Streszczenie: W ostatnich latach, wraz z ciągłym poszukiwaniem nowoczesnych technologii rolniczych, szybko rozwinął się również przemysł fabryk roślin.W niniejszym artykule przedstawiono status quo, istniejące problemy i środki zaradcze w zakresie rozwoju technologii fabryk roślin i rozwoju przemysłu, a także oczekuje się tendencji rozwojowych i perspektyw fabryk roślin w przyszłości.

1. Aktualny stan rozwoju technologii w fabrykach roślin w Chinach i za granicą

1.1 Status quo rozwoju technologii zagranicznych

Od XXI wieku badania fabryk roślin koncentrowały się głównie na poprawie wydajności świetlnej, tworzeniu wielowarstwowego trójwymiarowego systemu uprawy oraz badaniach i rozwoju inteligentnego zarządzania i kontroli.W XXI wieku nastąpił postęp w innowacjach rolniczych źródeł światła LED, zapewniając ważne wsparcie techniczne dla zastosowania energooszczędnych źródeł światła LED w fabrykach roślin.Uniwersytet Chiba w Japonii wprowadził szereg innowacji w zakresie wysokowydajnych źródeł światła, energooszczędnej kontroli środowiska i technik uprawy.Uniwersytet Wageningen w Holandii wykorzystuje technologię symulacji środowiska upraw i optymalizacji dynamicznej do opracowania inteligentnego systemu wyposażenia fabryk roślinnych, który znacznie obniża koszty operacyjne i znacznie poprawia wydajność pracy.

W ostatnich latach zakłady roślinne stopniowo realizowały półautomatyzację procesów produkcyjnych od siewu, hodowli sadzonek, przesadzania i zbioru.Przodują Japonia, Holandia i Stany Zjednoczone, które charakteryzują się wysokim stopniem mechanizacji, automatyzacji i inteligencji oraz rozwijają się w kierunku rolnictwa pionowego i operacji bezzałogowych.

1.2 Stan rozwoju technologii w Chinach

1.2.1 Specjalistyczne źródła światła LED i energooszczędne urządzenia technologiczne do sztucznego oświetlenia w fabryce roślin

Jedno po drugim opracowano specjalne czerwone i niebieskie źródła światła LED do produkcji różnych gatunków roślin w fabrykach roślin.Zakres mocy wynosi od 30 do 300 W, a natężenie światła napromieniania wynosi od 80 do 500 μmol/(m2·s), co pozwala uzyskać natężenie światła o odpowiednim zakresie progowym, parametrach jakości światła, aby uzyskać efekt wysokiej wydajności oszczędność energii i dostosowanie do potrzeb wzrostu roślin i oświetlenia.Jeśli chodzi o zarządzanie rozpraszaniem ciepła źródła światła, wprowadzono aktywny projekt rozpraszania ciepła wentylatora źródła światła, który zmniejsza szybkość zaniku światła źródła światła i zapewnia żywotność źródła światła.Ponadto zaproponowano metodę redukcji ciepła źródła światła LED poprzez pożywkę lub cyrkulację wody.Jeśli chodzi o zarządzanie przestrzenią źródła światła, zgodnie z prawem ewolucji wielkości rośliny na etapie sadzonki i późniejszym etapie, poprzez zarządzanie pionowym ruchem przestrzeni źródła światła LED, baldachim rośliny może być oświetlony z bliskiej odległości, a celem oszczędzania energii jest osiągnięte.Obecnie zużycie energii przez źródło światła fabryki sztucznego światła może stanowić od 50% do 60% całkowitego operacyjnego zużycia energii w fabryce roślin.Chociaż diody LED pozwalają zaoszczędzić 50% energii w porównaniu z lampami fluorescencyjnymi, nadal istnieje potencjał i konieczność prowadzenia badań nad oszczędnością energii i redukcją zużycia.

