Sammanfattning: Under senare år, med den kontinuerliga utforskningen av modern jordbruksteknik, har även växtfabriksindustrin utvecklats snabbt. Denna artikel presenterar status quo, befintliga problem och utvecklingsåtgärder för växtfabriksteknik och industriutveckling, och ser fram emot utvecklingstrenden och utsikterna för växtfabriker i framtiden.

1. Nuvarande status för teknikutveckling i fabriker i Kina och utomlands

1.1 Status quo för utländsk teknikutveckling

Sedan 2000-talet har forskningen inom växtfabriker huvudsakligen fokuserat på förbättring av ljuseffektivitet, skapandet av flerskiktsutrustning för tredimensionella odlingssystem samt forskning och utveckling av intelligent hantering och kontroll. Under 2000-talet har innovationen inom jordbruks-LED-ljuskällor gjort framsteg, vilket ger viktigt tekniskt stöd för tillämpningen av LED-energibesparande ljuskällor i växtfabriker. Chiba University i Japan har gjort ett antal innovationer inom högeffektiva ljuskällor, energibesparande miljökontroll och odlingstekniker. Wageningen University i Nederländerna använder simulering av grödmiljö och dynamisk optimeringsteknik för att utveckla ett intelligent utrustningssystem för växtfabriker, vilket kraftigt minskar driftskostnaderna och avsevärt förbättrar arbetsproduktiviteten.

Under senare år har odlingsfabriker gradvis insett halvautomatisering av produktionsprocesser från sådd, plantodling, omplantering och skörd. Japan, Nederländerna och USA ligger i framkant med en hög grad av mekanisering, automatisering och intelligens, och utvecklas i riktning mot vertikalt jordbruk och obemannad drift.

1.2 Status för teknikutveckling i Kina

1.2.1 Specialiserad LED-ljuskälla och energibesparande applikationsutrustning för artificiellt ljus i fabrik

Speciella röda och blå LED-ljuskällor för produktion av olika växtarter i fabriker har utvecklats efter varandra. Effekten varierar från 30 till 300 W, och bestrålningsljusintensiteten är 80 till 500 μmol/(m2•s), vilket kan ge en ljusintensitet med ett lämpligt tröskelområde, ljuskvalitetsparametrar, för att uppnå effekten av högeffektiv energibesparing och anpassning till växternas tillväxt och belysningsbehov. När det gäller hantering av ljuskällans värmeavledning har en aktiv värmeavledningsdesign för ljuskällans fläkt introducerats, vilket minskar ljuskällans ljusavklingningshastighet och säkerställer ljuskällans livslängd. Dessutom föreslås en metod för att minska värmen från LED-ljuskällan genom näringslösning eller vattencirkulation. När det gäller hantering av ljuskällans utrymme, i enlighet med utvecklingslagen för växtstorlek i plantstadiet och senare skede, genom hantering av vertikal utrymmesrörelse hos LED-ljuskällan, kan växtkronan belysas på nära håll och energibesparingsmålet uppnås. För närvarande kan energiförbrukningen från ljuskällor i artificiellt ljus i fabriker stå för 50 % till 60 % av fabrikens totala energiförbrukning under drift. Även om LED kan spara 50 % energi jämfört med lysrör, finns det fortfarande potential och behov av forskning om energibesparingar och minskad förbrukning.

