Tiivistelmä: Viime vuosina nykyaikaisen maatalousteknologian jatkuvan tutkimisen myötä kasvitehdasteollisuus on myös kehittynyt nopeasti. Tässä artikkelissa esitellään tehdastehtaiden teknologian ja teollisuuden kehityksen status quo, olemassa olevat ongelmat ja kehityksen vastatoimet sekä odotetaan tehdastehtaiden kehitystä ja tulevaisuuden näkymiä.

1. Teknologian kehityksen nykytila ​​kasvitehtaissa Kiinassa ja ulkomailla

1.1 Ulkomaisen teknologian kehityksen status quo

Kasvitehtaiden tutkimus on 2000-luvulta lähtien 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 tarjoavat tärkeää teknistä tukea LED-energiaa säästävien valonlähteiden käyttöön kasvitehtaissa. Chiban yliopisto Japanissa on tehnyt useita innovaatioita tehokkaisiin valonlähteisiin, energiaa säästävään ympäristönhallintaan ja viljelytekniikoihin. Wageningenin yliopisto Hollannissa käyttää viljelyympäristön simulointia ja dynaamista optimointitekniikkaa älykkään laitejärjestelmän kehittämiseen kasvitehtaille, mikä vähentää huomattavasti käyttökustannuksia ja parantaa merkittävästi työn tuottavuutta.

Viime vuosina kasvitehtaissa on vähitellen toteutettu tuotantoprosessien puoliautomaatio kylvöstä, taimien kasvatuksesta, istutuksesta ja sadonkorjuusta. Japani, Alankomaat ja Yhdysvallat ovat edelläkävijöitä, joilla on korkea koneistus-, automaatio- ja älykkyysaste, ja ne kehittyvät vertikaalisen maatalouden ja miehittämättömän toiminnan suuntaan.

1.2 Teknologian kehitystilanne Kiinassa

1.2.1 Erikoistuneet LED-valonlähteet ja energiaa säästävät sovellusteknologian laitteet keinovaloon tehdastehtaalla

Erilaisten kasvilajien tuotantoon kasvitehtaissa on kehitetty peräkkäin erityisiä punaisia ​​ja sinisiä LED-valolähteitä. Teho vaihtelee välillä 30 - 300 W ja säteilytyksen valon intensiteetti on 80 - 500 μmol/(m2•s), mikä voi tarjota valon voimakkuuden sopivalla kynnysalueella, valon laatuparametreilla korkean hyötysuhteen saavuttamiseksi. energiansäästöä ja sopeutumista kasvien kasvun ja valaistuksen tarpeisiin. Valonlähteen lämmönpoiston hallinnassa on otettu käyttöön valonlähteen tuulettimen aktiivinen lämmönpoistorakenne, joka vähentää valonlähteen valon heikkenemisnopeutta ja varmistaa valonlähteen käyttöiän. Lisäksi ehdotetaan menetelmää LED-valonlähteen lämmön vähentämiseksi ravinneliuoksen tai vesikierron avulla. Valonlähteen tilanhallinnan kannalta kasvin koon evoluutiolain mukaan taimivaiheessa ja myöhemmässä vaiheessa LED-valonlähteen pystysuuntaisen tilan liikkeenhallinnan kautta kasvikatos voidaan valaista lähietäisyydeltä ja energiansäästötavoite on saavutettu. Tällä hetkellä keinovalotehtaan valonlähteen energiankulutus voi olla 50–60 % tehdastehtaan kokonaisenergiankulutuksesta. Vaikka LEDillä voidaan säästää 50 % energiaa loistelamppuihin verrattuna, energiansäästöä ja kulutuksen vähentämistä koskeva tutkimus on edelleen mahdollista ja tarpeellista.

