O Termo de Aprovação assinado encontra-se em arquivo da coordenação
Por meio deste termo, aprovamos a monografia do Projeto de Pesquisa "DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA AUTOMATIZADO DE BAIXO CUSTO DE HORTAS VERTICAIS COMO UM PRODUTO PARA O MERCADO", realizado pelo aluno(s) Fernando Henrique Teixeira e Leonardo Baggio Ortolani, como requisito para aprovação na disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso 2, do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Prof. Doutor Silvestre Labiak Junior DAMEC, UTFPR-CT
Orientador
Prof. Doutor Celso Salamon DAMEC, UTFPR-CT
Avaliador
Prof. Doutor Eloy Casagrande DACOC, UTFPR-CT
Avaliador
TEIXEIRA, Fernando Henrique; ORTOLANI, Leonardo Baggio. DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA AUTOMATIZADO DE BAIXO CUSTO DE HORTAS VERTICAIS COMO UM PRODUTO PARA O MERCADO. 109 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Departa-mento Acadêmico de Engenharia Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2018.
As hortas verticais de proporção industrial já são uma realidade em locais distintos como Estados Unidos, Japão e Reino Unido. Essas fazendas em lugares fechados são pioneiras, e o conceito que elas utilizam pode ser aplicado em uma escala menor, como por exemplo a nível residencial. Para desenvolver essa ideia, esse trabalho busca uma base de conheci-mento para o desenvolviconheci-mento desse tipo de horta, abrangendo seus possíveis impactos na maneira que produzimos comida, o jeito que enxergamos a distribuição de alimentos, os benefícios ambientais que a horta vertical traz consigo e os aspectos técnicos que são ne-cessários para a construção da horta. Usando a metodologia SCRUM foi desenvolvido um protótipo para provar a viabilidade do conceito, ao mesmo tempo em que era construído um modelo de negócio para responder a questão da sustentabilidade de um empreen-dimento para comercializar hortas verticais automatizadas e de baixa manutenção. Os resultados corroboram que há possibilidade exploração comercial.
TEIXEIRA, Fernando Henrique; ORTOLANI, Leonardo Baggio. DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA AUTOMATIZADO DE BAIXO CUSTO DE HORTAS VERTICAIS COMO UM PRODUTO PARA O MERCADO. 109 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Departa-mento Acadêmico de Engenharia Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2018.
Vertical Garden are already a reality in many countries such as United Sates, Japan and United Kingdom. This farms in enclosed places have a concept that can be applied in a small scale. To develop this idea, this work explains the main point that a vertical Garden is consisted, analysing the positive impacts this kind of farm will have in the environment. Through the SCRUM methodology a prototype was developed to confirm the concepts and the viability of vertical gardens. The results also show that there is a commercial potential in the developed product
PVC Policloreto de vinila LED Light emitting diode
OLED Organic light-emitting diode
BPA Bisfenol A
PV Variáveis do processo
MV Variáveis manipuladas
CLP Controladores lógicos programáveis
B2B Business to Business
Figura 1 – Áreas do conhecimento utilizadas (Os Autores) . . . 15
Figura 2 – Representação de um sistema hidropônico (SITE PINTEREST, 2017d). 19 Figura 3 – Representação de um sistema aeropônico (SITE GARDENIOUS, 2017e). 20 Figura 4 – Layout de um Tower Garden (SITE FUTURE GROWING, 2017b). . . 21
Figura 5 – Funcionamento de um Tower Garden (SITE TOWER GARDEN, 2017a). 21 Figura 6 – Sistema aeropônico (SITE GREEN PROP, 2017c). . . 22
Figura 7 – Layout do sistema da Aerofarms (SITE AEROFARMS, 2017d). . . . . 23
Figura 8 – Classificação das bombas . . . 28
Figura 9 – Coeficientes de perda de carga (k) . . . 32
Figura 10 – Diagrama de Moody . . . 34
Figura 11 – Curva da Bomba . . . 36
Figura 12 – Variáveis sistema de automação CLP . . . 40
Figura 13 – Hardware de Arduino . . . 41
Figura 14 – Hardware do Raspberry Pi. Fonte: Jain et al. (2014) . . . 42
Figura 15 – Exemplo de temporizador . . . 43
Figura 16 – Metodologia adaptada Site Pinterest (2017) . . . 45
Figura 17 – Metodologia adaptada Silva (2010) . . . 47
Figura 18 – Metodologia para o protótipo . . . 47
Figura 19 – Metodologia SCRUM . . . 49
Figura 20 – Patente WO2017165935A8 . . . 53
Figura 21 – Patente US5724768A . . . 54
Figura 22 – Patente US8250809B2 . . . 55
Figura 23 – Patente US20120279126A1 . . . 56
Figura 24 – Patente US20140000162A1 . . . 57
Figura 25 – Protótipo 1 (Os Autores) . . . 60
Figura 26 – Protótipo 1 (Os Autores) . . . 61
Figura 27 – Protótipo 1 (Os Autores) . . . 61
Figura 28 – Protótipo 2 (Os Autores) . . . 63
Figura 29 – Protótipo 2 (Os Autores) . . . 63
Figura 30 – Protótipo 2 (Os Autores) . . . 64
Figura 31 – Protótipo 2 (Os Autores) . . . 65
Figura 32 – Protótipo 2 (Os Autores) . . . 65
Figura 33 – Esquemático do sistema de automação (Os Autores) . . . 71
Figura 34 – Correção do PH - (Os Autores) . . . 74
Figura 37 – Gráfico de Temperatura e Umidade - (Os Autores) . . . 76
Figura 38 – Ciclo de vida do produto (Os Autores) . . . 84
Figura 39 – Participação no processo de decisão de compra (Os Autores) . . . 87
Figura 40 – Canvas (Os Autores) . . . 89
Figura 41 – Plano de desenvolvimento (Os Autores) . . . 94
1 INTRODUC¸ ˜AO . . . 10 1.1 Contextualização do tema . . . 10 1.2 Caracterização da oportunidade . . . 12 1.3 Objetivos . . . 14 1.4 Justificativa . . . 15 2 FUNDAMENTAC¸ ˜AO TE ´ORICA . . . 17 2.1 Horta vertical . . . 17 2.1.1 Hidropônico . . . 18 2.1.2 Aeropônico . . . 19
2.1.2.1 Sistemas aeropônicos comerciais . . . 20
2.1.2.1.1 Tower Garden . . . 21 2.1.2.1.2 AeroFarms . . . 22 2.1.3 Iluminação . . . 23 2.1.4 Resíduos . . . 24 2.1.5 Segurança alimentar . . . 25 2.1.6 Sementes . . . 26 2.2 Bombas hidráulicas . . . 27
2.2.1 Classificação de acordo com a transmissão de energia . . . 28
2.2.2 Bombas dinâmicas ou turbo bombas . . . 29
2.2.2.1 Bombas Centrífugas . . . 29
2.2.2.2 Bombas regenerativas . . . 29
2.2.2.3 Bombas de fluxo axial ou propulsoras . . . 30
2.2.2.4 Bombas de fluxo misto . . . 30
2.2.3 Bombas Volumétricas . . . 30
2.2.3.1 Bombas Rotativas . . . 30
2.2.3.2 Bombas alternativas . . . 30
2.2.4 Outras classificações de bombas . . . 31
2.2.4.1 Posicionamento do eixo . . . 31
2.2.5 Seleção da bomba hidráulica . . . 31
2.2.5.1 Perdas de carga e cálculo da altura manométrica . . . 32
2.2.6 Escolha da bomba . . . 35
2.3 Automação . . . 37
2.3.1 Sistema CLP . . . 40
2.3.2 Arduino . . . 41
2.4 Água e Nutrientes para as Plantas . . . 43
2.4.1 Peixes e o Ciclo do Nitrogênio . . . 44
2.5 Perspectiva do Modelo Construtivo . . . 44
3 METODOLOGIA . . . 46
3.1 Metodologia de Pesquisa . . . 46
3.2 Metodologia de Desenvolvimento de Produto . . . 47
3.3 Justificativa das metodologias . . . 51
4 ANTERIORIDADE PATENTEARIA . . . 52
5 DESENVOLVIMENTO DO PROT ´OTIPO . . . 58
5.1 Análise da utilização da metodologia SCRUM . . . 66
5.2 Dimensionamento da bomba hidráulica . . . 67
6 DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE AUTOMAC¸ ˜AO . . . . 69
7 AN ´ALISE DAS MEDIC¸ ˜OES . . . 73
8 MODELO DE NEG ´OCIOS . . . 78
8.1 Segmento de mercado . . . 78
8.2 Beachhead market . . . . 80
8.3 Perfil do usuário final . . . 80
8.4 Mercado Total Endereçável (TAM) . . . 81
8.5 Definição da Persona . . . 82
8.6 Estudo do ciclo de vida comercial . . . 83
8.7 Aspectos detalhados do produto . . . 84
8.8 Quantificar proposta de valor . . . 85
8.9 Os próximos 10 clientes . . . 85
8.10 Foco central do produto (core) . . . 86
8.11 Posição competitiva . . . 86
8.12 Unidade de Tomada de Decisão (DMU) . . . 86
8.13 Mapeamento do processo de aquisição pelo cliente . . . 87
8.14 Follow-on TAM . . . 88
8.15 Canvas Business Model . . . . 89
8.16 Comercialização . . . 89
8.17 Valor do ciclo de vida (LTV) . . . 90
8.18 Mapear processo de venda . . . 90
8.21 Testar pressupostos chave . . . 92
8.22 Definir Mínimo Produto Comercial Viável (MVBP) . . . 93
8.23 Show dogs will eat the dog food . . . 93
8.24 Desenvolvimento de plano de produto . . . 94
9 CONSIDERAC¸ ˜OES FINAIS . . . 95
Referˆencias . . . 97 A APˆENDICES . . . 102 A.1 Apêndice A . . . 102 A.2 Apêndice B . . . 103 A.3 Apêndice C . . . 104 A.4 Apêndice D . . . 105 A.5 Apêndice E . . . 106 A.6 Apêndice F . . . 107
A.7 Aspectos organizacionais . . . 107
A.7.1 Cronograma da Primeira Etapa . . . 107
1 INTRODUC
¸ ˜
AO
1.1 CONTEXTUALIZAC¸ ˜AO DO TEMA
Baseado no conceito de produtos simples, inovadores e que não agridam o meio ambiente, este trabalho de TCC busca aplicar conceitos desenvolvidos ao longo da uni-versidade em um nicho específico da agricultura intensiva, visando aproveitar a crescente preocupação de parte da população com o excessivo consumo de energia, água e aumento constante nos níveis de emissões da agricultura tradicional.
