pág. 8220
BIOTIPO DE CÁMARA CLIMÁTICA PARA
CRECIMIENTO DE DIVERSAS ESPECIES CON
EFECTO INVERNADERO
BIOTYPE OF CLIMATIC CHAMBER FOR THE
GROWTH OF VARIOUS SPECIES WITH A
GREENHOUSE EFFECT
M.en C.E. Dámaris Carmen García García
Universidad Politécnica del Valle de México
Dr. En C. Iván Alberto Vértiz Maldonado
Universidad Politécnica del Valle de México
M. en A. Milton Uri Bautista Garrido
Universidad Politécnica del Valle de México
Dra. En P. Olga Mora Rodarte
Universidad Politécnica del Valle de México
Dr. En C.E. Julio César Ruiz Martínez
Universidad Politécnica del Valle de México
pág. 8221
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v8i5.14310
Biotipo de Cámara Climática para Crecimiento de Diversas Especies con
Efecto Invernadero
M.en C.E. Dámaris Carmen García García
1
damaris.garcia@upvm.edu.mx
https://orcid.org/0009-0004-6255-0670
División de Ingeniería en Nanotecnología
Universidad Politécnica del Valle de México
México
Dr. En C. Iván Alberto Vértiz Maldonado
Ivan.vertiz@upvm.edu.mx
https://orcid.org/0009-0003-3881-1255
División de Ingeniería Industrial
Universidad Politécnica del Valle de México
México
M. en A. Milton Uri Bautista Garrido
Uri.bautista@upvm.edu.mx
https://orcid.org/0009-0004-3850-5722
División de Administración y Gestión Empresarial
Universidad Politécnica del Valle de México
México
Dra. En P. Olga Mora Rodarte
Olga.mora@upvm.edu.mx
https://orcid.org/0009-0000-2825-0931
División de Administración y Gestión Empresarial
Universidad Politécnica del Valle de México
México
Dr. En C.E. Julio César Ruiz Martínez
https://orcid.org/0009-0000-8483-1052
Julio.ruiz@upvm.edu.mx
División de Ingeniería en Mecatrónica
Universidad Politécnica del Valle de México
México
1
Autor principal
Correspondencia: damaris.garcia@upvm.edu.mx
pág. 8222
RESUMEN
La necesidad de analizar nuevas técnicas en la búsqueda de alternativas sustentables para la pérdida de
calidad en los alimentos se ha ido incrementando en los últimos tiempos de manera progresiva, debido
a las cada vez más sobre explotadas condiciones a que se someten suelos y agua en las diferentes fases
de crecimiento de los productos perecederos. Para la obtención de indicadores de calidad óptima de
productos cuando están sometidos a variaciones térmicas, así como el alto número de ensayos que es
necesario realizar para obtener indicadores fiables, este trabajo propone el diseño de una cámara de bajo
coste fácilmente reproducible y escalable donde sea factible someter al producto perecedero a
alteraciones térmicas controladas durante su ciclo de vida, y, de ese modo, evaluar distintos parámetros
de calidad y relacionarlos con las condiciones de reproducción óptima. Este trabajo aborda el diseño,
dimensionamiento, la instrumentación y los diferentes elementos que componen el sistema de control,
además de la identificación y el ajuste del regulador. Los resultados y conclusiones permiten validar el
diseño planteado quedando, la cámara desarrollada, como una herramienta útil para obtener indicadores
óptimos de calidad ante diferentes condiciones climáticas de diversas especies que permita un entorno
adecuado para su supervivencia en un entorno de coexistencia.Al tener en cuenta variables críticas como
la humedad y la temperatura. El control por aplicar sobre estas variables debe tener en cuenta las
condiciones ambientales y las diferentes cargas térmicas que se pueden generar, agregar o extraer del
interior del espacio que se desea controlar. Se debe diseñar un control adecuado de temperatura,
humedad relativa y ph, que permita usar estos factores para el desarrollo de plantas y especies animales
a su favor, al lograr evitar el estrés. Estos controles deben estar implementados dentro de la misma
cámara para lograr una temperatura y humedad uniforme en todo el recinto, o cambios despreciables de
estas variables dentro del mismo, acercándose o manteniéndose en un valor de interés para un
experimento determinado.Objetivo general: Implementar y desarrollar un biotopo sustentable mediante
el uso de una cámara ambiental, con el propósito de criar y cultivar Eisenia Foetida, Acociles y lechuga
baby en un sistema hidropónico y sustentable. Objetivos específicos:Diseñar y construir un biotopo para
albergar y mantener las condiciones óptimas de crianza de Eisenia Foetida, Acociles y el cultivo de
lechuga baby en un sistema hidropónico; Establecer las condiciones ambientales y los parámetros de
manejo necesarios para el crecimiento saludable y reproducción de éstas tres especies diferentes;
Realizar estudios periódicos de monitoreo y control de parámetros ambientales, calidad del agua y
desarrollo de las especies involucradas, con el fin de realizar ajustes y mejoras en el sistema de forma
continua; Promover la concientización y educación sobre los beneficios ambientales y nutricionales de
los productos generados en el biotopo sustentable, fomentando su consumo y su impacto positivo en la
alimentación y el medio ambiente; Contribuir al desarrollo de prácticas y tecnologías sostenibles en la
producción de alimentos, promoviendo la utilización eficiente de recursos y reduciendo el impacto
ambiental negativo.
