Izvleček: V zadnjih letih se je z nenehnim raziskovanjem sodobne kmetijske tehnologije hitro razvijala tudi industrija tovarniških rastlin. Ta članek uvaja status quo, obstoječe težave in razvojne protiukrepi za rastlinsko tovarniško tehnologijo in razvoj industrije ter se v prihodnosti veseli razvojnega trenda in možnosti rastlin.

1. trenutno stanje tehnološkega razvoja v tovarnah rastlin na Kitajskem in v tujini

1.1 Status quo razvoja tuje tehnologije

Od 21. stoletja so se raziskave tovarn rastlin osredotočale predvsem na izboljšanje svetlobne učinkovitosti, ustvarjanje večplastne tridimenzionalne opreme za gojenje ter raziskave in razvoj inteligentnega upravljanja in nadzora. V 21. stoletju je inovacija kmetijskih LED svetlobnih virov dosegla napredek in zagotavljala pomembno tehnično podporo za uporabo LED-varčevalnih virov, ki varčujejo z energijo v tovarnah rastlin. Univerza Chiba na Japonskem je naredila številne inovacije v visoko učinkovitosti svetlobnih virov, energetsko varčevanje z okoljem in tehnikami gojenja. Univerza Wageningen na Nizozemskem uporablja simulacijsko okolje in tehnologijo dinamične optimizacije za razvoj inteligentnega sistema opreme za tovarne rastlin, ki močno zmanjša obratovalne stroške in znatno izboljša produktivnost dela.

V zadnjih letih so tovarne rastlin postopoma uresničile polavtomacijo proizvodnih procesov iz setve, vzgoje sadik, presaditve in nabiranja. Japonska, Nizozemska in ZDA so v ospredju, z visoko stopnjo mehanizacije, avtomatizacije in inteligence ter se razvijajo v smeri vertikalnega kmetijstva in brezpilotnega delovanja.

1.2 Status razvoja tehnologije na Kitajskem

1.2.1 Specializd LED vir svetlobe in oprema za varčevanje z energijo za umetno svetlobo v tovarni rastlin

Posebni rdeči in modri LED svetlobni viri za proizvodnjo različnih rastlinskih vrst v tovarnah rastlin so bili razviti drug za drugim. Moč se giblje od 30 do 300 W, intenzivnost obsevanja svetlobe pa je 80 do 500 μmol/(m2 • s), kar lahko zagotovi svetlobno intenzivnost z ustreznim mejnim območjem, parametri kakovosti svetlobe Prihranek energije in prilagajanje potrebam rasti in razsvetljave rastlin. Glede na upravljanje disipacije svetlobnega vira je bila uvedena aktivna zasnova toplotnega disipacije ventilatorja svetlobe, kar zmanjšuje hitrost razpada svetlobe vira svetlobe in zagotavlja življenjsko dobo svetlobnega vira. Poleg tega je predlagana metoda za zmanjšanje toplote LED svetlobe s pomočjo hranilne raztopine ali kroženja vode. Glede na upravljanje prostora svetlobe, v skladu z zakonom o evolucijskem zakonu velikosti rastlin v fazi sadik in poznejše faze, skozi navpično vesoljsko gibanje upravljanja LED svetlobe lahko nadstrešek za rastlino osvetli na bližini razdalje in cilj varčevanja z energijo je dosežen. Trenutno lahko poraba energije v tovarniškem svetlobnem viru svetlobnih rastlin predstavlja 50% do 60% celotne porabe obratovalne energije v tovarni rastlin. Čeprav LED lahko prihrani 50 -odstotno energijo v primerjavi s fluorescentnimi svetilkami, še vedno obstaja potencial in nujnost raziskav pri varčevanju z energijo in zmanjšanju porabe.

