Abstract
Questo approccio integrato è al centro del lavoro di Great IT. Il nostro team di esperti di scienze vegetali, agronomi e ingegneri supporta i clienti nel tradurre gli obiettivi produttivi in sistemi coerenti di coltivazione in ambiente controllato, integrando fin dalle prime fasi di progettazione le esigenze delle colture, il controllo ambientale, l’automazione e le operazioni industriali.Attraverso la piattaforma DEMETRA, questo approccio può partire dalla scala pilota, consentendo di validare colture, protocolli, rese, consumi di risorse e procedure operative prima di procedere verso una serra o un impianto di vertical farming di dimensioni maggiori.
Figura 1: Struttura per l’agricoltura in ambiente controllato che mostra il passaggio dalla progettazione tecnica a un sistema di coltivazione indoor operativo, con scaffalature di coltivazione multilivello, illuminazione LED e colture in ambiente controllato.
Una pianta non vede reparti tecnici separati: vive un unico ambiente
In un progetto di agricoltura in ambiente controllato, le responsabilità sono generalmente suddivise tra diversi specialisti.
Gli esperti di scienze vegetali selezionano le colture e i protocolli di coltivazione. Gli specialisti dell’illuminazione progettano il sistema illuminotecnico. Gli specialisti HVAC calcolano i carichi termici e le esigenze di trattamento dell’aria. Gli agronomi definiscono la gestione dell’irrigazione e della nutrizione. Gli ingegneri dell’automazione sviluppano le logiche di controllo, mentre gli specialisti della logistica organizzano la movimentazione delle piante, la raccolta e le successive fasi di lavorazione.
Questa suddivisione è necessaria per gestire progetti complessi.
La pianta, tuttavia, non percepisce questi elementi separatamente. Risponde simultaneamente alla radiazione, alla temperatura, all’umidità, all’anidride carbonica, alla disponibilità di acqua, alla nutrizione minerale, al movimento dell’aria e alle condizioni della zona radicale.
Per questo motivo, suddividere un progetto in diverse discipline tecniche non deve portare a progettare tali discipline in modo indipendente.
1. La genetica definisce il potenziale biologico
Ogni sistema di coltivazione in ambiente controllato parte da un genotipo.
Le cultivar differiscono per morfologia, velocità di crescita, esigenze nutrizionali, sensibilità agli stress ambientali, resistenza ai patogeni, qualità del prodotto e idoneità alla gestione automatizzata.
Una cultivar compatta può consentire una maggiore densità di impianto. Un genotipo a crescita rapida può ridurre la durata del ciclo produttivo, ma allo stesso tempo richiedere una gestione più complessa del clima e della fertirrigazione. Una cultivar selezionata per la coltivazione in pieno campo potrebbe non esprimere necessariamente tutto il proprio potenziale in condizioni di illuminazione artificiale o di coltivazione indoor ad alta densità.
La genetica dovrebbe quindi essere selezionata insieme all’ambiente di produzione e al processo industriale previsto, e non dopo che la struttura è già stata progettata.
La ricerca sottolinea sempre più la necessità di integrare, nell’agricoltura indoor, la biologia vegetale, la selezione delle cultivar, il controllo ambientale e lo sviluppo tecnologico. Frontiers in Plant Science
2. La luce è sia un input biologico sia un carico energetico
La luce influenza la fotosintesi, la morfologia, lo sviluppo, la pigmentazione e la qualità del prodotto.
Tuttavia, una strategia di illuminazione non può essere definita semplicemente scegliendo un determinato valore di PPFD o uno spettro luminoso. Devono essere considerati anche il fotoperiodo, il Daily Light Integral (DLI), l’architettura della chioma, la distribuzione degli apparecchi illuminanti, lo stadio di sviluppo della coltura e l’efficienza di utilizzo dei fotoni.
L’illuminazione interagisce inoltre direttamente con il sistema impiantistico.
