Sostenibilità, i passi per creare un ecosistema di agricoltura circolare

Il settore agricolo sta attraversando una fase critica di indispensabile trasformazione verso obiettivi sia di aumento di produttività che di maggiore sostenibilità. Nell’ultima Cop28 di Dubai, è stato rimarcato come le tecniche agricole debbano evolversi non solo a fronte del cambiamento climatico che sta mettendo a serio rischio le coltivazioni, ma soprattutto per consentire quell’aumento di produzione necessario per soddisfare la domanda di cibo in continua crescita a livello globale. E il passaggio a un modello agricolo sostenibile è anche al centro anche della Politica Agricola Comune (PAC) 2023-2027 dell’Unione Europea.

Agricoltura, i fronti critici per la sostenibilità

I principali aspetti di criticità nelle attuali tecniche di coltivazione possono essere individuati nei seguenti fattori:

• la disponibilità di acqua, essenziale per l’agricoltura (che ne consuma circa il 70% a livello mondiale), d’altra parte sempre più limitata da fattori ambientali e demografici;
• i cambiamenti climatici, con l’aumento della frequenza e dell’intensità di eventi estremi e la conseguente difficoltà di mantenere la produzione alimentare stabile e sicura;
• l’impoverimento del suolo a fronte di tecniche di coltivazione intensive con il conseguente deterioramento dello strato superiore e la perdita delle sostanze nutrienti, fino alla riduzione delle biodiversità;
• l’impiego di pesticidi chimici, con la conseguente generazione di resistenza nei parassiti e di impatti negativi sugli organismi non target, inclusi impollinatori e fauna selvatica.

La strategia per la transizione verso un ecosistema circolare e sostenibile

Tenendo conto di queste necessità, una strategia per l’evoluzione, che risulti implementabile gradualmente in modo da essere sostenibile anche dal punto di vista economico e sociale, si può individuare nella associazione di metodi di coltivazione tradizionali con tecniche più avanzate, che siano in grado, congiuntamente, di implementare ecosistemi completi e resilienti in grado di produrre tutti gli elementi di base necessari al sostentamento umano.

Con questo approccio, si identificano tre requisiti principali per l’ambiente ed il processo di produzione, allo scopo sia di aumentarne l’efficienza e la sostenibilità, che di consentire un miglioramento misurabile e tracciabile dei prodotti alimentari finali:

• resilienza ai cambiamenti climatici: mediante la coltivazione in coltura protetta viene ridotta la dipendenza dalle condizioni meteorologiche esterne, consentendo una produzione continua e indipendente dalle stagioni.
• sostenibilità ambientale: minimizzando l’impatto sull’ambiente mediante la coltivazione idroponica, una tecnica di coltivazione fuori suolo, che permette l’eliminazione dei pesticidi e la riduzione di fertilizzanti di sintesi.
• circolarità ed eliminazione degli sprechi: integrando diversi processi produttivi che riutilizzino sinergicamente i residui e gli scarti reciproci, sia relativamente all’ acqua che ai materiali organici.

Con questi obiettivi, si più definire ed implementare un modello basato sulla integrazione di diversi processi produttivi che agiscano complementarmente e si alimentino reciprocamente, come descritto nel seguito (cfr. schema in figura 1).

Figura 1 – L’ecosistema circolare di produzione

Coltivazione idroponica

La coltivazione idroponica è un sistema di coltivazione definito fuori suolo poiché utilizza, al posto del terreno, una soluzione acquosa (soluzione nutritiva) da cui le radici traggono i nutrienti necessari alla crescita della pianta. Questa tecnica soddisfa la necessità di aumentare le rese di produzione in prospettiva di una sempre più limitata disponibilità di terreni agricoli e della crescita demografica. La coltivazione inoltre avviene in ambienti protetti, garantendo una produzione stabile e resiliente agli eventi atmosferici estremi sempre più frequenti ed improvvisi.

Coltivazione dei funghi

Questo processo di coltivazione necessita l’allestimento di ambienti chiamati fungaie, progettati e controllati per fornire le condizioni di crescita ideali. Il ciclo vitale dei funghi si svolge su blocchi di materiale organico, composti principalmente da paglia, letame compostato o segatura, che rappresentano importanti sottoprodotti del settore primario. Una volta raccolti i funghi, la paglia su cui sono cresciuti costituisce un ottimo ammendate per il suolo per aumentarne il contenuto organico, soprattutto a seguito di un processo di compostaggio mediato da lombrichi.

Produzione di humus di lombrico (vermi-compostaggio)

Un processo biologico che sfrutta l’azione dei lombrichi per trasformare rifiuti organici residui dalla coltivazione di funghi e ortaggi in un fertilizzante naturale. I lombrichi digeriscono scarti vegetali e letame, rilasciando enzimi e favorendo lo sviluppo di batteri che li trasformano in una sostanza carica di elementi facilmente assimilabili dalle piante, in grado di migliorare la fertilità del suolo. Nell’ecosistema rappresenta il punto chiave di ricircolo dei sottoprodotti. In aggiunta, i lombrichi allevati nell’impianto di compostaggio possono essere impiegati come supplemento nella dieta di animali da cortile come polli e galline.