Palabras clave: sustentable, biotipo, especies, cámara climática, simulación
pág. 8223
Biotype of Climatic Chamber for the Growth of Various Species with a
Greenhouse Effect
ABSTRACT
The need to analyze new techniques in the search for sustainable alternatives for the loss of quality in
food has been increasing progressively in recent times, due to the increasingly over-exploited conditions
to which soils and water are subjected in the different growth phases of perishable products. To obtain
indicators of optimal quality of products when they are subjected to thermal variations, as well as the
high number of tests that must be carried out to obtain reliable indicators, this work proposes the design
of a low-cost chamber that is easily reproducible and scalable wherever possible. feasible to subject the
perishable product to controlled thermal alterations during its life cycle, and, in this way, evaluate
different quality parameters and relate them to optimal reproduction conditions. This work addresses
the design, sizing, instrumentation and the different elements that make up the control system, in
addition to the identification and adjustment of the regulator. The results and conclusions allow us to
validate the proposed design, leaving the developed chamber as a useful tool to obtain optimal quality
indicators in the face of different climatic conditions of various species that allow an adequate
environment for their survival in an environment of coexistence. By taking into account critical variables
such as humidity and temperature. The control to be applied on these variables must take into account
the environmental conditions and the different thermal loads that can be generated, added or extracted
from the interior of the space to be controlled. An adequate control of temperature, relative humidity
and pH must be designed, which allows these factors to be used for the development of plants and animal
species in their favor, by avoiding stress. These controls must be implemented within the same chamber
to achieve a uniform temperature and humidity throughout the room, or negligible changes in these
variables within it, approaching or maintaining a value of interest for a given experiment. General
objective: Implement and develop a sustainable biotope through the use of an environmental chamber,
with the purpose of raising and cultivating Eisenia Foetida, Acociles and baby lettuce in a hydroponic
and sustainable system. Specific objectives: Design and build a biotope to house and maintain optimal
breeding conditions for Eisenia Foetida, Acociles and the cultivation of baby lettuce in a hydroponic
system; Establish the environmental conditions and management parameters necessary for the healthy
growth and reproduction of these three different species; Carry out periodic monitoring and control
studies of environmental parameters, water quality and development of the species involved, in order to
make adjustments and improvements to the system on a continuous basis; Promote awareness and
education about the environmental and nutritional benefits of products generated in the sustainable
biotope, encouraging their consumption and their positive impact on food and the environment;
Contribute to the development of sustainable practices and technologies in food production, promoting
the efficient use of resources and reducing negative environmental impact.
Keywords: sustainable, species, biotype, climate chamber, simulation
Artículo recibido 15 septiembre 2024
Aceptado para publicación: 02 octubre 2024
pág. 8224
INTRODUCCIÓN
Las cámaras de ambiente controlado son recintos en los que se crean de forma artificial las condiciones
necesarias para que se lleven a cabo algunas funciones de los seres vivos, como la micropropagación
y el crecimiento de plantas, entre otras (Álvarez et al., 2007). Las cámaras de ambiente controlado
presentan un amplio rango de aplicaciones, como simulación ambiental, envejecimiento acelerado,
control de calidad, investigación de materiales y sistemas, estudio de estabilidad de productos,
acondicionamiento húmedo, y análisis de comportamiento de especies animales y vegetales, entre
otras. Las cámaras de ambiente controlado se diseñan en función de cada aplicación, teniendo en cuenta
variables fundamentales tales como la capacidad de enfriamiento; la capacidad de calentamiento; la
capacidad de humidificación. “Estos ambientes controlados resultan de gran utilidad, ya que facilitan
la obtención de un producto en entornos diferentes a los habituales y durante diferentes estaciones
climatológicas” (Álvarez et al., 2007), ya que permiten independizar el clima interno del externo. Las
cámaras de ambiente controlado deben contar con una fuente de frío, una de calor y un panel de
iluminación para poder obtener las condiciones de temperatura, humedad e iluminación que simulan
las del ambiente natural. El panel de iluminación está compuesto por lámparas cuyo espectro de
emisión es adecuado para el normal crecimiento y desarrollo de los cultivos. Dicho panel se encuentra
separado del recinto de cultivo por una estructura transparente de vidrios que actúa como aislamiento
térmico. Este aislamiento térmico no evita la necesidad de extraer a través del acondicionador de aire
la carga de radiación lumínica introducida en la cámara para permitir el crecimiento de las plantas
(Cogliatti, 2008). El desarrollo alcanzado en esta área ha permitido obtener una cámara solar de clima
controlado que permite sólo el paso de la radiación fotosintéticamente activa, la cual logra disminuir
la carga térmica y por lo tanto el consumo de energía por concepto de climatización (Álvarez et al.,
2007). La mayoría de estos diseños tienden a incrementar la carga térmica en su interior (Álvarez et
al., 2007), Este proyecto surgió de la necesidad de buscar y analizar las condiciones que permitan el
desarrollo y convivencia óptima para lograr un sistema sustentable.
Para ello se tuvo que realizar un biotipo que permite manejar los indicadores (temperatura, humedad,
iluminación y P.H) a partir de la nivelación de los estándares necesarios para la convivencia de tres
especies distintas y así obtener datos óptimos durante el desarrollo de éstas.
pág. 8225
De ese modo y, partiendo de la teoría del desarrollo adecuado de cada especie en condiciones ideales, el
desarrollo de estas dentro de la cámara climática se expresa como una estimación de aumento de la
población que permite que cada una dependa de la otra o, dicho de otro modo, como un sistema
sustentable
Para lograr estas estimaciones, se recurre a utilizar cada especie supervisada con las valoraciones
cuantitativas de los indicadores siguientes: pH entre 6.0 y 7.0, temperatura de entre 20
o
y 28
o
grados
Celsius, y la iluminación baja, humedad para la especie terrestre del 75 al 80%, [7,8], extrayendo
muestras de producto en distintos días previos al desarrollo teórico y clasificando el producto en función
de una valoración de la calidad umbral. Estos ensayos requieren de múltiples extracciones de muestras
para analizar, además de la repetición de los experimentos con diferentes variaciones de conservación.
Sin embargo, la disponibilidad limitada de cámaras y la dificultad de alterar las condiciones de
conservación para realizar los experimentos han motivado el desarrollo de este trabajo, consistente en
el desarrollo de un biotipo portátil de coste reducido, donde es posible alterar las condiciones de
temperatura y humedad dadas mediante un sistema de control.
Como resultado de este análisis, se determinó como primera etapa la creación de un biotipo de cámara
climática para crecimiento controlado de diversas especies con efecto invernadero que permita un
entorno adecuado para lograr la supervivencia sustentable.
