Streszczenie: W ostatnich latach, wraz z ciągłym rozwojem nowoczesnych technologii rolniczych, przemysł przetwórstwa roślin również dynamicznie się rozwinął. Niniejszy artykuł przedstawia obecny stan rzeczy, istniejące problemy i środki zaradcze w zakresie technologii przetwórstwa roślin oraz rozwoju przemysłu, a także prognozuje trendy rozwojowe i perspektywy rozwoju przetwórstwa 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 w fabrykach roślin koncentrują się głównie na poprawie efektywności świetlnej, tworzeniu wielowarstwowych, trójwymiarowych systemów uprawowych oraz badaniach i rozwoju inteligentnego zarządzania i kontroli. W XXI wieku nastąpił znaczny postęp w dziedzinie innowacji w zakresie rolniczych źródeł światła LED, co stanowi istotne wsparcie techniczne dla stosowania energooszczędnych diod LED w fabrykach roślin. Uniwersytet Chiba w Japonii wprowadził szereg innowacji w zakresie wysokowydajnych źródeł światła, energooszczędnej kontroli środowiska oraz technik uprawy. Uniwersytet Wageningen w Holandii wykorzystuje technologię symulacji środowiska upraw i dynamicznej optymalizacji do opracowania inteligentnego systemu wyposażenia dla fabryk roślin, który znacznie obniża koszty operacyjne i znacząco poprawia wydajność pracy.

W ostatnich latach fabryki roślin stopniowo wdrażały półautomatyzację procesów produkcyjnych, od siewu, hodowli sadzonek, przesadzania i zbioru. Japonia, Holandia i Stany Zjednoczone przodują w tym zakresie, charakteryzując się wysokim stopniem mechanizacji, automatyzacji i inteligencji, i 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 zakładach produkcyjnych

Specjalne czerwone i niebieskie źródła światła LED do produkcji różnych gatunków roślin w fabrykach roślin zostały opracowane jeden po drugim. Zakres mocy wynosi od 30 do 300 W, a natężenie światła wynosi od 80 do 500 μmol/(m²•s), co pozwala na zapewnienie natężenia światła o odpowiednim zakresie progowym i parametrach jakości światła, co pozwala na osiągnięcie efektu wysokiej efektywności energetycznej i dostosowanie do potrzeb wzrostu roślin i oświetlenia. W zakresie zarządzania rozpraszaniem ciepła przez źródło światła, wprowadzono aktywną konstrukcję rozpraszania ciepła wentylatora źródła światła, co zmniejsza tempo zaniku światła i zapewnia jego żywotność. Ponadto zaproponowano metodę redukcji ciepła emitowanego przez źródło światła LED poprzez cyrkulację roztworu odżywczego lub wody. W zakresie zarządzania przestrzenią źródła światła, zgodnie z prawem ewolucji wielkości rośliny w fazie siewki i później, poprzez zarządzanie pionowym ruchem źródła światła LED, korony roślin mogą być oświetlane z bliskiej odległości, co pozwala na osiągnięcie celu w zakresie oszczędności energii. Obecnie zużycie energii przez sztuczne źródła światła w fabrykach może stanowić od 50% do 60% całkowitego zużycia energii w ich zakładach. Chociaż diody LED pozwalają zaoszczędzić 50% energii w porównaniu z świetlówkami, wciąż istnieje potencjał i potrzeba prowadzenia badań nad oszczędzaniem energii i redukcją jej zużycia.

1.2.2 Technologia i sprzęt do uprawy wielowarstwowej trójwymiarowej

Przerwa między warstwami w wielowarstwowej, trójwymiarowej uprawie roślin została zmniejszona, ponieważ diody LED zastępują świetlówki, co poprawia efektywność wykorzystania przestrzeni trójwymiarowej w uprawie roślin. Istnieje wiele badań dotyczących konstrukcji dna podłoża uprawowego. Wypukłe paski mają na celu generowanie przepływu turbulentnego, który pomaga korzeniom roślin w równomiernym wchłanianiu składników odżywczych z pożywki i zwiększaniu stężenia rozpuszczonego tlenu. Za pomocą płyty kolonizacyjnej można stosować dwie metody kolonizacji: plastikowe kubki kolonizacyjne o różnych rozmiarach lub tryb kolonizacji obwodowej za pomocą gąbki. Pojawił się system przesuwnych łóż uprawowych, a płytę i rośliny na niej można ręcznie przesuwać z jednego końca na drugi, realizując tryb produkcji: sadzenie na jednym końcu podłoża uprawowego i zbiór na drugim. Obecnie opracowano różnorodne technologie i urządzenia do trójwymiarowej, wielowarstwowej uprawy bezglebowej oparte na technologii płynnej warstwy składników odżywczych i technologii głębokiego przepływu cieczy, a także pojawiły się technologie i urządzenia do uprawy truskawek w podłożu, uprawy aerozolowej warzyw liściowych i kwiatów. Wspomniana technologia rozwija się bardzo szybko.

