Abstrakt: I de senere år har plantefabriksindustrien også udviklet sig hurtigt med den fortsatte udforskning af moderne landbrugsteknologi. Dette papir introducerer status quo, eksisterende problemer og udviklingsmodforanstaltninger for plantefabriksteknologi og industriudvikling og ser frem til udviklingstendensen og udsigten til plantefabrikker i fremtiden.

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

1.1 Status quo for udenlandsk teknologiudvikling

Siden det 21. århundrede har forskningen i plantefabrikker hovedsageligt fokuseret på forbedring af lyseffektiviteten, skabelsen 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 støtte til anvendelsen af ​​LED energibesparende lyskilder i plantefabrikker. Chiba University i Japan har lavet en række innovationer inden for højeffektive lyskilder, energibesparende miljøkontrol og dyrkningsteknikker. Wageningen University i Holland bruger afgrødemiljøsimulering og dynamisk optimeringsteknologi til at udvikle et intelligent udstyrssystem til plantefabrikker, som i høj grad reducerer driftsomkostningerne og væsentligt forbedrer arbejdsproduktiviteten.

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

1.2 Teknologiudviklingsstatus i Kina

1.2.1 Specialiseret LED-lyskilde og energibesparende applikationsteknologiudstyr til kunstigt lys på fabrikken

Specielle røde og blå LED-lyskilder til produktion af forskellige plantearter på 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, lyskvalitetsparametre, for at opnå effekten af ​​høj effektivitet energibesparelse og tilpasning til behovene for plantevækst og belysning. Med hensyn til styring af lyskildens varmeafledning er lyskildeventilatorens aktive varmeafledningsdesign blevet introduceret, hvilket reducerer lyskildens nedbrydningshastighed og sikrer lyskildens levetid. Derudover foreslås en metode til at reducere varmen fra LED-lyskilde gennem næringsopløsning eller vandcirkulation. Med hensyn til lyskildepladsstyring, i henhold til evolutionsloven om plantestørrelse i frøplantestadiet og senere stadie, gennem den vertikale rumbevægelsesstyring af LED-lyskilden, kan plantekronen oplyses på tæt afstand, og energibesparelsesmålet er opnået. På nuværende tidspunkt kan energiforbruget af kunstig lys plantefabriks lyskilde udgøre 50% til 60% af det samlede driftsenergiforbrug på fabrikken. Selvom LED kan spare 50 % energi sammenlignet med lysstofrør, er der stadig potentialet og nødvendigheden af ​​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 findes mange undersøgelser om udformningen af ​​bunden af ​​dyrkningsbedet. De hævede striber er designet til at generere turbulent flow, som kan hjælpe planterødder til at absorbere næringsstoffer i næringsopløsningen jævnt og øge koncentrationen af ​​opløst ilt. Ved hjælp af koloniseringsbrættet er der to koloniseringsmetoder, det vil sige plastkoloniseringskopperne i forskellige størrelser eller svampeomkredskoloniseringstilstanden. Et forskydeligt dyrkningsbedesystem er dukket op, og plantebrættet og planterne på det kan manuelt skubbes fra den ene ende til den anden, hvilket realiserer produktionsmåden med at plante i den ene ende af dyrkningsbedet og høste i den anden ende. På nuværende tidspunkt er der udviklet en række tredimensionelle flerlags jordfri kulturteknologi og udstyr baseret på næringsstof-væskefilmteknologi og dyb væskestrømningsteknologi, og teknologien og udstyr til substratdyrkning af jordbær, aerosoldyrkning af bladgrøntsager og blomster er opstået. Den nævnte teknologi har udviklet sig hurtigt.

1.2.3 Næringsstofopløsningscirkulationsteknologi og udstyr

Efter at næringsopløsningen har været brugt i en periode, er det nødvendigt at tilsætte vand og mineralske elementer. Generelt bestemmes mængden af ​​nytilberedt 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 kontinuerlige afgrødeforhindringer i hydroponics, men der er visse risici i tilgængeligheden af ​​næringsstoffer.