El biotipo está fabricado a partir de un conducto rectangular realizado con láminas de acrílico color verde
que se encarga de aislar los productos y mantener así su temperatura independiente de perturbaciones
externas no provocadas. Las condiciones térmicas dentro de la cámara se obtienen mediante la impulsión
de aire, cuya temperatura y caudal puede ser modificado mediante acciones de control. Para mantener
unas condiciones térmicas homogéneas en el interior, se ubicaron medios porosos para generar un flujo
pistón uniforme.
El sistema se ha diseñado para que sea capaz de reproducir un ciclo temperatura-tiempo. De este modo,
es posible programar una determinada evolución térmica durante un número de días concreto para poder
extraer las muestras de producto y proceder a su análisis cualitativo. Estos ensayos permiten establecer
correlaciones entre las variaciones observadas dentro de la cámara climática.
pág. 8226
El trabajo describe el dimensionamiento y diseño del biotipo. La identificación del modelo representado
por la función de transferencia, las acciones de control y los sensores, así como el ajuste de los distintos
parámetros del controlador ensayados para obtener unas determinadas especificaciones dinámicas y
permanentes que validen la utilidad de la cámara climática.
La cámara funcionará través de un temporizador que estará adaptado al humidificador para que así este
pueda hacer su actividad de manera controlada a través de un tubo pvc que va a rociar el agua,
Termoeléctrico Peltier de enfriamiento, refrigeración que ayudará a estabilizar la temperatura cuando
esta no se encuentre en las condiciones necesarias. Colocaremos 3 capas las cuales consisten de una
especie acuática (Acociles denominados por su nombre científico como Cambarellus), lombriz roja
californiana (Eisenia Foetida) y Lechuga Baby, las lombrices se encontrarán en la parte inferior
seguidas de la especie acuática y la lechuga se encontrara la parte superior para así generar un sistema
de hidroponía y a la vez sustentable, todo esto dentro del biotipo climático de crecimiento con efecto
invernadero.
Cabe mencionar que este biotipo tendrá tres sensores, un sensor para determinar el porcentaje de
humedad, otro el índice de ph, y por último el rango de temperatura ambiente. Estos funcionaran de la
siguiente manera:
Básicamente va a consistir en un sensor que emite la información recabada, un segundo sensor que es
el que va a recibir la información y un servidor. El sensor que va a emitir la información requerida
seguida de un transmisor llámese GMS - GPRS que es el que le hará llegar la información al servidor
y así realizar una programación en C para los comandos de los transmisores.
JUSTIFICACIÓN
La justificación para la investigación de las especies mencionadas en este artículo y lo que producen se
basa en su relevancia ecológica, su potencial económico, los beneficios sociales que puede aportar, su
contribución a la ciencia y su valor educativo. Esta investigación tiene el potencial de aportar soluciones
prácticas y sostenibles a los desafíos ambientales, económicos y sociales, y de contribuir a nuestra
comprensión y apreciación de la naturaleza y la biodiversidad. La justificación para la investigación,
elaboración del biotipo e implementación de tres especies completamente diferentes puede ser ampliada
de la siguiente manera:
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Importancia Ecológica y Sostenibilidad Ambiental: La Eisenia fetida, también conocida como
lombriz roja, juega un papel crucial en la descomposición de la materia orgánica, transformándola en
humus y lixiviado, ambos ricos en nutrientes. Este proceso es vital para la salud del suelo y la
sostenibilidad de los ecosistemas. La lombriz roja es una especie adaptada a la descomposición de
material orgánico, prosperando en vegetación en descomposición, compost y estiércol. Sin embargo,
aún hay mucho que aprender sobre las complejidades de este proceso, cómo maximizar su eficiencia y
cómo puede ser utilizado para mejorar la gestión de residuos y la sostenibilidad ambiental. La
investigación en este campo puede proporcionar valiosos conocimientos y soluciones prácticas para
estos desafíos.
Potencial Económico y Desarrollo de la Agricultura Orgánica: En un mundo cada vez más
consciente de la importancia de la sostenibilidad y la agricultura orgánica, los productos como el humus
y el lixiviado son muy valorados. Estos productos naturales pueden ser utilizados como fertilizantes
orgánicos, mejorando la salud del suelo y promoviendo el crecimiento de las plantas sin el uso de
químicos dañinos. La investigación puede ayudar a optimizar la producción de estos productos,
desarrollar métodos más eficientes y rentables para su comercialización y explorar nuevas aplicaciones
y mercados para estos productos.
Beneficios Sociales y Desarrollo Económico Local: La producción y comercialización de humus y
lixiviado pueden tener importantes beneficios sociales. Pueden generar empleo, contribuir al desarrollo
económico local y promover la agricultura sostenible. La investigación puede ayudar a identificar las
mejores prácticas y estrategias para maximizar estos beneficios, y a entender cómo estos procesos
pueden ser integrados en las comunidades locales de manera efectiva y beneficiosa.
Contribución a la Ciencia y la Educación: La Eisenia fetida es una especie fascinante con muchas
características únicas. La investigación en este campo puede contribuir a nuestra comprensión de la
biología de estas lombrices, de su papel en los ecosistemas y de los procesos de descomposición y
formación de humus y lixiviado. Además, la investigación en este campo puede ser una excelente
herramienta educativa, ayudando a concienciar sobre la importancia de la sostenibilidad, la gestión de
residuos y la conservación de la biodiversidad.
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En base a lo anterior, se justifica que los nutrientes existentes en La lombriz Californiana, así como los
acociles, son una gran alternativa para poder alimentar tanto animales como al ser humano, con los
cuales se busca reducir el gasto mediante alternativas sustentables y ecológicas que favorezcan el
desarrollo en la Ciudad de México.
En la Ciudad de México, la lechuga ocupa el tercer lugar entre las nueve hortalizas principales que se
cultivan, con una producción anual de 2,540 toneladas. La siembra de hortalizas en general ocupa 4,134
hectáreas, que representa el 2.7% de la superficie de la capital, y se estima que hay 2,492 productores
dedicados a estos cultivos1.
