Tiivistelmä: Kasvien tehdasteollisuus on viime vuosina kehittynyt nopeasti nykyaikaisen maataloustekniikan tutkimuksen kanssa. Tässä artikkelissa esitellään kasvien tehdastekniikan ja teollisuuden kehityksen nykyiset ongelmat ja kehitystoimet ja odottaa tulevaisuudessa kasvien tehtaiden kehityssuuntausta ja näkymää.

Kello 1. Kasvien tehtaiden tekniikan kehityksen nykyinen asema Kiinassa ja ulkomailla

1.1 Ulkomaisen teknologian kehittämisen status quo

2000-luvulta lähtien kasvien tehtaiden tutkimus on keskittynyt pääasiassa valon tehokkuuden parantamiseen, monikerroksisten kolmiulotteisten viljelyjärjestelmälaitteiden luomiseen sekä älykkään hallinnan ja hallinnan tutkimukseen ja kehittämiseen. 2000-luvulla maatalouden LED-valonlähteiden innovaatio on edistynyt tarjoamalla tärkeätä teknistä tukea LED-energiansäästövalonlähteiden soveltamiselle kasvien tehtaissa. Japanin Chiba-yliopisto on tehnyt useita innovaatioita korkean tehokkuuden valonlähteistä, energiansäästöä säästävästä ympäristönhallinnasta ja viljelytekniikoista. Alankomaiden Wageningen-yliopisto käyttää sato-ympäristöä simulaatiota ja dynaamista optimointekniikkaa älykkään laitejärjestelmän kehittämiseen kasvitehtaille, mikä vähentää huomattavasti käyttökustannuksia ja parantaa merkittävästi työn tuottavuutta.

Viime vuosina kasvitehtaat ovat vähitellen toteuttaneet tuotantoprosessien puoliautomaation kylvön, taimenten nostamisen, siirron ja sadonkorjuun. Japani, Alankomaat ja Yhdysvallat ovat eturintamassa, jolla on korkea mekanisointi, automatisointi ja älykkyys, ja ne kehittyvät pystysuoran maatalouden ja miehittämättömän operaation suuntaan.

1.2 Teknologian kehittämisen asema Kiinassa

1.2.1 Specialisd LED -valonlähde ja energiaa säästävä sovellusteknologialaitteet keinotekoiseen valoon kasvien tehtaalla

Erityisiä punaisia ​​ja sinisiä LED -valonlähteitä eri kasvilajien tuottamiseksi kasvitehtaissa on kehitetty peräkkäin. Teho vaihtelee välillä 30-300 W ja säteilytyksen valon voimakkuus on 80-500 μmol/(m2 • s), mikä voi tarjota valon voimakkuuden sopivalla kynnysalueella, valonlaatuparametrit, korkean tehokkuuden vaikutuksen saavuttamiseksi Energiansäästö ja sopeutuminen kasvien kasvun ja valaistuksen tarpeisiin. Valonlähteen lämmön hajoamisen hallinnan kannalta on otettu käyttöön valonlähteen tuulettimen aktiivinen lämmön hajoamisen suunnittelu, mikä vähentää valonlähteen valon hajoamisnopeutta ja varmistaa valonlähteen elämän. Lisäksi ehdotetaan menetelmää LED -valonlähteen lämmön vähentämiseksi ravintoaineliuoksen tai vedenkierron kautta. Valonlähdetilan hallinnan kannalta kasvien koon evoluutiolain mukaan taimivaiheessa ja myöhemmässä vaiheessa LED -valonlähteen pystysuuntaisen tilan liikkeen hallinnan kautta kasvien katos voidaan valaista läheisellä etäisyydellä ja energiansäästötavoite on saavutettu. Tällä hetkellä keinotekoisen valon tehtaan valonlähteen energiankulutus voi olla 50–60% kasvien tehtaan kokonaisten energiankulutuksesta. Vaikka LED voi säästää 50% energiaa verrattuna fluoresoiviin lampuihin, energiansäästöjen ja kulutuksen vähentämisen tutkimuksen potentiaali ja välttämättömyys on edelleen.

