Sammendrag: De siste årene, med kontinuerlig utforskning av moderne landbruksteknologi, har også plantefabrikkindustrien utviklet seg raskt.Denne artikkelen introduserer status quo, eksisterende problemer og utviklingsmottiltak for plantefabrikkteknologi og industriutvikling, og ser frem til utviklingstrenden og utsiktene til plantefabrikker i fremtiden.

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

1.1 Status quo for utenlandsk teknologiutvikling

Siden det 21. århundre har forskningen til 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, og gir viktig teknisk støtte for bruk av LED energibesparende lyskilder i plantefabrikker.Chiba University i Japan har gjort en rekke innovasjoner innen høyeffektive lyskilder, energibesparende miljøkontroll og dyrkingsteknikker.Wageningen University i Nederland bruker simulering av avlingsmiljø og dynamisk optimaliseringsteknologi for å utvikle et intelligent utstyrssystem for plantefabrikker, som reduserer driftskostnadene betydelig og forbedrer arbeidsproduktiviteten betydelig.

I løpet av de siste årene har plantefabrikker gradvis innsett semi-automatisering av produksjonsprosesser fra såing, frøplanteoppdrett, transplantasjon og høsting.Japan, Nederland og USA ligger i forkant, med høy grad av mekanisering, automatisering og intelligens, og utvikler seg i retning av vertikalt landbruk og ubemannet drift.

1.2 Teknologiutviklingsstatus i Kina

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

Spesielle røde og blå LED-lyskilder for produksjon av ulike plantearter i plantefabrikker er utviklet etter hverandre.Effekten varierer fra 30 til 300 W, og bestrålingslysintensiteten er 80 til 500 μmol/(m2•s), som kan gi en lysintensitet med et passende terskelområde, lyskvalitetsparametere, for å oppnå effekten av høyeffektivitet energisparing og tilpasning til behovene til plantevekst og belysning.Når det gjelder styring av lyskildens varmespredning, har den aktive varmespredningsdesignen til lyskildeviften blitt introdusert, noe som reduserer lysnedbrytningshastigheten til lyskilden og sikrer lyskildens levetid.I tillegg foreslås en metode for å redusere varmen fra LED-lyskilden gjennom næringsløsning eller vannsirkulasjon.Når det gjelder plassstyring av lyskilde, i henhold til evolusjonsloven om plantestørrelse i frøplantestadiet og senere stadier, gjennom vertikal rombevegelsesstyring av LED-lyskilde, kan plantekronen belyses på nær avstand og energisparingsmålet er oppnådd.For øyeblikket kan energiforbruket til fabrikklyskilden for kunstig lys utgjøre 50% til 60% av det totale driftsenergiforbruket til fabrikken.Selv om LED kan spare 50 % energi sammenlignet med lysrør, er det fortsatt potensialet og nødvendigheten av forskning på energisparing og forbruksreduksjon.

1.2.2 Flerlags tredimensjonal dyrkingsteknologi og utstyr

Laggapet i flerlags tredimensjonal dyrking reduseres fordi LED erstatter lysstoffrøret, noe som forbedrer den tredimensjonale plassutnyttelseseffektiviteten til plantedyrkingen.Det er mange studier på utformingen av bunnen av dyrkingsbedet.De hevede stripene er designet for å generere turbulent strømning, noe som kan hjelpe planterøtter til å absorbere næringsstoffer jevnt i næringsløsningen og øke konsentrasjonen av oppløst oksygen.Ved å bruke koloniseringsbrettet er det to koloniseringsmetoder, det vil si plastkoloniseringskoppene i forskjellige størrelser eller koloniseringsmodusen for svampperimeter.Et skyvbart dyrkingsbedsystem har dukket opp, og plantebrettet og plantene på det kan skyves manuelt fra den ene enden til den andre, og realisere produksjonsmåten med å plante i den ene enden av dyrkingsbedet og høste i den andre enden.For tiden er det utviklet en rekke tredimensjonale flerlags jordfri kulturteknologi og utstyr basert på næringsvæskefilmteknologi og dyp væskestrømningsteknologi, og teknologien og utstyret for substratdyrking av jordbær, aerosoldyrking av bladgrønnsaker og blomster har dukket opp.Den nevnte teknologien har utviklet seg raskt.