1.2.2 Flerskiktad tredimensionell odlingsteknik och utrustning

Skiktgapet i den flerskiktade tredimensionella odlingen minskas eftersom LED-lampan ersätter lysröret, vilket förbättrar den tredimensionella rymdutnyttjande effektiviteten i växtodlingen. Det finns många studier om utformningen av botten av odlingsbädden. De upphöjda ränderna är utformade för att generera turbulent flöde, vilket kan hjälpa växtrötterna att absorbera näringsämnen i näringslösningen jämnt och öka koncentrationen av löst syre. Med hjälp av koloniseringsplattan finns det två koloniseringsmetoder, det vill säga plastkoloniseringskoppar i olika storlekar eller svampperimeterkoloniseringsläge. Ett glidbart odlingsbäddssystem har dykt upp, och planteringsplattan och plantorna på den kan manuellt skjutas från ena änden till den andra, vilket realiserar produktionsläget att plantera i ena änden av odlingsbädden och skörda i den andra änden. För närvarande har en mängd olika tredimensionella flerskiktade jordfria odlingstekniker och utrustning baserade på näringsvätskefilmsteknik och djup vätskeflödesteknik utvecklats, och teknik och utrustning för substratodling av jordgubbar, aerosoldling av bladgrönsaker och blommor har dykt upp. Den nämnda tekniken har utvecklats snabbt.

1.2.3 Teknik och utrustning för cirkulation av näringslösningar

Efter att näringslösningen har använts en viss tid är det nödvändigt att tillsätta vatten och mineralämnen. Generellt bestäms mängden nyberedd näringslösning och mängden syra-baslösning genom att mäta EC och pH. Stora partiklar av sediment eller rotavlagringar i näringslösningen måste avlägsnas med ett filter. Rotutsöndringar i näringslösningen kan avlägsnas med fotokatalytiska metoder för att undvika hinder för kontinuerlig odling i hydroponik, men det finns vissa risker i näringstillgången.

1.2.4 Teknik och utrustning för miljökontroll

Luftrenheten i produktionsutrymmet är en av de viktiga indikatorerna på luftkvaliteten i fabriken. Luftrenheten (indikatorer på suspenderade partiklar och sedimenterande bakterier) i produktionsutrymmet under dynamiska förhållanden bör kontrolleras till en nivå över 100 000. Materialdesinfektion, luftduschbehandling för inkommande personal och luftreningssystem för friskluft (luftfiltreringssystem) är alla grundläggande skyddsåtgärder. Temperatur och fuktighet, CO2-koncentration och luftflödeshastighet i produktionsutrymmet är en annan viktig del av luftkvalitetskontrollen. Enligt rapporter kan installation av utrustning som luftblandningslådor, luftkanaler, luftintag och luftutlopp jämnt kontrollera temperatur och fuktighet, CO2-koncentration och luftflödeshastighet i produktionsutrymmet, för att uppnå hög rumslig enhetlighet och möta anläggningens behov på olika rumsliga platser. Temperatur-, fuktighets- och CO2-koncentrationskontrollsystemet och friskluftssystemet är organiskt integrerade i det cirkulerande luftsystemet. De tre systemen måste dela luftkanal, luftintag och luftutlopp och ge kraft genom fläkten för att realisera luftflödescirkulationen, filtreringen och desinfektionen, samt uppdatering och enhetlighet av luftkvaliteten. Det säkerställer att växtproduktionen i växtfabriken är fri från skadedjur och sjukdomar, och ingen bekämpningsmedelsanvändning krävs. Samtidigt garanteras jämnheten i temperatur, fuktighet, luftflöde och CO2-koncentration i tillväxtmiljöelementen i trädkronan för att möta växternas tillväxtbehov.

