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

1. Stadiul actual al dezvoltării tehnologice în fabricile din China și din străinătate

1.1 Status quo-ul dezvoltării tehnologiei străine

Începând cu secolul XXI, cercetarea în fabricile de plante s-a concentrat în principal pe îmbunătățirea eficienței luminii, crearea de echipamente pentru sisteme de cultivare tridimensionale multistrat și cercetarea și dezvoltarea managementului și controlului inteligent. În secolul XXI, inovația în domeniul surselor de lumină LED agricole a înregistrat progrese, oferind un suport tehnic important pentru aplicarea surselor de lumină LED economice în fabricile de plante. Universitatea Chiba din Japonia a realizat o serie de inovații în domeniul surselor de lumină de înaltă eficiență, al controlului mediului înconjurător care economisește energie și al tehnicilor de cultivare. Universitatea Wageningen din Olanda utilizează tehnologia de simulare a mediului culturilor și de optimizare dinamică pentru a dezvolta un sistem inteligent de echipamente pentru fabricile de plante, ceea ce 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 semănat, creșterea răsadurilor, transplantare și recoltare. Japonia, Olanda și Statele Unite se află în avangarda, cu un grad ridicat de mecanizare, automatizare și inteligență, și se dezvoltă în direcția agriculturii verticale și a operării fără personal.

1.2 Stadiul dezvoltării tehnologice în China

1.2.1 Sursă de lumină LED specializată și echipamente tehnologice de economisire a energiei pentru lumina artificială în fabrici

Surse speciale de lumină LED roșii și albastre pentru producția diverselor 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 la 80 la 500 μmol/(m2•s), ceea ce poate oferi o intensitate luminoasă cu un interval de prag adecvat, parametri de calitate a luminii, pentru a obține efectul de economisire a energiei de înaltă eficiență și adaptarea la nevoile de creștere a plantelor și iluminare. În ceea ce privește gestionarea disipării căldurii sursei de lumină, a fost introdus designul de disipare activă a căldurii al ventilatorului sursei de lumină, care reduce rata de descreștere a luminii sursei de lumină și asigură durata de viață a acesteia. În plus, se propune o metodă de reducere a căldurii sursei de lumină LED prin soluție nutritivă sau circulația apei. În ceea ce privește gestionarea spațiului sursei de lumină, conform legii evoluției dimensiunii plantei în stadiul de răsad și în stadiul ulterior, prin gestionarea mișcării verticale în spațiu a sursei de lumină LED, coronamentul plantei poate fi iluminat de la mică distanță, atingându-se obiectivul de economisire a energiei. În prezent, consumul de energie al sursei de lumină artificială din fabrici poate reprezenta 50% până la 60% din consumul total de energie în funcțiune al fabricii. Deși LED-urile pot economisi 50% din 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 multistrat

Distanța dintre straturi în cultivarea tridimensională multistrat este redusă deoarece LED-ul înlocuiește lampa fluorescentă, ceea ce îmbunătățește eficiența de utilizare a spațiului tridimensional în cultivarea plantelor. Există numeroase studii privind proiectarea fundului patului de cultivare. Benzile în relief sunt concepute pentru a genera un flux turbulent, care poate ajuta rădăcinile plantelor să absoarbă uniform nutrienții din soluția nutritivă și să crească concentrația de oxigen dizolvat. Folosind placa de colonizare, există două metode de colonizare, și anume, cupe de colonizare din plastic de diferite dimensiuni sau modul de colonizare perimetrală cu burete. A apărut un sistem de pat de cultivare 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 cultivare și recoltare la celălalt capăt. În prezent, au fost dezvoltate o varietate de tehnologii și echipamente de cultură tridimensională multistrat fără sol bazate pe tehnologia filmului lichid nutritiv și tehnologia fluxului lichid profund, iar tehnologia și echipamentele pentru cultivarea substratului de căpșuni, cultivarea cu aerosoli a legumelor cu frunze și a florilor au apărut. Tehnologia menționată s-a dezvoltat rapid.

1.2.3 Tehnologia și echipamentele de circulație a soluției nutritive

După ce soluția nutritivă a fost utilizată o perioadă de timp, este necesar să se adauge apă și elemente minerale. În general, cantitatea de soluție nutritivă nou preparată și cantitatea de soluție acido-bazică se determină prin măsurarea conductivității electrice (EC) și a pH-ului. Particulele mari de sediment sau exfolierea rădăcinilor din soluția nutritivă trebuie îndepărtate cu un filtru. Exudatele de rădăcini din soluția nutritivă pot fi îndepărtate prin metode fotocatalitice pentru a evita obstacolele continue la culturi în hidroponie, dar există anumite riscuri în ceea ce privește disponibilitatea nutrienților.