1.2.2 Monikerroksinen kolmiulotteinen viljelytekniikka ja -laitteet

Monikerroksisen kolmiulotteisen viljelyn kerrosväli pienenee, koska LED korvaa loistelampun, mikä parantaa kasvinviljelyn kolmiulotteisen tilankäytön tehokkuutta. Viljelypenkin pohjan suunnittelusta on tehty monia tutkimuksia. Kohotetut raidat on suunniteltu tuottamaan turbulenttia virtausta, joka voi auttaa kasvien juuria imemään ravintoaineita tasaisesti ravinneliuoksessa ja lisäämään liuenneen hapen pitoisuutta. Kolonisointilevyä käyttämällä on olemassa kaksi kolonisointimenetelmää, eli erikokoiset muoviset kolonisaatiokupit tai sienikehän kolonisaatiotila. Liukuva viljelypenkkijärjestelmä on ilmestynyt, ja istutuslautaa ja sen päällä olevia kasveja voidaan työntää käsin päästä toiseen toteuttaen tuotantotavan, jossa viljelypenkin toiseen päähän istutetaan ja toisessa päässä sadonkorjuu. Tällä hetkellä on kehitetty erilaisia ​​kolmiulotteisia monikerroksisia mullatonta viljelytekniikkaa ja -laitteita, jotka perustuvat ravinnenestekalvotekniikkaan ja syvän nestevirtaustekniikkaan, sekä tekniikka ja laitteet mansikoiden substraattiviljelyyn, lehtivihanneksien ja kukkien aerosoliviljelyyn. ovat nousseet. Mainittu tekniikka on kehittynyt nopeasti.

1.2.3 Ravinneliuoskiertotekniikka ja -laitteet

Kun ravinneliuosta on käytetty jonkin aikaa, on tarpeen lisätä vettä ja mineraalielementtejä. Yleensä vasta valmistetun ravinneliuoksen määrä ja happo-emäsliuoksen määrä määritetään mittaamalla EC ja pH. Ravinneliuoksessa olevat suuret sedimenttihiukkaset tai juuren kuoriutuminen on poistettava suodattimella. Ravinneliuoksessa olevat juurinesteet voidaan poistaa fotokatalyyttisilla menetelmillä jatkuvan sadonkorjuun esteiden välttämiseksi hydroponiikassa, mutta ravinteiden saatavuuteen liittyy tiettyjä riskejä.

1.2.4 Ympäristönhallintatekniikka ja -laitteet

Tuotantotilan ilman puhtaus on yksi tärkeimmistä tehdastehtaan ilmanlaadun mittareista. Tehdastehtaan tuotantotilojen ilman puhtaus (suspendoituneiden hiukkasten ja laskeutuneiden bakteerien indikaattorit) dynaamisissa olosuhteissa on säädettävä yli 100 000:n tasolle. Materiaalin desinfiointi, saapuvan henkilöstön suihkukäsittely ja raitisilman kiertoilmanpuhdistusjärjestelmä (ilmansuodatusjärjestelmä) ovat kaikki perusturvatoimia. Tuotantotilan ilman lämpötila ja kosteus, CO2-pitoisuus ja ilmavirran nopeus ovat toinen tärkeä ilmanlaadun valvonnan sisältö. Raporttien mukaan laitteiden, kuten ilmansekoituslaatikoiden, ilmakanavien, ilmanottoaukkojen ja ilmanpoistoaukkojen, asentaminen pystyy säätämään tasaisesti lämpötilaa ja kosteutta, CO2-pitoisuutta ja ilmavirran nopeutta tuotantotilassa, jotta saavutetaan korkea alueellinen tasaisuus ja laitoksen tarpeet. eri paikoissa. Lämpötilan, kosteuden ja CO2-pitoisuuden säätöjärjestelmä ja raitisilmajärjestelmä on integroitu orgaanisesti kiertoilmajärjestelmään. Kolmen järjestelmän on jaettava ilmakanava, ilman sisääntulo ja ilmanpoistoaukko ja annettava virtaa tuulettimen kautta ilmavirran kierron, suodatuksen ja desinfioinnin toteuttamiseksi sekä ilmanlaadun päivittämiseksi ja tasaiseksi. Se varmistaa, että tehdastehtaan kasvituotannossa ei esiinny tuholaisia ​​ja tauteja, eikä torjunta-aineita tarvita. Samalla taataan kasvin kasvuympäristön elementtien lämpötilan, kosteuden, ilmavirran ja CO2-pitoisuuden tasaisuus kasvin kasvun tarpeiden mukaisesti.