1.2.4 Miljøkontrolteknologi og -udstyr

Produktionsrummets luftrenhed er en af ​​de vigtige indikatorer for luftkvaliteten på plantefabrikken. Luftrenheden (indikatorer for suspenderede partikler og bundfældede bakterier) i produktionsrummet på plantefabrikken under dynamiske forhold bør kontrolleres til et niveau over 100.000. Materiale desinfektion input, indgående personale luft bruser behandling og frisk luft cirkulation luftrensningssystem (luftfiltreringssystem) er alle grundlæggende sikkerhedsforanstaltninger. Temperaturen og fugtigheden, CO2-koncentrationen og luftstrømningshastigheden af ​​luften i produktionsrummet er et andet vigtigt indhold i luftkvalitetskontrollen. Ifølge rapporter kan opsætning af udstyr såsom luftblandebokse, luftkanaler, luftindtag og luftudtag jævnt styre temperaturen og fugtigheden, CO2-koncentrationen og luftstrømningshastigheden i produktionsrummet for at opnå høj rumlig ensartethed og opfylde plantens behov på forskellige rumlige steder. Temperatur-, fugt- og CO2-koncentrationsstyringssystemet og friskluftsystemet er organisk integreret i cirkulationsluftsystemet. De tre systemer skal dele luftkanal, luftindtag og luftudtag og levere strøm gennem ventilatoren for at realisere cirkulationen af ​​luftstrøm, filtrering og desinfektion og opdatering og ensartet luftkvalitet. Det sikrer, at planteproduktionen på plantefabrikken er fri for skadedyr og sygdomme, og der kræves ingen sprøjtegift. Samtidig er ensartetheden af ​​temperatur, luftfugtighed, luftstrøm og CO2-koncentration af vækstmiljøelementerne i baldakinen garanteret at opfylde behovene for plantevækst.

2. Udviklingsstatus for plantefabriksindustrien

2.1 Status quo for udenlandsk plantefabriksindustri

I Japan er forskningen og udviklingen og industrialiseringen af ​​kunstige lysanlægsfabrikker relativt hurtig, og de er på det førende niveau. I 2010 lancerede den japanske regering 50 milliarder yen til støtte for teknologisk forskning og udvikling og industriel demonstration. Otte institutioner, herunder Chiba University og Japan Plant Factory Research Association, deltog. Japan Future Company foretog og drev det første industrialiseringsdemonstrationsprojekt af en plantefabrik med en daglig produktion på 3.000 planter. I 2012 var produktionsomkostningerne for plantefabrikken 700 yen/kg. I 2014 stod den moderne fabriksfabrik i Taga Castle, Miyagi Prefecture færdig, og blev verdens første LED-fabrik med en daglig produktion på 10.000 planter. Siden 2016 er LED-fabrikker gået ind i den hurtige industrialiseringsbane i Japan, og break-even eller profitable virksomheder er dukket op efter hinanden. I 2018 dukkede storskalafabrikker med en daglig produktionskapacitet på 50.000 til 100.000 planter op efter hinanden, og de globale plantefabrikker udviklede sig mod storstilet, professionel og intelligent udvikling. Samtidig begyndte Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power og andre felter at investere i plantefabrikker. I 2020 vil markedsandelen for salat produceret af japanske plantefabrikker udgøre omkring 10 % af hele salatmarkedet. Blandt de mere end 250 kunstige lette plantefabrikker, der i øjeblikket er i drift, er 20 % i et tabsgivende stadium, 50 % er på break-even-niveau, og 30 % er i et rentabelt stadie, der involverer dyrkede plantearter som f.eks. salat, krydderurter og frøplanter.

Holland er en reel verdensleder inden for kombineret anvendelsesteknologi af solar-lys og kunstigt lys til plantefabrik, med en høj grad af mekanisering, automatisering, intelligens og ubemandethed, og har nu eksporteret et komplet sæt teknologier og udstyr, der er lige så stærkt produkter til Mellemøsten, Afrika, Kina og andre lande. American AeroFarms farm 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 Company's vertikale landbrugsplantefabrik i USA anvender LED-belysning og en lodret planteramme med en højde på 6 m. Planter vokser fra siderne af plantekasserne. Afhængig af tyngdekraftsvanding kræver denne plantemetode 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 han kun bruger 1 % af vandet.

