Sammanfattning: Under de senaste åren, med den kontinuerliga utforskningen av modern jordbruksteknik, har växtfabriksindustrin också utvecklats snabbt. Detta dokument introducerar status quo, befintliga problem och utvecklingsmotåtgärder för fabriksteknik och industriutveckling, och ser fram emot utvecklingstrenden och utsikterna för växtfabriker i framtiden.

1. Aktuell status för teknisk utveckling i fabriker i Kina och utomlands

1.1 Status quo för utländsk teknikutveckling

Sedan 2000-talet har växtfabrikernas forskning huvudsakligen fokuserat på förbättring av ljuseffektiviteten, skapandet av flerskikts tredimensionell odlingssystemutrustning och forskning och utveckling av intelligent förvaltning och kontroll. Under 2000-talet har innovationen av LED-ljuskällor för jordbruket 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 grödamiljö och dynamisk optimeringsteknik för att utveckla ett intelligent utrustningssystem för fabriker, vilket kraftigt minskar driftskostnaderna och avsevärt förbättrar arbetsproduktiviteten.

Under de senaste åren har växtfabriker gradvis insett halvautomatiseringen av produktionsprocesser från sådd, plantor att odla, transplantera och skörda. 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 Teknikutvecklingsstatus i Kina

1.2.1 Specialiserad LED-ljuskälla och energibesparande applikationsteknikutrustning för artificiellt ljus i fabriksfabriken

Särskilda röda och blå LED-ljuskällor för produktion av olika växtarter i växtfabriker har utvecklats efter varandra. Effekten sträcker sig 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 högeffektivitet energibesparing och anpassning till behoven av växttillväxt och belysning. När det gäller hantering av ljuskällans värmeavledning har den aktiva värmeavledningsdesignen 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 rymd, enligt evolutionslagen för växtstorlek i plantstadiet och senare skede, genom den vertikala rymdrörelsens hantering av LED-ljuskällan, kan växtkronan belysas på nära avstånd och energibesparingsmålet är uppnåtts. För närvarande kan energiförbrukningen för fabrikens ljuskälla för artificiellt ljus stå för 50% till 60% av den totala driftenergiförbrukningen i fabriken. Även om LED kan spara 50 % energi jämfört med lysrör, finns det fortfarande potentialen och nödvändigheten av forskning om energibesparing och förbrukningsminskning.

1.2.2 Flerskikts tredimensionell odlingsteknik och utrustning

Lagergapet i den flerskiktiga tredimensionella odlingen minskar eftersom lysdioden ersätter lysröret, vilket förbättrar växtodlingens tredimensionella utrymmesutnyttjandeeffektivitet. Det finns många studier om utformningen av odlingsbäddens botten. De upphöjda ränderna är designade för att generera turbulent flöde, vilket kan hjälpa växtrötter att absorbera näring i näringslösningen jämnt och öka koncentrationen av löst syre. Med hjälp av koloniseringsbrädet finns det två koloniseringsmetoder, det vill säga plastkoloniseringskopparna av olika storlekar eller svampens perimeterkoloniseringsläge. Ett glidbart system för odlingsbädd har dykt upp och planteringsbrädan och plantorna på den kan manuellt skjutas från ena änden till den andra, vilket förverkligar produktionssättet att plantera i ena änden av odlingsbädden och skörda i den andra änden. För närvarande har en mängd tredimensionell flerlagers jordfri odlingsteknik och utrustning baserad på näringsvätskefilmsteknik och djupvätskeflödesteknik utvecklats, och tekniken och utrustningen för substratodling av jordgubbar, aerosolodling av bladgrönsaker och blommor har vuxit fram. Den nämnda tekniken har utvecklats snabbt.