1.2.3 Technologia i urządzenia cyrkulacji roztworu odżywczego

Po pewnym czasie użytkowania pożywki konieczne jest dodanie wody i składników mineralnych. Ilość świeżo przygotowanej pożywki oraz ilość roztworu kwasowo-zasadowego określa się zazwyczaj poprzez pomiar EC i pH. Duże cząsteczki osadu lub złuszczone korzenie w pożywce należy usunąć za pomocą filtra. Wydzieliny korzeniowe w pożywce można usunąć metodami fotokatalitycznymi, aby uniknąć ciągłych przeszkód w uprawie hydroponicznej, ale istnieje pewne ryzyko związane z dostępnością składników odżywczych.

1.2.4 Technologia i urządzenia kontroli środowiska

Czystość powietrza w hali produkcyjnej jest jednym z ważnych wskaźników jakości powietrza w zakładzie. Czystość powietrza (wskaźniki pyłów zawieszonych i bakterii osiadłych) w hali produkcyjnej w warunkach dynamicznych powinna być utrzymywana na poziomie powyżej 100 000. Dezynfekcja materiałów, natrysk powietrza dla personelu wejściowego oraz system oczyszczania powietrza z cyrkulacją świeżego powietrza (system filtracji powietrza) to podstawowe zabezpieczenia. Temperatura i wilgotność, stężenie CO2 oraz prędkość przepływu powietrza w hali produkcyjnej to kolejne ważne elementy kontroli jakości powietrza. Według doniesień, instalacja urządzeń takich jak mieszacze powietrza, kanały powietrzne, wloty i wyloty powietrza pozwala na równomierną kontrolę temperatury i wilgotności, stężenia CO2 oraz prędkości przepływu powietrza w hali produkcyjnej, co pozwala na osiągnięcie wysokiej jednorodności przestrzennej i zaspokojenie potrzeb zakładu w różnych lokalizacjach. System kontroli temperatury, wilgotności i stężenia CO2 oraz system cyrkulacji powietrza są organicznie zintegrowane z systemem cyrkulacji powietrza. Trzy systemy muszą współdzielić kanał powietrzny, wlot i wylot powietrza oraz dostarczać energię przez wentylator, aby zapewnić cyrkulację powietrza, filtrację i dezynfekcję oraz stabilizację i jednolitość jakości powietrza. Gwarantuje to, że produkcja roślin w fabryce jest wolna od szkodników i chorób, bez konieczności stosowania pestycydów. Jednocześnie gwarantowana jest jednolitość temperatury, wilgotności, przepływu powietrza i stężenia CO2 w środowisku wzrostu roślin, aby sprostać potrzebom wzrostu roślin.

2. Stan rozwoju przemysłu fabrycznego

2.1 Status quo zagranicznego przemysłu fabrycznego

W Japonii badania, rozwój i industrializacja fabryk sztucznego oświetlenia przebiegają stosunkowo szybko i plasują się na wiodącym poziomie. W 2010 roku japoński rząd przeznaczył 50 miliardów jenów na wsparcie badań i rozwoju technologii oraz demonstracji przemysłowych. Uczestniczyło w nich osiem instytucji, w tym Uniwersytet Chiba i Japońskie Stowarzyszenie Badań nad Fabrykami Roślin. Firma Japan Future Company podjęła i uruchomiła pierwszy projekt demonstracji industrializacji fabryki roślin o dziennej produkcji 3000 roślin. W 2012 roku koszt produkcji fabryki roślin wyniósł 700 jenów/kg. W 2014 roku ukończono budowę nowoczesnej fabryki w Zamku Taga w prefekturze Miyagi, stając się pierwszą na świecie fabryką roślin LED o dziennej produkcji 10 000 roślin. Od 2016 roku fabryki roślin LED wkroczyły na ścieżkę szybkiej industrializacji w Japonii, a przedsiębiorstwa osiągające próg rentowności lub rentowne pojawiały się jedno po drugim. W 2018 roku pojawiły się kolejne duże fabryki roślin o dziennej zdolności produkcyjnej od 50 000 do 100 000 roślin, a globalne fabryki roślin rozwijały się w kierunku rozwoju na dużą skalę, profesjonalnego i inteligentnego. W tym samym czasie Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power i inne firmy zaczęły inwestować w fabryki roślin. W 2020 roku udział japońskich fabryk sałaty w rynku będzie stanowił około 10% całego rynku sałaty. Spośród ponad 250 działających obecnie fabryk roślin o sztucznym świetle, 20% generuje straty, 50% jest na progu rentowności, a 30% jest w fazie rentowności, zajmując się gatunkami roślin uprawnych, takimi jak sałata, zioła i sadzonki.