1.2.2 Technologia i sprzęt do wielowarstwowej trójwymiarowej uprawy

Szczelina między warstwami wielowarstwowej trójwymiarowej uprawy jest zmniejszona, ponieważ dioda LED zastępuje lampę fluorescencyjną, co poprawia efektywność wykorzystania przestrzeni trójwymiarowej w uprawie roślin.Istnieje wiele opracowań dotyczących projektowania dna złoża uprawowego.Wypukłe paski są zaprojektowane tak, aby generować turbulentny przepływ, który może pomóc korzeniom roślin w równomiernym wchłanianiu składników odżywczych w pożywce i zwiększeniu stężenia rozpuszczonego tlenu.Korzystając z planszy kolonizacyjnej, istnieją dwie metody kolonizacji, to znaczy plastikowe kubki kolonizacyjne o różnych rozmiarach lub tryb kolonizacji obwodu gąbki.Pojawił się przesuwny system łóżek uprawowych, a deskę do sadzenia i rośliny na niej można ręcznie przesuwać z jednego końca na drugi, realizując tryb produkcyjny sadzenia na jednym końcu łóżka uprawowego i zbioru na drugim końcu.Obecnie opracowano różnorodne trójwymiarowe wielowarstwowe technologie i sprzęt do hodowli bezglebowej oparte na technologii płynnej folii odżywczej i technologii głębokiego przepływu cieczy, a także technologię i sprzęt do uprawy substratów truskawek, uprawy aerozolu warzyw liściastych i kwiatów wyrosły.Wspomniana technologia szybko się rozwinęła.

1.2.3 Technologia i sprzęt do cyrkulacji roztworów odżywczych

Po pewnym okresie stosowania pożywki konieczne jest uzupełnienie wody i składników mineralnych.Ogólnie ilość nowo przygotowanej pożywki i ilość roztworu kwasowo-zasadowego określa się mierząc EC i pH.Duże cząstki osadu lub złuszczania korzeni w pożywce należy usunąć przez filtr.Wysięki z korzeni w pożywce można usunąć metodami fotokatalitycznymi, aby uniknąć ciągłych przeszkód w uprawach w hydroponice, ale istnieje pewne ryzyko związane z dostępnością składników odżywczych.

1.2.4 Technologia i sprzęt do kontroli środowiska

Czystość powietrza w przestrzeni produkcyjnej jest jednym z ważnych wskaźników jakości powietrza w zakładzie produkcyjnym.Czystość powietrza (wskaźniki obecności cząstek zawieszonych i osiadłych bakterii) w przestrzeni produkcyjnej zakładu produkcyjnego w warunkach dynamicznych powinna być kontrolowana do poziomu powyżej 100 tys.Wejście do dezynfekcji materiałów, uzdatnianie natrysku powietrza dla personelu wchodzącego oraz system oczyszczania powietrza z cyrkulacją świeżego powietrza (system filtracji powietrza) to podstawowe zabezpieczenia.Temperatura i wilgotność, stężenie CO2 i prędkość przepływu powietrza w przestrzeni produkcyjnej to kolejne ważne elementy kontroli jakości powietrza.Według doniesień, ustawienie urządzeń, takich jak skrzynki do mieszania powietrza, kanały powietrzne, wloty i wyloty powietrza, może równomiernie kontrolować temperaturę i wilgotność, stężenie CO2 i prędkość przepływu powietrza w przestrzeni produkcyjnej, aby osiągnąć wysoką jednorodność przestrzenną i zaspokoić potrzeby zakładu w różnych lokalizacjach przestrzennych.System kontroli temperatury, wilgotności i stężenia CO2 oraz system świeżego powietrza są organicznie zintegrowane z systemem powietrza obiegowego.Trzy systemy muszą dzielić kanał powietrzny, wlot i wylot powietrza oraz zapewniać zasilanie przez wentylator, aby zapewnić cyrkulację przepływu powietrza, filtrację i dezynfekcję oraz aktualizację i jednolitość jakości powietrza.Zapewnia, że ​​produkcja roślinna w fabryce roślin jest wolna od szkodników i chorób oraz nie jest wymagane stosowanie pestycydów.Jednocześnie równomierność temperatury, wilgotności, przepływu powietrza i stężenia CO2 elementów środowiska wzrostu w baldachimie gwarantuje zaspokojenie potrzeb wzrostu roślin.