1.2.2 Večplastna tridimenzionalna tehnologija in oprema za gojenje

Razmik sloja večplastne tridimenzionalne gojenja je zmanjšana, ker LED nadomešča fluorescentno svetilko, kar izboljša tridimenzionalno učinkovitost uporabe prostora pri gojenju rastlin. Obstaja veliko raziskav o zasnovi dna gojenja. Dvignjene črte so zasnovane tako, da ustvarjajo turbulentni pretok, ki lahko pomaga rastlinam, da enakomerno absorbirajo hranila v hranilni raztopini in povečajo koncentracijo raztopljenega kisika. Z uporabo kolonizacijske plošče obstajata dve metodi kolonizacije, to je plastične skodelice za kolonizacijo različnih velikosti ali način kolonizacije perimetra gobice. Pojavil se je drsni sistem za gojenje, sadilna deska in rastline na njej pa je mogoče ročno potisniti z enega konca na drugega, pri čemer se uresniči način proizvodnje sajenja na enem koncu gojenja in nabira na drugem koncu. Trenutno so razvite različne tridimenzionalne večplastne tehnologije in opreme za kulturo soils, ki temelji na tehnologiji hranilnih tekočih filmov in tehnologiji globoke tekočine, ter tehnologija in oprema za gojenje jagod so se pojavili. Omenjena tehnologija se je hitro razvila.

1.2.3 Tehnologija in oprema za kroženje hranilnih raztopin

Ko se hranilna raztopina uporablja za nekaj časa, je treba dodati vodo in mineralne elemente. Na splošno se količina novo pripravljene hranilne raztopine in količine kislinske raztopine določita z merjenjem EC in pH. Velike delce usedlin ali koreninske pilinge v hranilni raztopini je treba odstraniti s filtrom. Koreninski eksudati v hranilni raztopini lahko odstranite s fotokatalitičnimi metodami, da se izognete nenehnim oviram v hidroponiki, vendar obstajajo določena tveganja pri razpoložljivosti hranil.

1.2.4 Tehnologija in oprema za nadzor okolja

Čistost zraka proizvodnega prostora je eden od pomembnih kazalcev kakovosti zraka v tovarni rastlin. Čistost zraka (kazalniki suspendiranih delcev in ustaljenih bakterij) v proizvodnem prostoru tovarniške tovarne v dinamičnih pogojih je treba nadzorovati na raven nad 100.000. Vnos materiala za dezinfekcijo, dohodno osebje Zračni tuš kabine in sistem za čiščenje zraka za svež zrak (sistem za filtracijo zraka) so osnovni zaščitni ukrepi. Temperatura in vlaga, koncentracija CO2 in hitrost zraka 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, zračni vhodi in prodajne meje zraka, enakomerno nadzoruje temperaturo in vlažnost, koncentracijo CO2 in hitrost pretoka zraka v proizvodnem prostoru, da bi dosegli visoko prostorsko enotnost in zadovoljevanje potreb rastlin na različnih prostorskih lokacijah. Sistem za nadzor temperature, vlažnosti in koncentracije CO2 ter sistem svežega zraka so organsko integrirani v krožni zračni sistem. Trije sistemi morajo deliti zračni kanal, zračni dovod in odtok zraka ter zagotoviti moč prek ventilatorja, da uresničijo kroženje pretoka zraka, filtracije in dezinfekcije ter posodobitve in enakomernosti kakovosti zraka. Zagotavlja, da je proizvodnja rastlin v tovarni rastlin brez škodljivcev in bolezni, zato ni potrebna uporaba pesticidov. Hkrati je enotnost temperature, vlažnosti, pretoka zraka in CO2 koncentracije rastnega okolja v krošnjah zagotovljena, da zadovolji potrebe rasti rastlin.

