Resum: En els darrers anys, amb l'exploració contínua de la tecnologia agrícola moderna, la indústria de les fàbriques de plantes també s'ha desenvolupat ràpidament. Aquest article presenta l'statu quo, els problemes existents i les contramesures de desenvolupament de la tecnologia de les fàbriques de plantes i el desenvolupament de la indústria, i preveu la tendència de desenvolupament i les perspectives de les fàbriques de plantes en el futur.

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

1.1 L'statu quo del desenvolupament tecnològic estranger

Des del segle XXI, la recerca de les fàbriques de plantes s'ha centrat principalment en la millora de l'eficiència lumínica, la creació d'equips de sistemes de cultiu tridimensionals multicapa i la recerca i el desenvolupament de la gestió i el control intel·ligents. Al segle XXI, la innovació de les fonts de llum LED agrícoles ha fet progressos, proporcionant un important suport tècnic per a l'aplicació de fonts de llum LED d'estalvi d'energia a les fàbriques de plantes. La Universitat de Chiba al Japó ha realitzat diverses innovacions en fonts de llum d'alta eficiència, control ambiental d'estalvi d'energia i tècniques de cultiu. La Universitat de Wageningen als Països Baixos utilitza la simulació de l'entorn de cultius i la tecnologia d'optimització dinàmica per desenvolupar un sistema d'equips intel·ligent per a fàbriques de plantes, que redueix considerablement els costos operatius i millora significativament la productivitat laboral.

En els darrers anys, les fàbriques de plantes han anat aconseguint gradualment la semiautomatització dels processos de producció, des de la sembra, el cultiu de plàntules, el trasplantament i la collita. El Japó, els Països Baixos i els Estats Units estan a l'avantguarda, amb un alt grau de mecanització, automatització i intel·ligència, i s'estan desenvolupant en la direcció de l'agricultura vertical i el funcionament no tripulat.

1.2 Estat del desenvolupament tecnològic a la Xina

1.2.1 Font de llum LED especialitzada i equips tecnològics d'aplicació d'estalvi d'energia per a llum artificial en fàbrica

S'han desenvolupat fonts de llum LED vermelles i blaves especials per a la producció de diverses espècies vegetals en fàbriques de plantes, una rere l'altra. La potència oscil·la entre els 30 i els 300 W, i la intensitat de la llum d'irradiació és de 80 a 500 μmol/(m2•s), cosa que pot proporcionar una intensitat de llum amb un rang llindar adequat, paràmetres de qualitat de la llum, per aconseguir l'efecte d'estalvi d'energia d'alta eficiència i adaptar-se 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 de dissipació activa de calor del ventilador de la font de llum, que redueix la taxa de decaïment de la llum de la font de llum i garanteix la vida útil de la font de llum. A més, es proposa un mètode per reduir la calor de la font de llum LED mitjançant una solució nutritiva o la circulació d'aigua. Pel que fa a la gestió de l'espai de la font de llum, d'acord amb la llei d'evolució de la mida de la planta en l'etapa de plàntules i en l'etapa posterior, mitjançant la gestió del moviment espacial vertical de la font de llum LED, la capçada de la planta es pot il·luminar a curta distància i s'aconsegueix l'objectiu d'estalvi d'energia. Actualment, el consum d'energia de la font de llum artificial de la fàbrica pot representar entre el 50% i el 60% del consum total d'energia operativa de la fàbrica. Tot i que els LED poden estalviar un 50% d'energia en comparació amb les làmpades fluorescents, encara hi ha el potencial i la necessitat de recerca sobre l'estalvi d'energia i la reducció del consum.

