Tiivistelmä: Viime vuosina modernin maatalousteknologian jatkuvan kehityksen myötä myös kasvitehdasteollisuus on kehittynyt nopeasti. Tässä artikkelissa esitellään kasvitehdasteknologian ja teollisuuden nykytila, olemassa olevat ongelmat ja kehitykseen liittyvät vastatoimet sekä tarkastellaan kasvitehtaiden tulevaisuuden kehitystrendejä ja -näkymiä.

1. Teknologian kehityksen nykytila ​​tehtaissa Kiinassa ja ulkomailla

1.1 Ulkomaisen teknologian kehityksen nykytila

2000-luvulta lähtien kasvitehtaiden tutkimus on keskittynyt pääasiassa valotehokkuuden parantamiseen, monikerroksisten kolmiulotteisten viljelyjärjestelmälaitteiden luomiseen sekä älykkään hallinnan ja ohjauksen tutkimukseen ja kehittämiseen. 2000-luvulla maatalouden LED-valonlähteiden innovaatiot ovat edistyneet ja tarjonneet tärkeää teknistä tukea LED-energiansäästövalonlähteiden soveltamiselle kasvitehtaissa. Japanilainen Chiban yliopisto on tehnyt useita innovaatioita tehokkaiden valonlähteiden, energiansäästöisen ympäristönhallinnan ja viljelytekniikoiden alalla. Alankomaissa sijaitseva Wageningenin yliopisto käyttää sato-ympäristösimulointia ja dynaamista optimointiteknologiaa kehittääkseen kasvitehtaille älykkään laitejärjestelmän, joka alentaa huomattavasti käyttökustannuksia ja parantaa merkittävästi työn tuottavuutta.

Viime vuosina kasvitehtaat ovat vähitellen ottaneet käyttöön tuotantoprosessien puoliautomaation kylvöstä taimien kasvatukseen, istutukseen ja sadonkorjuuseen. Japani, Alankomaat ja Yhdysvallat ovat eturintamassa korkealla koneellistamis-, automaatio- ja älykkyysasteellaan ja kehittyvät vertikaalisen maatalouden ja miehittämättömän toiminnan suuntaan.

1.2 Teknologian kehityksen tila Kiinassa

1.2.1 Erikoistunut LED-valonlähde ja energiansäästösovellusteknologian laitteet keinovaloon tehtaalla

Kasvitehtaissa erilaisten kasvilajien tuotantoon on kehitetty yksi toisensa jälkeen erityisiä punaisia ​​ja sinisiä LED-valonlähteitä. Teho vaihtelee 30–300 W:n välillä ja säteilyvalon intensiteetti 80–500 μmol/(m2•s). Nämä valonlähteet tarjoavat sopivan kynnysarvon ja valonlaatuparametrit, mikä mahdollistaa tehokkaan energiansäästön ja mukautuu kasvien kasvun ja valaistuksen tarpeisiin. Valonlähteen lämmönhukkahallinnan osalta on otettu käyttöön valonlähteen puhaltimen aktiivinen lämmönhukka, joka vähentää valonlähteen valon heikkenemisnopeutta ja varmistaa valonlähteen käyttöiän. Lisäksi ehdotetaan menetelmää LED-valonlähteen lämmön vähentämiseksi ravinneliuoksen tai veden kierron avulla. Valonlähdetilan hallinnan osalta kasvin koon kehityslain mukaisesti taimivaiheessa ja myöhemmissä vaiheissa LED-valonlähteen pystysuuntaisen tilan liikkeen hallinnan avulla kasvin latvusto voidaan valaista lähietäisyydeltä ja energiansäästötavoite saavutetaan. Tällä hetkellä keinotekoisen valonlähteen energiankulutus tehtaalla voi olla 50–60 % tehtaan kokonaisenergiankulutuksesta. Vaikka LED-valot voivat säästää energiaa 50 % loistelamppuihin verrattuna, energiansäästöön ja kulutuksen vähentämiseen tähtäävälle tutkimukselle on edelleen potentiaalia ja tarvetta.