Respecto a la lechuga hidropónica, la información es un poco más difícil de obtener. Según un productor
de lechugas hidropónicas en la Ciudad de México, tiene un promedio de siembra de unas 1,200 semillas
y cosecha 1,000 lechugas, que tardan alrededor de 60 días en alcanzar el tamaño adecuado para su
comercialización.
En general, para el año 2021, se sembraron 262 hectáreas de lechuga en la Ciudad de México, obteniendo
una producción de 3,261.99 toneladas. Sin embargo, este dato no especifica qué proporción de esta
producción fue de lechugas cultivadas hidropónicamente.
Nutrirse es indispensable para la vida, pero hacerlo bien es imprescindible para la salud. Si esta
necesidad básica no se satisface, se ponen en peligro la supervivencia y la salud. Todo individuo nace
con una serie de potencialidades que desarrollará en mayor o menor grado según las limitaciones que
encuentre a lo largo de su vida; si la limitación comienza por la insatisfacción de la necesidad más
inmediata y fundamental y que debería suponerse siempre satisfecha, es muy difícil que el desnutrido
desarrolle más que en grado mínimo el potencial con el que nace. Del grado de la desnutrición depende,
por otra parte, la posibilidad de corregirla y reducir sus consecuencias.
La inseguridad alimentaria es un desafío global que requiere la intervención de los gobiernos para
abordar tanto las causas como las consecuencias de la falta de alimentos que afecta a millones de
personas. En este sentido, el gobierno de la Ciudad de México ha implementado diversos programas,
como la Unidad de Atención para la Población vulnerable: Estrategia Integral de Asistencia Social
Alimentaria y Desarrollo Comunitario (EIASADC), con el objetivo de combatir la inseguridad
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alimentaria. En el año 2016, se identificó también la presencia de problemas de sobrepeso y obesidad
en la población.
El proyecto de Sustentabilidad alimentaria en la Ciudad de México: Lechuga, Acociles y lombrices en
el Biotopo Hidropónico Autosustentable se presenta como una solución innovadora y cuantificable para
abordar los desafíos relacionados con la inseguridad alimentaria y las problemáticas de malnutrición y
obesidad en la ciudad.
Gracias a los procesos de alta proteína presentes en las lombrices y acociles, así como las propiedades
nutritivas de la lechuga, este proyecto tiene como objetivo proporcionar alimentos de calidad y alto valor
nutricional a los habitantes de la Ciudad de México, especialmente aquellos que se encuentran en
situación de vulnerabilidad.
La implementación del Biotopo Hidropónico Autosustentable no solo garantizará el suministro
constante de alimentos saludables, sino que también contribuirá a fortalecer los programas de asistencia
social alimentaria activa en la ciudad.
Además, se destaca que Xochimilco es la delegación líder en producción pecuaria, seguida de Tlalpan,
Milpa Alta, Tláhuac y La Magdalena Contreras. Estas cifras evidencian la relevancia y el potencial de
impulsar proyectos como el Biotopo Hidropónico Autosustentable para fortalecer la ganadería y
diversificar las fuentes de alimentación.
Es importante tener en cuenta que la inseguridad alimentaria afecta especialmente a los niños en edad
escolar y adolescentes en México, y las tasas más altas de sobrepeso se observan en hogares con
inseguridad alimentaria severa. Este proyecto busca abordar estas problemáticas de manera integral,
ofreciendo alimentos nutritivos y contribuyendo a reducir tanto la malnutrición como la obesidad en la
población de la Ciudad de México.
El programa principal es el de Estrategia integral de asistencia social y alimentaria y desarrollo
comunitario (EIASADC) de este parte el programa de desayunos escolares del cual Existen 2,419
planteles y dependen 484,644 niños basados en la informacion provista por el documento del Estrategia
Integral de Asistencia Social Alimentaria y Desarrollo Comunitario (EIASADC) del 2022[1]. Esta
propuesta se compromete a proveer los insumos pertinente al 25% de los planteles lo cual equivale a
121,161 niños beneficiados.
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METODOLOGÍA Y RESULTADOS
Para alcanzar los objetivos del proyecto, se realizaron las siguientes tareas:
Diseño de un biotipo de cámara de crecimiento con acrílico, la cual deberá contener las separaciones
para cada una de las especies: Acociles, lombriz roja californiana y Lechuga Baby. Dentro del biotopo
se encontrarán sus respectivos sensores con los elementos necesarios para la medición y regulación de
humedad (humidificador), temperatura, pH y control de riego.
La cámara funcionará través de un temporizador que estará adaptado al humidificador para que así este
pueda hacer su actividad de manera controlada a través de un tubo pvc que va a rociar el agua, un
termoeléctrico Peltier de enfriamiento, refrigeración que ayudará a estabilizar la temperatura cuando
esta no se encuentre en las condiciones necesarias. El material utilizado es el siguiente:
▪ Tubo PVC
▪ Puertas abatibles horizontales
▪ Célula Peltier de una manera controlada
▪ Acrílico de 6mm y 3mm
▪ Perfil de Aluminio estructural 30x30 con una ranura de 8mm, aleación 6105 (barra de 3 m)
▪ Perillas
▪ Sensores para medición de humedad, pH y temperatura
▪ Abrazaderas
▪ Bisagras de latón 4 remaches
▪ Manguera tipo oruga flexible
▪ Sellador acrílico
▪ Pasto sintético
▪ Ventiladores Termoeléctrico Peltier de enfriamiento refrigeración
▪ Humidificador
El biotipo contendrá en la parte de abajo la lombriz y posteriormente los acociles seguida de la lechuga
baby.
Esta lechuga se nutrirá de los desechos orgánicos de los acociles y la lombriz. La lombriz se alimenta
entre otras cosas de la lechuga y finalmente los acociles se alimentan de la lombriz.
