Sažetak: Posljednjih godina, s kontinuiranim istraživanjem moderne poljoprivredne tehnologije, industrija tvornica biljaka također se brzo razvija. Ovaj rad predstavlja status quo, postojeće probleme i razvojne protumjere tehnologije tvornica biljaka i razvoja industrije te se raduje trendu razvoja i izgledima tvornica biljaka u budućnosti.

1. Trenutno stanje razvoja tehnologije u tvornicama biljaka u Kini i inozemstvu

1.1 Status quo razvoja strane tehnologije

Od 21. stoljeća, istraživanje tvornica biljaka uglavnom se usredotočuje na poboljšanje svjetlosne učinkovitosti, stvaranje višeslojne trodimenzionalne opreme za sustave uzgoja te istraživanje i razvoj inteligentnog upravljanja i kontrole. U 21. stoljeću, inovacija poljoprivrednih LED izvora svjetlosti napredovala je, pružajući važnu tehničku podršku za primjenu LED energetski učinkovitih izvora svjetlosti u tvornicama biljaka. Sveučilište Chiba u Japanu napravilo je niz inovacija u visokoučinkovitim izvorima svjetlosti, energetski učinkovitoj kontroli okoliša i tehnikama uzgoja. Sveučilište Wageningen u Nizozemskoj koristi simulaciju usjeva i okoliša te tehnologiju dinamičke optimizacije za razvoj inteligentnog sustava opreme za tvornice biljaka, što uvelike smanjuje operativne troškove i značajno poboljšava produktivnost rada.

Posljednjih godina, tvornice biljaka postupno su ostvarile poluautomatizaciju proizvodnih procesa od sjetve, uzgoja sadnica, presađivanja i žetve. Japan, Nizozemska i Sjedinjene Države prednjače, s visokim stupnjem mehanizacije, automatizacije i inteligencije, te se razvijaju u smjeru vertikalne poljoprivrede i bespilotnog rada.

1.2 Status tehnološkog razvoja u Kini

1.2.1 Specijalizirani LED izvor svjetlosti i oprema za uštedu energije za umjetnu rasvjetu u tvornici postrojenja

Posebni crveni i plavi LED izvori svjetlosti za proizvodnju različitih biljnih vrsta u tvornicama biljaka razvijani su jedan za drugim. Snaga se kreće od 30 do 300 W, a intenzitet ozračene svjetlosti je od 80 do 500 μmol/(m2•s), što može osigurati intenzitet svjetlosti s odgovarajućim rasponom praga, parametrima kvalitete svjetlosti, kako bi se postigao učinak visokoučinkovite uštede energije i prilagodio potrebama rasta biljaka i osvjetljenja. Što se tiče upravljanja odvođenjem topline izvora svjetlosti, uveden je dizajn aktivnog odvođenja topline ventilatora izvora svjetlosti, što smanjuje brzinu raspada svjetlosti izvora svjetlosti i osigurava vijek trajanja izvora svjetlosti. Osim toga, predložena je metoda za smanjenje topline LED izvora svjetlosti cirkulacijom hranjive otopine ili vode. Što se tiče upravljanja prostorom izvora svjetlosti, prema zakonu evolucije veličine biljke u fazi sadnice i kasnijoj fazi, upravljanjem vertikalnim kretanjem LED izvora svjetlosti u prostoru, krošnja biljke može se osvijetliti iz neposredne blizine i postići cilj uštede energije. Trenutno, potrošnja energije umjetne rasvjete u tvornicama može činiti 50% do 60% ukupne operativne potrošnje energije u tvornicama. Iako LED rasvjeta može uštedjeti 50% energije u usporedbi s fluorescentnim žaruljama, još uvijek postoji potencijal i potreba za istraživanjem uštede energije i smanjenja potrošnje.