2. Stan rozwoju przemysłu zakładowego

2.1 Status quo zagranicznego przemysłu fabrycznego

W Japonii badania i rozwój oraz uprzemysłowienie fabryk roślin sztucznego światła są stosunkowo szybkie i są na wiodącym poziomie.W 2010 roku japoński rząd uruchomił 50 miliardów jenów na wsparcie badań i rozwoju technologii oraz demonstracji przemysłowych.Uczestniczyło w nim osiem instytucji, w tym Uniwersytet Chiba i Japońskie Stowarzyszenie Badawcze Fabryki Roślin.Firma Japan Future Company podjęła się i prowadziła pierwszy projekt demonstracyjny uprzemysłowienia fabryki roślin o dziennej produkcji 3000 roślin.W 2012 roku koszt produkcji fabryki roślin wynosił 700 jenów/kg.W 2014 roku ukończono budowę nowoczesnej fabryki roślin w Taga Castle w prefekturze Miyagi, stając się pierwszą na świecie fabryką roślin LED o dziennej produkcji 10 000 roślin.Od 2016 r. fabryki produkujące diody LED weszły na ścieżkę szybkiego uprzemysłowienia w Japonii, a przedsiębiorstwa, które osiągnęły próg rentowności lub rentowność, pojawiały się jeden po drugim.W 2018 roku pojawiały się kolejno duże fabryki roślin o dziennej zdolności produkcyjnej od 50 000 do 100 000 roślin, a globalne fabryki roślin rozwijały się w kierunku wielkoskalowego, profesjonalnego i inteligentnego rozwoju.W tym samym czasie Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power i inne branże zaczęły inwestować w fabryki.W 2020 roku udział w rynku sałaty produkowanej przez japońskie fabryki roślin będzie stanowił około 10% całego rynku sałaty.Spośród ponad 250 działających obecnie fabryk roślin typu sztuczne światło, 20% znajduje się w fazie przynoszącej straty, 50% na progu rentowności, a 30% w fazie rentowności, obejmującej gatunki roślin uprawnych, takie jak sałata, zioła i sadzonki.

Holandia jest prawdziwym światowym liderem w dziedzinie połączonej technologii stosowania światła słonecznego i sztucznego światła w fabrykach roślin, o wysokim stopniu mechanizacji, automatyzacji, inteligencji i bezobsługowości, a obecnie wyeksportowała pełny zestaw technologii i sprzętu tak silny produktów na Bliski Wschód, do Afryki, Chin i innych krajów.Farma American AeroFarms położona jest w Newark, New Jersey, USA, o powierzchni 6500 m2.Uprawia głównie warzywa i przyprawy, a produkcja wynosi około 900 t/rok.

Pionowe rolnictwo w AeroFarms

Fabryka pionowych roślin rolniczych Plenty Company w Stanach Zjednoczonych stosuje oświetlenie LED i pionową ramę do sadzenia o wysokości 6 m.Rośliny wyrastają z boków donic.Opierając się na nawadnianiu grawitacyjnym, ta metoda sadzenia nie wymaga dodatkowych pomp i jest bardziej wydajna pod względem wody niż rolnictwo konwencjonalne.Wiele osób twierdzi, że jego gospodarstwo produkuje 350 razy więcej niż gospodarstwo konwencjonalne, zużywając przy tym zaledwie 1% wody.

Pionowa fabryka roślin rolniczych, Plenty Company

2.2 Status przemysłu fabrycznego w Chinach

W 2009 roku w Changchun Agricultural Expo Park zbudowano i uruchomiono pierwszą fabrykę zakładów produkcyjnych w Chinach z inteligentnym sterowaniem jako rdzeniem.Powierzchnia budynku wynosi 200 m2, a czynniki środowiskowe, takie jak temperatura, wilgotność, światło, stężenie CO2 i roztworu odżywczego w fabryce roślin, mogą być automatycznie monitorowane w czasie rzeczywistym w celu inteligentnego zarządzania.

W 2010 roku zbudowano fabrykę roślin Tongzhou w Pekinie.Główna konstrukcja przyjmuje jednowarstwową lekką konstrukcję stalową o łącznej powierzchni konstrukcyjnej 1289 m2.Ma kształt lotniskowca, co symbolizuje chińskie rolnictwo przodujące w wypłynięciu na najbardziej zaawansowaną technologię nowoczesnego rolnictwa.Opracowano automatyczne urządzenia do niektórych operacji produkcji warzyw liściastych, co poprawiło poziom automatyzacji produkcji i wydajność produkcji fabryki roślin.Fabryka roślin przyjmuje gruntowy system pompy ciepła i system wytwarzania energii słonecznej, co lepiej rozwiązuje problem wysokich kosztów operacyjnych dla fabryki roślin.

Widok wewnątrz i na zewnątrz fabryki roślin Tongzhou

W 2013 roku w Yangling Agricultural High-tech Demonstration Zone w prowincji Shaanxi powstało wiele firm zajmujących się technologią rolniczą.Większość budowanych i eksploatowanych projektów fabryk roślin zlokalizowana jest w rolniczych parkach pokazowych zaawansowanych technologii, które są wykorzystywane głównie do pokazów popularnonaukowych i zwiedzania rekreacyjnego.Ze względu na swoje ograniczenia funkcjonalne, tym popularnonaukowym fabrykom roślin trudno jest osiągnąć wysoką wydajność i wysoką wydajność wymaganą przez industrializację i trudno będzie im stać się w przyszłości główną formą industrializacji.

