12.5 Acuapónica Vertical

12.5.1 Introducción

Si bien la acuapónica puede ser vista como parte de una solución global para aumentar la producción de alimentos de formas más sostenibles y productivas y donde el cultivo de más alimentos en las zonas urbanas es ahora reconocido como parte de la solución a la seguridad alimentaria y una crisis alimentaria mundial (Konig et al. 2016), los sistemas acuapónicos pueden convertirse ellos mismos en más productivo y sostenible mediante la adopción de tecnologías alternativas de crecimiento y el aprendizaje de tecnologías emergentes como la agricultura vertical y las paredes vivas (Khandaker y Kotzen 2018). Además, al ser eficientes en el espacio, pueden integrarse mejor en las zonas urbanas.

En el mundo desarrollado la mayoría de los sistemas acuapónicos se colocan en invernaderos para controlar la temperatura; en el norte de Europa y América del Norte, por ejemplo, las temperaturas invernales son demasiado frías en invierno y en zonas mediterráneas como España, Italia, Portugal, Grecia e Israel, las temperaturas de verano son demasiado cálidas. Por supuesto, hay muchas ventajas adicionales en el cultivo de alimentos en invernaderos controlados, tales como la capacidad de regular la humedad relativa y controlar el movimiento del aire, para poner en cuarentena peces, así como plantas de enfermedades y plagas y potencialmente ser capaz de añadir COSub2/sub, para ayudar al crecimiento de las plantas. Sin embargo, el cultivo de productos en un invernadero puede aumentar fácilmente los costos a través de (a) los costos de capital del invernadero (una estimación amplia de US$350/msup2/sup Arnold 2017) y (b) la infraestructura asociada, como los controles del microclima, que incluyen sistemas de calefacción y refrigeración e iluminación. Además de los costes iniciales de infraestructura, también están los costes específicos de producción de invernadero, que incluyen el suministro de energía/energía para calefacción y refrigeración, así como la iluminación.

La mayoría de los sistemas acuapónicos, como el sistema de la Universidad de las Islas Vírgenes (UVI) (Fig. 12.1), diseñado por el Dr. James Rakocy y sus colegas, utilizan tanques de cultivo horizontales o camas, emulando patrones tradicionales de cultivo en tierra para producir verduras (Khandaker y Kotzen 2018). En otras palabras, el sistema se basa en hilas/conjuntos horizontales de plantas generalmente elevados a alrededor del nivel de la cintura, de modo que las tareas de gestión relacionadas con las plantas puedan llevarse a cabo fácilmente. Los desarrollos paralelos en las tecnologías agrícolas verticales y de muros vivos han surgido casi al mismo tiempo que la acuapónica ha evolucionado y se encuentran de manera similar en la etapa de desarrollo de los adolescentes. Del mismo modo que en la acuapónica, a medida que más personas se involucran, se produce un aumento concomitante en los sistemas y el desarrollo tecnológico para aumentar la productividad y reducir los costos. El acoplamiento de los sistemas verticales de cultivo (sistemas agrícolas verticales y muros de vida) en lugar de los lechos horizontales a los tanques de pescado y filtración es potencialmente una forma clave de aumentar la productividad, ya que debería ser posible aumentar el número de hortalizas cultivadas en comparación con el número producido en los acuapónica de cama horizontal. Los sistemas acuapónicos UVI (Fig. 12.2) producen aproximadamente 32 plantas por metro cuadrado (Al-Hafedh et al. 2008), dependiendo de la especie y el cultivar que se cultiva, pero como señalan Khandaker y Kotzen (2018), aproximadamente 96 plantas pueden cultivarse por metro cuadrado «utilizando elementos consecutivos de la Terapia Urbana [1] Sistema LW que es más de tres veces la densidad

Fig. 12.2 Diagrama esquemático de un sistema típico de UVI que ilustra la relación entre tanques de peces/filtros/tanques de cultivo de plantas que es 2:1:5. Esto muestra que la mayor área está subsumida por las plantas y es en esta área donde se puede considerar el ahorro de espacio. (Khandaker y Kotzen 2018)

comparado con el sistema de crecimiento horizontal de los UVI». Una estimación conservadora debería duplicar al menos la cantidad máxima cultivada en lechos horizontales a 64 plantas/msup2/sup. En un experimento con lechuga (Lactuca sativa L. cv. Touliatos et al. (2016) sugieren que el «Sistema Agrícola Vertical (VFS) presenta una alternativa atractiva a los sistemas horizontales de crecimiento hidropónico horizontal (y) que podrían lograrse aumentos adicionales en el rendimiento incorporando iluminación artificial en el VFS.

