Povzetek: V zadnjih letih se je z nenehnim raziskovanjem sodobne kmetijske tehnologije hitro razvila tudi industrija rastlinskih tovarn. Ta članek predstavlja trenutno stanje, obstoječe težave in razvojne protiukrepe tehnologije rastlinskih tovarn in razvoja industrije ter napoveduje trende razvoja in možnosti rastlinskih tovarn v prihodnosti.

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

1.1 Status quo razvoja tuje tehnologije

Od 21. stoletja se raziskave rastlinskih tovarn osredotočajo predvsem na izboljšanje svetlobne učinkovitosti, ustvarjanje večplastne tridimenzionalne opreme za gojenje ter raziskave in razvoj inteligentnega upravljanja in nadzora. V 21. stoletju so inovacije na področju kmetijskih LED svetlobnih virov napredovale in zagotavljajo pomembno tehnično podporo za uporabo energetsko varčnih LED svetlobnih virov v rastlinskih tovarnah. Univerza v Chibi na Japonskem je uvedla številne inovacije na področju visoko učinkovitih svetlobnih virov, energetsko varčnega nadzora okolja in tehnik gojenja. Univerza v Wageningenu na Nizozemskem uporablja simulacijo poljščin in tehnologijo dinamične optimizacije za razvoj inteligentnega sistema opreme za rastlinske tovarne, kar močno zmanjša obratovalne stroške in znatno izboljša produktivnost dela.

V zadnjih letih so tovarne rastlin postopoma uresničile delno avtomatizacijo proizvodnih procesov, od setve, vzgoje sadik, presajanja in žetve. Japonska, Nizozemska in Združene države Amerike so v ospredju z visoko stopnjo mehanizacije, avtomatizacije in inteligence ter se razvijajo v smeri vertikalnega kmetijstva in brezpilotnega delovanja.

1.2 Stanje tehnološkega razvoja na Kitajskem

1.2.1 Specializirana LED svetlobna energija in energetsko varčna tehnološka oprema za umetno razsvetljavo v tovarniških obratih

Posebni rdeči in modri LED svetlobni viri za pridelavo različnih rastlinskih vrst v rastlinskih tovarnah so bili razviti drug za drugim. Moč se giblje od 30 do 300 W, intenzivnost obsevane svetlobe pa je od 80 do 500 μmol/(m2•s), kar lahko zagotovi intenzivnost svetlobe z ustreznim območjem praga in parametri kakovosti svetlobe, da se doseže učinek visoko učinkovitega varčevanja 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 zmanjšuje stopnjo upadanja svetlobe svetlobnega vira in zagotavlja življenjsko dobo svetlobnega vira. Poleg tega je predlagana metoda za zmanjšanje toplote LED svetlobnega vira s kroženjem hranilne raztopine ali vode. Kar zadeva upravljanje prostora svetlobnega vira, je mogoče v skladu z zakonom evolucije velikosti rastlin v fazi sadik in kasneje z upravljanjem navpičnega gibanja prostora LED svetlobnega vira osvetliti krošnjo rastline od blizu in doseči cilj varčevanja z energijo. Trenutno lahko poraba energije umetne svetlobe v tovarnah predstavlja od 50 % do 60 % celotne porabe energije obratovanja tovarne. Čeprav lahko LED prihrani 50 % energije v primerjavi s fluorescentnimi sijalkami, še vedno obstaja potencial in potreba po raziskavah na področju varčevanja z energijo in zmanjševanja porabe.

