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BIOSENSORES APLICADOS A TÉCNICAS VIS-NIR

BIOSENSORES APLICADOS A TÉCNICAS VIS-NIR


En la agricultura se utilizan para identificar la calidad de frutas y semillas, la nutrición foliar y el suelo, además de detectar enfermedades en los cultivos.
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Paula Vargas Q.
Ingeniera Agrónoma
Investigadora Área Biosensores INIA Quilamapu
paula.vargas@inia.cl


La agricultura de precisión sigue creciendo en Chile. La necesidad de optimizar los procesos, tanto de producción como de comercialización, ha impulsado el uso de tecnologías cada vez más innovadoras. Estas herramientas vienen a ayudar a las grandes industrias y a pequeños agricultores a formar una base de datos que les permita tomar decisiones en tiempo real sobre el campo y asegurar una sostenibilidad ambiental y económica, logrando mejorar algunos de los problemas actuales en los procesos agrícolas.

Las herramientas tecnológicas, como las denominadas biosensores, tienen la ventaja de poder ser integradas en toda la cadena productiva como un instrumento de gestión, incorporando disciplinas aplicadas a la visión artificial y sensores UV-VIS-NIR. En la agricultura se utilizan para identificar la calidad de frutas y semillas, la nutrición foliar y el suelo, además de detectar enfermedades en los cultivos. Los sistemas no destructivos tienen el potencial para ser una herramienta útil en el análisis rápido de las numerosas muestras en campo o en laboratorio. Los principales beneficios del uso de esta técnica (previa calibración del elemento de interés), son la obtención de una estimación cuantitativa y precisa del elemento en medición, en una fracción de minuto, sin el uso de reactivos químicos y sin producir residuos contaminantes.

Además, estas técnicas son de bajo costo (llegando a precios de hasta 500 dólares por equipo), en comparación con otras basadas en laboratorios tradicionales, puesto que no requieren de una laboriosa preparación de muestras antes del análisis, lo que permite un rápido acceso a los resultados para uso de la información en la toma de decisiones. Con esto se mejora sustancialmente no solo la efectividad del manejo, sino también la logística del predio. En resumidas cuentas, una vez calibradas, algunas de estas herramientas van a ayudar a los encargados de campo a tomar decisiones en un instante.

Hoy en día, Chile cuenta con laboratorios convencionales que utilizan metodologías o herramientas que evalúan por medio directo -a través de un análisis químico- el ciclo productivo del cultivo o la calidad de las frutas. Pero, dado el tiempo que emplean por análisis, dan un diagnóstico inoportuno. Eso, sumado al elevado costo por análisis, sólo permite tomar entre 1 y 5 muestras por predio, siendo poco representativas dentro de las zonas de producción dentro de un huerto, a causa del desconocimiento de la variabilidad espacial del campo. Estos análisis son poco utilizados, debido al tiempo de la entrega de los resultados por parte del laboratorio (costo/beneficio). Por ello, los análisis químicos limitan la oportuna toma de decisiones, afectando los planes de manejos agronómicos para los cultivos.

Las otras vías de diagnóstico utilizadas son la lectura de manuales técnicos y recomendaciones bibliográficas, que quedan sujetas a la experiencia e intuición del técnico o asesores de campo, que muchas veces son erráticas debido a que no están supeditadas a cada condición edafoclimática específica y que, asociadas a la inestabilidad climática, causan enormes pérdidas en la calidad comercial de la producción.

Es por ello que actualizar la agricultura es de real necesidad para generar un impacto económico positivo, por medio de herramientas tecnológicas que promuevan una agilización de procesos de diagnósticos y alertas tempranas, para acortar las brechas entre decisiones y operaciones en campo (cadena de producción) y comercialización.

INIA, a través del Programa de Agricultura de Precisión, lleva más de seis años potenciando esta área. Hoy en día, ya se dispone de calibraciones en uno de los equipos VIS-NIR (Jaz-Ocean optics), un equipo respaldado científicamente para predecir calidad en arándanos en las variables de antocianinas, polifenoles, grados brix, acidez titulable y firmeza; parámetros que indican la vida útil en postcosecha. Esta investigación y desarrollo son ejecutados con apoyo de la empresa Hortrifrut S.A. y del financiamiento de la Fundación para la Innovación Agraria (FIA).

Además del trabajo realizado en arándanos, se están replicando los ensayos en uvas viníferas, para poder categorizar las viñas según los tipos de vinos a que dan origen. Todos estos antecedentes se esperan incorporar en un sensor VIS-NIR de bajo costo, que se pueda llevar a campo, de manera que pueda ser adquirido por todos los productores de estos rubros.

La necesidad de realizar este trabajo de investigación tiene como antecedente los efectos generados por el cambio climático, que inciden directamente en la calidad y condición de la fruta, trayendo como consecuencia menores precios de retorno hacia los productores y menores volúmenes de fruta que pueden ser vendidos a mercados externos o en procesos agroindustriales.

Para el desarrollo de los modelos de calibración (y posterior predicción), son precisos distintos procedimientos matemáticos, donde se generarán diversos algoritmos quimiométricos, con una base de información robusta para el caso de calibración. En la medición de calidad se recurre a más de tres temporadas de datos, que generan una regresión multivariada del set de datos sobre un dato real (en este caso, el dado por el Laboratorio de Postcosecha de Calidad de arándanos), mediante la concatenación de información curva espectral asociada al dato real de laboratorio que da origen a modelos predictivos.

En la investigación se evalúan distintos sensores de espectrografía VIS-NIS existentes en el mercado, generando lecturas de espectrometrías en ensayos a nivel de campo, donde se podrán seleccionar y determinar los rangos espectrales que representan malezas resistentes y susceptibles. Esto permitirá desarrollar un equipo ultra compacto, de bajo costo y fácil manejo, basado en quimiometría analítica que permita integrarse con dispositivos móviles, a través de conexión Smart. El prototipo final representará una herramienta única apoyada en la tecnología de convergencia nano-software.

Los principales esfuerzos del Programa de Agricultura de Precisión de INIA están orientados a solucionar problemáticas económicas del sector agrícola, por medio de la generación y adaptación de nuevas tecnologías que permitan cuantificar posibles variables de incidencia dentro de las logísticas agronómicas. El desarrollo está basado en el internet de las cosas (IOT), entre la conexión de una aplicación móvil y el sensor, para visualizar los datos en campo de forma oportuna para la toma de decisiones.

Los productores obtendrán información real y de rápido acceso sobre el direccionamiento de las podas y la calidad de su cultivo en la temporada, por medio de equipos móviles conectados a un servidor de datos. Este proyecto está pensado en el almacenamiento de datos actuales y de años anteriores, lo que permitirá a los agricultores visualizar sus proyecciones, y medir la susceptibilidad de sus cultivos en distintos parámetros agroclimáticos.

Esta tecnología también reúne información de la calidad de los cultivos, asociada a la detección de puntos evaluados con el sensor Smart, a través del huerto. En conjunto, serán capaces de determinar las logísticas de cosecha y producción.