Resumé: I de senere år har plantefabriksindustrien også udviklet sig hurtigt med den fortsatte udforskning af moderne landbrugsteknologi. Denne artikel introducerer status quo, eksisterende problemer og udviklingsmæssige modforanstaltninger inden for plantefabriksteknologi og industriudvikling og ser frem til udviklingstendensen og udsigterne for plantefabrikker i fremtiden.

1. Aktuel status for teknologiudvikling i fabrikker i Kina og i udlandet

1.1 Status quo for udenlandsk teknologiudvikling

Siden det 21. århundrede har forskningen i plantefabrikker primært fokuseret på forbedring af lyseffektivitet, skabelse af flerlags tredimensionelt dyrkningssystemudstyr samt forskning og udvikling af intelligent styring og kontrol. I det 21. århundrede har innovationen af ​​landbrugs-LED-lyskilder gjort fremskridt og ydet vigtig teknisk støtte til anvendelsen af ​​LED-energibesparende lyskilder i plantefabrikker. Chiba Universitet i Japan har foretaget en række innovationer inden for højeffektive lyskilder, energibesparende miljøkontrol og dyrkningsteknikker. Wageningen Universitet i Holland bruger afgrøde-miljøsimulering og dynamisk optimeringsteknologi til at udvikle et intelligent udstyrssystem til plantefabrikker, hvilket reducerer driftsomkostningerne betydeligt og forbedrer arbejdsproduktiviteten betydeligt.

I de senere år har plantefabrikker gradvist realiseret semiautomatisering af produktionsprocesser fra såning, kimplanteopdræt, omplantning og høst. Japan, Holland og USA er i spidsen med en høj grad af mekanisering, automatisering og intelligens og udvikler sig i retning af vertikalt landbrug og ubemandet drift.

1.2 Status for teknologisk udvikling i Kina

1.2.1 Specialiseret LED-lyskilde og energibesparende applikationsteknologiudstyr til kunstigt lys i fabrik

Specielle røde og blå LED-lyskilder til produktion af forskellige plantearter i plantefabrikker er blevet udviklet efter hinanden. Effekten varierer fra 30 til 300 W, og bestrålingslysintensiteten er 80 til 500 μmol/(m2•s), hvilket kan give en lysintensitet med et passende tærskelområde og lyskvalitetsparametre for at opnå effekten af ​​højeffektiv energibesparelse og tilpasning til plantevækst og belysningsbehov. Med hensyn til styring af lyskildens varmeafledning er der introduceret et aktivt varmeafledningsdesign af lyskildeblæseren, hvilket reducerer lyskildens lyshenfaldshastighed og sikrer lyskildens levetid. Derudover foreslås en metode til at reducere varmen fra LED-lyskilden gennem næringsopløsning eller vandcirkulation. Med hensyn til styring af lyskildens plads kan plantekronen i henhold til plantens udviklingslov i kimplantestadiet og senere stadie gennem LED-lyskildens vertikale rumbevægelsesstyring oplyses på kort afstand, og målet om energibesparelse nås. I øjeblikket kan energiforbruget fra kunstige lyskilder i fabrikker tegne sig for 50 % til 60 % af fabrikkens samlede driftsenergiforbrug. Selvom LED kan spare 50 % energi sammenlignet med lysstofrør, er der stadig potentiale og behov for forskning i energibesparelser og forbrugsreduktion.

