Resum: En els darrers anys, amb l’exploració contínua de la tecnologia agrícola moderna, la indústria de la fàbrica vegetal també s’ha desenvolupat ràpidament. Aquest treball introdueix el status quo, els problemes existents i les mesures de desenvolupament de la tecnologia de fàbriques vegetals i el desenvolupament de la indústria i espera la tendència de desenvolupament i la perspectiva de les fàbriques vegetals en el futur.

1. Estat actual del desenvolupament de la tecnologia a les fàbriques vegetals a la Xina i a l'estranger

1.1 L’estatus quo del desenvolupament de la tecnologia estrangera

Des del segle XXI, la investigació de les fàbriques vegetals s’ha centrat principalment en la millora de l’eficiència de la llum, la creació d’equips de sistemes de cultiu tridimensionals de diverses capes i la investigació i desenvolupament de la gestió i control intel·ligent. Al segle XXI, la innovació de les fonts de llum LED agrícola ha avançat, proporcionant un suport tècnic important per a l’aplicació de fonts de llum que estalvien energia LED a les fàbriques vegetals. La Universitat Chiba del Japó ha fet diverses innovacions en fonts de llum de gran eficiència, control ambiental que salvien energia i tècniques de cultiu. La Universitat de Wageningen als Països Baixos utilitza la simulació de conreus i la tecnologia d’optimització dinàmica per desenvolupar un sistema d’equips intel·ligents per a fàbriques de plantes, que redueix molt els costos operatius i millora significativament la productivitat laboral.

En els darrers anys, les fàbriques vegetals s’han realitzat gradualment en la semiautomació de processos de producció a partir de la sembra, la pujada de plàntules, el trasplantament i la recol·lecció. El Japó, Països Baixos i els Estats Units, es troben al capdavant, amb un alt grau de mecanització, automatització i intel·ligència, i es desenvolupen en direcció a l’agricultura vertical i a l’operació no tripulada.

1.2 Estat de desenvolupament de la tecnologia a la Xina

1.2.

S'han desenvolupat fonts especials de llum vermella i blava LED per a la producció de diverses espècies vegetals en fàbriques vegetals. La potència oscil·la entre 30 i 300 W, i la intensitat de la llum d’irradiació és de 80 a 500 μmol/(m2 • s), que pot proporcionar una intensitat de llum amb un rang llindar adequat, paràmetres de qualitat de llum, per aconseguir l’efecte de l’alta eficiència Estalvi i adaptació d’energia a les necessitats del creixement i la il·luminació de les plantes. Pel que fa a la gestió de la dissipació de calor de la font de llum, s’ha introduït el disseny actiu de dissipació de calor del ventilador de font de llum, cosa que redueix la velocitat de decadència de la llum de la font de llum i garanteix la vida de la font de llum. A més, es proposa un mètode per reduir la calor de la font de llum LED mitjançant la solució de nutrients o la circulació d’aigua. Pel que fa a la gestió de l’espai de la font de llum, segons la llei de l’evolució de la mida de les plantes en l’etapa de plàntula i la fase posterior, a través de la gestió del moviment de l’espai vertical de la font de llum LED, la marquesina de la planta es pot il·luminar a distància i l’objectiu d’estalvi d’energia és aconseguit. Actualment, el consum d’energia de la font de llum de plantes de llum artificial pot representar el 50% al 60% del consum d’energia operativa total de la fàbrica de plantes. Tot i que LED pot estalviar un 50% d’energia en comparació amb les làmpades fluorescents, encara hi ha el potencial i la necessitat de la investigació sobre l’estalvi d’energia i la reducció del consum.

