniendo cada uno un transductor ultrasónico (no mostrado) montado debajo del protector de nebulizador 420. Los protectores de nebulizador 420 protegen el transductor de las raíces de las plantas y protegen de otro modo los transductores ultrasónicos en uso. La base 422 de las bandejas del lecho de cultivo es, por lo demás, sustancialmente plana y uniforme para facilitar la limpieza, sin esquinas afiladas. Cada una de las bandejas del lecho de cultivo comprende un panel de control 452.
Los transductores ultrasónicos están montados debajo de la base de la bandeja del lecho de cultivo (es decir, están montados por debajo) y pueden sostenerse en un soporte de modo que el transductor ultrasónico esté en contacto con (y preferiblemente comprimido contra) la base de la bandeja del lecho de cultivo. Generalmente, esta disposición proporciona que haya una única capa (normalmente una única capa relativamente delgada) de, por ejemplo, plástico o material metálico entre el transductor ultrasónico y la solución nutritiva, en uso. La capa única de, por ejemplo, plástico o material metálico proporciona buenas propiedades de transmisión acústica.
El transductor ultrasónico puede montarse en un soporte que puede fijarse permanentemente a la bandeja del lecho de cultivo. El soporte tiene normalmente una superficie/interfaz fácil de limpiar, y el transductor ultrasónico es desmontable del soporte (por ejemplo, puede atornillarse/comprimirse en su posición sin desmontar el soporte).
La Figura 6a muestra un soporte para plantas en forma de bandeja de soporte para plantas 62 para usar con las bandejas de lecho de cultivo ilustradas en las Figuras 4 y 5. La bandeja de soporte para plantas 62 es de un material plástico y comprende una base 64 con aberturas 66 para actuar como soportes para los cultivos. La bandeja de soporte para plantas 62 comprende paredes laterales altas 68, 70 y paredes laterales bajas 72, 74. Las partes superiores de las paredes laterales altas 68, 70 tienen una forma que permite un apilamiento conveniente con otras bandejas de soporte para plantas.
La Figura 6b muestra una pluralidad de bandejas de soporte para plantas 62 según la Figura 6a apiladas para su almacenamiento.
La Figura 7 muestra una vista en perspectiva de un aparato aeropónico según la invención listo para su uso. El aparato comprende una disposición en estantería 501 de tres lechos de cultivo 503, 504, 505, teniendo cada lecho de cultivo una bandeja de lecho de cultivo 502 y cinco bandejas de soporte para plantas 62. Los lechos de cultivo 503, 504, 505 están soportados en una estantería 507. Cada lecho de cultivo 503, 504, 505 puede controlarse individualmente mediante paneles de control 552. Generalmente, puede haber un sistema de control de software adicional para operar una instalación agrícola.
El aparato aeropónico según la invención es generalmente para invernaderos y producción de cultivos verticales, especialmente invernaderos comerciales y granjas verticales. En la práctica, el aparato puede comprender un lecho de cultivo hueco formado por una o más bandejas de lecho de cultivo, cada lecho de cultivo/bandeja de lecho de cultivo puede tener un extremo delantero, un extremo trasero, una base perfilada y una cara superior abierta. La base de una bandeja de lecho de cultivo puede comprender uno o más sumideros o una pendiente/ahusamiento dependiente de la anchura del lecho, en la base de la bandeja de lecho de cultivo/lecho de cultivo para recoger/dirigir la solución nutritiva acuosa en un lugar particular.
Generalmente, cada transductor ultrasónico puede controlarse de forma independiente.
El aparato puede tener interfaces estandarizadas en la estructura del lecho de cultivo para la introducción de sensores y aparatos modulares adicionales. Los extremos del lecho de cultivo pueden ser desmontables y fijarse de manera desmontable a otro lecho de cultivo usando accesorios de fijación. Los extremos del lecho de cultivo pueden incluir secciones en T para la unión de múltiples lechos en un sistema contiguo, una sección de extremo que encierra el área interna y contiene interfaces para la conexión de tuberías/tubos.