1.2.2 Monikerroksinen kolmiulotteinen viljelytekniikka ja -laitteet

Monikerroksisen kolmiulotteisen viljelyn kerrosväli pienenee, koska LED korvaa loistelampun, mikä parantaa kasvinviljelyn kolmiulotteista tilankäyttötehokkuutta. Viljelyalustan pohjan suunnittelusta on tehty useita tutkimuksia. Kohotetut raidat on suunniteltu tuottamaan turbulenttista virtausta, joka voi auttaa kasvien juuria imemään ravinteita ravinneliuoksesta tasaisesti ja lisätä liuenneen hapen pitoisuutta. Viljelyalustaa käytettäessä on olemassa kaksi viljelymenetelmää: erikokoiset muoviset viljelykupit tai sienimäinen viljelytila. On ilmestynyt liukuva viljelyalustajärjestelmä, jossa istutusalusta ja sillä olevat kasvit voidaan työntää manuaalisesti päästä toiseen, jolloin tuotantotapana on istutus viljelyalustan toisessa päässä ja sadonkorjuu toisessa päässä. Tällä hetkellä on kehitetty erilaisia ​​kolmiulotteisia, monikerroksisia, multattomia viljelyteknologioita ja -laitteita, jotka perustuvat ravinnenestekalvotekniikkaan ja syvän nesteen virtaustekniikkaan, ja mansikoiden substraattiviljelyyn, lehtivihanneksien ja kukkien aerosoliviljelyyn on syntynyt teknologiaa ja laitteita. Mainittu teknologia on kehittynyt nopeasti.

1.2.3 Ravinneliuosten kiertotekniikka ja -laitteet

Kun ravinneliuosta on käytetty jonkin aikaa, on tarpeen lisätä vettä ja mineraaleja. Yleensä vastavalmistetun ravinneliuoksen ja happo-emäsliuoksen määrä määritetään mittaamalla EC ja pH. Ravinneliuoksesta löytyvät suuret sedimentin tai juurien kuorinnan hiukkaset on poistettava suodattimella. Ravinneliuoksesta peräisin olevat juurieritteet voidaan poistaa fotokatalyyttisillä menetelmillä, jotta vältetään jatkuvan viljelyn esteet vesiviljelyssä, mutta ravinteiden saatavuuteen liittyy tiettyjä riskejä.

1.2.4 Ympäristönsuojelutekniikka ja -laitteet

Tuotantotilan ilmanpuhtaus on yksi tehtaan tehtaan ilmanlaadun tärkeimmistä indikaattoreista. Tehtaan tehtaan tuotantotilan ilmanpuhtauden (suspendoituneet hiukkaset ja laskeutuneet bakteerit) tulisi dynaamisissa olosuhteissa olla yli 100 000. Materiaalien desinfiointi, saapuvan henkilöstön ilmanpuhdistus ja raitisilman kiertoilmanpuhdistusjärjestelmä (ilmansuodatusjärjestelmä) ovat kaikki perusturvatoimia. Tuotantotilan ilman lämpötila ja kosteus, CO2-pitoisuus ja ilmavirran nopeus ovat muita tärkeitä ilmanlaadun valvonnan osatekijöitä. Raporttien mukaan laitteiden, kuten ilmansekoituslaatikoiden, ilmakanavien, ilmanottoaukkojen ja -poistoaukkojen, asentaminen voi säätää tasaisesti tuotantotilan lämpötilaa ja kosteutta, CO2-pitoisuutta ja ilmavirran nopeutta, jotta saavutetaan korkea alueellinen tasaisuus ja täytetään tehtaan tarpeet eri paikoissa. Lämpötilan, kosteuden ja CO2-pitoisuuden säätöjärjestelmä sekä raitisilmajärjestelmä on orgaanisesti integroitu kiertoilmajärjestelmään. Näiden kolmen järjestelmän on jaettava ilmakanava, ilmanottoaukko ja -poistoaukko, ja niiden on toimitettava virtaa tuulettimen kautta ilmavirran kierrättämiseksi, suodattamiseksi ja desinfioimiseksi sekä ilmanlaadun päivittämiseksi ja tasaamiseksi. Se varmistaa, että kasvitehtaan kasvintuotanto on tuholais- ja taudita vapaata, eikä torjunta-aineiden käyttöä tarvita. Samalla taataan kasvuympäristön elementtien lämpötilan, kosteuden, ilmanvaihdon ja CO2-pitoisuuden tasaisuus latvustossa kasvien kasvun tarpeiden täyttämiseksi.

