Abstract: I de senere år, med den kontinuerlige udforskning af moderne landbrugsteknologi, har plantefabriksindustrien også udviklet sig hurtigt. Denne artikel introducerer status quo, eksisterende problemer og udviklingsmæssige modforanstaltninger af plantefabriksteknologi og industriudvikling og ser frem til udviklingstrenden og udsigten til plantefabrikker i fremtiden.

1. Den aktuelle status for teknologiudvikling i plantefabrikker i Kina og i udlandet

1.1 Status quo for udenlandsk teknologiudvikling

Siden det 21. århundrede har forskningen af ​​plantefabrikker hovedsageligt fokuseret på forbedring af lyseffektivitet, oprettelse af flerlags tredimensionelt dyrkningssystemudstyr og forskning og udvikling af intelligent styring og kontrol. I det 21. århundrede har innovationen af ​​Landbrugs LED-lyskilder gjort fremskridt, hvilket giver vigtig teknisk support til anvendelse af LED-energibesparende lyskilder i plantefabrikker. Chiba University i Japan har lavet en række innovationer inden for højeffektiv lyskilder, energibesparende miljøkontrol og dyrkningsteknikker. Wageningen University i Holland bruger simulering af afgrøder og dynamisk optimeringsteknologi til at udvikle et intelligent udstyrssystem til plantefabrikker, hvilket i høj grad reducerer driftsomkostningerne og forbedrer arbejdsproduktiviteten markant.

I de senere år har plantefabrikker gradvist realiseret semi-automatiseringen af ​​produktionsprocesser fra såning, frøplantning, transplantation og høst. Japan, Holland og De Forenede Stater er i forkant med en høj grad af mekanisering, automatisering og intelligens og udvikler sig i retning af lodret landbrug og ubemandet drift.

1.2 Teknologiudviklingsstatus i Kina

1.2.1 Specializd LED lyskilde og energibesparende applikationsteknologiudstyr til kunstigt lys i plantefabrik

Særlige røde og blå LED -lyskilder til produktion af forskellige plantearter i plantefabrikker er blevet udviklet efter hinanden. Strømmen varierer fra 30 til 300 W, og bestrålingslysintensiteten er 80 til 500 μmol/(M2 • S), som kan give en lysintensitet med et passende tærskelområde, let kvalitetsparametre, for at opnå effekten af ​​højeffektivitet Energibesparelse og tilpasning til behovene ved plantevækst og belysning. Med hensyn til håndtering af lyskildevarme er den aktive varmeafledningsdesign af lyskildeventilatoren blevet introduceret, hvilket reducerer lyskildens lette forfaldshastighed og sikrer lyskildens levetid. Derudover foreslås en metode til at reducere varmen fra LED -lyskilde gennem næringsopløsning eller vandcirkulation. Med hensyn til lyskilde rumstyring, i henhold til udviklingsloven om plantestørrelse i frøplantningsstadiet og senere trin, gennem den lodrette rumbevægelsesstyring af LED -lyskilde, kan planten baldakin blive oplyst i tæt afstand, og det energibesparende mål er opnået. På nuværende tidspunkt kan energiforbruget i kunstig lysplantefabriks lyskilde tegne sig for 50% til 60% af det samlede driftsenergiforbrug på plantefabrikken. Selvom LED kan spare 50% energi sammenlignet med fluorescerende lamper, er der stadig potentialet og nødvendigheden af ​​forskning på energibesparelse og reduktion af forbrug.

