Rezumat: În ultimii ani, odată cu explorarea continuă a tehnologiei agricole moderne, industria fabricii de plante s-a dezvoltat și ea rapid.Această lucrare prezintă status quo-ul, problemele existente și contramăsurile de dezvoltare ale tehnologiei fabricii de plante și dezvoltării industriei și așteaptă cu nerăbdare tendința de dezvoltare și perspectiva fabricilor de plante în viitor.

1. Starea actuală a dezvoltării tehnologiei în fabricile de fabrici din China și din străinătate

1.1 Statu quo-ul dezvoltării tehnologiei străine

Începând cu secolul 21, cercetarea fabricilor de plante s-a concentrat în principal pe îmbunătățirea eficienței luminii, pe crearea de echipamente tridimensionale pentru sisteme de cultivare multistrat și pe cercetarea și dezvoltarea unui management și control inteligent.În secolul 21, inovația surselor de lumină LED pentru agricultură a făcut progrese, oferind un suport tehnic important pentru aplicarea surselor de lumină LED cu economie de energie în fabricile de fabrici.Universitatea Chiba din Japonia a făcut o serie de inovații în sursele de lumină de înaltă eficiență, controlul mediului care economisește energie și tehnici de cultivare.Universitatea Wageningen din Țările de Jos folosește tehnologia de simulare a culturii-mediu și de optimizare dinamică pentru a dezvolta un sistem de echipamente inteligent pentru fabricile de fabrici, care reduce considerabil costurile de operare și îmbunătățește semnificativ productivitatea muncii.

În ultimii ani, fabricile de plante au realizat treptat semi-automatizarea proceselor de producție de la însămânțare, creșterea răsadurilor, transplantare și recoltare.Japonia, Țările de Jos și Statele Unite sunt în frunte, cu un grad ridicat de mecanizare, automatizare și inteligență și se dezvoltă în direcția agriculturii verticale și a operațiunilor fără echipaj.

1.2 Starea dezvoltării tehnologiei în China

1.2.1 Sursă de lumină LED Specializd și echipamente cu tehnologie de aplicare cu economisire a energiei pentru lumina artificială în fabrica de plante

Surse speciale de lumină LED roșii și albastre pentru producerea diferitelor specii de plante în fabricile de plante au fost dezvoltate una după alta.Puterea variază de la 30 la 300 W, iar intensitatea luminii de iradiere este de 80 până la 500 μmol/(m2•s), ceea ce poate oferi o intensitate luminoasă cu un interval adecvat de prag, parametri de calitate a luminii, pentru a obține efectul de înaltă eficiență economisirea energiei și adaptarea la nevoile de creștere a plantelor și de iluminare.În ceea ce privește gestionarea disipării căldurii sursei de lumină, a fost introdus designul activ de disipare a căldurii a ventilatorului sursei de lumină, care reduce rata de degradare a luminii a sursei de lumină și asigură durata de viață a sursei de lumină.În plus, se propune o metodă de reducere a căldurii sursei de lumină LED prin soluție nutritivă sau circulație a apei.În ceea ce privește gestionarea spațiului sursei de lumină, conform legii de evoluție a dimensiunii plantei în stadiul de răsad și etapa ulterioară, prin gestionarea mișcării spațiului vertical al sursei de lumină LED, copertina plantei poate fi iluminată la distanță apropiată, iar obiectivul de economisire a energiei este realizat.În prezent, consumul de energie al sursei de lumină a fabricii de lumină artificială poate reprezenta 50% până la 60% din consumul total de energie de funcționare al fabricii.Deși LED-ul poate economisi 50% energie în comparație cu lămpile fluorescente, există încă potențialul și necesitatea cercetării privind economisirea energiei și reducerea consumului.

