Novasinergia 2024, 7(1), 6-19. https://doi.org/10.37135/ns.01.13.01 http://novasinergia.unach.edu.ec
Artículo de Investigación
Prototipo semiautomático de costo reducido para la siembra de semillas en
almácigos
Low-Cost semiautomatic prototype for seed planting in seedbeds
Paul Astudillo1 , Diego Pichoasamin1, William Yugcha1, Byron Benalcazar1
1Instituto Tecnológico Superior Rumiñahui, Sangolquí, Ecuador, 171103;
diego.pichoasamin@ister.edu.ec, william.yugcha@ister.edu.ec, byron.benalcazar@ister.edu.ec
*Correspondencia: paul.astudillo@ister.edu.ec
Citación: Astudillo, P.;
Pichoasamin, D.; Yugcha, W. &
Benalcazar, B., (2024).
Prototipo semiautomático de
costo reducido para la siembra
de semillas en almácigos.
Novasinergia. 7(1). 6-19.
https://doi.org/10.37135/ns.01.
13.01
Recibido: 11 septiembre 2023
Aceptado: 24 noviembre 2023
Publicado: 10 enero 2024
Novasinergia
ISSN: 2631-2654
Resumen: En Ecuador, la producción agrícola destinada al consumo
depende en gran medida del cultivo y trasplante de plántulas obtenidas
mediante un proceso manual que implica la colocación individual de
semillas en las cavidades de almácigos. Esta investigación se enfoca en el
diseño de un prototipo de sembradora para la colocación
semiautomática de semillas con el objetivo de reducir el tiempo dedicado
a esta actividad en el proceso agrícola. El prototipo, que incorpora
componentes eléctricos, neumáticos y mecánicos, presenta versatilidad
para adaptarse a semillas de cuatro a diez mm. La composición óptima
se determinó mediante un enfoque deductivo y exploratorio. Las
pruebas confirmaron que el prototipo reduce el tiempo de siembra
manual de cinco a tres minutos, especialmente en situaciones que
requieren grandes cantidades de almácigos de manera continua, lo que
representa una disminución del 40% en el tiempo por bandeja sembrada.
Además, es esencial considerar el costo asociado, aproximadamente
ochocientos diez dólares, lo que posiciona esta propuesta como una
inversión altamente rentable. Este resultado sugiere un beneficio
significativo para el sector agrícola al implementar este dispositivo en el
proceso de siembra, especialmente para emprendedores y pequeños
productores.
Palabras clave: Almácigos, Germinación, Plántulas, Productividad,
Semillas.
Copyright: 2024 derechos
otorgados por los autores a
Novasinergia.
Este es un artículo de acceso abierto
distribuido bajo los términos y
condiciones de una licencia de
Creative Commons Attribution
(CC BY NC).
(http://creativecommons.org/licens
es/by/4.0/).
Abstract: In Ecuador, agricultural production destined for consumption relies
heavily on the cultivation and transplantation of seedlings obtained through a
manual process involving the individual placement of seeds into nursery
seedling cavities. This research focuses on designing a seed planter prototype for
the semi-automatic placement of seeds, aiming to reduce the time dedicated to
this activity in the agricultural process. The prototype, incorporating electrical,
pneumatic, and mechanical components, demonstrates versatility in
accommodating seeds ranging from four to ten mm. Optimal composition was
determined through a deductive and exploratory approach. Trials confirmed that
the prototype reduces manual planting time from five to three minutes,
particularly in scenarios requiring continuous transplantation of large
quantities of seedlings, representing a 40% reduction in time per seeded tray.
Additionally, it is crucial to consider the associated cost, approximately eight
hundred and ten dollars, positioning this proposal as a highly profitable
investment. This outcome suggests significant benefits for the agricultural
sector upon implementing this device in the planting process, especially for
entrepreneurs and small-scale producers.
Keywords: Seedbeds, Germination, Seedlings, Seeds, Productivity.