1.2.2 Višeslojna trodimenzionalna tehnologija i oprema za uzgoj

Razmak slojeva višeslojnog trodimenzionalnog uzgoja smanjuje se jer LED zamjenjuje fluorescentnu lampu, što poboljšava učinkovitost iskorištenja trodimenzionalnog prostora uzgoja biljaka. Postoje mnoge studije o dizajnu dna gredice za uzgoj. Podignute pruge dizajnirane su za stvaranje turbulentnog protoka, što može pomoći korijenju biljaka da ravnomjerno apsorbiraju hranjive tvari u hranjivoj otopini i povećaju koncentraciju otopljenog kisika. Korištenjem kolonizacijske ploče postoje dvije metode kolonizacije, a to su plastične kolonizacijske čašice različitih veličina ili način kolonizacije spužvom po obodu. Pojavio se klizni sustav gredice za uzgoj, a ploča za sadnju i biljke na njoj mogu se ručno gurati s jednog kraja na drugi, ostvarujući način proizvodnje sadnje na jednom kraju gredice za uzgoj i berbe na drugom kraju. Trenutno je razvijen niz tehnologija i opreme za trodimenzionalni višeslojni uzgoj bez tla temeljenih na tehnologiji tekućeg filma hranjivih tvari i tehnologiji dubokog protoka tekućine, a pojavila se i tehnologija i oprema za uzgoj jagoda u supstratu, aerosolni uzgoj lisnatog povrća i cvijeća. Spomenuta tehnologija se brzo razvila.

1.2.3 Tehnologija i oprema za cirkulaciju hranjivih otopina

Nakon što se hranjiva otopina koristi određeno vrijeme, potrebno je dodati vodu i mineralne elemente. Općenito, količina novo pripremljene hranjive otopine i količina kiselo-bazne otopine određuju se mjerenjem elektrokondenzacijske vrijednosti (EC) i pH vrijednosti. Velike čestice sedimenta ili korijenskih eksfolijacija u hranjivoj otopini potrebno je ukloniti filterom. Korijenski eksudati u hranjivoj otopini mogu se ukloniti fotokatalitičkim metodama kako bi se izbjegle stalne prepreke u uzgoju u hidroponici, ali postoje određeni rizici u dostupnosti hranjivih tvari.

1.2.4 Tehnologija i oprema za kontrolu okoliša

Čistoća zraka proizvodnog prostora jedan je od važnih pokazatelja kvalitete zraka u tvornici. Čistoća zraka (pokazatelji suspendiranih čestica i istaloženih bakterija) u proizvodnom prostoru tvornice u dinamičkim uvjetima treba se kontrolirati na razini iznad 100.000. Dezinfekcija materijala, tretman dolaznog osoblja tušem i sustav za pročišćavanje zraka za cirkulaciju svježeg zraka (sustav za filtriranje zraka) osnovne su zaštitne mjere. Temperatura i vlažnost, koncentracija CO2 i brzina protoka zraka u proizvodnom prostoru još su jedan važan sadržaj kontrole kvalitete zraka. Prema izvješćima, postavljanje opreme kao što su kutije za miješanje zraka, zračni kanali, ulazi i izlazi za zrak mogu ravnomjerno kontrolirati temperaturu i vlažnost, koncentraciju CO2 i brzinu protoka zraka u proizvodnom prostoru, kako bi se postigla visoka prostorna ujednačenost i zadovoljile potrebe tvornice na različitim prostornim lokacijama. Sustav za kontrolu temperature, vlažnosti i koncentracije CO2 te sustav svježeg zraka organski su integrirani u sustav cirkulacije zraka. Tri sustava moraju dijeliti zračni kanal, ulaz i izlaz za zrak te osigurati napajanje putem ventilatora kako bi se ostvarila cirkulacija protoka zraka, filtracija i dezinfekcija te ažuriranje i ujednačenost kvalitete zraka. Osigurava da je proizvodnja biljaka u tvornici bez štetnika i bolesti te da nije potrebna primjena pesticida. Istovremeno, zajamčena je ujednačenost temperature, vlažnosti, protoka zraka i koncentracije CO2 elemenata okoliša za rast u krošnji kako bi se zadovoljile potrebe rasta biljaka.