2. Razvojni status tovarne rastlin

2.1 Status quo industrije tujih rastlin

Na Japonskem so raziskave in razvoj ter industrializacija tovarn umetne svetlobe rastlin razmeroma hitri in so na vodilni ravni. Leta 2010 je japonska vlada začela 50 milijard jenov za podporo tehnološkim raziskavam in razvoju ter industrijskih demonstracijah. Sodelovalo je osem institucij, vključno z univerzo Chiba University in Japonsko tovarniško raziskovalno združenje. Japonsko prihodnje podjetje se je lotilo in upravljalo prvi demonstracijski projekt industrializacije v tovarni rastlin z vsakodnevno proizvodnjo 3000 rastlin. Leta 2012 so bili proizvodni stroški tovarniške tovarne 700 jenov/kg. Leta 2014 je bila končana tovarna tovarniških tovarn v gradu Taga, prefektura Miyagi, ki je postala prva vodna tovarna rastlin na svetu z vsakodnevno proizvodnjo 10.000 rastlin. Od leta 2016 so LED rastlinske tovarne vstopile na hiter pas industrializacije na Japonskem, drug za drugim pa se pojavljajo prelomna ali donosna podjetja. V letu 2018 so se pojavile obsežne rastlinske tovarne z vsakodnevno proizvodno zmogljivostjo od 50.000 do 100.000 rastlin, globalne tovarne rastlin pa so se razvijale v primerjavi z obsežnim, profesionalnim in inteligentnim razvojem. Hkrati so tokijske električne energije, električna energija Okinawa in druga polja začeli vlagati v tovarni rastlin. Leta 2020 bo tržni delež solate, ki ga proizvajajo japonske tovarne rastlin, približno 10% celotnega trga solate. Med več kot 250 umetnih tovarn rastlin, ki trenutno delujejo, 20% je v fazi izgube, 50% je na ravni preloma, 30% Solata, zelišča in sadike.

Nizozemska je resnična svetovna vodilna na področju kombinirane tehnologije uporabe sončne svetlobe in umetne svetlobe za tovarno rastlin, z visoko stopnjo mehanizacije, avtomatizacije, inteligence in brezdušnosti, zdaj pa je izvozil celoten nabor tehnologij in opreme kot močne Izdelki na Bližnji vzhod, Afriko, Kitajsko in druge države. American AeroFarms Farm se nahaja v Newarku v New Jerseyju, ZDA, z območjem 6500 m2. V glavnem goji zelenjavo in začimbe, proizvodnja pa je približno 900 t/leto.

Navpično kmetovanje v aerofarmih

Vertikalna tovarna kmetovanja podjetja Plenty v ZDA sprejema LED osvetlitev in navpični okvir za sajenje z višino 6 m. Rastline rastejo s strani sadilcev. Zaradi gravitacijskega zalivanja ta način sajenja ne potrebuje dodatnih črpalk in je bolj vodno učinkovit kot običajni kmetovanje. Veliko trdi, da njegova kmetija proizvaja 350 -krat večjo proizvodnjo običajne kmetije, medtem ko uporablja le 1% vode.

Vertikalna tovarna kmetovanja, veliko podjetje

2.2 Statusna tovarniška industrija na Kitajskem

Leta 2009 je bila prva tovarna proizvodnih obratov na Kitajskem z inteligentnim nadzorom, saj je bilo jedro zgrajeno in uveljavljeno v Changchun Agricultural Expo Park. Območje stavbe je 200 m2, okoljski dejavniki, kot so temperatura, vlaga, svetloba, CO2 in koncentracija hranilne raztopine v tovarni rastlin, lahko samodejno spremljamo v realnem času, da uresničimo inteligentno upravljanje.

Leta 2010 je tovarna rastlin Tongzhou zgrajena v Pekingu. Glavna konstrukcija sprejme enoslojno svetlobno jekleno konstrukcijo s skupno konstrukcijsko površino 1289 m2. Oblikovan je kot letalski prevoznik, ki simbolizira kitajsko kmetijstvo, ki je vodilo pri odplju na najnaprednejšo tehnologijo sodobnega kmetijstva. Razvita je bila samodejna oprema za nekatere delovanje listnate proizvodnje zelenjave, kar je izboljšalo raven avtomatizacije proizvodnje in učinkovitost proizvodnje tovarniške tovarne. Tovarna rastlin sprejme sistem toplotne črpalke v virih in sistem za proizvodnjo sončne energije, ki bolje rešuje problem visokih obratovalnih stroškov za tovarno rastlin.

Znotraj in zunanji pogled na tovarno rastlin Tongzhou

Leta 2013 je bila v kmetijskem visokotehnološkem območju, ki je bila ustanovljena v kmetijskem območju, v provinci Shaanxi. Večina projektov tovarne rastlin v gradnji in obratovanju se nahaja v kmetijskih visokotehnoloških predstavitvenih parkih, ki se uporabljajo predvsem za popularne znanstvene demonstracije in prosti čas. Zaradi njihovih funkcionalnih omejitev te popularne tovarne rastlin težko dosežejo visok donos in visoko učinkovitost, ki jo zahteva industrializacija, in težko jim bo postalo glavna oblika industrializacije v prihodnosti.