1.2.2 Tehnologie și echipamente de cultivare tridimensională cu mai multe straturi

Diferența dintre straturile culturii tridimensionale cu mai multe straturi este redusă deoarece LED-ul înlocuiește lampa fluorescentă, ceea ce îmbunătățește eficiența de utilizare a spațiului tridimensional a culturii plantelor.Există multe studii asupra designului fundului patului de cultivare.Dungile ridicate sunt concepute pentru a genera un flux turbulent, care poate ajuta rădăcinile plantelor să absoarbă nutrienții în soluția nutritivă în mod uniform și să crească concentrația de oxigen dizolvat.Folosind placa de colonizare, există două metode de colonizare, adică cupele de colonizare din plastic de diferite dimensiuni sau modul de colonizare perimetrul bureților.A apărut un sistem de pat de cultură glisant, iar placa de plantare și plantele de pe ea pot fi împinse manual de la un capăt la altul, realizând modul de producție de plantare la un capăt al patului de cultură și recoltare la celălalt capăt.În prezent, au fost dezvoltate o varietate de tehnologii și echipamente tridimensionale de cultură fără sol, cu mai multe straturi, bazate pe tehnologia filmului lichid nutritiv și tehnologia fluxului lichid profund, precum și tehnologia și echipamentele pentru cultivarea substratului de căpșuni, cultivarea cu aerosoli a legumelor cu frunze și a florilor. au răsărit.Tehnologia menționată s-a dezvoltat rapid.

1.2.3 Tehnologia și echipamentele de circulație a soluției nutritive

După ce soluția nutritivă a fost folosită pentru o perioadă de timp, este necesar să adăugați apă și elemente minerale.În general, cantitatea de soluție nutritivă nou preparată și cantitatea de soluție acido-bazică sunt determinate prin măsurarea CE și pH.Particulele mari de sedimente sau exfolierea rădăcinilor din soluția nutritivă trebuie îndepărtate printr-un filtru.Exsudatele de rădăcină din soluția nutritivă pot fi îndepărtate prin metode fotocatalitice pentru a evita obstacolele continue de recoltare în hidroponie, dar există anumite riscuri în disponibilitatea nutrienților.

1.2.4 Tehnologia și echipamentele de control al mediului

Curățarea aerului din spațiul de producție este unul dintre indicatorii importanți ai calității aerului din fabrică.Curățarea aerului (indicatori de particule în suspensie și bacterii sedimentate) în spațiul de producție al fabricii în condiții dinamice ar trebui să fie controlată la un nivel de peste 100.000.Intrarea de dezinfecție a materialelor, tratarea dușului cu aer pentru personalul care vine și sistemul de purificare a aerului cu circulație a aerului proaspăt (sistem de filtrare a aerului) sunt toate garanțiile de bază.Temperatura și umiditatea, concentrația de CO2 și viteza fluxului de aer din spațiul de producție sunt un alt conținut important al controlului calității aerului.Potrivit rapoartelor, instalarea echipamentelor, cum ar fi cutii de amestecare a aerului, conducte de aer, intrări și ieșiri de aer poate controla uniform temperatura și umiditatea, concentrația de CO2 și viteza fluxului de aer în spațiul de producție, astfel încât să se obțină o uniformitate spațială ridicată și să satisfacă nevoile plantei. în diferite locații spațiale.Sistemul de control al temperaturii, umidității și concentrației de CO2 și sistemul de aer proaspăt sunt integrate organic în sistemul de circulație a aerului.Cele trei sisteme trebuie să împartă conducta de aer, intrarea și ieșirea aerului și să furnizeze energie prin ventilator pentru a realiza circulația fluxului de aer, filtrarea și dezinfecția și actualizarea și uniformizarea calității aerului.Acesta asigură că producția de plante din fabrica de plante este lipsită de dăunători și boli și nu este necesară aplicarea de pesticide.În același timp, uniformitatea temperaturii, umidității, fluxului de aer și concentrația de CO2 a elementelor mediului de creștere din copertina este garantată pentru a satisface nevoile creșterii plantelor.