2. Utvecklingsstatus för fabriksindustrin

2.1 Status quo för utländsk fabriksindustri

I Japan går forskning, utveckling och industrialisering av fabriker för artificiellt ljus relativt snabbt och ligger på en ledande nivå. År 2010 lanserade den japanska regeringen 50 miljarder yen för att stödja teknisk forskning, utveckling och industriell demonstration. Åtta institutioner, inklusive Chiba University och Japan Plant Factory Research Association, deltog. Japan Future Company genomförde och drev det första demonstrationsprojektet för industrialisering av en fabrik med en daglig produktion på 3 000 anläggningar. År 2012 var produktionskostnaden för fabriken 700 yen/kg. År 2014 färdigställdes en modern fabrik i Taga Castle i Miyagi prefektur, vilket blev världens första LED-fabrik med en daglig produktion på 10 000 anläggningar. Sedan 2016 har LED-fabriker gått in i industrialiseringens snabba fil i Japan, och lönsamma företag har dykt upp ett efter ett. År 2018 dök storskaliga växtfabriker upp efter varandra med en daglig produktionskapacitet på 50 000 till 100 000 plantor, och de globala växtfabrikerna utvecklades mot storskalig, professionell och intelligent utveckling. Samtidigt började Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power och andra branscher investera i växtfabriker. År 2020 kommer marknadsandelen för sallad producerad av japanska växtfabriker att stå för cirka 10 % av hela salladsmarknaden. Av de mer än 250 växtfabriker för artificiellt ljus som för närvarande är i drift är 20 % i en förlustfas, 50 % är på break-even-nivå och 30 % är i en lönsam fas, vilket involverar odlade växtarter som sallad, örter och plantor.

Nederländerna är en verklig världsledare inom kombinerad tillämpningsteknik för solbelysning och artificiellt ljus för fabriksproduktion, med en hög grad av mekanisering, automatisering, intelligens och obemannad drift, och har nu exporterat en komplett uppsättning tekniker och utrustning som starka produkter till Mellanöstern, Afrika, Kina och andra länder. Amerikanska AeroFarms gård ligger i Newark, New Jersey, USA, med en yta på 6500 m2. Den odlar huvudsakligen grönsaker och kryddor, och produktionen är cirka 900 ton/år.

Vertikal odling i AeroFarms

Plenty Companys fabrik för vertikala odlingar i USA använder LED-belysning och en vertikal planteringsram med en höjd på 6 m. Växter växer från sidorna av planteringskärlen. Denna planteringsmetod, som förlitar sig på självbevattning, kräver inga ytterligare pumpar och är mer vatteneffektiv än konventionellt jordbruk. Plenty hävdar att hans gård producerar 350 gånger mer än en konventionell gård, samtidigt som den bara använder 1 % av vattnet.

Vertikal odlingsfabrik, Plenty Company

2.2 Status för fabriksindustrin i Kina

År 2009 byggdes och togs den första produktionsanläggningen i Kina med intelligent styrning som kärna i drift i Changchun Agricultural Expo Park. Byggnadsytan är 200 m2, och miljöfaktorer som temperatur, luftfuktighet, ljus, CO2 och näringslösningskoncentration i anläggningen kan övervakas automatiskt i realtid för att uppnå intelligent styrning.

År 2010 byggdes Tongzhou-fabriken i Peking. Huvudstrukturen är en enkelskiktad lätt stålkonstruktion med en total byggyta på 1289 m2. Den är formad som ett hangarfartyg, vilket symboliserar det kinesiska jordbruket som tar ledningen i att sätta segel mot den mest avancerade tekniken inom modernt jordbruk. Automatisk utrustning för vissa operationer inom bladgrönsaksproduktion har utvecklats, vilket har förbättrat produktionsautomationsnivån och produktionseffektiviteten i fabriken. Fabriken använder ett jordvärmepumpsystem och ett solenergisystem, vilket bättre löser problemet med höga driftskostnader för fabriken.

Insides- och utsidesvy av Tongzhou-fabriken

År 2013 etablerades många jordbruksteknikföretag i Yangling Agricultural High-tech Demonstration Zone i Shaanxi-provinsen. De flesta av de fabriksprojekt som är under uppbyggnad och drift är belägna i högteknologiska demonstrationsparker för jordbruket, vilka huvudsakligen används för populärvetenskapliga demonstrationer och sightseeing. På grund av deras funktionella begränsningar är det svårt för dessa populärvetenskapliga fabriker att uppnå den höga avkastning och höga effektivitet som industrialiseringen kräver, och det kommer att bli svårt för dem att bli den vanligaste formen av industrialisering i framtiden.

