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

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

1.1 Status quo razvoja strane tehnologije

Od 21. stoljeća, istraživanje tvornica biljaka uglavnom je usredotočeno na poboljšanje svjetlosne učinkovitosti, stvaranje višeslojne opreme trodimenzionalnog sustava uzgoja te istraživanje i razvoj inteligentnog upravljanja i kontrole. U 21. stoljeću napredovala je inovacija poljoprivrednih LED izvora svjetla, pružajući važnu tehničku podršku za primjenu LED izvora štede energije u tvornicama. Sveučilište Chiba u Japanu napravilo je brojne inovacije u visokoučinkovitim izvorima svjetlosti, kontroli okoliša koja štedi energiju i tehnikama uzgoja. Sveučilište Wageningen u Nizozemskoj koristi tehnologiju simulacije usjeva i okoliša i dinamičke optimizacije za razvoj inteligentnog sustava opreme za tvornice biljaka, koji uvelike smanjuje operativne troškove i značajno poboljšava produktivnost rada.

Posljednjih godina tvornice biljaka postupno ostvaruju poluautomatizaciju proizvodnih procesa od sjetve, uzgoja rasada, presađivanja i berbe. Japan, Nizozemska i SAD prednjače, s visokim stupnjem mehanizacije, automatizacije i inteligencije, a razvijaju se u smjeru vertikalne poljoprivrede i rada bez posade.

1.2 Status tehnološkog razvoja u Kini

1.2.1 Specijalizirani LED izvor svjetlosti i tehnološka oprema za uštedu energije za umjetno svjetlo u tvornici

Jedan za drugim razvijeni su posebni crveni i plavi LED izvori svjetla za proizvodnju raznih biljnih vrsta u tvornicama. Snaga je u rasponu od 30 do 300 W, a intenzitet svjetlosti zračenja 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 visoke učinkovitosti uštedu energije i prilagodbu potrebama rasta i rasvjete biljaka. Što se tiče upravljanja disipacijom topline izvora svjetlosti, uveden je dizajn aktivne disipacije topline ventilatora izvora svjetlosti, koji smanjuje stopu raspadanja svjetlosti izvora svjetlosti i osigurava vijek trajanja izvora svjetlosti. Dodatno, predložena je metoda za smanjenje topline LED izvora svjetlosti kroz hranjivu otopinu ili cirkulaciju vode. Što se tiče upravljanja prostorom izvora svjetlosti, prema zakonu evolucije veličine biljke u fazi sadnice i kasnijoj fazi, kroz vertikalno upravljanje prostorom LED izvora svjetlosti, krošnje biljaka mogu se osvijetliti na maloj udaljenosti, a cilj uštede energije je postignuto. Trenutačno potrošnja energije izvora svjetla tvornice umjetnog svjetla može iznositi 50% do 60% ukupne radne potrošnje energije tvornice. Iako LED može uštedjeti 50% energije u usporedbi s fluorescentnim svjetiljkama, još uvijek postoji potencijal i potreba za istraživanjem uštede energije i smanjenja potrošnje.

1.2.2 Višeslojna trodimenzionalna tehnologija i oprema za uzgoj

Razmak između slojeva kod višeslojnog trodimenzionalnog uzgoja je smanjen jer LED zamjenjuje fluorescentnu svjetiljku, što poboljšava učinkovitost trodimenzionalnog korištenja prostora uzgoja biljaka. Postoje mnoge studije o dizajnu dna gredice za uzgoj. Izdignute pruge dizajnirane su za stvaranje turbulentnog protoka, što može pomoći korijenima biljaka da ravnomjerno apsorbiraju hranjive tvari u hranjivoj otopini i povećaju koncentraciju otopljenog kisika. Koristeći kolonizacijsku ploču, postoje dvije metode kolonizacije, odnosno plastične kolonizacijske čašice različitih veličina ili način kolonizacije spužvom. Pojavio se klizni sustav gredice za uzgoj, a daska za sadnju i biljke na njoj mogu se ručno gurati s jednog kraja na drugi, čime se ostvaruje proizvodni način sadnje na jednom kraju gredice za uzgoj i žetve na drugom kraju. Trenutačno je razvijen niz trodimenzionalnih višeslojnih tehnologija uzgoja bez tla i opreme koja se temelji na tehnologiji hranjivog tekućeg filma i tehnologiji dubokog protoka tekućine, te tehnologija i oprema za uzgoj jagoda na supstratu, aerosolni uzgoj lisnatog povrća i cvijeća su iznikli. Spomenuta tehnologija se brzo razvila.

