Povzetek: V zadnjih letih se je z nenehnim raziskovanjem sodobne kmetijske tehnologije hitro razvila tudi rastlinska industrija. Ta članek predstavlja status quo, obstoječe težave in razvojne protiukrepe tehnologije obratov in razvoja industrije ter se veseli razvojnega trenda in obetov obratov v prihodnosti.

1. Trenutno stanje tehnološkega razvoja v tovarnah na Kitajskem in v tujini

1.1 Status quo tujega tehnološkega razvoja

Od 21. stoletja se raziskave rastlinskih tovarn osredotočajo predvsem na izboljšanje svetlobne učinkovitosti, ustvarjanje večslojne tridimenzionalne opreme sistemov gojenja ter raziskave in razvoj inteligentnega upravljanja in nadzora. V 21. stoletju so napredovale inovacije kmetijskih svetlobnih virov LED, ki zagotavljajo pomembno tehnično podporo za uporabo energetsko varčnih svetlobnih virov LED v tovarnah. Univerza Chiba na Japonskem je ustvarila številne inovacije na področju visoko učinkovitih svetlobnih virov, nadzora okolja, ki varčuje z energijo, in tehnik gojenja. Univerza Wageningen na Nizozemskem uporablja simulacijo pridelka in okolja ter tehnologijo dinamične optimizacije za razvoj inteligentnega sistema opreme za rastlinske tovarne, ki močno zmanjša operativne stroške in znatno izboljša produktivnost dela.

V zadnjih letih rastlinske tovarne postopoma uveljavljajo delno avtomatizacijo proizvodnih procesov od setve, vzgoje sadik, presajanja in žetve. Prednjačijo Japonska, Nizozemska in ZDA z visoko stopnjo mehanizacije, avtomatizacije in inteligence ter se razvijajo v smeri vertikalnega kmetijstva in delovanja brez posadke.

1.2 Stanje tehnološkega razvoja na Kitajskem

1.2.1 Specializiran LED svetlobni vir in energijsko varčna tehnološka oprema za umetno svetlobo v obratu

Drug za drugim so bili razviti posebni rdeči in modri LED svetlobni viri za proizvodnjo različnih rastlinskih vrst v rastlinskih tovarnah. Moč se giblje od 30 do 300 W, jakost svetlobe obsevanja pa je od 80 do 500 μmol/(m2•s), kar lahko zagotovi jakost svetlobe z ustreznim mejnim obsegom, parametri kakovosti svetlobe, da se doseže učinek visoke učinkovitosti. varčevanje z energijo in prilagajanje potrebam rasti rastlin in osvetlitve. Kar zadeva upravljanje odvajanja toplote svetlobnega vira, je bila uvedena zasnova aktivnega odvajanja toplote ventilatorja svetlobnega vira, ki zmanjša stopnjo upadanja svetlobe svetlobnega vira in zagotavlja življenjsko dobo svetlobnega vira. Poleg tega je predlagana metoda za zmanjšanje toplote svetlobnega vira LED s pomočjo hranilne raztopine ali kroženja vode. Kar zadeva upravljanje prostora svetlobnega vira, je v skladu z evolucijsko zakonitostjo velikosti rastline v fazi sadike in kasnejših stopnjah, z navpičnim upravljanjem prostorskega gibanja svetlobnega vira LED, lahko krošnje rastlin osvetljene na blizu, cilj varčevanja z energijo pa je dosežen. Trenutno lahko poraba energije svetlobnega vira tovarne umetne svetlobe predstavlja 50 % do 60 % celotne obratovalne porabe energije tovarne. Čeprav lahko LED prihrani 50 % energije v primerjavi s fluorescentnimi sijalkami, še vedno obstaja potencial in potreba po raziskavah o varčevanju z energijo in zmanjšanju porabe.

