Sammendrag: I de senere årene, med den kontinuerlige utforskningen av moderne landbruksteknologi, har også plantefabrikkindustrien utviklet seg raskt. Denne artikkelen introduserer status quo, eksisterende problemer og utviklingstiltak for plantefabrikkteknologi og industriutvikling, og ser frem til utviklingstrenden og utsiktene for plantefabrikker i fremtiden.

1. Nåværende status for teknologiutvikling i fabrikker i Kina og i utlandet

1.1 Status quo for utenlandsk teknologiutvikling

Siden det 21. århundre har forskningen på plantefabrikker hovedsakelig fokusert på forbedring av lyseffektivitet, etablering av flerlags tredimensjonalt dyrkingssystemutstyr, og forskning og utvikling av intelligent styring og kontroll. I det 21. århundre har innovasjonen av landbruks-LED-lyskilder gjort fremskritt, noe som gir viktig teknisk støtte til bruk av LED-energisparende lyskilder i plantefabrikker. Chiba University i Japan har gjort en rekke innovasjoner innen høyeffektive lyskilder, energisparende miljøkontroll og dyrkingsteknikker. Wageningen University i Nederland bruker avlingsmiljøsimulering og dynamisk optimaliseringsteknologi for å utvikle et intelligent utstyrssystem for plantefabrikker, noe som reduserer driftskostnadene betraktelig og forbedrer arbeidsproduktiviteten betydelig.

I de senere årene har plantefabrikker gradvis realisert semi-automatisering av produksjonsprosesser fra såing, frøplantedyrking, omplanting og høsting. Japan, Nederland og USA ligger i forkant, med en høy grad av mekanisering, automatisering og intelligens, og utvikler seg i retning av vertikalt landbruk og ubemannet drift.

1.2 Status for teknologiutvikling i Kina

1.2.1 Spesialisert LED-lyskilde og energisparende applikasjonsteknologiutstyr for kunstig lys i fabrikk

Spesielle røde og blå LED-lyskilder for produksjon av ulike plantearter i plantefabrikker har blitt utviklet etter hverandre. Effekten varierer fra 30 til 300 W, og bestrålingslysintensiteten er 80 til 500 μmol/(m2•s), noe som kan gi en lysintensitet med et passende terskelområde, lyskvalitetsparametere, for å oppnå effekten av høyeffektiv energisparing og tilpasning til behovene til plantevekst og belysning. Når det gjelder håndtering av lyskildevarmespredning, har det blitt introdusert en aktiv varmespredningsdesign for lyskildeviften, noe som reduserer lyskildens lysforfallshastighet og sikrer lyskildens levetid. I tillegg foreslås en metode for å redusere varmen fra LED-lyskilden gjennom næringsløsning eller vannsirkulasjon. Når det gjelder håndtering av lyskilderom, i henhold til evolusjonsloven for plantestørrelse i frøplantestadiet og senere stadium, gjennom vertikal rombevegelseshåndtering av LED-lyskilden, kan plantekronen belyses på kort avstand og energisparingsmålet oppnås. For tiden kan energiforbruket til kunstig lys i fabrikker utgjøre 50 % til 60 % av det totale driftsenergiforbruket til fabrikken. Selv om LED kan spare 50 % energi sammenlignet med lysrør, er det fortsatt potensial og behov for forskning på energisparing og forbruksreduksjon.