2. Starea de dezvoltare a industriei fabricii de plante

2.1 Statu quo-ul industriei fabrici de plante străine

În Japonia, cercetarea și dezvoltarea și industrializarea fabricilor de plante de lumină artificială sunt relativ rapide și sunt la nivel de lider.În 2010, guvernul japonez a lansat 50 de miliarde de yeni pentru a sprijini cercetarea și dezvoltarea tehnologiei și demonstrația industrială.Au participat opt ​​instituții, inclusiv Universitatea Chiba și Asociația de Cercetare a fabricilor din Japonia.Japan Future Company a întreprins și a operat primul proiect demonstrativ de industrializare a unei fabrici cu o producție zilnică de 3.000 de fabrici.În 2012, costul de producție al fabricii a fost de 700 de yeni/kg.În 2014, a fost finalizată o fabrică modernă din Castelul Taga, Prefectura Miyagi, devenind prima fabrică de fabrici cu LED-uri din lume, cu o producție zilnică de 10.000 de plante.Din 2016, fabricile de fabrici cu LED-uri au intrat pe calea rapidă a industrializării în Japonia, iar întreprinderile de prag de rentabilitate sau profitabile au apărut una după alta.În 2018, fabricile de fabrici la scară largă, cu o capacitate de producție zilnică de 50.000 până la 100.000 de plante au apărut una după alta, iar fabricile globale de plante se dezvoltau către o dezvoltare pe scară largă, profesională și inteligentă.În același timp, Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power și alte domenii au început să investească în fabrici de plante.În 2020, cota de piață a salatei verde produsă de fabricile de plante japoneze va reprezenta aproximativ 10% din întreaga piață a salatei.Dintre cele peste 250 de fabrici de plante cu lumină artificială aflate în funcțiune în prezent, 20% sunt într-o etapă de pierdere, 50% sunt la nivelul pragului de rentabilitate și 30% sunt într-un stadiu profitabil, implicând specii de plante cultivate, cum ar fi salată verde, ierburi și răsaduri.

Țările de Jos este un lider mondial real în domeniul tehnologiei de aplicare combinată a luminii solare și a luminii artificiale pentru fabrica de fabrici, cu un grad ridicat de mecanizare, automatizare, inteligență și lipsă de personal, iar acum a exportat un set complet de tehnologii și echipamente la fel de puternice. produse în Orientul Mijlociu, Africa, China și alte țări.Ferma American AeroFarms este situată în Newark, New Jersey, SUA, cu o suprafață de 6500 m2.Cultiva în principal legume și condimente, iar producția este de aproximativ 900 t/an.

Agricultura verticală în AeroFarms

Fabrica de plante agricole verticale a Companiei Plenty din Statele Unite adoptă iluminare LED și un cadru de plantare vertical cu o înălțime de 6 m.Plantele cresc din lateralele jardinierelor.Bazându-se pe udarea gravitațională, această metodă de plantare nu necesită pompe suplimentare și este mai eficientă din punct de vedere al apei decât agricultura convențională.Multe susține că ferma lui produce de 350 de ori mai mult decât o fermă convențională, folosind doar 1% din apă.

Fabrică de plante agricole verticale, Compania Plenty

2.2 Starea industriei fabricii de fabrici din China

În 2009, prima fabrică de fabrică de producție din China cu control inteligent ca nucleu a fost construită și pusă în funcțiune în Changchun Agricultural Expo Park.Suprafața clădirii este de 200 m2, iar factorii de mediu, cum ar fi temperatura, umiditatea, lumina, concentrația de CO2 și soluția nutritivă a fabricii de plante pot fi monitorizați automat în timp real pentru a realiza un management inteligent.

În 2010, fabrica de plante Tongzhou a construit la Beijing.Structura principală adoptă o structură ușoară din oțel cu un singur strat, cu o suprafață totală de construcție de 1289 m2.Are forma unui portavion, simbolizând agricultura chineză luând conducerea în navigarea către cea mai avansată tehnologie a agriculturii moderne.Au fost dezvoltate echipamente automate pentru unele operațiuni de producție de legume cu frunze, ceea ce a îmbunătățit nivelul de automatizare a producției și eficiența producției a fabricii.Fabrica fabricii adoptă un sistem de pompă de căldură la sol și un sistem de generare a energiei solare, care rezolvă mai bine problema costurilor ridicate de exploatare pentru fabrica de uzină.

Vedere interioară și exterioară a fabricii Tongzhou

În 2013, multe companii de tehnologie agricolă au fost înființate în zona de demonstrație de înaltă tehnologie agricolă Yangling, provincia Shaanxi.Cele mai multe dintre proiectele fabricilor aflate în construcție și exploatare sunt situate în parcuri demonstrative agricole de înaltă tehnologie, care sunt utilizate în principal pentru demonstrații de știință populară și vizitarea obiectivelor turistice.Datorită limitărilor lor funcționale, este dificil pentru aceste fabrici de fabrici de știință populară să atingă randamentul ridicat și eficiența ridicată cerute de industrializare și le va fi dificil să devină forma principală de industrializare în viitor.

