Sažetak: Posljednjih godina, kontinuiranim istraživanjem moderne poljoprivredne tehnologije, industrija tvornice biljaka također se brzo razvila. Ovaj rad uvodi status quo, postojeće probleme i razvoje protumjere tehnologije tvornice biljaka i razvoja industrije, a raduje se trendu razvoja i perspektiva tvornica biljaka u budućnosti.

1. Trenutni status razvoja tehnologije u tvornicama biljaka u Kini i inozemstvu

1.1 Status quo razvoja strane tehnologije

Od 21. stoljeća, istraživanje tvornica biljaka uglavnom se usredotočilo na poboljšanje učinkovitosti svjetlosti, stvaranje višeslojne opreme trodimenzionalnog sustava uzgoja i istraživanje i razvoj inteligentnog upravljanja i kontrole. U 21. stoljeću inovacija poljoprivrednih LED izvora svjetlosti postigla je napredak, pružajući važnu tehničku podršku za primjenu LED izvora svjetlosti uštede energije u tvornicama biljaka. Sveučilište Chiba u Japanu napravilo je niz inovacija u visoko učinkovitim izvorima svjetla, energetskim uštedama okoliša i tehnikama uzgoja. Sveučilište Wageningen u Nizozemskoj koristi simulaciju usjeva i dinamičke optimizacijske tehnologije za razvoj inteligentnog sustava opreme za tvornice biljaka, što u velikoj mjeri smanjuje operativne troškove i značajno poboljšava produktivnost rada.

Posljednjih godina tvornice biljaka postupno su ostvarile polu-automatizaciju proizvodnih procesa od sjetve, uzgoja, presađivanja, presađivanja i berbe. Japan, Nizozemska i Sjedinjene Države su na čelu, s visokim stupnjem mehanizacije, automatizacije i inteligencije, a razvijaju se u smjeru vertikalne poljoprivrede i bespilotnog rada.

1.2 Status razvoja tehnologije u Kini

1.2.1 Specijalizacija LED izvora svjetla i oprema za uštedu energije za umjetno svjetlo u tvornici biljaka

Posebni crveni i plavi LED izvori svjetla za proizvodnju različitih biljnih vrsta u tvornicama biljaka razvijeni su jedan za drugim. Snaga se kreće od 30 do 300 W, a intenzitet svjetla zračenja je 80 do 500 µmol/(m2 • s), što može pružiti intenzitet svjetlosti s odgovarajućim rasponom praga, parametrima kvalitete svjetlosti, kako bi se postigao učinak visoke učinkovitosti Ušteda energije i prilagođavanje potrebama rasta i osvjetljenja biljaka. U pogledu upravljanja raspršivanjem topline, uvedena je aktivna disipacija toplinske disipacije ventilatora svjetlosti, što smanjuje brzinu propadanja svjetlosti izvora svjetlosti i osigurava život izvora svjetlosti. Osim toga, predlaže se metoda za smanjenje topline izvora LED svjetla kroz hranjivu otopinu ili cirkulaciju vode. U smislu upravljanja prostorom, prema evolucijskom zakonu o veličini biljaka u fazi sadnice i kasnije, kroz upravljanje vertikalnim prostorom upravljanja izvorom LED svjetlosti, biljna nadstrešnica može se osvijetliti na bliskoj udaljenosti, a cilj uštede energije je postignuto. Trenutno, potrošnja energije tvorničkog svjetla umjetne svjetlosti može činiti 50% do 60% ukupne potrošnje operativne energije u tvornici biljaka. Iako LED može uštedjeti 50% energije u usporedbi s fluorescentnim svjetiljkama, još uvijek postoji potencijal i nužnost istraživanja uštede energije i smanjenja potrošnje.