2. Kasviteollisuuden kehitystila

2.1 Ulkomaisen tehdasteollisuuden nykytila

Japanissa keinovalotehtaiden tutkimus- ja kehitystyö sekä teollistuminen etenevät suhteellisen nopeasti ja ovat huipputasolla. Vuonna 2010 Japanin hallitus myönsi 50 miljardia jeniä teknologian tutkimuksen ja kehityksen sekä teollisen demonstraation tukemiseksi. Kahdeksan laitosta, mukaan lukien Chiban yliopisto ja Japanin tehdastutkimusyhdistys, osallistuivat hankkeeseen. Japan Future Company toteutti ja johti ensimmäistä tehdastehtaan teollistamisen demonstraatioprojektia, jonka päivätuotanto oli 3 000 tehdasta. Vuonna 2012 tehdastehtaan tuotantokustannukset olivat 700 jeniä/kg. Vuonna 2014 valmistui moderni tehdas Tagan linnassa Miyagin prefektuurissa, josta tuli maailman ensimmäinen LED-tehdas, jonka päivätuotanto on 10 000 tehdasta. Vuodesta 2016 lähtien LED-tehtaat ovat astuneet Japanin teollistumisen nopealle kaistalle, ja kannattavia tai kannattavia yrityksiä on syntynyt yksi toisensa jälkeen. Vuonna 2018 markkinoille ilmestyi yksi toisensa jälkeen suuria kasvitehtaita, joiden päivittäinen tuotantokapasiteetti oli 50 000–100 000 kasvia, ja maailmanlaajuiset kasvitehtaat kehittyivät kohti laajamittaista, ammattimaista ja älykästä kehitystä. Samaan aikaan Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power ja muut alat alkoivat investoida kasvitehtaisiin. Vuonna 2020 japanilaisten kasvitehtaiden tuottaman salaatin markkinaosuus on noin 10 % koko salaattimarkkinoista. Yli 250:stä tällä hetkellä toiminnassa olevasta keinovalotyyppisestä kasvitehtaasta 20 % on tappiollisessa vaiheessa, 50 % on kannattavuusrajalla ja 30 % on kannattavassa vaiheessa, ja niihin liittyy viljeltyjä kasvilajeja, kuten salaattia, yrttejä ja taimia.

Alankomaat on maailman johtava aurinko- ja keinovaloteknologian yhdistetyn sovellustekniikan alalla kasvitehtaissa. Maalla on korkea mekanisointi-, automaatio-, älykkyys- ja miehittämättömyysaste. Maa on nyt vienyt täyden valikoiman teknologioita ja laitteita vahvoina tuotteina Lähi-itään, Afrikkaan, Kiinaan ja muihin maihin. American AeroFarmsin maatila sijaitsee Newarkissa, New Jerseyssä, Yhdysvalloissa, ja sen pinta-ala on 6500 m2. Siellä viljellään pääasiassa vihanneksia ja mausteita, ja tuotanto on noin 900 tonnia vuodessa.

Vertikaalinen viljely AeroFarmsissa

Yhdysvalloissa sijaitseva Plenty Companyn pystyviljelykasvien tehdas ottaa käyttöön LED-valaistuksen ja 6 metriä korkean pystysuoran istutuskehyksen. Kasvit kasvavat istutusastioiden sivuilta. Painovoimaiseen kasteluun perustuva istutusmenetelmä ei vaadi lisäpumppuja ja on vedenkäytöltään tehokkaampi kuin perinteinen viljely. Plenty väittää, että hänen tilansa tuottaa 350 kertaa enemmän vettä kuin perinteinen tila ja käyttää vain 1 % vedestä.

