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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CENTRO DE EDUCACIÓN CONTINUA UNIDAD ALLENDE TESINA DISEÑO DE UN INVERNADERO AUTOMATIZADO CON CULTIVO HIDROPÓNICO VERTICAL DE LECHUGAS EN EL ROSARIO, CUAUTITLÁN, ESTADO DE MÉXICO QUE PRESENTAN PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO MECÁNICO: BUENDÍA MUCIÑO ROGELIO ARMANDO CEDILLO MENDIETA ARIEL VEGA GUTIÉRREZ GABRIEL INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA: CRUZ RAMÍREZ RODOLFO AGUSTÍN INGENIERO CIVIL ROJAS GUERRERO GRISSEL ABRIL MÉXICO, D.F., 05 DE SEPTIEMBRE DE 2012 1 IPN ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACÁN TESINA NOMBRE DEL SEMINARIO: ADMINISTRACIÓN DE PROYECTOS NUMERO DE REGISTRO: DES/ESIME-CUL/5062005/35/12 SEDE: CEC/ALLENDE QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO MECÁNICO: BUENDÍA MUCIÑO ROGELIO ARMANDO CEDILLO MENDIETA ARIEL VEGA GUTIÉRREZ GABRIEL INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA: CRUZ RAMÍREZ RODOLFO AGUSTÍN INGENIERO CIVIL ROJAS GUERRERO GRISSEL ABRIL TEMA “DISEÑO DE UN INVERNADERO AUTOMATIZADO CON CULTIVO HIDROPÓNICO VERTICAL DE LECHUGAS EN EL ROSARIO, CUAUTITLÁN, ESTADO DE MÉXICO” INTRODUCCIÓN ESTA TESINA CONTIENE EL DISEÑO DE UN INVERNADERO TIPO ARCO QUE UTILIZA GEOTEXTILES COMO CUBIERTA Y UN SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA PARA LA PRODUCCIÓN DE LECHUGAS POR EL MÉTODO HIDROPÓNICO DE PELÍCULA DE NUTRIENTES EN UN SISTEMA DE PLANTACIÓN VERTICAL EN SERPENTINES DE PVC. CAPITULADO CARTA CONSTITUTIVA 1. MARCO DE REFERENCIA 2. ESTUDIO DE MERCADO 3. PLANEACIÓN DEL PROYECTO 4. EJECUCIÓN Y CONTROL DEL PROYECTO 5. EVALUACIÓN DE RESULTADOS México D.F. 5 DE SEPTIEMBRE DE 2012 M. EN C. EDNA CARLA VASCO MÉNDEZ L.A.E. ELENA PÉREZ SOLÍS COORDINADORA DEL SEMINARIO ASESOR ING. JOSÉ MIGUEL GARCÍA SÁNCHEZ JEFE DE LA CARRERA DE I.M. Agradecimientos A Dios Por siempre estar conmigo, por darme la sabiduría y fuerza para enfrentar todas las pruebas que hasta hoy haz puesto en mi vida y lograr superarlas. A mis Padres: Agripina y Rogelio Por inculcarme las cosas más Importantes para afrontar la vida: Paciencia, persistencia, jamás te rindas, ayuda a tu semejante, vive dignamente y se feliz A mis Suegros: Noemí y Heladio Por haber traído al mundo a la mujer que amo Por recibirme en su familia como a un hijo Y por tener siempre hacia mí una palabra de apoyo A mi esposa: Myriam Por permitirme entrar en tu vida, llenarme de amor, Apoyarme siempre en todo y nunca, nunca pedir nada a cambio., Te amo.... En especial a mi hijo: Zarek Por llegar y revolucionar mi vida, hacerme tomar la decisión de Cerrar ciclos y enseñarme que siempre hay algo nuevo que descubrir Y que tú eres lo más maravilloso que me ha pasado en la vida., Te amo… Con Cariño y respeto Rogelio Armando Buendía Muciño Agradecimientos. A mis padres: A quienes me han heredado el tesoro más valioso que puede dársele a un hijo: AMOR. A quienes sin escatimar esfuerzo alguno, han sacrificado gran parte de su vida para formarme y educarme. A quienes la ilusión de su vida ha sido convertirme en persona de provecho. A quienes nunca podre pagar todos sus desvelos, ni aún con las riquezas más grandes del mundo. A dios y a ustedes…GRACIAS. Hermano: Porque inconscientemente estas cuando te necesito, por estar conmigo en las buenas y malas y por apoyarme siempre y en todo. Tú sabes que siempre estaré ahí para escucharte. Familia Cedillo Mendieta: No digo nombres porque me llevaría toda una cuartilla mencionarlos solo les puedo decir que es un privilegio contar con todos y cada uno de ustedes: Patos, tíos, tías gracias porque siempre me brindaron su apoyo, consejos y en los momentos más difíciles me alentaron a seguir adelante, agradezco el amor y respeto que me han inculcado sin lugar a duda ustedes son mis mejores maestros ya que me han enseñado a vivir, a ubicar mis objetivos y a valorar lo esencial de la vida. Primos y primas mil gracias por compartir tristezas, alegrías, éxitos, fracasos y un sinfín de aventuras que estaría dispuesto a repetir, gracias por la paciencia, el cariño y la confianza que me han transmitido día con día a lo largo de mi existencia, con tan solo haber creído en mi. Los quiero. Chaps: Porque me enseñaste a ver la vida de otra manera, por ser un ejemplo de superación, porque siempre creíste en mi, por el apoyo y amor brindado, por ser mi aliciente y motivo de lo que quiero para vivir. Te amo A mis compas de ESIME CULHUACAN, ustedes saben quiénes son, gracias por hacer más amena la estancia en mi alma mater, pero sobre todo gracias por su amistad. A mis amigos colegas que me acompañaron en esta aventura y quienes hicieron posible la realización de este trabajo: Gabriel Vega, Florencia Mackenzie, Rodolfo Cruz, Abril Rojas y Rogelio Buendía, gracias por su empeño, esfuerzo y dedicación. Ariel Cedillo Mendieta Agradecimientos Mi profundo agradecimiento a Dios por llenarme de bendiciones y guiarme en este hermoso camino que es la vida A mis padres Irma Ramírez y Agustín Cruz por su incondicional e inmensurable apoyo, por sus enormes esfuerzos, dedicación y enseñanzas. Por haber afrontado aguerridamente los enormes obstáculos de vida y que a pesar de los tropiezos y adversidades, lograron superarlos con el objetivo de brindarnos sus más valiosos e invaluables tesoros: el amor, los valores y la educación. A mi amada esposa Verónica, quien me ha brindado incondicionalmente todo su amor, apoyo, comprensión y sobre todo su paciencia. Por su inmensa fe, tenacidad y valentía que nos ha hecho ver y comprobar que siempre existe esa luz de esperanza al final del túnel. A mis hijos Adrián, Oscar y Andrea, que significan todo para mí y que han sido el resultado de un gran amor. A mis hermanos Héctor, Moni y Lupita, por su paciencia y apoyo incondicional en todo momento. A mi abuelo Rodolfo Brena, mis tíos Joaquín, Santiago, Luvi, Martha, Yolanda, Jaime, Aarón, Armando, Valentín y a mi primo-hermano Julián, quienes siempre me han mostrado su gran aprecio, cariño y respaldo. A Flor, Abril, Gabo, Ariel y Roger por todo su tiempo y sobre todo su valiosa e invaluable colaboración durante todo este hermoso proyecto. A nuestros profesores y asesores de Tesis. A Fernando, Cesar y Arturo por su amistad. Rodolfo A. Cruz Ramírez Agradecimientos A Dios Por no abandonarme nunca, especialmente en mis momentos más difíciles. Por haberme iluminado, guiado y permitido encontrar dentro de mí las agallas de valerme por mi misma. A mi madre Conchita, Por todo su amor, dedicación y apoyo incondicional para sus hijos. Por enseñarme cada minuto a amar, valorar y disfrutar con alegría la vida sin importar las adversidades. Por ser la luz que desde el cielo me guía. Gracias por ser una Maestra de vida, una gran profesional, una mujer extraordinaria y una de mis mejores amigas. Porque todo lo que fui, lo que soy y lo que seré te lo debo a ti. A Beto, Por ser parte de mi vida, por existir y por ser mí hermano. A mis abuelos, Soco y Flor Por todo el amor que de sus almas emana para mí, Por alentarme a seguir adelante encomendándome a Dios en sus oraciones para que mi ánimo no decayera y tuviera el valor de seguir adelante. Gracias por ser mis ángeles guardianes. A mis tíos, Por sus sabios consejos, ya que gracias a ustedes no solo he logrado ver mis defectos y virtudes sino también he comprendido la obligación imperiosa de ser una mejor persona en todos los aspectos que ello implica. A mis primos, Gracias por los momentos que hemos pasado juntos y porque han estado conmigo siempre, aunque sea solo paradar lata y molestar. A Gabo, Rodo, Ariel, Roger y Abril, Gracias por su dedicación, su tiempo y su capacidad para concretar este proyecto pero sobre todo por su gran calidad humana. Siempre los llevaré en mis recuerdos. Y por último a todas aquellas personas que de una forma u otra me motivaron a luchar siempre con más energía. Con todo mi cariño, su humilde servidora Florencia V. Mackenzie C. Agradecimientos A mi Madre, Tú eres la razón por la que soy Grissel Abril A Edith, Luisa, Omar, Valentín y amigos, Gracias por todo su apoyo y entendimiento Gabriel Vega Gutiérrez ÍNDICE RESUMEN ..................................................................................................................... 4 CARTA CONSTITUTIVA................................................................................................ 5 CAPÍTULO 1 MARCO DE REFERENCIA .................................................................... 11 1.1 Cultivo de riego .................................................................................................. 12 1.2 Cultivo de lechuga .............................................................................................. 12 1.2.1. Siembra .......................................................................................................... 12 1.2.2. Preparación de suelo ...................................................................................... 14 1.2.3. Plagas y enfermedades .................................................................................. 14 1.2.4. Variedades de lechuga ................................................................................... 15 1.2.5. Taxonomía ...................................................................................................... 15 1.2.6. Requerimientos climáticos .............................................................................. 16 1.2.7. Requerimientos hídricos ................................................................................. 18 1.3 Estadísticas de producción nacional .................................................................. 