Coltivazione acquaponica

Questo processo si basa sull’allevamento di pesci, utilizzando l’acqua proveniente dalle vasche di allevamento, opportunamente attrezzate e controllate, come fertilizzante naturale da impiegare nella coltivazione idroponica. Anche in questo caso i lombrichi possono essere utilizzati per integrare l’alimentazione dei pesci e ridurre il fabbisogno di mangimi, aumentando l’autosufficienza dell’ecosistema.

Allevamento avicolo

Al fine di introdurre nell’ecosistema tutti gli elementi di base necessari all’alimentazione umana, il modello include l’allevamento a terra di pollame per la produzione di uova che forniscono gli aminoacidi essenziali. La qualità produttiva di questo allevamento è garantita dal benessere degli animali che, oltre ad avere a disposizione adeguati spazi, saranno alimentati in parte anche con i lombrichi provenienti dal processo di maturazione del vermicompost (ricchi di proteine) e con i vegetali di scarto provenienti dall’idroponica (ricchi di antiossidanti).

Il ruolo e la struttura del sistema informativo

La possibilità di operare in un ambiente protetto e controllato è di fondamentale importanza alla realizzazione di questo sistema produttivo. Questo consente di monitorare in tempo reale tutti i parametri della coltivazione e prevenire eventuali situazioni avverse, come la proliferazione di organismi dannosi per le piante, intervenendo tempestivamente con azioni di correzione al fine di garantire la qualità dei prodotti.

La progettazione, l’implementazione e la gestione dell’ecosistema richiede quindi un approccio multidimensionale e multiprofessionale, in cui confluiscano aspetti biologici, organizzativi e strutturali, tenendo inoltre in considerazione di come i requisiti non siano solo dipendenti dalle tipologie dei processi di coltivazione implementati, ma risentano anche di fattori esterni e spesso imprevedibili, legati allo specifico contesto ambientale in cui opera l’azienda.

Prescindendo dagli aspetti -peraltro propedeutici e fondamentali- di natura biologica, organizzativa e formativa non oggetto di questo articolo, va evidenziato come la complessità, la variabilità e l’integrazione del contesto determini anche requisiti per quanto riguarda l’architettura dell’infrastruttura tecnologica.

Perché serve un approccio olistico

Il sistema informativo, infatti, non può essere considerato come un insieme di procedure ed apparati tecnologici indipendenti, ognuno dedicato a controllare uno specifico aspetto e/o supportare una singola attività. Un tale approccio porterebbe alla realizzazione di “silos” indipendenti che -come peraltro ampiamente dimostrato anche in altre tipologie aziendali- non riescono da soli, se non integrati sia per condividere i dati che per assicurare la continuità dei processi, a fornire quegli strumenti di governo complessivo dell’intera struttura, in grado di supportare ed influire sull’intero sistema e -in definitiva- sulla qualità stessa del prodotto finale, secondo un approccio di controllo e miglioramento continuo come schematizzato nella figura 2.

Figura 2: Approccio generale dell’organizzazione e del sistema informativo di supporto

Partendo da questa visione integrata, si può schematizzare l’architettura del sistema informativo in tre livelli, fra loro interconnessi, come schematizzato in figura 3:

Figura 3 – I livello dell’architettura del sistema informativo integrato

• il livello di acquisizione e controllo

Questo livello è responsabile di generare e raccogliere i dati e le misurazioni sia dei singoli settori di produzione che dell’ambiente (interno ed esterno) nel suo complesso. E’ fortemente basato sull’IoT, con dispositivi come sensori, misuratori chimici, valvole, ventilatori, etc.

• il livello di processo (integrato, sia automatico che manuale)

Fanno parte di questo livello quei moduli che, disponendo delle informazioni (ed eventualmente dagli allarmi) prodotte dai singoli sistemi di acquisizione e controllo, hanno una conoscenza complessiva dell’intero processo di interesse e provvedono alla ottimizzazione dei vari parametri, sia interagendo con i sistemi di base che mediante attuatori a cui sono asserviti altri dispositivi. Le funzionalità di questo livello devono rappresentare un insieme omogeneo ed integrato che comprende sia elaborazioni e decisioni prese automaticamente sulla base di programmi e basi di conoscenza specifici del processo, sia procedure utilizzate dall’operatore a supporto delle attività manuali.

• il livello di gestione

Comprende tutte quelle tipiche procedure necessarie per la gestione dell’azienda nei diversi settori di rilevanza, come evidenziate in figura 2.

La gestione dei dati

Come in qualunque altro contesto aziendale, la disponibilità di un patrimonio informativo completo ed integrato riveste un ruolo fondamentale nella gestione di tutti i processi ai vari livelli: da quello di controllo “sul campo” a quello apicale di gestione e coordinamento aziendale.