Segundo Lal (2016) há hoje cerca de 7,4 bilhões de pessoas no mundo, porém este número será de 9,7 bilhões em 2050, sendo que o maior crescimento será em países em desenvolvimento. Estimativas do autor apontam que, o aumento da produção agrícola para suprir a demanda futura da população mundial deve ser de 60% a 70% entre 2005 e 2050, e, apesar de haver crescimento expressivo nos últimos anos, será muito difícil atingir este número com os padrões de produção atual.
Segundo o IBGE o Brasil utilizou em 2016, 72 217 881 hectares de área dedicadas a agricultura, porém o rendimento médio para os principais produtos plantados no solo brasileiro não passa de 10.600 kg/ha. No livro The Vertical Farm (DESPOMMIER, 2010), é afirmado que as rápidas mudanças climáticas esperadas nos próximos 50 anos terão grande impacto na agricultura tradicional. Segundo estudos do autor, para cada 1 grau Celsius de aumento na temperatura atmosférica, haverá uma perda de 10% da área que hoje é utilizada para agricultura. Esses dados comprovam a importância de um país como o Brasil, mesmo com grande território disponível para agricultura, necessitar se preocupar com a maneira como praticará agricultura no futuro.
Cerca de 70% de toda a água doce e limpa é utilizada para agricultura e, na maioria dos casos, esta água não pode ser reutilizada para irrigação ou consumo humano (DESPOMMIER, 2010).
O grande aumento da demanda por comida somado a necessidade de reduzir ao máximo a utilização de recursos naturais escassos como a água, incentivam a busca por novas técnicas de cultivo de plantas que aumentem a produtividade de alimentos juntamente com a redução dos recursos utilizados na produção agrícola (BANERJEE, 2014). Analisando todo o contexto da dificuldade que haverá da produção em massa suprir toda a demanda de alimentos nos próximos anos, uma prática que vem se destacando recentemente e pode ajudar muito no problema da produção de alimentos, é a ideia do faça você mesmo, também conhecido como “Do it yourself ” conforme descreve DERBONA et
qualquer tipo de produto ou serviço de forma autônoma, sem recorrer ao que é oferecido em larga escala no mercado.
Segundo os autores DERBONA et al. (2016) a prática do faça você mesmo ganha forças em períodos de crise, quando a diminuição de vagas formais de emprego faz com que as pessoas tenham mais tempo para desenvolver ideias simples e inovadoras em pequena escala, porém tais ideais muitas vezes tornam-se negócios viáveis de pequena escala.
Englobando a tendência crescente do “faça você mesmo “ destaca-se atualmente, o grande aumento da utilização da técnica de hortas verticais, a qual permite que qualquer pessoa consiga produzir uma parcela significativa de alimentos que precisará (DESPOM-MIER, 2013). Esta nova técnica de cultivo permite não apenas um aumento de até 22 vezes a produção quando comparada com a agricultura de solo tradicional, como também utiliza 95% menos água, além de outras vantagens como a redução do uso de fertilizantes e a capacidade de controle de grande parte das variáveis que afetam o crescimento de uma planta.
Dados do IBGE de 2016 apontam que o agronegócio movimentou 200 milhões de reais em 2016, sendo um dos poucos setores brasileiros não afetados pela crise econômica. Esse importante setor da economia tende a crescer ainda mais com o aumento da demanda por alimentos e, a utilização de novas técnicas de cultivo tendem a fazer parte deste grande mercado. O cultivo de hortas verticais pode proporcionar lucros ainda maiores para o setor agrícola, pois segundo Banerjee (2014) reduz o espaço necessário para o plantio, permite o controle dos fatores que influenciam o crescimento de uma planta e diminui o custo com transporte, visto que é possível produzir os alimentos próximo de centros urbanos, fazendo com que as hortas verticais sejam atrativas economicamente.
O uso da tecnologia, principalmente a automação, no agronegócio tem trazido aumento da produtividade no setor (LAL, 2016). Para novas técnicas de cultivo, como as hortas verticais, esse fato não é diferente. Um controle constante dos parâmetros que impactam no desenvolvimento de uma planta, bem como a atuação no sistema de cultivo para corrigir variações nesses parâmetros, são necessárias para o aumento da produtivi-dade e qualiprodutivi-dade da produção de alimentos nas hortas verticais. A redução da demanda por trabalho manual por meio da automação também permite uma redução nos custos do cultivo das hortas verticais, tornando essa técnica ainda mais rentável economicamente.
A análise dos contextos de aumento da demanda e a necessidade de novas alter-nativas para produção de alimento de maneira sustentável e rentável, fizeram com que os autores deste trabalho identificassem uma oportunidade de aplicar os conhecimentos adquiridos ao longo do curso de Engenharia Mecânica no desenvolvimento de um produto no conceito de horta vertical para uso doméstico. Neste trabalho serão analisados em de-talhes os pontos que regem o conceito de hortas verticais. Serão levantadas as principais
características dessa nova técnica visando desenvolver um sistema de baixo custo e que necessite de pouco cuidado devido a sua automação.
1.2 CARACTERIZAC¸ ˜AO DA OPORTUNIDADE
Os dois principais tipos de hortas verticais são o hidropônico e o aeropônico, onde não é necessário solo para o cultivo das plantas. No cultivo hidropônico as hortaliças tem suas raízes expostas a uma solução corrente de água e nutrientes, já o aeropônico é uma tecnologia mais avançada que consiste em manter as raízes vivas a base de spray de água e nutrientes, o que economiza em média de 70% à 80% da água em relação a agricultura tradicional de acordo com Despommier (2010), algumas empresas ainda afirmam que podem chegar a até 95% de economia. O autor ainda cita como essas duas tecnologias permitem que o cultivo seja realizado em ambientes fechados e controlados, sendo assistidos por lâmpadas LED, que funcionam em espectros específicos de cor e com isso gastam menos energia elétrica, sistemas de monitoramento e controle de nutrientes, do pH, da temperatura e da saúde em geral do vegetal. Com isso se torna viável a produção em pequena ou larga escala, com uma eficiência maior que a agricultura convencional.
A principal vantagem do sistema de hortas verticais é o controle mais rigoroso das variáveis que afetam as plantas, com um acompanhamento otimizado do desenvolvimento dos vegetais é possível maximizar a produção e os ganhos por metro quadrado, com o alface e o espinafre sendo cultivados hidroponicamente, é possível aumentar o número de colheita de um mínimo de 3 para 22 ao ano (CBS, 2017), e no caso do morango o ganho pode ser de até 30 vezes mais (DESPOMMIER, 2013). Essa vantagem aliada ao fato da agricultura poder ser praticada em ambientes fechados pode trazer impactos muito positivos ao meio ambiente, a diminuição da área plantada já vem ocorrendo em países desenvolvidos devido ao aumento da produtividade (LAL, 2016), um constante desenvolvimento desse processo tornaria viável aumentar os espaços protegidos de conservação do meio ambiente, o que acarretaria num menor consumo de água. Como já citado, 70% da água potável consumida é usada na agricultura para irrigação (LAL, 2016), o que também tem o efeito de esterilizar solos devido ao uso intensivo da água. A agricultura tradicional ainda é responsável por 30% à 35% da emissão dos gases de efeito estufa (LAL, 2016).