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Dentro de la cámara el principal reto es controlar la temperatura óptima para las tres especies a través
del Termoeléctrico Peltier de enfriamiento refrigeración y con el humidificador tener un previo control
del suministro de agua.
En los estanques de agua dulce se colocarán un macho y dos hembras de la especie acuática estos
estanques tendrán una inclinación que permita el flujo del agua la cual al final retorna previo sistema de
filtrado con una bomba la cual limpia los desechos orgánicos de la especie, siguiendo el sistema del
biotipo en la parte superior irán las lechugas baby y tres camas de lombriz.
Este biotipo además debe de cumplir con los siguientes requisitos:
▪ Control automatizado de la temperatura y la humedad
▪ Puertas de fácil manejo para las operaciones que se van a realizar
▪ Mejor desarrollo y calidad en el crecimiento de 3 especies (acuática, terrestre y vegetal)
▪ Tener un ambiente controlado
▪ Evitar pérdida de agua
▪ Control de pH
▪ Sistema de riego
▪ Suministro de agua en cantidades necesarias
▪ Alta resistencia corrosiva
▪ Templado térmico
▪ Termoeléctrico Peltier de enfriamiento y refrigeración
▪ Efecto invernadero
▪ Ambiente cerrado
▪ Cultivo hidropónico
Modelado inicial del biotopo
Con el objetivo de modelar el biotopo, se probaron varios diseños. Como primera hipótesis, se pensó en
que el biotopo constara de dos capas: una interna y otra externa, separada a cierta distancia de la interna,
que actuaría como aislante. Se rechazó este diseño, debido a que iba a ser difícil de implementar y no
nos iba a garantizar que los resultados fuesen los deseados.
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El diseño final de la cámara consiste en un conducto rectangular de 2x1x1m
3
que está formado por una
sola capa de material, encargada de aislar su interior.
(Figura 1 y 2).
Figura 1. Primer diseño exterior planeado del biotipo en software CAD
Figura 2: Diseño interior y simulación del biotipo en software CAD
Estudio de la mecánica de fluidos del prototipo mediante una simulación con ANSYS
Una simulación ayuda a conocer el comportamiento de un prototipo y verificar si es el adecuado. Para
ello, se empleó el software de simulación de ingeniería ANSYS, desarrollado para trabajar con
volúmenes finitos en el caso de la mecánica de fluidos.
Partiendo de los condicionantes de diseño expuestos, la hipótesis consiste en que, utilizando únicamente
un ventilador y una resistencia calefactora, se consiga modificar la variable de la temperatura en unas
condiciones controladas.
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Por ello, el flujo en el interior de la cámara debe de ser uniforme en toda la geometría y no deben existir
recirculaciones que produzcan un cambio en el comportamiento del aire. Para este fin, se ha
implementado un análisis de las condiciones térmicas y fluidodinámicas de la cámara a estudiar
mediante simulación numérica.
En el interior del conducto rectangular se colocaron dos medios porosos: uno situado a 20 cm de
distancia al inicio del conducto (color marrón oscuro en Figura 3) y otro a 10 cm de distancia al final
del conducto (color claro en la Figura 4). En dicha zona de trabajo se analizó el campo de presiones
(Figura 3) y de, temperaturas (Figura 4), donde se pudo observar que presentaban un comportamiento
suficientemente homogéneo.
Figura 3: Evolución del campo de presiones en el interior del dominio.
Figura 4: Evolución del campo de temperaturas en el interior del dominio.
Utilizando las simulaciones se establecieron los caudales idóneos (100 m
3
/h y 30 m
3
/h) para mantener
una temperatura suficientemente constante, en la zona de trabajo (desde 0,2 m hasta 0,9 m de longitud),
que se puede observar resaltada en la Figura 5. Además, se aprecia que la evolución de la temperatura
posee un mejor comportamiento con un caudal de 100 m
3
/h, por lo que se decidió trabajar con este valor.
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Figura 5: Evolución de la temperatura en el interior de la zona de trabajo.
Elaboración del diseño geométrico real del biotopo
Se diseña un biotipo de cámara de crecimiento con acrílico, la cual contiene las separaciones para cada una
de las especies y sus respectivos sensores con los elementos necesarios para la medición y regulación
de humedad (humidificador), temperatura, pH y control de riego.
Figura 6. Biotipo
El biotipo funcionará través de un temporizador que estará adaptado al humidificador para que así este
pueda hacer su actividad de manera controlada a través de un tubo PVC que va a rociar el agua,
Termoeléctrico Peltier de enfriamiento, refrigeración que ayudará a estabilizar la temperatura cuando
esta no se encuentre en las condiciones necesarias. Colocaremos 3 capas las cuales albergarán las 3 especies
ya previamente mencionadas.
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Figura 6. Sistema humidificador regulable y capas para albergar las distintas especies
Cabe mencionar que esta cámara tendrá tres sensores, un sensor para determinar el porcentaje de
humedad, otro el índice de pH, y por último el rango de temperatura ambiente Básicamente va a
consistir en un sensor que emite la información recabada, un segundo sensor que es el que va a recibir
la información y un servidor. El sensor que va a emitir la información requerida seguida de un transmisor
llámese GMS - GPRS que es el que le hará llegar la información al servidor y así realizar una
programación en C para programar los comandos de los transmisores.
El proceso de funcionamiento del biotopo se organiza en tres capas, siguiendo el orden mencionado
anteriormente. Mediante el uso de una bomba, se extrae el lixiviado y el agua de los acociles, que luego
se utilizan en un ciclo de riego para alimentar las lechugas baby leaf. Este sistema se encuentra
automatizado y controlado por sensores de humedad, temperatura y nivel de agua.
El ciclo comienza con el cultivo de las lechugas baby leaf sobre el humus de la lombriz californiana,
permitiendo que absorban los nutrientes necesarios. Además, las lombrices se alimentan de las raíces de
la lechuga. A medida que el proceso avanza, el lixiviado se genera y fluye hacia abajo, acumulándose en
un contenedor. Este contenedor está equipado con un sensor que activa la bomba de riego cuando se
alcanza un nivel determinado, asegurando el suministro adecuado de lixiviado a las lechugas.