El aparato generalmente incluye al menos un puerto que puede ser una entrada, una salida o tanto una entrada como una salida para la solución nutritiva. La solución puede proporcionarse desde un depósito de solución nutritiva a través de tuberías/tubos/conductos y accionarse por gravedad de una bomba de presión relativamente baja. Puede haber otras entradas y salidas de fluidos por encima de la línea de agua para el uso de equipos sensoriales visuales y gaseosos y el suministro de gases (por ejemplo, aire, oxígeno y/o dióxido de carbono).
En uso, puede disponerse un medio de soporte para plantas a lo largo de la bandeja/lecho de cultivo para soportar las plantas en crecimiento y reducir la pérdida de humedad. El soporte para plantas puede ser fibroso. El soporte para plantas generalmente soportará las plantas de cultivo de tal manera que sus hojas, copa y frutos estén por encima del soporte para plantas y las raíces suspendidas por debajo donde las raíces puedan entrar en contacto con la neblina generada por el nebulizador. Esto es útil porque deja espacio para el equipo para cosechar, monitorizar o cuidar de otro modo las plantas de cultivo. Una ventaja adicional de un medio de soporte para plantas es reducir o evitar el escape de aerosol/neblina (y por lo tanto, la humedad) del espacio de las raíces, ya que es importante mantener el control de la humedad dentro del aparato, especialmente sobre la humedad del espacio de las raíces. Por lo tanto, el aparato puede tener rieles u otros mecanismos que permitan el movimiento o posicionamiento de los dispositivos de cosecha, monitorización u otros dispositivos de cuidado.
El aparato puede comprender fijaciones de iluminación para suspender la iluminación por encima del lecho de cultivo/bandejas del lecho de cultivo y, en uso, también puede comprender iluminación unida a las fijaciones de iluminación.
El aparato puede tener una parte de fijación para la fijación de un nebulizador en la base de la bandeja del lecho de cultivo y puede comprender un transductor ultrasónico y un soporte diseñado acústicamente para sostener el transductor ultrasónico. El transductor ultrasónico comprenderá normalmente uno o más dispositivos piezoeléctricos. El soporte normalmente estará hecho de un material acústicamente apropiado (es decir, un material con propiedades acústicas adecuadas) y tendrá un factor de forma adecuado para una dispersión efectiva de la neblina generada ultrasónicamente. El soporte y/o el transductor ultrasónico pueden ser desmontables del lecho de cultivo/bandeja del lecho de cultivo y entre sí para su mantenimiento.
El nebulizador, la iluminación, los sensores cuando estén presentes y otros dispositivos alimentados también tendrán un conector eléctrico para su conexión a una fuente de alimentación.
El aparato aeropónico permite un método para la producción vertical de cultivos hidropónicos o aeropónicos en invernadero, comprendiendo el método la conexión del lecho de cultivo al depósito de solución nutritiva mediante tubos y una bomba, y permite utilizar tanto la producción aeropónica como la producción hidropónica si se desea.
El método aeropónico puede comprender el bombeo de solución nutritiva desde el depósito al lecho de cultivo a través del tubo en cantidad suficiente para que los canales (es decir, la bandeja del lecho ce cultivo o bandejas del lecho de cultivo) tengan suficiente solución nutritiva para funcionar eficientemente llenos, momento en el que el nivel de solución nutritiva se mantiene en el nivel óptimo para la activación de los transductores ultrasónicos. Durante la atomización, los canales normalmente estarán parcialmente llenos. Una mayor cantidad de solución nutritiva da como resultado una disipación de la energía antes de que llegue a la superficie en la que se genera el aerosol. Por lo tanto, cada transductor puede tener un punto focal en el que la atomización es más efectiva.
Los transductores ultrasónicos se activan a una frecuencia y potencia predeterminadas para controlar el tamaño de las gotitas y garantizar la deposición más eficiente de la solución nutritiva en las raíces de las plantas. Esto depende de la etapa de crecimiento de las raíces y de la densidad del lecho de las raíces. Por ejemplo, se pueden utilizar gotitas más pequeñas para lechos densos y plantas más viejas, y tamaños de gotitas más grandes para lechos menos densos y plantas más jóvenes.