1.2.3 Tehnologija i oprema za cirkulaciju hranjive otopine

Nakon što je hranjiva otopina korištena određeno vrijeme, potrebno je dodati vodu i mineralne elemente. Općenito, količina novopripremljene hranjive otopine i količina acidobazne otopine određuju se mjerenjem EC i pH. Velike čestice sedimenta ili pilinga korijena u hranjivoj otopini potrebno je ukloniti filtrom. Izlučevine korijena u hranjivoj otopini mogu se ukloniti fotokatalitičkim metodama kako bi se izbjegle neprestane prepreke 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 tvornice. Čistoću zraka (pokazatelji lebdećih čestica i naseljenih bakterija) u proizvodnom prostoru pogonske tvornice u dinamičkim uvjetima treba kontrolirati do razine iznad 100.000. Unos materijala za dezinfekciju, tretman zračnim tušem za dolazno osoblje i sustav za pročišćavanje zraka cirkulacijom svježeg zraka (sustav za filtriranje zraka) osnovne su zaštite. Temperatura i vlažnost, koncentracija CO2 i brzina strujanja 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 zraka 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 postrojenja na različitim prostornim lokacijama. Sustav kontrole temperature, vlažnosti i koncentracije CO2 te sustav svježeg zraka organski su integrirani u sustav cirkulacijskog zraka. Tri sustava trebaju dijeliti zračni kanal, ulaz i izlaz zraka te osigurati napajanje kroz ventilator kako bi se ostvarila cirkulacija protoka zraka, filtracija i dezinfekcija te ažuriranje i ujednačenost kvalitete zraka. Osigurava da je biljna proizvodnja u tvornici biljaka bez štetočina i bolesti te da nije potrebna primjena pesticida. U isto vrijeme, ujednačenost temperature, vlažnosti, protoka zraka i koncentracije CO2 elemenata okoliša za rast u krošnji zajamčeno zadovoljava potrebe rasta biljaka.

2. Status razvoja tvorničke industrije

2.1 Status quo inozemne tvorničke industrije

U Japanu su istraživanje i razvoj te industrijalizacija tvornica za proizvodnju 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 Japan Plant Factory Research Association. Japan Future Company poduzela je i vodila prvi demonstracijski projekt industrijalizacije tvornice postrojenja s dnevnom proizvodnjom od 3000 postrojenja. U 2012. proizvodni trošak tvornice bio je 700 jena/kg. Godine 2014. dovršena je moderna tvornička tvornica u dvorcu Taga, prefektura Miyagi, čime je postala prva svjetska tvornica LED postrojenja s dnevnom proizvodnjom od 10.000 biljaka. Od 2016. godine, tvornice LED postrojenja ušle su u brzu stazu industrijalizacije u Japanu, a poduzeća na pragu rentabilnosti ili profitabilna poduzeća pojavila su se jedno za drugim. Godine 2018. tvornice velikih postrojenja s dnevnim proizvodnim kapacitetom od 50.000 do 100.000 biljaka pojavile su se jedna za drugom, a globalne tvornice biljaka razvijale su se prema velikom, profesionalnom i inteligentnom razvoju. U isto vrijeme, Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power i druga polja počela su ulagati u tvornice. U 2020. tržišni udio zelene salate proizvedene u japanskim tvornicama biljaka iznosit će oko 10% ukupnog tržišta salate. Među više od 250 tvornica za proizvodnju umjetnog svjetla koje trenutno rade, 20% je u fazi gubitka, 50% je na razini rentabilnosti, a 30% je u profitabilnoj fazi, uključujući kultivirane biljne vrste kao što su salata, začinsko bilje i sadnice.

Nizozemska je pravi svjetski lider u području tehnologije kombinirane primjene solarne svjetlosti i umjetne svjetlosti za tvornice postrojenja, s visokim stupnjem mehanizacije, automatizacije, inteligencije i bez posade, a sada je izvezla cijeli set tehnologija i opreme kao jake proizvode na Bliski istok, Afriku, Kinu i druge zemlje. Farma American AeroFarms nalazi se u Newarku, New Jersey, SAD, na površini od 6500 m2. Pretežno se bavi uzgojem povrća i začina, a proizvodnja je oko 900 t/god.

Vertikalni uzgoj u AeroFarms

Tvornica vertikalnih poljoprivrednih biljaka tvrtke Plenty Company u Sjedinjenim Državama koristi LED rasvjetu i okomiti okvir za sadnju visine 6 m. Biljke rastu sa strane žardinjera. Oslanjajući se na gravitacijsko navodnjavanje, ova metoda sadnje ne zahtijeva dodatne pumpe i učinkovitija je u potrošnji vode od konvencionalnog uzgoja. Plenty tvrdi da njegova farma proizvodi 350 puta veću proizvodnju od konvencionalne farme, dok koristi samo 1% vode.