1.2.2 Flerlags tredimensionel dyrkningsteknologi og -udstyr

Laggabet i den flerlags tredimensionelle dyrkning reduceres, fordi LED'en erstatter lysstofrøret, hvilket forbedrer den tredimensionelle pladsudnyttelseseffektivitet i plantedyrkningen. Der er mange undersøgelser af designet af bunden af ​​dyrkningsbedet. De hævede striber er designet til at generere turbulent strømning, hvilket kan hjælpe planterødderne med at absorbere næringsstoffer i næringsopløsningen jævnt og øge koncentrationen af ​​opløst ilt. Ved hjælp af koloniseringsbrættet er der to koloniseringsmetoder, det vil sige plastikkoloniseringskopper i forskellige størrelser eller svampeperimeterkolonisering. Et forskydeligt dyrkningsbedssystem er dukket op, og plantebrættet og planterne på det kan manuelt skubbes fra den ene ende til den anden, hvilket realiserer produktionstilstanden med plantning i den ene ende af dyrkningsbedet og høst i den anden ende. I øjeblikket er der udviklet en række tredimensionelle flerlags jordfri dyrkningsteknologier og udstyr baseret på næringsstofvæskefilmteknologi og dyb væskestrømningsteknologi, og teknologi og udstyr til substratdyrkning af jordbær, aerosoldyrkning af bladgrøntsager og blomster er dukket op. Den nævnte teknologi har udviklet sig hurtigt.

1.2.3 Teknologi og udstyr til cirkulation af næringsstofopløsninger

Efter at næringsopløsningen har været brugt i et stykke tid, er det nødvendigt at tilsætte vand og mineraler. Generelt bestemmes mængden af ​​den nytilberedte næringsopløsning og mængden af ​​syre-base-opløsning ved at måle EC og pH. Store partikler af sediment eller rodeksfoliering i næringsopløsningen skal fjernes med et filter. Rodekssudater i næringsopløsningen kan fjernes ved fotokatalytiske metoder for at undgå hindringer for kontinuerlig dyrkning i hydroponik, men der er visse risici i forbindelse med næringsstoftilgængeligheden.

1.2.4 Miljøkontrolteknologi og -udstyr

Luftrenheden i produktionsrummet er en af ​​de vigtige indikatorer for luftkvaliteten på fabrikken. Luftrenheden (indikatorer for suspenderede partikler og aflejrede bakterier) i fabrikkens produktionsrum under dynamiske forhold bør kontrolleres til et niveau over 100.000. Materialedesinfektion, indgående personales luftbruser og friskluftcirkulationsluftrensningssystem (luftfiltreringssystem) er alle grundlæggende sikkerhedsforanstaltninger. Temperatur og fugtighed, CO2-koncentration og luftstrømningshastighed i produktionsrummet er et andet vigtigt element i luftkvalitetskontrollen. Ifølge rapporter kan opsætning af udstyr som luftblandingskasser, luftkanaler, luftindtag og luftudtag jævnt kontrollere temperatur og fugtighed, CO2-koncentration og luftstrømningshastighed i produktionsrummet for at opnå høj rumlig ensartethed og imødekomme fabrikkens behov på forskellige rumlige steder. Temperatur-, fugtigheds- og CO2-koncentrationskontrolsystemet og friskluftsystemet er organisk integreret i det cirkulerende luftsystem. De tre systemer skal dele luftkanal, luftindtag og luftudtag og levere strøm gennem ventilatoren for at realisere luftcirkulationen, filtreringen og desinfektionen samt opdatering og ensartethed af luftkvaliteten. Det sikrer, at planteproduktionen i plantefabrikken er fri for skadedyr og sygdomme, og at der ikke kræves pesticidbehandling. Samtidig garanteres ensartetheden af ​​temperatur, fugtighed, luftstrøm og CO2-koncentration i vækstmiljøelementerne i kronen for at opfylde planternes vækstbehov.