1.2.2 Višeslojna tehnologija trodimenzionalnog uzgoja i oprema

Slojevi razmak višeslojnog trodimenzionalnog uzgoja smanjuju se jer LED zamjenjuje fluorescentnu svjetiljku, što poboljšava trodimenzionalnu učinkovitost iskorištavanja prostora u uzgoju biljaka. Mnogo je studija o dizajnu dna kreveta za uzgoj. Podignute pruge dizajnirane su za stvaranje turbulentnog protoka, što može pomoći biljnim korijenima da ravnomjerno apsorbiraju hranjive tvari u otopini hranjivih tvari i povećaju koncentraciju otopljenog kisika. Koristeći ploču za kolonizaciju, postoje dvije metode kolonizacije, odnosno plastične čaše za kolonizaciju različitih veličina ili način kolonizacije spužve. Pojavio se klizavni sustav za uzgoj, a ploča za sadnju i biljke na njemu mogu se ručno gurnuti s jednog na drugi kraj, shvaćajući način proizvodnje sadnje na jednom kraju kreveta za uzgoj i berbu na drugom kraju. Trenutno su razvijene razne trodimenzionalne višeslojne tehnologije i opreme za kulturu bez sobe temeljene na tehnologiji tekućih filmova hranjivih tvari i tehnologiji duboke tekućine, te tehnologija i oprema za uzgoj jagoda, uzgoj aerosola lisnatog povrća i cvijeća su se pojavili. Spomenuta tehnologija brzo se razvila.

1.2.3 Tehnologija i oprema za cirkulaciju hranjivih otopina

Nakon što se hranjiva otopina koristi neko vrijeme, potrebno je dodati vode i mineralne elemente. Općenito, količina novopripravljene otopine hranjivih tvari i količine otopine baze kiseline određuje se mjerenjem EC i PH. Velike čestice sedimenta ili korijenskog pilinga u otopini hranjivih tvari trebaju se ukloniti filtrom. Korijenski eksudati u otopini hranjivih tvari mogu se ukloniti fotokatalitičkim metodama kako bi se izbjegle kontinuirane prepreke u hidroponici, ali postoje određeni rizici u dostupnosti hranjivih tvari.

1.2.4 Tehnologija i oprema za kontrolu okoliša

Čistoća zraka u proizvodnom prostoru jedan je od važnih pokazatelja kvalitete zraka u tvornici biljaka. Čistoća zraka (pokazatelji suspendiranih čestica i naseljenih bakterija) u proizvodnom prostoru tvornice biljaka u dinamičkim uvjetima treba kontrolirati na razinu iznad 100 000. Ulaz dezinfekcije materijala, tretman zračnog tuša u dolaznom osobljem i sustav za pročišćavanje zraka (sustav za filtraciju zraka) sve su osnovne zaštitne mjere. Temperatura i vlaga, koncentracija CO2 i brzina protoka zraka zraka u proizvodnom prostoru još je jedan važan sadržaj kontrole kvalitete zraka. Prema izvješćima, postavljanje opreme kao što su kutije za miješanje zraka, zračni kanali, otvori za zrak i zračni otvori mogu ravnomjerno kontrolirati temperaturu i vlažnost, koncentraciju CO2 i brzinu protoka zraka u proizvodnom prostoru kako bi se postigla visoka prostorna ujednačenost i zadovoljila biljne potrebe na različitim prostornim mjestima. Sustav upravljanja temperaturom, vlagom i koncentracijom CO2 i sustav svježeg zraka organski su integrirani u cirkulacijski zračni sustav. Tri sustava trebaju dijeliti zračni kanal, ulaz zraka i zračni otvor i pružiti energiju kroz ventilator kako bi ostvarili cirkulaciju protoka zraka, filtracije i dezinfekcije, te ažuriranje i ujednačenost kvalitete zraka. Osigurava da proizvodnja biljaka u tvornici biljaka ne sadrži štetočine i bolesti, a nije potrebna primjena pesticida. Istodobno, zajamčeno je da će ujednačenost temperature, vlage, protoka zraka i CO2 koncentracija okoliša rasta u nadstrešnici zadovoljiti potrebe rasta biljaka.