Holandia jest prawdziwym światowym liderem w dziedzinie technologii łączonego zastosowania światła słonecznego i sztucznego w fabrykach roślin, charakteryzującej się wysokim stopniem mechanizacji, automatyzacji, inteligencji i bezzałogowości. Kraj ten eksportuje pełen zestaw technologii i sprzętu jako produkty wysokiej jakości na Bliski Wschód, do Afryki, Chin i innych krajów. Farma American AeroFarms znajduje się w Newark w stanie New Jersey w USA i zajmuje powierzchnię 6500 m². Zajmuje się głównie uprawą warzyw i przypraw, a jej produkcja wynosi około 900 ton rocznie.

Pionowe rolnictwo w AeroFarms

Plenty Company w Stanach Zjednoczonych, fabryka roślin do uprawy wertykalnej, wykorzystuje oświetlenie LED i pionową ramę do sadzenia o wysokości 6 m. Rośliny rosną po bokach donic. Ta metoda sadzenia, oparta na nawadnianiu grawitacyjnym, nie wymaga dodatkowych pomp i jest bardziej oszczędna pod względem zużycia wody niż rolnictwo konwencjonalne. Plenty twierdzi, że jego farma produkuje 350 razy więcej plonów niż konwencjonalna, zużywając zaledwie 1% wody.

Fabryka roślin do uprawy wertykalnej, Plenty Company

2.2 Status przemysłu fabrycznego w Chinach

W 2009 roku w Changchun Agricultural Expo Park wybudowano i uruchomiono pierwszą w Chinach fabrykę produkcyjną z inteligentnym systemem sterowania. Powierzchnia budynku wynosi 200 m², a czynniki środowiskowe, takie jak temperatura, wilgotność, światło, CO2 i stężenie składników odżywczych w fabryce, są automatycznie monitorowane w czasie rzeczywistym, co pozwala na inteligentne zarządzanie.

W 2010 roku w Pekinie wybudowano fabrykę Tongzhou Plant. Główna konstrukcja ma jednowarstwową, lekką konstrukcję stalową o łącznej powierzchni 1289 m². Ma kształt lotniskowca, symbolizujący chińskie rolnictwo jako lidera w przejściu na najnowocześniejsze technologie współczesnego rolnictwa. Opracowano automatyczny sprzęt do niektórych operacji związanych z produkcją warzyw liściastych, co poprawiło poziom automatyzacji produkcji i jej wydajność. Fabryka korzysta z systemu gruntowych pomp ciepła oraz systemu wytwarzania energii słonecznej, co skutecznie rozwiązuje problem wysokich kosztów operacyjnych.

Widok wnętrza i zewnątrz fabryki Tongzhou Plant

W 2013 roku w Strefie Demonstracyjnej Rolnictwa Yangling w prowincji Shaanxi powstało wiele firm z branży technologii rolniczych. Większość budowanych i działających projektów fabryk roślin znajduje się w parkach demonstracyjnych rolnictwa, które służą głównie do popularnonaukowych pokazów naukowych i zwiedzania. Ze względu na ograniczenia funkcjonalne, te popularne fabryki roślin mają trudności z osiągnięciem wysokiej wydajności i efektywności wymaganej przez industrializację, a także będzie im trudno stać się powszechną formą industrializacji w przyszłości.