A lei brasileira permite um limite 5 mil vezes superior ao máximo de agrotóxicos que é permitido na água potável da Europa (LAZZERI, 2017), o agrotóxico em questão é o glifosato, líder brasileiro de vendas. Análises em animais demostraram que a exposição ao produto reduziu o tempo de vida dos bichos, causando câncer de mama e necrose de células. Ainda segundo (LAZZERI, 2017), enquanto na Europa é permitido usar até 2 kg de glifosato por hectare, a média brasileira fica entre 5 kg e 9 kg. Entre 2009 e 2014, o consumo subiu 64%, de 118 mil toneladas para 194 mil. Em 2014, o Mato Grosso liderou as compras, seguido por Paraná e Rio Grande do Sul. No Brasil, estamos consumindo o
equivalente a 7,3 litros de agrotóxicos por pessoa todo ano, no Paraná esse índice chega a 8,7 litros de agrotóxicos por pessoa APREAA (2017).
Para Brian Garvey, da Universidade de Strathclyde, da Escócia, as autoridades brasileiras “lavam as mãos da toxidade”. Desde 2008 o Brasil é o país campeão mundial em uso de agrotóxicos, segundo o estudo de Bombardi (2017), o país tem 504 agrotóxicos de uso permitido, dos quais 30% são proibidos na União Europeia – alguns há mais de uma década. Esses mesmos itens vetados estão no ranking dos mais vendidos. Uma pesquisa da Fiocruz estima que entre 2007 e 2014, mais de um milhão de brasileiros foram intoxicados por agrotóxico – onde um quinto das vítimas é criança ou adolescente. Em 2015, o governo deixou de publicar os casos de intoxicação por agrotóxicos. Bombardi se refere aos casos de intoxicação como a “ponta do iceberg”. “A intoxicação representa 2% do total de problemas de saúde que podem acometer a sociedade. As doenças crônicas não são estudadas como deveriam.”
A horta vertical tem o potencial para mitigar a pegada ecológica da agricultura tradicional significativamente, não só com sua eficiência técnica, mas como pode ser produ-zido nas cidades abre oportunidades muito amplas, como ter a produção próximo ao local de consumo, isso iria diminuir gastos com transporte e refrigeração significativamente, os ambientes mais controlados em relação ao campo aumentariam a segurança alimentar, re-solvendo alguns problemas de contaminação de corpos d’água por agrotóxicos e pesticidas já que o uso desses será numa escala diminuída ou até inexistente.
As vantagens que a horta vertical traz consigo podem ser a solução de problemas sérios até em escala global, como a crescente demanda de alimentos. Dos 9,7 bilhões de pessoas estimados no mundo em 2050, 70% vão viver em cidades (LAL, 2016), como as hortas verticais conseguem produzir comida o ano inteiro e são uma solução que se adapta rápido e bem às cidades, ela pode ser uma das principais ferramentas para a sustentabilidade do planeta (LAL, 2016).
Um importante fator para a adaptação das hortas verticais às cidades é a automa-ção. A partir dela a manutenção das hortaliças se torna menos trabalhosa, possibilitando com sistemas relativamente simples, como o proposto por Montoya et al. (2017), controlar as variáveis que influenciam no crescimento das plantas, desde a iluminação até o fluxo de água e nutrientes por exemplo. Esse sistema ainda pode entrar em sincronia com um apli-cativo de celular ou algum site da internet, facilitando a gestão da horta e se integrando sutilmente ao cotidiano urbano.
A automação desse sistema, principalmente em sua parcela que trata de hidráu-lica, será desenvolvido a partir do conhecimento adquirido pelos autores ao longo do curso de engenharia mecânica em conjunto com o referencial teórico construído para esse tra-balho. A fabricação das peças em plásticos será tratada em um trabalho futuro. Além dos
conhecimentos técnicos referentes as partes de máquinas de fluxo, controle e automação, materiais poliméricos e mecânica dos sólidos, um dos principais conhecimentos advindos da grade de engenharia mecânica que buscamos aplicar nesse trabalho é o de empreen-dedorismo, pois é fundamental para fazer das hortas verticais uma realidade em nosso contexto de mercado.
Hoje já é possível encontrar em funcionamento fazendas verticais em países como Estados Unidos, Cingapura, Japão e Coreia do Sul (DESPOMMIER, 2013) operando comercialmente e suprindo o fornecimentos de mercados, restaurantes, hospitais, shopping centers e aeroportos. Com essa tecnologia já tendo seu funcionamento comprovado com vários benefícios possíveis para o meio ambiente e para a sociedade, junto com o mercado de vegetarianos e veganos que cresce 40% ao ano (RANGEL, 2016), existe um nicho pouco explorado no país que são as hortas verticais em escala residencial.
Assim, acredita-se que alinhando a expertise em engenharia de forma multidis-ciplinar, incorporando conceitos de desenvolvimento de inovações simples alinhadas ao potencial mercado, é possível desenvolver um produto com potencial de crescimento num nicho de mercado caracterizado pelos princípios da sustentabilidade e da crescente cons-ciência ambiental da população, abrangendo não só o mercado de vegetarianos mas um público maior, o morador de cidades grandes, que procuram o consumo de alimentos orgânicos e gostam do sentimento de “feito em casa” que as hortas verticais podem pro-porcionar.
1.3 OBJETIVOS
Este trabalho tem por objetivo desenvolver uma solução de automação de uma horta vertical com tecnologia comercial e de baixo custo com perspectivas de mercado. Para desenvolver o sistema citado, foram determinados os seguintes objetivos específicos: • Estudar soluções para sistemas de hortas verticais automatizadas, a fim de aplicar
os conceitos e testar tecnologias neste trabalho em uma escala piloto; • Estruturar a segmentação e a viabilidade econômica da proposta;
• Desenvolver o projeto de um sistema automatizado para horta vertical de pequeno porte;
• Elaborar um MVP (minimum viable product) de horta vertical para casas com sistema de automação integrado.
1.4 JUSTIFICATIVA
A oportunidade de desenvolver uma ideia inovadora aplicando os conhecimentos de engenharia de maneira prática foi o principal quesito buscado para a escolha desse tema, junto com isso há a vontade de desenvolver um produto que possa se tornar o começo de um empreendimento. A horta vertical alinha conceitos de sustentabilidade e preservação do meio ambiente que sempre nos foram apresentados como o futuro, e esse é um mercado novo e ainda com muito espaço para crescer segundo nossas referências (BANERJEE; ADENAEUER, 2014; DESPOMMIER, 2010; LAL, 2016).
O domínio tecnológico desse produto é importante como vantagem competitiva, pois ele seria o diferencial em relação a possíveis concorrentes, e é a automação que o faria atrativo em um ambiente urbano. Por isso é necessário construir um protótipo e testar a tecnologia, englobando experimentação do controle das bombas baseado em sensores de fluxo, até a escolha das hortaliças que se adaptam melhor a essa cultura, em conjunto com quais são suas respectivas produtividades.
A maior parte do referencial teórico construído para esse trabalho procura abordar soluções de fazendas verticais em larga escala, discutindo arquitetura para iluminação natural de prédios e escalabilidade para atender países inteiros. A proposta desenvolvida nesse trabalho busca atender uma demanda domiciliar ou comercial de pequena escala, que atenderia o público urbano diminuindo o custo dos alimentos e elevando a sua qualidade. O estudo feito para o desenvolvimento da horta vertical é elaborado de maneira a ser útil como fonte de conhecimento para empreendimentos futuros, e permite a aplicação de diversas áreas do conhecimento desenvolvidas ao longo do curso, conforme ilustrado na figura 1.
Figura 1 – Áreas do conhecimento utilizadas (Os Autores)
Além da construção do referencial teórico o trabalho necessita de um método científico em seu desenvolvimento, tanto para a pesquisa quanto para conceber o protótipo.
Esse assunto é necessário principalmente para extinguir eventuais dúvidas que surgiriam ao desenvolver esse trabalho na ausência do método, o que é abordado em detalhes no capítulo que descreve a confecção do produto mínimo viável aplicando metodologia.
No intuito de mostrar competência comercial para a horta vertical como produto, também se fez necessário uma pesquisa de anterioridade patentearia seguido de um plano de negócios, desenvolvido esse de forma estruturada e metódica onde tivéssemos maior controle da organização necessária para concluir esse trabalho.
Todos os tópicos relevantes apresentados até então tem seus escopos explanados nos capítulos subsequentes, seguindo a ordem lógica para a compreensão em vista do entendimento geral do tema proposto, partindo da fundamentação teórica.
2 FUNDAMENTAC
¸ ˜
AO TE ´
ORICA
Ao longo deste capítulo serão abordados os principais fatores que compõem uma horta vertical, descrevendo o conceito e importância de cada componente e levantando informações que serão essenciais para o desenvolvimento de um protótipo.