18 1.4 Cultivo hidropónico ............................................................................................. 20 1.4.1. Hidroponia bajo invernadero ........................................................................... 20 1.4.2. Métodos de cultivo hidropónico ....................................................................... 21 1.4.3. Ventajas y desventajas del cultivo hidropónico ............................................... 22 1.5 Invernadero ........................................................................................................ 23 1.5.1. Producción en invernadero ............................................................................. 23 1.5.2. Tipos de invernaderos .................................................................................... 24 1.6 Estructuras ......................................................................................................... 25 1.6.1. Cimentación .................................................................................................... 25 1.6.2. Características del suelo en Cuautitlán Izcalli ................................................. 26 1.6.3. Materiales estructurales .................................................................................. 27 1.6.4. Materiales de cubierta ..................................................................................... 28 1.6.5. Agro-textiles .................................................................................................... 28 1.7 Automatización de invernadero .......................................................................... 29 1.7.1. Temperatura ................................................................................................... 30 1.7.2. Control de ventilación ..................................................................................... 31 1.7.3. Campos de viento ........................................................................................... 32 1.7.4. Luz .................................................................................................................. 33 1.7.5. Control de iluminación .................................................................................... 33 1 1.7.6. Control de humedad ....................................................................................... 35 1.8 Normalización .................................................................................................... 36 1.8.1. Normas Nacionales ......................................................................................... 36 1.8.2. Norma o lineamiento internacional .................................................................. 40 1.9 Marco legal ........................................................................................................ 40 1.9.1. Legislación fiscal ............................................................................................. 40 1.9.2. Legislación laboral .......................................................................................... 40 1.9.3. Legislación de la Seguridad y Previsión Sociales............................................ 41 1.9.4. Legislación mercantil. ..................................................................................... 41 1.9.5. Legislación de propiedad intelectual ............................................................... 41 CAPÍTULO 2 ESTUDIO DE MERCADO ...................................................................... 42 2.1 Planteamiento del problema ............................................................................... 43 2.2 Determinación de hipótesis ................................................................................ 43 2.3 Determinación de los objetivos ........................................................................... 43 2.4 Determinación del universo ................................................................................ 43 2.5 Determinación de la muestra.............................................................................. 43 2.6 Estudio ............................................................................................................... 44 2.7 Materiales o instrumentos .................................................................................. 44 2.8 Procedimiento .................................................................................................... 45 2.9 Tabulación ......................................................................................................... 46 2.10 Análisis e interpretación .................................................................................. 46 2.11 Conclusiones .................................................................................................. 51 CAPÍTULO 3 PLANEACIÓN DEL PROYECTO ........................................................... 52 3.1 Definición y uso de la ruta critica ........................................................................ 53 3.1.1 Metodología .................................................................................................... 53 3.1.2 Ruta crítica en gestión de proyectos ............................................................... 53 3.1.3 Etapas de la ruta crítica .................................................................................. 53 3.2 Varianza y tiempo total del proyecto................................................................... 57 3.3 Intervalo de confianza ........................................................................................ 60 3.4 Conclusiones .....................................................................................................61 CAPÍTULO 4 EJECUCIÓN Y CONTROL DEL PROYECTO ........................................ 62 4.1 Memoria de cálculo estructural ........................................................................... 63 4.1.1 Estructura ....................................................................................................... 63 4.1.2 Cimentación .................................................................................................... 63 2 4.1.3 Criterios de diseño .......................................................................................... 63 4.1.4 Referencias de diseño .................................................................................... 64 4.1.5 Especificación de materiales ........................................................................... 65 4.1.6 Descripción estructural.................................................................................... 65 4.1.7 Tipo de análisis estructural ............................................................................. 65 4.2 Descripción de la cimentación ............................................................................ 66 4.2.1 ANÁLISIS DE CARGAS .................................................................................. 66 4.3 Selección de material para cubierta ................................................................... 69 4.3.1. Investigación ................................................................................................... 70 4.3.2. Comparativo de las características de los materiales flexibles y rígidos para la construcción de plásticos convencionales, lonas convencionales y agrotextiles con acabado tipo coating. ................................................................................................... 70 4.3.3. Valoración de las principales propiedades de cuatro de los materiales utilizados para elaboración de plásticos convencionales, lonas convencionales y agrotextiles con acabado tipo coating. ................................................................................................... 71 4.3.4. Duración de platicos convencionales normalizados para invernadero contra lonas convencionales y agrotextiles con acabado tipo coating. .................................... 71 4.3.5. Rendimiento de materiales para cubierta de invernadero. .............................. 72 4.3.6. Desempeño del producto final al intemperismo ............................................... 72 4.3.7. Diferencia entre el proceso de fabricación del plástico convencional, coating y laminado ...................................................................................................................... 73 4.3.7. Lonas convencionales y geotextil tipo coating ................................................. 73 4.3.8. Diferencia entre acabado tipo coating y laminado ........................................... 74 4.3.9. Selección de la cubierta .................................................................................. 75 4.3.10. Características generales ............................................................................ 75 4.3.11. Especificaciones técnicas ............................................................................ 76 4.3.12. Acabados especiales a incorporar ............................................................... 76 4.3.13. Consideraciones específicas ....................................................................... 77 4.4 Memoria de cálculo de sistema hidráulico .......................................................... 80 4.4.1 Descripción del sistema .................................................................................. 80 4.4.2 Criterios de diseño .......................................................................................... 80 4.4.3 Tubería de serpentín de producción ............................................................... 