Vertikal landbrugsfabrik, Plenty Company

2.2 Status fabrik fabrik industri i Kina

I 2009 blev den første produktionsanlægsfabrik i Kina med intelligent styring som kernen bygget og sat i drift i Changchun Agricultural Expo Park. Bygningsarealet er på 200 m2, og plantefabrikkens miljøfaktorer såsom temperatur, luftfugtighed, lys, CO2 og næringsopløsningskoncentration kan automatisk overvåges i realtid for at realisere intelligent styring.

I 2010 byggede Tongzhou Plant Factory i Beijing. Hovedstrukturen vedtager en enkelt-lags let stålkonstruktion med et samlet konstruktionsareal på 1289 m2. Det er formet som et hangarskib, der symboliserer, at kinesisk landbrug tager føringen i at sejle til den mest avancerede teknologi inden for moderne landbrug. Det automatiske udstyr til nogle operationer af bladgrøntsagsproduktion er blevet udviklet, hvilket har forbedret produktionsautomatiseringsniveauet og produktionseffektiviteten på plantefabrikken. Anlægsfabrikken anvender et jordvarmepumpesystem og et solenergiproduktionssystem, som bedre løser problemet med høje driftsomkostninger for anlægsfabrikken.

Indvendig og udvendig udsigt over Tongzhou Plant Factory

I 2013 blev mange landbrugsteknologivirksomheder etableret i Yangling Agricultural High-tech Demonstration Zone, Shaanxi-provinsen. De fleste af de plantefabriksprojekter, der er under opførelse og drift, er placeret i landbrugets højteknologiske demonstrationsparker, som hovedsageligt bruges til populærvidenskabelige demonstrationer og fritids-sightseeing. På grund af deres funktionelle begrænsninger er det svært for disse populærvidenskabelige plantefabrikker at opnå det høje udbytte og høje effektivitet, som industrialiseringen kræver, og det vil være svært for dem at blive den almindelige form for industrialisering i fremtiden.

I 2015 samarbejdede en stor LED-chipproducent i Kina med Institute of Botany ved det kinesiske videnskabsakademi for i fællesskab at indlede etableringen af ​​en plantefabriksvirksomhed. Det er gået fra den optoelektroniske industri til den "fotobiologiske" industri og er blevet en præcedens for kinesiske LED-producenter at investere i opførelsen af ​​plantefabrikker i industrialiseringen. Dens Plant Factory er forpligtet til at foretage industrielle investeringer i nye fotobiologi, som integrerer videnskabelig forskning, produktion, demonstration, inkubation og andre funktioner, med en registreret kapital på 100 millioner yuan. I juni 2016 stod denne Plantefabrik med en 3-etagers bygning på et areal på 3.000 m2 og et dyrkningsareal på mere end 10.000 m2 færdig og sat i drift. I maj 2017 vil den daglige produktionsskala være på 1.500 kg bladgrøntsager, svarende til 15.000 salatplanter om dagen.

Synspunkter på denne virksomhed

3. Problemer og modforanstaltninger i forbindelse med udviklingen af ​​plantefabrikker

3.1 Problemer

3.1.1 Høje byggeomkostninger

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

3.1.2 Høje driftsomkostninger

De fleste af de lyskilder, som plantefabrikkerne kræver, kommer fra LED-lys, som forbruger meget elektricitet, samtidig med at de giver tilsvarende spektrum til vækst af forskellige afgrøder. Udstyr som aircondition, ventilation og vandpumper i produktionsprocessen på fabrikker forbruger også strøm, så elregningen er en stor udgift. Ifølge statistikker tegner elomkostninger sig blandt produktionsomkostningerne for plantefabrikker for 29%, lønomkostninger for 26%, afskrivninger på anlægsaktiver tegner sig for 23%, emballage og transport tegner sig for 12%, og produktionsmaterialer tegner sig for 10%.