1.2.2 Tecnologia i equipament de cultiu tridimensional multifuncional

La bretxa de la capa del cultiu tridimensional multifuncional es redueix perquè el LED substitueix la làmpada fluorescent, que millora l’eficiència d’ús de l’espai tridimensional del cultiu de la planta. Hi ha molts estudis sobre el disseny del fons del llit de cultiu. Les ratlles elevades estan dissenyades per generar un flux turbulent, cosa que pot ajudar a les arrels de plantes a absorbir nutrients en la solució de nutrients de manera uniforme i augmentar la concentració d’oxigen dissolt. Utilitzant el tauler de colonització, hi ha dos mètodes de colonització, és a dir, les tasses de colonització de plàstic de diferents mides o el mode de colonització perimetral d’esponja. Ha aparegut un sistema de llits de cultiu lliscant i la placa de plantació i les plantes que hi ha es poden empènyer manualment d’un extrem a l’altre, adonant -se del mode de producció de plantació en un extrem del llit de cultiu i de collita a l’altre extrem. Actualment, s’han desenvolupat una varietat de tecnologia i equips de cultiu en plena capa tridimensionals basats en la tecnologia de pel·lícules de líquids nutritius i la tecnologia de fluxos líquids profunds i la tecnologia i els equips per al cultiu de substrats de maduixes, cultiu d’aerosol de verdures i flors frondoses i flors han sorgit. La tecnologia esmentada s’ha desenvolupat ràpidament.

1.2.3 Solució de nutrients Tecnologia i equipament

Després que la solució de nutrients s'hagi utilitzat durant un període de temps, cal afegir aigua i elements minerals. Generalment, la quantitat de solució de nutrients recentment preparada i la quantitat de solució àcid-base es determina mitjançant la mesura de la CE i el pH. Les partícules grans de sediment o exfoliació d’arrel en la solució de nutrients han de ser eliminades per un filtre. Els exsudats d’arrels de la solució de nutrients es poden eliminar mitjançant mètodes fotocatalítics per evitar obstacles de cultiu continu en la hidropònica, però hi ha certs riscos en la disponibilitat de nutrients.

1.2.4 Tecnologia i equipament de control ambiental

La neteja de l’aire de l’espai de producció és un dels indicadors importants de la qualitat de l’aire de la fàbrica de plantes. La neteja de l’aire (indicadors de partícules en suspensió i bacteris assentats) a l’espai de producció de la fàbrica de plantes en condicions dinàmiques s’ha de controlar fins a un nivell superior als 100.000. L’entrada de desinfecció de materials, el tractament de la dutxa d’aire del personal i el sistema de depuració d’aire fresc i el sistema de purificació d’aire (sistema de filtració d’aire) són totes les garanties bàsiques. La temperatura i la humitat, la concentració de CO2 i la velocitat del flux d’aire de l’aire a l’espai de producció són un altre contingut important del control de la qualitat de l’aire. Segons els informes, la creació d’equips com ara caixes de barreja d’aire, conductes d’aire, entrades d’aire i punts de sortida d’aire pot controlar uniformement la temperatura i la humitat, la concentració de CO2 i la velocitat del flux d’aire a l’espai de producció, per tal d’aconseguir una uniformitat espacial elevada i satisfer les necessitats de les plantes En diferents llocs espacials. El sistema de control de temperatura, humitat i concentració de CO2 i el sistema d’aire fresc s’integren orgànicament al sistema d’aire circulant. Els tres sistemes han de compartir el conducte d’aire, l’entrada d’aire i la presa d’aire i proporcionar energia a través del ventilador per adonar -se de la circulació del flux d’aire, la filtració i la desinfecció i l’actualització i la uniformitat de la qualitat de l’aire. Assegura que la producció de plantes a la fàbrica de plantes està lliure de plagues i malalties i que no cal cap aplicació de pesticides. Al mateix temps, es garanteix que la uniformitat de la temperatura, la humitat, el flux d’aire i la concentració de CO2 dels elements de l’entorn de creixement a la marquesina satisfan les necessitats del creixement de les plantes.