2.1 HORTA VERTICAL
O conceito de horta vertical é simples mas envolve detalhes técnicos complexos. Os principais tipos de cultivo utilizados em ambientes fechados são o hidropônico ou o aeropônico, com os hidropônicos datando de 1930. Hoje já existem estufas produzindo hortaliças comercialmente: tomate, pimenta, pepino, morango, ervas e vários temperos mesmo fora de estação, até mesmo milho, havendo um aumento significativo desses tipos de cultura nos últimos 15 anos segundo Despommier (2010).
As hortas verticais são muito menos suscetíveis as intempéries da natureza por estarem sempre em condições ambientais controladas e manterem taxas otimizadas de crescimento, não sentindo as consequências da sazonalidade de maneira efetiva. Isso au-menta a já alta eficiência por metro quadrado de uma fazenda vertical, que promete produzir mais comida com menos recursos (BANERJEE; ADENAEUER, 2014), e ainda há o benefício de não precisar gastar com maquinário pesado para preparar a terra ou aplicar fertilizantes.
O design da horta vertical deve levar em conta as necessidades das plantas e ao mesmo tempo ser modular, durável, de baixa manutenção e barato. Um ponto crítico de controle é a temperatura das raízes, apesar das plantas terem uma ampla tolerância quanto a umidade e temperatura esse é um fator que impacta no crescimento ótimo delas, mas normalmente o perfil de temperatura e umidade que maximiza a produção é bem compatível com o do conforto térmico humano (DESPOMMIER, 2010). A área para o cultivo também deve ser usada eficientemente, levando em conta a iluminação e o layout das plantas na superfície disponível, podendo essa superfície ser um tubo com furos, ou folha de um material inerte como fibra de vidro esponjosa. As raízes recebem os nutrientes pela solução aquosa/gasosa na qual estiverem imersa (HANCOCK, 2012).
As estruturas para sistemas de horta vertical podem ser feitas de bambu ou de diversos tipos diferentes de plásticos, onde o mais comum é o PVC tratado com solução de enxofre para evitar contaminação da solução com nutrientes (DESPOMMIER, 2010). A fim de manter sua alta produtividade e a possibilidade de cultivo de hortas verticais em ambientes doméstico, a automação das hortas verticais tem papel muito
importante (MONTOYA et al., 2017). A garantia de um sistema de automação confiável permite que a necessidade de cuidado com uma horta vertical reduza. Ao longo deste capítulo, será abordada com mais detalhes a importância da automação, bem como os diferentes sistemas disponíveis.
O suprimento de sementes para as hortas verticais pode ser feito por sementes comerciais normais, o substrato no qual ela será apoiada pode variar da cultura hidropô-nica para a aeropôhidropô-nica, podendo germinar em uma matriz de rocha inerte ou em algum tecido permeável, onde alguns fatores como o pH devem ser testados ao longo da cultura (BK101, 2017).
A água utilizada segue um circuito fechado, e as únicas perdas são as que ocor-rem pela própria evaporação da planta, o que acarreta em uma eficiência muito maior comparado à fazendas tradicionais, nos sistemas hidropônicos a economia esperada é de 70% em relação a agricultura no solo, e no aeropônico 70% em relação ao hidropônico (DESPOMMIER, 2010). Em lugares com escassez de água ainda é possível acoplar um desumidificador de ar ao sistema para compensar a perda por evaporação nas folhas.
Qualquer planta pode ser cultivada em um ambiente fechado, a questão a se considerar é quais delas são economicamente viáveis nesses locais, seja para o consumo próprio ou para a comercialização delas (BANERJEE; ADENAEUER, 2014). O morango costuma ser o mais rentável nesse tipo de cultivo, já o arroz e a batata por exemplos teriam um retorno financeiro menor devido a estrutura que necessitariam para crescer, mas isso também depende de políticas públicas, da estação do ano e das hortaliças tipicamente disponíveis na região. Outro fator importante seria em qual tipo de cultura esses vegetais seriam cultivados, poderiam ser aeropônicos ou hidropônicos por exemplo.
2.1.1 HIDROP ˆONICO
Um dos grandes desafios da agricultura moderna é a capacidade de monitorar e controlar parâmetros que interferem na produtividade de uma plantação visando aumentar a produção de alimentos por área (LAL, 2016). Mesmo com a utilização de tecnologia de ponta, o cultivo tradicional de alimentos em larga escala não consegue controlar de uma maneira economicamente viável parâmetros como a variação da temperatura, condições climáticas, desgaste do solo e a constante competição com pestes e bactérias tornando o cultivo em solo pouco produtivo e rentável.
A hidroponia é uma técnica que visa reduzir os parâmetros não controláveis como clima e ataque de pestes no cultivo moderno (GENÚNCIO, 2016). Os primeiros registros da utilização de sistemas hidropônicos para fins domésticos e comerciais datam de 1938, porém foi durante a segunda guerra mundial que o governo norte-americano utilizou em larga escala esta técnica para cultivo de alimentos nas bases militares.
Por definição de Jones (2016), a hidropônica é uma técnica de cultivo de plantas sem solo, no qual as raízes da planta são constantemente ou intermitentemente bombeadas com soluções nutritivas de água, garantindo que a planta receba todos os nutrientes neces-sários para seu desenvolvimento. Uma variação muito comum da hidroponia é a chamada aquaponia, Segundo Hancock (2012), o termo aquaponia nada mais é do que a aplicação do sistema de hidropônica, porém utilizando o cultivo de peixes no reservatório de água a fim de gerar a solução nutritiva necessária para as plantas. Mais detalhes da solução e da utilização dos peixes são abordados ainda neste trabalho.
O funcionamento de um sistema hidropônico pode ser visualizado na figura 2. No exemplo, um reservatório contém solução nutritiva, uma bomba de sucção bombeia água do reservatório para as raízes das plantas (JONES, 2016). Após circular no dispositivo onde as plantas estão fixadas a água volta para o reservatório, fechando seu ciclo. Detalhes da solução nutritiva, bombeamento da água e automação do sistema serão discutidos nos próximos capítulos deste trabalho.
Figura 2 – Representação de um sistema hidropônico (SITE PINTEREST, 2017d).
2.1.2 AEROP ˆONICO
Aeropônicos é uma técnica para cultivo de plantas dos mais diversos tipos sem a utilização de solo. Montoya et al. (2017) descrevem a técnica de aeropônicos como a utilização de sistemas nos quais as raízes das plantas ficam suspensas no ar e são intermi-tentemente irrigadas com soluções de nutrientes e água. Segundo os autores, a técnica já é utilizada tanto no âmbito da pesquisa, quanto para o uso de produção comercial agrícola. A figura 3 ilustra o funcionamento de um sistema aeropônico.
Figura 3 – Representação de um sistema aeropônico (SITE GARDENIOUS, 2017e).
No sistema, água contendo nutrientes é bombeada intermitentemente de um re-servatório para as raízes das plantas na forma de spray e depois retorna para o rere-servatório (HANCOCK, 2012). O sistema de bombeamento, reservatório de água com nutrientes, sis-tema de acionamento da irrigação e local onde as plantas ficam alocadas serão abordados com mais detalhes nos próximos capítulos deste trabalho.
Há várias vantagens do método aeropônico quando comparado com o método tradicional de cultivo de plantas no solo, segundo Liu e Zhang (2013) o cultivo aeropônico é baseado no método hidropônico, e é um dos métodos que melhor combina a necessidade de ar e água das plantas. No livro The Vertical Farm, Despommier (2010) afirma que o uso de aeropônicos pode reduzir de 70 a 95% o consumo de agua quando comparado com o método tradicional.
Em termos de produtividade, ou seja, kg colhidos por área, o sistema aeropônico mostra resultado muito superiores quando comparado com os métodos tradicionais de cultivo em solo. Como destaca Rykaczewska (2016), o uso de aeropônicos no cultivo de batatas chegou a ser três vezes maior do que no solo. No estudo Farming Up the City (DESPOMMIER, 2013), foi constatado ganhos de 30 vezes na produção de morango. Na média, segundo a reportagem sobre a empresa Aerofarms (CBS, 2017), o número de colheitas pode aumentar em sete vezes no período de um ano quando utilizada a técnica de aeropônico agregada com controle das variáveis que afetam o crescimento das plantas.
2.1.2.1 Sistemas aeropˆonicos comerciais
Nesta sessão serão apresentados os dois principais sistemas aeropônicos disponí-veis no mercado. Todos os dados foram retirados dos sites do fabricante do produto, vale destacar que todos os produtos em questão não são comercializados no Brasil, não foram encontradas soluções comerciais prontas desse tipo de cultivo no mercado nacional.
2.1.2.1.1 Tower Garden
O sistema Tower Garden desenvolvido pela Juice Plus+ - segundo o fabricante - permite o crescimento das plantas ser até três vezes mais rápido, é possível plantar, considerando a mesma área 30% mais do que no cultivo tradicional é utilizado 98% me-nos água, também em comparação com agricultura no solo. A Tower Garden com suas dimensões pode ser vista na figura 4, sendo que a figura 5 demonstra o sistema interno de funcionamento do produto.
Figura 4 – Layout de um Tower Garden (SITE FUTURE GROWING, 2017b).