Opdeling af produktionsomkostninger for plantefabrik

3.1.3 Lavt niveau af automatisering

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

3.1.4 Begrænsede sorter af afgrøder, der kan dyrkes

På nuværende tidspunkt er de typer af afgrøder, der er egnede til plantefabrikker, meget begrænsede, hovedsageligt grønne bladgrøntsager, der vokser hurtigt, let accepterer kunstige lyskilder og har lav baldakin. 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 plantefabriksindustrien står over for, 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 i intelligent teknologi på plantefabrikker og forbedre niveauet for intensiv og raffineret forvaltning. Udviklingen af ​​et intelligent styrings- og kontrolsystem er med til at opnå en intensiv og raffineret styring af plantefabrikker, som i høj grad kan reducere arbejdsomkostningerne og spare arbejdskraft.

(2) Udvikle intensivt og effektivt fabriksteknisk udstyr 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 af plantefabrikker, er befordrende for realiseringen af ​​årlig højeffektiv produktion.

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

(4) Udføre forskning på plantefabrikker til husholdnings- og kommerciel brug, berige typerne af plantefabrikker og opnå kontinuerlig rentabilitet med forskellige funktioner.

4. Udviklingstendens og udsigten til Plant Factory

4.1 Teknologiudviklingstendens

4.1.1 Intellektualisering i fuld proces

Baseret på maskin-art fusion og tabsforebyggende mekanisme af afgrøde-robot-systemet, højhastigheds fleksible og ikke-destruktive plantnings- og høstende effektorer, distribueret multi-dimensional plads nøjagtig positionering og multi-modale multi-maskine kollaborative kontrolmetoder, og ubemandet, effektiv og ikke-destruktiv såning i højhuse plantefabrikker -Intelligente robotter og understøttende udstyr såsom plantning-høst-pakning bør skabes, og dermed realisere den ubemandede drift af hele processen.

4.1.2 Gør produktionsstyring smartere

Baseret på responsmekanismen for afgrødevækst og -udvikling på lysstråling, temperatur, fugtighed, CO2-koncentration, næringsstofkoncentration af næringsopløsning og EC, bør der konstrueres en kvantitativ model for afgrøde-miljøfeedback. Der bør etableres en strategisk kernemodel til dynamisk at analysere information om bladgrøntsagers liv og produktionsmiljøparametre. Det online dynamiske identifikationsdiagnose og processtyringssystem for miljøet bør også etableres. Der bør skabes et multi-maskine kollaborativt kunstig intelligens beslutningstagningssystem for hele produktionsprocessen på en højvolumen vertikal landbrugsfabrik.

4.1.3 Lav kulstofproduktion og energibesparelse

Etablering af et energiledelsessystem, der udnytter vedvarende energikilder såsom sol og vind til at fuldføre kraftoverførsel og kontrollere energiforbruget for at opnå optimale energistyringsmål. Opsamling og genbrug af CO2-emissioner for at hjælpe afgrødeproduktionen.

4.1.3 Høj værdi af premium sorter

Der bør tages gennemførlige strategier for at opdrætte forskellige sorter med høj værditilvækst til plantningseksperimenter, opbygge en database over dyrkningsteknologiske eksperter, udføre forskning i dyrkningsteknologi, tæthedsudvælgelse, stubbearrangement, sort og udstyrs tilpasningsevne og danne standarddyrkningstekniske specifikationer.

4.2 Udsigter for industriens udvikling

Plantefabrikker kan slippe af med ressourcernes og miljøets begrænsninger, realisere den industrialiserede produktion af landbruget og tiltrække den nye generation af arbejdskraft til at engagere sig i landbrugsproduktion. Den vigtigste teknologiske innovation og industrialisering af Kinas plantefabrikker er ved at blive verdensledende. 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 den dybtgående 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, intelligente plantefabrikker vil indvarsle den gyldne udviklingsperiode.

Ifølge markedsundersøgelsesrapporter er den globale vertikale landbrugsmarkedsstørrelse i 2020 kun US$2,9 milliarder, og det forventes, at i 2025 vil den globale vertikale landbrugsmarkedsstørrelse nå US$30 milliarder. Sammenfattende har plantefabrikker brede anvendelsesmuligheder og udviklingsrum.

Forfatter: Zengchan Zhou, Weidong, etc

Citatoplysninger:Nuværende situation og udsigter for udvikling af plantefabriksindustrien [J]. Landbrugsteknisk Teknologi, 2022, 42(1): 18-23.af Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.