2. Udviklingsstatus for plantefabriksindustrien

2.1 Status quo for udenlandsk fabriksindustri

I Japan er forskning, udvikling og industrialisering af fabrikker til kunstig belysning relativt hurtige og er på et førende niveau. I 2010 lancerede den japanske regering 50 milliarder yen til støtte for teknologisk forskning og udvikling samt industriel demonstration. Otte institutioner, herunder Chiba University og Japan Plant Factory Research Association, deltog. Japan Future Company påtog sig og drev det første industrialiseringsdemonstrationsprojekt for en plantefabrik med en daglig produktion på 3.000 planter. I 2012 var produktionsomkostningerne for plantefabrikken 700 yen/kg. I 2014 blev den moderne plantefabrik i Taga Castle i Miyagi-præfekturet færdiggjort, hvilket blev verdens første LED-plantefabrik med en daglig produktion på 10.000 planter. Siden 2016 er LED-plantefabrikker trådt ind i industrialiseringens overhalingsbane i Japan, og break-even eller profitable virksomheder er dukket op den ene efter den anden. I 2018 dukkede store plantefabrikker op efter hinanden med en daglig produktionskapacitet på 50.000 til 100.000 planter, og de globale plantefabrikker udviklede sig mod storstilet, professionel og intelligent udvikling. Samtidig begyndte Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power og andre brancher at investere i plantefabrikker. I 2020 vil markedsandelen for salat produceret af japanske plantefabrikker tegne sig for omkring 10% af det samlede salatmarked. Blandt de mere end 250 kunstige lys-type plantefabrikker, der i øjeblikket er i drift, er 20% i en tabsgivende fase, 50% er på nulpunktsniveau, og 30% er i en profitabel fase, der involverer dyrkede plantearter såsom salat, krydderurter og kimplanter.

Holland er en sand verdensleder inden for kombineret anvendelsesteknologi af sollys og kunstigt lys til fabrikker med en høj grad af mekanisering, automatisering, intelligens og ubemanding, og har nu eksporteret et komplet sæt af teknologier og udstyr som stærke produkter til Mellemøsten, Afrika, Kina og andre lande. American AeroFarms gård ligger i Newark, New Jersey, USA, med et areal på 6500 m2. Den dyrker hovedsageligt grøntsager og krydderier, og produktionen er omkring 900 t/år.

Vertikal landbrug i AeroFarms

Plenty Companys fabrik til vertikale landbrugsplanter i USA anvender LED-belysning og en vertikal planteramme med en højde på 6 m. Planterne vokser fra siderne af plantekasserne. Denne plantemetode, der er afhængig af tyngdekraftsvanding, kræver ikke yderligere pumper og er mere vandeffektiv end konventionelt landbrug. Plenty hævder, at hans gård producerer 350 gange så meget som en konventionel gård, mens den kun bruger 1% af vandet.

Vertikal landbrugsfabrik, Plenty Company

2.2 Status for fabrikkens industri i Kina

I 2009 blev den første produktionsfabrik i Kina med intelligent styring som kernen bygget og taget i brug i Changchun Agricultural Expo Park. Bygningsarealet er 200 m2, og miljøfaktorer som temperatur, fugtighed, lys, CO2 og næringsstofkoncentration i fabrikken kan overvåges automatisk i realtid for at realisere intelligent styring.

I 2010 blev Tongzhou-fabrikken bygget i Beijing. Hovedstrukturen er en let stålkonstruktion i ét lag med et samlet byggeareal på 1289 m2. Den er formet som et hangarskib, der symboliserer kinesisk landbrug, der tager føringen og sætter sejl mod den mest avancerede teknologi inden for moderne landbrug. Der er udviklet automatisk udstyr til visse operationer inden for produktion af bladgrøntsager, hvilket har forbedret produktionsautomatiseringsniveauet og produktionseffektiviteten på fabrikken. Fabrikken anvender et jordvarmepumpesystem og et solenergisystem, hvilket bedre løser problemet med høje driftsomkostninger for fabrikken.

Tongzhou-fabrikkens indvendige og udvendige udsigt

I 2013 blev der etableret mange landbrugsteknologiske virksomheder i Yangling Agricultural High-tech Demonstration Zone i Shaanxi-provinsen. De fleste af de fabriksprojekter, der er under opførelse og drift, er placeret i landbrugets højteknologiske demonstrationsparker, som primært bruges til populærvidenskabelige demonstrationer og fritidsaktiviteter. På grund af deres funktionelle begrænsninger er det vanskeligt for disse populærvidenskabelige fabriksfabrikker at opnå det høje udbytte og den høje effektivitet, som industrialiseringen kræver, og det vil være vanskeligt for dem at blive den mainstream form for industrialisering i fremtiden.