Simultáneamente, los residuos caen hacia el área destinada a los acociles a través de conductos
pequeños, proporcionando alimento para estas especies. Para el cambio de agua en el contenedor de los
acociles, se utiliza otra bomba que sigue el mismo flujo, llevando el agua hacia el sistema de riego.
Este enfoque de riego y alimentación permite un ciclo continuo y eficiente dentro del biotopo sustentable,
asegurando el suministro de nutrientes necesarios tanto para las lechugas como para los acociles, y
promoviendo un uso eficiente de los recursos disponibles.
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Figura 7 Sistema de riego y sistema de temperatura con placa Peltier
La realimentación térmica se realiza mediante un sensor de temperatura y humedad relativa distribuidos
en el interior de la cámara, que se encuentran sujetos mediante unos soportes diseñados a tal efecto
(Figura 7). A ello se le añade un ventilador y una resistencia, sujetos por un acople y a su vez por una
brida diseñadas mediante fabricación aditiva. Disponiendo, además de salidas para manejar las acciones
de control. Para programar este equipo se utiliza el software de soporte Arduino, IoT y blynk iot
encargado además de la gestión de los datos instrumentados.
Para la entrada de aire, se emplea un ventilador de 24W con caudal volumétrico regulable por tensión.
Para calentar el aire, se utiliza una resistencia tipo PTC con una potencia nominal de 150W. El conjunto
se puede visualizar en la Figura 7.
Incorporación de sensores y actuadores
Para tener estos niveles de temperatura, humedad y pH controlados se implementó un circuito de
monitoreo electrónico a través del entorno de la placa de desarrollo Arduino y sensores para cada
parámetro del ambiente. La placa Arduino junto con los sensores se encargan de medir los niveles de la
cámara climática para que después se visualicen a través de una pantalla LCD que va a ir integrado en
la cámara climática y se pueda tener el ambiente controlado para la reproducción ideal de la especie que
se vaya a colocar dentro de ella.
1. Diseño para el despliegue los datos en la pantalla LCD: Se configuran los datos que se visualizan
en la pantalla LCD de una perilla (potenciómetro) por botones push tanto en su parte de hardware
como de software.
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2. Integrar la tecnología IoT: Se implementa la tecnología IoT al proyecto para el envío de los datos
que recolectan los sensores de la cámara climática al celular y así visualizarlos desde cualquier parte.
3. Incorporar la interfaz de blynk iot al proyecto para volverlo Domótico. Se optó por este software
porque facilita la conexión de dispositivos a internet a través de una variedad de protocolos, como
el wifi, bluetooth, ethernet y demás.
Diseño del Esquemático Eléctrico
Se presenta el diagrama de conexiones del circuito, sus conexiones entre los sensores a la placa Arduino,
al igual que, en forma de lista las conexiones escritas de los pines de cada sensor a la placa Arduino.
Cabe mencionar que para el módulo ESp-01s se le debe agregar un convertidor de nivel lógico que se
menciona en la lista de materiales, este va a ir entre los pines del Esp-01s (RX y TX) y el Arduino, esto
ya que el módulo trabaja a 3.3v y el Arduino en sus pines da 5V, lo cual durante un lapso estando
conectado el esp-01s puede llegar a quemarse por ese sobrevoltaje, y lo que ayuda el convertidor de
nivel es convertir esos 5v del Arduino en 3.3v para el módulo y viceversa. (Figura 8).
Tabla 1
Pantalla LCD 128x64:
(Pin/Pin Arduino)
Pin1 (GND) – GND Pin2
(VCC) – 5V Pin4 (RS) – Pin 10
Pin5 (R/W) – Pin 11 Pin6 (E) –
Pin 13 Pin 15 (PSB) – GND
Pin 17(RST) – Pin 9 Pin 19
(BLA) – 5V Pin 20 (BLK) –
GND
Sensor PH:
PO – A3 G – GND G
– GND V+ – 5V
LM35: Pin1 (VCC) – 5V
Pin2 (VOUT) – A0 Pin3
(GND) – GND
ESP–01s: GND –
GND TX – Pin 2 EN
– 3.3V
3.3 – 3.3V RX – Pin 3
DHT22:
Pin 1 – 5V
Pin 2 – Pin 8 (conexión
resistencia PULL UP)
Pin 3 – No Conectar Pin 4 –
GND
pág. 8238
Figura 8. Diagrama de conexión del circuito de monitoreo.
Pines Virtuales
Se programan los datastreams (los pines virtuales), que son los que se encargan de recibir los datos
proporcionados por el código fuente para enviarlos y mostrarlos en la aplicación de acuerdo en el widget
que se le haya colocado. (Figura 9).
▪ Pin V4: Se encarga de recibir los datos de temperatura del dht22 y enviarlos al widget
correspondiente.
▪ Pin V5: Se encarga de recibir los datos de humedad del dht22 y enviarlos al widget correspondiente.
▪ Pin V6: Se encarga de recibir los datos de humedad del lm35 y enviarlos al widget correspondiente.
▪ Pin V7: Se encarga de recibir los datos de humedad del Sensor de humedad capacitivo anticorrosivo
y enviarlos al widget correspondiente.
▪ Pin V8: Se encarga de recibir los datos de pH y enviarlos al widget correspondiente.
pág. 8239
Figura 9. Programación de los datastreams.
Ensayos de identificación del Sistema
La variación de temperatura se obtuvo a partir de dos señales de control: tensión del ventilador y potencia
de la resistencia calefactora. Para facilitar el estudio, se decidió mantener constante el valor de la tensión
del ventilador y dejar como única variable manipulada la potencia de la resistencia. La identificación
consistió en la aplicación de entradas tipo escalón a la variable manipulada, considerando el proceso
como una caja negra.