Tvornica vertikalnih poljoprivrednih biljaka, Plenty Company

2.2 Status tvorničke industrije u Kini

Godine 2009. u Changchun Agricultural Expo Parku izgrađena je i puštena u rad prva tvornica proizvodnog pogona u Kini s inteligentnim upravljanjem kao jezgrom. Površina zgrade je 200 m2, a čimbenici okoliša kao što su temperatura, vlažnost, svjetlost, CO2 i koncentracija hranjive otopine tvornice mogu se automatski pratiti u stvarnom vremenu kako bi se ostvarilo inteligentno upravljanje.

Godine 2010. izgrađena je tvornica Tongzhou Plant Factory u Pekingu. Glavna konstrukcija je jednoslojna laka čelična konstrukcija ukupne građevinske površine od 1289 m2. Oblikovana je poput nosača zrakoplova, simbolizirajući kinesku poljoprivredu koja preuzima vodstvo u isplovljavanju prema najnaprednijoj tehnologiji moderne poljoprivrede. Razvijena je automatska oprema za neke operacije proizvodnje lisnatog povrća, čime je poboljšana razina automatizacije proizvodnje i proizvodna učinkovitost tvornice biljaka. Tvornica postrojenja usvaja sustav toplinske pumpe s izvorom topline i solarni sustav za proizvodnju energije, što bolje rješava problem visokih operativnih troškova tvornice.

Unutrašnji i vanjski pogled na tvornicu Tongzhou Plant Factory

U 2013., mnoge poljoprivredne tehnološke tvrtke osnovane su u Yangling poljoprivrednoj visokotehnološkoj demonstracijskoj zoni, provinciji Shaanxi. Većina projekata tvornica biljaka u izgradnji i radu nalazi se u poljoprivrednim visokotehnološkim pokaznim parkovima, koji se uglavnom koriste za popularne znanstvene demonstracije i razgledavanje u slobodno vrijeme. Zbog svojih funkcionalnih ograničenja, ovim popularnoznanstvenim tvornicama biljaka teško je postići visoke prinose i visoku učinkovitost koje zahtijeva industrijalizacija, a bit će im 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 zajedno pokrenuli osnivanje tvrtke za proizvodnju biljaka. Prešla je iz optoelektroničke industrije u "fotobiološku" industriju i postala je presedan za kineske proizvođače LED dioda koji ulažu u izgradnju tvornica biljaka u industrijalizaciji. Njegova tvornica biljaka predana je industrijskom ulaganju u fotobiologiju u nastajanju, koja integrira znanstveno istraživanje, proizvodnju, demonstraciju, inkubaciju i druge funkcije, s registriranim kapitalom od 100 milijuna juana. U lipnju 2016. dovršena je i puštena u rad ova Tvornica bilja s trokatnom zgradom površine 3.000 m2 i uzgojnom površinom s više od 10.000 m2. Do svibnja 2017. dnevna će proizvodnja biti 1.500 kg lisnatog povrća, što odgovara 15.000 sadnica salate dnevno.

Pogledi ove tvrtke

3. Problemi i protumjere s kojima se suočava razvoj tvornica biljaka

3.1 Problemi

3.1.1 Visoki troškovi izgradnje

Tvornice biljaka trebaju proizvoditi usjeve u zatvorenom okruženju. Stoga je potrebno izgraditi prateće projekte i opremu uključujući vanjske strukture za održavanje, sustave klimatizacije, izvore umjetne svjetlosti, višeslojne sustave uzgoja, cirkulaciju hranjivih otopina i računalne upravljačke sustave. Cijena izgradnje je relativno visoka.

3.1.2 Visoki operativni troškovi

Većina izvora svjetlosti potrebnih tvornicama biljaka dolazi od LED svjetala, koja troše puno električne energije, a istovremeno pružaju odgovarajuće spektre za rast različitih usjeva. Oprema kao što su klima uređaji, ventilacija i pumpe za vodu u proizvodnom procesu tvornica također troše električnu energiju, tako da su računi za struju veliki trošak. Prema statistici, među proizvodnim troškovima tvornica postrojenja troškovi električne energije čine 29%, troškovi rada 26%, amortizacija dugotrajne imovine 23%, pakiranje i transport 12%, a materijali za proizvodnju 10%.