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1. Introducción
El incremento de la población a nivel mundial es un problema en la actualidad, lo
que ha generado un aumento en la demanda alimentaria (Cranfield, 2020). Por esta razón
se debe anticipar formar para cubrir las necesidades alimentarias (Van Dijk, Morley, Rau, &
Saghai, 2021). Los procesos agrícolas que se han desarrollado a lo largo de los últimos años
no logran satisface dicha demanda (Goodenough, Wall, & Merriman, 2018; Prosekov &
Ivanova, 2018). Ecuador no es ajeno a esta realidad; se espera que la población para el año
2050 llegue a 23.4 millones de habitantes (Pacheco-Jiménez & Ortiz-Oblitas, 2022). Ecuador
es un país en vías de desarrollo con pocas actividades altamente relevantes que contribuyen
a su economía; la agricultura es una de ellas. Esta actividad permite generar capital (Viteri
& Tapia, 2018) desde el pequeño productor hasta las grandes industrias, se estima que la
superficie destinada a la producción agrícola es de cuatrocientas ochenta y cinco mil
seiscientas noventa y seis hectáreas dentro del territorio continental (Caviedes, 2019).
La semilla es el punto de partida para la producción agrícola; ancestralmente, su
germinación se producía directamente en el suelo (Rifna, Ratish Ramanan, & Mahendran,
2019). Dicho método conlleva un bajo porcentaje de cosecha (Inagaki et al., 2021). En la
actualidad, se han implementado cambios en los procesos de cultivo con el uso de la
tecnología, lo que permite un incremento en la producción (Martínez Salvador, 2021). Uno
de los métodos más eficaces es el empleo de almácigos en el proceso de germinación de
semillas y producción de plántulas (Zhao et al., 2021).
Los almácigos son contenedores de diversos materiales, tamaños y cavidades (Ashqar, Abu-
Nasser, & Abu-Naser, 2019), que varían de acuerdo al tamaño de la semilla. En su interior,
contienen una mezcla de varios nutrientes y tierra (sustrato); esta composición constituye el
ambiente donde la semilla germinará y se convertirá en plántula (Farahani et al., 2021). El
proceso de germinación y trasplantación de plántulas ha permitido reducir las pérdidas que
se generan al realizar una siembra directamente en el suelo. Es importante destacar que el
proceso de germinación de semillas se lleva a cabo en un ambiente controlado (Angulo-
Castro et al., 2018), lo que permite aumentar la producción. La colocación de semillas es un
proceso que consume un tiempo considerable (Riegler-Nurscher et al., 2020), ya que muchas
de las semillas tienen un tamaño diminuto.
En Ecuador, muchas de las semillas utilizadas en la producción de cultivos en invernaderos
son de tamaño reducido. La tarea de colocar estas semillas es laboriosa y consume mucho
tiempo, además de causar fatiga muscular en los trabajadores responsables del proceso, al
ser una tarea repetitiva (Dupuis et al., 2021). Es importante destacar que cada orificio del
almácigo debe contener únicamente una semilla (Miguel-Zarate et al., 2021) (Brenes-Madriz
et al., 2019). Por lo tanto, el desarrollo del prototipo se centrará exclusivamente en
automatizar el proceso de colocación de las semillas, lo que significa que un operario será
responsable de cargar los almácigos con sustrato. Es fundamental contar con la tecnología
adecuada para que la producción agrícola de los pequeños agricultores y/o emprendedores
pueda competir en la actualidad.
En la actualidad, existen máquinas especializadas que permiten la colocación precisa de
semillas de diferentes tamaños (Riegler-Nurscher et al., 2020) (Jiang et al., 2022), en cada
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uno de los compartimentos de los almácigos, basándose en el proceso de siembra manual
(González et al., 2019). La construcción del prototipo con estas características requiere un
análisis exhaustivo de diversos factores técnicos, que comienza con el modelado y la
construcción de la estructura, el ensamblaje de componentes mecánicos, eléctricos y
electrónicos. Asimismo, es esencial abordar el proceso de control que permita la integración
de todos estos elementos en el sistema, con el fin de recopilar indicadores que evalúen la
productividad y su eficiencia.
2. Metodología
Actualmente, el proceso de siembra en almácigos se divide en 6 etapas (Fig. 1). Estas
etapas se llevan a cabo de manera independiente, ya sea un proceso manual o automático.