Las pruebas de identificación se llevaron a cabo en el interior del biotopo tomando como base de partida
una temperatura 15ºC que suele ser la habitual en el ambiente
El comportamiento del sistema, debido a su carácter térmico, se asemejará a un sistema de primer orden
con retardo.
Se estudió el comportamiento del ventilador para distintas tensiones: 6V, cuyo valor equivale a 100
m3/h, y 10V, equivalente a 167 m3/h. Con un caudal de 100 m3/h se producía un flujo laminar y sin
grandes alteraciones térmicas. Por este motivo se escogió como valor óptimo la tensión de 6V. Una vez
fijado este valor, se realizó la identificación de la función de transferencia de temperatura en el biotopo
para distintas potencias aplicadas a la resistencia (44,5W y 60,4W).
𝑌(𝑠) 𝐾
𝐺
(
𝑠
)
= =
𝑈(𝑠) 1 + 𝜏𝑠
· 𝑒
–Ls
(1)
pág. 8240
Las diferentes potencias aplicadas al sistema se generaron por medio de salidas binarias proporcionadas
por el datalogger, cuyo valor de potencia se adaptaba mediante un relé. El relé se conmutaba mediante
una señal Pulse Width Modulation (PWM), en donde cuanto mayor era su ciclo de trabajo, mayor tiempo
se mantenía encendido el relé, y, por tanto, mayor era la potencia media entregada a la resistencia
calefactora.
Figura 10: Identificación de la función de transferencia a 6V y con un escalón de 0 a 44,5W.
Figura 11: Identificación de la función de transferencia a 6V y con un escalón de 0 a 60,4W.
En la representación de las gráficas, tanto para 44,5W (Figura 10) como para 60,4W (Figura 11), se
puede observar la temperatura exterior medida de dos maneras: mediante un sensor de temperatura SDI-
12 (“TempB”) y con el datalogger (“TempExt”). Por un lado, se aprecia la temperatura corregida media
de las superficies porosas (temperatura media restándole la temperatura del exterior) medida con el
datalogger (“Tempcmr1” y “Tempcmr2”)
Se estudió el comportamiento del ventilador para distintas tensiones: 6V, cuyo valor equivale a 100
m
3
/h, y 10V, equivalente a 167 m
3
/h. Con un caudal de 100 m
3
/h se producía un flujo laminar y sin
grandes alteraciones térmicas. Por este motivo se escogió como valor óptimo la tensión de 6V.
pág. 8241
Una vez fijado este valor, se realizó la identificación de la función de transferencia de temperatura en la
cámara. Con el fin de realizar posteriormente un control realista, se identificó la función de transferencia
en la que la temperatura exterior del sistema se mide mediante el sensor B, puesto que la otra función es
correcta pero no representa a la realidad. Además, la función de transferencia será la media de las FDT
identificadas para las potencias de 44,5W y 60,5W. El retardo identificado fue despreciable frente a la
constante de tiempo del sistema que era igual a 2,6 minutos.
Figura 12: Estructura clásica de sistema de control realimentado.
Por otro lado, la estimación de la producción de acociles, lombrices y lechuga baby en relación al biotopo
destinada a la población de la Ciudad de México puede variar según diferentes factores, como el tamaño
de la cámara, las condiciones de crianza y cultivo, y la capacidad reproductiva de las especies
involucradas.
Figura 13. Espécimen de acocil joven
pág. 8242
Figura 14. Zona de procreación de los acociles controlada
En cuanto a las lombrices, su capacidad de reproducción es elevada, lo que permite obtener una
producción significativa en poco tiempo. Por ejemplo, se estima que una lombriz roja (Eisenia foetida)
puede generar de 4 a 5 lombrices jóvenes por semana. Considerando un número inicial de lombrices y
su tasa de reproducción, se puede calcular una estimación de la producción a lo largo del tiempo. Si se
comienza con 100 lombrices y cada una produce 4 lombrices jóvenes semanalmente, después de un año
se podría obtener una población de alrededor de 20,000 lombrices.
Figura15. Zona de procreación de lombriz californiana
Figura 16. Extracción de lixiviado
pág. 8243
Figura 17. Humus de lombriz y composta
En cuanto al cultivo de lechuga baby en el sistema hidropónico, la producción varía en función del área
de cultivo y la densidad de plantas. Por ejemplo, si se utilizan mesas de cultivo hidropónico con una
densidad de 20 plantas por metro cuadrado y se dispone de 10 metros cuadrados para el cultivo, se estima
una producción de aproximadamente 200 plantas de lechuga baby.
Es importante tener en cuenta que estas estimaciones son aproximadas y pueden variar según las
condiciones específicas. Además, se pueden implementar estrategias de manejo y optimización para
aumentar la producción de acociles, lombrices y lechuga baby en la cámara ambiental.
Impactos esperados.
El enfoque principal es brindar soluciones accesibles y beneficiosas para la población de nuestra
comunidad en la Ciudad de México. La seguridad alimentaria es un aspecto fundamental, y a través de
este proyecto buscamos ofrecer opciones nutritivas y frescas a nuestra comunidad. Al cultivar lechuga
baby en un sistema hidropónico, podemos garantizar una producción libre de pesticidas y con altos
estándares de calidad.
Además de abordar la seguridad alimentaria, también nos preocupamos por promover la conciencia
ambiental y educar a la comunidad sobre la importancia de la producción sostenible de alimentos en un
entorno urbano. La implementación de esta cámara ambiental nos permitirá minimizar el impacto
ambiental al utilizar técnicas de cultivo eficientes que reducen el consumo de agua y evitan la
contaminación del suelo.
Lista de Testeos
Las pruebas que se realizaron para verificar el correcto funcionamiento del biotopo arrojaron los
siguientes resultados:
pág. 8244
Botones
▪ Al presionar el botón 1 la pantalla LCD muestra los datos de temperatura y humedad del sensor
dht22.
▪ El botón 2 muestra los datos de temperatura del lm35 y humedad del sensor de humedad
anticorrosivo capacitivo.
▪ Por último, el botón 3 muestra los datos de pH.