Figura 5 – Funcionamento de um Tower Garden (SITE TOWER GARDEN, 2017a).
O funcionamento do sistema é simples, água com nutrientes contida no reserva-tório na parte inferior do produto é bombeado por um cano até o topo do sistema e,
devido à gravidade, desce gotejando por entre os orifícios de cada camada conforme pode ser visto na figura 5. Não é necessário o uso de pesticidas nesse sistema.
O sistema aeropônico Tower Garden já é utilizado no Aeroporto Internacional O’Hare, em Chicago entra os terminais 2 e 3. Segundo reportagem da AlJazeeraAmerica (2017), as plantas cultivadas são utilizadas por alguns restaurantes do local.
2.1.2.1.2 AeroFarms
O sistema Aerofarms é utilizado para produção de plantas em escala comercial e é aplicado em uma fábrica de 650 metros quadrados em Nova Jersey. Utilizando prateleiras com sete andares de plantas, a fábrica afirma poder produzir 75 vezes mais alimentos do que uma plantação tradicional com a mesma área, com um consumo de água 95% menor do que o modelo tradicional.
O funcionamento do sistema pode ser visualizado na figuras 6 e 7, no caso da
Aerofarms (CBS, 2017), lâmpadas de LED fazem o papel da luz solar, permitindo o
cres-cimento das plantas em ambiente fechado (AEROFARMS, 2017). O sistema de irrigação consiste de reservatórios com solução de água com nutrientes. A solução é bombeada por canos e ventiladores fazem com que spray da solução chegue até as raízes das plantas, as quais encontram-se fixadas em uma manta reciclável que segundo o fabricante é feita de garrafas da água e pode ser reutilizada.
Até o momento em que este trabalho foi escrito, a AeroFarms já recebeu mais de 50 milhões de dólares para investir no desenvolvimento do seu sistema.
Figura 7 – Layout do sistema da Aerofarms (SITE AEROFARMS, 2017d).
2.1.3 ILUMINAC¸ ˜AO
Plantas precisam de luz, água, alguns elementos químicos - como o dióxido de carbono - e compostos nitrogenados para crescer. Um dos principais responsáveis pelo crescimento da planta é uma organela microscópica chamada cloroplasto, havendo cente-nas de milhares deles em cada folha. Segundo Despommier (2010), ela é uma estrutura complexa com seu próprio genoma, e o que permite a captura da energia dos fótons da luz é a clorofila, que fica dentro do cloroplasto e lhe confere a cor verde. No processo de fotossíntese as plantas absorvem o dióxido de carbono e expelem os átomos de oxigênio dele para a atmosfera, ajudando a suprir o gás oxigênio que necessitamos para respirar, já os carbonos que restam são convertidos em celulose e açucares. O autor também discorre sobre os ciclos, quando animais comem plantas eles usam esses açucares em conjunto com o ar que respiram para gerar energia e construir tecidos, liberando dióxido de carbono no processo e sustentando um ciclo em conjunto com as plantas. Isso faz com que a horta vertical não seja apenas uma produtora de alimentos, mas também de oxigênio.
De acordo com Yeh e Chung (2009) as moléculas de clorofila e carotenoides absor-vem comprimentos de onda azul (450-470 nanômetros) e vermelhos (650-665 nanômetros) mais eficientemente, já as cores verde e amarela são refletidas ou transmitidas e não são tão importantes para o processo fotossintético, o que permite cultivar as plantas sem gastar energia iluminando a planta com o espectro verde por exemplo.
As lâmpadas LED podem ter um controle da composição espectral de luz, po-dendo simular as variações da intensidade da luz do sol durante o dia ou eliminar espectros de luz desnecessários, reduzindo a energia consumida, e elas ainda agregam o benefício de ter uma alta eficiência em relação a emissão de luz e a radiação de calor. As plantas cultivadas com espectros de cores específicos crescem normalmente e tem o mesmo gosto das cultivadas com luz branca (YEH; CHUNG, 2009).
Vários testes foram feitos combinando a superposição de luz azul e vermelha em diferentes padrões para estudar várias características dos alimentos, mas apesar de a
melhor combinação ser a de 90z% de luz vermelha e 10% de luz azul, as diferenças em relação as outras combinações não foi significativa para a maioria dos parâmetros, que analisavam o peso, o crescimento e o gosto (HE et al., 2017).
Outros fatores onde a iluminação tem influência são no período de exposição a luz, com ajuste fino dos períodos claros e escuros, e em alguns casos o uso do final do espectro vermelho (730 – 735 nanometros) auxilia no crescimento das plantas. De acordo com Yeh e Chung (2009), a fotossíntese não precisa ocorrer sob luz contínua, o LED consegue produzir um fluxo de fótons capaz de sustentar a fotossíntese ligando e desligando rapidamente (200 nanosegundos). Essa luz pulsada permite uma economia adicional de energia além da gerada pela eficiência do LED, e com ela também é possível alterar a morfologia e a composição da planta, controlando a luz através do seus períodos de exposição e modificando suas frequências de acordo com o estágio de desenvolvimento do cultivo.
Para um futuro próximo existe a possibilidade do uso de lâmpadas OLED, que são feitas de plásticos flexíveis e finos que contêm compostos emissores de luz em seu interior, esses compostos permitem um espectro de luz ainda mais estreito (DESPOMMIER, 2010). Com a flexibilidade dessa nova tecnologia seria possível otimizar o layout das lâmpadas, buscando a distância ótima na iluminação das plantas, sendo possível até mesmo enrolar os OLEDs nelas.
Em regiões ensolaradas é possível usar a luz do sol de maneira engenhosa para se aproveitar da energia disponível, usando espelhos parabólicas e fibras óticas para dire-cionar a luz para ambientes fechados, em conjunto com telhados, paredes transparentes e exposição das hortas no sentindo norte-sul. Em escalas de produção significativas a energia fotovoltaica também poderia se ser utilizada para tornar o processo mais eficiente (DESPOMMIER, 2010).
A iluminação é uma escolha fácil para produção em larga escala, mas uma questão que ainda precisa de um estudo mais aprofundado é a sua viabilidade econômica em pequena escala, assim como a questão da destinação dos resíduos.
2.1.4 RES´IDUOS
Hortas verticais tem como subproduto matéria orgânica que não é consumível, como os restos de raízes por exemplo. Esses restos do processo podem ser reaproveitados de maneiras distintas. De acordo com Despommier (2010), é possível fazer uma reciclagem desse material orgânico. Em uma escala de produção elevada, a incineração pode usar esses restos como combustível para geração de energia, mas dependendo de uma infraestrutura que não justifica seu uso para pequena escala.
trata-mento adequado para resíduos orgânicos tanto do ponto de vista técnico quanto do ambi-ental (COLÓN et al., 2010), pois a compostagem gera fertilizantes a partir das minhocas que desmantelam os componentes das sobras das plantas, quebrando elas em compostos nitrogenados e matéria orgânica menos complexa. Essa solução não é prática para ope-rações maiores porque o “retorno energético” obtido é de apenas 10% (DESPOMMIER, 2010), mas a questão ambiental têm importância elevada visto que se relaciona direta e indiretamente com a segurança alimentar.
2.1.5 SEGURANC¸ A ALIMENTAR
As estratégias de controle de pragas em uma fazenda a céu aberto consistem em sua maioria há limitar o avanço de um dado inseto ou doença pela aplicação de pestici-das ou herbicipestici-das na plantação inteira, ou se livrar de pedaços da plantação que estejam contaminados (DESPOMMIER, 2010). Esses problemas podem acabar com plantações inteiras de maneira rápida, por isso os agrotóxicos são utilizados. Em um ambiente con-trolado é possível ter uma manutenção muito mais eficiente da horta, mantendo-a livre de problemas típicos de fazendas grandes.
Em produções industriais é possível utilizar uma infraestrutura que recircula e purifica o ar, esterilizando o ambiente e livrando-o de doenças, pois mais da metade das doenças relacionadas a alimentação vem de plantas, e mais doenças são associadas com o consumo de folhas verdes do que com qualquer outro commoditie (THEGOODSTUFF, 2015). Ainda é possível aplicar outros métodos de segurança como pressão positiva no ambiente para evitar entrada de microbiós e uso de uniformes descartáveis ao manusear as hortas.