1.2.3 Teknik och utrustning för cirkulation av näringslösningar

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

1.2.4 Miljökontrollteknik och utrustning

Luftrenheten i produktionsutrymmet är en av de viktiga indikatorerna på luftkvaliteten i fabriken. Luftrenheten (indikatorer för suspenderade partiklar och sedimenterade bakterier) i växtfabrikens produktionsutrymme under dynamiska förhållanden bör kontrolleras till en nivå över 100 000. Inmatning av materialdesinfektion, behandling av inkommande personal med luftdusch och luftreningssystem för frisk luftcirkulation (luftfiltreringssystem) är alla grundläggande säkerhetsåtgärder. Temperaturen och luftfuktigheten, CO2-koncentrationen och luftflödeshastigheten för luften i produktionsutrymmet är ett annat viktigt innehåll i luftkvalitetskontrollen. Enligt rapporter kan inställning av utrustning som luftblandningslådor, luftkanaler, luftintag och luftutlopp jämnt kontrollera temperatur och luftfuktighet, CO2-koncentration och luftflödeshastighet i produktionsutrymmet, för att uppnå hög rumslig enhetlighet och möta anläggningens behov på olika rumsliga platser. Kontrollsystemet för temperatur, luftfuktighet och CO2-koncentration och friskluftsystemet är organiskt integrerade i cirkulationsluftsystemet. De tre systemen måste dela luftkanalen, luftinloppet och luftutloppet och ge ström genom fläkten för att realisera cirkulationen av luftflöde, filtrering och desinfektion samt uppdatering och enhetlig luftkvalitet. Det säkerställer att växtproduktionen i växtfabriken är fri från skadedjur och sjukdomar, och ingen bekämpningsmedelsapplicering krävs. Samtidigt garanteras enhetligheten i temperatur, luftfuktighet, luftflöde och CO2-koncentration av växtmiljöelementen i baldakinen att möta behoven för växttillväxt.

2. Utvecklingsstatus för växtfabriksindustrin

2.1 Status quo för utländsk fabriksindustri

I Japan går forskningen och utvecklingen och industrialiseringen av fabriker för konstgjorda ljusväxter relativt snabbt, och de är på den ledande nivån. 2010 lanserade den japanska regeringen 50 miljarder yen för att stödja teknisk forskning och 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 växtfabrik med en daglig produktion på 3 000 anläggningar. 2012 var produktionskostnaden för växtfabriken 700 yen/kg. 2014 färdigställdes en modern fabriksfabrik i Taga Castle, Miyagi Prefecture, och blev världens första LED-fabrik med en daglig produktion på 10 000 växter. Sedan 2016 har LED-fabriker gått in i den snabba industrialiseringen i Japan, och break-even eller lönsamma företag har dykt upp en efter en. Under 2018 dök storskaliga fabriker med en daglig produktionskapacitet på 50 000 till 100 000 växter upp efter varandra, och de globala växtfabrikerna utvecklades mot storskalig, professionell och intelligent utveckling. Samtidigt började Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power och andra områden investera i fabriker. År 2020 kommer marknadsandelen för sallad som produceras av japanska växtfabriker att utgöra cirka 10 % av hela salladsmarknaden. Bland de mer än 250 fabriker av konstgjorda lätta växter som för närvarande är i drift är 20 % i ett förluststadium, 50 % är på break-even-nivå och 30 % är i ett lönsamt stadium, med odlade växtarter som t.ex. sallad, örter och plantor.

Nederländerna är en verklig världsledare inom området kombinerad applikationsteknik för solljus och artificiellt ljus för fabriker, med en hög grad av mekanisering, automation, intelligens och obemannadhet, och har nu exporterat en hel uppsättning teknologier och utrustning som är lika stark. produkter till Mellanöstern, Afrika, Kina och andra länder. American AeroFarms farm ligger i Newark, New Jersey, USA, med en yta på 6500 m2. Den odlar främst grönsaker och kryddor och produktionen är cirka 900 ton/år.

Vertikal odling i AeroFarms

Plenty Companys vertikala lantbruksfabrik i USA använder LED-belysning och en vertikal planteringsram med en höjd av 6 m. Växter växer från sidorna av planteringskärlen. Förlitar sig på gravitation vattning, denna metod för plantering kräver inga ytterligare pumpar och är mer vatteneffektiv än konventionellt jordbruk. Plenty hävdar att hans gård producerar 350 gånger så mycket som en konventionell gård medan han bara använder 1 % av vattnet.