El primer paso implica el llenado de las cavidades del almacigo con sustrato, seguido por el
segundo paso, que consiste en el alisado del sustrato para eliminar el exceso. El tercer paso
incluye el punzado del sustrato, que implica la compresión en cada cavidad para
proporcionar una base sólida en la que la semilla iniciara la germinación. El cuarto paso
implica la colocación de una semilla en cada una de las cavidades, seguida por el quito paso,
que consiste en la colocación de una capa de sustrato que cubre la semilla. Finalmente, el
sexto paso consiste en la hidratación del sustrato.
Figura 1: Proceso de siembra en almácigos
Dentro del diseño e implementación del prototipo, se desarrolló con el objetivo de ser bajo
costo, para que pueda ser implementado por pequeños agricultores, de una manera idéntica
a la eficacia de las maquinas comerciales. Se utilizó el método deductivo e investigación
experimental, para analizar las maquinara comercial existente y el método manual de
siembra, con el fin de obtener el mejor el diseño que se adapte al objetivo de la investigación.
Se opto por utilizar el método de vacío para la toma de las semillas, especialmente para
garantizar la integridad física de las semillas (Liu, Wang, Fang, Cong, & Du, 2020), la cual
es particularmente relevante, ya que las semillas, al ser de tamaño reducido, podrían
dañarse con cualquier cualquier trato abrupto, lo que a su vez resultarían en una no
germinación. El prototipo está compuesto de varias etapas y está controlado desde un punto
de central de procesamiento. Para el diseño del prototipo, se verificaron las dimensiones
necesarias, que deben ser compactas para su fácil movilidad.
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Los aspectos principales que se tomaron como referencia para el diseño de prototipo. En
primer lugar, se consideró el tamaño de los almacigo más usado en el mercado, que suele
ser de 300x300 mm. Además, se tuvo en consideración el rango de tamaño de las semillas a
utilizar, que va de 4 mm hasta los 10 mm. En segundo lugar, se buscó mejorar el tamaño,
para facilitar el transporte de un punto a otro. Es importante destacar los 6 pasos que implica
la siembra en almácigos. Para el desarrollo, se focalizo en la colocación de semillas,
desglosándola en varias etapas (Fig. 2), para logar un diseño y construcción eficientes.
Figura 2: Concepción General del Sistema
2.1. Diseño del Prototipo
Para el diseño estructural, se consideró que, además de que ser compacto, también
debe ser liviano. Se utilizarán perfiles de aleación de aluminio 6063. Las dimensiones de la
estructura son 700x36x600 mm, con algunas partes móviles en cada sistema.
2.1.1. Etapa 1: Barra de boquillas
Se empleo un tubo cuadrado sellado al vacío para la manipulación y posicionamiento
de las semillas. En dicho tubo, se incorporaron diez boquillas, cada una posee un diámetro
interior de 4 mm (Fig. 3), con el propósito de prevenir la aspiración no deseada de las
semillas hacia el interior de la barra distribuidora y asegurar un transporte óptimo. Tanto la
barra distribuidora como las boquillas se fabricaron en aluminio debido a sus propiedades
de dureza y su reducido peso, lo que contribuye al rendimiento eficiente del sistema.
Figura 3: Tubo y boquillas
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2.1.2. Etapa 2: Sistema de transporte
Al tomar en consideración el mecanismo de transporte influye directamente en el
funcionamiento de todo el sistema, se evaluaron dos posibles soluciones: realizarlo con un
sistema de banda transportadora o un sistema tuerca-husillo, ambos deben cumplir con las
características propias del prototipo. Además, deben ser confiables, resistentes y que no
presenten deslizamientos no deseados durante su funcionamiento. Para la selección del
mecanismo se tomó en cuenta el espacio limitado. El sistema más adecuado resulto ser el de
tuerca-husillo, con un movimiento rotativo generado por un motor de corriente continua
(DC) acoplado directamente al husillo, lo que permite que la tuerca se mueva linealmente a
lo largo del husillo.
2.1.3. Bandeja transportadora
Al seleccionar el método de husillo-tuerca, se logra un acople directo de la bandeja,
lo que permite un desplazamiento lineal. El material seleccionado para su fabricación es
aluminio, debido a sus propiedades de dureza y peso. Su tamaño es de 300x300x100 mm y
el diseño se concibió según el tamaño de los almácigos. Además, se ha incorporado soportes
verticales de 30 mm para garantizar la alineación exacta del almacigo al ser ingresado por
el operario, lo que facilita su posterior siembra.