1.2.2 Flerlags tredimensionel dyrkningsteknologi og -udstyr

Lagets gap for det flerlags tredimensionelle dyrkning reduceres, fordi LED erstatter fluorescerende lampe, hvilket forbedrer den tredimensionelle rumudnyttelseseffektivitet af plantens dyrkning. Der er mange undersøgelser af designet af bunden af ​​dyrkningsseng. De hævede striber er designet til at generere turbulent strømning, som kan hjælpe med at plante rødder til at absorbere næringsstoffer i næringsstofopløsningen jævnt og øge koncentrationen af ​​opløst ilt. Ved hjælp af koloniseringskortet er der to koloniseringsmetoder, det vil sige de plastikkoloniseringskopper i forskellige størrelser eller svampområdet koloniseringstilstand. Et glidbart dyrkningssystem er vist sig, og plantningspladen og planterne på det kan manuelt skubbes fra den ene ende til den anden, og realisere produktionsmetoden til plantning i den ene ende af dyrkningsseng og høst i den anden ende. På nuværende tidspunkt er der udviklet en række tredimensionelle flerlags-sadskultureknologi og -udstyr baseret på næringsvæskefilmteknologi og dyb væskestrømningsteknologi, og teknologien og udstyret til substratdyrkning af jordbær, aerosoldyrkning af bladgrøntsager og blomster er dukket op. Den nævnte teknologi har udviklet sig hurtigt.

1.2.3 Næringsopløsningscirkulationsteknologi og udstyr

Når næringsopløsningen er blevet brugt i en periode, er det nødvendigt at tilføje vand- og mineralelementer. Generelt bestemmes mængden af ​​nyligt forberedt næringsopløsning og mængden af ​​syre-baseopløsning ved måling af EC og PH. Store partikler af sediment eller rodfoliering i næringsopløsningen skal fjernes med et filter. Rodeksudater i næringsopløsningen kan fjernes ved fotokatalytiske metoder for at undgå kontinuerlige beskæringshindringer i hydroponik, men der er visse risici i næringsstoftilgængeligheden.

1.2.4 Miljøkontrolteknologi og -udstyr

Produktionsrummets luftrenshed er en af ​​de vigtige indikatorer for luftkvaliteten på plantefabrikken. Luftens renhed (indikatorer for suspenderede partikler og bosatte bakterier) i produktionsrummet på plantefabrikken under dynamiske forhold skal kontrolleres til et niveau over 100.000. Materiale desinfektionsindgang, indgående personale luftbruser behandling og frisk luftcirkulation Air Purification System (Air Filtration System) er alle grundlæggende beskyttelsesforanstaltninger. Temperaturen og fugtigheden, CO2 -koncentrationen og luftstrømshastigheden i luften i produktionsrummet er et andet vigtigt indhold af luftkvalitetskontrol. Ifølge rapporter kan opsætning af udstyr såsom luftblandingsbokse, luftkanaler, luftindløb og luftudtag jævnt at kontrollere temperaturen og fugtigheden, CO2 -koncentrationen og luftstrømshastigheden i produktionsrummet for at opnå høj rumlig ensartethed og imødekomme plantens behov på forskellige rumlige placeringer. Temperaturen, fugtigheden og CO2 -koncentrationskontrolsystemet og det friske luftsystem er organisk integreret i det cirkulerende luftsystem. De tre systemer er nødt til at dele luftkanalen, luftindløbet og luftudløbet og give strøm gennem ventilatoren for at realisere cirkulationen af ​​luftstrøm, filtrering og desinfektion og opdatering og ensartethed i luftkvaliteten. Det sikrer, at planteproduktionen i plantefabrikken er fri for skadedyr og sygdomme, og der kræves ingen pesticidanvendelse. På samme tid garanteres ensartetheden af ​​temperatur, fugtighed, luftstrøm og CO2 -koncentration af vækstmiljøelementerne i baldakinen at imødekomme behovene i plantevækst.

