Optimization of Artificial Lighting for Energy Efficiency and Crop Quality in Controlled Soilless Systems

Abstract

Controlled-environment agriculture (CEA) comprises intensive systems where environmental factors are artificially regulated to maximize yield and quality. Light in these systems drives photosynthesis and development, requiring strategies that sustain productivity with greater energy efficiency. This thesis aimed to optimize spectral quality, photoperiod, and fixture–canopy arrangements to enhance growth and phytochemical traits of representative crops while reducing energy demand in soilless systems. The research combined simulations of lighting layouts in lettuce cultivation with experimental evaluations of three species—Lactuca sativa, Matricaria chamomilla, and Calendula officinalis—grown under programmable LEDs in a custom-built aeroponic system or in an established ebb-and-flow hydroponic facility, complemented by a systematic review of recent advances in CEA lighting technologies.

Simulations revealed that circular moving fixtures with mobile quincunx beds achieved ≈85% canopy photon capture and reduced electricity demand, lowering production costs to ?1.12 kg-1 compared to static systems. In L. sativa, the white–blue spectral regime produced higher levels of functional compounds and improved physiological indicators, including chlorophyll, anthocyanins, and nitrogen balance, reflecting enhanced crop quality. In M. chamomilla, blue-enriched light consistently accelerated floral induction, underscoring its role in reproductive regulation. In C. officinalis, a 2-h photoperiod extension with green light increased flower number, biomass, chlorophyll, anthocyanins, and sesquiterpene diversity, whereas red:far-red treatments induced elongation without advancing flowering. The systematic review consolidated evidence on four technological drivers—LED spectral modulation, automation, simulation-based design, and integration with renewable energy—identified as central for scaling CEA.

It is concluded that light functions simultaneously as an energy source and a regulatory signal, and that productivity in controlled environments depends on the precise definition of which spectra are delivered, at what duration, and at what spatial distribution. By integrating simulation, experimental validation, and technological synthesis, this thesis demonstrates that tailored light management enhances both efficiency and crop quality, establishing a framework for sustainable and scalable CEA.

La agricultura en ambientes controlados (CEA, por sus siglas en inglés) comprende sistemas intensivos donde los factores ambientales se regulan de manera artificial para maximizar el rendimiento y la calidad. En estos sistemas, la luz impulsa la fotosíntesis y el desarrollo, lo que requiere estrategias que sostengan la productividad con mayor eficiencia energética. El objetivo de esta tesis fue optimizar la calidad espectral, el fotoperiodo y la disposición de la iluminación respecto al dosel, con el fin de mejorar el crecimiento y los rasgos fitoquímicos de cultivos representativos, reduciendo al mismo tiempo la demanda energética en sistemas sin suelo. La investigación integró simulaciones de diseños de iluminación en lechuga, ensayos experimentales en tres especies—Lactuca sativa, Matricaria chamomilla y Calendula officinalis—cultivadas bajo LEDs programables en un sistema aeropónico construido especialmente para este trabajo o en un sistema hidropónico ebb-and-flow, y una revisión sistemática sobre los avances recientes en tecnologías de iluminación aplicadas a la CEA.

Las simulaciones mostraron que el uso de luminarias circulares móviles con camas de cultivo dispuestas en tres bolillo permitió alcanzar un 85% de captura de fotones en el dosel y reducir la demanda eléctrica, lo que disminuyó los costos de producción a ?1.12 kg-1 en comparación con sistemas estáticos. En L. sativa, el tratamiento con espectro blanco–azul promovió mayores niveles de compuestos funcionales y mejores indicadores fisiológicos—clorofila, antocianinas e índice de balance de nitrógeno—lo que se tradujo en una mejor calidad del cultivo. En M. chamomilla, la luz enriquecida en azul aceleró de forma consistente la inducción floral, confirmando su papel en la regulación reproductiva. En C. officinalis, la extensión del fotoperiodo con luz verde durante 2 horas incrementó el número de flores, la biomasa, la clorofila, las antocianinas y la diversidad de sesquiterpenos, mientras que la combinación rojo:rojo-lejano indujo elongación sin incentivar la floración. La revisión sistemática identificó cuatro impulsores tecnológicos clave para la escalabilidad de la CEA: modulación espectral LED, automatización, diseño mediante simulación e integración con energías renovables.

Se concluye que la luz cumple de manera simultánea la función de fuente de energía y señal reguladora, y que la productividad en ambientes controlados depende de definir con precisión qué espectros se aplican, durante cuánto tiempo y con qué distribución espacial. Al integrar simulaciones, validación experimental y síntesis tecnológica, esta tesis demuestra que una gestión lumínica ajustada mejora tanto la eficiencia como la calidad de los cultivos, estableciendo un marco para una CEA sostenible y escalable.