I 2015 samarbejdede en stor LED-chipproducent i Kina med Institut for Botanik ved Det Kinesiske Videnskabsakademi for i fællesskab at igangsætte etableringen af ​​en plantefabrikvirksomhed. Den har bevæget sig fra den optoelektroniske industri til den "fotobiologiske" industri og er blevet præcedens for kinesiske LED-producenter til at investere i opførelsen af ​​plantefabrikker under industrialiseringen. Dens plantefabrik er forpligtet til at foretage industrielle investeringer i fremvoksende fotobiologi, som 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 på 3.000 m2 og et dyrkningsareal på mere end 10.000 m2 færdiggjort og sat i drift. I maj 2017 vil den daglige produktionsskala være 1.500 kg bladgrøntsager, svarende til 15.000 salatplanter om dagen.

Synspunkter fra denne virksomhed

3. Problemer og modforanstaltninger i forbindelse med udvikling af plantefabrikker

3.1 Problemer

3.1.1 Høje byggeomkostninger

Plantefabrikker skal producere afgrøder i et lukket miljø. Derfor er det nødvendigt at bygge støtteprojekter og udstyr, herunder eksterne vedligeholdelsesstrukturer, klimaanlæg, kunstige lyskilder, flerlagsdyrkningssystemer, cirkulation af næringsopløsninger og computerstyresystemer. Byggeomkostningerne er relativt høje.

3.1.2 Høje driftsomkostninger

De fleste af de lyskilder, der kræves af plantefabrikker, kommer fra LED-lys, som forbruger en masse elektricitet, samtidig med at de leverer tilsvarende spektre til vækst af forskellige afgrøder. Udstyr som aircondition, ventilation og vandpumper i plantefabrikkernes produktionsproces forbruger også elektricitet, så elregninger er en stor udgift. Ifølge statistikker udgør elomkostninger 29%, lønomkostninger 26%, afskrivninger på anlægsaktiver 23%, emballage og transport 12% og produktionsmaterialer 10% af plantefabrikkernes produktionsomkostninger.

Fordeling af produktionsomkostninger for fabrik

3.1.3 Lavt niveau af automatisering

Den nuværende plantefabrik har et lavt niveau af automatisering, og processer som såning, omplantning, markplantning og høst kræver stadig manuelle operationer, hvilket resulterer i høje lønomkostninger.

3.1.4 Begrænsede sorter af afgrøder, der kan dyrkes

I øjeblikket er de typer af afgrøder, der er egnede til plantefabrikker, meget begrænsede, primært grønne bladgrøntsager, der vokser hurtigt, nemt accepterer kunstige lyskilder og har lav krone. Plantning i stor skala kan ikke udføres til komplekse plantningskrav (såsom afgrøder, der skal bestøves osv.).

3.2 Udviklingsstrategi

I lyset af de problemer, som fabriksindustrien står over for, er det nødvendigt at udføre forskning ud fra forskellige aspekter, såsom teknologi og drift. Som svar på de nuværende problemer er modforanstaltningerne som følger.

(1) Styrk forskningen i intelligent teknologi i fabrikker og forbedre niveauet af intensiv og raffineret styring. Udviklingen af ​​et intelligent styrings- og kontrolsystem bidrager til at opnå intensiv og raffineret styring af fabrikker, hvilket i høj grad kan reducere lønomkostninger og spare arbejdskraft.

(2) Udvikle intensivt og effektivt teknisk udstyr til fabrikker for at opnå årlig høj kvalitet og højt udbytte. Udviklingen af ​​højeffektive dyrkningsfaciliteter og -udstyr, energibesparende belysningsteknologi og -udstyr osv. for at forbedre det intelligente niveau i fabrikker er befordrende for realiseringen af ​​årlig højeffektiv produktion.