1.2.2 Večslojna tridimenzionalna tehnologija in oprema gojenja

Plastena vrzel pri večplastnem tridimenzionalnem gojenju se zmanjša, ker LED nadomešča fluorescentno sijalko, kar izboljša tridimenzionalno učinkovitost izrabe prostora gojenja rastlin. Obstaja veliko študij o oblikovanju dna gojitvene gredice. Dvignjeni trakovi so zasnovani za ustvarjanje turbulentnega toka, ki lahko pomaga koreninam rastlin, da enakomerno absorbirajo hranila v hranilni raztopini in povečajo koncentracijo raztopljenega kisika. Z uporabo kolonizacijske plošče obstajata dve metodi kolonizacije, to sta plastični kolonizacijski kozarci različnih velikosti ali način kolonizacije po perimetru gobe. Pojavil se je drsni sistem gojitvene gredice, pri čemer je mogoče sadilno desko in rastline na njej ročno potiskati z enega konca na drugega, s čimer se realizira proizvodni način sajenja na enem koncu gojitvene gredice in žetve na drugem koncu. Trenutno je razvita različna tridimenzionalna večplastna tehnologija in oprema za gojenje brez zemlje, ki temelji na tehnologiji hranilnega tekočega filma in tehnologiji globokega pretoka tekočine, ter tehnologija in oprema za substratno gojenje jagod, aerosolno gojenje listnate zelenjave in cvetja. vzklili. Omenjena tehnologija se je hitro razvijala.

1.2.3 Tehnologija in oprema za kroženje hranilne raztopine

Po uporabi hranilne raztopine nekaj časa je potrebno dodati vodo in mineralne elemente. Na splošno se količina na novo pripravljene hranilne raztopine in količina kislinsko-bazične raztopine določita z merjenjem EC in pH. Velike delce usedline ali luščenje korenin v hranilni raztopini je treba odstraniti s filtrom. Koreninske eksudate v hranilni raztopini je mogoče odstraniti s fotokatalitskimi metodami, da bi se izognili stalnim oviram pri pridelavi v hidroponiki, vendar obstajajo določena tveganja glede razpoložljivosti hranil.

1.2.4 Tehnologija in oprema za nadzor okolja

Čistost zraka v proizvodnem prostoru je eden od pomembnih kazalcev kakovosti zraka v obratu. Čistost zraka (indikatorji suspendiranih delcev in usedlih bakterij) v proizvodnem prostoru tovarne v dinamičnih pogojih je treba nadzorovati na raven nad 100.000. Vnos materiala za dezinfekcijo, obdelava z zrakom za prihajajoče osebje in sistem za čiščenje zraka s kroženjem svežega zraka (sistem za filtriranje zraka) so osnovni zaščitni ukrepi. Temperatura in vlaga, koncentracija CO2 in hitrost pretoka zraka v proizvodnem prostoru so še ena pomembna vsebina nadzora kakovosti zraka. Glede na poročila lahko nastavitev opreme, kot so škatle za mešanje zraka, zračni kanali, vstopne in izstopne odprtine za zrak, enakomerno nadzira temperaturo in vlažnost, koncentracijo CO2 in hitrost pretoka zraka v proizvodnem prostoru, da se doseže visoka prostorska enotnost in zadovoljijo potrebe rastlin na različnih prostorskih lokacijah. Sistem za nadzor temperature, vlažnosti in koncentracije CO2 ter sistem svežega zraka so organsko integrirani v sistem kroženja zraka. Trije sistemi si morajo deliti zračni kanal, dovod in odvod zraka ter zagotoviti moč prek ventilatorja, da dosežejo kroženje zračnega toka, filtracijo in dezinfekcijo ter posodobitev in enotnost kakovosti zraka. Zagotavlja, da je rastlinska proizvodnja v rastlinski tovarni brez škodljivcev in bolezni ter da uporaba pesticidov ni potrebna. Hkrati je zagotovljena enakomernost temperature, vlažnosti, pretoka zraka in koncentracije CO2 elementov rastnega okolja v krošnjah, ki ustrezajo potrebam rasti rastlin.