1.2.2 Tecnologia i equips de cultiu tridimensional multicapa

El buit de capes del cultiu tridimensional multicapa es redueix perquè el LED substitueix la làmpada fluorescent, cosa que millora l'eficiència d'utilització de l'espai tridimensional del cultiu de plantes. Hi ha molts estudis sobre el disseny de la part inferior del llit de cultiu. Les franges en relleu estan dissenyades per generar un flux turbulent, que pot ajudar les arrels de les plantes a absorbir els nutrients de la solució nutritiva de manera uniforme i augmentar la concentració d'oxigen dissolt. Utilitzant la placa 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 llit de cultiu lliscant, i la placa de plantació i les plantes que hi ha a sobre es poden empènyer manualment d'un extrem a l'altre, realitzant el mode de producció de plantar a un extrem del llit de cultiu i collir a l'altre extrem. Actualment, s'ha desenvolupat una varietat de tecnologia i equips de cultiu sense sòl multicapa tridimensional basats en la tecnologia de pel·lícula líquida de nutrients i la tecnologia de flux líquid profund, i ha sorgit la tecnologia i els equips per al cultiu de substrats de maduixes, el cultiu d'aerosols de verdures de fulla i flors. La tecnologia esmentada s'ha desenvolupat ràpidament.

1.2.3 Tecnologia i equips de circulació de solucions de nutrients

Després que la solució nutritiva s'hagi utilitzat durant un període de temps, cal afegir-hi aigua i elements minerals. Generalment, la quantitat de solució nutritiva recentment preparada i la quantitat de solució àcid-base es determinen mesurant l'EC i el pH. Les partícules grans de sediment o l'exfoliació d'arrels a la solució nutritiva s'han d'eliminar mitjançant un filtre. Els exsudats d'arrels a la solució nutritiva es poden eliminar mitjançant mètodes fotocatalítics per evitar obstacles continus al cultiu en hidroponia, però hi ha certs riscos en la disponibilitat de nutrients.

1.2.4 Tecnologia i equips 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. La neteja de l'aire (indicadors de partícules en suspensió i bacteris sedimentats) a l'espai de producció de la fàbrica en condicions dinàmiques s'ha de controlar a un nivell superior a 100.000. L'entrada de desinfecció de materials, el tractament de dutxes d'aire per al personal entrant i el sistema de purificació d'aire amb circulació d'aire fresc (sistema de filtració d'aire) són mesures de seguretat bàsiques. La temperatura i la humitat, la concentració de CO2 i la velocitat del flux d'aire a l'espai de producció són un altre contingut important del control de la qualitat de l'aire. Segons els informes, la instal·lació d'equips com ara caixes de mescla d'aire, conductes d'aire, entrades i sortides 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 alta uniformitat espacial i satisfer les necessitats de la planta en diferents ubicacions espacials. El sistema de control de temperatura, humitat i concentració de CO2 i el sistema d'aire fresc estan integrats orgànicament al sistema d'aire circulant. Els tres sistemes han de compartir el conducte d'aire, l'entrada i la sortida d'aire, i proporcionar energia a través del ventilador per aconseguir la circulació del flux d'aire, la filtració i la desinfecció, i l'actualització i la uniformitat de la qualitat de l'aire. Garanteix que la producció vegetal a la fàbrica de plantes estigui lliure de plagues i malalties, i que no calgui aplicar pesticides. Al mateix temps, es garanteix 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 capçada per satisfer les necessitats del creixement de les plantes.

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

2.1 Status quo de la indústria fabril estrangera

Al Japó, la recerca, el desenvolupament i la industrialització de fàbriques de plantes de llum artificial són relativament ràpids i es troben al nivell més alt. El 2010, el govern japonès va llançar 50.000 milions de iens per donar suport a la recerca, el desenvolupament tecnològic i la demostració industrial. Vuit institucions, inclosa la Universitat de Chiba i l'Associació de Recerca de Fàbriques de Plantes del Japó, hi van participar. Japan Future Company va emprendre i 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 moderna al castell de Taga, a la prefectura de Miyagi, 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 en la via ràpida de la industrialització al Japó, i les empreses amb punt d'equilibri o rendibles han sorgit una rere l'altra. El 2018, van aparèixer una rere l'altra fàbriques de plantes a gran escala amb una capacitat de producció diària de 50.000 a 100.000 plantes, i les fàbriques de plantes globals es van desenvolupar cap a un desenvolupament a gran escala, professional i intel·ligent. Al mateix temps, Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power i altres sectors van començar a invertir en fàbriques de plantes. El 2020, la quota de mercat d'enciam produït per les fàbriques de plantes japoneses representarà aproximadament el 10% de tot el mercat d'enciams. De les més de 250 fàbriques de plantes de tipus llum artificial que actualment operen, el 20% es troben en una fase de pèrdues, el 50% en el nivell d'equilibri i el 30% en una fase rendible, amb espècies de plantes cultivades com ara enciam, herbes i plàntules.