2. Udviklingsstatus for plantefabriksindustrien

2.1 Status quo for udenlandsk plantefabriksindustri

I Japan er forskningen og udviklingen og industrialiseringen af ​​kunstige lysplantefabrikker relativt hurtige, og de er på det førende niveau. I 2010 lancerede den japanske regering 50 milliarder yen for at støtte teknologiforskning og udvikling og industriel demonstration. Otte institutioner inklusive Chiba University og Japan Plant Factory Research Association deltog. Japan Future Company påtog sig og drev det første industrialiseringsdemonstrationsprojekt fra en plantefabrik med en daglig produktion på 3.000 planter. I 2012 var produktionsomkostningerne for plantefabrikken 700 yen/kg. I 2014 blev moderne fabriksanlæg i Taga Castle, Miyagi Prefecture afsluttet, og blev verdens første LED -anlægsfabrik med en daglig output på 10.000 planter. Siden 2016 er LED-anlægsfabrikker gået ind i den hurtige bane af industrialisering i Japan, og break-even eller rentable virksomheder er kommet frem efter hinanden. I 2018 optrådte store plantefabrikker med en daglig produktionskapacitet på 50.000 til 100.000 planter den ene efter den anden, og de globale plantefabrikker udviklede sig mod storstilet, professionel og intelligent udvikling. På samme tid begyndte Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power og andre felter at investere i plantefabrikker. I 2020 vil markedsandelen af ​​salat produceret af japanske plantefabrikker tegne sig for ca. 10% af hele salatmarkedet. Blandt de mere end 250 kunstige lysplantefabrikker, der i øjeblikket er i drift, er 20% i et tabs-fase, 50% er på break-even-niveau, og 30% er i et rentabelt trin, der involverer dyrkede plantearter, såsom Salat, urter og frøplanter.

Holland er en førende førende førende inden for kombineret applikationsteknologi for sollys og kunstigt lys til plantefabrik, med en høj grad af mekanisering, automatisering, intelligens og ubemandet og har nu eksporteret et komplet sæt teknologier og udstyr som stærkt Produkter til Mellemøsten, Afrika, Kina og andre lande. American Aerofarms Farm ligger i Newark, New Jersey, USA, med et område på 6500 m2. Det dyrker hovedsageligt grøntsager og krydderier, og output er ca. 900 t/år.

Lodret landbrug i aerofarms

Den lodrette landbrugsanlæg i masser af selskab i USA vedtager LED -belysning og en lodret plantningsramme med en højde på 6 m. Planter vokser fra siderne af plantagerne. At stole på tyngdekraft vanding kræver denne metode til plantning ikke yderligere pumper og er mere vandeffektiv end konventionelt landbrug. Masser hævder, at hans gård producerer 350 gange output fra en konventionel gård, mens han kun bruger 1% af vandet.

Lodret landbrugsfabrik, masser af selskab

2.2 Status Plant Factory Industry i Kina

I 2009 blev den første produktionsanlæg i Kina med intelligent kontrol, da kernen blev bygget og gennemført i Changchun Agricultural Expo Park. Bygningsområdet er 200 m2, og miljøfaktorer såsom temperatur, fugtighed, lys, CO2 og næringsopløsningskoncentration af plantefabrikken kan automatisk overvåges i realtid for at realisere intelligent styring.

I 2010 byggede Tongzhou Plant Factory i Beijing. Hovedstrukturen vedtager en enkeltlags lysstålstruktur med et samlet konstruktionsområde på 1289 m2. Det er formet som et flyselskab, der symboliserer det kinesiske landbrug, der tager føringen med at sejle til den mest avancerede teknologi i det moderne landbrug. Det automatiske udstyr til nogle operationer af bladgrøntsagsproduktion er udviklet, hvilket har forbedret produktionsautomationsniveauet og produktionseffektiviteten af ​​plantefabrikken. Plantfabrikken vedtager et jordkildevarmesystem og et solenergiproduktionssystem, som bedre løser problemet med høje driftsomkostninger for plantefabrikken.

Indvendigt og udvendigt udsigt over Tongzhou Plant Factory

I 2013 blev mange landbrugsteknologiselskaber etableret i Yangling Agricultural High-Tech Demonstration Zone, Shaanxi-provinsen. De fleste af plantefabriksprojekterne under opførelse og drift er placeret i landbrugsparker med højteknologisk demonstration, som hovedsageligt bruges til populære videnskabsdemonstrationer og fritid. På grund af deres funktionelle begrænsninger er det vanskeligt for disse populære videnskabelige planterfabrikker at opnå det høje udbytte og den høje effektivitet, der kræves af industrialiseringen, og det vil være vanskeligt for dem at blive den almindelige form for industrialisering i fremtiden.