Figura 4: Bandeja de Transporte
2.2. Etapa 3: Sistema de Vacío.
El sistema de vacío desempeña un rol esencial en el proceso de transporte de semillas
desde el almacenamiento hasta el punto de descarga. Para abordar esta función de manera
eficaz, se llevó a cabo un análisis de las necesidades de vacío inherentes al proceso. En el
diseño del sistema de vacío, se tuvo en cuenta el tamaño de una semilla de cilantro (Ec. 1),
lo que permitió calcular la masa de una semilla por cada gramo.
(1)
Posteriormente se calcula la fuerza necesaria para tomar cada una de las semillas en cada
boquilla (Ec. 2), y realizar su traslado. Se considera una aceleración aproximada del pistón
encargado del movimiento de la barra distribuidora de vacío.
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(2)
Con la fuerza requerida para la sujeción de las semillas se procedió a calcular el caudal
necesario para generar la fuerza negativa mediante el sistema de vacío. A través del
volumen del sistema, se puede calcular el caudal máximo de vacío necesario (Ec. 3).
(3)
El generador de vacío seleccionado permite producir la presión negativa para la toma de 10
semillas del contenedor a la vez, su funcionamiento se basa en el efecto Venturi. La ventaja
del generador, al no poseer elementos móviles facilita su traslado y no necesita lubricación.
Tabla 1: Características Generador de vacío EV-20.
Descripción
Características
Fluido
Aire
Rango de Presión
1-6 Bar
Capacidad de generación de vacío
-91.8 Kpa
Caudal
110 l/min
Lubricación
No necesaria
2.2.1. Sistema Neumático
El sistema neumático utilizado (Fig. 5), muestra los diferentes elementos utilizados
para cada una de las semillas. El sistema parte desde el compresor y se distribuye hacia dos
electroválvulas, la válvula 5/2 controla el accionamiento del cilindro neumático, mientras
= 60
3
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que la válvula 3/2 controla la activación del generador de vacío conectado a la barra
distribuidora y las boquillas de succión.
Figura 4: Sistema Neumático
2.3. Etapa 4: Sistema de control.
El sistema elegido para gobernar las etapas del proceso de siembra es un PLC LOGO
24RCL de la marca Siemens, el cual cuenta con todas las características necesarias, tanto con
el número de entradas como el número de salidas, las características principales se muestran
en la Tabla 2.
Tabla 2: Características PLC-LOGO-24RCL
Descripción
Características
Alimentación
24 VDC
Entradas
12 digitales
Salidas
8* 10 A Tipo Relé
Nota: VDC (Voltaje Continuo)
El sistema de control diseñado es del tipo lazo abierto (Fig. 6), al realizar la activación de los
diferentes sensores mediante el ingreso del almacigo a la bandeja de transporte, el
controlador las señales y envía comandos de activación y/o desactivación a los actuadores
para realizar el proceso de siembra. Finalmente, se obtiene el almacigo sembrado. En el
transcurso del proceso en sí, no se puede determinar cuántas semillas fueron colocadas
correctamente. Para realizar una verificación, se requiere llevar a cabo una inspección visual
por parte del operario, quien examinará cada cavidad individualmente.
Novasinergia 2024, 7(1), 6-19 13
Figura 5: Sistema de Control
Adicionalmente, fue imperativo la incorporación de sensores y actuadores (Tabla 3), que se
integran de manera efectiva al sistema de control, permitiéndole la ejecución del proceso
completo. Cabe resaltar la importancia del sensor de vacío, crucial al dar la señal de la tomad
de las semillas, para su posterior colocación.
Tabla 3: Principales Materiales.
Cant.