2. Estat de desenvolupament de la indústria de la fàbrica de plantes

2.1 Estatus quo de la indústria de la fàbrica de plantes estrangeres

Al Japó, la investigació i el desenvolupament i la industrialització de fàbriques de plantes de llum artificial són relativament ràpides i estan al nivell principal. El 2010, el govern japonès va llançar 50 mil milions de iens per donar suport a la investigació tecnològica i al desenvolupament i la demostració industrial. Van participar vuit institucions, incloent la Universitat Chiba i la Japó Plant Factory Research Association. Japan Future Company va emprendre i va operar el primer projecte de demostració d’industrialització d’una fàbrica de plantes amb una producció diària de 3.000 plantes. El 2012, el cost de producció de la fàbrica de plantes va ser de 700 iens/kg. El 2014, es va completar la fàbrica de plantes de fàbrica moderna del castell de Taga, la prefectura de Miyagi es va completar, convertint -se en la primera fàbrica de plantes LED del món amb una producció diària de 10.000 plantes. Des del 2016, les fàbriques de plantes LED han entrat al carril ràpid de la industrialització al Japó, i les empreses de ruptura o rendibles han sorgit una després de l’altra. El 2018, les fàbriques de plantes a gran escala amb una capacitat de producció diària de 50.000 a 100.000 plantes van aparèixer una després de l’altra, i les fàbriques de plantes mundials es van desenvolupar cap a un desenvolupament a gran escala, professional i intel·ligent. Al mateix temps, l’energia elèctrica de Tòquio, l’energia elèctrica d’Okinawa i altres camps van començar a invertir en fàbriques vegetals. El 2020, la quota de mercat d’enciam produïda per les fàbriques de plantes japoneses representarà al voltant del 10% de tot el mercat d’enciams. Entre les més de 250 fàbriques de plantes de tipus artificial que actualment estan en funcionament, el 20% es troben en una fase de pèrdua, el 50% es troben al nivell de ruptura i el 30% es troben en una fase rendible, cosa que comporta espècies vegetals conreades com ara Enciam, herbes i plàntules.

Països Baixos és un líder mundial real en el camp de la tecnologia d'aplicacions combinades de llum solar i llum artificial per a la fàbrica de plantes, amb un alt grau de mecanització, automatització, intel·ligència i indiscutibilitat, i ara ha exportat un conjunt complet de tecnologies i equips com a forts com a forts Productes a l'Orient Mitjà, Àfrica, Xina i altres països. American Aerofarms Farm es troba a Newark, Nova Jersey, EUA, amb una superfície de 6500 m2. Creix principalment verdures i espècies i la producció és d’uns 900 t/any.

Agricultura vertical en aerofarms

La fàbrica de plantes agrícoles verticals de la gran companyia als Estats Units adopta la il·luminació LED i un marc de plantació vertical amb una alçada de 6 m. Les plantes creixen des dels costats de les jardineres. Basant-se en el reg de la gravetat, aquest mètode de plantació no requereix bombes addicionals i és més eficient a l’aigua que l’agricultura convencional. Molt afirma que la seva granja produeix 350 vegades la producció d’una granja convencional mentre utilitza només l’1% de l’aigua.

Fàbrica de plantes de cultiu vertical, molta empresa

2.2 Estat de la indústria de fàbriques de plantes a la Xina

El 2009, la primera fàbrica de plantes de producció a la Xina amb control intel·ligent a mesura que el nucli es va construir i es va posar en funcionament al parc de Changchun Agricultural Expo. L’àrea de l’edifici és de 200 m2 i els factors ambientals com la temperatura, la humitat, la llum, el CO2 i la concentració de solucions de nutrients de la fàbrica de plantes es poden controlar automàticament en temps real per realitzar una gestió intel·ligent.

El 2010, la fàbrica de plantes de Tongzhou construïda a Pequín. L’estructura principal adopta una estructura d’acer de llum d’una sola capa amb una superfície de construcció total de 1289 m2. Té forma com un portaavions, que simbolitza l’agricultura xinesa que es dirigeix ​​a la navegació a la tecnologia més avançada de l’agricultura moderna. S'han desenvolupat l'equip automàtic per a algunes operacions de producció de frondosos vegetals, cosa que ha millorat el nivell d'automatització de producció i l'eficiència de producció de la fàbrica de plantes. La fàbrica de plantes adopta un sistema de bomba de calor de font de terra i un sistema de generació d’energia solar, que soluciona millor el problema dels elevats costos operatius de la fàbrica de plantes.

Vista dins i exterior de la fàbrica de plantes de Tongzhou

El 2013 es van establir moltes empreses de tecnologia agrícola a la zona de demostració d’alta tecnologia agrícola, província de Shaanxi. La majoria dels projectes de fàbrica de plantes en construcció i funcionament es troben en parcs de demostració d’alta tecnologia agrícoles, que s’utilitzen principalment per a demostracions de ciències populars i turisme de lleure. A causa de les seves limitacions funcionals, és difícil que aquestes fàbriques de plantes de ciències populars aconsegueixin l’elevat rendiment i l’alta eficiència requerida per la industrialització, i els serà difícil convertir -se en la forma principal d’industrialització en el futur.