I 2015 samarbejdede en større LED -chipproducent i Kina med Institute of Botany of the Chinese Academy of Sciences for i fællesskab at indlede etablering af et plantefabriksfirma. Det er krydset fra den optoelektroniske industri til den "fotobiologiske" industri og er blevet en præcedens for kinesiske LED -producenter til at investere i opførelsen af ​​plantefabrikker i industrialiseringen. Dets plantefabrik er forpligtet til at foretage industrielle investeringer i ny fotobiologi, der integrerer videnskabelig forskning, produktion, demonstration, inkubation og andre funktioner med en registreret kapital på 100 millioner yuan. I juni 2016 blev denne plantefabrik med en 3-etagers bygning, der dækker et område på 3.000 m2, og et dyrkningsområde på mere end 10.000 m2, afsluttet og blev sat i drift. I maj 2017 vil den daglige produktionsskala være 1.500 kg bladgrøntsager, svarende til 15.000 salatplanter pr. Dag.

Visninger af dette firma

3. Problemer og modforanstaltninger, der står over for udviklingen af ​​plantefabrikker

3.1 Problemer

3.1.1 høje byggeomkostninger

Plantefabrikker er nødt til at producere afgrøder i et lukket miljø. Derfor er det nødvendigt at bygge understøttende projekter og udstyr, herunder eksterne vedligeholdelsesstrukturer, klimaanlægssystemer, kunstige lyskilder, multi-lags dyrkningssystemer, næringsopløsningscirkulation og computerstyringssystemer. Konstruktionsomkostningerne er relativt høje.

3.1.2 Høje driftsomkostninger

De fleste af de lyskilder, der kræves af plantefabrikker, kommer fra LED -lys, der forbruger en masse elektricitet, mens de giver tilsvarende spektrum til væksten af ​​forskellige afgrøder. Udstyr som aircondition, ventilation og vandpumper i produktionsprocessen for plantefabrikker forbruger også elektricitet, så elregninger er en enorm udgift. I henhold til statistikker, blandt produktionsomkostningerne for plantefabrikker, tegner elektricitetsomkostningerne sig for 29%, arbejdsomkostninger tegner sig for 26%, retsafskrivningerne på 23%, emballage og transport tegner sig for 12%, og produktionsmaterialer tegner sig for 10%.

Nedbrud af produktionsomkostninger for plantefabrik

3.1.3 Lavt automatiseringsniveau

Den aktuelt anvendte plantefabrik har et lavt niveau af automatisering, og processer såsom frøplante, transplantation, feltplantning og høst kræver stadig manuelle operationer, hvilket resulterer i høje arbejdsomkostninger.

3.1.4 begrænsede sorter af afgrøder, der kan dyrkes

På nuværende tidspunkt er de typer afgrøder, der er egnede til plantefabrikker, meget begrænsede, hovedsageligt grønne bladgrøntsager, der vokser hurtigt, let accepterer kunstige lyskilder og har lav baldakin. Storplantning kan ikke udføres til komplekse plantningskrav (såsom afgrøder, der skal pollineres osv.).

3.2 Udviklingsstrategi

I betragtning af de problemer, som plantefabriksindustrien står overfor, er det nødvendigt at udføre forskning fra forskellige aspekter såsom teknologi og drift. Som svar på de aktuelle problemer er modforanstaltningerne som følger.

(1) Styrke forskningen på intelligent teknologi fra plantefabrikker og forbedre niveauet for intensiv og raffineret styring. Udviklingen af ​​et intelligent styrings- og kontrolsystem hjælper med at opnå intensiv og raffineret styring af plantefabrikker, hvilket i høj grad kan reducere arbejdsomkostningerne og spare arbejdskraft.

(2) Udvikle intensivt og effektivt plantefabriks teknisk udstyr til at opnå årlig høj kvalitet og højtudbytte. Udviklingen af ​​højeffektive dyrkningsfaciliteter og -udstyr, energibesparende belysningsteknologi og -udstyr osv. For at forbedre det intelligente niveau af plantefabrikker er befordrende for realiseringen af ​​den årlige produktion af høj effektivitet.