L’energia elettrica fornita agli apparecchi illuminanti si trasforma infine in calore che deve essere gestito. Le variazioni dell’intensità luminosa influenzano la temperatura fogliare, l’attività fotosintetica, la traspirazione, il fabbisogno idrico e la produzione di umidità. Di conseguenza, aumentare la quantità di luce fornita alla coltura può richiedere adeguamenti della capacità di raffrescamento e deumidificazione, della movimentazione dell’aria e della frequenza di irrigazione.
La vera variabile progettuale, quindi, non è semplicemente “più luce”, ma la quantità e la distribuzione temporale della radiazione che la pianta può utilizzare in modo efficiente all’interno del bilancio energetico e climatico complessivo.
3. Il controllo climatico deve seguire la fisiologia della pianta
La sola temperatura dell’aria non è sufficiente per descrivere l’ambiente in cui cresce la coltura.
Umidità relativa, deficit di pressione di vapore (VPD), temperatura fogliare, velocità dell’aria, concentrazione di anidride carbonica e condizioni dello strato limite influenzano complessivamente la conduttanza stomatica, la traspirazione, il trasporto dei nutrienti e la fotosintesi.
Un sistema di controllo climatico deve quindi gestire sia i carichi sensibili sia quelli latenti, mantenendo al tempo stesso condizioni uniformi in tutta l’area di coltivazione.
Questo aspetto è particolarmente importante in presenza di chiome dense e nelle coltivazioni multilivello, dove i microclimi locali possono differire considerevolmente rispetto ai valori rilevati da un numero limitato di sensori ambientali.
Il controllo ambientale dinamico può potenzialmente migliorare le prestazioni della coltura, l’efficienza energetica e la qualità del prodotto, ma richiede strategie di monitoraggio e controllo basate sulle risposte della pianta, anziché esclusivamente su setpoint ambientali fissi. Frontiers in Science
Figura 2: Dalla scala pilota alla scala industriale: ambiente controllato per l’innesto di precisione. Una camera bianca dedicata all’innesto di giovani piante di cucurbitacee e solanacee, dove la coltivazione multilivello combina illuminazione uniforme, controllo climatico preciso e condizioni ambientali ottimizzate. Temperatura, umidità, flusso d’aria e luce vengono gestiti per garantire condizioni uniformi su ogni livello di coltivazione, favorendo la cicatrizzazione dell’innesto, l’uniformità delle piante e prestazioni produttive affidabili.
4. La gestione dell’acqua è connessa alla luce, al clima e alle operazioni
Il fabbisogno idrico non è un parametro fisso della coltura.
Varia in funzione delle dimensioni della pianta, della radiazione, della temperatura, dell’umidità, del movimento dell’aria, delle caratteristiche del substrato e dello stadio produttivo. L’irrigazione deve quindi rispondere alle condizioni effettivamente vissute dalla coltura, anziché seguire una programmazione isolata e prestabilita.
Il sistema idrico influisce inoltre sull’intera struttura attraverso la gestione dello stoccaggio, della filtrazione, della disinfezione, dell’ossigenazione, del ricircolo e del drenaggio.
La sua progettazione determina non solo l’efficienza nell’uso dell’acqua, ma anche l’affidabilità idraulica, la biosicurezza, la stabilità dei nutrienti e la continuità operativa. Una strategia di ricircolo tecnicamente efficiente che aumenti il rischio fitosanitario o richieda una manutenzione eccessiva non può essere considerata una soluzione ottimizzata.
5. La nutrizione è un processo biologico dinamico
La conducibilità elettrica (EC) e il pH sono utili variabili di controllo, ma non forniscono una rappresentazione completa della nutrizione della pianta.
Le piante assorbono selettivamente gli ioni a velocità che variano durante il ciclo produttivo. L’assorbimento di acqua e quello dei nutrienti non avvengono sempre nelle stesse proporzioni. Temperatura, traspirazione, disponibilità di ossigeno e microbiologia della zona radicale possono inoltre modificare l’assorbimento dei nutrienti.