Leta 2015 je glavni proizvajalec LED čipov na Kitajskem sodeloval z Inštitutom za botaniko kitajske akademije znanosti, da bi skupaj sprožil ustanovitev tovarniške družbe. Od optoelektronske industrije je prešla do "fotobiološke" industrije in postala precedens, da lahko kitajski proizvajalci LED vlagajo v gradnjo tovarn rastlin v industrializacijo. Njegova tovarna rastlin je zavezana k industrijske naložbe v nastajajočo fotobiologijo, ki združuje znanstvene raziskave, proizvodnjo, demonstracije, inkubacijo in druge funkcije, z registriranim kapitalom v višini 100 milijonov juanov. Junija 2016 je bila ta tovarna rastlin s 3-nadstropno stavbo, ki pokriva površino 3.000 m2, zaključena in izvedena je bila vgrajena območje več kot 10.000 m2. Do maja 2017 bo vsakodnevna proizvodna lestvica 1.500 kg listnate zelenjave, kar ustreza 15.000 solatnim rastlinam na dan.

Pogledi na to podjetje

3. Težave in protiukrepi, s katerimi se soočajo razvoj tovarn rastlin

3.1 Težave

3.1.1 Visoki stroški gradnje

Rastlinske tovarne morajo proizvajati pridelke v zaprtem okolju. Zato je treba zgraditi podporne projekte in opremo, vključno z zunanjimi vzdrževalnimi strukturami, klimatskimi sistemi, viri umetne svetlobe, večplastnimi sistemi za gojenje, cirkulacijo s hranilno raztopino in računalniškimi sistemi za nadzor. Stroški gradnje so razmeroma visoki.

3.1.2 visoki stroški delovanja

Večina svetlobnih virov, ki jih zahtevajo rastlinske tovarne, prihaja iz LED luči, ki porabijo veliko električne energije, hkrati pa zagotavljajo ustrezne spektre za rast različnih pridelkov. Oprema, kot so klimatska naprava, prezračevanje in vodne črpalke v proizvodnem procesu tovarn rastlin, porabijo tudi električno energijo, zato so računi za elektriko velik strošek. Glede na statistiko, med proizvodnimi stroški tovarn rastlin, stroški električne energije predstavljajo 29%, stroški dela predstavljajo 26%, amortizacija s fiksno sredstva pa predstavlja 23%, embalaža in prevoz predstavljajo 12%, proizvodni material pa 10%.

Stroški proizvodnje za tovarno rastlin

3.1.3 Nizka raven avtomatizacije

Trenutno uporabljena tovarna rastlin ima nizko raven avtomatizacije, postopki, kot so sadike, presaditev, sajenje na terenu in nabiranje, pa še vedno zahtevajo ročne operacije, kar ima za posledico visoke stroške dela.

3.1.4 Omejene sorte pridelkov, ki jih je mogoče gojiti

Trenutno so vrste pridelkov, primernih za rastlinske tovarne, zelo omejene, predvsem zelena listnata zelenjava, ki hitro raste, zlahka sprejemajo umetne svetlobne vire in imajo nizko krošnja. Za zapletene zahteve za sajenje (na primer pridelke, ki jih je treba opraševati itd.), Ni mogoče izvesti velikih sajenje.

3.2 Razvojna strategija

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

(1) Okrepiti raziskavo inteligentne tehnologije tovarn rastlin in izboljšati raven intenzivnega in rafiniranega upravljanja. Razvoj inteligentnega sistema upravljanja in nadzora pomaga doseči intenzivno in rafinirano upravljanje rastlinskih tovarn, kar lahko močno zmanjša stroške dela in prihrani delovno silo.

(2) Razviti intenzivno in učinkovito tehnično opremo tovarniške tovarne rastlin za doseganje letnih visokokakovostnih in visoko donosnosti. Razvoj objektov in opreme z visoko učinkovitostjo, tehnologijo in opremo za varčevanje z energijo itd. Za izboljšanje inteligentne ravni tovarn rastlin, ki omogoča realizacijo letne proizvodnje visoke učinkovitosti.