Els Països Baixos són un autèntic líder mundial en el camp de la tecnologia d'aplicació combinada de llum solar i llum artificial per a fàbriques de plantes, amb un alt grau de mecanització, automatització, intel·ligència i no tripulació, i ara han exportat un conjunt complet de tecnologies i equips com a productes sòlids a l'Orient Mitjà, Àfrica, Xina i altres països. La granja American AeroFarms es troba a Newark, Nova Jersey, EUA, amb una superfície de 6500 m2. Principalment cultiva verdures i espècies, i la producció és d'unes 900 t/any.

Agricultura vertical a AeroFarms

La fàbrica de plantes de cultiu vertical de Plenty Company als Estats Units adopta il·luminació LED i un marc de plantació vertical amb una alçada de 6 m. Les plantes creixen des dels costats de les jardineres. Aquest mètode de plantació, que es basa en el reg per gravetat, no requereix bombes addicionals i és més eficient en l'ús de l'aigua que l'agricultura convencional. Plenty afirma que la seva granja produeix 350 vegades la producció d'una granja convencional utilitzant només l'1% de l'aigua.

Fàbrica de plantes de cultiu vertical, Plenty Company

2.2 Indústria de fàbriques de plantes d'estatus a la Xina

El 2009, es va construir i posar en funcionament la primera fàbrica de producció a la Xina amb control intel·ligent com a nucli al Changchun Agricultural Expo Park. La superfície construïda és de 200 m2, i els factors ambientals com la temperatura, la humitat, la llum, el CO2 i la concentració de la solució de nutrients de la fàbrica de la planta es poden controlar automàticament en temps real per aconseguir una gestió intel·ligent.

El 2010, es va construir la fàbrica de Tongzhou a Pequín. L'estructura principal adopta una estructura d'acer lleuger d'una sola capa amb una superfície total de construcció de 1289 m2. Té la forma d'un portaavions, que simbolitza l'agricultura xinesa al capdavant en l'aposta per la tecnologia més avançada de l'agricultura moderna. S'ha desenvolupat l'equip automàtic per a algunes operacions de producció de verdures de fulla, cosa que ha millorat el nivell d'automatització de la producció i l'eficiència de la producció de la fàbrica. La fàbrica adopta un sistema de bomba de calor geotèrmica i un sistema de generació d'energia solar, cosa que resol millor el problema dels elevats costos operatius de la fàbrica.

Vista interior i exterior de la fàbrica de Tongzhou

El 2013, es van establir moltes empreses de tecnologia agrícola a la Zona de Demostració d'Alta Tecnologia Agrícola de Yangling, a la província de Shaanxi. La majoria dels projectes de fàbriques de plantes en construcció i funcionament es troben en parcs de demostració d'alta tecnologia agrícola, que s'utilitzen principalment per a demostracions de ciència popular i visites turístiques d'oci. A causa de les seves limitacions funcionals, és difícil que aquestes fàbriques de plantes de ciència popular aconsegueixin l'alt rendiment i l'alta eficiència que requereix la industrialització, i serà difícil que es converteixin en la forma principal d'industrialització en el futur.