2. Stanje razvoja rastlinsko tovarniške industrije

2.1 Status quo tuje rastlinske industrije

Na Japonskem so raziskave in razvoj ter industrializacija tovarn umetne svetlobe razmeroma hitri in so na vodilni ravni. Leta 2010 je japonska vlada namenila 50 milijard jenov za podporo tehnoloških raziskav in razvoja ter industrijskih predstavitev. Sodelovalo je osem institucij, vključno z Univerzo Chiba in Japan Plant Factory Research Association. Japan Future Company se je lotila in vodila prvi predstavitveni projekt industrializacije obrata z dnevno proizvodnjo 3000 obratov. Leta 2012 so bili proizvodni stroški tovarne 700 jenov/kg. Leta 2014 je bila dokončana sodobna tovarna rastlin v gradu Taga, prefektura Miyagi, ki je postala prva tovarna LED na svetu z dnevno proizvodnjo 10.000 rastlin. Od leta 2016 so tovarne LED tovarn vstopile v hitri pas industrializacije na Japonskem in eno za drugim so se pojavila dobičkonosna podjetja. Leta 2018 so se ena za drugo pojavile tovarne velikih obratov z dnevno proizvodno zmogljivostjo od 50.000 do 100.000 rastlin, svetovne tovarne pa so se razvijale v smeri obsežnega, strokovnega in inteligentnega razvoja. Istočasno so Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power in druga področja začela vlagati v tovarne. Leta 2020 bo tržni delež solate, proizvedene v japonskih rastlinskih tovarnah, predstavljal približno 10 % celotnega trga solate. Med več kot 250 tovarnami umetne svetlobe, ki trenutno delujejo, jih je 20 % v fazi izgube, 50 % na pragu dobička in 30 % v dobičkonosni fazi, ki vključuje gojene rastlinske vrste, kot je npr. solata, zelišča in sadike.

Nizozemska je resnično vodilna v svetu na področju tehnologije kombinirane uporabe sončne svetlobe in umetne svetlobe za rastlinske tovarne, z visoko stopnjo mehanizacije, avtomatizacije, inteligence in brez posadke, zdaj pa je izvozila celoten nabor tehnologij in opreme kot močno izdelkov na Bližnji vzhod, v Afriko, Kitajsko in druge države. Farma American AeroFarms se nahaja v Newarku, New Jersey, ZDA, na površini 6500 m2. Prideluje predvsem zelenjavo in začimbe, proizvodnja pa znaša okoli 900 t/leto.

Vertikalno kmetovanje v AeroFarms

Tovarna navpičnih kmetijskih rastlin podjetja Plenty Company v Združenih državah uporablja LED osvetlitev in vertikalni okvir za sajenje z višino 6 m. Rastline rastejo ob straneh sadilnikov. Ker se zanaša na gravitacijsko zalivanje, ta način sajenja ne zahteva dodatnih črpalk in je učinkovitejši z vodo kot običajno kmetovanje. Plenty trdi, da njegova kmetija proizvede 350-krat več proizvodnje kot običajna kmetija, medtem ko porabi samo 1 % vode.

Tovarna vertikalnih kmetijskih rastlin, Plenty Company

2.2 Status tovarniške industrije na Kitajskem

Leta 2009 je bila v kmetijskem razstavnem parku Changchun Agricultural Expo Park zgrajena in dana v uporabo prva tovarna proizvodnih obratov na Kitajskem z inteligentnim nadzorom kot jedrom. Območje stavbe je 200 m2 in okoljske dejavnike, kot so temperatura, vlažnost, svetloba, CO2 in koncentracija hranilne raztopine rastlinske tovarne, je mogoče samodejno spremljati v realnem času za uresničitev inteligentnega upravljanja.

Leta 2010 je bila v Pekingu zgrajena tovarna Tongzhou Plant Factory. Glavna konstrukcija je enoslojna lahka jeklena konstrukcija s skupno gradbeno površino 1289 m2. Oblikovana je kot letalonosilka, ki simbolizira kitajsko kmetijstvo, ki je prevzelo vodilno vlogo pri plovbi do najnaprednejše tehnologije sodobnega kmetijstva. Razvita je bila avtomatska oprema za nekatere postopke pridelave listnate zelenjave, ki je izboljšala stopnjo avtomatizacije proizvodnje in proizvodno učinkovitost rastlinske tovarne. Tovarna uporablja sistem toplotne črpalke zemlja vir in sistem za proizvodnjo sončne energije, ki bolje rešuje problem visokih obratovalnih stroškov tovarne.

Notranji in zunanji pogled na tovarno Tongzhou Plant Factory

Leta 2013 je bilo veliko kmetijskih tehnoloških podjetij ustanovljenih v Yangling Agricultural High-tech Demonstration Zone v provinci Shaanxi. Večina projektov rastlinskih tovarn, ki se gradijo in obratujejo, se nahaja v kmetijskih visokotehnoloških predstavitvenih parkih, ki se uporabljajo predvsem za poljudnoznanstvene demonstracije in oglede v prostem času. Zaradi svojih funkcionalnih omejitev je za te poljudnoznanstvene rastlinske tovarne težko doseči visok donos in visoko učinkovitost, ki ju zahteva industrializacija, in v prihodnosti bo težko postati glavna oblika industrializacije.