**Sistemas agrícolas verticales (VFS) **

Antes de discutir los requisitos específicos para los sistemas verticales, tenemos que discutir los tipos de sistemas disponibles. En VFS hay tres tipos genéricos principales (Fig. 12.3):

1. Camas horizontales apiladas: En lugar de tener una sola cama de crecimiento horizontal, las camas se apilan como estantes en niveles. Esta disposición significa que en un invernadero, solo la cama superior se enfrentará a la luz natural directa y debe proporcionarse luz suplementaria a todos los niveles. Esto generalmente se proporciona directamente debajo de la cama de cultivo arriba. En principio, esto podría significar que las camas de cultivo podrían apilarse tan altas como lo permita el invernadero, pero, por supuesto, cultivar cosas en altura significa una mayor dificultad en la gestión del sistema, incluyendo la siembra, el mantenimiento y la cosecha, requiriendo elevadores de tijeras y energía adicional para bombear agua rica en nutrientes a todos los niveles. Según Bright Agrotech (Storey 2015), hasta cuatro niveles es rentable y cualquier cosa por encima de eso no es rentable. Storey (2015) señala además que la mano de obra aumenta un 25% en los niveles segundo, tercero y cuarto cuando se requiere un levantamiento de tijeras (Fig. 12.3, Ilustración A).

Fig. 12.3 Sistemas agrícolas verticales y sus disposiciones de iluminación

2. Sistemas de torre vertical (VTS): Los sistemas de torre vertical comprenden sistemas que cultivan plantas en matrices verticales dentro de un contenedor o una serie de módulos apilados. Dependiendo del sistema, las plantas se cultivan frente a una dirección o si, por ejemplo, se plantan en forma de tubo, entonces se pueden organizar hacia cualquier dirección. Un ejemplo de un sistema de matriz vertical, donde las plantas se cultivan mirando en una sola dirección es el ZipGrowsPTM/Sup que se cuelgan o soportan en filas (Fig. 12.3, Ilustración B1). Las filas entre ellas son de aproximadamente 0,5 metros (20 pulgadas). El crecimiento de una manera más tridimensional ocurre con sistemas apilados o en sistemas tubulares que permiten cultivar más plantas, pero la iluminación es más compleja (Fig. 12.3, Ilustración B2).

3. Niveles escalonados: estos sistemas contienen canales de plantas rígidos o móviles. El SkyGreens VFS en Singapur utiliza un sistema de canal giratorio que mueve los canales hacia arriba y hacia la luz. La luz natural adicional es más significativa hacia la parte superior y menos hacia la parte inferior (Fig. 12.3, Ilustración C1). Otros sistemas de niveles se escalonan para que cada nivel tenga una interfaz sin obstáculos con la luz de arriba, ya sea luz natural del techo del invernadero o luz artificial. Pero estos sistemas tienen que ser bastante bajos para que la gente pueda llegar a las plantas (Fig. 12.3, Ilustración C2).

Paredes vivientes

Las paredes vivas todavía no se han utilizado en acuapónica, excepto en una serie de sistemas de ensayo, como en la Universidad de Greenwich, Londres (Khandaker y Kotzen 2018). Mientras que la mayoría de los VFS utilizan la técnica de película nutritiva (NFT) canales de cultivo o bloques de lana mineral encapsulados, los LW a veces también utilizan sustratos tipo suelo en macetas o comederos, que proporcionan el medio de enraizamiento. Aunque esto está bien para el cultivo de plantas ornamentales, así como verduras y hierbas, cuando se combina con tanques de peces, cualquier adición de suelo al sistema puede complicar el carácter microbiano del sistema y ser perjudicial para los peces. Sin embargo, esto es desconocido y requiere investigación. Los experimentos realizados en la Universidad de Greenwich (Khandaker y Kotzen 2018) indican que a partir de una serie de sustratos inerte probados (incluyendo hidroleica, perlita, paja, musgo Sphagnum, lana mineral y fibra de coco), la fibra de coco y luego la lana mineral fueron superiores en términos de penetración radicular y crecimiento de raíces en lechuga (Lactuca sativa).