2. Status razvoja industrije tvornica biljaka

2.1 Status quo strane industrije tvornica biljaka

U Japanu su istraživanje, razvoj i industrijalizacija tvornica umjetne rasvjete relativno brzi i na vodećoj su razini. Japanska vlada je 2010. godine pokrenula 50 milijardi jena za potporu tehnološkom istraživanju i razvoju te industrijskim demonstracijama. Sudjelovalo je osam institucija, uključujući Sveučilište Chiba i Japansko udruženje za istraživanje tvornica biljaka. Japan Future Company poduzela je i vodila prvi demonstracijski projekt industrijalizacije tvornice biljaka s dnevnom proizvodnjom od 3000 biljaka. 2012. godine proizvodni trošak tvornice biljaka iznosio je 700 jena/kg. 2014. godine dovršena je moderna tvornica u dvorcu Taga u prefekturi Miyagi, čime je postala prva svjetska tvornica LED biljaka s dnevnom proizvodnjom od 10 000 biljaka. Od 2016. godine tvornice LED biljaka ušle su u brzu traku industrijalizacije u Japanu, a poduzeća koja dosežu rentabilnost ili su profitabilna poduzeća pojavljivala su se jedno za drugim. U 2018. godini, velike tvornice biljaka s dnevnim proizvodnim kapacitetom od 50.000 do 100.000 biljaka pojavljivale su se jedna za drugom, a globalne tvornice biljaka razvijale su se prema velikom, profesionalnom i inteligentnom razvoju. Istovremeno, Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power i druga područja počela su ulagati u tvornice biljaka. U 2020. godini tržišni udio salate koju proizvode japanske tvornice biljaka činit će oko 10% ukupnog tržišta salate. Među više od 250 tvornica biljaka s umjetnom rasvjetom koje trenutno rade, 20% je u fazi gubitka, 50% je na razini rentabilnosti, a 30% je u fazi profitabilnosti, uključujući kultivirane biljne vrste poput salate, začinskog bilja i sadnica.

Nizozemska je pravi svjetski lider u području kombinirane tehnologije primjene solarne i umjetne rasvjete za tvornice biljaka, s visokim stupnjem mehanizacije, automatizacije, inteligencije i bespilotnog rada, te je sada izvezla cijeli niz tehnologija i opreme kao snažne proizvode na Bliski istok, u Afriku, Kinu i druge zemlje. Farma American AeroFarms nalazi se u Newarku, New Jersey, SAD, s površinom od 6500 m2. Uglavnom uzgaja povrće i začine, a proizvodnja je oko 900 t/godišnje.

Vertikalna poljoprivreda u AeroFarms

Tvornica vertikalnih biljaka tvrtke Plenty u Sjedinjenim Državama koristi LED rasvjetu i vertikalni okvir za sadnju visine 6 m. Biljke rastu sa strane žardinjera. Oslanjajući se na gravitacijsko zalijevanje, ova metoda sadnje ne zahtijeva dodatne pumpe i učinkovitija je u potrošnji vode od konvencionalne poljoprivrede. Plenty tvrdi da njegova farma proizvodi 350 puta više od konvencionalne farme, a pritom koristi samo 1% vode.

Tvornica vertikalnih poljoprivrednih biljaka, Plenty Company

2.2 Status fabrike biljaka u Kini

Godine 2009. u parku poljoprivrednog sajma Changchun izgrađena je i puštena u rad prva tvornica proizvodnih pogona u Kini s inteligentnim upravljanjem kao jezgrom. Površina zgrade je 200 m2, a čimbenici okoliša poput temperature, vlažnosti, svjetlosti, CO2 i koncentracije hranjive otopine u tvornici mogu se automatski pratiti u stvarnom vremenu kako bi se ostvarilo inteligentno upravljanje.

Godine 2010. u Pekingu je izgrađena tvornica biljaka Tongzhou. Glavna konstrukcija izrađena je od jednoslojne lagane čelične konstrukcije ukupne površine 1289 m2. Oblikovana je poput nosača zrakoplova, što simbolizira kinesku poljoprivredu koja preuzima vodstvo u iskorištavanju najnaprednije tehnologije moderne poljoprivrede. Razvijena je automatska oprema za neke operacije proizvodnje lisnatog povrća, što je poboljšalo razinu automatizacije proizvodnje i učinkovitost proizvodnje tvornice biljaka. Tvornica biljaka koristi sustav toplinskih pumpi iz zemlje i sustav za proizvodnju solarne energije, što bolje rješava problem visokih operativnih troškova tvornice.

Pogled iznutra i izvana na tvornicu biljaka Tongzhou

U 2013. godini u demonstracijskoj zoni visoke tehnologije u poljoprivredi Yangling u provinciji Shaanxi osnovano je mnogo tvrtki za poljoprivrednu tehnologiju. Većina projekata tvornica biljaka u izgradnji i radu nalazi se u demonstracijskim parkovima visoke tehnologije u poljoprivredi, koji se uglavnom koriste za demonstracije popularne znanosti i razgledavanje znamenitosti u slobodno vrijeme. Zbog svojih funkcionalnih ograničenja, ovim tvornicama biljaka popularne znanosti teško je postići visoki prinos i visoku učinkovitost koju zahtijeva industrijalizacija, te će im biti teško postati glavni oblik industrijalizacije u budućnosti.