Equipo
Voltaje
Tipo
3
Sensor Laser Taiss E3F-20DNL
6-36 VDC
Digital
2
Sensor Magnético Airtac
10-110 V
Digital
1
Sensor de Vacío Autonics
PSAN-V01CPV-NPT1/8
12-24 VDC
Analógico
1
Electroválvula 3/2 Airtac
24 VDC
Electroneumático
1
Electroválvula 5/2 Airtac
24 VDC
Electroneumático
1
Piston Neumático Simple Efecto
Chelic
-
Neumático
Nota: VDC (Voltaje Continuo)
3. Resultados
El análisis de resistencia de los componentes del prototipo se llevó a cabo mediante
un software de ingeniería. Esta metodología posibilitó la evaluación de la capacidad de
carga y resistencia del equipo, así como la verificación de las potenciales cargas axiales que
podrían actuar sobre él (López, & Mideros, 2018). Los resultados de esta simulación
revelaron que las fuerzas aplicadas sobre las partes móviles se mantienen por debajo de los
umbrales de fatiga crítica (Fig. 7), lo que garantiza la integridad y el rendimiento óptimo de
los elementos que componen el prototipo.
Figura 7: Análisis de tensiones
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Con el objetivo de determinar la presión de aire óptima en la entrada del sistema y evaluar
la eficiencia del prototipo, se llevaron a cabo pruebas de colocación de semillas en bandejas
de germinación, mediante una variación de la presión de aire en cada ensayo. Los resultados
obtenidos validaron la identificación de la presión adecuada para cada una de las boquillas
(Tabla 4).
Tabla 4: Valores de eficacia de boquillas para varias presiones
BOQUILLAS
1 BAR
2 BAR
3 BAR
4 BAR
5 BAR
6 BAR
Boquilla 1
0%
0%
49%
76%
80%
86%
Boquilla 2
0%
0%
50%
73%
81%
82%
Boquilla 3
0%
0%
49%
70%
82%
85%
Boquilla 4
0%
0%
48%
73%
81%
82%
Boquilla 5
0%
0%
49%
69%
82%
86%
Boquilla 6
0%
0%
47%
74%
79%
81%
Boquilla 7
0%
0%
48%
76%
81%
85%
Boquilla 8
0%
0%
50%
74%
80%
84%
Boquilla 9
0%
0%
47%
73%
81%
83%
Boquilla 10
0%
0%
48%
68%
80%
82%
Figura 8: Eficiencia de boquillas a 6 BAR
Como se observa (Tabla 4), la presión adecuada para obtener la mayor eficiencia en cada
una de las boquillas es 6 BAR. Con esta configuración, se alcanza un porcentaje superior al
80 % (Fig. 8) a comparación con los valores de presión. Este resultado conduce a un mayor
porcentaje de almácigos con las semillas colocadas de manera correcta. Posteriormente, se
evaluó el rendimiento en comparación con el proceso de siembra manual previamente
descrito. La variable analizada fue el número de bandejas junto con el tiempo empleado en
el proceso (Tabla 5). Las pruebas se llevaron a cabo con veinte almácigos plásticos de
300x300 mm, cada uno con 100 cavidades.
Novasinergia 2024, 7(1), 6-19 15
Tabla 5: Tiempo Siembra Manual y Automática
No
Bandejas
Manual
Minutos
Semiutomática
Minutos
1
1
5
3
2
2
10
6
3
3
15
9
4
4
22
12
5
5
27
15
6
6
33
18
7
7
37
21
8
8
44
24
9
9
51
27
10
10
57
30
11
11
63
33
12
12
70
36
13
13
77
39
14
14
85
42
15
15
92
45
16
16
99
48
17
17
106
51
18
18
113
54
19
19
120
57
20
20
127
60
Figura 6: Siembra manual vs Sembradora Semiautomática
A primera vista, se puede apreciar (Fig. 9), que la siembra manual requiere 5 minutos para
completar una bandeja sembrada, y a media que se incrementa el número de bandejas, el
tiempo crece de manera exponencial debido a la fatiga visual y muscular de los operarios.
En contraste, la siembra semiautomática se mantiene constante, con un tiempo de tres
minutos por bandeja sembrada. Esto se traduce en una reducción del 40 % del tiempo
necesario para obtener una bandeja lista, mientras que ese porcentaje se ampliaría a medida
que se aumentan el número de bandejas.
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4. Discusión
En el presente estudio, se planteó la concepción e implementación de un prototipo
de sembradora de bajo costo para almácigos. Tanto el diseño como la evaluación llevada a
cabo demuestran la viabilidad de implementación en el sector agrícola. Además, al
enfocarse en la asequibilidad de prototipo, se realizó un análisis económico detallado de los
materiales utilizados en su construcción.