**Vertical v. Horizontal: Factores a considerar

Hay cuatro aspectos clave que deben tenerse en cuenta al comparar los beneficios (productividad y sostenibilidad) del crecimiento vertical, en comparación con el crecimiento horizontal. Estos son (1) espacio, (2) iluminación, (3) energía y (4) costos del ciclo de vida.

1. Espacio

Los beneficios de poder cultivar productos verticalmente, espalda con espalda, deben equilibrarse con la cantidad de espacio que se requiere para proporcionar una distribución uniforme de la iluminación, así como el espacio de fila necesario para la gestión y el mantenimiento. El ancho de una fila en sistemas hidropónicos varía. Como se ha señalado, el sistema estándar ZipGrowsPTM/Sup es de aproximadamente 0,5 metros, mientras que el ancho de fila habitual para el cultivo de tomates y pepinos hidropónico varía de 0,9 a 1,2 metros (Badgery-Parker y James 2010). El cultivo de plantas más pequeñas, como lechuga y hierbas como la albahaca, puede permitir hileras más estrechas, pero, por supuesto, el ancho de fila debe garantizar que los productos no se vean comprometidos por mover artículos como carros y elevadores de tijeras. Un problema clave con el crecimiento vertical es el conflicto que se produce entre tener filas fijas y la iluminación fija, que debe ubicarse en las filas entre las fachadas de plantación. Estas luces impedirán los movimientos de las personas y, por lo tanto, las luces deben ser (i) parte de la estructura en crecimiento o (ii) retráctiles o móviles, para que los trabajadores puedan realizar tareas fácilmente, o (iii) las estructuras de plantación son móviles y las luces permanecen estáticas.

2. _Iluminación _

La producción en invernadero de hortalizas y otras plantas se basa en disposiciones espaciales específicas que permiten la siembra, la gestión mediante el crecimiento y la cosecha. La disposición espacial dependerá de los tipos de plantas y de los tipos de mecanización que se instale. Además, el crecimiento se basa eficientemente en el suplemento de luz adicional de diferentes tipos, que tienen sus propios pros y contras. En general, lo que estas luces hacen es proporcionar longitudes de onda específicas para el crecimiento de las plantas y para la producción de frutas o flores. Mientras que es relativamente simple y más común que las plantas livianas sean cultivadas horizontalmente, es más un desafío iluminar uniformemente una superficie vertical.

En cuanto a los tipos de iluminación, muchos productores se han trasladado a o están tentados a instalar LEDs (diodos emisores de luz), debido a su larga vida útil, hasta 50.000 horas o más (Gupta 2017), sus bajos requisitos de energía y su reciente reducción de costes. Virsile et al. en Gupta (2017) señalan que la mayoría de las aplicaciones de iluminación LED en invernaderos eligen las combinaciones de longitudes de onda rojas y azules con alta eficiencia de fotones, pero que la luz verde y blanca que contiene cantidades sustanciales de longitudes de onda verdes tiene un impacto fisiológico positivo en las plantas. Sin embargo, la combinación de luces azules y rojas crea una imagen gris púrpura, lo que dificulta la evaluación visual de la salud vegetal. El tipo de longitudes de onda elegidas es complejo y puede tener beneficios en diferentes etapas de la vida de la planta e incluso de acuerdo con los cultivares de, por ejemplo, lechuga. Las lechugas de hoja roja, por ejemplo, responden a la iluminación LED azul, aumentando su pigmentación (Virsile et al. en Gupta 2017). Además, la iluminación LED azul puede mejorar la calidad nutricional de las verduras verdes, reduciendo el contenido de nitrato, aumentando los antioxidantes y fenólicos y otros compuestos beneficiosos. Los espectros ligeros también afectan el sabor, la forma y la textura (Virsile et al. en Gupta 2017). Los costos de los LEDs han disminuido significativamente y a medida que la eficacia de los LEDs ha aumentado, el tiempo de retorno de la inversión ha disminuido (Bugbee en Gupta 2017).