1.2.2 Monikerroksinen kolmiulotteinen viljelytekniikka ja laitteet

Monikerroksisen kolmiulotteisen viljelyn kerrosväli vähenee, koska LED korvaa fluoresoivan lampun, mikä parantaa kasvien viljelyn kolmiulotteista tilaa. Viljelysängyn pohjan suunnittelusta on monia tutkimuksia. Korotetut raidat on suunniteltu tuottamaan turbulenssia virtausta, mikä voi auttaa juurten kasvien juurten imeytymään ravinneliuoksessa tasaisesti ja lisäämään liuenneen hapen pitoisuutta. Kolonisaatiotaulua käyttämällä on olemassa kaksi kolonisaatiomenetelmää, toisin sanoen erikokoisia muovikolonisaatiokuppeja tai sienen kehän kolonisaatiotapaa. Liukutettava viljelyvuodejärjestelmä on ilmestynyt, ja istutuslauta ja sen kasvit voidaan työntää manuaalisesti päästä toiseen, toteuttaen istutusmuodon viljelyvuoteen toiseen päähän ja sadonkorjuu toisessa päässä. Tällä hetkellä on kehitetty erilaisia ​​kolmiulotteisia monikerroksisia Soiless-viljelytekniikkaa ja ravintoaineiden nestemäisten kalvoteknologiaan ja syvän nesteen virtaustekniikan laitteita sekä mansikoiden substraatin viljelyä, lehtivihannesten ja kukkien aerosolin viljelyä ja laitteita ovat nousseet. Mainittu tekniikka on kehittynyt nopeasti.

1.2.3 Ravinneliuoksen kiertotekniikka ja -laitteet

Kun ravinneliuosta on käytetty tietyn ajanjakson ajan, on tarpeen lisätä vesi- ja mineraalielementtejä. Yleensä äskettäin valmistetun ravinneliuoksen ja happo-emäsliuoksen määrä määritetään mittaamalla EC ja pH. Suuret sedimentti- tai juurien kuorinta -alan ravinneliuoksessa on poistettava suodattimella. Ravinneliuoksen juuriseksudaatit voidaan poistaa fotokatalyyttisillä menetelmillä, jotta vältetään vesiviljelyjen jatkuvien esteiden välttäminen, mutta ravinteiden saatavuuden riskit ovat tiettyjä.

1.2.4 Ympäristönvalvontatekniikka ja laitteet

Tuotantotilan ilmanpuhdistus on yksi tärkeimmistä indikaattoreista kasvien tehtaan ilmanlaadusta. Kasvien tehtaan tuotantotilassa dynaamisissa olosuhteissa olevaa ilmanpuhdistusta (suspendoituneiden hiukkasten ja asettujen bakteerien indikaattorit) tulisi hallita yli 100 000 tasolle. Materiaalin desinfiointitulon, saapuvan henkilöstön ilmansuihkukäsittely ja raikkaan ilman kiertoilmanpuhdistusjärjestelmä (ilmansuodatusjärjestelmä) ovat kaikki perussuojauksia. Ilman lämpötila ja kosteus, CO2 -pitoisuus ja ilmavirran nopeus tuotantotilassa ovat toinen tärkeä ilmanlaadunvalvonnan sisältö. Raporttien mukaan laitteiden, kuten ilmansekoituslaatikoiden, ilmakanavien, ilmanpoistojen ja ilmanpoistojen, perustaminen voivat tasaisesti hallita tuotantotilassa olevaa lämpötilaa ja kosteutta, hiilidioksidipitoisuutta ja ilmavirran nopeutta, jotta saadaan aikaan korkea tilallinen tasaisuus ja vastaamaan kasvien tarpeita Eri alueellisissa paikoissa. Lämpötila-, kosteus- ja CO2 -pitoisuuden hallintajärjestelmä ja raikasta ilmajärjestelmä integroidaan orgaanisesti kiertävään ilmajärjestelmään. Kolmen järjestelmän on jaettava ilmakanava, ilmanpoisto- ja ilmapoistoaukko ja annettava virtaa tuulettimen kautta ilman virtauksen, suodatuksen ja desinfioinnin ja ilmanlaadun päivityksen ja tasaisuuden verenkierron toteuttamiseksi. Se varmistaa, että kasvien tehtaan kasvien tuotanto ei ole tuholaisia ​​ja sairauksia, eikä torjunta -aineiden levitystä vaadita. Samanaikaisesti katoksen kasvuympäristöelementtien lämpötilan, kosteuden, ilmavirran ja hiilidioksidipitoisuuden yhtenäisyys taataan kasvien kasvun tarpeisiin.