1.2.2 Večplastna tridimenzionalna tehnologija in oprema za gojenje

Razmik med plastmi pri večplastnem tridimenzionalnem gojenju se zmanjša, ker LED dioda nadomešča fluorescenčno sijalko, kar izboljša učinkovitost izrabe tridimenzionalnega prostora pri gojenju rastlin. Obstaja veliko študij o zasnovi dna gojitvene gredice. Dvignjene črte so zasnovane tako, da ustvarjajo turbulentni tok, kar lahko pomaga koreninam rastlin, da enakomerno absorbirajo hranila v hranilni raztopini in povečajo koncentracijo raztopljenega kisika. Pri uporabi kolonizacijske plošče obstajata dve metodi kolonizacije, in sicer plastične kolonizacijske skodelice različnih velikosti ali način kolonizacije z gobastim obodom. Pojavil se je sistem drsne gojitvene gredice, pri čemer je mogoče sadilno ploščo in rastline na njej ročno potiskati z enega konca na drugega, kar omogoča proizvodni način sajenja na enem koncu gojitvene gredice in žetve na drugem koncu. Trenutno je bila razvita vrsta tehnologij in opreme za tridimenzionalno večplastno gojenje brez prsti, ki temeljijo na tehnologiji tekočega filma s hranili in tehnologiji globokega tekočega pretoka, pojavila pa se je tudi tehnologija in oprema za gojenje jagod v substratu, aerosolno gojenje listnate zelenjave in cvetja. Omenjena tehnologija se je hitro razvijala.

1.2.3 Tehnologija in oprema za kroženje hranilne raztopine

Po določenem času uporabe hranilne raztopine je treba dodati vodo in mineralne elemente. Količina novo pripravljene hranilne raztopine in količina kislinsko-bazične raztopine se običajno določita z merjenjem električne prevodnosti (EC) in pH. Velike delce usedlin ali koreninskih luščin v hranilni raztopini je treba odstraniti s filtrom. Koreninski izločki v hranilni raztopini se lahko odstranijo s fotokatalitičnimi metodami, da se preprečijo stalne ovire pri gojenju 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 pomembnih kazalnikov kakovosti zraka v tovarni. Čistost zraka (kazalniki suspendiranih delcev in usedlih bakterij) v proizvodnem prostoru tovarne v dinamičnih pogojih je treba nadzorovati na ravni nad 100.000. Vhodna dezinfekcija materiala, prhanje vhodnega osebja z zrakom in sistem za čiščenje zraka za kroženje svežega zraka (sistem za filtriranje zraka) so osnovni zaščitni ukrepi. Temperatura in vlažnost, koncentracija CO2 in hitrost pretoka zraka v proizvodnem prostoru so še ena pomembna vsebina nadzora kakovosti zraka. Po poročilih lahko namestitev opreme, kot so mešalne škatle za zrak, zračni kanali, dovod in odvod zraka, enakomerno nadzoruje temperaturo in vlažnost, koncentracijo CO2 in hitrost pretoka zraka v proizvodnem prostoru, da se doseže visoka prostorska enakomernost in zadostijo potrebam obrata na različnih prostorskih lokacijah. Sistem za nadzor temperature, vlažnosti in koncentracije CO2 ter sistem za svež zrak sta organsko integrirana v sistem kroženja zraka. Trije sistemi morajo deliti zračni kanal, dovod in odvod zraka ter zagotavljati napajanje prek ventilatorja za kroženje zraka, filtracijo in dezinfekcijo ter posodabljanje in enakomernost kakovosti zraka. Zagotavlja, da rastlinska proizvodnja v rastlinjaku ne bo prisotna pri škodljivcih in boleznih ter da ni potrebna uporaba pesticidov. Hkrati je zagotovljena enakomernost temperature, vlažnosti, pretoka zraka in koncentracije CO2 v elementih rastnega okolja v krošnji, kar zadosti potrebam rasti rastlin.