81 4.4.4 Motobombas de circuito hidráulico HB ............................................................ 82 4.4.5 Selección de motobombas para circuito HB .................................................... 84 4.4.6 Selección de motobomba Alimentadora .......................................................... 85 4.5 Memoria de cálculo de sistema eléctrico ............................................................ 86 3 4.5.1 Descripción del edifico .................................................................................... 86 4.5.2 Características del suministro en baja tensión ................................................ 86 4.5.3 Normalización de las tensiones ....................................................................... 87 4.5.4 Criterios de diseño .......................................................................................... 87 4.5.5. Características de la instalación de fuerza ...................................................... 87 4.5.6. Cuadro de cargas ........................................................................................... 87 4.5.7. Cálculo de conductores................................................................................... 88 4.6 Memoria de cálculo de automatización y control ................................................ 92 4.4.1. Sistema de automatización y control hidráulico ............................................... 93 4.4.2. Sistema de automatización y control ambiental .............................................. 95 4.4.3. Modo de operación del sistema de automatización ambiental. ....................... 95 4.4.4. Selección de componentes ............................................................................. 98 CAPÍTULO 5 EVALUACIÓN DE RESULTADOS ....................................................... 102 5.1 Retorno de inversión ........................................................................................ 103 5.1.1. Cálculo de retorno de inversión ..................................................................... 104 GLOSARIO ................................................................................................................ 110 BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 113 ANEXOS .................................................................................................................... 115 4 RESUMEN Para llevar a cabo el proyecto, en el primer capítulo se exponen los antecedentes de la agricultura en México, los tipos de cultivos existentes, la hortaliza específica de lechuga y la producción con invernadero; de igual forma se presenta la legislación correspondiente. En el segundo capítulo se realiza el estudio de mercado que evalúa la conveniencia de construir un invernadero automatizado con cultivo hidropónico vertical de lechugas en el municipio de Cuautitlán Izcalli, Estado de México. En el tercer capítulo se hace la planeación del proyecto utilizando la Técnica de Revisión y Evaluación de Proyectos (PERT por sus siglas en inglés); para que en el capítulo cuatro se realice la ejecución y control del proyecto a través de las memorias de cálculo. Finalmente, en el capítulo cinco que se refiere a la evaluación de resultados, se indican los costos requeridos para llevar a cabo el proyecto. ABSTRACT To carry out the project, the first chapter discusses the history of agriculture in Mexico, the existing crop types, the specific vegetable lettuce and greenhouse production, and likewise shows the relevant legislation. The second chapter provides market research evaluating whether to build an automated greenhouse for hydroponic lettuce in the municipality of Cuautitlan Izcalli, State of Mexico. The third chapter provides project planning using the Technical Review and Assessment Project (PERT for its acronym in English), so that in chapter four is made execution andproject control through the memories of calculation. Finally, chapter five refers to the evaluation of results, indicate the costs required to carry out the project. 5 Siguiendo la metodología del Project Management Institute (PMI) para la administración de proyectos, se procede a desarrollar la carta constitutiva. CARTA CONSTITUTIVA A. Proyecto Diseño de un invernadero automatizado con cultivo hidropónico vertical de lechugas en el Rosario, Cuautitlán, Estado de México. B. Líder de proyecto Se designa a Gabriel Vega Gutiérrez como líder de proyecto. La principal misión del líder es gestionar la organización del equipo, a fin de que se cumplan los requerimientos y objetivos del proyecto. También estará encargado de la comunicación directa con el cliente, en caso de requerir la opinión o el asesoramiento de éste. C. Antecedentes El campo mexicano vive una situación complicada por diversos factores desde hace décadas. Las decisiones del gobierno en política monetaria, los planes de desarrollo para el agro que no han surtido los efectos deseados o son insuficientes, la globalización, los tratados de libre comercio y la crisis son solo algunos ejemplos de las causas que afectan el desarrollo agrícola. Aunque México es un país rico en recursos naturales, hace una inadecuada explotación de ellos. Junto con ello, situaciones como el calentamiento global que ha modificado los climas de todo el mundo, produce sequías, cada vez más fuertes y frecuentes en nuestro territorio, son prueba de ello. Por otra parte, en nuestro país, más del 90% de las empresas son micro y pequeñas, y una de cada cinco de éstas pertenece a una mujer, concentrándose la mayor parte de aquellas con un 54% en el sector servicios, un 31% en Comercio, 11% en la Industria y 6 un 4% en el sector Agropecuario. Sin embargo, el nivel de ingresos de las micro y pequeñas empresas es generalmente bajo debido al desconocimiento administrativo y a la producción con bajo nivel de tecnificación o tecnologías inadecuadas. Ante esta situación de retos, las soluciones para el campo mexicano parecen obvias: • Optimizar recursos naturales, como el agua, el espacio, la tierra, energía, etc. • Utilizar medios de producción de bajo o nulo impacto al ambiente; • Avocarse a la micro y pequeña industria, pues el potencial de negocio y crecimiento para el país es prometedor • Activar el sector agropecuario con negocios de alta rentabilidad • Incrementar y seleccionar las tecnologías adecuadas para cada tipo de empresa La anterior situación, nos llevó a plantear soluciones sustentables dentro del Sector agrario: la creación de invernaderos con cultivos hidropónicos en zonas cercanas a la ciudad de México donde existan las condiciones adecuadas para la instalación de los mismos, como Cuautitlán Izcalli, pues actualmente no se tienen registros válidos del uso de estas dos tecnologías, invernadero e hidroponia, en este municipio, lo que genera una ventajas competitivas para el productor local. Los invernaderos ayudan a resolver problemas referentes a variaciones climáticas, mientras que los cultivos hidropónicos, técnica relativamente novedosa, producen alimentos con riesgos sanitarios nulos sobre el consumidor y frutos en menor tiempo; reduciendo en algunos casos el consumo de agua, además de acrecentar la producción por metro cuadrado (más del 100%). Tales bondades de ambos sistemas, invernadero e hidroponia, nos han guiado a la realización de este proyecto en beneficio de la sociedad mexicana en aspectos sociales, económicos y de salud pública. 7 D. Objetivo del proyecto Diseñar un invernadero con control automático de condiciones climáticas, sobre una superficie de 326 m2, ubicado en poblado de El Rosario, municipio de Cuautitlán Izcalli, Estado de México. E. Objetivos específicos Mostrar el cultivo hidropónico como técnica de producción recomendable de lechugas. Proponer el invernadero como forma de producción atemporal de lechugas. Proponer el invernadero automatizado como medio de producción de hortalizas para abasto de mercados locales. F. Estructura de Desglosada del Trabajo Es la subdivisión de los entregables del proyecto en componentes más pequeños y más manejables, de manera que las actividades de trabajo pueden estimarse y gestionarse más confiablemente. En la Figura 1 de la página 16 se muestra la subdivisión de los entregables del proyecto y los trabajos componentes más pequeños. G. Identificación de interesados (Stakeholders) Se debe identificar a todas las personas u organizaciones que recibirán el impacto del proyecto. Es importante documentar información relevante relativa a sus intereses, participación e impacto en el éxito del proyecto. Se consideran como interesados de este proyecto a las siguientes personas: Equipo de diseño • C. Ariel Cedillo Mendieta • C. Florencia Victoria Mackenzie Camacho • C. Gabriel Vega Gutiérrez • C. Grissel Abril Rojas Guerrero 8 • C. Rodolfo Agustín Cruz Ramírez • C. Rogelio Armando Buendía Muciño Asesores de proyecto • M. en C. Edna Vasco Méndez • M. en A. José Luis Anguiano Cadenas • L.A.E. Elena Pérez Solís • Dr. Amparo Bañuelos Duran Personal externo • Comunidad de El Rosario, Estado de México • Productores locales • Mercados y recauderías locales H. Supuestos Se consideran costos actuales de materiales con una vigencia de 15 días a partir de la fecha de entrega de entrega de planos Diseñado exclusivamente para agricultores El presupuesto total considera solamente el diseño del invernadero Los presupuestos y costos solo aplican al tipo de diseño y materiales seleccionados Los sistemas hidráulico, eléctrico y de automatización corresponden a una instalación con sistema de película de nutrientes (NTF, por sus siglas en inglés) para lechuga El sistema de producción o serpentín de producción está diseñado para la plantación de lechuga, exclusivamente Los procesos productivos del invernadero son responsabilidad del cliente El cumplimiento de normas sanitarias de producción, manejo y comercialización de productos agrícolas es responsabilidad del cliente La realización de la obra civil está condicionada a la aprobación del proyecto. 