År 2015 samarbetade en stor LED-chiptillverkare i Kina med Institutet för botanik vid den kinesiska vetenskapsakademin för att gemensamt initiera etableringen av ett växtfabriksföretag. Det har gått från den optoelektroniska industrin till den "fotobiologiska" industrin och har blivit ett exempel för kinesiska LED-tillverkare att investera i byggandet av växtfabriker under industrialiseringen. Dess växtfabrik har åtagit sig att göra industriella investeringar i framväxande fotobiologi, som integrerar vetenskaplig forskning, produktion, demonstration, inkubation och andra funktioner, med ett registrerat kapital på 100 miljoner yuan. I juni 2016 färdigställdes och togs denna växtfabrik med en 3-våningsbyggnad som täcker en yta på 3 000 m2 och en odlingsyta på mer än 10 000 m2 i drift. I maj 2017 kommer den dagliga produktionsskalan att vara 1 500 kg bladgrönsaker, vilket motsvarar 15 000 salladsplantor per dag.

Synpunkter på detta företag

3. Problem och motåtgärder vid utveckling av fabriker

3.1 Problem

3.1.1 Hög byggkostnad

Växtfabriker behöver producera grödor i en sluten miljö. Därför är det nödvändigt att bygga stödjande projekt och utrustning, inklusive externa underhållsstrukturer, luftkonditioneringssystem, artificiella ljuskällor, flerskiktsodlingssystem, cirkulation av näringslösningar och datorstyrningssystem. Byggkostnaden är relativt hög.

3.1.2 Höga driftskostnader

De flesta ljuskällor som behövs i fabriker kommer från LED-lampor, som förbrukar mycket el samtidigt som de tillhandahåller motsvarande spektrum för odling av olika grödor. Utrustning som luftkonditionering, ventilation och vattenpumpar i fabrikernas produktionsprocess förbrukar också el, så elräkningar är en enorm kostnad. Enligt statistik står elkostnaderna för 29 %, arbetskraftskostnaderna för 26 %, avskrivningar på anläggningstillgångar för 23 %, förpackningar och transporter för 12 % och produktionsmaterial för 10 %.

Fördelning av produktionskostnader för fabrik

3.1.3 Låg automatiseringsnivå

Den nuvarande växtfabriken har en låg automatiseringsnivå, och processer som plantering, omplantering, fältplantering och skörd kräver fortfarande manuella operationer, vilket resulterar i höga arbetskostnader.

3.1.4 Begränsat antal odlade grödor

För närvarande är de typer av grödor som är lämpliga för planteringsfabriker mycket begränsade, främst gröna bladgrönsaker som växer snabbt, lätt accepterar artificiella ljuskällor och har låg krona. Storskalig plantering kan inte utföras för komplexa planteringskrav (t.ex. grödor som behöver pollineras etc.).

3.2 Utvecklingsstrategi

Med tanke på de problem som fabriksindustrin står inför är det nödvändigt att genomföra forskning utifrån olika aspekter, såsom teknik och drift. Som svar på de nuvarande problemen finns följande motåtgärder.

(1) Stärka forskningen om intelligent teknik för fabriker och förbättra nivån på intensiv och förfinad förvaltning. Utvecklingen av ett intelligent förvaltnings- och kontrollsystem bidrar till att uppnå intensiv och förfinad förvaltning av fabriker, vilket kan minska arbetskraftskostnaderna och spara arbetskraft.

(2) Utveckla intensiv och effektiv teknisk utrustning för odlingsfabriker för att uppnå årlig hög kvalitet och hög avkastning. Utvecklingen av högeffektiva odlingsanläggningar och -utrustning, energibesparande belysningsteknik och -utrustning etc. för att förbättra den intelligenta nivån i odlingsfabriker bidrar till att uppnå årlig högeffektiv produktion.

(3) Bedriva forskning om industriell odlingsteknik för växter med högt förädlingsvärde såsom medicinalväxter, hälsoväxter och sällsynta grönsaker, öka antalet grödor som odlas i växtfabriker, bredda vinstkanalerna och förbättra utgångspunkten för vinst.