D’altra parte non può essere sottostimato come la diversità e la molteplicità delle attività e dei parametri di interesse (sia acquisiti automaticamente mediante dispositivi IoT, sia elaborati e prodotti a fronte di processi manuali) renda molto complesso, -per non dire impossibile- che un unico sistema, fornito da un unico produttore, sia in grado di implementare – alla stregua di un “grande fratello” – tutte le funzionalità necessarie per la gestione ed il governo dell’azienda. L’architettura del sistema, pertanto non può essere monolitica (il che determinerebbe anche situazioni di “vendor lock-in” e dipendenza da specifici fornitori), ma deve essere progettata secondo una strategia espandibile e modulare, che consenta di aggiungere componenti hardware, dispositivi, funzionalità e procedure senza condizionamenti di sorta, come man mano rese disponibili sul mercato e selezionate in funzione delle specifiche esigenze aziendali.

Per ottenere questo risultato, garantendo allo stesso tempo la continuità e la sicurezza dei processi, è necessario prevedere nell’architettura del sistema un “repository” nel quale integrare i dati prodotti dai diversi sistemi. Caratteristica fondamentale del repository è che questo si basi su di una struttura non proprietaria, aperta e stabile, in modo da rendere i dati disponibili per tutte le procedure e le elaborazioni che man mano si rendono necessarie, anche a scopo di ricerca. E’ la stessa strategia adottata, da sempre, per il governo amministrativo con l’implementazione del datawarehouse, con la differenza che il repository dovrà contenere non informazioni aggregate, ma tutti i singoli dati elementari.

Il contributo dell’IA

La disponibilità di un patrimonio informativo completo ed integrato, accessibile senza condizionamenti nel repository, è anche condizione indispensabile per l’implementazione di componenti basati sull’IA, che -proprio alla luce della molteplicità dei parametri di rilevanza e dei possibili eventi che possono verificarsi- può fornire un contributo qualificante nella gestione del processo produttivo. In questo ambito possono individuarsi tre aree principali di intervento:

• la gestione in tempo reale delle operazioni automatiche di controllo ed ottimizzazione, a fronte della possibilità di analizzare tutti i parametri rilevati dai sensori;
• l’esecuzione di analisi e simulazioni predittive su possibili evoluzioni dei processi in corso, correlando il contesto attuale con situazioni pregresse, non solo dal punto di vista dei singoli processi produttivi ma anche di fattori esterni ed ambientali;
• la proposta di indicazioni per il miglioramento dei protocolli e delle regole secondo cui gestire i processi produttivi, alimentando la base di conoscenza a supporto delle procedure operative, come schematizzato in Figura 2

Il sistema di automazione e controllo dei parametri ambientali e di produzione

Come esempio di integrazione fra i componenti di sensoristica e le procedure di controllo di processo, in figura 4 è schematizzata la struttura del sistema e dell’impiantistica necessari per l’alimentazione ed il controllo dell’acqua, dell’ossigenazione e della soluzione nutritiva nelle vasche dedicate alla coltivazione idroponica.

Figura 4. Sistema di alimentazione e controllo delle vasche di coltura idroponica

Funzionalmente il sistema si compone di:

a) una centrale di automazione in grado di gestire i parametri dell’ambiente della serra e delle singole vasche di coltivazione, sia in termini di microclima locale che del fabbisogno della soluzione nutritiva nelle singole vasche:

• acquisisce, mediante sensori opportunamente dislocati, i parametri ambientali fondamentali, in termini di temperatura, umidità, luce, CO2, ventilazione, etc. e controlla i dispositivi all’uopo dislocati nell’ambiente della serra;
• riceve dalle vasche dati sui valori di Ph ed EC, mediante sensori o mediante estrazione di campionamento dell’acqua dalla vasca;
• attinge da contenitori i quantitativi necessari di soluzione nutritiva concentrata. Per poter diversificare le colture ed agire in modo ottimale sulle esigenze delle singole vasche è opportuno prevedere contenitori diversi di soluzione nutritiva, specifiche per le coltivazioni in corso;
• diluisce la soluzione concentrata con acqua di irrigazione, ad esempio captata da un pozzo ed immagazzinata in un serbatoio di servizio, in modo da ridurre il consumo di energia evitando di attivare la pompa del pozzo ad ogni intervento;
• invia la soluzione diluita alle singole vasche, secondo il fabbisogno calcolato;

b) Su ogni vasca, un sistema di gestione indipendente, formato da:

• un sistema per il controllo del livello dell’acqua mediante captazione dal pozzo attraverso il circuito già esistente;
• un sistema di ricircolo dell’acqua per la purificazione e l’ossigenazione con tubo Venturi. Consta di una pompa di riciclo che estrae l’acqua dalla vasca e la indirizza verso un filtro meccanico ed un filtro UV, per poi arrivare ad una centrale che la reinvia nella vasca facendo anche uso di un tubo Venturi. Il sistema opera sulla base di dati locali ricevuti da un sensore;
• un compressore di aria che -al bisogno, monitorando i livelli di ossigeno– alimenta quattro ossigenatori disposti nella vasca in posizione centrale lungo l’asse longitudinale;
• opzionalmente un sistema verticale a pioggia mediante una barra scorrevole per trattamenti biologici di irrigazione automatica.