Raščlamba troškova proizvodnje za tvornicu postrojenja

3.1.3 Niska razina automatizacije

Tvornica biljaka koja se trenutno primjenjuje ima nisku razinu automatizacije, a procesi kao što su sadnja, presađivanje, sadnja u polju i žetva još uvijek zahtijevaju ručne radnje, što rezultira visokim troškovima rada.

3.1.4 Ograničene sorte usjeva koji se mogu uzgajati

Trenutačno su vrste usjeva pogodne 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 provesti za složene zahtjeve sadnje (kao što su usjevi koje je potrebno oprašiti itd.).

3.2 Strategija razvoja

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

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

(2) Razviti intenzivnu i učinkovitu tehničku opremu tvornice za postizanje godišnje visoke kvalitete i visokog prinosa. Razvoj visokoučinkovitih objekata i opreme za uzgoj, tehnologije i opreme za rasvjetu koja štedi energiju, itd., za poboljšanje inteligentne razine tvornica biljaka, pogoduje ostvarenju godišnje visokoučinkovite proizvodnje.

(3) Provesti istraživanje tehnologije industrijskog uzgoja biljaka visoke dodane vrijednosti kao što su ljekovito bilje, biljke za zdravstvenu zaštitu i rijetko povrće, povećati vrste usjeva koji se uzgajaju u tvornicama biljaka, proširiti kanale profita i poboljšati početnu točku 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 cijelog procesa

Na temelju spajanja strojne umjetnosti i mehanizma za sprječavanje gubitaka sustava usjev-robot, brzih fleksibilnih i nedestruktivnih krajnjih efektora sadnje i žetve, distribuiranog višedimenzionalnog svemirskog preciznog pozicioniranja i višemodalnih metoda suradnje s više strojeva, i bespilotna, učinkovita i nedestruktivna sjetva u tvornicama visokih postrojenja - Trebalo bi stvoriti inteligentne robote i prateću opremu kao što je sadnja-žetva-pakiranje, čime bi se ostvario rad cijelog procesa bez ljudske posade.

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 EC, treba konstruirati kvantitativni model povratne veze usjev-okoliš. Trebalo bi uspostaviti strateški temeljni model za dinamičku analizu podataka o životu lisnatog povrća i parametara proizvodnog okruženja. Trebalo bi također uspostaviti online dinamičku identifikacijsku dijagnozu i sustav kontrole procesa okoliša. Trebalo bi izraditi višestrojni kolaborativni sustav donošenja odluka umjetne inteligencije za cijeli proizvodni proces velike vertikalne poljoprivredne tvornice.

4.1.3 Proizvodnja s niskim udjelom ugljika i ušteda energije

Uspostavljanje sustava upravljanja energijom koji koristi obnovljive izvore energije kao što su sunce i vjetar za dovršetak prijenosa energije i kontrolu potrošnje energije za postizanje optimalnih ciljeva upravljanja energijom. Hvatanje i ponovno korištenje emisija CO2 za pomoć u proizvodnji usjeva.

4.1.3 Visoka vrijednost vrhunskih sorti

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

4.2 Perspektive razvoja industrije

Tvornice biljaka mogu se riješiti ograničenja resursa i okoliša, ostvariti industrijaliziranu poljoprivrednu proizvodnju i privući novu generaciju radne snage da se uključi u poljoprivrednu proizvodnju. Ključna tehnološka inovacija i industrijalizacija kineskih tvornica tvornica postaje svjetski lider. S ubrzanom primjenom LED izvora svjetlosti, digitalizacijom, automatizacijom i inteligentnim tehnologijama u području tvornica postrojenja, tvornice će privući više kapitalnih ulaganja, prikupljanja talenata i korištenja više nove energije, novih materijala i nove opreme. Na taj način se može 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 kontinuiranim inovacijama, te postupno uzgoj specijaliziranih tržišta, tvornice inteligentnih biljaka otvorit će zlatno razdoblje razvoja.

Prema izvješćima o istraživanju tržišta, veličina globalnog tržišta vertikalne poljoprivrede u 2020. iznosi samo 2,9 milijardi USD, a očekuje se da će do 2025. veličina globalnog tržišta vertikalne poljoprivrede dosegnuti 30 milijardi USD. Ukratko, tvornice imaju široke izglede za primjenu i razvojni prostor.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong, itd

Podaci o citatu:Sadašnje stanje i izgledi razvoja tvorničke industrije [J]. Tehnologija poljoprivredne tehnike, 2022, 42(1): 18-23.Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.