2. Kasviteollisuuden kehitystila

2.1 Ulkomaisten kasvien tehdasteollisuuden status quo

Japanissa keinotekoisten kevyiden kasvien tehtaiden tutkimus ja kehittäminen ja teollistuminen ovat suhteellisen nopeita, ja ne ovat johtavalla tasolla. Vuonna 2010 Japanin hallitus käynnisti 50 miljardia jeniä tukemaan teknologian tutkimusta ja kehitystä sekä teollisuuden esittelyä. Kahdeksan instituutiota, mukaan lukien Chiba University ja Japanin kasvien tehdastutkimusyhdistys. Japan Future Company ryhtyi ja hallitsi ensimmäistä kasvitehtaan teollistumisen esittelyhanketta, jonka päivittäinen tuotanto oli 3000 kasvia. Vuonna 2012 kasvien tehtaan tuotantokustannukset olivat 700 jeniä/kg. Vuonna 2014 MIYAGI -prefektuuri valmistui Modern Factory -tehtaan Taganin linnassa. Vuodesta 2016 lähtien LED-kasvien tehtaat ovat tulleet Japanin nopeaan teollistumisen kaistalle, ja murto-arvoisia tai kannattavia yrityksiä on syntynyt peräkkäin. Vuonna 2018 laajamittaiset kasvitehtaat, joiden päivittäinen tuotantokapasiteetti oli 50 000-100 000 kasvia Samanaikaisesti Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power ja muut kentät alkoivat investoida kasvien tehtaisiin. Vuonna 2020 japanilaisten kasvien tehtaiden tuottaman salaatin markkinaosuus on noin 10% koko salaattimarkkinoista. Yli 250 keinotekoisen keinon tyyppisen kasviehtaan joukosta 20% on tappiossa valmistusvaiheessa, 50% on saavuttamaa ja 30% kannattavassa vaiheessa, mukaan lukien viljellyt kasvilajit, kuten kuten salaatti, yrtit ja taimet.

Alankomaat on todellisen maailman johtava aurinkovalon ja keinotekoisen valon yhdistetyn sovellustekniikan alalla kasvien tehtaalle, jolla on korkea mekanisointi, automatisointi, älykkyys ja miehittämättömyys, ja se on nyt viettänyt täydellisen tekniikan ja laitteen sarjan vahvana Tuotteet Lähi -itään, Afrikkaan, Kiinaan ja muihin maihin. American AeroFarms Farm sijaitsee Newarkissa, New Jerseyssä, Yhdysvalloissa, alueella 6500 m2. Se kasvattaa pääasiassa vihanneksia ja mausteita, ja tuotanto on noin 900 t/vuosi.

Vertikaalinen viljely Aerofarmsissa

Yhdysvaltojen Polten yrityksen pystysuora viljelykasvien tehtaalla on LED -valaistus ja pystysuora istutuskehys, jonka korkeus on 6 m. Kasvit kasvavat istuttajien sivuilta. Luottaen painovoiman kasteluun, tämä istutusmenetelmä ei vaadi lisäpumppuja ja on vesitehokkaampaa kuin tavanomainen viljely. Suuret väitteet väittävät, että hänen maatilansa tuottaa 350 kertaa tavanomaisen tilan tuotannon käyttäen vain 1% vedestä.