Leta 2015 je glavni proizvajalec LED čipov na Kitajskem sodeloval z Inštitutom za botaniko Kitajske akademije znanosti, da bi skupaj začeli ustanovitev podjetja za tovarno rastlin. Iz optoelektronske industrije je prešla v »fotobiološko« industrijo in postala precedens za kitajske proizvajalce LED, ki v industrializaciji vlagajo v gradnjo tovarn. Njena rastlinska tovarna je zavezana k industrijskim naložbam v nastajajočo fotobiologijo, ki združuje znanstvene raziskave, proizvodnjo, demonstracije, inkubacijo in druge funkcije, z registriranim kapitalom 100 milijonov juanov. Junija 2016 je bila ta rastlinska tovarna s 3-nadstropno stavbo na površini 3.000 m2 in gojitveno površino več kot 10.000 m2 dokončana in predana v obratovanje. Do maja 2017 bo dnevni obseg pridelave 1.500 kg listnate zelenjave, kar ustreza 15.000 rastlinam solate na dan.

Pogledi tega podjetja

3. Problemi in protiukrepi, s katerimi se sooča razvoj rastlinskih tovarn

3.1 Težave

3.1.1 Visoki stroški gradnje

Rastlinske tovarne morajo pridelovati pridelke v zaprtem okolju. Zato je treba zgraditi podporne projekte in opremo, vključno z zunanjimi vzdrževalnimi strukturami, klimatskimi sistemi, viri umetne svetlobe, sistemi za večplastno gojenje, kroženjem hranilne raztopine in računalniškimi nadzornimi sistemi. Stroški gradnje so razmeroma visoki.

3.1.2 Visoki stroški delovanja

Večina svetlobnih virov, ki jih potrebujejo rastlinske tovarne, prihaja iz LED luči, ki porabijo veliko električne energije, hkrati pa zagotavljajo ustrezne spektre za rast različnih poljščin. Oprema, kot so klimatske naprave, prezračevanje in vodne črpalke v proizvodnem procesu obratov, prav tako porabljajo elektriko, zato so računi za elektriko velik strošek. Po statističnih podatkih med proizvodnimi stroški rastlinskih tovarn stroški električne energije predstavljajo 29 %, stroški dela 26 %, amortizacija osnovnih sredstev 23 %, embalaža in transport 12 %, proizvodni materiali 10 %.

Razčlenitev proizvodnih stroškov za obrat

3.1.3 Nizka stopnja avtomatizacije

Tovarna rastlin, ki se trenutno uporablja, ima nizko stopnjo avtomatizacije, procesi, kot so sajenje, presajanje, sajenje na polje in žetev, pa še vedno zahtevajo ročne operacije, kar povzroča visoke stroške dela.

3.1.4 Omejene sorte poljščin, ki jih je mogoče gojiti

Trenutno je vrsta poljščin, primernih za rastlinske tovarne, zelo omejena, predvsem zelena listnata zelenjava, ki hitro raste, zlahka sprejema umetne vire svetlobe in ima nizko krošnjo. Za zapletene zahteve za sajenje (kot so pridelki, ki jih je treba oprašiti itd.) ni mogoče izvesti obsežnega sajenja.

3.2 Strategija razvoja

Glede na težave, s katerimi se sooča tovarniška industrija, je treba izvesti raziskave z različnih vidikov, kot sta tehnologija in delovanje. Kot odgovor na trenutne težave so protiukrepi naslednji.

(1) Okrepiti raziskave o inteligentni tehnologiji obratov in izboljšati raven intenzivnega in rafiniranega upravljanja. Razvoj inteligentnega sistema upravljanja in nadzora pomaga doseči intenzivno in prečiščeno upravljanje obratov, kar lahko močno zmanjša stroške dela in prihrani delovno silo.

(2) Razviti intenzivno in učinkovito tovarniško tehnično opremo za doseganje letne visoke kakovosti in visokega donosa. Razvoj visoko učinkovitih objektov in opreme za gojenje, energetsko varčne tehnologije in opreme za razsvetljavo itd. za izboljšanje inteligentne ravni rastlinskih tovarn prispeva k uresničitvi letne visoko učinkovite proizvodnje.

(3) Izvajati raziskave o tehnologiji industrijskega gojenja rastlin z visoko dodano vrednostjo, kot so zdravilne rastline, rastline za nego in redke vrtnine, povečati vrste pridelkov, ki se gojijo v rastlinskih tovarnah, razširiti kanale dobička in izboljšati izhodišče dobička .