Vertikal lantbruksfabrik, Plenty Company

2.2 Status fabrik fabriksindustrin i Kina

2009 byggdes den första produktionsanläggningsfabriken i Kina med intelligent styrning som kärna och togs i drift i Changchun Agricultural Expo Park. Byggytan är 200 m2 och växtfabrikens miljöfaktorer som temperatur, luftfuktighet, ljus, CO2 och näringslösningskoncentration kan övervakas automatiskt i realtid för att realisera intelligent förvaltning.

2010 byggdes Tongzhou Plant Factory i Peking. Huvudstrukturen antar en lätt stålkonstruktion i ett lager med en total konstruktionsyta på 1289 m2. Det är format som ett hangarfartyg, som symboliserar det kinesiska jordbruket som tar ledningen när det gäller att segla till den mest avancerade tekniken inom modernt jordbruk. Den automatiska utrustningen för vissa verksamheter av bladgrönsaksproduktion har utvecklats, vilket har förbättrat produktionsautomationsnivån och produktionseffektiviteten i växtfabriken. Anläggningsfabriken använder ett bergvärmepumpsystem och ett solenergigenereringssystem, vilket bättre löser problemet med höga driftskostnader för anläggningsfabriken.

Inifrån och utanför vy av Tongzhou Plant Factory

Under 2013 etablerades många jordbruksteknikföretag i Yangling Agricultural Hightech Demonstration Zone, Shaanxi-provinsen. De flesta av växtfabriksprojekten som är under uppbyggnad och drift finns i högteknologiska demonstrationsparker inom jordbruket, som främst används för populärvetenskapliga demonstrationer och sightseeing på fritiden. På grund av deras funktionella begränsningar är det svårt för dessa populärvetenskapliga växtfabriker att uppnå det höga utbyte och höga effektivitet som krävs av industrialiseringen, och det kommer att bli svårt för dem att bli den vanliga formen av industrialisering i framtiden.

Under 2015 samarbetade en stor LED-chiptillverkare i Kina med Institute of Botany vid den kinesiska vetenskapsakademin för att gemensamt inleda etableringen av ett fabriksföretag. Det har gått från den optoelektroniska industrin till den "fotobiologiska" industrin och har blivit ett prejudikat för kinesiska LED-tillverkare att investera i byggandet av växtfabriker i industrialiseringen. Dess Plant Factory 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 på en yta på 3 000 m2 och en odlingsyta på över 10 000 m2 i drift. I maj 2017 kommer den dagliga produktionsskalan att vara 1 500 kg bladgrönsaker, motsvarande 15 000 salladsplantor per dag.

Synpunkter på detta företag

3. Problem och motåtgärder som ställs inför utvecklingen av växtfabriker

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, näringslösningscirkulation och datorkontrollsystem. Byggkostnaden är relativt hög.

3.1.2 Hög driftkostnad

De flesta av de ljuskällor som växtfabriker kräver kommer från LED-lampor, som förbrukar mycket elektricitet samtidigt som de ger motsvarande spektrum för odling av olika grödor. Utrustning som luftkonditionering, ventilation och vattenpumpar i produktionsprocessen i fabriker förbrukar också elektricitet, så elräkningar är en enorm kostnad. Enligt statistiken står elkostnaderna för 29% av produktionskostnaderna för fabriker, arbetskostnaderna för 26%, avskrivningar på anläggningstillgångar för 23%, förpackningar och transporter för 12% och produktionsmaterial för 10%.

Fördelning av produktionskostnad för anläggningsfabrik

3.1.3 Låg nivå av automatisering

Den för närvarande tillämpade växtfabriken har en låg nivå av automatisering, och processer som plantor, transplantation, fältplantering och skörd kräver fortfarande manuella operationer, vilket resulterar i höga arbetskostnader.

3.1.4 Begränsade sorter av grödor som kan odlas

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

3.2 Utvecklingsstrategi

Med hänsyn till de problem som växtfabriksindustrin står inför är det nödvändigt att bedriva forskning ur olika aspekter såsom teknik och drift. Som svar på de nuvarande problemen är motåtgärderna följande.