2. Kasvitehdasteollisuuden kehitystila

2.1 Ulkomaisen kasvitehdasteollisuuden status quo

Japanissa keinovalotehtaiden tutkimus- ja kehitystyö ja teollistuminen ovat suhteellisen nopeaa, ja ne ovat johtavalla tasolla. Vuonna 2010 Japanin hallitus käynnisti 50 miljardia jeniä tukeakseen teknologian tutkimusta ja kehitystä sekä teollista demonstraatiota. Kahdeksan laitosta, mukaan lukien Chiban yliopisto ja Japan Plant Factory Research Association, osallistui. Japan Future Company toteutti ja toteutti ensimmäisen 3 000 tehtaan päivittäisen tehtaan teollistumisen demonstraatioprojektin. Vuonna 2012 tehdastehtaan tuotantokustannukset olivat 700 jeniä/kg. Vuonna 2014 valmistui moderni tehdastehdas Tagan linnassa, Miyagin prefektuurissa, ja siitä tuli maailman ensimmäinen LED-tehdas, jonka päivittäinen tuotanto on 10 000 tehdasta. Vuodesta 2016 lähtien LED-laitostehtaat ovat tulleet Japanin teollistumisen nopealle kaistalle, ja kannattavia tai kannattavia yrityksiä on syntynyt yksi toisensa jälkeen. Vuonna 2018 suuria tehtaita, joiden päivittäinen tuotantokapasiteetti on 50 000 - 100 000 tehdasta, ilmestyi peräkkäin ja globaalit kasvitehtaat kehittyivät kohti laajamittaista, ammattimaista ja älykästä kehitystä. Samaan aikaan Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power ja muut alat alkoivat investoida kasvitehtaisiin. Vuonna 2020 Japanin kasvitehtaiden tuottaman salaatin markkinaosuus on noin 10 % koko salaattimarkkinoista. Tällä hetkellä toiminnassa olevista yli 250 keinovalotyyppisestä kasvitehdasta 20 % on tappiollisessa vaiheessa, 50 % kannattavuustasolla ja 30 % kannattavassa vaiheessa, ja niissä on mukana viljeltyjä kasvilajeja, kuten esim. salaattia, yrttejä ja taimia.

Alankomaat on todellinen maailman johtava aurinkovalon ja keinovalon yhdistetyn sovellusteknologian alalla tehdastehtaille, jolla on korkea mekanisaatio-, automaatio-, älykkyys- ja miehittämättömyysaste, ja se on nyt vienyt täyden valikoiman teknologioita ja laitteita yhtä vahvana. tuotteita Lähi-itään, Afrikkaan, Kiinaan ja muihin maihin. American AeroFarms -tila sijaitsee Newarkissa, New Jerseyssä, Yhdysvalloissa, ja sen pinta-ala on 6500 m2. Se kasvattaa pääasiassa vihanneksia ja mausteita ja tuotanto on noin 900 t/vuosi.

Pystyviljely AeroFarmsissa

Plenty Companyn pystysuora viljelykasvien tehdas Yhdysvalloissa ottaa käyttöön LED-valaistuksen ja pystysuoran istutuskehyksen, jonka korkeus on 6 m. Kasvit kasvavat istutuskoneen sivuilta. Tämä painovoimaiseen kasteluun perustuva istutusmenetelmä ei vaadi lisäpumppuja ja on vettä säästävämpi kuin perinteinen viljely. Moni väittää, että hänen tilansa tuottaa 350 kertaa enemmän kuin perinteinen maatila, mutta käyttää vain 1 % vedestä.