2. Razvojni status rastlinske tovarne

2.1 Status quo tuje industrije tovarn rastlin

Na Japonskem so raziskave, razvoj in industrializacija tovarn umetnih svetlobnih naprav relativno hitre in so na vodilni ravni. Leta 2010 je japonska vlada namenila 50 milijard jenov za podporo tehnološkim raziskavam in razvoju ter industrijskim demonstracijam. Sodelovalo je osem institucij, vključno z Univerzo Chiba in Japonskim združenjem za raziskave rastlinskih tovarn. Podjetje Japan Future Company je izvedlo in izvedlo prvi demonstracijski projekt industrializacije tovarne rastlin z dnevno proizvodnjo 3000 rastlin. Leta 2012 so proizvodni stroški tovarne rastlin znašali 700 jenov/kg. Leta 2014 je bila dokončana sodobna tovarna v gradu Taga v prefekturi Miyagi, ki je postala prva tovarna LED rastlin na svetu z dnevno proizvodnjo 10.000 rastlin. Od leta 2016 so tovarne LED rastlin vstopile v hitri pas industrializacije na Japonskem, druga za drugo pa so se pojavila podjetja, ki so dosegla prag preloma ali so bila dobičkonosna. Leta 2018 so se ena za drugo pojavljale velike tovarne rastlin z dnevno proizvodno zmogljivostjo od 50.000 do 100.000 rastlin, svetovne tovarne rastlin pa so se razvijale v smeri obsežnega, profesionalnega in inteligentnega razvoja. Hkrati so podjetja Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power in druga področja začela vlagati v tovarne rastlin. Leta 2020 bo tržni delež solate, ki jo pridelujejo japonske tovarne rastlin, predstavljal približno 10 % celotnega trga solate. Med več kot 250 tovarnami rastlin z umetno svetlobo, ki trenutno delujejo, jih je 20 % v fazi ustvarjanja izgube, 50 % jih je na ravni preloma, 30 % pa jih je v dobičkonosni fazi, pri čemer gre za gojene rastlinske vrste, kot so solata, zelišča in sadike.

Nizozemska je resnično vodilna na svetu na področju kombinirane uporabe tehnologije sončne in umetne svetlobe za tovarne rastlin, z visoko stopnjo mehanizacije, avtomatizacije, inteligence in brezpilotnega upravljanja, ter je zdaj izvozila celoten nabor tehnologij in opreme kot močne izdelke na Bližnji vzhod, v Afriko, Kitajsko in druge države. Ameriška kmetija AeroFarms se nahaja v Newarku v New Jerseyju v ZDA in ima površino 6500 m2. V glavnem goji zelenjavo in začimbe, letna proizvodnja pa znaša približno 900 ton.

Vertikalno kmetovanje v AeroFarms

Tovarna vertikalnih rastlin podjetja Plenty v Združenih državah Amerike uporablja LED osvetlitev in vertikalni sadilni okvir z višino 6 m. Rastline rastejo ob straneh sadilnikov. Ta metoda sajenja, ki temelji na gravitacijskem zalivanju, ne zahteva dodatnih črpalk in je učinkovitejša pri porabi vode kot konvencionalno kmetovanje. Plenty trdi, da njegova kmetija proizvede 350-krat več pridelka kot konvencionalna kmetija, pri čemer porabi le 1 % vode.

Tovarna vertikalnih kmetijskih rastlin, podjetje Plenty

2.2 Status tovarniške industrije na Kitajskem

Leta 2009 je bila v kmetijskem razstavnem parku Changchun zgrajena in zagnana prva tovarna proizvodnih obratov na Kitajskem z inteligentnim krmiljenjem kot jedrom. Stavba meri 200 m2, okoljski dejavniki, kot so temperatura, vlažnost, svetloba, CO2 in koncentracija hranilne raztopine v tovarni, pa se lahko samodejno spremljajo v realnem času za doseganje inteligentnega upravljanja.

Leta 2010 je bila v Pekingu zgrajena tovarna rastlin Tongzhou. Glavna konstrukcija je enoslojna lahka jeklena konstrukcija s skupno površino 1289 m2. Oblikovana je kot letalonosilka, kar simbolizira kitajsko kmetijstvo, ki prevzema vodilno vlogo pri uvajanju najnaprednejše tehnologije sodobnega kmetijstva. Razvita je bila avtomatska oprema za nekatere operacije pridelave listnate zelenjave, kar je izboljšalo raven avtomatizacije proizvodnje in učinkovitost proizvodnje v tovarni rastlin. Tovarna uporablja sistem toplotnih črpalk tal in sistem za proizvodnjo sončne energije, kar bolje rešuje problem visokih obratovalnih stroškov za tovarno rastlin.