Pystysuora viljelykasvien tehdas, runsaasti yritys

2.2 Tilasitehdasteollisuus Kiinassa

Vuonna 2009 Kiinassa ensimmäinen tuotantolaitostehdas, jolla on älykäs valvonta ytimen rakennuksen aikana, rakennettiin ja otettiin käyttöön Changchunin maatalouden Expo Park -puistossa. Rakennusalue on 200 M2, ja ympäristötekijöitä, kuten lämpötila, kosteus, valo, hiilidioksidi ja ravinneliuosten pitoisuus kasvien tehtaalla, voidaan valvoa automaattisesti reaaliajassa älykkään hallinnan toteuttamiseksi.

Vuonna 2010 Pekingiin rakennettu Tongzhou -kasvien tehdas. Päärakenne omaksuu yksikerroksisen valonteräsrakenteen, jonka kokonaisrakenne on 1289 m2. Se on muotoiltu ilma -alusyhtiöksi, joka symboloi kiinalaista maataloutta, joka on johtava purjehtimaan nykyaikaisen maatalouden edistyneimpaan tekniikkaan. Joidenkin lehtivihannestuotannon toimintojen automaattiset laitteet on kehitetty, mikä on parantanut kasvien tehtaan tuotannon automatisointitasoa ja tuotantotehokkuutta. Kasvien tehdas ottaa käyttöön maanlähdelämpöpumppujärjestelmän ja aurinkoenergian tuotantojärjestelmän, joka ratkaisee paremmin kasvien tehtaan korkean käyttökustannuksen ongelman.

Tongzhou -kasvien tehtaan sisä- ja ulkopuolelle

Vuonna 2013 monet maatalouden teknologiayritykset perustettiin Yanglingin maatalouden korkean teknologian demonstraatioalueelle, Shaanxin maakunnassa. Suurin osa rakenteilla olevista kasvien tehdasprojekteista sijaitsee maatalouden korkean teknologian demonstraatiopuistoissa, joita käytetään pääasiassa populaarien tieteen demonstraatioihin ja vapaa-ajan nähtävyyksiin. Näiden suosittujen tieteellisten kasvien tehtaiden on vaikea saavuttaa teollistumisen edellyttämää korkeaa satoa ja korkeaa hyötysuhdetta, ja niistä on vaikeaa tulla tulevaisuudessa.

Vuonna 2015 Kiinan tiedeakatemian kasvitieteen instituutin merkittävä LED -siruvalmistaja Kiinassa oli yhteistyössä yhdessä kasvien tehdasyhtiön perustamisen aloittamiseksi. Se on ylittänyt optoelektronisesta teollisuudesta ”fotobiologiseen” teollisuuteen, ja siitä on tullut ennakkotapaus kiinalaisten LED -valmistajien investoinnille kasvien tehtaiden rakentamiseen teollistumiseen. Sen kasvien tehdas on sitoutunut tekemään teollisia investointeja kehittyvään fotobiologiaan, joka integroi tieteellisen tutkimuksen, tuotannon, esittelyn, inkubaation ja muut toiminnot, ja rekisteröity pääoma on 100 miljoonaa yuania. Kesäkuussa 2016 tämä kasvitehdas, jonka 3-kerroksinen rakennus oli 3000 m2 ja yli 10 000 m2 viljelyalue, valmistui ja otettiin käyttöön. Toukokuuhun 2017 mennessä päivittäinen tuotantoasteikko on 1 500 kg lehtivihanneksia, mikä vastaa 15 000 salaattikasvia päivässä.

Näkymät tästä yrityksestä

3. Kasvien tehtaiden kehittymiseen kohdistuvat ongelmat ja vastatoimet

3.1 Ongelmat

3.1.1 Korkeat rakennuskustannukset

Kasvien tehtaiden on tuotettava viljelykasveja suljetussa ympäristössä. Siksi on tarpeen rakentaa tukiprojekteja ja laitteita, mukaan lukien ulkoiset huoltorakenteet, ilmastointijärjestelmät, keinotekoiset valonlähteet, monikerroksiset viljelyjärjestelmät, ravintoaineiden ratkaisujen kierto ja tietokoneen ohjausjärjestelmät. Rakennuskustannukset ovat suhteellisen korkeat.