De acordo com Despommier (2010), como a horta vertical não precisa de fertili-zantes, o risco de contaminação de plantas com patógenos humanos pode ser até elimi-nado, mas ainda é preciso tomar cuidado com bactérias que podem ser carregadas por humanos ou animais, como a salmonela, mas como o ambiente é controlado o risco de que haja uma perda total dos vegetais comparado a uma fazenda convencional diminui significativamente. Segundo o mesmo autor, possíveis problemas de transmissões de do-enças presentes em hortas convencionais podem ser evitadas com a utilização das hortas verticais controladas, tais como:
• Vírus
Rotavírus, Hepatite A, Hepatite E, Poliovírus, Norovírus, Adenovírus, Astrovírus • Bactérias
Salmonella typhi, Shigella, Vibrio Cholerae, Escherichia coli O157:H7, Campylobac-ter jejuni, HelicobacCampylobac-ter pylori, Clostridium difficile
• Protozoa
Entamoeba histolytica, Giardia lamblia, Blastocystis hominis, Cryptosporidium par-vum, Cyclospora cayetanensis, Endolimax nana
• Helmintos
Tênia, Trichuris trichiura, Ascaris lumbricoides, Fasciola hepática, Schistosoma man-soni, Schistosoma japonicum, Heterophyes heterophyes, Opisthorchis viverrini, Pa-ragonimus westermani, Clonorchis sinensis
Uma pesquisa feita pro Schueger e Brown usou arranjos de LED com diferentes espectros de cor para determinar o efeito da luz no desenvolvimento do vírus do mosaico do tomate em pimentas e do míldio em pepinos, e sua pesquisa demonstrou que é possível alterar o desenvolvimento das doenças nas plantas através da luz (HE et al., 2017). O controle das sementes que serão cultivadas também deve ser feito.
2.1.6 SEMENTES
O solo retêm minerais e nutrientes que nutrem a flora, mas as plantas não absor-vem a terra em si, e sim o que se dissolve na água que passa pelo solo, isso na prática torna o solo somente algo para segurar as raízes, e como a planta inteira respira, e não somente as folhas, ao manter as raízes em uma atmosfera de água misturado com nutri-entes é possível até ter uma planta mais saudável, pois possíveis problemas advindos do solo – como contaminação, falta de umidade ou excesso de umidade – são eliminados, o importante então se torna manter o balanço entre ar e água (BK101, 2017).
As sementes para as hortas verticais podem ser utilizadas em estágios diferentes dependendo do substrato e da tecnologia relacionadas ao seu crescimento, pois as plantas podem crescer e se desenvolver em solos artificiais. Nos Tower Gardens por exemplo, as sementes são plantadas em um cubo de fibra de rocha natural, e só após germinarem e passarem uma ou duas semana ao sol que elas estão prontas para serem transplantadas na horta (MONTECITO, 2017), enquanto que a Aerofarms utiliza panos reciclados e reutilizáveis, livres de BPA, que expõe as sementes a toda a água e nutrientes que elas precisam sem ser necessário terra (AEROFARMS, 2017).
Há vários tipos de substratos diferentes que estão disponíveis comercialmente, e ainda é possível fazer o substrato com pedras porosas encontradas perto de rios, mas nesse caso é necessário balancear o PH desse substrato, checando qual é o PH do fluido que o atravessa. Esse substratos podem ser arenososo, granulares, de pedregulhos ou de matriz rochosa, onde a diferença é o tamanho, o PH e a reusabilidade, onde é recomendado que esse substrato seja fervido para se livrar de bactérias antes do reuso (BK101, 2017).
2.2 BOMBAS HIDR ´AULICAS
A necessidade do homem de transportar líquidos de um local para outro data de centenas de anos antes de Cristo (NETTO, 1989). Em torno de 250 a.C. Arquimedes inventou a bomba parafuso, a qual é reaproveitada até os dias de hoje. Atualmente existe diversos tipos e classificações para as bombas hidráulicas, segundo Junior e Cândido (2006), os principais tipos de bombas utilizados atualmente para a aplicação de pequenos sistemas hidráulicos, como aquários e hortas são as bombas submersa e a bomba para aquário.
O dimensionamento correto e consequente seleção de uma bomba hidráulica para o funcionamento de um sistema hidropônico ou aeropônico é de extrema importância (HANCOCK, 2012). Esse componente deve garantir que as plantas recebam os nutrientes e água necessários para o seu crescimento, para tanto, a vazão de água e a altura mano-métrica da bomba devem ser cuidadosamente calculadas. Caso a bomba escolhida para o sistema produza vazões de água muito acima da demanda o intenso fluxo pode prejudicar as raízes da planta. Além disso, a bomba é um dos mecanismos que consumirá maior energia no sistema e consequentemente acarretará em grande parte do custo para manter a horta vertical em funcionamento, portanto, não é economicamente vantajoso escolher uma bomba que entregue muito mais trabalho do que o requisitado pelo sistema.
Segundo Souza (2014) bombas “são dispositivos que cedem parte da energia de uma fonte motora a um fluido”, visando o transporte do mesmo de um local para outro. A energia que é cedida para o fluido pode ser fornecida pelo aumento da velocidade, pressão ou ambos. A figura 8 mostra um fluxograma com os principais tipos de bombas.
Figura 8 – Classificação das bombas (SOUZA, 2014)
Na sequência serão abordados os principais tipos de bomba visando a aplicação em sistemas de horta vertical. Em seguida serão descritos os critérios para seleção de bomba de acordo com o conceito de altura manométrica, vazão e rendimento.
2.2.1 CLASSIFICAC¸ ˜AO DE ACORDO COM A TRANSMISS ˜AO DE ENERGIA
Conforme descrito anteriormente, as bombas podem ser classificadas em dinâmi-cas ou volumétridinâmi-cas de acordo com o tipo de energia transmitida para o fluido.
As bombas volumétricas caracterizam-se pela transferência da energia da bomba para o líquido ocorrer na forma de energia de pressão (SOUZA, 2014). Nestes casos os líquidos movimentam-se de acordo com um componente mecânico da bomba, e tem a mesma direção de movimento do fluxo geral do líquido. Segundo Pfleiderer e Petermann (1979) uma característica importante das bombas volumétricas são a capacidade de man-terem a vazão média praticamente constante. A aplicação das bombas volumétricas está sempre atrelada a necessidade de altas pressões e baixa vazão. As bombas volumétricas podem ser subdivididas em rotativas e alternativas, conforme será detalhado na sessão 2.2.3.
movimenta-se devido forças desenvolvidas no líquido devido a rotação do fluido através das pás da bomba. Para todos esses tipos de bombas o conceito do movimento do fluido está baseado no aumento da energia cinética no propulsor, sendo essa energia posteriormente transformada em energia de pressão. Nas próximas sessões serão descritos os principais tipos de turbo bombas de acordo com a trajetória do líquido no rotor e seu respectivo funcionamento.
A principal diferença entre as bombas dinâmicas e turbo bombas estão ligados a forma na qual a energia é transmitida para o fluido (SOUZA, 2014). Entretanto, outros fatores separam esses dois tipos de bombas.
• Nas bombas dinâmicas a partida só pode ocorrer quando a mesma encontra-se pre-enchida pelo fluido, limitação não existentes nas volumétricas
• Bombas dinâmicas apresentam maior confiabilidade quando comparadas com as volumétricas. As turbo bombas também podem trabalhar com vazões maiores e pressões mais baixas
Entre as bombas dinâmicas e volumétricas há subclassificações que serão abordados na próxima sessão.
2.2.2 BOMBAS DIN ˆAMICAS OU TURBO BOMBAS
2.2.2.1 Bombas Centr´ıfugas
As bombas centrífugas funcionam impulsionando o líquido do centro para a peri-feria do sistema. O princípio de funcionamento está na aplicação de força centrípeta por meio das palhetas que giram no interior da bomba (RAMOS; SILVA, 2009). Na maioria das aplicações deste tipo de bomba busca-se o fornecimento de altas pressões e vazões, por isso essas bombas são muito utilizadas em navios e reservatórios, nas indústrias e em sistemas de refrigeração de grande porte (SOUZA, 2014).
2.2.2.2 Bombas regenerativas
Outro tipo de turbo bomba são as bombas regenerativas. Nesses sistemas o fluido é arrastado por meio das paletas de tal forma a gerar inicialmente energia cinética. Na sequência a energia cinética é convertida em energia de pressão devido a redução da velocidade do fluido na carcaça (SOUZA, 1984). Essas bombas são muito utilizadas em sistemas nos quais o fluido encontra-se limpo (sem resíduos sólidos) e para o abastecimento de pequenos reservatórios.
2.2.2.3 Bombas de fluxo axial ou propulsoras
As bombas de fluxo axial, também conhecidas como bombas propulsoras operam através da transmissão de forças para o fluido (PFLEIDERER; PETERMANN, 1979), porém, neste caso, as forças transmitidas são puramente de arrasto. As partículas do fluido deslocam-se paralelamente aos eixos na forma de energia cinética que posteriormente será convertida em energia de pressão.
Essas bombas possuem rotor com aspecto de hélice de propulsão e podem ter de 2 a 8 pás. Sua principal aplicação é para irrigação e projetos que demandem grandes descargas com alturas que podem passar dos 40 metros (PFLEIDERER; PETERMANN, 1979).
2.2.2.4 Bombas de fluxo misto
A última classificação das turbo bombas de acordo com a trajetória do fluido são as bombas de fluxo misto. Neste caso o líquido entra no rotor axialmente e a saída é pa-ralela ao eixo. As pás são curvas e devem ser inclinada em relação ao eixo. Essas bombas são utilizadas para vazões moderadas e alturas de elevação médias. As principais aplica-ções também são na área de irrigação e abastecimento de reservatório (SOUZA, 2014) e (PFLEIDERER; PETERMANN, 1979). A próxima sessão descreverá as subdivisões dos tipos de bombas volumétricas.