Pogled znotraj in zunaj tovarne rastlin Tongzhou

Leta 2013 je bilo v demonstracijski coni za kmetijsko visokotehnološko proizvodnjo Yangling v provinci Shaanxi ustanovljenih veliko podjetij za kmetijsko tehnologijo. Večina projektov tovarn rastlin, ki so v gradnji in obratovanju, se nahaja v demonstracijskih parkih za visokotehnološko proizvodnjo, ki se uporabljajo predvsem za demonstracije popularne znanosti in oglede znamenitosti. Zaradi svojih funkcionalnih omejitev te tovarne rastlin popularne znanosti težko dosežejo visok donos in visoko učinkovitost, ki ju zahteva industrializacija, in v prihodnosti bodo težko postale glavna oblika industrializacije.

Leta 2015 je večji proizvajalec LED-čipov na Kitajskem sodeloval z Inštitutom za botaniko Kitajske akademije znanosti, da bi skupaj začeli ustanoviti podjetje za proizvodnjo rastlin. Prešlo je iz optoelektronske industrije v "fotobiološko" industrijo in postalo precedens za kitajske proizvajalce LED diod, ki vlagajo v gradnjo tovarn rastlin v industrializaciji. Njihova tovarna rastlin je zavezana industrijskim naložbam 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 3000 m2 in gojitveno površino več kot 10.000 m2, dokončana in zagnana. Do maja 2017 bo dnevna proizvodnja znašala 1500 kg listnate zelenjave, kar ustreza 15.000 rastlinam solate na dan.

Mnenja o tem podjetju

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

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 napravami, umetnimi viri svetlobe, večplastnimi sistemi za gojenje, kroženjem hranilne raztopine in računalniškimi nadzornimi sistemi. Stroški gradnje so relativno visoki.

3.1.2 Visoki obratovalni stroški

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

Razčlenitev proizvodnih stroškov za tovarno rastlin

3.1.3 Nizka stopnja avtomatizacije

Trenutno uporabljena tovarna rastlin ima nizko stopnjo avtomatizacije, procesi, kot so sadike, presajanje, sajenje na polju 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 so vrste poljščin, primernih za gojenje rastlin, zelo omejene, predvsem gre za zeleno listnato zelenjavo, ki hitro raste, zlahka sprejema umetne svetlobne vire in ima nizko krošnjo. Sajenje v velikem obsegu ni mogoče zaradi kompleksnih zahtev sajenja (kot so poljščine, ki jih je treba oprašiti itd.).

3.2 Razvojna strategija

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

(1) Okrepiti raziskave na področju inteligentne tehnologije rastlinskih tovarn in izboljšati raven intenzivnega in izpopolnjenega upravljanja. Razvoj inteligentnega sistema upravljanja in nadzora pomaga doseči intenzivno in izpopolnjeno upravljanje rastlinskih tovarn, kar lahko znatno zmanjša stroške dela in prihrani delovno silo.

(2) Razvoj intenzivne in učinkovite tehnične opreme za tovarne rastlin za doseganje visoke letne kakovosti in visokega donosa. Razvoj visoko učinkovitih objektov in opreme za gojenje, energetsko varčne svetlobne tehnologije in opreme itd. za izboljšanje inteligentne ravni tovarn rastlin prispeva k doseganju letne visoko učinkovite proizvodnje.

(3) Izvajati raziskave o tehnologiji industrijskega gojenja rastlin z visoko dodano vrednostjo, kot so zdravilne rastline, rastline za zdravstveno varstvo in redka zelenjava, povečati število vrst pridelkov, ki se gojijo v rastlinskih tovarnah, razširiti dobičkonosne kanale in izboljšati izhodišče dobička.

(4) Izvajati raziskave o tovarnah rastlin za gospodinjsko in komercialno uporabo, obogatiti vrste tovarn rastlin in doseči stalno dobičkonosnost z različnimi funkcijami.