2. Razvoj statusa tvorničke industrije biljaka

2.1 Status quo industrije tvornice stranih biljaka

U Japanu su istraživanje i razvoj i industrijalizacija tvornica umjetnih svjetlosnih biljaka relativno brzo i na vodećoj su razini. U 2010. godini japanska vlada pokrenula je 50 milijardi jena kako bi podržala tehnološka istraživanja i razvoj i industrijske demonstracije. Sudjelovalo je osam institucija, uključujući Sveučilište Sveučilišta Chiba i Japan. Japan Future Company poduzela je i upravljala prvim demonstracijskim projektom industrijalizacije tvornice bilja s dnevnom proizvodnjom od 3000 postrojenja. U 2012. godini, troškovi proizvodnje tvornice bilja bili su 700 jena/kg. U 2014. godini, moderna tvornička tvornica u dvorcu Taga, prefektura Miyagi je dovršena, postala je prva svjetska tvornica LED biljaka s dnevnom proizvodnjom od 10 000 biljaka. Od 2016. godine, LED tvornice biljaka ušle su u brzu traku industrijalizacije u Japanu, a probijanja ili profitabilnih poduzeća pojavile su se jedan za drugim. U 2018. godini pojavile su se velike tvornice biljaka s dnevnim proizvodnim kapacitetom od 50 000 do 100 000 postrojenja, a globalne tvornice biljaka razvijale su se prema velikom, profesionalnom i inteligentnom razvoju. Istodobno, Tokio Electric Power, Okinawa Electric Power i druga polja počeli su ulagati u tvornice biljaka. Godine 2020. tržišni udio salate proizvedene od japanskih tvornica biljaka činit će oko 10% cjelokupnog tržišta salate. Među više od 250 tvornica biljaka u umjetnom svjetlu koja trenutno djeluje, 20% je u fazi stvaranja gubitka, 50% je na razini probijanja, a 30% je u profitabilnoj fazi, uključujući kultivirane biljne vrste poput Salata, bilje i sadnice.

Nizozemska je lider u stvarnom svijetu u području kombinirane tehnologije primjene solarnog svjetla i umjetnog svjetla za tvornicu biljaka, s visokim stupnjem mehanizacije, automatizacije, inteligencije i bespilotne letjelice, a sada je izvela cijeli set tehnologija i opreme kao jake Proizvodi na Bliskom Istoku, Africi, Kini i drugim zemljama. American Aerofarms Farm nalazi se u Newarku, New Jersey, SAD, s površinom od 6500 m2. Uglavnom uzgaja povrće i začine, a izlaz je oko 900 t/godišnje.

Okomito uzgoj u aerofarms

Okomita tvornica postrojenja za poljoprivredu u Sjedinjenim Državama prihvaća LED rasvjetu i vertikalni okvir za sadnju s visinom od 6 m. Biljke rastu sa strana plantaža. Oslanjajući se na gravitacijsko zalijevanje, ova metoda sadnje ne zahtijeva dodatne pumpe i učinkovitija je od konvencionalne poljoprivrede. Mnogo tvrdi da njegova farma proizvodi 350 puta više od konvencionalne farme, dok koristi samo 1% vode.

Tvornica poljoprivrednih postrojenja, obilno poduzeće

2.2 Statusna tvornička industrija u Kini

2009. godine, prva tvornica postrojenja za proizvodnju u Kini s inteligentnom kontrolom, jer je jezgra sagrađena i stavljena u rad u poljoprivrednom parku Changchun. Područje zgrade je 200 m2, a čimbenici okoliša kao što su temperatura, vlaga, svjetlost, CO2 i koncentracija otopine hranjivih tvari u tvornici biljaka mogu se automatski nadzirati u stvarnom vremenu kako bi se realiziralo inteligentno upravljanje.

U 2010. godini tvornica biljaka Tongzhou izgrađena u Pekingu. Glavna struktura prihvaća jednoslojnu svjetlosnu čeličnu konstrukciju s ukupnom građevinskom površinom od 1289 m2. Oblikovan je poput nosača zrakoplova, što simbolizira kinesku poljoprivredu koja je preuzela glavnu ulogu u postavljanju najnaprednije tehnologije moderne poljoprivrede. Razvijena je automatska oprema za neke operacije proizvode lisnatog povrća, što je poboljšalo razinu automatizacije proizvodnje i učinkovitost proizvodnje tvornice biljaka. Tvornica postrojenja prihvaća sustav toplinske pumpe za zemlju i sustav za proizvodnju solarne energije, koji bolje rješava problem visokih operativnih troškova za tvornicu biljaka.

Unutar i izvana pogled na tvornicu biljaka Tongzhou

U 2013. godini, mnoge tvrtke za poljoprivrednu tehnologiju osnovane su u poljoprivrednoj zoni visokotehnološkog visokog tehnologije, provincija Shaanxi. Većina tvorničkih projekata u izgradnji i radu nalazi se u poljoprivrednim demonstracijskim parkovima visokotehnološke tehnologije, koji se uglavnom koriste za popularne demonstracije znanosti i razgledavanje slobodnog vremena. Zbog njihovih funkcionalnih ograničenja, ove popularne tvornice znanstvenih biljaka teško je postići visoku prinos i visoku učinkovitost potrebnu industrijalizaciju, a bit će im teško postati glavni oblik industrijalizacije u budućnosti.