2.2.3 BOMBAS VOLUM´ETRICAS
2.2.3.1 Bombas Rotativas
Nas bombas rotativas o líquido sofre ação de forças rotativas gerando o aumento da pressão do fluido e consequente escoamento. Existem diversas subdivisões de bombas rotativas como bombas de um só rotor, bombas de pistão radial, bombas de palhetas ou guias flexíveis, entre outras (PFLEIDERER; PETERMANN, 1979). Porém, este trabalho não irá abordar o funcionamento de cada uma delas visto que suas aplicações são muito especificas.
2.2.3.2 Bombas alternativas
Assim como as bombas rotativas as bombas alternativas também possuem diver-sas subdivisões de acordo com a sua construção (PFLEIDERER; PETERMANN, 1979) e também não serão abordadas em detalhes neste trabalho.
2.2.4 OUTRAS CLASSIFICAC¸ ˜OES DE BOMBAS
2.2.4.1 Posicionamento do eixo
Segundo Netto e Alvarez (1991) as bombas também podem ser classificadas de acordo com o posicionamento do eixo em vertical e horizontal, sendo que as bombas com eixos verticais são mais utilizadas em poços subterrâneos e as horizontais nas demais aplicações. Os autores também afirmam que há a classificação de acordo com a posição do eixo da bomba em relação ao nível da água. Podendo a bomba ser de sucção positiva, ou seja, quando ela está posicionada acima do nível do reservatório, ou ainda de sucção negativa, comumente chamada de bomba “afogada”, sendo posicionada abaixo do nível do reservatório. A consideração no tipo de bomba a ser escolhido é importante pelas condições de operação nas quais a bomba será exposta e pela demanda da aplicação, além disso, a escolha do tipo correto de bomba permite melhor desempenho e eficiência do equipamento no sistema.
2.2.5 SELEC¸ ˜AO DA BOMBA HIDR ´AULICA
A seleção do tipo bomba hidráulica, bem como sua potência devem levar em conta primeiramente requisitos do projeto como a vazão e diâmetro interno da tubulação (RAMOS; SILVA, 2009). Com esses parâmetros definidos, é necessário então calcular a altura manométrica do sistema, além disso, é desejável que o ponto de trabalho da bomba esteja localizado no ponto de rendimento máximo do equipamento.
Segundo Souza (2014) a vazão do sistema é a razão entre o volume do fluido que escoa pela entrada ou saída da bomba em um intervalo de tempo. Comercialmente a vazão da bomba também pode ser chamada de capacidade da bomba.
Outro fator que deve ser levado em conta para a definição do sistema de bombe-amento é a viscosidade do fluido (PFLEIDERER; PETERMANN, 1979). Essa caracterís-tica do líquido influencia no tipo de bomba a ser escolhida e na potência necessária para o funcionamento do sistema. No caso das hortas verticais o sistema deverá ser dimensionado para a água que tem viscosidade baixa quando comparada com outros fluidos.
A escolha da bomba depende também da altura manométrica do sistema (H). A altura manométrica é a energia necessária para transferir o fluido de um ponto ao outro com determinada vazão (SOUZA, 2014). A altura manométrica é o somatório da altura física em metros que se deseja bombear o fluido, com as perdas de carga localizadas e distribuídas ao longo da tubulação, o cálculo da perda de carga em sistemas hidráulicos será descrito na próxima sessão. Para o caso da horta vertical, a altura manométrica deve considerar o bombeamento da água do reservatório para todas as raízes das plantas do sistema.
2.2.5.1 Perdas de carga e c´alculo da altura manom´etrica
Conforme já citado anteriormente, o cálculo das perdas de carga é importante para a determinar a altura manométrica do sistema. Segundo Pfleiderer e Petermann (1979) e Souza (2014), as perdas de carga do sistema de bombeamento podem ser divididas em distribuída e localizada.
A perda de carga localizada é causada pelos elementos presentes na tubulação (SOUZA, 2014). Para o cálculo desses fatores são utilizadas tabelas que relacionam o elemento e seu respectivo valor (k) conhecimento como coeficiente de perda de carga (PFLEIDERER; PETERMANN, 1979). Para realizar o cálculo da perda de carga equi-valente, basta somar todos os elementos usados no sistema e aplicar na fórmula (2.1), que é influenciada pela velocidade do fluido na tubulação (V). O valor resultante da fórmula
(hLV) representa a energia adicional que o sistema deve proporcionar para sobrepor a
perda de carga gerada pelos elementos do sistema hidráulico.
hLK = k
V2
2g (2.1)
Na figura 9 são mostrados os valores do coeficiente de perda de carga para os acessórios mais comuns utilizados nos sistemas hidráulicos.
Figura 9 – Coeficientes de perda de carga (k) (PFLEIDERER; PETERMANN, 1979)
Outro fator importante a ser considerado é a perda de carga distribuída, a qual ocorre devido ao atrito do fluido com a tubulação, por isso, os valores estão diretamente relacionados com o comprimento total da tubulação, o fator de atrito do fluido com
a tubulação e a velocidade do fluido (SOUZA, 1984). Fisicamente, a perda de carga é a transformação da energia cinética do fluido em energia térmica devido aos efeitos viscosos. O primeiro passo para determinação da perda de carga por atrito é o cálculo do número adimensional de Reynolds e da rugosidade relativa da tubulação (PFLEIDERER; PETERMANN, 1979). A fórmula (2.2) mostra que o número de Reynolds é diretamente proporcional a velocidade média do fluido (V) no sistema e ao diâmetro interno da tubu-lação (D), enquanto a viscosidade cinemática do fluido (ν) é inversamente proporcional ao Reynolds. A rugosidade relativa refere-se ao material que está sendo utilizado na tubu-lação e pode ser calculada pela formula (2.3), quanto maior a rugosidade desse material maior será o atrito com o fluido e, consequentemente, maior a perda de carga distribuída.
Re = V D
ν (2.2)
Rugosidade relativa = ε
D (2.3)
Depois de calculado o Reynolds e a rugosidade relativa deve-se analisar o escoamento do fluido e determinar o valor do fator de atrito (f) por meio do diagrama de Moody (PFLEIDERER; PETERMANN, 1979). Este diagrama relaciona o número de Reynolds e a rugosidade relativa com o fator de atrito e pode ser visualizado na figura 10. É importante destacar que para sistemas nos quais o número de Reynolds é menor do que 2300 o escoamento é classificado como laminar e o fator de atrito não dependerá da rugosidade, apenas do Reynolds.
Figura 10 – Diagrama de Moody (MOODY, 2017)
Com o fator de atrito calculado, deve-se então aplicar os valores na equação (2.4), conhecida como equação de Darcy-Weisbach (RAMOS; SILVA, 2009). O resultado dessa equação é o valor da perda de carga distribuída do sistema, ou seja, a energia dissipada por unidade de peso do fluido escoando.
hLD = f
L D
V2
2g (2.4)
Na equação (2.4) (f) é o fator de atrito encontrado na tabela de Moody, (L) é o comprimento total da tubulação, (D) o diâmetro interno, (V) a velocidade média do fluido no sistema e (g) a aceleração da gravidade. Todos os valores devem estar no sistema de unidades internacional.
Por fim, após determinadas as perdas de carga o cálculo da altura manométrica é feito por meio da fórmula (2.5) (PFLEIDERER; PETERMANN, 1979) e (SOUZA, 2014).
Sendo, segundo Pfleiderer e Petermann (1979) e Souza (2014):
• Hman: altura manométrica do sistema
• ha: altura geométrica de aspiração em metros, para os casos em que a bomba
encontra-se acima do reservatório
• hr: altura geométrica de recalque, ou seja, a altura entre a bomba e o ponto para
qual o fluido será transportado
• hLD: perdas de carga distribuídas
• hLV: perdas de carga localizadas
É importante destacar que os cálculos das perdas de carga distribuída e localizada devem ser aplicados tanto para a sucção, tanto para o recalque do sistema.
2.2.6 ESCOLHA DA BOMBA
Na prática, para se escolher uma bomba para o sistema, após a definição da altura manométrica e vazões requeridas, deve ser analisada a curva da bomba segundo Pfleiderer e Petermann (1979) e Souza (1984). Esta curva relaciona a altura manométrica com a vazão e a eficiência da bomba. Comumente, os fabricantes de bomba já disponibilizam essas curvas para cada bomba de seu portfólio. Vale destacar que as curvas são obtidas através de estudos experimentais com determinado fluido, o qual normalmente é a água, que é o caso desta aplicação. Caso o sistema de bombeamento não utilize água como fluido, é necessário aplicar as leis de similaridade que não serão abordadas neste trabalho. A figura 11 ilustra uma curva de uma bomba da fabricante Schneider.