W 2015 roku główny producent chipów LED w Chinach nawiązał współpracę z Instytutem Botaniki Chińskiej Akademii Nauk, aby wspólnie zainicjować utworzenie firmy zajmującej się produkcją roślin. Przeszła ona z branży optoelektronicznej do branży „fotobiologicznej” i stała się precedensem dla chińskich producentów diod LED, którzy inwestowali w budowę fabryk roślin w fazie industrializacji. Jej Fabryka Roślin jest zaangażowana w inwestycje przemysłowe w rozwijającą się fotobiologię, która integruje badania naukowe, produkcję, demonstracje, inkubację i inne funkcje, z kapitałem zakładowym w wysokości 100 milionów juanów. W czerwcu 2016 roku ta Fabryka Roślin, z 3-piętrowym budynkiem o powierzchni 3000 m² i powierzchnią uprawową ponad 10 000 m², została ukończona i oddana do użytku. Do maja 2017 roku dzienna skala produkcji wyniesie 1500 kg warzyw liściastych, co odpowiada 15 000 sadzonek sałaty dziennie.

Opinie o tej firmie

3. Problemy i przeciwdziałania stojące przed rozwojem fabryk roślinnych

3.1 Problemy

3.1.1 Wysokie koszty budowy

Fabryki roślin muszą produkować rośliny w zamkniętym środowisku. Dlatego konieczne jest zbudowanie projektów i urządzeń pomocniczych, w tym zewnętrznych struktur konserwacyjnych, systemów klimatyzacji, sztucznych źródeł światła, wielowarstwowych systemów uprawy, cyrkulacji pożywki oraz komputerowych systemów sterowania. Koszt budowy jest stosunkowo wysoki.

3.1.2 Wysokie koszty operacyjne

Większość źródeł światła potrzebnych w fabrykach roślin pochodzi z diod LED, które zużywają dużo energii elektrycznej, zapewniając jednocześnie odpowiednie widmo dla wzrostu różnych upraw. Urządzenia takie jak klimatyzacja, wentylacja i pompy wodne w procesie produkcyjnym fabryk roślin również zużywają energię elektryczną, co powoduje, że rachunki za prąd stanowią ogromny wydatek. Według statystyk, wśród kosztów produkcji w fabrykach roślin, koszty energii elektrycznej stanowią 29%, koszty pracy 26%, amortyzacja środków trwałych 23%, koszty pakowania i transportu 12%, a koszty materiałów produkcyjnych 10%.

Podział kosztów produkcji dla fabryki

3.1.3 Niski poziom automatyzacji

Obecnie stosowane fabryki roślin charakteryzują się niskim stopniem automatyzacji, a procesy takie jak sadzenia, przesadzania, sadzenie w polu i zbiory nadal wymagają pracy ręcznej, co przekłada się na wysokie koszty pracy.

3.1.4 Ograniczona liczba odmian roślin, które można uprawiać

Obecnie gatunki upraw odpowiednie dla fabryk roślin są bardzo ograniczone, a głównymi gatunkami są zielone warzywa liściaste, które rosną szybko, łatwo tolerują sztuczne źródła światła i charakteryzują się niską koroną. Sadzenie na dużą skalę nie jest możliwe w przypadku skomplikowanych wymagań (takich jak uprawy wymagające zapylania itp.).

3.2 Strategia rozwoju

W obliczu problemów, z jakimi boryka się przemysł roślinny, konieczne jest przeprowadzenie badań w różnych aspektach, takich jak technologia i eksploatacja. W odpowiedzi na obecne problemy, środki zaradcze są następujące.

(1) Wzmocnić badania nad inteligentną technologią w fabrykach i podnieść poziom intensywnego i udoskonalonego zarządzania. Rozwój inteligentnego systemu zarządzania i kontroli pomaga osiągnąć intensywne i udoskonalone zarządzanie fabrykami, co może znacznie obniżyć koszty pracy i zaoszczędzić na sile roboczej.

(2) Rozwój intensywnego i wydajnego wyposażenia technicznego fabryk roślin w celu osiągnięcia wysokiej jakości i wydajności w skali roku. Rozwój wysokowydajnych obiektów i sprzętu do uprawy, energooszczędnych technologii i urządzeń oświetleniowych itp., w celu podniesienia poziomu inteligencji fabryk roślin, sprzyja realizacji rocznej produkcji o wysokiej wydajności.

(3) Prowadzenie badań nad technologią przemysłowej uprawy roślin o wysokiej wartości dodanej, takich jak rośliny lecznicze, rośliny lecznicze i rzadkie warzywa, zwiększenie rodzajów upraw uprawianych w fabrykach roślin, poszerzenie kanałów zysku i poprawa punktu wyjścia zysku.

(4) Prowadzić badania nad fabrykami roślin do użytku domowego i komercyjnego, wzbogacać rodzaje fabryk roślin i osiągać ciągłą rentowność dzięki różnym funkcjom.