9 Se garantiza la buena calidad de los materiales en los términos establecidos por cada fabricante. Los materiales de cubiertas, con acabados especiales, están garantizados por un periodo de 10 años al intemperismo, siempre y cuando estos se adquieran basados en las especificaciones declaradas en las memorias de cálculo. Se debe de garantizar los tiempos de entrega con fechas establecidas Figura 1 Estructura desglosada de trabajo en actividades y subactividades entregables del proyecto I. Exclusiones El proyecto no considera las siguientes actividades: Cultivar otro tipo de hortaliza diferente a lechuga Solicitud a cambios de diseño que afecten los costos INVERNADERO AUTOMATIZADO CON CULTIVO HIDROPÓNICO VERTICAL DE LECHUGAS MARCO REFERENCIAL MARCO LEGAL ENTORNO REQUERIDO (CLIMAS) ESTADISTICAS DE PRODUCCIÓN NACIONAL TIPOS MEMORIAS TECNICAS INFRAESTRUCTURA NORMATIVIDAD CIMENTACION ESTRUCTURA GEOTEXTILES HIDRAULICA CALCULO DE CAUDAL CALCULO Y SELECCION DE SERPENTIN CALCULO Y SELECCION DE BOMBA ELECTRICA CONTROL Y POTENCIA DISPOSITIVOS ELECTRONICOS AHORRO DE ENERGIA CONTROL Y AUTOMATIZACION SENSORES INFORMES FINANCIEROS PRESUPUESTO DE OBRA ANALISIS DE COSTOS 10 Variaciones en las dimensiones del invernadero que ocasionen cambios de diseño El diseño solo aplica para la zona de Cuautitlán, debido a las condiciones particulares climáticas de temperatura, viento y humedad No se proveerán procesos productivos, métodos de siembra o programa de cultivos. El diseño del invernadero queda excluido del cumplimiento de normas sanitarias de producción, manejo y comercialización de productos agrícolas. Cálculos de recuperación de inversión Costos derivados de variaciones monetarias, inflación, crisis, movimientos políticos, etc. En caso de haberlos, se procederá a un cálculo nuevo. Selección de los materiales e insumos agrícolas necesarios para la producción de la hortaliza (semillas, soluciones nutritivas) Tramitación de permisos de construcción mientras no se apruebe el proyecto J. Justificación Los productores de hortalizas, como la lechuga, a menudo se enfrentan a numerosas adversidades como son los gastos del sistema tradicional de riego, el uso de pesticidas para combatir enfermedades y plagas, la merma en la producción debida a condiciones climáticas, el gasto elevado en fertilizantes y agua, la falta de espacio para satisfacer las necesidades de su mercado y la estacionalidad en el cultivo; lo que deriva en disminución de sus ingresos y reduce la oportunidad para la competencia en el mercado. Para solventar esta problemática, la conjunción de las técnicas de los cultivos hidropónicos - que garantizan beneficios económicos y rentabilidad al productor que las lechugas producidas bajo este esquema - utilizadas dentro de un invernadero que optimice la producción mientras se mantienen controlados todos los parámetros correspondientes, generará beneficios ambientales, como la disminución de uso de agua y el cuidado a la degradación de suelos, así como también sociales al ser generador de fuentes de empleo. Por lo anterior, el desarrollo de este proyecto evalúa la conveniencia, tanto para el productor como para el consumidor, de construir un invernadero automatizado con cultivo hidropónico vertical de lechugas. 11 CAPÍTULO 1 MARCO DE REFERENCIA CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 12 1.1 Cultivo de riego El riego para lechuga puede ser por aspersión o surcos [1]. Es de manera frecuente y con poca cantidad de agua, procurando que el suelo quede aparentemente seco en la parte superficial, para evitar podredumbres del cuello y de la vegetación que toma contacto con el suelo [2]. Se recomienda el riego por aspersión en los primeros días post-trasplante, para conseguir que las plantas se desarrollen bien [3]. 1.2 Cultivo de lechuga Aunque se trata de un cultivo de relativa facilidad, requiere un cierto grado de precisión si se quiere obtener una cosecha uniforme que pueda ser recolectada de una sola vez. 1.2.1. Siembra En los ambientes tropicales y en climas moderados, la lechuga puede sembrarse durante todo el año, siempre que se pueda tener un adecuado manejo de la humedad del suelo para el drenaje de los excesos de agua o el suministro de riego. Las regiones frías o muy calientes obligan a la planificación de los cultivos en campo abierto, de manera que ciertas fases del desarrollo de la lechuga coincidan con el aspecto climático más favorable a alguna de las fases de crecimiento. [4] En ambientes protegidos, prácticamente no existen restricciones para el cultivo en toda la época del año y las siembras obedecen más a la demanda de los mercados y a los ciclos de reproducción, según los tipos de cultivo [5]. Las lechugas se producen a partir de plántulas obtenidas en 1) almácigos en tierra o contenedores diversos. Una plántula de lechuga está lista para el 2) trasplante en un periodo variado entre 20 y 25 días formando cuatro a seis hojas, con una altura de 4 a 6 centímetros y abundante desarrollo radicular [6]. El trasplante se ejecuta en camas de siembra en arreglos muy variados [7]. CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 13 Cuando el suelo está acondicionado y trazado, se procede al trasplante de las camas hacia el suelo, continuando con el 3) plan de riego intensivo de periodos cortos y laminas superficiales de 3 a 4 veces al día. Una semana antes de cosechar, se disminuye el riego hasta la supresión total dos a tres días antes de la cosecha [8]. La densidad de plantación depende del tamaño de la hortaliza. Aumentar la densidad de aumenta la producción por metro cuadrado, pero disminuye el tamaño de la planta y favorece el desarrollo de hongos. Cuando las plantas están demasiado densas, el nivel de humedad aumenta porque se dificulta la circulación de aire [9]. El 4) ciclo de crecimiento oscila entre los 60 y 80 días según clima y la precocidad del tipo de cultivo. La producción depende del tamaño de las plantas en el momento de la recolección y del número de plantas por metro cuadrado [10]. La Tabla 1 muestra los arreglos característicos de siembra de lechuga a cielo abierto y por sistema de riego, mostrando datos estimados de densidad de población por hectárea para cada arreglo. Dependiendo de la variedad sembrada, la variación en densidad resulta significativamente dramática. La variedad de lechuga baby tiene densidades de población muy superiores a, por ejemplo, la variedad romana. Distancia entre siembras Sistema de siembra Surcos Plantas Plantas/m2 Plantas /ha Surcos sencillos 0.25 0.25 16.0 160 000 0.30 0.25 13.0 133 000 0.35 0.25 11.4 114 285 Surcos múltiples (Camas)* Ancho de cama (m) Entre surcos (m) Entre plantas (m) 1.5 0.3 0.20 12.5 125 000 0.3 0.25 10.0 100 000 2.0 0.3 0.25 10.0 105 600 0.3 0.20 13.2 132 000 0.4 0.25 8.0 80 000 0.4 0.20 10.0 100 000 2.5 0.3 0.25 10.6 106 000 CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 14 0.4 0.20 9.9 99 000 3.0 0.3 0.20 14.3 143 000 0.3 0.25 11.4 114 000 0.4 0.25 8.0 80 080 *separación constantes de 0.5 m entre camas Tabla 1 Cuadro de distancias de siembra y poblaciones resultantes en diferentes arreglos en la siembra de lechuga (Tomado de Producción de hortalizas de clima cálido, Franco Alirio Vallejo Cabrera y Édgar Iván Estrada Salazar, 2004) 1.2.2. Preparación de suelo Se deben remover las capas superficiales e incorporar enmiendas orgánicas para el mejoramiento de las propiedades físicas del suelo para promover buen crecimiento radicular superficial. Los acolchados con cobertura orgánica favorece el mantenimiento de una adecuada humedad y a la cosecha con raíces limpias. Los acolchados plásticos también son una buena alternativa especialmente en los climas fríos [11]. Ya que la lechuga no tolera la salinidad del suelo, se debe abonar en pequeñas dosis para reducir el contenido de sales en el terreno. También se utiliza el riego como medio de control de la salinidad por lavado del suelo antes de plantar. En cultivos protegidos, la falta de agua es frecuente en las esquinas de los invernaderos por mala regulación de los aspersores. Ello ocasiona exceso de salinidad en las planta [12]. La tecnología hidropónica de película de nutrientes (NFT) evita la falta de humedad en la planta y elimina la necesidad de métodos previos de control de salinidad o preparación de suelos. 