Godine 2015., veliki proizvođač LED čipova u Kini surađivao je s Institutom za botaniku Kineske akademije znanosti kako bi zajednički pokrenuli osnivanje tvrtke za tvornicu biljaka. Prešla je iz optoelektroničke industrije u „fotobiološku“ industriju i postala presedan za kineske proizvođače LED dioda da ulažu u izgradnju tvornica biljaka u industrijalizaciji. Njihova tvornica biljaka posvećena je industrijskim ulaganjima u novu fotobiologiju, koja integrira znanstvena istraživanja, proizvodnju, demonstracije, inkubaciju i druge funkcije, s registriranim kapitalom od 100 milijuna juana. U lipnju 2016. ova tvornica biljaka s trokatnom zgradom površine 3000 m2 i površinom za uzgoj većom od 10 000 m2 dovršena je i puštena u rad. Do svibnja 2017. dnevna proizvodnja iznosit će 1500 kg lisnatog povrća, što je ekvivalentno 15 000 biljaka salate dnevno.

Stavovi o ovoj tvrtki

3. Problemi i protumjere 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 prateće projekte i opremu, uključujući vanjske konstrukcije za održavanje, sustave klimatizacije, umjetne izvore svjetlosti, višeslojne sustave uzgoja, cirkulaciju hranjivih otopina i računalne upravljačke sustave. Troškovi izgradnje su relativno visoki.

3.1.2 Visoki operativni troškovi

Većina izvora svjetlosti potrebnih tvornicama biljaka dolaze od LED svjetala, koja troše puno električne energije, a istovremeno osiguravaju odgovarajući spektar za rast različitih usjeva. Oprema poput klima uređaja, ventilacije i vodenih pumpi u proizvodnom procesu tvornica biljaka također troši električnu energiju, pa su računi za struju ogroman trošak. Prema statistikama, među proizvodnim troškovima tvornica biljaka, troškovi električne energije čine 29%, troškovi rada 26%, amortizacija osnovnih sredstava 23%, pakiranje i transport 12%, a proizvodni materijali 10%.

Raspodjela troškova proizvodnje za tvornicu biljaka

3.1.3 Niska razina automatizacije

Trenutno korištena tvornica biljaka ima nisku razinu automatizacije, a procesi poput sadnje, presađivanja, sadnje na polju i žetve i dalje zahtijevaju ručne operacije, što rezultira visokim troškovima rada.

3.1.4 Ograničene vrste usjeva koje se mogu uzgajati

Trenutno su vrste usjeva pogodnih za tvornice biljaka vrlo ograničene, uglavnom zeleno lisnato povrće koje brzo raste, lako prihvaća umjetne izvore svjetlosti i ima nisku krošnju. Sadnja velikih razmjera ne može se provoditi zbog složenih zahtjeva sadnje (kao što su usjevi koji se trebaju oprašivati ​​itd.).

3.2 Strategija razvoja

S obzirom na probleme s kojima se suočava industrija tvornica biljaka, potrebno je provesti istraživanje s različitih aspekata, kao što su tehnologija i rad. Kao odgovor na trenutne probleme, protumjere su sljedeće.

(1) Jačanje istraživanja inteligentne tehnologije tvornica biljaka i poboljšanje razine intenzivnog i profinjenog upravljanja. Razvoj inteligentnog sustava upravljanja i kontrole pomaže u postizanju intenzivnog i profinjenog upravljanja tvornicama biljaka, što može uvelike smanjiti troškove rada i uštedjeti radnu snagu.

(2) Razviti intenzivnu i učinkovitu tehničku opremu tvornica biljaka kako bi se postigla visoka godišnja kvaliteta i visoki prinos. Razvoj visokoučinkovitih objekata i opreme za uzgoj, energetski štedljive tehnologije i opreme za rasvjetu itd., radi poboljšanja inteligentne razine tvornica biljaka, pogoduje ostvarivanju visokoučinkovite godišnje proizvodnje.