1.2.3 Næringsløsningssirkulasjonsteknologi og utstyr

Etter at næringsløsningen har vært brukt i en periode, er det nødvendig å tilsette vann og mineralelementer.Vanligvis bestemmes mengden nytilberedt næringsløsning og mengden syre-baseløsning ved å måle EC og pH.Store partikler av sediment eller roteksfoliering i næringsløsningen må fjernes med et filter.Rotekssudater i næringsløsningen kan fjernes ved fotokatalytiske metoder for å unngå kontinuerlige beskjæringshindringer i hydroponi, men det er visse risikoer i næringstilgjengeligheten.

1.2.4 Miljøkontrollteknologi og utstyr

Luftrensligheten til produksjonsrommet er en av de viktige indikatorene på luftkvaliteten til anleggsfabrikken.Luftrensligheten (indikatorer for suspenderte partikler og sedimenterte bakterier) i produksjonsrommet til plantefabrikken under dynamiske forhold bør kontrolleres til et nivå over 100 000.Materialdesinfeksjonsinngang, behandling av innkommende personell med luftdusj og luftrensingssystem for frisk luftsirkulasjon (luftfiltreringssystem) er alle grunnleggende sikkerhetstiltak.Temperaturen og fuktigheten, CO2-konsentrasjonen og luftstrømhastigheten til luften i produksjonsrommet er et annet viktig innhold i luftkvalitetskontrollen.Ifølge rapporter kan oppsett av utstyr som luftblandebokser, luftkanaler, luftinntak og luftutløp jevnt kontrollere temperatur og fuktighet, CO2-konsentrasjon og luftstrømhastighet i produksjonsrommet, for å oppnå høy romlig ensartethet og møte anleggets behov på forskjellige romlige steder.Kontrollsystemet for temperatur, fuktighet og CO2-konsentrasjon og friskluftsystemet er organisk integrert i sirkulasjonsluftsystemet.De tre systemene må dele luftkanalen, luftinntaket og luftuttaket, og gi strøm gjennom viften for å realisere sirkulasjonen av luftstrøm, filtrering og desinfeksjon, og oppdatering og jevn luftkvalitet.Det sikrer at planteproduksjonen i plantefabrikken er fri for skadedyr og sykdommer, og det er ikke nødvendig med sprøytemidler.Samtidig er jevnheten i temperatur, fuktighet, luftstrøm og CO2-konsentrasjon av vekstmiljøelementene i kalesjen garantert å møte behovene til plantevekst.

2. Utviklingsstatus for plantefabrikkindustrien

2.1 Status quo for utenlandsk plantefabrikkindustri

I Japan går forskningen og utviklingen og industrialiseringen av fabrikker for kunstig lys relativt raskt, og de er på 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 plantefabrikk med en daglig produksjon på 3000 planter.I 2012 var produksjonskostnaden til plantefabrikken 700 yen/kg.I 2014 ble moderne fabrikkfabrikk i Taga Castle, Miyagi Prefecture fullført, og ble verdens første LED-fabrikk med en daglig produksjon på 10 000 planter.Siden 2016 har LED-fabrikker gått inn i den raske industrialiseringen i Japan, og break-even eller lønnsomme bedrifter har dukket opp etter hverandre.I 2018 dukket storskala fabrikker med en daglig produksjonskapasitet på 50 000 til 100 000 planter opp 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 anleggsfabrikker.I 2020 vil markedsandelen til salat produsert av japanske plantefabrikker utgjøre om lag 10 % av hele salatmarkedet.Blant de mer enn 250 kunstige lette plantefabrikkene som for tiden er i drift, er 20 % i et tapsskapende stadium, 50 % er på break-even-nivå, og 30 % er i et lønnsomt stadium, som involverer dyrkede plantearter som f.eks. salat, urter og frøplanter.

Nederland er en virkelig verdensledende innen kombinert applikasjonsteknologi for sollys og kunstig lys for plantefabrikker, med høy grad av mekanisering, automatisering, intelligens og ubemannethet, og har nå eksportert et komplett sett med teknologier og utstyr som er like sterke produkter til Midtøsten, Afrika, Kina og andre land.American AeroFarms farm ligger i Newark, New Jersey, USA, med et areal på 6500 m2.Den dyrker hovedsakelig grønnsaker og krydder, og produksjonen er ca. 900 t/år.