Pystysuora viljelykasvien tehdas, Plenty Company

2.2 Kasvien tehdasteollisuuden tila Kiinassa

Vuonna 2009 Changchun Agricultural Expo Parkissa rakennettiin ja otettiin käyttöön Kiinan ensimmäinen tuotantolaitostehdas, jonka ydin oli älykäs ohjaus. Rakennusala on 200 m2 ja tehdastehtaan ympäristötekijöitä, kuten lämpötilaa, kosteutta, valoa, CO2- ja ravinneliuospitoisuutta voidaan seurata automaattisesti reaaliajassa älykkään hallinnan toteuttamiseksi.

Vuonna 2010 Tongzhoun kasvitehdas rakennettiin Pekingiin. Päärakenteessa on yksikerroksinen kevyt teräsrakenne, jonka kokonaispinta-ala on 1289 m2. Se on muotoiltu lentotukialukseksi, ja se symboloi Kiinan maataloutta, joka ottaa johtoaseman purjehtimisessa modernin maatalouden edistyneimmän teknologian suuntaan. Joidenkin lehtivihannestuotannon toimintojen automaattilaitteita on kehitetty, mikä on parantanut tehdastehtaan tuotantoautomaatiotasoa ja tuotannon tehokkuutta. Laitostehdas ottaa käyttöön maalämpöpumppujärjestelmän ja aurinkoenergian tuotantojärjestelmän, mikä ratkaisee paremmin laitostehtaan korkeiden käyttökustannusten ongelman.

Näkymä Tongzhoun kasvitehtaan sisältä ja ulkoa

Vuonna 2013 useita maatalousteknologiayrityksiä perustettiin Yangling Agricultural High-tech Demonstration Zone -alueelle, Shaanxin maakuntaan. Suurin osa rakenteilla olevista ja toimivista tehdasprojekteista sijaitsee maatalouden korkean teknologian demonstraatiopuistoissa, joita käytetään pääasiassa populaaritieteellisiin demonstraatioihin ja vapaa-ajan nähtävyyksiin. Näiden populaaritieteellisten kasvitehtaiden on toiminnallisten rajoitustensa vuoksi vaikea saavuttaa teollistumisen edellyttämää korkeaa tuottoa ja korkeaa hyötysuhdetta, ja niiden on tulevaisuudessa vaikea tulla teollistumisen valtavirtamuodoksi.

Vuonna 2015 Kiinan suuri LED-sirujen valmistaja teki yhteistyötä Kiinan tiedeakatemian kasvitieteen instituutin kanssa aloittaakseen yhdessä tehdasyhtiön perustamisen. Se on siirtynyt optoelektroniikkateollisuudesta "fotobiologiseen" teollisuuteen, ja siitä on tullut ennakkotapaus kiinalaisille LED-valmistajille, jotka investoivat kasvitehtaiden rakentamiseen teollistumisen yhteydessä. Sen Plant Factory on sitoutunut tekemään teollisia investointeja kehittyvään fotobiologiaan, joka yhdistää tieteellisen tutkimuksen, tuotannon, demonstroinnin, inkuboinnin ja muut toiminnot ja jonka rekisteröity pääoma on 100 miljoonaa yuania. Kesäkuussa 2016 valmistui ja otettiin käyttöön kasvitehdas, jossa on 3-kerroksinen rakennus, jonka pinta-ala on 3 000 m2 ja viljelyala yli 10 000 m2. Toukokuuhun 2017 mennessä päivittäinen tuotantoasteikko on 1 500 kg lehtivihanneksia, mikä vastaa 15 000 salaatin kasvia päivässä.

Näkemykset tästä yrityksestä

3. Tehdastehtaiden kehittämisen ongelmat ja vastatoimenpiteet

3.1 Ongelmat

3.1.1 Korkeat rakennuskustannukset

Kasvitehtaiden on tuotettava satoa suljetussa ympäristössä. Siksi on tarpeen rakentaa tukiprojekteja ja laitteita, mukaan lukien ulkoiset kunnossapitorakenteet, ilmastointijärjestelmät, keinovalon lähteet, monikerroksiset viljelyjärjestelmät, ravinneliuoskierto ja tietokoneohjausjärjestelmät. Rakennuskustannukset ovat suhteellisen korkeat.