Pystysuuntainen viljelylaitostehdas, Plenty Company

2.2 Kiinan tehdasteollisuuden tila

Vuonna 2009 rakennettiin ja otettiin käyttöön Kiinan ensimmäinen älykkäällä ohjauksella varustettu tuotantolaitos Changchunin maatalousnäyttelypuistoon. Rakennuspinta-ala on 200 m2, ja tehtaan ympäristötekijöitä, kuten lämpötilaa, kosteutta, valoa, CO2:ta ja ravinneliuospitoisuutta, voidaan seurata automaattisesti reaaliajassa älykkään hallinnan toteuttamiseksi.

Vuonna 2010 Tongzhoun tehdas rakennettiin Pekingiin. Päärakenne on yksikerroksinen kevytteräsrakenne, jonka kokonaispinta-ala on 1289 m2. Se on muodoltaan lentotukialus, joka symboloi Kiinan maatalouden johtoasemaa modernin maatalouden edistyneimmän teknologian käyttöönotossa. Lehtivihannesten tuotantoon on kehitetty automaattisia laitteita, mikä on parantanut tehtaan tuotannon automaatiotasoa ja tuotantotehokkuutta. Tehtaassa on käytössä maalämpöpumppujärjestelmä ja aurinkoenergian tuotantojärjestelmä, jotka ratkaisevat paremmin tehtaan korkeiden käyttökustannusten ongelman.

Tongzhoun tehtaan sisä- ja ulkonäkymä

Vuonna 2013 Shaanxin maakunnassa sijaitsevalle Yanglingin maatalouden huipputeknologian demonstraatioalueelle perustettiin useita maatalousteknologiayrityksiä. Suurin osa rakenteilla ja toiminnassa olevista tehdashankkeista sijaitsee maatalouden huipputeknologian demonstraatiopuistoissa, joita käytetään pääasiassa tieteellisiin esittelyihin ja vapaa-ajan nähtävyyksien katseluun. Toiminnallisten rajoitustensa vuoksi näiden tieteellisten tehdastehtaiden on vaikea saavuttaa teollistumisen edellyttämää korkeaa tuottoa ja tehokkuutta, ja niiden on vaikea tulla teollistumisen valtavirtamuodoksi tulevaisuudessa.

Vuonna 2015 merkittävä kiinalainen LED-siruvalmistaja aloitti yhteistyön Kiinan tiedeakatemian kasvitieteen laitoksen kanssa aloittaakseen yhdessä tehdasyrityksen perustamisen. Yritys on siirtynyt optoelektroniikkateollisuudesta "fotobiologian" teollisuuteen ja siitä on tullut ennakkotapaus kiinalaisille LED-valmistajille investoida tehdastehtaiden rakentamiseen teollistumisen myötä. Sen tehdas on sitoutunut tekemään teollisia investointeja nousevaan fotobiologiaan, joka yhdistää tieteellisen tutkimuksen, tuotannon, demonstraation, inkuboinnin ja muut toiminnot. Sen rekisteröity pääoma on 100 miljoonaa yuania. Kesäkuussa 2016 tämä tehdas, jonka kolmikerroksinen rakennus kattaa 3 000 m2:n alueen ja viljelyala on yli 10 000 m2, valmistui ja otettiin käyttöön. Toukokuuhun 2017 mennessä päivittäinen tuotantomäärä on 1 500 kg lehtivihanneksia, mikä vastaa 15 000 salaatinkasvia päivässä.

Näkemyksiä tästä yrityksestä

3. Kasvitehtaiden kehittämisen ongelmat ja vastatoimet

3.1 Ongelmat

3.1.1 Korkeat rakennuskustannukset

Kasvitehtaiden on tuotettava satoa suljetussa ympäristössä. Siksi on tarpeen rakentaa tukirakenteita ja -laitteita, kuten ulkoisia huoltorakenteita, ilmastointijärjestelmiä, keinotekoisia valonlähteitä, monikerroksisia viljelyjärjestelmiä, ravinneliuosten kiertoa ja tietokoneohjattuja järjestelmiä. Rakennuskustannukset ovat suhteellisen korkeat.