3.1.2 Korkeat käyttökustannukset

Suurin osa kasvien tehtaiden edellyttämistä valonlähteistä tulee LED -valoista, jotka kuluttavat paljon sähköä samalla kun tarjoavat vastaavat spektrit eri kasvien kasvulle. Laitteet, kuten ilmastointi, tuuletus ja vesipumput kasvien tehtaiden tuotantoprosessissa, kuluttavat myös sähköä, joten sähkölaskut ovat valtava kustannus. Tilastojen mukaan kasvien tehtaiden tuotantokustannusten joukossa sähkökustannukset ovat 29%, työvoimakustannukset ovat 26%, käyttöomaisuuden poistot ovat 23%, pakkauksen ja kuljetuksen osuus on 12%ja tuotantomateriaalien osuus 10%.

Tuotantokustannusten hajoaminen kasvitehtaalle

3.1.3 Matala automaatiotaso

Tällä hetkellä käytetyn kasvien tehtaalla on alhainen automaatiotaso, ja prosessit, kuten taimi, elinsiirto, kenttäistutus ja sadonkorjuu, vaativat edelleen manuaalisia toimintoja, mikä johtaa korkeisiin työvoimakustannuksiin.

3.1.4 Rajoitetut viljelylajikkeet, joita voidaan viljellä

Tällä hetkellä kasvitehtaille sopivat kasvityypit ovat hyvin rajallisia, lähinnä vihreitä lehtivihanneksia, jotka kasvavat nopeasti, hyväksyvät helposti keinotekoiset valonlähteet ja niillä on alhainen katos. Laajamittaista istutusta ei voida suorittaa monimutkaisten istutusvaatimusten suhteen (kuten kasveja, jotka on pölyttävä jne.).

3.2 Kehitysstrategia

Kasvien tehdasteollisuuden kohtaamien ongelmien vuoksi on tarpeen suorittaa tutkimusta eri näkökohdista, kuten tekniikka ja toiminta. Vastauksena nykyisiin ongelmiin vastatoimet ovat seuraavat.

(1) Vahvista kasvien tehtaiden älykästä tekniikkaa koskevaa tutkimusta ja parantaa intensiivisen ja hienostuneen johtamisen tasoa. Älykkään hallinto- ja valvontajärjestelmän kehittäminen auttaa saavuttamaan kasvien tehtaiden intensiivisen ja hienostuneen hallinnan, mikä voi vähentää työvoimakustannuksia huomattavasti ja säästää työvoimaa.

(2) Kehitä intensiivisiä ja tehokkaita kasvien tehtaan teknisiä laitteita korkealaatuisen ja korkean tuoton saavuttamiseksi. Korkean tehokkuuden viljelytilojen ja -laitteiden, energiansäästövalaistustekniikan ja -laitteiden jne. Kehitystehtaiden parantamiseksi edistää vuotuisen korkean tehokkuuden tuotannon toteuttamista.

(3) Suorita tutkimusta teollisen viljelytekniikan suhteen arvokkaiden lisäarvojen kasvien, kuten lääkekasvien, terveydenhuollon kasvien ja harvinaisten vihannesten kanssa, lisää kasvitehtaissa viljeltyjä viljelykasvien tyyppejä, laajentaa voittokanavia ja parantaa voittopisteen lähtökohtaa .

(4) Suorita kasvien tehtaita kotitalous- ja kaupallisesta käytöstä, rikastuta kasvien tehtaita ja saavuttaa jatkuvan kannattavuuden erilaisilla toiminnoilla.

4. Kasvien tehtaan kehityssuuntaus ja näkymä

4.1 Teknologian kehittämisen suuntaus

4.1.1 Täysiprosessin intellektualisointi

Viljely-robot-järjestelmän, kone- ja tappavan fuusion ja häviöiden ehkäisemekanismin, nopean joustavan ja tuhoamattoman istutus- ja sadonkorjuun päätyefektorit, levitetyt moniulotteiset tilat tarkkoja paikannus- ja monimuotoisia monikoneiden yhteistyöhön perustuvia kontrollimenetelmiä, ja miehittämättömät, tehokkaat ja tuhoamattomat kylvöt korkean kerrostalojen tehtaalla Istutuksen sadonkorjaus on luotava, mikä ymmärtää koko prosessin miehittämättömän toiminnan.