) .

(4) Udfør forskning på plantefabrikker til husholdning og kommerciel brug, beriger de typer plantefabrikker og opnår kontinuerlig rentabilitet med forskellige funktioner.

4. Udviklingstrend og udsigt til plantefabrik

4.1 Teknologiudviklingstrend

4.1.1 Intellektualisering med fuld proces

Baseret på machine-art fusion og tabsforebyggelsesmekanisme for afgrøde-robot-systemet, højhastighedsfleksibel og ikke-destruktiv plantning og høstende slutningseffektorer, distribuerede multidimensionel plads nøjagtig positionering og multimodalt multimaskin-samarbejdsmetoder, og ubemandede, effektive og ikke-destruktive såning i højhuse-plantefabrikker-Intelligente robotter og understøttende udstyr såsom plantehøsting-pakning skal oprettes, og indse således den ubemandede drift af hele processen.

4.1.2 Gør produktionskontrol smartere

Baseret på responsmekanismen for afgrødevækst og udvikling til lysstråling, temperatur, fugtighed, CO2-koncentration, næringsstofkoncentration af næringsopløsning og EC, skal en kvantitativ model for feedback med afgrøder konstrueres. Der skal etableres en strategisk kernemodel for dynamisk at analysere bladgrøntsags livsinformation og produktionsmiljøparametre. Den online dynamiske identifikationsdiagnose og processtyringssystem i miljøet bør også etableres. Et multi-maskine-samarbejdende kunstigt efterretningsbeslutningssystem for hele produktionsprocessen for en lodret landbrugsfabrik med høj bind skal oprettes.

4.1.3 Produktion af lavt kulstofindhold og energibesparelse

Etablering af et energiledelsessystem, der bruger vedvarende energikilder såsom sol og vind til at afslutte kraftoverførsel og kontrollere energiforbruget for at nå optimale energistyringsmål. Optagelse og genbrug af CO2 -emissioner til hjælp af afgrødeproduktionen.

4.1.3 Høj værdi af premiumsorter

Der bør tages gennemførlige strategier for at avle forskellige høje værditilvækst sorter til plantningseksperimenter, opbygge en database med dyrkningsteknologieksperter, udføre forskning på dyrkningsteknologi, udvikling af densitet, stubbarrangement, variation og udstyrstilpasningsevne og danne standarddyrkningstekniske specifikationer.

4.2 Industriudviklingsudsigter

Plantefabrikker kan slippe af med begrænsningerne for ressourcer og miljøet, realisere den industrialiserede produktion af landbrug og tiltrække den nye generation af arbejdsstyrke til at deltage i landbrugsproduktion. Den vigtigste teknologiske innovation og industrialisering af Kinas plantefabrikker er ved at blive verdensleder. Med den accelererede anvendelse af LED -lyskilde, digitalisering, automatisering og intelligente teknologier inden for plantefabrikker, vil plantefabrikker tiltrække flere kapitalinvesteringer, talentindsamling og brugen af ​​mere ny energi, nye materialer og nyt udstyr. På denne måde kan den dybdegående integration af informationsteknologi og -faciliteter og -udstyr realiseres, det intelligente og ubemandede niveau af faciliteter og udstyr kan forbedres, den kontinuerlige reduktion af systemets energiforbrug og driftsomkostninger gennem kontinuerlig innovation og det gradvise Dyrkning af specialiserede markeder, intelligente plantefabrikker vil indlede en gylden udviklingsperiode.

I henhold til markedsundersøgelsesrapporter er den globale lodrette landbrugsmarkedsstørrelse i 2020 kun 2,9 mia. USD, og ​​det forventes, at den globale lodrette landbrugsmarkedsstørrelse i 2025 når 30 mia. Dollars. Sammenfattende har plantefabrikker brede applikationsudsigter og udviklingsrum.

Forfatter: Zengchan Zhou, Weidong osv.

Citationsoplysninger:Aktuel situation og udsigter til plantefabriksindustriens udvikling [J]. Landbrugsteknologi, 2022, 42 (1): 18-23.af Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.