1.2.3. Plagas y enfermedades El uso de prácticas culturales adecuadas hace posible limitar satisfactoriamente la aparición de plagas y obtener productos libres de ellas. Las enfermedades, en cambio, resultan ser más agresivas. El control de ellas se exige en todas las fases del ciclo. La interacción de variables ambientales como la temperatura y humedad, son responsables en gran medida de la aparición de las enfermedades cuando la fuente causal está presente (Tabla 2) [13]. CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 15 Insectos y plagas comunes en el cultivo de lechuga Problema Agente causal Experiencia en el manejo y control Trozadores y tierreros Spodoptera exigua Agrotis ípsilon Feltia sp. Adecuación y preparación de camas Solarización, uso de ceniza, cal agrícola Uso de tóxícos con Bachillus thurigensis o insecticidas con carbamil, troazop haos, cloropirifos Espolvoreo del suelo triclorfom Comedoresde raíces (chizas) Ancognata sp Claripalpus ursimus Adecuación y preparación de suelo Rotación de campos Incorporación de insecticidas biológicos como Bauberia bassiana y Metharrizium anisopliae Espolvoreo de las camas cons insecticida cloropirifos Minadores de follaje Leyriomiza huidobrensis Control cultural con poda de hojas en los focos Recoger residuos de cosecha de ciclos anteriores Aspersiones con insecticida Avermectina Chupadores de follaje (Áfidos) Myzus persicae Riegos por aspersión Aspersión de aceites vegetales y minerales Extracción e hidolatos de tabaco y nim. En casos de alta infestación y en épocas tempranas asperjar insecticidas como Diclorvos, Deltrametrina, Pirimicarb, Malathión Moluscos (babosas) Deroceras sp Limax sp Limpieza total de las camas y bordes del cultivo Aplicación de cebos a base de Metaldehídos en horas de la tarde Tabla 2 Cuadro de insectos y plagas comunes en el cultivo de lechuga (Tomado de Producción de Hortalizas en clima cálido, Franco Alirio Vallejo Cabrera y Édgar Iván Estrada Salazar, 2004) 1.2.4. Variedades de lechuga La lechuga cultivada pertenece a la familia Compositae y género Lactuca. Este género incluye aproximadamente 100 especies diferentes [14], debidas principalmente a los diversos tipos de hojas y hábitos de crecimiento de las plantas. Las variedades de lechuga se pueden clasificar en los siguientes grupos botánicos: 1.2.5. Taxonomía Es una planta anual y autógama, perteneciente a la familia Compositae, cuyo nombre botánico es Lactuca sativa. Su raíz no llega a sobrepasar los 25 cm de longitud, es CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 16 pivotante, corta y con ramificaciones. Las hojas son diversas dependiendo la variedad, pueden estar en roseta (romanas) o acogolladas [15]. Variedades de lechugas Tipo Clasificación Características Ejemplo Romanas Lactuca sativa var. longifolia No forman un verdadero cogollo, las hojas son oblongas, con bordes enteros y nervio central ancho Romana Baby Acogolladas Lactuca sativa var. capitata Estas lechugas forman un cogollo apretado de hojas. Batavia Mantecosa o Trocadero Iceberg De hojas sueltas Lactuca sativa var. inybacea Son lechugas que poseen las hojas sueltas y dispersas Lollo Rossa Red Salad Bowl Cracarelle Lechuga espárrago Lactuca sativa var. augustana Son aquellas que se aprovechan por sus tallos, teniendo las hojas puntiagudas y lanceoladas. Se cultiva principalmente en China y la India Tabla 3 Basado en información de www.infoagro.com para las variedades de lechuga 1.2.6. Requerimientos climáticos 1.2.6.1. Temperatura La Tabla 4 muestra los mejores parámetros para el desarrollo de la lechuga en algunas etapas de su desarrollo. Etapa Temperatura óptima [°C] Temperatura peligrosa [°C] Humedad [%] Día Noche Min Max Germinación 14 a 18 5 a 8 Crecimiento 18 a 23 7 a 15 – 6 30 60 - 80 Tabla 4 Adaptado de www.infoagro.com Requerimientos climáticos para el cultivo de lechuga CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 17 1.2.6.2. Análisis climático de la zona [16] Los datos siguientes reflejan una aproximación a la situación climática actual de la zona de estudio donde se pretende instalar el invernadero y corresponden a los obtenidos por el Sistema de Monitoreo Atmosférico (SIMAT), perteneciente a la Secretaría del Medio Ambiente, para lo Zona Metropolitana del Valle de México (ZMVM). La información se encuentra contenida en el Informe Climatológico Ambiental del Valle de México para 2006, que son los datos más recientes disponibles. Se puede establecer que las temperaturas mínima y media anual en el Municipio de Cuautitlán Izcalli son de ≥10º C y de 22º-23º C, respectivamente. En lo que respecta a valores extremos, en cada una de las estaciones de monitoreo meteorológico en la ZMVM, éstos superaron los 30.0 ºC en la mayoría de los puntos de muestreo, alcanzando un máximo de 34.0 ºC. Los datos más bajos se ubicaron por debajo del cero en siete estaciones (cuatro más que en el año 2005): ENEP Acatlán (EAC), San Agustín (SAG), Pedregal (PED), Cerro de la Estrella (CES), Villa de las Flores (VIF), Tlalpan (TPN) y Chapingo (CHA). Figura 2 Mapa de isotermas con oscilación entre los promedios anuales de temperatura máxima y mínima mensual (Tomado del Informe climatológico ambiental del valle de México, 2006) Figura 1 Mapa de isotermas con el promedio anual de temperatura mínima mensual (Tomado del Informe climatológico ambiental del valle de México, 2006) CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 18 1.2.7. Requerimientos hídricos Aunque el consumo de agua de la lechuga es relativamente alto en métodos tradicionales de riego, el uso de métodos hidropónicos reduce significativamente el uso de ésta para el desarrollo de la planta, como se observa en la Tabla 5. Método usado Consumo de agua en el ciclo [m3/planta] Hidroponia NFT 0.0138 Riego tradicional 0.121 Tabla 5 Adaptado de Valoración productiva de lechuga hidropónica con la técnica de película de nutrientes (nft), Cuauhtémoc Jaques Hernández y José Luis Hernández M, Centro de Biotecnología Genómica del IPN, 2004 1.3 Estadísticas de producción nacional Veintidós estados participan en la producción nacional de lechuga por modalidades de riego y temporal. La mayor producción se focaliza en Guanajuato, Zacatecas y Puebla, reportando el primero una producción total de 74, 628 toneladas cosechadas, de acuerdo a los datos del Anuario Estadístico de la producción Agrícola para 2012 [17]. En el Estado de México, son tres las zonas que participan en la producción nacional de lechugas: Texcoco, Toluca y Zumpango. De acuerdo al Anuario citado, no existen datos referentes a la producción de esta hortaliza en invernadero (Tabla 6), lo que hace suponer que la producción de ella es por riego y de temporal. Guanajuato, cuya producción de lechuga en 2010 es de las más importantes, (estimada en 184, 581.06 millones de pesos) actualmente se encuentra en una severa sequia que ha obligado a la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA) [18] a incrementar la distribución de agua potable para los requerimientos básicos de la población. Dos de sus municipios productores de esta hortaliza, Salamanca y Salvatierra, se encuentran en tal situación. CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 19 El conjunto de factores climáticos que afectan a los cultivos del país – como en el estado de Sinaloa, donde se estima que el 70% de la cosecha de jitomate fue mermada por las bajas temperaturas en 201, ocasionando una pérdida de 700 millones de dólares [19]- , el que no exista declarado por el INEGI ningún tipo de cultivo de lechuga en invernadero, al menos hasta 2010; el hecho que las pérdidas en el uso de las aguas para el riego en México, según la Comisión Nacional del Agua (CNA, 2001), se estiman en un rango del 45 hasta el 60%, debidas principalmente a la mala infraestructura [20] y, finalmente, considerando que se calcula que dentro de la superficie regable del país existen poco más de 300 mil hectáreas ociosas, que no se cultivan por diversas causas [21].; ha contribuido a la decisión de conjuntar las técnicas de invernadero e hidroponia para que promuevan la generación de cultivos más eficientes en el uso de recursos naturales Producción agrícola de lechuga Ciclo: Cíclicos y Perennes 2010 Modalidad: Riego + Temporal Estado Sup. Sembrada (Ha) Sup. Cosechada (Ha) Producción (Ton) Rendimiento (Ton/Ha) Valor Producción (Miles de Pesos) Coahuila 1 1 39.44 39.44 102.54 Guerrero 8 8 61.31 7.66 156.49 Yucatan 24 24 72.95 9.1 739.54 Hidalgo 10 10 109 21 386.5 Durango 12 12 122 35 570 Baja California Sur 14 14 226.5 48.23 1176.75 Veracruz25 25 324.6 12.98 631.32 Chihuahua 26 26 440 51.33 1368.3 Distrito Federal 77 73.5 943.6 36.83 6571.7 Tlaxcala 244 244 5485.95 212.04 9136.46 Mexico 490.89 490.89 6620 246.46 31189.69 CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 20 Jalisco 387 387 6857.28 127.37 11246.11 Queretaro 459 459 11013 112.66 25107.4 Sonora 512.5 512.5 12553.78 219.96 43518.38 San Luis Potosi 418 418 13493.6 213.21 35871.58 Michoacán 592 575.15 14515.19 266.54 43275.07 Baja California 1300.5 1281.5 22186.51 40.13 182677.8 Aguascalientes 1217 1217 46799 164.26 98237.63 Puebla 2540.28 2540.28 50527.11 618.36 104978.2 Zacatecas 3600 3600 73956.74 150.16 147296.6 Guanajuato 4500 4497 74628.4 353.3 184424.6 Total 16458.17 16415.82 340976 2986.02 928662.7 Tabla 6 Adaptado del Anuario Estadístico de la Producción Agrícola, INEGI, 2010 1.4 Cultivo hidropónico Las hortalizas producidas por la técnica hidropónica son productos sanos, ya que se producen con agua limpia. Por su ambiente controlado, la generación de plagas es reducida y para su control se utilizan técnicas que no contaminan el ambiente ni dejan residuos dañinos en el producto [22]. 1.4.1. Hidroponia bajo invernadero La principal ventaja que presenta la producción de hortalizas bajo invernadero es la posibilidad de tener mayor control, tanto de las condiciones climáticas como del manejo fitosanitario de los cultivos. En el ámbito comercial los sistemas hidropónicos más empleados son los que utilizan sustratos sólidos inertes. Sin embargo, los problemas de riesgo medioambiental que presenta su disposición final de éstos y la pérdida de agua y fertilizantes por lixiviación, han enfocado el interés por los sistemas que involucran el reciclado de lixiviado y aún más, por aquellos sistemas que no requieren sustrato, tales como el sistema de la técnica de película de nutrientes. Este sistema en la actualidad ya es muy empleado CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 21 para estudios de los cultivos bajo hidroponia, así como para producción comercial a diferentes escalas [23]. 