3.1.2 Korkeat käyttökustannukset

Suurin osa kasvitehtaiden tarvitsemista valonlähteistä tulee LED-valoista, jotka kuluttavat paljon sähköä ja tarjoavat samalla vastaavat spektrit eri viljelykasvien kasvulle. Tehdastehtaiden tuotantoprosessissa olevat laitteet, kuten ilmastointi, ilmanvaihto ja vesipumput kuluttavat myös sähköä, joten sähkölasku on valtava kulu. Tilastojen mukaan tehdastehtaiden tuotantokustannuksista sähkökustannusten osuus on 29 %, työvoimakustannusten 26 %, käyttöomaisuuden poistojen 23 %, pakkausten ja kuljetusten 12 % ja tuotantomateriaalien 10 %.

Tehdastehtaan tuotantokustannusten erittely

3.1.3 Matala automaatiotaso

Tällä hetkellä käytössä oleva kasvitehdas on automaatiotasoltaan alhainen ja prosessit, kuten taimi, istutus, peltoistutus ja sadonkorjuu, vaativat edelleen manuaalista toimintaa, mikä johtaa korkeisiin työvoimakustannuksiin.

3.1.4 Rajalliset viljelykasvilajikkeet

Kasvitehtaille soveltuvia viljelykasveja on tällä hetkellä hyvin rajoitetusti, pääasiassa vihreät lehtivihannekset, jotka kasvavat nopeasti, ottavat helposti keinovalon lähteitä ja joilla on matala latvus. Laajamittaista istutusta ei voida suorittaa monimutkaisia ​​istutusvaatimuksia varten (kuten pölytettävät viljelykasvit jne.).

3.2 Kehitysstrategia

Kasvitehdasteollisuuden kohtaamien ongelmien vuoksi on tarpeen tehdä tutkimusta eri näkökulmista, kuten tekniikasta ja toiminnasta. Vastatoimet nykyisiin ongelmiin ovat seuraavat.

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

(2) Kehittää intensiivisiä ja tehokkaita tehdasteknisiä laitteita vuotuisen korkean laadun ja korkean tuoton saavuttamiseksi. Tehokkaiden viljelytilojen ja -laitteiden, energiaa säästävien valaistustekniikoiden ja -laitteiden jne. kehittäminen kasvitehtaiden älykkään tason parantamiseksi edistää vuosittaisen tehokkaan tuotannon toteutumista.

(3) Tutkia teollista viljelyteknologiaa korkean jalostusarvon kasveille, kuten lääkekasveille, terveydenhoitokasveille ja harvinaisille vihanneksille, lisätä kasvitehtaissa viljeltäviä viljelykasveja, laajentaa voittokanavia ja parantaa voiton lähtökohtaa .

(4) Suorittaa kotitalous- ja kaupalliseen käyttöön tarkoitettujen kasvitehtaiden tutkimusta, rikastaa kasvitehtaiden tyyppejä ja saavuttaa jatkuvaa kannattavuutta eri toiminnoilla.

4. Plant Factoryn kehitystrendi ja -näkymät

4.1 Teknologian kehitystrendi

4.1.1 Koko prosessin älykkyys

Perustuu viljely-robottijärjestelmän konetaiteen fuusio- ja häviönestomekanismiin, nopeisiin, joustaviin ja tuhoamattomiin istutus- ja sadonkorjuupäätekoneisiin, hajautettuun moniulotteiseen tilan tarkkaan paikannukseen ja monimuotoisiin monen koneen yhteistoimintaohjausmenetelmiin, ja miehittämätön, tehokas ja tuhoamaton kylvö korkeissa kasvitehtaissa -Pitäisi luoda älykkäitä robotteja ja tukilaitteita, kuten istutus-korjuu-pakkaus, jolloin koko prosessin miehittämätön toiminta toteutuu.