(4) Genomföra forskning om växtfabriker för hushålls- och kommersiellt bruk, berika typerna av växtfabriker och uppnå kontinuerlig lönsamhet med olika funktioner.

4. Utvecklingstrend och utsikter för fabriksfabriker

4.1 Teknikutvecklingstrend

4.1.1 Intellektualisering i hela processen

Baserat på maskinkonstfusions- och förlustförebyggande mekanism i grödo-robotsystemet, bör snabba flexibla och icke-destruktiva planterings- och skördeffektorer, distribuerad flerdimensionell rymdnoggrann positionering och multimodala samarbetsmetoder för flera maskiner, samt obemannad, effektiv och icke-destruktiv sådd i höghusfabriker skapas. Intelligenta robotar och stödutrustning som plantering-skörd-packning bör skapas, för att därmed realisera den obemannade driften av hela processen.

4.1.2 Gör produktionskontrollen smartare

Baserat på responsmekanismen för grödors tillväxt och utveckling på ljusstrålning, temperatur, fuktighet, CO2-koncentration, näringskoncentration i näringslösning och EC, bör en kvantitativ modell för återkoppling mellan gröda och miljö konstrueras. En strategisk kärnmodell bör etableras för att dynamiskt analysera information om bladgrönsakers livslängd och parametrar i produktionsmiljön. Ett dynamiskt identifierings-, diagnos- och processkontrollsystem online för miljön bör också etableras. Ett samarbetande beslutssystem med artificiell intelligens för flera maskiner för hela produktionsprocessen i en vertikal jordbruksfabrik med hög volym bör skapas.

4.1.3 Koldioxidsnål produktion och energibesparing

Etablera ett energihanteringssystem som använder förnybara energikällor som sol och vind för att slutföra kraftöverföring och kontrollera energiförbrukningen för att uppnå optimala energihanteringsmål. Fånga och återanvända koldioxidutsläpp för att underlätta grödoproduktionen.

4.1.3 Högt värde av premiumsorter

Genomförbara strategier bör vidtas för att avla olika sorter med högt förädlingsvärde för planteringsexperiment, bygga en databas med experter på odlingsteknik, bedriva forskning om odlingsteknik, täthetsval, stubbarrangemang, anpassningsförmåga för sort och utrustning samt utforma standardiserade tekniska odlingsspecifikationer.

4.2 Utvecklingsutsikter för industrin

Växtfabriker kan bli av med resurs- och miljöbegränsningar, förverkliga industrialiserad jordbruksproduktion och locka en ny generation arbetskraft att engagera sig i jordbruksproduktion. Den viktigaste tekniska innovationen och industrialiseringen av Kinas fabriker håller på att bli världsledande. Med den accelererade tillämpningen av LED-ljuskällor, digitalisering, automatisering och intelligent teknik inom fabriksindustrin kommer fabriker att attrahera fler kapitalinvesteringar, talanginsamling och användning av mer ny energi, nya material och ny utrustning. På så sätt kan en djupgående integration av informationsteknik och anläggningar och utrustning realiseras, den intelligenta och obemannade nivån av anläggningar och utrustning förbättras, den kontinuerliga minskningen av systemets energiförbrukning och driftskostnader genom kontinuerlig innovation och den gradvisa odlingen av specialiserade marknader kommer intelligenta fabriker att inleda en gyllene period av utveckling.

Enligt marknadsundersökningar var den globala marknaden för vertikalt jordbruk endast 2,9 miljarder USD år 2020, och det förväntas att den globala marknaden för vertikalt jordbruk kommer att nå 30 miljarder USD år 2025. Sammanfattningsvis har växtfabriker breda tillämpningsmöjligheter och utvecklingsutrymme.

Författare: Zengchan Zhou, Weidong, etc

Citatinformation:Nuvarande situation och utsikter för utvecklingen av fabriksindustrin [J]. Jordbruksteknik, 2022, 42(1): 18-23.av Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.