1.4.2. Métodos de cultivo hidropónico Existen diferentes métodos o sistemas de producción hidropónica. Éstos se pueden clasificar dependiendo del medio donde se desarrollan las raíces de la planta. Actualmente, se reconocen tres tipos: 1) Cultivos en sustrato sólido 2) Cultivos en agua (raíz flotante, Nutrient Film Technic (NTF, sistema de columnas) 3) Cultivos en aire (aeroponia) En cualquiera de los tres sistemas, los sustratos utilizados deben ser químicamente inertes, además de cumplir con otras propiedades físicas [24]. 1.4.2.1. Sistema de raíz flotante. La producción de lechuga bajo este sistema consiste en que las raíces están sumergidas en solución nutritiva. Las plantas se encuentran en planchas de poliestireno expandido que flotan sobre el agua con la solución nutritiva en donde la plancha actúa como soporte mecánico y cada una flota sosteniendo un determinado número de plantas de lechuga. Para lograr una buena producción es necesario airear la solución nutritiva en forma manual o mecánica [25]. 1.4.2.2. Sistema de Película de Nutrientes (Nutrient Film Technic) Consiste en la circulación constante de una lámina fina de solución nutritiva a través de las raíces, dentro de una serie de tubos de Cloruro de Polivinilo (PVC), no existiendo pérdida o salida al exterior de la solución nutritiva, por lo que se constituye en un sistema cerrado [26]. La mezcla de agua y solución nutritiva, impulsada por una bomba, circula por los tubos que están apoyados sobre mesas o armazones diversos, que tienen una ligera pendiente que facilita la circulación de la solución [27]. CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 22 1.4.2.3. Sistema en columnas. El sistema hidropónico que se caracteriza por el crecimiento vertical. Mantiene las mismas ventajas que los demás sistemas hidropónicos, y se suma la mayor densidad de plantas por unidad de superficie que se puede lograr. Una desventaja es su alto costo inicial, cuando se trata de grandes producciones. Adicionalmente, requiere de plantas pequeñas con sistema radicular pequeño. [28] 1.4.2.4. Sistema aeropónico. Una columna de cultivo en un cilindro de PVC u otros materiales, colocado en posición vertical, con perforaciones en las paredes laterales, por donde se introducen las plantas en el momento de realizar el trasplante en donde las raíces crecen en oscuridad y pasan la mayor parte del tiempo expuestas al aire, de ahí el nombre de aeroponia. Por el interior del cilindro, una tubería distribuye la solución nutritiva mediante pulverización media o baja presión [29]. Una de las principales ventajas de este sistema es la excelente aireación que el sistema proporciona a las raíces, comparándola con los demás sistemas, pero coincide en su alto costo inicial [30]. 1.4.3. Ventajas y desventajas del cultivo hidropónico Muchas son las ventajas de las técnicas de hidroponia y pocas sus desventajas. En general, se pueden citar las siguientes, reunidas en la Tabla 7. DESVENTAJAS Baja difusión de técnicas hidropónicas. Inversión inicial relativamente costosa. Sistemas como el NFT requiere un suministro eléctrico sin interrupción VENTAJAS Cultivos libres de parásitos, bacterias, hongos y contaminación Reducción de costos de producción Permite la producción de semilla certificada Independencia de los fenómenos meteorológicos Permite producir cosechas fuera de estación Se puede corregir fácil y rápidamente la deficiencia o el exceso de un nutrimento Perfecto control de pH Más altos rendimientos por unidad de superficie Mayor calidad de producto. Posibilidad de cultivar repetidamente la misma CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 23 Menos espacio y capital para una mayor producción Ahorro de agua, que se puede reciclar Ahorro de fertilizantes e insecticidas Se evita el uso de maquinaria agrícola Limpieza e higiene en el manejo del cultivo Mayor precocidad de los cultivos Alto porcentaje de automatización Generación de empleo Balance ideal de aire, agua y nutrientes Humedad uniforme Excelente drenaje Permite una mayor densidad de población especie de planta Posibilidad de varias cosechas al año Uniformidad en los cultivos Mucho menor cantidad de espacio para producir el mismo rendimiento de del suelo Excelentes condiciones para semillero Se puede usar agua con alto contenido de sales Posibilidad de enriquecer los productos alimenticios con sustancias como vitaminas y minerales Se reduce en gran medida la contaminación al medio ambiente y los riegos de erosión La recuperación de lo invertido es rápida Tabla 7 Ventajas de cultivos hidropónicos (Adaptado de Hidroponia, José Luis Barbado, 2005) 1.5 Invernadero La Asociación Mexicana de Constructores de Invernaderos (AMCI), los define así: “Es una construcción agrícola de estructura metálica, usada para el cultivo y/o protección de plantas, con cubierta de película plástica traslúcida que no permite el paso de la lluvia al interior y que tiene por objetivo reproducir o simular las condiciones climáticas más adecuadas para el crecimiento y desarrollo de las plantas cultivadas establecidas en su interior, con cierta independencia del medio exterior y cuyas dimensiones posibilitan el trabajo de personas en el interior. Los invernaderos pueden contar con un cerramiento total de plástico en la parte superior y malla en los laterales.” [31] 1.5.1. Producción en invernadero El objetivo genérico del cultivo protegido es modificar el entorno natural, mediante técnicas diversas, para mejorar la productividad de los cultivos, aumentando las producciones, mejorando su calidad, alargando los periodos de recolección y extendiendo las áreas de producción. En algunas regiones también son objetivos del cultivoprotegido, la reducción de radiación solar mediante sombreo, o la protección del viento, del granizo o de la lluvia. Con ello se persigue hacer un uso más eficiente del suelo, agua, energía, nutrientes y del espacio, así como de los recursos climáticos de radiación solar, temperatura, humedad ambiental y anhídrido carbónico del aire [32]. CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 24 Además de la protección de los cultivos contra la sequía, mediante el riego, otros objetivos del cultivo protegido son [33]: Reducir las necesidades de agua Proteger los cultivos contra bajas temperaturas Reducir la velocidad del viento Limitar el impacto de los climas áridos y desérticos Reducir los daños por largas, enfermedades, nematos, malas hierbas, pájaros y otros predadores. Extender las áreas de producción y ciclos de cultivo Aumentar las producciones, mejorar la calidad, preservar los recursos El control climático permite optimizar la productividad y la calidad Estabilizar los suministros de productos de alta calidad a los mercados hortícolas 1.5.2. Tipos de invernaderos La Asociación Mexicana de Constructores de Invernaderos (AMCI), en general clasifica los invernaderos en dos grupos [34]: Clase A: Estructuras de invernaderos o en batería, y Clase B: Estructuras tipo casa sombras y macro túneles. En ambos casos la durabilidad de las estructuras debe ser un mínimo de 10 años. La AMCI, basada en el diseño geométrico de la sección, lista los siguientes tipos de invernadero como los más comunes (Tabla 8) [35]. Tipo Esquema Uni túnel (túnel unitario) Multi túnel (túnel múltiple) Uni túnel de ventila cenital fija CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 25 Multi túnel de ventila cenital fija Multi túnel diente de sierra de ventilas fijas Uni túnel capilla Multi túnel capilla Modular tipo parral Tabla 8 Tipos de invernaderos, de acuerdo con la Asociación Mexicana de Constructores de Invernaderos A. C., en línea, recuperado en 2012 A diferencia de AMCI, la SAGARPA identifica cinco tipos principales de cultivos protegidos (Invernaderos, Malla sombra, Micro túneles, mantas térmicas y macro túnel) [36]. La Secretaría de Desarrollo Agropecuario y Recursos Hidráulicos del Estado de San Luis Potosí (SEDARH) hace una comparación entre las ventajas y desventajas entre diferentes tipos de invernaderos [50] Anexo 1 y 2. El tipo de invernadero seleccionado para el proyecto es el multi túnel de ventila cenital fija, según AMCI. 1.6 Estructuras La estructura es el armazón del invernadero. Zoilo Cermeño (2005) establece las siguientes características de estructuras y cargas para invernaderos (Tabla 11). 