3.1.2 Korkeat käyttökustannukset

Suurin osa tehdastehtaiden tarvitsemista valonlähteistä on LED-valoja, jotka kuluttavat paljon sähköä ja tarjoavat samalla vastaavat spektrit eri viljelykasvien kasvulle. Myös tehdastehtaiden tuotantoprosessissa käytettävät laitteet, kuten ilmastointi, ilmanvaihto ja vesipumput, kuluttavat sähköä, joten sähkölaskut ovat valtava kuluerä. Tilastojen mukaan tehdastehtaiden tuotantokustannuksista sähkökustannukset muodostavat 29 %, työvoimakustannukset 26 %, käyttöomaisuuden poistot 23 %, pakkaus- ja kuljetuskustannukset 12 % ja tuotantomateriaalit 10 %.

Tehtaan tuotantokustannusten erittely

3.1.3 Alhainen automaatiotaso

Nykyisellään käytössä olevassa kasvitehtaassa on vähän automaatiotasoa, ja prosessit, kuten taimien istutus, uudelleenistutus, peltoistutus ja sadonkorjuu, vaativat edelleen manuaalisia toimintoja, mikä johtaa korkeisiin työvoimakustannuksiin.

3.1.4 Viljeltävien viljelykasvien rajalliset lajikkeet

Tällä hetkellä kasvitehtaisiin soveltuvia viljelykasveja on hyvin vähän, pääasiassa vihreitä lehtivihanneksia, jotka kasvavat nopeasti, sietävät helposti keinotekoisia valonlähteitä ja joilla on matala latvusto. Laajamittaista istutusta ei voida toteuttaa monimutkaisten istutusvaatimusten (kuten pölytystä vaativien viljelykasvien jne.) vuoksi.

3.2 Kehitysstrategia

Tehdasteollisuuden kohtaamien ongelmien vuoksi on tarpeen tehdä tutkimusta eri näkökulmista, kuten teknologiasta ja toiminnasta. Nykyisiin ongelmiin vastataan seuraavilla toimenpiteillä.

(1) Vahvistetaan tehtaiden älykkään teknologian tutkimusta ja parannetaan intensiivisen ja hienostuneen hallinnan tasoa. Älykkään hallinta- ja ohjausjärjestelmän kehittäminen auttaa saavuttamaan tehtaiden intensiivisen ja hienostuneen hallinnan, mikä voi merkittävästi vähentää työvoimakustannuksia ja säästää työvoimaa.

(2) Kehitetään tehokkaita ja tehokkaita tehtaan teknisiä laitteita korkealaatuisen ja korkean vuosittaisen sadon saavuttamiseksi. Tehokkaiden viljelylaitosten ja -laitteiden, energiansäästöisen valaistustekniikan ja -laitteiden jne. kehittäminen tehtaiden älykkään tason parantamiseksi edistää vuosittaisen tehokkaan tuotannon toteutumista.

(3) Tutkia teollisen viljelyteknologian käyttöä korkean jalostusarvon kasveille, kuten lääkekasveille, terveydenhuoltokasveille ja harvinaisille vihanneksille, lisätä kasvitehtaissa viljeltävien viljelykasvien valikoimaa, laajentaa voitontuotantokanavia ja parantaa voiton lähtökohtaa.

(4) Tutki kotitalous- ja kaupalliseen käyttöön tarkoitettuja kasvitehtaita, rikastuttaa kasvitehtaiden tyyppejä ja saavuttaa jatkuva kannattavuus erilaisilla toiminnoilla.

4. Kasvitehtaan kehitystrendi ja tulevaisuudennäkymät

4.1 Teknologian kehitystrendi

4.1.1 Täyden prosessin älyllistäminen

Kasvi-robotti-järjestelmän koneelliseen fuusio- ja häviöidenestomekanismiin perustuen tulisi luoda nopeat, joustavat ja rikkomattomat istutus- ja sadonkorjuupäätelaitteet, hajautetut moniulotteisen tilan tarkat paikannus- ja monimuotoiset usean koneen yhteistyöohjausmenetelmät sekä miehittämättömät, tehokkaat ja rikkomattomat kylvöt korkeissa kasvitehtaissa. Näin voidaan toteuttaa koko prosessin miehittämätön toiminta.