4. Trend razvoja in možnosti tovarne rastlin

4.1 Trend tehnološkega razvoja

4.1.1 Intelektualizacija celotnega procesa

Na podlagi mehanizma za združevanje strojne umetnosti in preprečevanje izgub sistema za pridelavo in robotizacijo bi bilo treba ustvariti visokohitrostne, fleksibilne in nedestruktivne končne efektorje za sajenje in žetev, porazdeljeno večdimenzionalno natančno pozicioniranje in večmodalne metode večstrojnega sodelovalnega krmiljenja ter brezpilotne, učinkovite in nedestruktivne setve v visokih tovarnah rastlin - inteligentne robote in podporno opremo, kot je sajenje-žetev-pakiranje, s čimer bi se uresničilo brezpilotno delovanje celotnega procesa.

4.1.2 Poskrbite za pametnejši nadzor proizvodnje

Na podlagi mehanizma odziva rasti in razvoja rastlin na svetlobno sevanje, temperaturo, vlažnost, koncentracijo CO2, koncentracijo hranil v hranilni raztopini in električno prevodnost je treba zgraditi kvantitativni model povratnih informacij med rastlino in okoljem. Vzpostaviti je treba strateški osrednji model za dinamično analizo informacij o življenju listnate zelenjave in parametrov proizvodnega okolja. Vzpostaviti je treba tudi spletni sistem za dinamično identifikacijo, diagnozo in nadzor procesov okolja. Ustvariti je treba večstrojni sodelovalni sistem odločanja z umetno inteligenco za celoten proizvodni proces visokozmogljive vertikalne kmetijske tovarne.

4.1.3 Nizkoogljična proizvodnja in varčevanje z energijo

Vzpostavitev sistema za upravljanje z energijo, ki uporablja obnovljive vire energije, kot sta sončna in vetrna energija, za popoln prenos energije in nadzor porabe energije za doseganje optimalnih ciljev upravljanja z energijo. Zajemanje in ponovna uporaba emisij CO2 za pomoč pri pridelavi poljščin.

4.1.3 Visoka vrednost vrhunskih sort

Za vzrejo različnih sort z visoko dodano vrednostjo za poskusne sajenje je treba sprejeti izvedljive strategije, zgraditi bazo podatkov strokovnjakov za tehnologijo gojenja, izvesti raziskave o tehnologiji gojenja, izbiri gostote, razporeditvi strnišča, prilagodljivosti sort in opreme ter oblikovati standardne tehnične specifikacije za gojenje.

4.2 Možnosti razvoja industrije

Tovarne rastlin se lahko znebijo omejitev virov in okolja, uresničijo industrializirano kmetijsko proizvodnjo in privabijo novo generacijo delovne sile k kmetijski proizvodnji. Kitajske tovarne rastlin postajajo vodilne na svetu s ključnimi tehnološkimi inovacijami in industrializacijo. S pospešeno uporabo LED svetlobnih virov, digitalizacijo, avtomatizacijo in inteligentnimi tehnologijami na področju tovarn rastlin bodo tovarne rastlin pritegnile več kapitalskih naložb, zbiranja talentov ter uporabe več nove energije, novih materialov in nove opreme. Na ta način se lahko doseže poglobljena integracija informacijske tehnologije in objektov ter opreme, izboljša se inteligentna in brezpilotna raven objektov in opreme, nenehno se zmanjšuje poraba energije sistema in obratovalni stroški z nenehnimi inovacijami ter postopno gojenje specializiranih trgov, inteligentne tovarne rastlin pa bodo uvedle zlato obdobje razvoja.

Glede na poročila tržnih raziskav je velikost svetovnega trga vertikalnega kmetijstva v letu 2020 znašala le 2,9 milijarde ameriških dolarjev, pričakuje pa se, da bo do leta 2025 velikost svetovnega trga vertikalnega kmetijstva dosegla 30 milijard ameriških dolarjev. Skratka, tovarne rastlin imajo široke možnosti uporabe in prostor za razvoj.

Avtor: Zengchan Zhou, Weidong itd

Informacije o citiranju:Trenutno stanje in možnosti razvoja industrije rastlinskih tovarn [J]. Kmetijska inženirska tehnologija, 2022, 42(1): 18–23.avtorji Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li et al.