El 2015, un principal fabricant de xip dirigit a la Xina va cooperar amb l’Institut de Botànica de l’Acadèmia de Ciències xineses per iniciar conjuntament la creació d’una empresa de fàbriques vegetals. Ha creuat des de la indústria optoelectrònica fins a la indústria “fotobiològica” i s’ha convertit en un precedent perquè els fabricants de LED xinesos inverteixin en la construcció de fàbriques vegetals en industrialització. La seva fàbrica vegetal es compromet a fer inversions industrials en fotobiologia emergent, que integra investigacions científiques, producció, demostració, incubació i altres funcions, amb un capital registrat de 100 milions de iuans. Al juny de 2016, aquesta fàbrica de plantes amb un edifici de 3 plantes que cobreix una superfície de 3.000 m2 i es va completar i es va posar en funcionament una superfície de cultiu de més de 10.000 m2. Al maig del 2017, l'escala de producció diària serà de 1.500 kg de verdures de fulla, equivalents a 15.000 plantes d'enciam al dia.

Vistes d'aquesta empresa

3. Problemes i contrameres que s’enfronten al desenvolupament de fàbriques vegetals

3.1 Problemes

3.1.1 Cost de construcció elevat

Les fàbriques vegetals han de produir cultius en un entorn tancat. Per tant, és necessari crear projectes i equips de suport que inclouen estructures de manteniment externes, sistemes de climatització, fonts de llum artificial, sistemes de cultiu de diverses capes, circulació de solucions de nutrients i sistemes de control informàtic. El cost de la construcció és relativament elevat.

3.1.2 Cost elevat de funcionament

La majoria de les fonts de llum requerides per les fàbriques vegetals provenen de llums LED, que consumeixen molta electricitat alhora que proporcionen espectres corresponents per al creixement de diferents cultius. Els equips com ara climatització, ventilació i bombes d’aigua en el procés de producció de fàbriques vegetals també consumeixen electricitat, de manera que les factures d’electricitat són una despesa enorme. Segons les estadístiques, entre els costos de producció de les fàbriques vegetals, els costos d’electricitat representen el 29%, els costos laborals representen el 26%, la depreciació d’actius fix representa el 23%, els envasos i el transport representen el 12%i els materials de producció representen el 10%.

Desglossament del cost de producció per a la fàbrica de plantes

3.1.3 Nivell baix d’automatització

La fàbrica de plantes aplicada actualment té un baix nivell d’automatització, i processos com la plàntula, el trasplantament, la plantació de camp i la recol·lecció encara requereixen operacions manuals, donant lloc a elevats costos laborals.

3.1.4 Varietats limitades de cultius que es poden conrear

Actualment, els tipus de conreus adequats per a les fàbriques vegetals són molt limitades, principalment verdures de fulla verda que creixen ràpidament, accepten fàcilment fonts de llum artificials i tenen una marquesina baixa. La plantació a gran escala no es pot dur a terme per a requisits complexos de plantació (com ara cultius que cal pol·linitzar, etc.).

3.2 Estratègia de desenvolupament

A la vista dels problemes que té la indústria de la fàbrica de plantes, cal dur a terme investigacions de diversos aspectes com la tecnologia i el funcionament. En resposta als problemes actuals, les contramerres són les següents.

(1) Enforteix la investigació sobre tecnologia intel·ligent de les fàbriques vegetals i milloreu el nivell de gestió intensiva i refinada. El desenvolupament d’un sistema de control i control intel·ligent ajuda a aconseguir una gestió intensiva i refinada de les fàbriques vegetals, cosa que pot reduir molt els costos laborals i estalviar mà d’obra.

(2) Desenvolupar equips tècnics de fàbrica vegetal intensiva i eficient per aconseguir un rendiment de gran qualitat anual i de gran rendiment. El desenvolupament d’instal·lacions i equips de cultiu d’alta eficiència, tecnologia i equipament d’il·luminació d’estalvi d’energia, etc., per millorar el nivell intel·ligent de fàbriques vegetals, és propici per a la realització de la producció anual d’alta eficiència.

(3) Realitzar investigacions sobre tecnologia de cultiu industrial per a plantes de gran valor afegit com ara plantes medicinals, plantes sanitàries i verdures rares, augmenten els tipus de conreus cultivats en fàbriques vegetals, ampliar els canals de benefici i millorar el punt inicial del benefici .