(3) Udføre forskning i industriel dyrkningsteknologi for planter med høj værditilvækst såsom lægeplanter, sundhedsplanter og sjældne grøntsager, øge antallet af afgrøder, der dyrkes i plantefabrikker, udvide profitkanalerne og forbedre udgangspunktet for profit.

(4) Udfør forskning i plantefabrikker til husholdnings- og erhvervsmæssig brug, berig antallet af plantefabrikker og opnå kontinuerlig rentabilitet med forskellige funktioner.

4. Udviklingstendens og udsigter for plantefabrikker

4.1 Tendens inden for teknologisk udvikling

4.1.1 Intellektualisering i hele processen

Baseret på maskinteknikkens fusions- og tabsforebyggelsesmekanisme i afgrøderobotsystemet, bør der skabes intelligente robotter og støtteudstyr såsom plantning-høst-pakning, der realiserer den ubemandede drift af hele processen, med højhastigheds, fleksible og ikke-destruktive plantnings- og høsteffektorer, distribueret flerdimensionel rumpræcisionspositionering og multimodale samarbejdsmetoder til flere maskiner.

4.1.2 Gør produktionsstyring smartere

Baseret på afgrøders responsmekanisme på lysstråling, temperatur, fugtighed, CO2-koncentration, næringsstofkoncentration i næringsopløsning og EC, bør der konstrueres en kvantitativ model for feedback mellem afgrøder og miljø. En strategisk kernemodel bør etableres til dynamisk at analysere information om bladgrøntsagers livskvalitet og produktionsmiljøparametre. Der bør også etableres et online dynamisk identifikations-, diagnose- og processtyringssystem for miljøet. Der bør oprettes et flermaskines samarbejdsbaseret kunstig intelligens-beslutningssystem til hele produktionsprocessen i en vertikal landbrugsfabrik med høj volumen.

4.1.3 Lavkulstofproduktion og energibesparelser

Etablering af et energistyringssystem, der udnytter vedvarende energikilder som sol og vind til at fuldføre energitransmission og kontrollere energiforbruget for at opnå optimale energistyringsmål. Opsamling og genbrug af CO2-udledning til at understøtte afgrødeproduktion.

4.1.3 Høj værdi af premiumsorter

Der bør træffes gennemførlige strategier for at avle forskellige sorter med høj værditilvækst til plantningsforsøg, opbygge en database med eksperter i dyrkningsteknologi, udføre forskning i dyrkningsteknologi, tæthedsudvælgelse, stubarrangement, tilpasningsevne til sort og udstyr samt udarbejde standardiserede dyrkningstekniske specifikationer.

4.2 Udsigter for industriens udvikling

Plantefabrikker kan slippe af med ressource- og miljøbegrænsninger, realisere industrialiseret landbrugsproduktion og tiltrække en ny generation af arbejdsstyrke til at engagere sig i landbrugsproduktion. Den vigtigste teknologiske innovation og industrialisering af Kinas plantefabrikker er ved at blive verdensførende. Med den accelererede anvendelse af LED-lyskilder, digitalisering, automatisering og intelligente teknologier inden for plantefabrikker vil plantefabrikker tiltrække flere kapitalinvesteringer, talentindsamling og brug af mere ny energi, nye materialer og nyt udstyr. På denne måde kan en 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 den gradvise dyrkning af specialiserede markeder vil intelligente plantefabrikker indlede en gylden periode for udvikling.

Ifølge markedsundersøgelser var det globale marked for vertikalt landbrug i 2020 kun 2,9 milliarder amerikanske dollars, og det forventes, at det globale marked for vertikalt landbrug vil nå 30 milliarder amerikanske dollars i 2025. Kort sagt har plantefabrikker brede anvendelsesmuligheder og udviklingsrum.

Forfatter: Zengchan Zhou, Weidong, etc

Citationsoplysninger:Nuværende situation og udsigter for udviklingen af ​​plantefabriksindustrien [J]. Landbrugsteknik, 2022, 42(1): 18-23.af Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.