La gestione nutrizionale deve quindi essere collegata alla qualità dell’acqua, alla strategia irrigua, allo stadio della coltura, alle condizioni ambientali e alle caratteristiche del sistema di ricircolo.
Un valore stabile di EC non significa necessariamente che la soluzione nutritiva rimanga fisiologicamente equilibrata.
6. L’automazione deve collegare i dati alle decisioni biologiche
Sensori, sistemi di controllo, visione artificiale e intelligenza artificiale possono generare ed elaborare grandi quantità di dati. Il loro valore, tuttavia, dipende dalla capacità di trasformare questi dati in decisioni operative significative.
L’automazione non dovrebbe limitarsi a controllare singole macchine. Dovrebbe mettere in relazione le misurazioni ambientali, le risposte delle colture, il consumo di risorse e gli obiettivi produttivi.
Ciò richiede un corretto posizionamento dei sensori, un’architettura dei dati affidabile, logiche di controllo validate e procedure di intervento chiare quando le misurazioni escono dagli intervalli accettabili.
L’automazione è più efficace quando supporta la comprensione dei processi biologici. Non può compensare un modello di coltivazione errato né componenti tecnici che non sono mai stati progettati per funzionare insieme.
7. La logistica fa parte della strategia di coltivazione
In un impianto CEA industriale, le piante devono essere seminate, fatte germinare, trapiantate, movimentate, ispezionate, raccolte e lavorate.
Queste operazioni influenzano la densità di impianto, la progettazione dei vassoi, la spaziatura delle colture, la durata del ciclo, il fabbisogno di manodopera e la biosicurezza. Devono quindi essere considerate fin dalle prime fasi della progettazione agronomica.
Un protocollo di coltivazione che offre risultati eccellenti su scala sperimentale può diventare poco pratico quando richiede un’eccessiva movimentazione, crea colli di bottiglia o non è compatibile con i vincoli temporali di una linea di produzione automatizzata.
Il passaggio alla scala industriale non consiste semplicemente nell’aumentare il numero di piante. Significa progettare un flusso ripetibile di piante, materiali, informazioni e operazioni.
L’integrazione è la vera sfida progettuale
I sette componenti non possono essere ottimizzati indipendentemente.
Una scelta genetica modifica l’architettura della chioma. L’architettura della chioma modifica la distribuzione della luce. La luce influenza la fotosintesi, la produzione di calore e la traspirazione. La traspirazione modifica il fabbisogno irriguo e i carichi latenti del sistema HVAC. L’assorbimento dell’acqua modifica la concentrazione dei nutrienti. La crescita della coltura determina le esigenze di movimentazione, le tempistiche produttive e la logistica.
Ogni decisione si ripercuote sull’intero sistema.
L’obiettivo non è massimizzare le prestazioni di ogni singolo sottosistema, ma individuare la combinazione in grado di garantire la resa, la qualità, l’affidabilità e l’efficienza nell’utilizzo delle risorse richieste, a un costo economicamente sostenibile.
Per questo motivo, l’agricoltura in ambiente controllato richiede molto più di un insieme di tecnologie avanzate. Richiede un linguaggio progettuale comune tra scienze vegetali, ingegneria, automazione e operazioni industriali.
Una struttura di successo non è quella in cui ogni reparto tecnico ha raggiunto autonomamente il proprio obiettivo. È quella in cui l’intero sistema funziona in modo coerente attorno alla pianta.
Figura 3. Dalla scala pilota alla scala industriale: dopo la fase di test e validazione condotta nel fitotrone DEMETRA, Great IT ha supportato lo scale-up verso la serra finale, applicando gli stessi principi di gestione della fertirrigazione e del clima. I bancali di coltivazione, le strategie di fertirrigazione e le prestazioni colturali sono stati testati e validati insieme al cliente prima di essere trasferiti all’impianto su scala industriale.
Bibliografia