1.2.4 Tehnologie și echipamente de control al mediului

Curățenia aerului din spațiul de producție este unul dintre indicatorii importanți ai calității aerului din fabrică. Curățenia aerului (indicatori ai particulelor în suspensie și a bacteriilor depuse) în spațiul de producție al fabricii, în condiții dinamice, ar trebui controlată la un nivel peste 100.000. Introducerea dezinfecției materialelor, tratamentul cu dușuri de aer pentru personalul care intră și sistemul de purificare a aerului prin circulația aerului proaspăt (sistem de filtrare a aerului) sunt toate măsuri de siguranță de bază. Temperatura și umiditatea, concentrația de CO2 și viteza fluxului de aer din spațiul de producție sunt un alt aspect important al controlului calității aerului. Conform rapoartelor, instalarea de echipamente precum 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 se satisfacă nevoile instalației 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 partajeze conducta de aer, intrarea și ieșirea de aer și să furnizeze energie prin intermediul ventilatorului pentru a realiza circulația fluxului de aer, filtrarea și dezinfectarea, precum și actualizarea și uniformizarea calității aerului. Aceasta 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 concentrației de CO2 a elementelor mediului de creștere din coronament este garantată pentru a satisface nevoile creșterii plantelor.

2. Stadiul de dezvoltare al industriei fabricilor de plante

2.1 Status quo-ul industriei fabricilor de plante străine

În Japonia, cercetarea, dezvoltarea și industrializarea fabricilor de instalații de lumină artificială sunt relativ rapide și se află la un nivel de vârf. În 2010, guvernul japonez a lansat o finanțare de 50 de miliarde de yeni pentru a sprijini cercetarea, dezvoltarea tehnologică și demonstrațiile industriale. Opt instituții, inclusiv Universitatea Chiba și Asociația Japoneză de Cercetare a Fabricilor de Instalații, au participat. Japan Future Company a întreprins și a operat primul proiect demonstrativ de industrializare al unei fabrici de instalații cu o producție zilnică de 3.000 de instalații. În 2012, costul de producție al fabricii de instalații a fost de 700 de yeni/kg. În 2014, a fost finalizată fabrica modernă de instalații din Castelul Taga, Prefectura Miyagi, devenind prima fabrică de instalații LED din lume cu o producție zilnică de 10.000 de instalații. Din 2016, fabricile de instalații LED au intrat pe banda rapidă a industrializării în Japonia, iar întreprinderile profitabile sau care au atins pragul de rentabilitate au apărut una după alta. În 2018, fabrici de plante 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 spre o dezvoltare profesională, inteligentă și la scară largă. În același timp, Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power și alte companii au început să investească în fabrici de plante. În 2020, cota de piață a salatei produse de fabricile japoneze de plante 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% se află într-un stadiu de pierdere, 50% sunt la nivelul pragului de rentabilitate, iar 30% sunt într-un stadiu profitabil, implicând specii de plante cultivate, cum ar fi salata verde, ierburi aromatice și răsaduri.

Olanda este un adevărat lider mondial în domeniul tehnologiei de aplicare combinată a luminii solare și a luminii artificiale pentru fabricile de plante, cu un grad ridicat de mecanizare, automatizare, inteligență și utilizare automată, și a exportat acum un set complet de tehnologii și echipamente ca produse puternice în Orientul Mijlociu, Africa, China și alte țări. Ferma American AeroFarms este situată în Newark, New Jersey, SUA, cu o suprafață de 6500 m2. Cultivă 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 părțile laterale ale ghivecelor. Bazându-se pe udarea gravitațională, această metodă de plantare nu necesită pompe suplimentare și este mai eficientă din punct de vedere al consumului de apă decât agricultura convențională. Plenty susține că ferma sa produce de 350 de ori mai mult decât o fermă convențională, folosind doar 1% din apa necesară.

Fabrică de plante agricole verticale, Plenty Company

2.2 Industria fabricilor de plante de statut în China

În 2009, a fost construită și pusă în funcțiune în Parcul Expozițional Agricol Changchun prima fabrică de producție din China, cu control inteligent ca nucleu. Suprafața construită este de 200 m2, iar factorii de mediu precum temperatura, umiditatea, lumina, CO2 și concentrația soluției nutritive din fabrică pot fi monitorizați automat în timp real pentru a realiza un management inteligent.

