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 document presenta l'estat quo, els problemes existents i les contramesures de desenvolupament de la tecnologia de fàbriques de plantes i el desenvolupament de la indústria, i espera amb interès 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 plantes a la Xina ia l'estranger

1.1 L'statu quo del desenvolupament de tecnologia estrangera

Des del segle XXI, la investigació de les fàbriques de plantes s'ha centrat principalment en la millora de l'eficiència de la llum, la creació d'equips de sistemes de cultiu tridimensionals multicapa i la investigació i desenvolupament de gestió i control intel·ligents.Al segle XXI, la innovació de les fonts de llum LED agrícoles ha avançat, proporcionant un suport tècnic important 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 fet una sèrie d'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 del medi ambient i la tecnologia d'optimització dinàmica per desenvolupar un sistema d'equipament intel·ligent per a fàbriques de plantes, que redueix molt els costos operatius i millora significativament la productivitat laboral.

En els darrers anys, les fàbriques de plantes s'han adonat gradualment de la semiautomatització dels processos de producció des de la sembra, la cria 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 es desenvolupen en la direcció de l'agricultura vertical i l'operació no tripulada.

1.2 Estat del desenvolupament tecnològic a la Xina

1.2.1 Font de llum LED Specializd i equip de tecnologia d'aplicació d'estalvi d'energia per a llum artificial a la fàbrica de plantes

S'han desenvolupat una darrere l'altra fonts especials de llum LED vermella i blava per a la producció de diverses espècies vegetals a les fàbriques de plantes.La potència oscil·la entre 30 i 300 W i la intensitat de la irradiació de la llum és de 80 a 500 μmol/(m2•s), que pot proporcionar una intensitat de llum amb un rang de llindar adequat, paràmetres de qualitat de la llum, per aconseguir l'efecte d'alta eficiència. estalvi energètic i adaptació a les necessitats de creixement de les plantes i il·luminació.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 la font de llum, que redueix la taxa de decadència 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 solució de nutrients o 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 de l'espai vertical de la font de llum LED, el dosser de la planta es pot il·luminar a poca distància i l'objectiu d'estalvi d'energia és aconseguit.Actualment, el consum d'energia de la font de llum de la fàbrica de plantes de llum artificial pot representar entre el 50% i el 60% del consum total d'energia operativa de la fàbrica de la planta.Tot i que el LED pot estalviar un 50% d'energia en comparació amb les làmpades fluorescents, encara hi ha el potencial i la necessitat d'investigar sobre l'estalvi d'energia i la reducció del consum.

1.2.2 Tecnologia i equips de cultiu tridimensional multicapa

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

1.2.3 Tecnologia i equips de circulació de solucions nutritives

Després d'utilitzar la solució nutritiva durant un període de temps, cal afegir aigua i elements minerals.En general, la quantitat de solució de nutrients recentment preparada i la quantitat de solució àcid-base es determinen mesurant l'EC i el pH.Les partícules grans de sediment o exfoliació de les arrels de la solució nutritiva s'han d'eliminar mitjançant un filtre.Els exsudats d'arrel de la solució nutritiva es poden eliminar mitjançant mètodes fotocatalítics per evitar obstacles de cultiu continus 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 de la planta.La neteja de l'aire (indicadors de partícules en suspensió i bacteris sedimentats) a l'espai de producció de la fàbrica de la planta en condicions dinàmiques s'ha de controlar a un nivell superior a 100.000.L'entrada de desinfecció del material, el tractament de la dutxa d'aire del personal entrant i el sistema de purificació d'aire de circulació d'aire fresc (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 configuració d'equips com ara caixes de mescla d'aire, conductes d'aire, entrades d'aire 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 gran uniformitat espacial i satisfer les necessitats de la planta. en diferents ubicacions espacials.El sistema de control de la temperatura, la humitat i la concentració de CO2 i el sistema d'aire fresc estan integrats orgànicament al sistema d'aire de circulació.Els tres sistemes han de compartir el conducte d'aire, l'entrada d'aire i la sortida d'aire, i proporcionar energia a través del ventilador per realitzar la circulació del flux d'aire, filtració i desinfecció, i actualitzar i uniformar la qualitat de l'aire.Assegura que la producció de plantes a la fàbrica de plantes està lliure de plagues i malalties i no es requereix cap aplicació de 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 del dosser per satisfer les necessitats del creixement de les plantes.

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

2.1 Status quo de la indústria de fàbriques de plantes estrangeres

Al Japó, la investigació, el desenvolupament i la industrialització de les fàbriques de plantes de llum artificial són relativament ràpides i es troben al primer nivell.El 2010, el govern japonès va llançar 50.000 milions de iens per donar suport a la investigació i desenvolupament tecnològic i la demostració industrial.Hi van participar vuit institucions, incloses la Universitat de Chiba i l'Associació d'Investigació de fàbriques de plantes del Japó.Japan Future Company va emprendre i va operar el primer projecte de demostració d'industrialització d'una fàbrica amb una producció diària de 3.000 plantes.El 2012, el cost de producció de la fàbrica de la planta va ser de 700 iens/kg.El 2014, es va completar la moderna fàbrica de fàbriques al castell de Taga, 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 al camí ràpid de la industrialització al Japó i han sorgit empreses rendibles o rentables una darrere 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 darrere l'altra, 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 camps van començar a invertir en fàbriques de plantes.El 2020, la quota de mercat de l'enciam produït per les fàbriques de plantes japoneses representarà al voltant del 10% de tot el mercat d'enciam.Entre les més de 250 fàbriques de plantes de llum artificial en funcionament actualment, el 20% es troben en fase de pèrdua, el 50% es troben en el nivell d'equilibri i el 30% es troben en una etapa rendible, amb espècies vegetals conreades com ara enciam, herbes aromàtiques i plàntules.