4. Trendy rozwoju i perspektywy fabryki roślin

4.1 Trend rozwoju technologii

4.1.1 Intelektualizacja pełnego procesu

Na podstawie połączenia sztuki maszynowej i mechanizmu zapobiegania stratom w systemie robot-uprawa, szybkich, elastycznych i nieniszczących efektorów końcowych do sadzenia i zbioru, rozproszonego, wielowymiarowego dokładnego pozycjonowania i multimodalnych metod współpracy wielu maszyn oraz bezobsługowego, wydajnego i nieniszczącego siewu w wysokich fabrykach roślin — powinny zostać stworzone inteligentne roboty i sprzęt pomocniczy, taki jak urządzenia do sadzenia, zbioru i pakowania, umożliwiające bezobsługową obsługę całego procesu.

4.1.2 Uczyń kontrolę produkcji bardziej inteligentną

W oparciu o mechanizm reakcji wzrostu i rozwoju roślin na promieniowanie świetlne, temperaturę, wilgotność, stężenie CO2, stężenie składników odżywczych w roztworze odżywczym oraz EC, należy zbudować ilościowy model sprzężenia zwrotnego między roślinami uprawnymi a środowiskiem. Należy opracować strategiczny model bazowy do dynamicznej analizy informacji o życiu roślin liściastych i parametrach środowiska produkcyjnego. Należy również stworzyć internetowy, dynamiczny system identyfikacji, diagnostyki i sterowania procesami środowiskowymi. Należy stworzyć wielomaszynowy, współpracujący system podejmowania decyzji oparty na sztucznej inteligencji dla całego procesu produkcyjnego w wielkoseryjnej, pionowej fabryce rolniczej.

4.1.3 Produkcja niskoemisyjna i oszczędzanie energii

Stworzenie systemu zarządzania energią wykorzystującego odnawialne źródła energii, takie jak energia słoneczna i wiatrowa, do przesyłu energii i kontrolowania jej zużycia w celu osiągnięcia optymalnych celów w zakresie zarządzania energią. Wychwytywanie i ponowne wykorzystanie emisji CO2 w celu wspomagania produkcji rolnej.

4.1.3 Wysoka wartość odmian premium

Należy opracować wykonalne strategie hodowli różnych odmian o wysokiej wartości dodanej na potrzeby eksperymentów związanych z sadzeniem, zbudować bazę danych ekspertów w zakresie technologii uprawy, przeprowadzić badania dotyczące technologii uprawy, doboru gęstości, układu ścierniska, odmian i możliwości dostosowania sprzętu, a także opracować standardowe specyfikacje techniczne dotyczące uprawy.

4.2 Perspektywy rozwoju branży

Fabryki roślin mogą uwolnić się od ograniczeń zasobów i środowiska, zrealizować uprzemysłowienie rolnictwa i przyciągnąć nowe pokolenie siły roboczej do zaangażowania się w produkcję rolną. Kluczowe innowacje technologiczne i industrializacja chińskich fabryk roślin stają się światowym liderem. Dzięki przyspieszonemu wdrażaniu źródeł światła LED, digitalizacji, automatyzacji i inteligentnych technologii w dziedzinie fabryk roślin, fabryki te przyciągną więcej inwestycji kapitałowych, zgromadzą talenty oraz wykorzystają więcej nowych źródeł energii, materiałów i sprzętu. W ten sposób możliwa będzie dogłębna integracja technologii informatycznych z obiektami i sprzętem, podniesienie poziomu inteligencji i bezobsługowości obiektów i sprzętu, ciągła redukcja zużycia energii i kosztów operacyjnych systemu poprzez ciągłe innowacje oraz stopniowe rozwijanie wyspecjalizowanych rynków, inteligentne fabryki roślin zapoczątkują złoty okres rozwoju.

Według raportów badań rynku, globalny rynek rolnictwa wertykalnego w 2020 roku wyniósł zaledwie 2,9 miliarda dolarów, a przewiduje się, że do 2025 roku osiągnie on 30 miliardów dolarów. Podsumowując, fabryki roślin mają szerokie perspektywy zastosowania i przestrzeń do rozwoju.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong itp

Informacje o cytowaniu:Aktualna sytuacja i perspektywy rozwoju przemysłu roślinnego [J]. Inżynieria Rolnicza, 2022, 42(1): 18-23.autorzy: Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li i in.