În 2010, a fost construită Fabrica Tongzhou din Beijing. Structura principală adoptă o structură ușoară din oțel monostrat, cu o suprafață totală de construcție de 1289 m2. Are forma unui portavion, simbolizând agricultura chineză care preia conducerea în navigarea către cea mai avansată tehnologie a agriculturii moderne. Au fost dezvoltate echipamente automate pentru unele operațiuni de producție a legumelor cu frunze, ceea ce a îmbunătățit nivelul de automatizare a producției și eficiența producției fabricii. Fabrica adoptă un sistem de pompe de căldură geotermale și un sistem de generare a energiei solare, ceea ce rezolvă mai bine problema costurilor ridicate de operare ale fabricii.

Vedere interioară și exterioară a fabricii Tongzhou

În 2013, numeroase companii de tehnologie agricolă au fost înființate în Zona Demonstrativă Agricolă de Înaltă Tehnologie Yangling, provincia Shaanxi. Majoritatea proiectelor de fabrici de plante aflate în construcție și operare sunt situate în parcuri demonstrative agricole de înaltă tehnologie, care sunt utilizate în principal pentru demonstrații științifice populare și vizitarea obiectivelor turistice de agrement. Din cauza limitărilor lor funcționale, este dificil pentru aceste fabrici de plante științifice populare să atingă randamentul ridicat și eficiența ridicată necesare industrializării și va fi dificil pentru ele 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 împreună înființarea unei companii producătoare de plante. Aceasta a trecut de la industria optoelectronică la industria „fotobiologică” și a devenit un precedent pentru producătorii chinezi de LED-uri care investesc în construcția de fabrici de plante 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 înregistrat de 100 de milioane de yuani. În iunie 2016, această Fabrică de Plante, cu o clădire cu 3 etaje, care acoperă o suprafață de 3.000 m2 și o suprafață de cultivare de peste 10.000 m2, a fost finalizată și pusă în funcțiune. Până în mai 2017, scara producției zilnice va fi de 1.500 kg de legume cu frunze, echivalentul a 15.000 de plante de salată pe zi.

Opinii despre această companie

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

3.1 Probleme

3.1.1 Costuri ridicate de construcție

Fabricile de plante trebuie să producă culturi într-un mediu închis. Prin urmare, este necesară construirea de proiecte și echipamente de susținere, inclusiv structuri de întreținere externe, sisteme de aer condiționat, surse de lumină artificială, sisteme de cultivare multistrat, circulația soluției nutritive și sisteme de control computerizat. Costul construcției este relativ ridicat.

3.1.2 Costuri de operare ridicate

Majoritatea surselor de lumină necesare fabricilor de plante provin de la becurile 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 plante consumă, de asemenea, energie electrică, astfel încât facturile la electricitate reprezintă o cheltuială uriașă. Conform statisticilor, printre costurile de producție ale fabricilor de plante, costurile cu energia electrică reprezintă 29%, costurile cu forța de muncă reprezintă 26%, amortizarea activelor fixe reprezintă 23%, ambalarea și transportul reprezintă 12%, iar materialele de producție reprezintă 10%.

Defalcarea costurilor de producție pentru fabrica de plante

3.1.3 Nivel scăzut de automatizare

Fabrica de plante aplicată în prezent are un nivel scăzut de automatizare, iar procese precum răsadul, transplantarea, plantarea în câmp și recoltarea necesită în continuare operațiuni manuale, ceea ce duce la costuri ridicate ale forței de muncă.

3.1.4 Varietăți limitate de culturi care pot fi cultivate

În prezent, tipurile de culturi potrivite pentru fabricile de plante sunt foarte limitate, în principal legume cu frunze verzi care cresc rapid, acceptă ușor surse de lumină artificială și au o coroană joasă. Plantarea la scară largă nu poate fi efectuată pentru cerințe complexe de plantare (cum ar fi culturile care necesită polenizare etc.).

3.2 Strategia de dezvoltare

Având în vedere problemele cu care se confruntă industria fabricilor de plante, este necesar să se efectueze cercetări din diverse aspecte, cum ar fi tehnologia și operarea. Ca răspuns la problemele actuale, contramăsurile sunt următoarele.

(1) Consolidarea cercetării privind tehnologia inteligentă a fabricilor de uzine și îmbunătățirea nivelului de management intensiv și rafinat. Dezvoltarea unui sistem inteligent de management și control contribuie la realizarea unui management intensiv și rafinat al fabricilor de uzine, ceea ce poate reduce considerabil costurile forței de muncă și poate economisi forță de muncă.

(2) Dezvoltarea de echipamente tehnice intensive și eficiente pentru fabricile de plante pentru a obține anual o calitate și un randament ridicat. Dezvoltarea de instalații și echipamente de cultivare de înaltă eficiență, tehnologii și echipamente de iluminat economice etc., pentru a îmbunătăți nivelul de inteligență al fabricilor de plante, contribuie la realizarea unei producții anuale de înaltă eficiență.