(3) Provesti istraživanje o tehnologiji industrijskog uzgoja biljaka s visokom dodanom vrijednošću kao što su ljekovito bilje, biljke za zdravstvenu njegu i rijetko povrće, povećati vrste usjeva koji se uzgajaju u tvornicama bilja, proširiti kanale profita i poboljšati početnu točku profita.

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

4. Trend razvoja i perspektive tvornice biljaka

4.1 Trend razvoja tehnologije

4.1.1 Intelektualizacija cijelog procesa

Na temelju mehanizma strojne fuzije i sprječavanja gubitaka sustava usjeva i robota, trebali bi se stvoriti brzi fleksibilni i nerazorni krajnji efektori za sadnju i žetvu, distribuirane višedimenzionalne prostorno točne metode pozicioniranja i multimodalne metode višestrojne kolaborativne kontrole te bespilotna, učinkovita i nerazorna sjetva u visokim tvornicama biljaka - inteligentni roboti i prateća oprema poput sadnje-žetve-pakiranja, čime bi se ostvario bespilotni rad cijelog procesa.

4.1.2 Učinite kontrolu proizvodnje pametnijom

Na temelju mehanizma odgovora rasta i razvoja usjeva na svjetlosno zračenje, temperaturu, vlažnost, koncentraciju CO2, koncentraciju hranjivih tvari u otopini hranjivih tvari i elektrokondenzaciju (EC), treba konstruirati kvantitativni model povratne informacije o odnosu usjeva i okoliša. Treba uspostaviti strateški osnovni model za dinamičku analizu informacija o životu lisnatog povrća i parametara proizvodnog okoliša. Također treba uspostaviti online sustav dinamičke identifikacije, dijagnoze i upravljanja procesima u okolišu. Treba stvoriti višestručni kolaborativni sustav donošenja odluka s umjetnom inteligencijom za cijeli proizvodni proces vertikalne poljoprivredne tvornice velikog volumena.

4.1.3 Proizvodnja s niskim udjelom ugljika i ušteda energije

Uspostavljanje sustava upravljanja energijom koji koristi obnovljive izvore energije poput solarne i vjetroelektrane za dovršetak prijenosa energije i kontrolu potrošnje energije radi postizanja optimalnih ciljeva upravljanja energijom. Hvatanje i ponovna upotreba emisija CO2 za pomoć u proizvodnji usjeva.

4.1.3 Visoka vrijednost premium sorti

Trebalo bi poduzeti izvedive strategije za uzgoj različitih sorti visoke dodane vrijednosti za pokuse sadnje, izgraditi bazu podataka stručnjaka za tehnologiju uzgoja, provesti istraživanje o tehnologiji uzgoja, odabiru gustoće, rasporedu strništa, prilagodljivosti sorti i opreme te formirati standardne tehničke specifikacije uzgoja.

4.2 Izgledi za razvoj industrije

Tvornice biljaka mogu se riješiti ograničenja resursa i okoliša, ostvariti industrijaliziranu poljoprivrednu proizvodnju i privući novu generaciju radne snage da se bavi poljoprivrednom proizvodnjom. Ključna tehnološka inovacija i industrijalizacija kineskih tvornica biljaka postaju svjetski lider. S ubrzanom primjenom LED izvora svjetlosti, digitalizacijom, automatizacijom i inteligentnim tehnologijama u području tvornica biljaka, tvornice biljaka privući će više kapitalnih ulaganja, okupljanje talenata i korištenje više nove energije, novih materijala i nove opreme. Na taj način može se ostvariti dubinska integracija informacijske tehnologije i objekata i opreme, poboljšati inteligentna i bespilotna razina objekata i opreme, kontinuirano smanjenje potrošnje energije sustava i operativnih troškova kroz kontinuirane inovacije i postupno kultiviranje specijaliziranih tržišta, inteligentne tvornice biljaka uvest će u zlatno razdoblje razvoja.

Prema izvješćima o istraživanju tržišta, veličina globalnog tržišta vertikalne poljoprivrede u 2020. godini iznosila je samo 2,9 milijardi američkih dolara, a očekuje se da će do 2025. godine veličina globalnog tržišta vertikalne poljoprivrede doseći 30 milijardi američkih dolara. Ukratko, tvornice biljaka imaju široke mogućnosti primjene i prostor za razvoj.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong, itd

Podaci o citiranju:Trenutno stanje i perspektive razvoja industrije tvornica bilja [J]. Poljoprivredna inženjerska tehnologija, 2022, 42(1): 18-23.Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.