1.6.1. Cimentación La cimentación de un invernadero es fundamental para la seguridad del mismo, para una mayor duración de la estructura y para mayor resistencia del viento. Todas las cargas que intervienen en el invernadero son transmitidas y soportadas por el suelo (Cermeño, 2005). CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 26 Estructura Características Ligeras y resistentes De material económico y fácil conservación Susceptibles de poder ser ampliadas Que ocupen poca superficie Adaptables a modificables a los materiales de cubierta Condiciones de diseño Cargas permanentes El propio peso de la estructura El peso de los materiales de cubierta El peso de los aparatos de control climático El peso del cultivo que se vaya a sujetar a la estructura Cargas accidentales Peso por granizo Peso de la fuerza del viento Tabla 9 Consideraciones y características de diseño para invernaderos, Adaptado de Construcción de invernaderos, Serrano Cermeño, Zoilo, España, 2005 1.6.2. Características del suelo en Cuautitlán Izcalli El uso del suelo ha sido ganado por la urbanización con más del 40 por ciento de la superficie territorial municipal. En el uso pecuario, agrícola y forestal se emplea el 40 por ciento. El resto, está ocupado por la industria, cuerpos de agua, erosionado y de otros usos, con el 18.5 por ciento. En el municipio predominan los siguientes tipos de suelos: Cambisol, (centro y sureste), suelo susceptibles a erosión, presenta acumulación excesiva de arcillas, carbonato de calcio, hierro y magnesio; y problemas de drenaje interno. Vertisol, (mayor parte área municipal) suelos arcillosos de color oscuro, fértiles que ofrecen en ocasiones problemas de mal drenaje. Litosol, (pequeñas áreas del centro, sur y oeste) profundidad de perfil no mayor de 10 cm., cuyo material sustentador es generalmente tepetate. CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 27 Foezem, (pequeñas áreas al sur) de color pardo, oscuro y grisáceo muy oscuro, ricos en materias orgánicas y nutrientes. Se eligió esta ubicación por los siguientes factores: Cercanía a los centros de consumo del Distrito Federal, lo que reduce tiempos de traslado y, consecuentemente, costes. Oportunidad de mercado, pues dentro del Estado de México, solo existen tres municipios que producen lechuga (Texcoco, Toluca y Zumpango) No hay registro en el INEGI de producción del esta hortaliza en el Estado bajo el método de hidroponia, lo que representa oportunidad adicional de mercado por la generación de productos limpios 1.6.3. Materiales estructurales Aunque los materiales empleados para la construcción de invernaderos son diversos, los más utilizados son madera, hierro, aluminio, alambre galvanizado y concreto. En general los invernaderos se construyen con una mezcla de estos materiales. Figura 3 Detalle de colindancias Figura 4 Ubicación de terreno CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 28 1.6.4. Materiales de cubierta Aunque es abundante el tipo de cubiertas que se usan en los invernaderos, se pueden clasificar como se indica en la Tabla 10. 1.6.5. Agro-textiles En los últimos años los materiales textiles han alcanzado una extensión espectacular en Agricultura [37]. Los geotextiles en su formas variadas, por ejemplo anudados, tramados o sellados, por medio de calor con el polietileno o con el polipropileno, se han utilizado durante muchos años en la agricultura, para el drenaje, el empaquetado, el uso de pantallas térmicas y mallas de sombreo para invernaderos y también como cubiertas de los cultivos sin ningún tipo de estructura de soporte [38]. Estos tipos de geotextiles se llaman ahora agrotextiles, para su uso hortícola, se manufacturan principalmente por el principio de rotación directa y termosoldado. Algunas poliamidas y poliesteres también entran en la fabricación de los agrotextiles [39]. Tipos Ejemplos Características Películas de polietileno Baja densidad (LDPE) Con acetato de vinilo (E.V.A.) Infrarrojo (IRPE o PE modificado) Térmicos (EVA con aditivos) Películas no de polietileno Cloruro de polivinilo (PVC) Durar al menos un año Máxima trasparencia Absorber el máximo de radiación de longitud de onda, comprendida entre 5.000 y 30.000 nm. Propiedades anti goteo CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 29 Materiales rígidos de cubiertas Vidrio Poliester reforzado Paredes dobles Pared doble de vidrio Pared doble de plástico Paredes dobles de película de plástico La principal característica de estos materiales es la durabilidad. Tabla 10 Adaptado de El cultivo protegido en clima mediterráneo; Estructuras, materiales y equipos de producción, Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura Los agrotextiles son muy ligeros, finos y flexibles. Generalmente son homogéneos y tienen una alta porosidad, no localizada como en el caso de películas perforadas, sino distribuidas entre medias de los espacios comprendidos entre sus fibras. Esta combinación de propiedades permite que estos materiales se utilicen parael semiforzado, puesto que ofrecen todas las características de resistencia mecánica, permeabilidad a los fluidos y radiación, que debe tener una pantalla térmica para crear el efecto invernadero [40]. 1.7 Automatización de invernadero Es necesario presentar un breve panorama de las relaciones entre las variables que afectan al desarrollo de una planta para, mediante métodos eléctricos y mecánicos utilizados en un invernadero, puedan controlarse aquellas a manera de aprovecharlas para alcanzar la sostenibilidad de su agrosistema (Gliessman, 1998). Aunque existen muchas variables dentro del ecosistema de la planta que le permiten un buen desarrollo, la temperatura, la humedad, el viento, el agua y la luz son, entre otras, aquellas de la que se debe tener conocimiento para, eventualmente, llegar a su control por métodos automatizados para favorecer el desarrollo de la planta en todos sus etapas. A continuación se describe como controlar estas variables dentro de un invernadero. CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 30 1.7.1. Temperatura El efecto que tiene la temperatura sobre el crecimiento y desarrollo de una planta es conocido y rápidamente notable. El factor temperatura y sus fluctuaciones determinan el tipo de cultivo a producir en determinada región. Todos los procesos fisiológicos de las plantas tienen límites de tolerancia a temperaturas extremas y un margen relativamente estrecho en el cual se desarrollan de manera óptima. De esta forma, el régimen de temperatura a la cual la planta está expuesta finalmente está relacionado con su rendimiento potencial (Gliessman, 1998). En cultivos a cielo abierto, los agricultores deben conocer los cambios de temperatura que se suceden durante el día y la noche y entre las estaciones del año, a fin de acoplar alguna etapa particular del crecimiento de la planta a las mejores condiciones de temperatura que provea el ambiente. Los invernaderos son usados frecuentemente para conservar o atrapar el calor (Gliessman, 1998). Los controles cásicos de temperatura en un invernadero son por calefacción (utilizando serpentines de agua caliente), agregando ventilación forzada o natural, la cual se beneficia de la orientación del invernadero con respecto a los vientos dominantes de la región y, el bloqueo de radiación solar mediante métodos mecánicos, como mayas de sombra. 1.7.1.1. Control de temperatura Entre los diferentes medios que actualmente existen para el control de temperatura, estos siempre están ligados al conjunto sensor-medidor-actuador. Para la selección del sensor deben considerarse parámetros como el tipo, el rango de temperatura de operación, el ambiente donde será instalado y la distancia (al control de temperatura) a la que será colocado [41]. CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 31 Una vez definido el sensor, debe seleccionarse un controlador apropiado. La serie de controladores de temperatura de OMRON ofrece prestaciones suficientes, como ser compacto y de bajo costo, aceptar termopares tipo J, K o Pt100. Figura 5 Controlador de temperatura Omron de la serie K8AB-TH11 1.7.2. Control de ventilación La ventilación, forzada o natural, es uno de los métodos para el control de temperatura dentro del invernadero. En condiciones climáticas externas favorables para el desarrollo de los cultivos, la ventilación natural resulta el método más económico y práctico para el control de la temperatura interna. Sin embargo, cuando el viento está en calma absoluta, la ventilación natural solo influye en el control de temperatura, siendo ineficiente en la remoción de partículas suspendidas y aumento de la concentración de CO2 (Contreras Toledo, 2007). En la ventilación natural, la superficie de las ventanas que debe darse al invernadero está en función de las dimensiones del mismo, principalmente de su anchura y que las ventanas sean cenitales o laterales. […] La apertura y cierre de las ventanas puede hacerse de forma manual, semi automatizada o por control automático. (Serrano Cermeño, 2005). CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 32 1.7.3. Campos de viento La estructura del campo de viento dentro del Valle de México obedece en gran medida a una abertura orográfica casi libre de obstáculos en la región nororiental, donde el terreno es casi plano. Esta condición específica hace que la dirección prevaleciente de los vientos en superficie a lo largo del año, sea con mayor frecuencia del noreste hacia el suroeste. Las características de viento suelen ser distintas en cada estación meteorológica, aún cuando se trate de la misma zona IMECA. El viento resulta totalmente variante día con día, pero un análisis de períodos prolongados ayuda a identificar patrones de comportamiento tradicional, como por ejemplo, el flujo predominante de norte a sur dentro del Valle. Para mejorar el flujo de ventilación se orienta el invernadero de forma tal que la ventana cenital quede opuesta a la dirección predominante del viento. [11] Figura 6 Rosa de viento anual para toda la REDMET de la Zona del Metropolitana del Valle de México (Tomado del Informe climatológico ambiental del valle de México, 2006) Figura 7 Orientación del terreno basado en los vientos predominantes (Tomado de “Bases para la construcción de invernaderos”, Facultad de ciencias forestales y ambientales, Universidad de ños Andes.) CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 33 1.7.4. Luz La energía luminosa del espectro visible es la más importante para el desarrollo de las plantas, ya que ayuda a los procesos de fotosíntesis, que son determinantes para el óptimo desarrollo de la misma. Pero no todas las longitudes de onda del espectro son útiles a la fotosíntesis. En general, los fotoreceptores en la clorofila absorben más luz azul-violeta y rojo-naranja. Figura 8 Absorción de clorofila en relación con la longitud de onda de la luz (tomado de Agroecología: Procesos ecológicos en agricultura sostenible, Stephen R. Gliessman, 1998) Debido a que diferentes partes del espectro de luz visible es usada en la fotosíntesis con mayor eficiencia que otros, la calidad de la luz tiene un efecto importante en la eficiencia del proceso (Gliessman, 1998). La fase de formación del cogollo es la fase de crecimiento que se ve más afectada por la exposición a la luz visible. En períodos de escasa iluminación la lechuga acogolla mal si el régimen térmico es superior a los 20°C, mientras que con el mismo déficit de luz y temperaturas bajas, el acogollado se ve favorecido. En condiciones de fotoperíodo largo –número total de horas por día- e iluminación alta, el acogollado es bueno a temperaturas alrededor de los 20°C (Theodoracopoulos, 2009) [42]. 