4.1.2 Tehdä tuotannonohjauksesta älykkäämpää

Sadon kasvun ja kehityksen vastemekanismin valosäteilyyn, lämpötilaan, kosteuteen, CO2-pitoisuuteen, ravinneliuoksen ravinnepitoisuuteen ja EC:hen perustuen tulisi rakentaa kvantitatiivinen malli viljelyympäristön palautteen antamisesta. Strateginen ydinmalli tulisi luoda lehtivihannesten elämää koskevien tietojen ja tuotantoympäristön parametrien dynaamiseksi analysoimiseksi. Myös ympäristön online-dynaaminen tunnistusdiagnoosi ja prosessinohjausjärjestelmä tulisi perustaa. Pitäisi luoda monen koneen yhteistoiminnallinen tekoälyn päätöksentekojärjestelmä, joka kattaa volyymin pystysuoran maataloustehtaan koko tuotantoprosessin.

4.1.3 Vähähiilinen tuotanto ja energiansäästö

Perustetaan energianhallintajärjestelmä, joka hyödyntää uusiutuvia energialähteitä, kuten aurinkoa ja tuulta, täydentämään voimansiirtoa ja säätämään energiankulutusta optimaalisten energianhallintatavoitteiden saavuttamiseksi. CO2-päästöjen talteenotto ja uudelleenkäyttö kasvinviljelyn tukemiseksi.

4.1.3 Korkealuokkaisten lajikkeiden arvo

Tulee toteuttaa toteuttamiskelpoisia strategioita erilaisten korkean lisäarvon lajikkeiden jalostamiseksi istutuskokeisiin, viljelytekniikan asiantuntijoiden tietokannan rakentamiseen, viljelytekniikan, tiheyden valinnan, sänkijärjestelyn, lajikkeiden ja laitteiden sopeutumiskyvyn tutkimukseen sekä vakioviljelyteknisten eritelmien muodostamiseen.

4.2 Teollisuuden kehitysnäkymät

Tehdastehtaat voivat päästä eroon resurssien ja ympäristön rajoituksista, toteuttaa maatalouden teollista tuotantoa ja houkutella uuden sukupolven työvoimaa maataloustuotantoon. Kiinan kasvitehtaiden keskeisestä teknologisesta innovaatiosta ja teollistumisesta on tulossa maailman johtava asema. LED-valonlähteen, digitalisoinnin, automaation ja älykkäiden teknologioiden nopeutetun soveltamisen myötä kasvitehtaiden alalla kasvitehtaat houkuttelevat lisää pääomasijoituksia, kykyjen keräämistä ja lisää uuden energian, uusien materiaalien ja uusien laitteiden käyttöä. Tällä tavoin voidaan toteuttaa tietotekniikan ja tilojen ja laitteiden syvällinen integrointi, tilojen ja laitteiden älykästä ja miehittämätöntä tasoa voidaan parantaa, järjestelmän energiankulutuksen ja käyttökustannusten jatkuvaa vähentämistä jatkuvan innovaation avulla sekä asteittaista viljely erikoistuneiden markkinoiden, älykäs kasvi tehtaat tuo tullessaan kultaisen ajan kehitystä.

Markkinatutkimusraporttien mukaan globaalien vertikaalisten maatalousmarkkinoiden koko vuonna 2020 on vain 2,9 miljardia Yhdysvaltain dollaria, ja vuoteen 2025 mennessä maailmanlaajuisten vertikaalisten maatalousmarkkinoiden koon odotetaan nousevan 30 miljardiin dollariin. Yhteenvetona voidaan todeta, että tehdastehtailla on laajat sovellusmahdollisuudet ja kehitystila.

Kirjoittaja: Zengchan Zhou, Weidong jne

Lainaustiedot:Kasvitehdasteollisuuden kehityksen nykytilanne ja tulevaisuudennäkymät [J]. Agricultural Engineering Technology, 2022, 42(1): 18-23.Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li et ai.