4.1.2 Tee tuotannonhallinta älykkäämpiä

Vastakasvun kasvun ja kevyen säteilyn, lämpötilan, kosteuden, CO2-pitoisuuden, ravinnepitoisuuden ja ravinneliuoksen ravinnepitoisuuden ja EC: n vastemekanismin perusteella tulisi rakentaa kvantitatiivinen malli sadon ja ympäristön palautteen malli. Strateginen ydinmalli olisi perustettava analysoimaan dynaamisesti lehtien vihannesten informaatio- ja tuotantoympäristöparametreja. Ympäristön on myös määritettävä online -dynaaminen tunnistusdiagnoosi ja prosessinhallintajärjestelmä. Olisi luotava monen koneen yhteistyöhön perustuva tekoälyn päätöksentekoprosessi koko tuotantoprosessille suuren määrän pystysuoran maatalouden tehtaalle.

4.1.3 Lähen hiilen tuotanto ja energiansäästö

Energianhallintajärjestelmän perustaminen, joka hyödyntää uusiutuvia energialähteitä, kuten aurinkoenergian ja tuulen, energiansiirron suorittamiseksi ja energiankulutuksen hallitsemiseksi optimaalisten energianhallintatavoitteiden saavuttamiseksi. Hiilidioksidipäästöjen sieppaaminen ja uudelleenkäyttö sadontuotannon helpottamiseksi.

4.1.3 Premium -lajikkeiden korkea arvo

Suoritettavissa olevien strategioita olisi otettava erilaisten korkean lisäarvon lajikkeiden kasvattamiseksi istutuskokeita varten, rakentamaan viljelytekniikan asiantuntijoiden tietokanta, suorittavat tutkimusta viljelytekniikan, tiheyden valinnan, sänkijärjestelyn, monimuotoisuuden ja laitteiden sopeutumiskyvyn muodostamisesta sekä standardiviljelyjen teknisten eritelmien muodostamista.

4.2 Teollisuuden kehitysnäkymät

Kasvien tehtaat voivat päästä eroon resurssien ja ympäristön rajoituksista, toteuttaa maatalouden teollistuneen tuotannon ja houkutella uuden työvoiman sukupolven maatalouden tuotantoon. Kiinan kasvien tehtaiden tärkein teknologinen innovaatio ja teollistuminen on tulossa maailmanjohtajaksi. LED -valonlähteen, digitalisoinnin, automatisoinnin ja älykkäiden tekniikoiden kiihdytteellä kasvien tehtaiden alalla, kasvitehtaat houkuttelevat lisää pääomasijoituksia, kykyjen keräämistä ja lisää uutta energiaa, uusia materiaaleja ja uusia laitteita. Tällä tavoin voidaan toteuttaa tietotekniikan ja laitteiden ja laitteiden perusteellinen integrointi. Älykäs ja miehittämätöntä tilojen ja laitteiden tasoa voidaan parantaa, järjestelmän energiankulutuksen ja käyttökustannusten jatkuvaa vähentämistä jatkuvan innovaatioiden avulla ja asteittainen vähentäminen ja asteittainen vähentäminen Erikoistuneiden markkinoiden viljely, älykkäät kasvitehtaat johtavat kultaiseen kehityskauteen.

Markkinatutkimusraporttien mukaan vuoden 2020 vertikaalisten viljelymarkkinoiden koko on vain 2,9 miljardia dollaria, ja vuoden 2025 odotetaan, että vuoteen 2025 mennessä maailmanlaajuinen Vertical Farming -markkinoiden koko on 30 miljardia dollaria. Yhteenvetona voidaan todeta, että kasvitehtailla on laajat sovellusnäkymät ja kehitystila.

Kirjoittaja: Zengchan Zhou, Weidong jne

Viittaustiedot:Kasvien tehdasteollisuuden kehityksen nykyinen tilanne ja näkymät [J]. Maatalouden tekniikka, 2022, 42 (1): 18-23.kirjoittanut Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et ai.