1.7.5. Control de iluminación Para mejorar la luminosidad natural, se usan los siguientes medios (Jiménez Garrido, 2001): Materiales de cubierta con buena transparencia CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 34 Orientación adecuada del invernadero Materiales que reduzcan al mínimo las sombras interiores Aumento del ángulo de incidencia de las radiaciones sobre las cubiertas Acolchados del suelo con plástico blanco Para reducir la luminosidad en verano se emplean (Jiménez Garrido, 2001): Bloqueo de cubiertas Mallas de sombreo Acolchados de plástico negro Cuando se requiera iluminación artificial, se pueden utilizar los siguientes tipos de lámparas: Tipos y características de lámparas empleadas en iluminación de invernaderos Tipo Incandescentes Vapor de mercurio Incandescentes y vapor de mercurio Fluorescentes Luz producida Rojo e infrarrojo (elevado poder calórico) Visible y ultravioleta Mixta Mixta con preponderancia al azul y rojo Potencia 3 W/m 2 150 – 200 W/m 2 - - Rendimiento Luminoso 10% 90 % 30% 90% (emana poco calor)Duración 1000 horas 3500 horas 2000 horas 3500 horas Aplicación Invernaderos de grandes dimensiones. Adelanto o retraso de floración Crecimiento de plantas Adelanto de la floración Crecimiento de plantas Observaciones Bajo costo de instalación; elevado uso Atención al tipo comercial que se elige Elevado costo de uso Débil intensidad luminosa, colocación en baterías de 3 -4 Figura 9 Adaptado de La importancia de la automatización en invernaderos para el cultivo de jitomate en el estado de Morelos; Jiménez Garrido, Daniel Alfredo., Colección de Tesis Digitales de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México, 2011 CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 35 1.7.6. Control de humedad El nivel de humedad en el ambiente que rodea la planta es primordial porque influye en su desarrollo. A diferencia de la temperatura, es relativamente complicado mantener un nivel de humedad relativa óptimo dentro de un invernadero para el desarrollo de una especie en particular. Afortunadamente, existen algunos principios que pueden utilizarse para su manipulación: En un invernadero, la humedad absoluta está ligada a la temperatura del suelo y se incrementa cuando el suelo se calienta y como resultado aumenta la evaporación. En climas secos, la humedad relativa generalmente es baja fuera y dentro del invernadero, mientras que las temperaturas son altas. La humedad es afectada por el proceso de transpiración que efectúan las plantas. A su vez, la transpiración es influenciada en su mayoría por la radiación solar y por el déficit de presión de vapor. Esta pérdida es mayor cuando la temperatura aumenta ya que el aire caliente y seco acumula más humedad que el aire frío, evaporando el agua de las superficies vegetales. 1.7.5.1. Humedad Relativa en Cuautitlán Izcalli En promedio, los valores de humedad relativa en la zona del Valle de México variaron desde el 70 a 90 % a las 7:00 AM, hasta 35 a 40% a las 16 horas. En toda la Red Meteorológica se dieron cantidades calificadas como elevadas durante el año, con un rango que va de 80.0 % hasta 100.0 %, aunque ocurrieron algunos valores del orden del 58.0 % al 78.0 %, como es el caso de la estación Cuajimalpa (CUA), donde se presentó un valor de 58.8 % en el mes de diciembre, considerado el más bajo. El requerimiento de humedad relativa para su mejor desarrollo de la lechuga es de es de 60 al 80%, aunque, en algunos casos tolera menos del 60%. De lo anterior, se deduce que la zona es propicia para la plantación de lechuga. CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 36 1.8 Normalización En lo referente a la normalización que rige a este proyecto, este apartado hace referencia solamente a la Normalización Nacional, y se encuentra basado en la información del portal de la Secretaría de Economía. En el apartado 1.4 Marco legal, se encontrará la correspondiente al marco jurídico aplicable al proyecto. En México la normalización se plasma en las Normas Oficiales Mexicanas (NOM) de carácter obligatorio, elaboradas por Dependencias del Gobierno Federal y las Normas Mexicanas (NMX) de ámbito primordialmente voluntario, promovidas por la Secretaría de Economía y el sector privado, a través de los Organismos Nacionales de Normalización. Para demostrar que lo que se ha producido o comercializado es conforme a lo dispuesto por la propia norma que lo rige, se inicia el proceso de Evaluación de la Conformidad (que su vez contiene procedimientos de certificación, verificación, calibración, muestreo, pruebas, según sea el caso). 1.8.1. Normas Nacionales La Normalización es el proceso mediante el cual se regulan las actividades desempeñadas por los sectores tanto privado como público, en materia de salud, medio ambiente, seguridad al usuario, información comercial, prácticas de comercio, Figura 11 Promedio anual de humedad relativa a las 14:00 horas (Tomado del Informe climatológico ambiental del valle de México, 2006) Figura 10 Promedio anual de humedad relativa a las 07 horas (Tomado del Informe climatológico ambiental del valle de México, 2006) CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 37 industrial y laboral a través del cual se establecen la terminología, la clasificación, las directrices, las especificaciones, los atributos las características, los métodos de prueba o las prescripciones aplicables a un producto, proceso o servicio. Los principios básicos en el proceso de normalización son: representatividad, consenso, consulta pública, modificación y actualización. La actividad normalizadora se entiende como la consolidación del conocimiento que es recabado a través de consultas realizadas entre expertos de una rama o actividad productiva. Es un documento mediante el cual los sectores interesados (entre los cuales están, fabricantes, usuarios y gobierno) acuerdan las características técnicas deseables en un producto, proceso o servicio. Este proceso se lleva a cabo mediante la elaboración, expedición y difusión a nivel nacional, de las normas que pueden ser de tres tipos principalmente: a) Norma Oficial Mexicana (NOM), es la regulación técnica de observancia obligatoria expedida por las dependencias normalizadoras competentes a través los Comités Consultivos Nacionales de Normalización, conforme al artículo 40 de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización (LFMN), la cual establece reglas, especificaciones, atributos, directrices, características o prescripciones aplicables a un producto, proceso, instalación, sistema, actividad, servicio o método de producción u operación, así como aquellas relativas a terminología, simbología, embalaje. marcado o etiquetado y las que se le refieran a su cumplimiento o aplicación. Normas Aplicables • NOM-001-SEDE-1999 Oficial Mexicana, Instalaciones eléctricas (utilización). • Reglamento de Construcciones del Edo Mex y sus Normas Técnicas Complementarias (NTC) para el diseño y construcción de cimentaciones CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 38 Manual de Diseño de Obras Civiles de la Comisión Federal de Electricidad Manual de Diseño de Obras Civiles. Manual de Sismo (CFE - 1993) b) Norma Mexicana (NMX), la que elabore un organismo nacional de normalización, o la Secretaría de Economía en ausencia de ellos, conforme el artículo 54 de la LFMN , la cual prevé para uso común y repetido reglas, especificaciones, atributos métodos de prueba, directrices, características o prescripciones aplicables a un producto, proceso, instalación, sistema, actividad, servicio o método de producción u operación, así como aquellas relativas a terminología, simbología, embalaje, marcado o etiquetado. Normas Aplicables • NMX-E-255-CNCP-2008 Invernadero Diseño-Construcción-Especificaciones Normas del sistema de calidad • NMX-CC-9000-IMNC-2008 Sistemas de gestión de la calidad - Fundamentos y vocabulario. [ISO 9000:2005 COPANT/ISO 9000:2005] • NMX-CC-9001 IMNC-2008 Sistemas de gestión de la calidad– Requisitos. [ISO 9001:2008 COPANT/ISO 9001:2008] • NMX-CC-9004-IMNC-2009 Gestión para el éxito sostenido de una organización –Enfoque de gestión de la calidad. [ISO 9004:2009 COPANT/ISO 9004:2009] • NMX-CC-SAA-19011-IMNC-2002 CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA 39 Directrices para la auditoria de los sistemas de gestión de la calidad y/o ambiental. [ISO 19011:2002 COPANT/ISO 19011-2002] Normas del ambiente • NMX-SAA-14001-IMNC-2004 Sistema de gestión ambiental - Requisitos con orientación para su uso. [ISO 14001:2004 COPANT/ISO 14001:2004] • NMX-SAA-14004-IMNC-2004 Sistema de gestión ambiental - Directrices generales sobre principios, sistemas y técnicas de apoyo. [ISO 14004:2004 COPANT-ISO 14004:2004] • NMX-SAA-14015-IMNC-2006 Gestión ambiental - Evaluación ambiental de sitios y organizaciones
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