U 2015. godini, glavni vođeni proizvođač čipova u Kini surađivao je s Institutom za botaniku Kineske akademije znanosti kako bi zajedno pokrenuo uspostavu tvrtke tvornice tvornice. Prešao je od optoelektronske industrije u „fotobiološku“ industriju i postao je presedan kineskim proizvođačima LED -a da ulagaju u izgradnju tvornica biljaka u industrijalizaciju. Njegova tvornica postrojenja posvećena je ulasku industrijskih ulaganja u novu fotobiologiju koja integrira znanstvena istraživanja, proizvodnju, demonstraciju, inkubaciju i druge funkcije, s registriranim kapitalom od 100 milijuna juana. U lipnju 2016., ova tvornica postrojenja s 3-kata zgradom koja je pokrivala površinu od 3000 m2, a područje uzgoja veće od 10 000 m2 dovršena je i stavljena u rad. Do svibnja 2017. ljestvica dnevne proizvodnje bit će 1.500 kg lisnatog povrća, što je jednaka 15.000 biljaka salate dnevno.

Pogledi na ovu tvrtku

3. Problemi i suprotne mjere s kojima se suočava razvoj tvornica biljaka

3.1 Problemi

3.1.1 visoki troškovi gradnje

Tvornice biljaka moraju proizvoditi usjeve u zatvorenom okruženju. Stoga je potrebno izgraditi potporne projekte i opremu, uključujući vanjske strukture održavanja, klimatizacijske sustave, izvore umjetnih svjetala, višeslojne sustave za uzgoj, cirkulaciju rješenja hranjivih tvari i upravljanje računalom. Trošak izgradnje je relativno visok.

3.1.2 visoki troškovi rada

Većina izvora svjetlosti koje zahtijevaju tvornice biljaka potječu iz LED svjetla, koji troše puno električne energije, istovremeno pružajući odgovarajuće spektar za rast različitih usjeva. Oprema poput klima uređaja, ventilacije i vodenih pumpi u proizvodnom procesu tvornica bilja također troši električnu energiju, tako da su računi za električnu energiju ogroman trošak. Prema statistikama, među troškovima proizvodnje tvornica postrojenja, troškovi električne energije čine 29%, a troškovi rada čine 26%, amortizacija fiksne imovine čini 23%, pakiranje i prijevoz čine 12%, a proizvodni materijali čine 10%.

Propadanje troškova proizvodnje za tvornicu biljaka

3.1.3 Niska razina automatizacije

Trenutno primijenjena tvornica postrojenja ima nisku razinu automatizacije, a procesi poput sadnica, presađivanja, sadnje na terenu i berbe i dalje zahtijevaju ručne operacije, što rezultira visokim troškovima rada.

3.1.4 Ograničene sorte usjeva koje se mogu uzgajati

Trenutno su vrste usjeva pogodnih za tvornice biljaka vrlo ograničene, uglavnom zeleno lisnato povrće koje brzo rastu, lako prihvaćaju umjetne izvore svjetlosti i imaju nisku nadstrešnicu. Sadnja velika razmjera ne može se provesti za složene zahtjeve sadnje (poput usjeva koje je potrebno oprašiti itd.).

3.2. Strategija razvoja

S obzirom na probleme s kojima se suočava industrija tvornice biljaka, potrebno je provesti istraživanja iz različitih aspekata poput tehnologije i rada. Kao odgovor na trenutne probleme, protumjere su sljedeće.

(1) Ojačati istraživanje inteligentne tehnologije tvornica biljaka i poboljšati razinu intenzivnog i rafiniranog upravljanja. Razvoj inteligentnog sustava upravljanja i kontrole pomaže u postizanju intenzivnog i rafiniranog upravljanja tvornicama biljaka, što može u velikoj mjeri smanjiti troškove rada i uštedjeti rad.

(2) Razviti intenzivnu i učinkovitu tehničku opremu tvornice postrojenja za postizanje godišnje visokokvalitetne i visoke prinose. Razvoj postrojenja za uzgoj visoke učinkovitosti i opreme, tehnologije rasvjete i opreme za uštedu energije, itd. Za poboljšanje inteligentne razine tvornica biljaka pogoduje realizaciji godišnje proizvodnje visoke učinkovitosti.

(3) Provedite istraživanje tehnologije industrijskog uzgoja za biljke s visokom vrijednošću kao što su ljekovita biljaka, zdravstvene biljke i rijetko povrće, povećajte vrste kultura koje se uzgajaju u tvornicama biljaka, proširite kanale profita i poboljšati polazište profita .