Tabla 6: Costo del Prototipo
No.
Descripción
Cant.
P. Unit.
P. Total
1
Estructura
1
$ 150
$ 150
2
Elementos Eléctricos
1
$ 480
$ 480
3
Elementos Neumáticos
1
$ 180
$ 180
TOTAL
$ 810
Al analizar (Tabla 6), se pueden observar los costos asociados al desarrollo del prototipo. En
la sección estructura, se han considerado todos los componentes necesarios para el
transporte y sujeción de los elementos eléctricos y neumáticos. En la sección elementos
eléctricos, se han contemplado los dispositivos eléctricos y electrónicos utilizados, como
sensores, actuadores, etc. Por otro lado, en la categoría elementos neumáticos, se han
incluido elementos como válvulas y actuadores neumáticos. Esto ha resultado en un costo
total de ochocientos diez dólares americanos. La validación de bajo costo se lo comparó con
varias opciones disponibles en el mercado nacional e internacional (Tabla 7), analizado no
solo el costo sino también el tiempo requerido para obtener una bandeja con las respectivas
semillas. En comparación con las maquinas comerciales de siembra en almácigos, el
prototipo presenta un costo inferior, aproximadamente un 60 %, lo que nos da un resultado
favorable de su naturaleza de bajo costo. Sin embargo, es importante señalar que las
maquinas comerciales exhiben tiempos considerablemente menores para la obtención de
almácigos con semillas en cada cavidad.
Tabla 7: Comparación de Maquinaria
Costo
Tiempo (Min)
Peso (Kg)
Prototipo
810
5
60
Maquina 1
3600
2,5
70
Maquina 2
2500
3
75
En síntesis, el análisis comparativo entre el prototipo y las máquinas comerciales de siembra
en almácigos resalta la notable ventaja económica del prototipo, evidenciada por un costo
significativamente inferior. Sin embargo, la eficiencia temporal emerge como un aspecto
crucial en el desempeño de las máquinas comerciales, las cuales exhiben tiempos
notablemente más cortos en la obtención de almácigos listos. Esta dualidad entre el aspecto
económico y la eficiencia temporal subraya la necesidad de una cuidadosa consideración de
las prioridades y requisitos específicos al seleccionar la maquinaria adecuada para las
labores de siembra en almácigos en un contexto particular.
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5. Conclusiones
Al realizar el proyecto actual, desde su fase de diseño hasta las pruebas de
implementación, se ha confirmado de manera inequívoca la viabilidad de automatizar a un
costo reducido el proceso de siembra en almácigos. Esta implementación redujo mucho el
tiempo necesario para llenar cada bandeja y permitió un aumento sustancial en la
producción.
El análisis detallado de los resultados obtenidos al comparar el prototipo con las máquinas
comerciales revela que, aunque el prototipo requiere minutos adicionales para completar la
tarea, presenta una ventaja significativa en términos de costos. La discrepancia en el tiempo
de ejecución se identifica como un aspecto importante pero no determinante en el contexto
general de la operación, el prototipo se posiciona como una opción altamente competitiva.
Además, su reducción del 60% en los costos lo consolida como una elección atractiva para
aquellos que buscan una solución eficiente y rentable.
Al analizar los resultados obtenidos durante las pruebas, se confirma que el prototipo
exhibe diversas ventajas en la producción de almácigos correctamente sembrados. Sin
embargo, también se evidencian desventajas, particularmente cuando la instalación no se
lleva a cabo adecuadamente, lo que podría resultar en inconvenientes, especialmente en la
manipulación de la presión del aire comprimido.
Contribuciones de los autores
En concordancia con la taxonomía establecida internacionalmente para la asignación
de créditos a autores de artículos científicos (https://casrai.org/credit/). Los autores declaran
sus contribuciones en la siguiente matriz:
Astudillo, P.
Pichoasamin, D.
Yugcha, W.
Benalcazar, B.
Conceptualización
Análisis formal
Investigación
Metodología
Recursos
Validación
Redacción – revisión y edición
Conflicto de Interés
Los autores declaran que no existen conflictos de interés de ninguna naturaleza en la
presente investigación.
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