4.1.2 Tee tuotannonohjauksesta älykkäämpää

Kasvien kasvun ja kehityksen valosäteilyyn, lämpötilaan, kosteuteen, CO2-pitoisuuteen, ravinneliuoksen ravinnepitoisuuteen ja sähkönjohtavuuteen (EC) perustuen tulisi rakentaa kvantitatiivinen malli sadon ja ympäristön palautteesta. Tulisi luoda strateginen ydinmalli lehtivihanneksien elintietojen ja tuotantoympäristön parametrien dynaamiseksi analysoimiseksi. Lisäksi tulisi luoda ympäristön online-dynaaminen tunnistus-, diagnostiikka- ja prosessinohjausjärjestelmä. Tulisi luoda usean koneen yhteistyöhön perustuva tekoälyyn perustuva päätöksentekojärjestelmä suuren volyymin vertikaalisen maataloustehtaan koko tuotantoprosessille.

4.1.3 Vähähiilinen tuotanto ja energiansäästö

Energianhallintajärjestelmän perustaminen, joka hyödyntää uusiutuvia energialähteitä, kuten aurinko- ja tuulivoimaa, sähkönsiirron loppuun saattamiseksi ja energiankulutuksen hallitsemiseksi optimaalisten energianhallintatavoitteiden saavuttamiseksi. Hiilidioksidipäästöjen talteenotto ja uudelleenkäyttö viljelykasvien tuotannon tukemiseksi.

4.1.3 Premium-lajikkeiden korkea arvo

Olisi kehitettävä toteuttamiskelpoisia strategioita erilaisten korkean jalostusarvon lajikkeiden jalostamiseksi kylvökokeita varten, rakennettava viljelyteknologian asiantuntijoiden tietokanta, tehtävä tutkimusta viljelyteknologiasta, tiheysvalinnasta, sängen järjestelystä, lajikkeiden ja laitteiden sopeutuvuudesta sekä laadittava standardoidut viljelytekniset eritelmät.

4.2 Alan kehitysnäkymät

Kasvitehtaat voivat päästä eroon resurssien ja ympäristön rajoituksista, toteuttaa maatalouden teollistuneen tuotannon ja houkutella uuden sukupolven työvoimaa maataloustuotantoon. Kiinan kasvitehtaiden keskeinen teknologinen innovaatio ja teollistuminen ovat tulossa maailman johtavaksi. LED-valonlähteiden, digitalisaation, automaation ja älykkäiden teknologioiden kiihtyvän soveltamisen myötä kasvitehtaiden alalla kasvitehtaat houkuttelevat enemmän pääomasijoituksia, kykyjen keräämistä ja uuden energian, uusien materiaalien ja uusien laitteiden käyttöä. Tällä tavoin voidaan toteuttaa tietotekniikan ja laitteiden syvällinen integrointi, parantaa laitteiden ja laitteiden älykkyyttä ja miehittämättömyyttä, vähentää jatkuvasti järjestelmän energiankulutusta ja käyttökustannuksia jatkuvan innovoinnin avulla sekä asteittain kehittää erikoistuneita markkinoita. Älykkäät kasvitehtaat aloittavat kehityksen kultakauden.

Markkinatutkimusraporttien mukaan maailmanlaajuisten vertikaalisen viljelyn markkinoiden koko vuonna 2020 on vain 2,9 miljardia Yhdysvaltain dollaria, ja vuoteen 2025 mennessä maailmanlaajuisten vertikaalisen viljelyn markkinoiden koon odotetaan nousevan 30 miljardiin Yhdysvaltain dollariin. Yhteenvetona voidaan todeta, että tehtailla on laajat sovellusmahdollisuudet ja kehitystilaa.

Kirjoittaja: Zengchan Zhou, Weidong jne

Viittaustiedot:Kasvitehdasteollisuuden nykytilanne ja kehitysnäkymät [J]. Maataloustekniikka, 2022, 42(1): 18-23.Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li et ai.