Por supuesto, existe otra iluminación y esto incluye iluminación fluorescente, iluminación de halogenuros metálicos (MH) e iluminación de sodio de alta presión (HPS). El tipo de iluminación que se utiliza en la agricultura vertical y con paredes vivas varía considerablemente según la escala y la ubicación. Las lámparas fluorescentes compactas (CFL) son relativamente delgadas y pueden caber fácilmente en espacios pequeños, pero requieren un lastre inductivo para regular la corriente a través de los tubos. Los CFL utilizan sólo del 20 al 30% de una bombilla incandescente y duran de seis a ocho veces más, pero son casi un 50% menos eficientes que los LED. Son, con mucho, el más barato de los tres tipos principales de luces de cultivo. La tecnología de luz HPS grow tiene más de 75 años y está bien establecida para cultivar bajo vidrio, pero producen mucho calor y por lo tanto no son aptas para la agricultura vertical y las paredes vivas, donde la luz necesita ser entregada bastante cerca de las plantas. El calor producido por las luces LED de crecimiento, por otro lado, es mínimo. Sin embargo, el costo es más alto que otros dos tipos, y la protección ocular es necesaria para la exposición a más largo plazo a los LED, ya que la exposición a largo plazo a los espectros de luz puede ser perjudicial para los ojos. La disposición de las unidades VFS dictará la disposición de iluminación, pero en general estas están iluminadas por LEDs. El método de iluminación de paredes vivas dependerá de la altura de la pared. Cuanto más alta sea la pared, más difícil es aplicar una dispersión uniforme a través de la superficie, aunque hay que señalar que el número de luces utilizadas no debe ser diferente de las utilizadas en camas de cultivo horizontales y, si la pared es alta, es posible que las luces deban ser escalonadas. Como la mayoría de las paredes vivas están ubicadas con fines estéticos, la iluminación debe mantenerse en la medida de lo posible, fuera del camino y la iluminación no sólo debe proporcionar luz adecuada para el crecimiento y la salud de las plantas, sino también para que las plantas se vean bien (Fig. 12.4).

Fig. 12.4 Una pared viva de 4 metros de altura y 5 metros de largo puede iluminarse adecuadamente con seis lámparas de descarga de alta eficiencia. Tenga en cuenta que estos fueron elegidos no sólo para proporcionar luz adecuada para el crecimiento, sino también para que las plantas en la pared viva se vean bien. (Universidad de Greenwich Living Wall. Fuente: Benz Kotzen)

Los avances en la tecnología LED, donde las frecuencias de iluminación y la intensidad pueden ser diseñados para adaptarse a especies y cultivares individuales, así como sus diversos ciclos de vida, significan que los LEDs se convertirán en la tecnología de elección en un futuro próximo. Además, esto se verá reforzado por la reducción de los costos.

3. Energía

Es probable que se requiera más energía para la iluminación tanto para VFS como para LW, ya que incluso la iluminación natural no se puede lograr sobre superficies verticales. Además, se requerirá más potencia de bombeo para el riego y esto será relativo a la altura de los VFS o LW.

4. _Análisis comparativo del ciclo de vida (ACV) _

Aunque hay numerosos estudios realizados sobre el análisis del ciclo de vida de la acuapónica y diversos aspectos de los sistemas acuapónicos, no hay estudios comparativos que comparen la acuapónica vertical frente a la horizontal. Esto aún no se ha hecho. Estamos llegando a un punto en el que es probable que la acuapónica vertical justifique más pruebas e investigaciones y, con el tiempo, la acuapónica vertical, que combina sistemas agrícolas verticales o sistemas de pared viva con los tanques de peces y las unidades de filtración, es probable que se vuelva más corriente, siempre y cuando estos puedan ser rentables y sostenible.