Vertikal oppdrett i AeroFarms

Den vertikale oppdrettsfabrikken til Plenty Company i USA tar i bruk LED-belysning og en vertikal planteramme med en høyde på 6 m.Planter vokser fra sidene av plantekassene.Denne metoden for planting er avhengig av tyngdekraftsvanning, og krever ikke ekstra pumper og er mer vanneffektiv enn konvensjonell jordbruk.Plenty hevder at gården hans produserer 350 ganger så mye som en konvensjonell gård mens han bare bruker 1 % av vannet.

Vertikal oppdrettsanleggfabrikk, Plenty Company

2.2 Status fabrikkfabrikkindustri i Kina

I 2009 ble den første produksjonsanleggsfabrikken i Kina med intelligent kontroll som kjerne bygget og satt i drift i Changchun Agricultural Expo Park.Byggearealet er 200 m2, og miljøfaktorene som temperatur, fuktighet, lys, CO2 og næringsløsningskonsentrasjon i plantefabrikken kan overvåkes automatisk i sanntid for å realisere intelligent styring.

I 2010 ble Tongzhou Plant Factory bygget i Beijing.Hovedkonstruksjonen vedtar en enkeltlags lett stålkonstruksjon med et samlet konstruksjonsareal på 1289 m2.Det er formet som et hangarskip, som symboliserer kinesisk landbruk som tar ledelsen i å seile til den mest avanserte teknologien innen moderne landbruk.Det automatiske utstyret for enkelte operasjoner av bladgrønnsaksproduksjon er utviklet, noe som har forbedret produksjonsautomatiseringsnivået og produksjonseffektiviteten til plantefabrikken.Anleggsfabrikken tar i bruk et jordvarmepumpesystem og et solenergigenereringssystem, som bedre løser problemet med høye driftskostnader for anleggsfabrikken.

Innvendig og utvendig utsikt over Tongzhou Plant Factory

I 2013 ble mange landbruksteknologiselskaper etablert i Yangling Agricultural High-tech Demonstration Zone, Shaanxi-provinsen.De fleste av plantefabrikkprosjektene under bygging og drift er lokalisert i landbruks høyteknologiske demonstrasjonsparker, som hovedsakelig brukes til populærvitenskapelige demonstrasjoner og fritidssightseeing.På grunn av deres funksjonelle begrensninger er det vanskelig for disse populærvitenskapelige plantefabrikkene å oppnå det høye utbyttet og den høye effektiviteten som kreves av industrialisering, og det vil være vanskelig for dem å bli mainstream-formen for industrialisering i fremtiden.

I 2015 samarbeidet en stor LED-brikkeprodusent i Kina med Institute of Botany ved det kinesiske vitenskapsakademiet for i fellesskap å starte 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 industrialisering.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-etasjes bygning som dekker et areal på 3 000 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 som står overfor utviklingen av plantefabrikker

3.1 Problemer

3.1.1 Høy byggekostnad

Plantefabrikker må produsere avlinger i et lukket miljø.Derfor er det nødvendig å bygge støtteprosjekter og utstyr, inkludert eksterne vedlikeholdsstrukturer, luftkondisjoneringssystemer, kunstige lyskilder, flerlags dyrkingssystemer, sirkulasjon av næringsløsninger og datakontrollsystemer.Byggekostnaden er relativt høy.

3.1.2 Høy driftskostnad

De fleste lyskildene som kreves av plantefabrikker kommer fra LED-lys, som bruker mye strøm samtidig som de gir tilsvarende spekter for vekst av forskjellige avlinger.Utstyr som klimaanlegg, ventilasjon og vannpumper i produksjonsprosessen til anleggsfabrikker bruker også strøm, så strømregningene er en stor utgift.I følge statistikk, blant produksjonskostnadene til anleggsfabrikker, utgjør elektrisitetskostnadene 29%, lønnskostnader utgjør 26%, avskrivninger på anleggsmidler står for 23%, emballasje og transport står for 12%, og produksjonsmaterialer står for 10%.

Fordeling av produksjonskostnad for anleggsfabrikk

3.1.3 Lavt automatiseringsnivå

Den nåværende plantefabrikken har et lavt automatiseringsnivå, og prosesser som frøplanting, transplantasjon, feltplanting og høsting krever fortsatt manuelle operasjoner, noe som resulterer i høye arbeidskostnader.

3.1.4 Begrensede varianter av avlinger som kan dyrkes

For tiden er typene avlinger som er egnet for plantefabrikker svært begrenset, hovedsakelig grønne bladgrønnsaker som vokser raskt, lett aksepterer kunstige lyskilder og har lav baldakin.Storskala planting kan ikke utføres for komplekse plantekrav (som avlinger som må bestøves osv.).