În 2015, un important producător de cipuri LED din China a cooperat cu Institutul de Botanică al Academiei Chineze de Științe pentru a iniția în comun înființarea unei companii de fabrică de plante.A trecut de la industria optoelectronică la industria „fotobiologică” și a devenit un precedent pentru producătorii chinezi de LED-uri pentru a investi în construcția de fabrici de fabrici în industrializare.Fabrica sa de plante se angajează să facă investiții industriale în fotobiologia emergentă, care integrează cercetarea științifică, producția, demonstrația, incubarea și alte funcții, cu un capital social de 100 de milioane de yuani.În iunie 2016 a fost finalizată și pusă în funcțiune această Fabrică de Uzine cu o clădire cu 3 etaje care acoperă o suprafață de 3.000 m2 și o suprafață de cultivare de peste 10.000 m2.Până în mai 2017, scara de producție zilnică va fi de 1.500 kg de legume cu frunze, echivalentul a 15.000 de plante de salată verde pe zi.

Vederi ale acestei companii

3. Probleme și contramăsuri cu care se confruntă dezvoltarea fabricilor de fabrici

3.1 Probleme

3.1.1 Cost ridicat de construcție

Fabricile de plante trebuie să producă culturi într-un mediu închis.Prin urmare, este necesar să se construiască proiecte și echipamente de susținere, inclusiv structuri de întreținere externe, sisteme de aer condiționat, surse de lumină artificială, sisteme de cultivare multistrat, circulație a soluțiilor nutritive și sisteme de control computerizat.Costul de construcție este relativ mare.

3.1.2 Cost ridicat de operare

Majoritatea surselor de lumină necesare fabricilor de plante provin din lumini LED, care consumă multă energie electrică, oferind în același timp spectre corespunzătoare pentru creșterea diferitelor culturi.Echipamente precum aerul condiționat, ventilația și pompele de apă din procesul de producție al fabricilor de fabrici consumă, de asemenea, energie electrică, astfel încât facturile de energie electrică reprezintă o cheltuială uriașă.Conform statisticilor, dintre costurile de producție ale fabricilor de fabrici, costurile cu energia electrică reprezintă 29%, costurile cu forța de muncă reprezintă 26%, amortizarea mijloacelor fixe reprezintă 23%, ambalarea și transportul reprezintă 12%, iar materialele de producție reprezintă 10%.

Defalcarea costurilor de producție pentru fabrica de fabrică

3.1.3 Nivel scăzut de automatizare

Fabrica de plante aplicată în prezent are un nivel scăzut de automatizare, iar procese precum răsaduri, transplantare, plantare pe câmp și recoltare necesită încă operațiuni manuale, ceea ce duce la costuri ridicate ale forței de muncă.

3.1.4 Soiuri limitate de culturi care pot fi cultivate

În prezent, tipurile de culturi potrivite pentru fabricile de plante sunt foarte limitate, în principal legumele cu frunze verzi care cresc rapid, acceptă cu ușurință surse de lumină artificială și au copac scăzut.Plantarea pe scară largă nu poate fi efectuată pentru cerințe complexe de plantare (cum ar fi culturile care trebuie polenizate etc.).

3.2 Strategia de dezvoltare

Având în vedere problemele cu care se confruntă industria fabricii de plante, este necesar să se efectueze cercetări din diverse aspecte precum tehnologie și funcționare.Ca răspuns la problemele actuale, contramăsurile sunt următoarele.

(1) Consolidarea cercetării privind tehnologia inteligentă a fabricilor de plante și îmbunătățirea nivelului de management intensiv și rafinat.Dezvoltarea unui sistem inteligent de management și control ajută la realizarea unui management intensiv și rafinat al fabricilor din fabrică, care poate reduce considerabil costurile cu forța de muncă și poate economisi forța de muncă.

(2) Dezvoltați echipamente tehnice intensive și eficiente ale fabricii pentru a obține anual de înaltă calitate și randament ridicat.Dezvoltarea de instalații și echipamente de cultivare de înaltă eficiență, tehnologie și echipamente de iluminat cu economisire a energiei etc., pentru a îmbunătăți nivelul inteligent al fabricilor de plante, este propice pentru realizarea unei producții anuale de înaltă eficiență.

(3) Efectuați cercetări privind tehnologia de cultivare industrială pentru plante cu valoare adăugată mare, cum ar fi plantele medicinale, plantele de îngrijire a sănătății și legumele rare, creșteți tipurile de culturi cultivate în fabricile de plante, extindeți canalele de profit și îmbunătățiți punctul de plecare al profitului .