El método hidropónico menos preferido puede comprender el ajuste de la altura del soporte para plantas en la bandeja del lecho de cultivo, para reducir la distancia entre el soporte y la base del lecho de cultivo de la bandeja del lecho de cultivo. Normalmente, sin embargo, la bandeja del lecho de cultivo se llenaría con solución nutritiva para que las raíces de las plantas queden sumergidas en la solución nutritiva, cuando esté presente. La solución nutritiva puede bombearse desde el depósito a la bandeja/lecho de cultivo de modo que el lecho esté lleno, momento en el que el nivel de agua se mantiene en el nivel óptimo para el crecimiento hidropónico de las plantas.
El aparato de la invención es particularmente ventajoso porque permite al usuario ejercer un mayor control sobre la atomización de las gotitas generando una distribución predecible del tamaño de las gotitas, con una dispersión característica del aerosol. La presente invención permite el control del tamaño de las gotitas con uno o una pluralidad de transductores ultrasónicos ajustando y controlando la frecuencia de activación. Además, el control del caudal (velocidad) y la dispersión (velocidad) de las gotitas es posible manipulando el circuito de accionamiento del transductor. Esto se controla por el voltaje/corriente de activación. Por lo tanto, generalmente, dicho control puede lograrse teniendo uno o más transductores ultrasónicos en el soporte. Las características del disco piezoeléctrico de los transductores individuales se utilizan para seleccionar los transductores que, cuando se activan, generan gotitas de un tamaño y/o velocidad adecuados. Los transductores pueden disponerse de tal manera que una sección predeterminada de la columna de agua dentro del lecho de cultivo se excite hasta el punto de atomización en forma de gotitas. Los transductores están montados en un soporte que puede conducir las vibraciones generadas dentro del nebulizador a través de la base del lecho de cultivo con una disipación mínima de energía. Preferiblemente, el soporte también proporciona una carcasa protectora, compresión de los materiales piezoeléctricos (especialmente compresión uniforme), material que actúa como disipador de calor y un soporte estructural para mantener los transductores en su lugar.
El aparato permite la generación de gotitas de solución nutritiva, de tamaño y comportamiento controlados, mediante atomización ultrasónica activando los transductores ultrasónicos con un tamaño de gotita predeterminado.
La solución nutritiva puede prepararse utilizando nutrientes adecuados disueltos en agua o puede ser una solución nutritiva derivada de otros procesos, por ejemplo la piscicultura, en particular la acuaponía. Una combinación de acuaponía y aeroponía/hidroponía de la presente invención podría ser ventajosa.
Los cultivos que pueden ser adecuados para el aparato y el método de la presente invención incluyen (pero no se limitan a) cultivos para ensaladas (por ejemplo, brotes de lechuga, rúcula, berros), hierbas (por ejemplo, albahaca, cilantro), cebolletas, hortalizas de raíz (por ejemplo, zanahorias, rábano, wasabi), cultivos frutales (por ejemplo, pimientos, fresas, tomates) y microverduras (por ejemplo, rábano, guisante, girasol, puerro).
Ejemplos
Ejemplos 1 a 8
Se cultivaron varias plantas de cultivo en ensayos utilizando el aparato aeropónico según la invención, como se ilustra en la Figura 7, durante un máximo de 19 días.
Las condiciones para los ensayos se exponen en la Tabla 1 junto con los resultados de la tasa de crecimiento y el rendimiento utilizando el aparato aeropónico de la invención. Los cultivos fueron cilantro, hinojo, puerro, guisante (Style), rábano (Rioja), rábano (Sangría), col lombarda y girasol.
Tabla 1. Ejemplos bajo las condiciones aeropónicas según la invención
Figure imgf000010_0001

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Aparato aeropónico con sistema de lecho de cultivo modular accionado por ultrasonidos para operación comercial, comprendiendo el aparato aeropónico,
un lecho de cultivo que comprende una bandeja de lecho de cultivo (102) o una pluralidad de bandejas de lecho de cultivo,
estando adaptada cada bandeja de lecho de cultivo (102) para sostener un soporte para plantas en una posición espaciada de la base (122) de la bandeja de lecho de cultivo,
teniendo cada bandeja de lecho de cultivo (102) tiene una base y al menos dos paredes laterales, y caracterizado por una pluralidad de transductores ultrasónicos (129) montados debajo de la base (122) de la bandeja del lecho de cultivo o bandejas del lecho de cultivo utilizando una parte de fijación o porciones de fijación para fijar los transductores ultrasónicos (129) en posición.