2. Temperatura: Se verificó que la temperatura del lm35 coinciden con los de temperatura del dht22.
3. Humedad suelo: para comprobar que los datos del sensor de humedad del suelo son correctos, se
sumerge parte del sensor al agua y el porcentaje de humedad mostró un porcentaje de bajo del 3%,
lo cual es correcto.
Mediante los cálculos realizados por producción al año de lombrices, acociles y lechugas, obtenemos
los siguientes resultados por metro cuadrado:
Se producen 150 acociles cada cuatro meses, que en total representan 450 acociles al año. Cada uno
pesa aproximadamente 1 gramo, lo que genera alrededor de 0.1125 kilogramos (112.5 gramos) de harina
de acocil al año. Los acociles alcanzan su etapa de madurez a los 4 meses.
En el caso de las lombrices, mantenemos 800 individuos al año, cada una pesando alrededor de 1.4g.
Esto resulta en una generación de 0.1244 kilogramos (124.4 gramos) de harina de lombriz al año. Las
lombrices alcanzan su etapa de madurez a los 90 días.
Además, en el espacio para la lechuga baby, se cultivan 20 lechugas cada 45 días por metro cuadrado,
lo que equivale a una producción total de 160 lechugas por metro cuadrado al año.
En resumen, al año, por cada metro cuadrado de producción, se generan 0.1244 kg de harina de lombriz,
0.1125 kg de harina de acocil, y se cultivan 160 lechugas. Los acociles y las lombrices alcanzan su etapa
de madurez a los 4 meses y 90 días respectivamente. Estos resultados pueden ser significativos para
programas sociales de alimentación en la Ciudad de México, como el programa de desayunos escolares,
contribuyendo al bienestar nutricional de los beneficiarios de estos programas.
pág. 8245
Según los análisis realizados:
▪ El contenido de proteínas de la lombriz, en su estado seco, es del 58,87%. Esto significa que si se
seca completamente una lombriz que pesa 1 gramo, aproximadamente 0,5887 gramos de ese peso
serían proteínas.
▪ Además, este alto contenido de proteínas coincide con las necesidades de los peces y acociles, que
requieren niveles de proteína entre el 35% y el 60%.
▪ También se mencionan los niveles de otros nutrientes, como los aminoácidos esenciales (lisina,
metionina, arginina, valina), las grasas (7,94% en estado seco), las cenizas (13,53% en estado seco),
y los carbohidratos (19,63% en estado seco).
Por otro lado, El Cangrejo de Río Americano (Cambarus spp.), también conocido como acocil, es una
especie de crustáceo de agua dulce. De acuerdo con los análisis realizados:
▪ El contenido de proteínas del acocil, en su estado seco, es del 67,26%. Esto significa que si se seca
completamente un acocil que pesa 1 gramo, aproximadamente 0,6726 gramos de ese peso serían
proteínas.
▪ Además, este alto contenido de proteínas podría ser beneficioso para los peces, que requieren niveles
de proteína entre el 35% y el 60% en su dieta.
▪ También se mencionan los niveles de otros nutrientes. Las grasas representan el 5,457% en estado
seco, las cenizas el 15,323% y los carbohidratos el 3,45%. Aunque no se proporcionó información
específica sobre aminoácidos esenciales en el acocil, su alto contenido de proteínas sugiere que
podría ser una buena fuente de estos.
▪ El acocil también es notable por su alto contenido de minerales, incluyendo calcio (3760 mg), hierro
(28,6 mg), magnesio (1100 mg), fósforo (1310 mg), y potasio (1760 mg).
CONCLUSIONES
Existen muchas razones para pensar que en un futuro viviremos de una manera más amigable con el
medio ambiente. Una de ellas son los diversos proyectos que constituyen verdaderos ejemplos de
desarrollo sustentable, ideas que tratan de solucionar un problema humano de manera ingeniosa a la vez
que disminuyen el daño ambiental que se causa.
pág. 8246
Ante las múltiples crisis que vivimos se pueden proponer como “solución” aplicar nuevas tecnologías,
la cámara de crecimiento (biotopo) puede ser una de ellas, al ser un proyecto sustentable se centra en la
integridad del medio ambiente que al mismo tiempo su huella de carbono es muy baja.
La conclusión principal que se extrae de este trabajo es que es totalmente factible el diseño de un biotopo
de coste reducido, con un control que permita seguir un determinado ciclo temporal de temperatura.
La construcción del biotopo no ha sido una labor simple, puesto que se han escogido unos sensores y
actuadores específicos para este proyecto y además se han diseñado en 3D todas las piezas y accesorios
necesarios para el correcto su funcionamiento. Cabe destacar, que la complejidad de diseñar una pieza
en 3D aumenta cuando no se tienen unas medidas exactas a las que recurrir, ya que no se tiene una visión
precisa de cómo va a ser la pieza hasta que no se imprima. Por lo que, varias piezas se tuvieron que
rediseñar porque no cumplían las especificaciones.
Los valores de temperaturas observados en los diferentes puntos de medida concluyen que el diseño
termodinámico de la cámara es acertado, las dimensiones permiten ubicar tres espacios dentro del
biotopo para las distintas especies.
En cuanto a la identificación del sistema en una habitación con distintos grados de temperatura y al no
tener un conocimiento previo de cómo se podía comportar el sistema ante cualquier escalón, se
realizaron una gran cantidad de experimentos los cuales han servido para definir los límites de las
acciones de control y el dimensionamiento del biotopo y sus componentes.
El control del sistema no requirió de demasiados ensayos, debido a que, con ayuda de los cálculos
teóricos y simulaciones previas, teníamos un conocimiento aproximado de cómo controlar el sistema.
Lo que finalmente se puede afirmar es que, se ha logrado el objetivo principal del proyecto, con
excepción de la realización de ensayos con las tres especies mencionadas. Tras un largo periodo de
experimentos de identificación y de control, se ha conseguido que el sistema responda a las señales de
referencia de temperatura, pH y humedad.
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