W 2015 roku główny producent chipów LED w Chinach nawiązał współpracę z Instytutem Botaniki Chińskiej Akademii Nauk, aby wspólnie zainicjować utworzenie firmy produkującej rośliny.Przekroczył z przemysłu optoelektronicznego do przemysłu „fotobiologicznego” i stał się precedensem dla chińskich producentów LED do inwestowania w budowę fabryk roślin w industrializacji.Jej Fabryka Roślin jest zaangażowana w inwestycje przemysłowe w rozwijającą się fotobiologię, która integruje badania naukowe, produkcję, demonstrację, inkubację i inne funkcje, z kapitałem zakładowym w wysokości 100 milionów juanów.W czerwcu 2016 roku została ukończona i oddana do użytku Fabryka Roślin z 3-kondygnacyjnym budynkiem o powierzchni 3000 m2 i powierzchnią upraw ponad 10 000 m2.Do maja 2017 r. dzienna skala produkcji wyniesie 1500 kg warzyw liściastych, co odpowiada 15 000 sadzonek sałaty dziennie.

opinie o tej firmie

3. Problemy i środki zaradcze stojące przed rozwojem fabryk roślinnych

3.1 Problemy

3.1.1 Wysoki koszt budowy

Fabryki roślin muszą produkować plony w zamkniętym środowisku.Dlatego konieczne jest zbudowanie projektów i urządzeń pomocniczych, w tym zewnętrznych konstrukcji konserwacyjnych, systemów klimatyzacji, źródeł sztucznego światła, wielowarstwowych systemów uprawy, obiegu pożywek i komputerowych systemów sterowania.Koszt budowy jest stosunkowo wysoki.

3.1.2 Wysoki koszt eksploatacji

Większość źródeł światła wymaganych przez fabryki roślin pochodzi z diod LED, które zużywają dużo energii elektrycznej, zapewniając jednocześnie odpowiednie widmo dla wzrostu różnych upraw.Urządzenia takie jak klimatyzacja, wentylacja czy pompy wody w procesie produkcji fabryk roślin również zużywają energię elektryczną, więc rachunki za prąd to ogromny wydatek.Według statystyk wśród kosztów produkcji fabryk roślinnych koszty energii elektrycznej stanowią 29%, koszty pracy 26%, amortyzacja środków trwałych 23%, opakowania i transport 12%, a materiały produkcyjne 10%.

Podział kosztów produkcji dla fabryki roślin

3.1.3 Niski poziom automatyzacji

Stosowana obecnie fabryka roślin charakteryzuje się niskim stopniem automatyzacji, a procesy takie jak sadzenie, przesadzanie, sadzenie w polu i zbiór nadal wymagają operacji ręcznych, co wiąże się z wysokimi kosztami pracy.

3.1.4 Ograniczone odmiany upraw, które można uprawiać

Obecnie rodzaje upraw odpowiednich dla fabryk roślin są bardzo ograniczone, głównie zielone warzywa liściaste, które szybko rosną, łatwo przyjmują sztuczne źródła światła i mają niski baldachim.Sadzenia na dużą skalę nie można przeprowadzać w przypadku złożonych wymagań dotyczących sadzenia (takich jak uprawy wymagające zapylania itp.).

3.2 Strategia rozwoju

W obliczu problemów, z jakimi boryka się przemysł fabryk roślin, konieczne jest prowadzenie badań z różnych aspektów, takich jak technologia i eksploatacja.W odpowiedzi na obecne problemy, środki zaradcze są następujące.

(1) Wzmocnić badania nad inteligentną technologią fabryk roślinnych i poprawić poziom intensywnego i wyrafinowanego zarządzania.Opracowanie inteligentnego systemu zarządzania i kontroli pomaga osiągnąć intensywne i wyrafinowane zarządzanie fabrykami roślin, co może znacznie obniżyć koszty pracy i zaoszczędzić siłę roboczą.

(2) Opracuj intensywne i wydajne wyposażenie techniczne fabryki roślin, aby osiągnąć roczną wysoką jakość i wysoką wydajność.Rozwój wysokowydajnych urządzeń i urządzeń do uprawy, energooszczędnych technologii i urządzeń oświetleniowych itp. W celu poprawy inteligentnego poziomu fabryk roślinnych sprzyja realizacji rocznej produkcji o wysokiej wydajności.

(3) Przeprowadzaj badania nad technologią uprawy przemysłowej dla roślin o wysokiej wartości dodanej, takich jak rośliny lecznicze, rośliny lecznicze i rzadkie warzywa, zwiększaj rodzaje upraw uprawianych w fabrykach roślin, poszerzaj kanały zysku i poprawiaj punkt wyjścia zysku .