2. Aparato aeropónico como el reivindicado en la reivindicación 1, en el que el transductor ultrasónico (129) o los transductores ultrasónicos se mantiene(n) en un soporte de modo que el (los) transductor(es) ultrasónico(s) esté(n) en contacto con, y preferiblemente comprimido(s) contra, la base (122) de la bandeja del lecho de cultivo.
3. Aparato aeropónico como el reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además uno o más protectores de nebulizador para proteger el o cada transductor ultrasónico, en uso.
4. Aparato aeropónico como el reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la o cada bandeja de lecho de cultivo comprende de 2 a 48 transductores ultrasónicos (129), preferiblemente de 4 a 36 transductores ultrasónicos, más preferiblemente de 6 a 24 transductores ultrasónicos.
5. Aparato aeropónico como el reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que cada transductor ultrasónico (129) puede controlarse independientemente.
6. Aparato aeropónico como el reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el o cada transductor ultrasónico (129) es un transductor piezoeléctrico.
7. Aparato aeropónico según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el o cada transductor ultrasónico (129) tiene una frecuencia resonante, preferiblemente en el rango de kilohercios o megahercios, y más preferiblemente en el rango de 200 kHz a 100 MHz.
8. Aparato aeropónico como el reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además al menos un puerto de líquido (238), opcionalmente, en el que el puerto de líquido comprende una entrada de líquido para permitir que la solución nutritiva (236) fluya hacia la base de la bandeja del lecho de cultivo.
9. Aparato aeropónico como el reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además una o más fijaciones de sensores para fijar sensores en la bandeja del lecho de cultivo, que opcionalmente comprende además uno o más sensores seleccionados entre sensores de humedad, luz, pH, temperatura, dióxido de carbono, oxígeno, infrarrojos, ultrasónicos fijados a las fijaciones del sensor.
10. Aparato aeropónico como el reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende al menos un soporte para plantas, y una solución nutritiva (236).
11. Aparato aeropónico como el reivindicado en la reivindicación 9, que comprende además cultivos en el soporte para plantas, estando las raíces de los cultivos, en uso, ubicadas en el espacio para raíces entre el soporte para plantas y la base (122) de la bandeja del lecho de cultivo.
12. Un método para la producción de cultivos, comprendiendo el método,
a) proporcionar un aparato aeropónico como el reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, b) proporcionar un soporte para plantas en la posición espaciada de la base de la bandeja del lecho de cultivo, c) proporcionar cultivos en el soporte para plantas, y
c) o bien:
i) hacer fluir la solución nutritiva hacia la base de la bandeja del lecho de cultivo para que entre en contacto por inmersión al menos con las raíces de los cultivos, y/o
ii) proporcionar la solución nutritiva en la base de la bandeja del lecho de cultivo y nebulizar la solución nutritiva de modo que la solución nutritiva nebulizada en aerosol entre en contacto con al menos las raíces de los cultivos, opcionalmente en el espacio para raíces.
13. Un método como el reivindicado en la reivindicación 12, en el que nebulizar la solución nutritiva comprende nebulizar la solución nutritiva para proporcionar una distribución controlada del tamaño de las gotitas, opcionalmente en el que la distribución del tamaño de las gotitas comprende gotitas que tienen un diámetro en el rango de 1 a 100 μm.
14. Un método como el reivindicado en las reivindicaciones 12 o 13, que comprende además proporcionar un sensor de densidad de raíces, determinar la densidad del lecho de raíces y nebulizar la solución nutritiva para proporcionar una distribución controlada del tamaño de las gotitas correspondiente a la distribución óptima predeterminada del tamaño de las gotitas para la densidad del lecho para raíces.
15. Método según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, en el que la solución nutritiva comprende un subproducto de la acuicultura.
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