(3) Izvedite raziskave o tehnologiji industrijske gojenja za rastline z visoko vrednostjo, kot so zdravilne rastline, zdravstvene elektrarne in redka zelenjava .

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

4. Razvojni trend in možnost tovarniške rastline

4.1 Trend razvoja tehnologije

4.1.1 Intelektualizacija celotnega procesa

Na podlagi strojno-arts fuzije in mehanizma za preprečevanje izgube sistema, ki se nanašajo na hitrost, prilagodljivo in nedestruktivno sajenje in nabiranje končnih efektorjev, porazdeljenih večdimenzionalnih prostorov Natančno pozicioniranje in več-modalne metode nadzora nad več strokovnimi kontrolami, in brezpilotno, učinkovito in nedestruktivno sejanje v visokih rastlinskih tovarnah-Inteligentni roboti in podporna oprema, kot so Ustvarjati je treba za pakiranje sajenje, s čimer se uresniči brezpilotno delovanje celotnega postopka.

4.1.2 Nadzor proizvodnje je pametnejši

Na podlagi mehanizma odziva rasti in razvoja pridelka na svetlobno sevanje, temperaturo, vlažnost, koncentracijo CO2, koncentracijo hranil hranilne raztopine in EC je treba konstruirati kvantitativni model povratnih informacij o okolju. Vzpostaviti je treba strateški jedro, ki bo dinamično analiziral listnate informacije o zelenjavnem življenju in parametri proizvodnega okolja. Vzpostaviti je treba tudi spletno diagnozo dinamične diagnoze in nadzor procesa v okolju. Ustvarjati je treba sistem več strojev za sodelovanje umetne inteligence za celoten proizvodni proces visoko obsežne vertikalne kmetijske tovarne.

4.1.3 Nizka proizvodnja ogljika in varčevanje z energijo

Vzpostavitev sistema upravljanja z energijo, ki uporablja obnovljive vire energije, kot sta sončni in veter, za dokončanje prenosa električne energije in nadzor porabe energije za dosego optimalnih ciljev upravljanja z energijo. Zajemanje in ponovno uporabo emisij CO2 za pomoč pri pridelavi pridelkov.

4.1.3 Visoka vrednost premijskih sort

Izvedbene strategije je treba sprejeti za vzrejo različnih sort z visoko dodano vrednostjo za poskuse sajenja, izgradnjo baze podatkov o strokovnjakih za gojenje tehnologije, izvajati raziskave o tehnologiji gojenja, izbiri gostote, ureditve strnišča, raznolikosti in prilagodljivosti opreme ter standardnih tehničnih specifikacij gojenja.

4.2 možnosti za razvoj industrije

Tovarne rastlin se lahko znebijo omejitev virov in okolja, uresničijo industrializirano proizvodnjo kmetijstva in pritegnejo novo generacijo delovne sile za sodelovanje v kmetijski proizvodnji. Ključna tehnološka inovacija in industrializacija kitajskih tovarn rastlin je postala svetovna vodja. S pospešeno uporabo vira LED svetlobe, digitalizacije, avtomatizacije in inteligentnih tehnologij na področju tovarn rastlin bodo tovarne rastlin pritegnile več kapitalskih naložb, zbiranje talentov in uporabo nove energije, novih materialov in nove opreme. Na ta način je mogoče uresničiti poglobljeno integracijo informacijske tehnologije in opreme in opreme, lahko izboljšate inteligentno in brezpilotno raven objektov in opreme, nenehno zmanjševanje porabe energije in obratovanja sistema z neprekinjenimi inovacija Gojenje specializiranih trgov bodo inteligentne tovarne rastlin začele zlato obdobje razvoja.

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

Avtor: Zengchan Zhou, Weidong itd.

Informacije o navedbah:Trenutno stanje in možnosti razvoja rastlinske tovarne [J]. Kmetijska inženirska tehnologija, 2022, 42 (1): 18–23.Avtorji Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li in sod.