(4) Izvedite raziskave tovarn rastlin za gospodinjstvo in komercialno uporabo, obogatite vrste tovarn rastlin in z različnimi funkcijami dosegajte stalno donosnost.

4. Trend razvoja in perspektiva rastlinske tovarne

4.1 Trend razvoja tehnologije

4.1.1 Intelektualizacija celotnega procesa

Temelji na zlitju strojne umetnosti in mehanizmu za preprečevanje izgub sistema posevek-robot, visokohitrostnih prilagodljivih in nedestruktivnih končnih efektorjev za sajenje in žetev, porazdeljenega večdimenzionalnega prostorskega natančnega pozicioniranja in večmodalnih metod za sodelovanje več strojev, in učinkovito in nedestruktivno sejanje brez posadke v tovarnah visokih rastlin - Ustvariti je treba inteligentne robote in podporno opremo, kot je sajenje-žetev-pakiranje, s čimer bi uresničili delovanje celotnega procesa brez posadke.

4.1.2 Naredite nadzor proizvodnje pametnejši

Na podlagi odzivnega mehanizma rasti in razvoja pridelka na svetlobno sevanje, temperaturo, vlažnost, koncentracijo CO2, koncentracijo hranil v hranilni raztopini in EC je treba izdelati kvantitativni model povratne informacije med pridelkom in okoljem. Vzpostaviti je treba strateški osrednji model za dinamično analizo informacij o življenju listnate zelenjave in parametrov proizvodnega okolja. Vzpostaviti je treba tudi spletno dinamično identifikacijsko diagnozo in sistem nadzora procesov okolja. Ustvariti je treba večstrojni sodelovalni sistem odločanja z umetno inteligenco za celoten proizvodni proces velike vertikalne kmetijske tovarne.

4.1.3 Nizkoogljična proizvodnja in varčevanje z energijo

Vzpostavitev sistema upravljanja z energijo, ki uporablja obnovljive vire energije, kot sta sonce in veter, za dokončanje prenosa električne energije in nadzor porabe energije za doseganje ciljev optimalnega upravljanja z energijo. Zajemanje in ponovna uporaba emisij CO2 za pomoč pridelavi pridelkov.

4.1.3 Visoka vrednost vrhunskih sort

Treba je sprejeti izvedljive strategije za vzgojo različnih sort z visoko dodano vrednostjo za poskuse sajenja, zgraditi bazo podatkov strokovnjakov za tehnologijo gojenja, izvajati raziskave o tehnologiji gojenja, izbiri gostote, razporeditvi strnišča, sorti in prilagodljivosti opreme ter oblikovati standardne tehnične specifikacije gojenja.

4.2 Možnosti razvoja industrije

Tovarne rastlin se lahko znebijo omejitev virov in okolja, uresničijo industrializirano kmetijsko proizvodnjo in pritegnejo novo generacijo delovne sile, da se vključi v kmetijsko proizvodnjo. Ključne tehnološke inovacije in industrializacija kitajskih rastlinskih tovarn postajajo vodilne v svetu. S pospešeno uporabo svetlobnega vira LED, digitalizacijo, avtomatizacijo in inteligentnimi tehnologijami na področju rastlinskih tovarn bodo rastlinske tovarne pritegnile več kapitalskih naložb, zbiranja talentov in uporabe več nove energije, novih materialov in nove opreme. Na ta način je mogoče uresničiti poglobljeno integracijo informacijske tehnologije ter objektov in opreme, izboljšati inteligentno in brezpilotno raven objektov in opreme, nenehno zmanjševati porabo energije in obratovalne stroške sistema z nenehnimi inovacijami ter postopno gojenje specializiranih trgov, tovarne inteligentnih rastlin bodo uvedle zlato obdobje razvoja.

Glede na poročila o tržnih raziskavah je velikost svetovnega trga vertikalnega kmetovanja leta 2020 le 2,9 milijarde ameriških dolarjev, do leta 2025 pa se pričakuje, da bo velikost svetovnega trga vertikalnega kmetovanja dosegla 30 milijard ameriških dolarjev. Če povzamemo, imajo rastlinske tovarne široke možnosti uporabe in razvojni prostor.

Avtor: Zengchan Zhou, Weidong itd

Informacije o citiranju:Trenutno stanje in perspektive razvoja rastlinske industrije [J]. Tehnologija kmetijske tehnike, 2022, 42(1): 18-23.avtorji Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.