El 2015, un important fabricant de xips LED a la Xina va cooperar amb l'Institut de Botànica de l'Acadèmia Xinesa de les Ciències per iniciar conjuntament la creació d'una empresa de fàbrica de plantes. Ha passat de la indústria optoelectrònica a la indústria "fotobiològica" i s'ha convertit en un precedent perquè els fabricants xinesos de LED inverteixin en la construcció de fàbriques de plantes en la industrialització. La seva fàbrica de plantes està compromesa amb la inversió industrial en fotobiologia emergent, que integra la recerca científica, la producció, la demostració, la incubació i altres funcions, amb un capital registrat de 100 milions de iuans. El juny de 2016, es va completar i posar en funcionament aquesta fàbrica de plantes amb un edifici de 3 plantes que cobreix una superfície de 3.000 m2 i una superfície de cultiu de més de 10.000 m2. Al maig de 2017, l'escala de producció diària serà de 1.500 kg de verdures de fulla, equivalent a 15.000 plantes d'enciam al dia.

Opinions d'aquesta empresa

3. Problemes i contramesures que afronta el desenvolupament de fàbriques de plantes

3.1 Problemes

3.1.1 Cost de construcció elevat

Les fàbriques de plantes necessiten produir cultius en un entorn tancat. Per tant, cal construir projectes i equips de suport, com ara estructures de manteniment externes, sistemes d'aire condicionat, fonts de llum artificial, sistemes de cultiu multicapa, circulació de solucions nutritives i sistemes de control informàtic. El cost de construcció és relativament elevat.

3.1.2 Cost operatiu elevat

La majoria de les fonts de llum que necessiten les fàbriques de plantes provenen de llums LED, que consumeixen molta electricitat alhora que proporcionen espectres corresponents per al creixement de diferents cultius. Els equips com l'aire condicionat, la ventilació i les bombes d'aigua en el procés de producció de les fàbriques de plantes també consumeixen electricitat, per la qual cosa les factures d'electricitat són una despesa enorme. Segons les estadístiques, entre els costos de producció de les fàbriques de plantes, els costos d'electricitat representen el 29%, els costos laborals representen el 26%, l'amortització dels actius fixos representa el 23%, l'embalatge 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 Baix nivell d'automatització

La fàbrica de plantes que s'aplica actualment té un baix nivell d'automatització, i processos com la plàntules, el trasplantament, la sembra al camp i la collita encara requereixen operacions manuals, la qual cosa resulta en uns costos laborals elevats.

3.1.4 Varietats limitades de cultius que es poden cultivar

Actualment, els tipus de cultius adequats per a les fàbriques de plantes són molt limitats, principalment hortalisses de fulla verda que creixen ràpidament, accepten fàcilment fonts de llum artificial i tenen una capçada baixa. La plantació a gran escala no es pot dur a terme per a requisits de plantació complexos (com ara cultius que necessiten ser pol·linitzats, etc.).

3.2 Estratègia de desenvolupament

Atesos els problemes que afronta la indústria de fàbriques de plantes, cal dur a terme investigacions des de diversos aspectes com la tecnologia i el funcionament. En resposta als problemes actuals, les contramesures són les següents.

(1) Enfortir la recerca sobre tecnologia intel·ligent de les fàbriques de plantes i millorar el nivell de gestió intensiva i refinada. El desenvolupament d'un sistema intel·ligent de gestió i control ajuda a aconseguir una gestió intensiva i refinada de les fàbriques de plantes, cosa que pot reduir considerablement els costos laborals i estalviar mà d'obra.

(2) Desenvolupar equips tècnics intensius i eficients per a les fàbriques de plantes per aconseguir una alta qualitat i un alt rendiment anuals. El desenvolupament d'instal·lacions i equips de cultiu d'alta eficiència, tecnologia i equips d'il·luminació d'estalvi d'energia, etc., per millorar el nivell intel·ligent de les fàbriques de plantes, afavoreix la realització d'una producció anual d'alta eficiència.