(1) Stärka forskningen om intelligent teknik i växtfabriker och förbättra nivån på intensiv och förfinad förvaltning. Utvecklingen av ett intelligent lednings- och kontrollsystem hjälper till att uppnå en intensiv och förfinad hantering av anläggningsfabriker, vilket avsevärt kan minska arbetskostnaderna och spara arbetskraft.

(2) Utveckla intensiv och effektiv fabriksteknisk utrustning 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 av växtfabriker, bidrar till förverkligandet av årlig högeffektiv produktion.

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

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

4. Utvecklingstrend och utsikter för Plant Factory

4.1 Teknikutvecklingstrend

4.1.1 Intellektualisering i hela processen

Baserat på maskinkonstens sammansmältning och förlustförebyggande mekanism för gröda-robotsystemet, höghastighetsflexibla och oförstörande sluteffektorer för plantering och skörd, fördelade flerdimensionella utrymmen exakt positionering och multi-modala multi-maskin kollaborativa kontrollmetoder, och obemannad, effektiv och oförstörande sådd i höghusfabriker -Intelligenta robotar och stödjande utrustning som plantering-skörd-packning bör skapas, och på så sätt förverkliga den obemannade driften av hela processen.

4.1.2 Gör produktionsstyrningen smartare

Baserat på responsmekanismen för grödans tillväxt och utveckling på ljusstrålning, temperatur, luftfuktighet, CO2-koncentration, näringskoncentration av näringslösning och EC, bör en kvantitativ modell för återkoppling av grödans miljö konstrueras. En strategisk kärnmodell bör upprättas för att dynamiskt analysera information om bladgrönsakers liv och produktionsmiljöparametrar. Det online dynamiska identifieringsdiagnos- och processkontrollsystemet för miljön bör också upprättas. Ett multi-maskin kollaborativt artificiell intelligens beslutsfattande system för hela produktionsprocessen av en högvolym vertikal jordbruksfabrik bör skapas.

4.1.3 Låg koldioxidproduktion och energibesparing

Etablera ett energiledningssystem som använder förnybara energikällor som sol och vind för att slutföra kraftöverföring och kontrollera energiförbrukningen för att uppnå optimala energihushållningsmål. Fånga upp och återanvända CO2-utsläpp för att underlätta växtodlingen.

4.1.3 Högt värde på premiumsorter

Genomförbara strategier bör vidtas för att föda upp olika sorter med högt förädlingsvärde för planteringsexperiment, bygga upp en databas med odlingsteknikexperter, bedriva forskning om odlingsteknik, val av täthet, stubbarrangemang, variation och utrustningsanpassningsförmåga, och forma tekniska standardspecifikationer för odling.

4.2 Industrins utvecklingsutsikter

Växtfabriker kan bli av med begränsningarna av resurser och miljö, förverkliga den industrialiserade produktionen av jordbruk och attrahera den nya generationens 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 växtfabriker, kommer växtfabriker att locka fler kapitalinvesteringar, talanginsamling och användning av mer ny energi, nya material och ny utrustning. På detta sätt kan den djupgående integreringen av informationsteknologi och anläggningar och utrustning realiseras, den intelligenta och obemannade nivån på anläggningar och utrustning kan förbättras, den kontinuerliga minskningen av systemets energiförbrukning och driftskostnader genom kontinuerlig innovation och den gradvisa odling av specialiserade marknader, intelligenta växtfabriker kommer att inleda en gyllene period av utveckling.

Enligt marknadsundersökningsrapporter är den globala vertikala jordbruksmarknadens storlek 2020 endast 2,9 miljarder USD, och det förväntas att 2025 kommer den globala vertikala jordbruksmarknaden att nå 30 miljarder USD. Sammanfattningsvis har växtfabriker breda tillämpningsmöjligheter och utvecklingsutrymme.

Författare: Zengchan Zhou, Weidong, etc

Citatinformation:Nuvarande situation och framtidsutsikter för växtfabriksindustrins utveckling [J]. Lantbruksteknik, 2022, 42(1): 18-23.av Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.