(4) Realitzar investigacions sobre fàbriques vegetals per a ús domèstic i comercial, enriqueix els tipus de fàbriques vegetals i aconsegueixen una rendibilitat contínua amb diverses funcions.

4. Tendència del desenvolupament i perspectiva de la fàbrica de plantes

4.1 Tendència del desenvolupament de la tecnologia

4.1.1 Intel·lectualització de procés complet

Basat en el mecanisme de prevenció de fusió i pèrdues de màquines del sistema de cultiu-robot, de plantació flexible i no destructiva i de recol·lecció i recol·lecció dels efectors de la múltiples múltiples múltiples múltiples múltiples múltiples múltiples múltiples múltiples múltiples múltiples múltiples múltiples múltiples múltiples múltiples múltiples múltiples col·laboracions col·laboratives, multies-modals, i la sembra no tripulada, eficient i no destructiva en fàbriques de plantes de gran alçada: robots intel·ligents i equips de suport com ara S'ha de crear un paquet de recol·lecció de plantacions, realitzant així el funcionament no tripulat de tot el procés.

4.1.2 Feu que el control de la producció sigui més intel·ligent

A partir del mecanisme de resposta del creixement i el desenvolupament de les collites a la radiació lleugera, la temperatura, la humitat, la concentració de CO2, la concentració de nutrients de solució de nutrients i la CE, s’ha de construir un model quantitatiu de retroalimentació del cultiu-ambient. S’hauria d’establir un model bàsic estratègic per analitzar dinàmicament els paràmetres de la vida de la vida vegetal i de l’entorn de la producció de frondosos. També s’ha d’establir el sistema de diagnòstic i control de processos dinàmics en línia de l’entorn. S’hauria de crear un sistema de decisió d’intel·ligència artificial col·laborativa de diverses màquines per a tot el procés de producció d’una fàbrica agrícola vertical d’alt volum.

4.1.3 Baixa producció de carboni i estalvi d’energia

Establir un sistema de gestió d’energia que utilitzi fonts d’energia renovables com el solar i el vent per completar la transmissió d’energia i el control del consum d’energia per assolir objectius òptims de gestió d’energia. Captar i reutilitzar les emissions de CO2 per ajudar a la producció de cultius.

4.1.3 Valor elevat de varietats premium

S’han de prendre estratègies factibles per generar diferents varietats d’alt valor afegit per a experiments de plantació, construir una base de dades d’experts en tecnologia de cultiu, realitzar investigacions sobre tecnologia de cultiu, selecció de densitat, arranjament de ruixats, adaptabilitat de varietats i equips i formar especificacions tècniques de cultiu estàndard.

4.2 Perspectives de desenvolupament de la indústria

Les fàbriques vegetals poden desfer -se de les restriccions dels recursos i el medi ambient, adonar -se de la producció industrialitzada de l’agricultura i atraure la nova generació de força de treball per participar en la producció agrícola. La innovació tecnològica i la industrialització de les fàbriques vegetals de la Xina s’està convertint en un líder mundial. Amb l’aplicació accelerada de la font de llum LED, la digitalització, l’automatització i les tecnologies intel·ligents en el camp de les fàbriques de plantes, les fàbriques vegetals atrauran més inversions de capital, recollida de talents i l’ús de més energia, materials nous i nous equips. D’aquesta manera, es pot realitzar la integració en profunditat de les tecnologies de la informació i les instal·lacions i els equips, es pot millorar el nivell intel·ligent i no tripulat d’instal·lacions i equips, la reducció contínua del consum d’energia del sistema i els costos operatius mitjançant la innovació contínua i el gradual i el gradual El cultiu de mercats especialitzats, les fàbriques de plantes intel·ligents es produiran en un període daurat de desenvolupament.

Segons els informes de la investigació de mercat, la mida del mercat de l’agricultura vertical global el 2020 és de només 2.900 milions de dòlars americans, i s’espera que el 2025, la mida global del mercat de l’agricultura vertical arribi als 30.000 milions de dòlars americans. En resum, les fàbriques vegetals tenen àmplies perspectives d’aplicació i espai de desenvolupament.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong, etc.

Informació de citació:Situació actual i perspectives del desenvolupament de la indústria de les fàbriques vegetals [J]. Tecnologia d’enginyeria agrícola, 2022, 42 (1): 18-23.De Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiug Li, et al.