1.2.2 Flerlags tredimensjonal dyrkingsteknologi og -utstyr

Laggapet i den flerlags tredimensjonale dyrkingen reduseres fordi LED-lyset erstatter lysrøret, noe som forbedrer den tredimensjonale plassutnyttelseseffektiviteten i plantedyrkingen. Det finnes mange studier på utformingen av bunnen av dyrkingsbedet. De hevede stripene er designet for å generere turbulent strømning, noe som kan hjelpe planterøttene med å absorbere næringsstoffer i næringsløsningen jevnt og øke konsentrasjonen av oppløst oksygen. Ved bruk av koloniseringsbrettet finnes det to koloniseringsmetoder, det vil si plastkoloniseringskopper i forskjellige størrelser eller svampperimeterkolonisering. Et skyvbart dyrkingsbedsystem har dukket opp, og plantebrettet og plantene på det kan skyves manuelt fra den ene enden til den andre, noe som realiserer produksjonsmodusen med planting i den ene enden av dyrkingsbedet og høsting i den andre enden. For tiden er det utviklet en rekke tredimensjonale flerlags jordfrie kulturteknologier og utstyr basert på næringsstoffflytende filmteknologi og dyp væskestrømningsteknologi, og teknologi og utstyr for substratdyrking av jordbær, aerosoldyrking av bladgrønnsaker og blomster har dukket opp. Den nevnte teknologien har utviklet seg raskt.

1.2.3 Teknologi og utstyr for sirkulasjon av næringsløsninger

Etter at næringsløsningen har vært brukt en stund, er det nødvendig å tilsette vann og mineraler. Vanligvis bestemmes mengden av nylaget næringsløsning og mengden syre-base-løsning ved å måle EC og pH. Store partikler av sediment eller rotavskalling i næringsløsningen må fjernes med et filter. Rotekssudater i næringsløsningen kan fjernes med fotokatalytiske metoder for å unngå hindringer for kontinuerlig dyrking i hydroponikk, men det er visse risikoer knyttet til næringsstofftilgjengeligheten.

1.2.4 Miljøkontrollteknologi og -utstyr

Luftrenheten i produksjonsrommet er en av de viktigste indikatorene på luftkvaliteten i fabrikken. Luftrenheten (indikatorer på suspenderte partikler og avleirede bakterier) i fabrikkens produksjonsrom under dynamiske forhold bør kontrolleres til et nivå over 100 000. Materialdesinfeksjonstilførsel, luftdusjbehandling for innkommende personell og luftrensingssystem for friskluftsirkulasjon (luftfiltreringssystem) er alle grunnleggende sikkerhetstiltak. Temperatur og fuktighet, CO2-konsentrasjon og luftstrømningshastighet i produksjonsrommet er et annet viktig element i luftkvalitetskontrollen. Ifølge rapporter kan oppsett av utstyr som luftblandingsbokser, luftkanaler, luftinntak og luftutløp jevnt kontrollere temperatur og fuktighet, CO2-konsentrasjon og luftstrømningshastighet i produksjonsrommet, for å oppnå høy romlig ensartethet og møte fabrikkens behov på forskjellige romlige steder. Temperatur-, fuktighets- og CO2-konsentrasjonskontrollsystemet og friskluftsystemet er organisk integrert i sirkulasjonsluftsystemet. De tre systemene må dele luftkanal, luftinntak og luftutløp, og gi kraft gjennom viften for å realisere sirkulasjon av luftstrøm, filtrering og desinfeksjon, og oppdatering og ensartethet av luftkvaliteten. Det sikrer at planteproduksjonen i plantefabrikken er fri for skadedyr og sykdommer, og at det ikke kreves bruk av plantevernmidler. Samtidig garanteres ensartetheten av temperatur, fuktighet, luftstrøm og CO2-konsentrasjon i vekstmiljøelementene i taket for å møte plantevekstens behov.