(4) Przeprowadzaj badania nad fabrykami roślin do użytku domowego i komercyjnego, wzbogacaj rodzaje fabryk roślin i osiągaj ciągłą rentowność dzięki różnym funkcjom.

4. Kierunek i perspektywy rozwoju Fabryki Roślin

4.1 Trend rozwoju technologii

4.1.1 Intelektualizacja pełnego procesu

W oparciu o fuzję sztuki maszynowej i mechanizm zapobiegania stratom systemu robota uprawnego, szybkie, elastyczne i nieniszczące efektory końcowe sadzenia i zbioru, dokładne pozycjonowanie w rozproszonej przestrzeni wielowymiarowej i multimodalne metody współpracy wielu maszyn, oraz bezzałogowy, wydajny i nieniszczący siew w wieżowcach fabryk roślin - Należy stworzyć inteligentne roboty i urządzenia wspomagające takie jak sadzenie-zbieranie-pakowanie, realizując w ten sposób bezobsługową obsługę całego procesu.

4.1.2 Inteligentniejsza kontrola produkcji

W oparciu o mechanizm odpowiedzi wzrostu i rozwoju upraw na promieniowanie świetlne, temperaturę, wilgotność, stężenie CO2, stężenie składników pokarmowych w pożywce oraz EC, należy zbudować ilościowy model sprzężenia zwrotnego uprawa-środowisko.Należy ustanowić strategiczny model podstawowy, aby dynamicznie analizować informacje o życiu warzyw liściastych i parametry środowiska produkcyjnego.Należy również stworzyć internetowy system diagnostyki dynamicznej identyfikacji i sterowania procesami środowiska.Należy stworzyć wielomaszynowy system podejmowania decyzji oparty na sztucznej inteligencji dla całego procesu produkcyjnego wielkoseryjnej pionowej fabryki rolniczej.

4.1.3 Niskoemisyjna produkcja i oszczędność energii

Ustanowienie systemu zarządzania energią, który wykorzystuje odnawialne źródła energii, takie jak słońce i wiatr, do pełnego przesyłu energii i kontrolowania zużycia energii w celu osiągnięcia optymalnych celów zarządzania energią.Wychwytywanie i ponowne wykorzystywanie emisji CO2 do wspomagania produkcji roślinnej.

4.1.3 Wysoka wartość odmian premium

Należy przyjąć wykonalne strategie, aby wyhodować różne odmiany o wysokiej wartości dodanej do eksperymentów sadzenia, zbudować bazę danych ekspertów w dziedzinie technologii uprawy, prowadzić badania nad technologią uprawy, doborem gęstości, układem ścierniska, dostosowaniem odmian i sprzętu oraz opracować standardowe specyfikacje techniczne uprawy.

4.2 Perspektywy rozwoju przemysłu

Fabryki roślinne mogą pozbyć się ograniczeń zasobów i środowiska, zrealizować uprzemysłowioną produkcję rolną i przyciągnąć nową generację siły roboczej do zaangażowania się w produkcję rolną.Kluczowe innowacje technologiczne i uprzemysłowienie chińskich fabryk roślin stają się światowym liderem.Dzięki przyspieszonemu stosowaniu źródeł światła LED, cyfryzacji, automatyzacji i inteligentnym technologiom w dziedzinie fabryk roślinnych, fabryki roślinne przyciągną więcej inwestycji kapitałowych, gromadzenie talentów oraz wykorzystanie większej ilości nowej energii, nowych materiałów i nowego sprzętu.W ten sposób można zrealizować dogłębną integrację technologii informacyjnej oraz obiektów i sprzętu, poprawić inteligentny i bezobsługowy poziom obiektów i sprzętu, ciągłe zmniejszanie zużycia energii przez system i kosztów operacyjnych poprzez ciągłe innowacje oraz stopniowe uprawa wyspecjalizowanych rynków, inteligentne fabryki roślin zapoczątkują złoty okres rozwoju.

Według raportów z badań rynkowych wielkość światowego rynku rolnictwa wertykalnego w 2020 r. wyniesie zaledwie 2,9 mld USD, a oczekuje się, że do 2025 r. wielkość światowego rynku rolnictwa wertykalnego osiągnie 30 mld USD.Podsumowując, fabryki roślin mają szerokie perspektywy zastosowań i przestrzeń rozwojową.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong itp

Informacje o cytowaniu:Stan obecny i perspektywy rozwoju przemysłu zakładowego [J].Technologia inżynierii rolniczej, 2022, 42(1): 18-23.przez Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li i in.