Figura 11 – Curva da Bomba (SCHNEIDER, 2017)
É comum os fabricantes também disponibilizarem outras curvas características da bomba, conforme pode ser observado na figura 11. Duas delas serão importantes para o dimensionamento correto e consumo baixo do sistema a ser desenvolvido neste trabalho: as curvas de potência consumida x vazão e rendimento total x vazão. Analisando estas curvas, o equipamento deve ser dimensionado de modo que sua potência cubra todos os diferentes pontos de operação do sistema (caso haja mais de um) (SOUZA, 2014). É também indicado que o ponto de trabalho da bomba esteja localizado no ponto de máxima eficiência da bomba, pois dessa maneira grande parte da potência consumida pelo equipamento será convertido em potência hidráulica, ou seja, a potência que é transmitida para o fluido.
A potência que será consumida pela bomba pode ser calculada, conhecendo-se o rendimento e vazão da bomba, pela equação (2.6) (SOUZA, 2014) e (RAMOS; SILVA, 2009).
P otCons=
γQH
75η (2.6)
Onde:
• P otCons: potência consumida pela bomba [CV]
• γ: peso específico do fluido [kgf/m3]
• Q: vazão da bomba [m3/s]
• H: altura manométrica [m] • η: rendimento da bomba
Ao longo dessa sessão foram descritos tipos de bomba que garantirão a circulação de água e nutrientes para todo o sistema de horta vertical a ser desenvolvido neste traba-lho. Além de suprir a necessidade biológicas das plantas, o correto dimensionamento da bomba será crucial para reduzir o consumo elétrico e consequente custo de manutenção do sistema. Conforme já citado, o mau funcionamento ou a falha do sistema de bombeamento podem fazer com que todas as plantas em cultivo tenham de ser descartadas. Para garan-tir o funcionamento constante do sistema, atrelado a redução de custo e necessidade de manutenção da horta vertical, é preciso automatizar o sistema. Para isso, serão discutidos os principais sistemas de automação ao longo da próxima sessão.
2.3 AUTOMAC¸ ˜AO
Em qualquer sistema de automação há variáveis do processo (PV) e variáveis manipuladas (MV), (NISE, 2010). A PV é a variável que é monitorada, ou seja, o valor
do parâmetro é medido, porém seus valores não são diretamente alterados. Já a MV é uma variável controlada, a partir de valores da variável do processo o sistema de automação pode alterar os valores da MV com o objetivo de manter os valores da PV dentro de uma faixa de valores considerada ideal.
A aplicação de sistemas automatizados para uso doméstico já foi estudada por Teza (2002). O autor destaca o crescente aumento de residências que aplicam o conceito de “domótica”, ou seja, a robótica doméstica, afirmando que, em 2002, mais de 5 milhões de casas no Estados Unidos já dispunham de sistemas automatizados e que no Brasil o potencial desse mercado é de mais de 100 milhões de dólares. Além disso, o autor defende que a tendência para os próximos anos é que a maioria das residências já tenha a estrutura necessária (cabos, internet, tomadas e espaço) para utilizar sistemas automatizados de qualquer ramo.
Conforme já citado anteriormente, água com nutrientes deve ser bombeada para as raízes das plantas em intervalos. O sistema de bombeamento da agua é de extrema importância para o sucesso do crescimento das plantas segundo Montoya et al. (2017). O funcionamento desse sistema, através do monitoramento de parâmetros deve ser contro-lado, pois uma falha no sistema pode acarretar na perda de todas as plantas cultivadas devido à falta de água e nutrientes.
Visando diminuir o risco de falha no bombeamento e consequente perda das plantas cultivadas, faz-se necessário o desenvolvimento de um sistema automatizado para controle da irrigação das plantas que também monitore a concentração de nutrientes e temperatura da água bombeada para as raízes das plantas.
Há diversos sistemas de automação possíveis de serem utilizados no cultivo ae-ropônico e hidae-ropônico, entretanto, Montoya et al. (2017), defende que estes sistemas podem ser demasiadamente caros e sua manutenção pode ser complexa. Serão compa-rados 3 diferentes métodos de monitoramento e automação do sistema de irrigação das hortas verticais.
Segundo Despommier (2013), é desejável que este sistema monitore e controle a irrigação, qualidade da água irrigada (pH), a luminosidade e o fluxo de ar, parâmetros estes que influenciam diretamente no crescimento das plantas, conforme citado anterior-mente. Todos estes parâmetros podem ser controlados por meio de sensores disponíveis no mercado. O maior desafio será não apenas monitorar os parâmetros mas também fazer com que o sistema de automação atue para manter todas as variáveis dentro da faixa ideal para o crescimento das plantas, levando sempre em conta a necessidade de manter o produto final a preço competitivo e com baixa necessidade de manutenção.
Baseado nos trabalhos desenvolvidos por Despommier (2013), Montoya et al. (2017) e Hancock (2012), foram levantadas os recursos necessários e desejados no sistema
de automação da horta vertical a ser desenvolvida. Todos os parâmetros a serem monito-rados podem ser feitos com o uso de sensores comerciais específicos para a aplicação. Os requisitos necessários são:
• Monitorar e controlar o funcionamento da bomba: o sistema de automação deverá garantir que a bomba de água esteja funcionando para garantir que as plantas estejam recebendo a água com os nutrientes indispensáveis ao seu crescimento. O sistema ainda deve ser capaz de ligar e desligar a bomba a fim de economizar energia, interromper o bombeamento de água, permitindo assim o desenvolvimento de um sistema aeropônico e acionar a bomba em caso de falha da rede elétrica ou do equipamento. A medição do funcionamento da bomba pode ser feito tanto pela corrente elétrica que nela circula (MONTOYA et al., 2017) ou pelo fluxo de água na saída do equipamento.
• Monitorar o nível de água do reservatório: alertas devem ser emitidos quando o sistema hidráulico necessitar de mais água com nutrientes para manter o funciona-mento da bomba.
Os recursos considerados desejáveis foram assim classificados por controlarem parâmetros que não são cruciais para o desenvolvimento das plantas. Entretanto seu monitoramento e controle pode melhorar o desempenho da horta vertical, bem como tornar o produto mais atrativo para os consumidores mais exigentes.
• Monitorar o PH e condutividade elétrica da água: monitorar o PH e a condutividade elétrica da água permite identificar se o reservatório contém uma solução adequada de água com nutrientes (DESPOMMIER, 2013). Ao emitir alarmes devido a níveis de PH fora dos padrões, pode-se atuar no sistema para retornar aos níveis ideais e consequentemente melhorar o crescimento das plantas.
• Monitorar a luminosidade: conforme já discutido anteriormente, em ambientes fe-chados é necessário o acréscimo de luzes para o cultivo de plantas. Para garantir o máximo desempenho da horta vertical, o sistema de automação deve regular a intensidade das luzes ou alertar a falta de luminosidade no ambiente.
• Monitorar a temperatura: o sistema de automação deve alertar para valores de temperatura fora do ideal tanto para as plantas, quanto para os peixes caso a horta vertical os possua.
• Arquivamento de dados ou envio dos dados para outra plataforma: para consumi-dores que desejam melhorar ainda mais o desempenho da horta vertical ou queiram apenas acompanhar seu desenvolvimento é interessante que o sistema de automação disponibilize de alguma forma os dados que estão sendo por ele monitorados. Isso
ajudaria principalmente a detectar deficiências de água, nutrientes ou iluminação das plantas cultivadas.
2.3.1 SISTEMA CLP
Os Controladores Lógicos Programáveis, conhecidos pela sigla CLP, segundo defi-nição da Nema de 2005 (National Electrical Manufacturers Association) – “são aparelhos eletrônicos digitais que utilizam memoria programável para o armazenamento interno de instruções para implementações especificas.”. Segundo Segovia e Theorin (2013) os siste-mas utilizando CLP são mais utilizados na indústria e tem aplicação nos mais diversos problemas de automação. Em termos de Hardware, um CLP necessita basicamente de um microprocessador e de um software que varia de acordo com o fabricante, (JACK, 2010). Sistemas com Controladores Lógicos Programáveis podem controlar e monitorar um número grande de parâmetros devido a sua capacidade de processamento, o que pode limitar o sistema é o elevado custo dos hardwares envolvidos.
Para os casos de utilização do CLP em hortas hidropônicas, já foram realizados estudos por Patil et al. (2016), neste caso foram utilizados sensores de temperatura e umidade para controlar as variáveis do processo. As variáveis manipuladas foram o fluxo de ar através do ventilador, permitindo regular a temperatura do ambiente, a bomba de água, irrigando o sistema periodicamente e a iluminação do sistema. A figura 12 mostra as variáveis de entrada e saída do sistema de automação.
Figura 12 – Variáveis sistema de automação CLP (PATIL et al., 2016)
O uso de CLP para automatização de hortas verticais traz como principal van-tagem a baixa necessidade de manutenção do sistema (PATIL et al., 2016), porém, de acordo com o número de sensores necessários e as variáveis controladas, o custo do sis-tema encarece.