(4) Provesti istraživanje tvornica biljaka za kućanstvo i komercijalnu upotrebu, obogatiti vrste tvornica biljaka i postići kontinuiranu profitabilnost s različitim funkcijama.

4. Trend razvoja i perspektiva tvornice biljaka

4.1 Trend razvoja tehnologije

4.1.1 Intelektualizacija u potpunom procesu

Na temelju mehanizma za sprečavanje fuzije i gubitaka u sustavu usjeva, brzo brzine fleksibilnih i nerazorskih efektora za sadnju i berbu, raspoređeni višedimenzionalni prostor Točni pozicioniranje i multi-modalne više-mahinske meteonske metode upravljanja, i bespilotna, učinkovita i nerazorna sjetva u visokim tvornicama biljaka-inteligentni roboti i potporna oprema, poput savijanja saviještavanja stvoreno, shvaćajući na taj način bespilotni rad cijelog procesa.

4.1.2 Učinite kontrolu proizvodnje pametnijim

Na temelju mehanizma odgovora rasta i razvoja usjeva na svjetlo zračenja, temperature, vlage, koncentracije CO2, koncentracije hranjivih tvari u hranjivim otopini i EC-u, treba konstruirati kvantitativni model povratnih informacija o okolišu usjeva. Strateški model temeljnog mora biti utvrđen kako bi se dinamički analizirao parametre lisnatog života i proizvodnog okruženja. Također bi se trebao utvrditi internetska dijagnoza dinamičke identifikacije i sustav kontrole procesa u okolišu. Treba stvoriti višestruki sustav suradničke umjetne inteligencije za cjelokupni proizvodni proces vertikalne poljoprivredne tvornice visokog volumena.

4.1.3 Proizvodnja niskog ugljika i ušteda energije

Uspostavljanje sustava upravljanja energijom koji koristi obnovljive izvore energije kao što su solarni i vjetar za dovršavanje prijenosa energije i kontrolu potrošnje energije kako bi se postigli optimalni ciljevi upravljanja energijom. Uzimanje i ponovno korištenje emisija CO2 za pomoć u proizvodnji usjeva.

4.1.3 visoka vrijednost premium sorti

Izvedive strategije trebaju se poduzeti za uzgoj različitih sorti s dodanom vrijednošću za sadnju eksperimenata, izgradnju baze podataka stručnjaka za tehnologiju kultivacije, provođenje istraživanja o tehnologiji uzgoja, odabira gustoće, aranžmana stabljike, raznolikosti i prilagodljivosti opreme i formiranja standardnih tehničkih specifikacija uzgoja.

4.2 Izgledi za razvoj industrije

Tvornice biljaka mogu se riješiti ograničenja resursa i okoliša, ostvariti industrijaliziranu proizvodnju poljoprivrede i privući novu generaciju radne snage da bi se uključila u poljoprivrednu proizvodnju. Ključna tehnološka inovacija i industrijalizacija kineskih tvornica biljaka postaju svjetski lider. Uz ubrzanu primjenu izvora LED svjetla, digitalizacije, automatizacije i inteligentnih tehnologija u području tvornica biljaka, tvornice biljaka privući će više kapitalnih ulaganja, prikupljanja talenta i upotrebu novih energija, novih materijala i nove opreme. Na taj se način može realizirati detaljna integracija informacijske tehnologije i objekata i opreme, može se poboljšati inteligentna i bespilotna razina objekata i opreme, kontinuirano smanjenje potrošnje energije sustava i operativnih troškova kontinuiranim inovacijama i postupnim Uzgoj specijaliziranih tržišta, inteligentne tvornice biljaka uvest će zlatno razdoblje razvoja.

Prema izvješćima o istraživanju tržišta, veličina globalnog vertikalnog poljoprivrednog tržišta 2020. godine iznosi samo 2,9 milijardi USD, a očekuje se da će do 2025. godine veličina globalnog vertikalnog poljoprivrednog tržišta doseći 30 milijardi USD. Ukratko, tvornice biljaka imaju široke izglede za primjenu i razvojni prostor.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong itd

Podaci o citatu:Trenutna situacija i izgledi za razvoj tvornice biljke [J]. Tehnologija poljoprivrednog inženjerstva, 2022, 42 (1): 18-23.Autor Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.