2. Utviklingsstatus for fabrikkindustrien

2.1 Status quo for utenlandsk fabrikkindustri

I Japan går forskning, utvikling og industrialisering av fabrikker for kunstig lys relativt raskt, og de er på et ledende nivå. I 2010 lanserte den japanske regjeringen 50 milliarder yen for å støtte teknologisk forskning og utvikling og industriell demonstrasjon. Åtte institusjoner, inkludert Chiba University og Japan Plant Factory Research Association, deltok. Japan Future Company gjennomførte og drev det første demonstrasjonsprosjektet for industrialisering av en fabrikk med en daglig produksjon på 3000 planter. I 2012 var produksjonskostnaden for fabrikken 700 yen/kg. I 2014 ble den moderne fabrikken i Taga Castle i Miyagi prefektur ferdigstilt, og ble verdens første LED-fabrikk med en daglig produksjon på 10 000 planter. Siden 2016 har LED-fabrikker gått inn i hurtigbanen for industrialisering i Japan, og lønnsomme eller lønnsomme bedrifter har dukket opp etter hverandre. I 2018 dukket det opp store plantefabrikker med en daglig produksjonskapasitet på 50 000 til 100 000 planter etter hverandre, og de globale plantefabrikkene utviklet seg mot storskala, profesjonell og intelligent utvikling. Samtidig begynte Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power og andre felt å investere i plantefabrikker. I 2020 vil markedsandelen for salat produsert av japanske plantefabrikker utgjøre omtrent 10 % av hele salatmarkedet. Blant de mer enn 250 kunstige lys-type plantefabrikkene som for tiden er i drift, er 20 % i en tapsfase, 50 % er på break-even-nivå, og 30 % er i en lønnsom fase, og involverer dyrkede plantearter som salat, urter og frøplanter.

Nederland er en virkelig verdensleder innen kombinert anvendelsesteknologi for sollys og kunstig lys for fabrikkanlegg, med en høy grad av mekanisering, automatisering, intelligens og ubemanning, og har nå eksportert et komplett sett med teknologier og utstyr som sterke produkter til Midtøsten, Afrika, Kina og andre land. American AeroFarms-gården ligger i Newark, New Jersey, USA, med et areal på 6500 m2. Den dyrker hovedsakelig grønnsaker og krydder, og produksjonen er omtrent 900 tonn/år.

Vertikal jordbruk i AeroFarms

Plenty Companys fabrikk for vertikale planteanlegg i USA bruker LED-belysning og en vertikal planteramme med en høyde på 6 m. Planter vokser fra sidene av plantekassene. Denne plantemetoden er avhengig av gravitasjonsvanning, krever ikke ekstra pumper og er mer vanneffektiv enn konvensjonelt jordbruk. Plenty hevder at gården hans produserer 350 ganger mer enn en konvensjonell gård, samtidig som den bare bruker 1 % av vannet.

Vertikal jordbruksfabrikk, Plenty Company

2.2 Status for fabrikkindustrien i Kina

I 2009 ble den første produksjonsfabrikken i Kina med intelligent styring som kjerne bygget og satt i drift i Changchun Agricultural Expo Park. Bygningsarealet er 200 m2, og miljøfaktorer som temperatur, fuktighet, lys, CO2 og næringsstoffkonsentrasjon i fabrikken kan overvåkes automatisk i sanntid for å realisere intelligent styring.

I 2010 ble Tongzhou-fabrikken bygget i Beijing. Hovedstrukturen er en lett stålkonstruksjon i ett lag med et totalt byggeareal på 1289 m2. Den er formet som et hangarskip, som symboliserer kinesisk landbruk som tar ledelsen og setter seil mot den mest avanserte teknologien innen moderne landbruk. Det er utviklet automatisk utstyr for deler av produksjonen av bladgrønnsaker, noe som har forbedret produksjonsautomatiseringsnivået og produksjonseffektiviteten til fabrikken. Fabrikken bruker et jordvarmepumpesystem og et solenergianlegg, noe som bedre løser problemet med høye driftskostnader for fabrikken.

Innvendig og utvendig utsikt over Tongzhou-fabrikken

I 2013 ble det etablert mange landbruksteknologiselskaper i Yangling Agricultural High-tech Demonstration Zone i Shaanxi-provinsen. De fleste fabrikkprosjektene som er under bygging og drift, ligger i demonstrasjonsparker for høyteknologisk landbruk, som hovedsakelig brukes til populærvitenskapelige demonstrasjoner og fritidsaktiviteter. På grunn av deres funksjonelle begrensninger er det vanskelig for disse populærvitenskapelige fabrikkene å oppnå den høye avkastningen og den høye effektiviteten som kreves av industrialiseringen, og det vil være vanskelig for dem å bli den vanlige formen for industrialisering i fremtiden.