3.2 Utviklingsstrategi

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

(1) Styrke forskningen på intelligent teknologi til plantefabrikker og forbedre nivået på intensiv og raffinert forvaltning.Utviklingen av et intelligent styrings- og kontrollsystem bidrar til å oppnå intensiv og raffinert styring av anleggsfabrikker, noe som i stor grad kan redusere arbeidskostnadene og spare arbeidskraft.

(2) Utvikle intensivt og effektivt fabrikkteknisk utstyr for å oppnå årlig høy kvalitet og høy avkastning.Utviklingen av høyeffektive dyrkingsanlegg og utstyr, energibesparende belysningsteknologi og utstyr, etc., for å forbedre det intelligente nivået av plantefabrikker, bidrar til realisering av årlig høyeffektiv produksjon.

(3) Utføre forskning på industriell dyrkingsteknologi for planter med høy verdiøkning som medisinplanter, helseplanter og sjeldne grønnsaker, øke typene avlinger som dyrkes i plantefabrikker, utvide profittkanalene og forbedre startpunktet 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 til Plant Factory

4.1 Teknologiutviklingstrend

4.1.1 Full-prosess intellektualisering

Basert på maskinkunst-fusjon og tapsforebyggende mekanisme til avling-robot-systemet, høyhastighets fleksible og ikke-destruktive slutteffektorer for planting og høsting, distribuert flerdimensjonal plass nøyaktig posisjonering og multi-modale multi-maskin samarbeidskontrollmetoder, og ubemannet, effektiv og ikke-destruktiv såing i høyhusplantefabrikker -Intelligente roboter og støtteutstyr som planting-høsting-pakking bør lages, og dermed realisere ubemannet drift av hele prosessen.

4.1.2 Gjør produksjonskontrollen smartere

Basert på responsmekanismen for avlingsvekst og -utvikling på lysstråling, temperatur, fuktighet, CO2-konsentrasjon, næringskonsentrasjon av næringsoppløsning og EC, bør det konstrueres en kvantitativ modell for tilbakemelding av avlingens miljø.Det bør etableres en strategisk kjernemodell for dynamisk å analysere livsinformasjon og produksjonsmiljøparametere for bladgrønnsaker.Det elektroniske dynamiske identifiseringsdiagnose- og prosesskontrollsystemet for miljøet bør også etableres.Et multi-maskin samarbeidende kunstig intelligens beslutningstakingssystem for hele produksjonsprosessen til en høyvolum vertikal landbruksfabrikk bør opprettes.

4.1.3 Lavkarbonproduksjon og energisparing

Etablere et energiledelsessystem som utnytter fornybare energikilder som sol og vind for å fullføre kraftoverføring og kontrollere energiforbruket for å oppnå optimale energiledelsesmål.Fangst og gjenbruk av CO2-utslipp for å hjelpe avlingsproduksjon.

4.1.3 Høy verdi av premiumvarianter

Gjennomførbare strategier bør tas for å avle frem forskjellige varianter med høy verdiskapning for planteeksperimenter, bygge en database med dyrkingsteknologieksperter, forske på dyrkingsteknologi, tetthetsvalg, stubbarrangement, variasjon og utstyrs tilpasningsevne, og danne standard kultiveringstekniske spesifikasjoner.

4.2 Utviklingsutsikter for industrien

Plantefabrikker kan kvitte seg med ressurs- og miljøbegrensningene, realisere den industrialiserte produksjonen av landbruket, og tiltrekke den nye generasjonen 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, automasjon og intelligente teknologier innen plantefabrikker, vil plantefabrikker tiltrekke seg mer kapitalinvesteringer, talentsamling og bruk av mer ny energi, nye materialer og nytt utstyr.På denne måten kan den dyptgående integrasjonen av informasjonsteknologi og fasiliteter og utstyr realiseres, det intelligente og ubemannede nivået av fasiliteter 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 gylden utviklingsperiode.

I følge markedsundersøkelsesrapporter er den globale vertikale oppdrettsmarkedsstørrelsen i 2020 bare USD 2,9 milliarder, og det forventes at innen 2025 vil den globale vertikale oppdrettsmarkedet nå USD 30 milliarder.Oppsummert har plantefabrikker brede applikasjonsmuligheter og utviklingsrom.

Forfatter: Zengchan Zhou, Weidong, etc

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