(4) Efectuați cercetări asupra fabricilor de plante pentru uz casnic și comercial, îmbogățiți tipurile de fabrici de plante și obțineți o rentabilitate continuă cu diverse funcții.

4. Tendința de dezvoltare și perspectiva fabricii de plante

4.1 Tendință de dezvoltare a tehnologiei

4.1.1 Intelectualizare integrală

Bazat pe mecanismul de fuziune și prevenirea pierderilor din arta mașinii al sistemului de recoltă-robot, efectori terminali de plantare și recoltare flexibili și nedistructivi de mare viteză, poziționare precisă a spațiului multidimensional distribuit și metode de control colaborativ multimodal cu mai multe mașini, și semănat fără echipaj, eficient și nedistructiv în fabrici de plante înalte -Ar trebui creați roboți inteligenți și echipamente de susținere precum plantarea-recoltarea-ambalare, realizând astfel funcționarea fără echipaj a întregului proces.

4.1.2 Faceți controlul producției mai inteligent

Pe baza mecanismului de răspuns al creșterii și dezvoltării culturilor la radiația luminoasă, temperatură, umiditate, concentrația de CO2, concentrația de nutrienți a soluției nutritive și EC, ar trebui să fie construit un model cantitativ de feedback asupra mediului culturii.Ar trebui stabilit un model de bază strategic pentru a analiza dinamic informațiile despre viața legumelor cu frunze și parametrii mediului de producție.Ar trebui, de asemenea, stabilit sistemul de diagnosticare dinamică online a identificării și controlul procesului al mediului.Ar trebui creat un sistem de luare a deciziilor cu inteligență artificială colaborativă cu mai multe mașini pentru întregul proces de producție al unei fabrici agricole verticale de mare volum.

4.1.3 Producția scăzută de carbon și economisirea energiei

Stabilirea unui sistem de management al energiei care utilizează surse de energie regenerabilă, cum ar fi solară și eoliană, pentru a finaliza transmisia de energie și controlul consumului de energie pentru a atinge obiectivele optime de management al energiei.Captarea și reutilizarea emisiilor de CO2 pentru a ajuta producția de culturi.

4.1.3 Valoare mare a soiurilor premium

Ar trebui luate strategii fezabile pentru a reproduce diferite soiuri cu valoare adăugată mare pentru experimente de plantare, pentru a construi o bază de date cu experți în tehnologie de cultivare, pentru a efectua cercetări privind tehnologia de cultivare, selecția densității, aranjarea miriștilor, adaptabilitatea soiului și a echipamentului și pentru a forma specificații tehnice standard de cultivare.

4.2 Perspective de dezvoltare a industriei

Fabricile de plante pot scăpa de constrângerile resurselor și ale mediului, pot realiza producția industrializată a agriculturii și pot atrage noua generație de forță de muncă pentru a se angaja în producția agricolă.Inovația tehnologică cheie și industrializarea fabricilor din China devine un lider mondial.Odată cu aplicarea accelerată a sursei de lumină LED, digitalizarea, automatizarea și tehnologiile inteligente în domeniul fabricilor de fabrici, fabricile de fabrici vor atrage mai multe investiții de capital, adunarea de talente și utilizarea mai multă energie nouă, materiale noi și echipamente noi.În acest fel, poate fi realizată integrarea în profunzime a tehnologiei informației și a facilităților și echipamentelor, poate fi îmbunătățit nivelul inteligent și fără echipaj al instalațiilor și echipamentelor, reducerea continuă a consumului de energie al sistemului și a costurilor de operare prin inovare continuă și treptat. cultivarea piețelor specializate, fabricile de plante inteligente vor inaugura perioada de aur a dezvoltării.

Potrivit rapoartelor de cercetare de piață, dimensiunea pieței agricole verticale globale în 2020 este de numai 2,9 miliarde USD și este de așteptat ca până în 2025, dimensiunea pieței agricole verticale globale să atingă 30 miliarde USD.Pe scurt, fabricile de fabrici au perspective largi de aplicare și spațiu de dezvoltare.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong etc

Informații de citare:Situația curentă și perspectivele dezvoltării industriei fabricii de plante [J].Tehnologia ingineriei agricole, 2022, 42(1): 18-23.de Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li și colab.