I 2015 samarbeidet en stor LED-brikkeprodusent i Kina med Institutt for botanikk ved Det kinesiske vitenskapsakademiet for å i fellesskap initiere etableringen av et plantefabrikkselskap. Det har gått fra den optoelektroniske industrien til den "fotobiologiske" industrien, og har blitt en presedens for kinesiske LED-produsenter til å investere i bygging av plantefabrikker i industrialiseringen. Plant Factory er forpliktet til å gjøre industrielle investeringer i fremvoksende fotobiologi, som integrerer vitenskapelig forskning, produksjon, demonstrasjon, inkubasjon og andre funksjoner, med en registrert kapital på 100 millioner yuan. I juni 2016 ble denne plantefabrikken med en 3-etasjers bygning som dekker et areal på 3000 m2 og et dyrkingsareal på mer enn 10 000 m2 ferdigstilt og satt i drift. Innen mai 2017 vil den daglige produksjonsskalaen være 1500 kg bladgrønnsaker, tilsvarende 15 000 salatplanter per dag.

Synspunkter på dette selskapet

3. Problemer og mottiltak knyttet til utviklingen av fabrikker

3.1 Problemer

3.1.1 Høye byggekostnader

Plantefabrikker må produsere avlinger i et lukket miljø. Derfor er det nødvendig å bygge støtteprosjekter og utstyr, inkludert eksterne vedlikeholdsstrukturer, klimaanlegg, kunstige lyskilder, flerlags dyrkingssystemer, sirkulasjon av næringsløsninger og datastyrte kontrollsystemer. Byggekostnadene er relativt høye.

3.1.2 Høye driftskostnader

De fleste lyskildene som kreves av fabrikker kommer fra LED-lys, som bruker mye strøm samtidig som de gir tilsvarende spektrum for vekst av forskjellige avlinger. Utstyr som klimaanlegg, ventilasjon og vannpumper i produksjonsprosessen til fabrikker bruker også strøm, så strømregninger er en stor utgift. Ifølge statistikk utgjør strømkostnadene 29 %, lønnskostnader 26 %, avskrivninger på anleggsmidler 23 %, emballasje og transport 12 % og produksjonsmaterialer 10 %.

Fordeling av produksjonskostnader for fabrikk

3.1.3 Lavt automatiseringsnivå

Den nåværende plantefabrikken har lav automatiseringsgrad, og prosesser som frøplanting, omplanting, planting i felten og høsting krever fortsatt manuelle operasjoner, noe som resulterer i høye lønnskostnader.

3.1.4 Begrensede varianter av avlinger som kan dyrkes

For tiden er det svært begrenset utvalg av avlinger som er egnet for plantefabrikker, hovedsakelig grønne bladgrønnsaker som vokser raskt, tåler kunstige lyskilder lett og har lav krone. Planting i stor skala kan ikke utføres for komplekse plantekrav (som avlinger som må pollineres osv.).

3.2 Utviklingsstrategi

I lys av problemene fabrikkindustrien står overfor, er det nødvendig å utføre forskning fra ulike aspekter, som teknologi og drift. Som svar på de nåværende problemene er mottiltakene som følger.

(1) Styrke forskningen på intelligent teknologi i fabrikker og forbedre nivået av intensiv og raffinert styring. Utviklingen av et intelligent styrings- og kontrollsystem bidrar til å oppnå intensiv og raffinert styring av fabrikker, noe som kan redusere lønnskostnader og spare arbeidskraft betraktelig.

(2) Utvikle intensivt og effektivt teknisk utstyr i fabrikker for å oppnå årlig høy kvalitet og høy avkastning. Utvikling av høyeffektive dyrkingsanlegg og -utstyr, energisparende belysningsteknologi og -utstyr, osv., for å forbedre det intelligente nivået i fabrikker, bidrar til å realisere årlig høyeffektiv produksjon.

(3) Utføre forskning på industriell dyrkingsteknologi for planter med høy verdiøkning, som medisinplanter, helseplanter og sjeldne grønnsaker, øke antallet avlinger som dyrkes i plantefabrikker, utvide profittkanalene og forbedre utgangspunktet for profitt.