(3) Efectuarea de cercetări privind tehnologia de cultivare industrială a plantelor cu valoare adăugată ridicată, cum ar fi plantele medicinale, plantele pentru îngrijirea sănătății și legumele rare, creșterea tipurilor de culturi cultivate în fabricile de plante, extinderea canalelor de profit și îmbunătățirea punctului de plecare al profitului.

(4) Efectuarea de cercetări privind fabricile de plante pentru uz casnic și comercial, îmbogățirea tipurilor de fabrici de plante și atingerea unei profitabilități continue cu diverse funcții.

4. Tendința de dezvoltare și perspectivele fabricii de plante

4.1 Tendința dezvoltării tehnologice

4.1.1 Intelectualizarea procesului complet

Pe baza mecanismului de fuziune și prevenire a pierderilor de la sistemul robot-cultură, ar trebui creați roboți inteligenți și echipamente de suport, cum ar fi plantarea-recoltarea-ambalarea, roboți inteligenți și echipamente de suport, cum ar fi plantarea-recoltarea-ambalarea, realizând astfel funcționarea fără pilot a întregului proces, prin intermediul unui efector final de plantare și recoltare de mare viteză, flexibil și nedistructiv, prin poziționare precisă distribuită în spațiu multidimensional și prin metode de control colaborativ multimodal multi-mașină.

4.1.2 Faceți controlul producției mai inteligent

Pe baza mecanismului de răspuns al creșterii și dezvoltării culturilor la radiațiile luminoase, temperatură, umiditate, concentrația de CO2, concentrația de nutrienți din soluția nutritivă și conductivitate electrică (EC), ar trebui construit un model cantitativ de feedback cultură-mediu. Ar trebui stabilit un model strategic central pentru a analiza dinamic informațiile despre viața legumelor cu frunze și parametrii mediului de producție. De asemenea, ar trebui stabilit un sistem online de identificare dinamică, diagnosticare și control al procesului de mediu. Ar trebui creat un sistem decizional colaborativ multi-mașină bazat pe inteligență artificială pentru întregul proces de producție al unei fabrici agricole verticale de volum mare.

4.1.3 Producție cu emisii reduse de carbon și economisire a energiei

Stabilirea unui sistem de management al energiei care utilizează surse de energie regenerabilă, cum ar fi energia solară și eoliană, pentru a finaliza transmiterea energiei electrice și controlul consumului de energie pentru a atinge obiectivele optime de management energetic. Captarea și reutilizarea emisiilor de CO2 pentru a sprijini producția agricolă.

4.1.3 Valoare ridicată a soiurilor premium

Ar trebui adoptate strategii fezabile pentru a semeliora diferite soiuri cu valoare adăugată ridicată pentru experimente de plantare, a construi o bază de date cu experți în tehnologia de cultivare, a efectua cercetări privind tehnologia de cultivare, selecția densității, aranjamentul miriștii, adaptabilitatea soiurilor și echipamentelor și a formula specificații tehnice standard de cultivare.

4.2 Perspectivele dezvoltării industriei

Fabricile de plante pot scăpa de constrângerile legate de resurse și mediu, pot realiza producția industrializată a agriculturii și pot atrage noua generație de forță de muncă pentru a se implica în producția agricolă. Inovația tehnologică cheie și industrializarea fabricilor de plante din China devin lider mondial. Odată cu aplicarea accelerată a surselor de lumină LED, digitalizarea, automatizarea și tehnologiile inteligente în domeniul fabricilor de plante, fabricile vor atrage mai multe investiții de capital, vor atrage talente și vor utiliza mai multă energie nouă, materiale noi și echipamente noi. În acest fel, se poate realiza integrarea profundă a tehnologiei informației cu instalațiile și echipamentele, se poate îmbunătăți nivelul inteligent și fără personal al instalațiilor și echipamentelor, se poate reduce continuu consumul de energie al sistemului și costurile de operare prin inovație continuă și cultivarea treptată a piețelor specializate, fabricile de plante inteligente vor inaugura perioada de aur a dezvoltării.

Conform rapoartelor de cercetare de piață, dimensiunea pieței globale a agriculturii verticale în 2020 este de doar 2,9 miliarde USD și se așteaptă ca până în 2025 dimensiunea pieței globale a agriculturii verticale să ajungă la 30 de miliarde USD. În concluzie, fabricile de plante au perspective largi de aplicare și spațiu de dezvoltare.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong etc

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