(3) Realitzar investigacions sobre tecnologia de cultiu industrial per a plantes d'alt valor afegit com ara plantes medicinals, plantes per a la cura de la salut i hortalisses rares, augmentar els tipus de cultius cultivats a les fàbriques de plantes, ampliar els canals de beneficis i millorar el punt de partida del benefici.

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

4. Tendència de desenvolupament i perspectives de la fàbrica de plantes

4.1 Tendència de desenvolupament tecnològic

4.1.1 Intel·lectualització del procés complet

Basant-se en el mecanisme de fusió i prevenció de pèrdues de la tecnologia de la màquina del sistema robot-cultiu, efectors finals de sembra i collita d'alta velocitat, flexibles i no destructius, posicionament precís en l'espai multidimensional distribuït i mètodes de control col·laboratiu multimàquina multimodal, i sembra no tripulada, eficient i no destructiva en fàbriques de plantes de gran alçada, s'han de crear robots intel·ligents i equips de suport com ara plantació-collita-embalatge, aconseguint així el funcionament no tripulat de tot el procés.

4.1.2 Fer que el control de producció sigui més intel·ligent

Basant-se en el mecanisme de resposta del creixement i desenvolupament dels cultius a la radiació lumínica, la temperatura, la humitat, la concentració de CO2, la concentració de nutrients de la solució de nutrients i l'EC, s'hauria de construir un model quantitatiu de retroalimentació entre el cultiu i l'entorn. S'hauria d'establir un model central estratègic per analitzar dinàmicament la informació sobre la vida de les hortalisses de fulla i els paràmetres de l'entorn de producció. També s'hauria d'establir el sistema de diagnòstic d'identificació dinàmica en línia i el sistema de control de processos de l'entorn. S'hauria de crear un sistema de presa de decisions d'intel·ligència artificial col·laboratiu multimàquina per a tot el procés de producció d'una fàbrica agrícola vertical d'alt volum.

4.1.3 Producció baixa en carboni i estalvi d'energia

Establir un sistema de gestió energètica que utilitzi fonts d'energia renovables com la solar i l'eòlica per completar la transmissió d'energia i controlar el consum d'energia per assolir objectius òptims de gestió energètica. Capturar i reutilitzar les emissions de CO2 per ajudar a la producció de cultius.

4.1.3 Alt valor de les varietats premium

S'haurien d'adoptar estratègies factibles per criar diferents varietats d'alt valor afegit per a experiments de plantació, crear una base de dades d'experts en tecnologia de cultiu, dur a terme investigacions sobre tecnologia de cultiu, selecció de densitat, disposició de rostolls, adaptabilitat de varietats i equips, i formular especificacions tècniques de cultiu estàndard.

4.2 Perspectives de desenvolupament de la indústria

Les fàbriques de plantes poden desfer-se de les restriccions dels recursos i del medi ambient, aconseguir la producció agrícola industrialitzada i atraure la nova generació de mà d'obra per dedicar-se a la producció agrícola. La innovació tecnològica clau i la industrialització de les fàbriques de plantes de la Xina s'estan 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 de plantes atrauran més inversió de capital, la captació de talent i l'ús de més energia nova, nous materials i nous equips. D'aquesta manera, es pot aconseguir la integració en profunditat de la tecnologia de la informació i les instal·lacions i els equips, es pot millorar el nivell intel·ligent i no tripulat de les instal·lacions i els equips, la reducció contínua del consum d'energia del sistema i els costos operatius mitjançant la innovació contínua i el cultiu gradual de mercats especialitzats, les fàbriques de plantes intel·ligents marcaran el començament del període daurat del desenvolupament.

Segons informes d'investigació de mercat, la mida del mercat mundial d'agricultura vertical el 2020 és de només 2.900 milions de dòlars EUA, i s'espera que el 2025 la mida del mercat mundial d'agricultura vertical arribi als 30.000 milions de dòlars EUA. En resum, les fàbriques de plantes 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 la fàbrica de plantes [J]. Tecnologia d'Enginyeria Agrícola, 2022, 42(1): 18-23.de Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.