(4) Utføre forskning på plantefabrikker for husholdnings- og kommersiell bruk, berike typene plantefabrikker og oppnå kontinuerlig lønnsomhet med ulike funksjoner.

4. Utviklingstrend og utsikter for plantefabrikk

4.1 Trend innen teknologiutvikling

4.1.1 Intellektualisering i full prosess

Basert på maskinteknikkens fusjons- og tapsforebyggende mekanisme i avlingsrobotsystemet, bør det opprettes intelligente roboter og støtteutstyr som planting-høsting-pakking, for å realisere den ubemannede driften av hele prosessen, med høyhastighets, fleksible og ikke-destruktive planting- og høstingsendeeffektorer, distribuert flerdimensjonal romnøyaktig posisjonering og multimodale samarbeidende kontrollmetoder for flere maskiner.

4.1.2 Gjør produksjonskontroll smartere

Basert på responsmekanismen for avlingsvekst og -utvikling på lysstråling, temperatur, fuktighet, CO2-konsentrasjon, næringskonsentrasjon i næringsløsning og EC, bør en kvantitativ modell for tilbakemeldinger mellom avlinger og miljø konstrueres. En strategisk kjernemodell bør etableres for dynamisk å analysere informasjon om bladgrønnsakers livsløp og parametere for produksjonsmiljøet. Det bør også etableres et dynamisk identifikasjons-, diagnose- og prosesskontrollsystem for miljøet på nett. Det bør opprettes et samarbeidende flermaskinsystem for kunstig intelligens-beslutningstaking for hele produksjonsprosessen til en vertikal landbruksfabrikk med høyt volum.

4.1.3 Lavkarbonproduksjon og energisparing

Etablering av et energistyringssystem som bruker fornybare energikilder som sol og vind for å fullføre kraftoverføring og kontrollere energiforbruket for å oppnå optimale energistyringsmål. Fangst og gjenbruk av CO2-utslipp for å støtte avlingsproduksjon.

4.1.3 Høy verdi av premiumvarianter

Det bør tas gjennomførbare strategier for å avle frem forskjellige varianter med høy verdiøkning for planteforsøk, bygge en database med eksperter på dyrkingsteknologi, utføre forskning på dyrkingsteknologi, tetthetsvalg, stubbarrangement, tilpasningsevne for varianter og utstyr, og utarbeide standard tekniske spesifikasjoner for dyrking.

4.2 Utsikter for industriens utvikling

Plantefabrikker kan kvitte seg med begrensninger knyttet til ressurser og miljø, realisere industrialisert produksjon av landbruket og tiltrekke seg en ny generasjon arbeidskraft til å engasjere seg i landbruksproduksjon. Den viktigste teknologiske innovasjonen og industrialiseringen av Kinas plantefabrikker er i ferd med å bli verdensledende. Med den akselererte bruken av LED-lyskilder, digitalisering, automatisering og intelligente teknologier innen plantefabrikker, vil plantefabrikker tiltrekke seg flere kapitalinvesteringer, talentsamling og bruk av mer ny energi, nye materialer og nytt utstyr. På denne måten kan en dyptgående integrering av informasjonsteknologi og anlegg og utstyr realiseres, det intelligente og ubemannede nivået av anlegg og utstyr kan forbedres, kontinuerlig reduksjon av systemets energiforbruk og driftskostnader gjennom kontinuerlig innovasjon, og gradvis dyrking av spesialiserte markeder, intelligente plantefabrikker vil innlede en gyllen periode med utvikling.

Ifølge markedsundersøkelser var det globale markedet for vertikalt landbruk i 2020 bare 2,9 milliarder dollar, og det forventes at det globale markedet for vertikalt landbruk vil nå 30 milliarder dollar innen 2025. Oppsummert har plantefabrikker brede anvendelsesmuligheter og utviklingsrom.

Forfatter: Zengchan Zhou, Weidong, etc

Sitasjonsinformasjon:Nåværende situasjon og utsikter for utvikling av plantefabrikkindustrien [J]. Landbruksteknikk, 2022, 42(1): 18–23.av Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.