Els Països Baixos són un líder mundial real 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 manca de personal, i ara ha exportat un conjunt complet de tecnologies i equips tan forts. productes 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.Conrea principalment hortalisses i espècies, i la producció és d'unes 900 t/any.

Agricultura vertical a AeroFarms

La fàbrica de plantes agrícoles verticals 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 pels costats de les jardineres.Depenent del reg per gravetat, aquest mètode de plantació no requereix bombes addicionals i és més eficient amb l'aigua que l'agricultura convencional.Plenty 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, Plenty Company

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

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

El 2010, la fàbrica de plantes de Tongzhou va construir 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, simbolitzant l'agricultura xinesa que pren el lideratge en navegar cap a la tecnologia més avançada de l'agricultura moderna.S'ha desenvolupat l'equip automàtic per a algunes operacions de producció de verdures de fulla, que ha millorat el nivell d'automatització de la producció i l'eficiència de producció de la fàbrica de la planta.La fàbrica de la planta adopta un sistema de bomba de calor de font terrestre i un sistema de generació d'energia solar, que resol millor el problema dels elevats costos operatius de la fàbrica de la planta.

Vista interior i exterior de la fàbrica de plantes de Tongzhou

El 2013, moltes empreses de tecnologia agrícola es van establir a la zona de demostració d'alta tecnologia agrícola de Yangling, província de Shaanxi.La majoria dels projectes de fàbriques de plantes en construcció i funcionament es troben en parcs de demostració agrícoles d'alta tecnologia, 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 populars assoleixin 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 Ciències per iniciar conjuntament l'establiment 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 de LED xinesos inverteixin en la construcció de fàbriques de plantes en la industrialització.La seva fàbrica de plantes es compromet a fer inversions industrials en la fotobiologia emergent, que integra investigació científica, producció, demostració, incubació i altres funcions, amb un capital social de 100 milions de iuans.El juny de 2016 es va finalitzar i posar en funcionament aquesta Fàbrica de Plantes amb un edifici de 3 plantes amb 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 per dia.

Vistes d'aquesta empresa

3. Problemes i contramesures davant el desenvolupament de les fàbriques vegetals

3.1 Problemes

3.1.1 Alt cost de construcció

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

3.1.2 Alt cost d'operació

La majoria de les fonts de llum que requereixen les fàbriques de plantes provenen de llums LED, que consumeixen molta electricitat alhora que proporcionen els 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, de manera que 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 d'actius fixos representen el 23%, l'embalatge i el transport representen el 12% i els materials de producció el 10%.

Desglossament del cost de producció de la fàbrica de la planta

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 plántula, el trasplantament, la plantació de camp i la collita encara requereixen operacions manuals, la qual cosa comporta uns costos laborals elevats.

3.1.4 Varietats limitades de cultius que es poden conrear

En l'actualitat, els tipus de cultius adequats per a les fàbriques de plantes són molt limitats, principalment verdures de fulla verda que creixen ràpidament, accepten fàcilment fonts de llum artificial i tenen un dosel baix.La plantació a gran escala no es pot dur a terme per a requisits complexos de plantació (com ara cultius que s'han de pol·linitzar, etc.).

3.2 Estratègia de desenvolupament

Davant la problemàtica a què s'enfronta la indústria de les fàbriques vegetals, 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) Reforçar la investigació sobre tecnologia intel·ligent de les fàbriques de plantes i millorar el nivell de gestió intensiva i refinada.El desenvolupament d'un sistema de gestió i control intel·ligent ajuda a aconseguir una gestió intensiva i refinada de les fàbriques de plantes, que pot reduir considerablement els costos laborals i estalviar mà d'obra.

(2) Desenvolupar equips tècnics de fàbrica de plantes intensives i eficients per aconseguir una alta qualitat anual i un alt rendiment.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 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 perspectiva de Plant Factory

4.1 Tendència de desenvolupament tecnològic

4.1.1 Intel·lectualització de procés complet

Basat en el mecanisme de fusió i prevenció de pèrdues de l'art de la màquina del sistema de cultiu-robot, efectes finals de plantació i collita flexibles i no destructius d'alta velocitat, posicionament precís de l'espai multidimensional distribuït i mètodes de control col·laboratiu multimodal de múltiples màquines, i sembra no tripulada, eficient i no destructiva a les fàbriques de plantes de gran alçada -S'han de crear robots intel·ligents i equips de suport com la plantació-collita-envasat, aconseguint així el funcionament no tripulat de tot el procés.

4.1.2 Fer el control de producció més intel·ligent

A partir del mecanisme de resposta del creixement i desenvolupament del cultiu 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 del medi ambient del cultiu.S'hauria d'establir un model bàsic estratègic per analitzar dinàmicament la informació de la vida dels vegetals de fulla i els paràmetres de l'entorn de producció.També s'hauria d'establir el 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·laborativa multimàquina per a tot el procés de producció d'una fàbrica agrícola vertical de gran volum.

4.1.3 Producció baixa en carboni i estalvi d'energia

Establir un sistema de gestió de l'energia 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 els objectius òptims de gestió energètica.Captar i reutilitzar les emissions de CO2 per ajudar a la producció de cultius.

4.1.3 Alt valor de les varietats premium

S'han 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, varietat i adaptabilitat de l'equip i formular especificacions tècniques de cultiu estàndard.

4.2 Perspectives de desenvolupament de la indústria

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

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

Autor: Zengchan Zhou, Weidong, etc

Informació de la citació:Situació actual i perspectives del desenvolupament de la indústria de la fàbrica de plantes [J].Tecnologia de l'enginyeria agrícola, 2022, 42(1): 18-23.de Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.