Absztrakt: Az elmúlt években a modern mezőgazdasági technológia folyamatos feltárásával a növénygyári ipar is gyorsan fejlődött.Ez a cikk bemutatja a növénygyári technológia és az iparfejlesztés status quo-ját, meglévő problémáit és fejlesztési ellenintézkedéseit, és várakozással tekint a növénygyárak jövőbeni fejlődési trendje és kilátásai elé.

1. A technológiai fejlesztés jelenlegi állása a kínai és külföldi növénygyárakban

1.1 A külföldi technológiafejlesztés status quo-ja

A 21. század óta a növénygyárak kutatása elsősorban a fényhatékonyság javítására, a többrétegű háromdimenziós művelési rendszer berendezéseinek létrehozására, valamint az intelligens irányítás és szabályozás kutatására-fejlesztésére irányult.A 21. században a mezőgazdasági LED-fényforrások innovációja előrehaladt, fontos technikai támogatást nyújtva a LED-es energiatakarékos fényforrások növénygyári alkalmazásához.A japán Chiba Egyetem számos újítást hajtott végre a nagy hatásfokú fényforrások, az energiatakarékos környezetszabályozás és a termesztési technikák terén.A holland Wageningen Egyetem terménykörnyezet-szimulációs és dinamikus optimalizálási technológiát alkalmaz egy intelligens berendezés-rendszer kifejlesztésére növénygyárak számára, amely nagymértékben csökkenti a működési költségeket és jelentősen javítja a munka termelékenységét.

Az elmúlt években a növénygyárak fokozatosan megvalósították a termelési folyamatok félautomatizálását a vetéstől, a palántaneveléstől, az átültetéstől és a betakarítástól kezdve.Japán, Hollandia és az Egyesült Államok az élen jár, magas fokú gépesítéssel, automatizálással és intelligenciával, és a vertikális mezőgazdaság és a pilóta nélküli üzemeltetés irányába fejlődik.

1.2 A technológiai fejlesztés helyzete Kínában

1.2.1 Speciális LED fényforrás és energiatakarékos alkalmazástechnikai berendezés mesterséges fényhez üzemi üzemben

Sorra fejlesztették ki a különféle növényfajok növénygyári előállításához speciális piros és kék LED fényforrásokat.A teljesítmény 30-300 W, a besugárzási fényintenzitás pedig 80-500 μmol/(m2•s), ami megfelelő küszöbtartománnyal, fényminőségi paraméterekkel képes fényintenzitást biztosítani a nagy hatásfokú hatás eléréséhez. energiatakarékosság és a növénynövekedési és világítási igényekhez való alkalmazkodás.A fényforrás-hőleadás szabályozása szempontjából bevezették a fényforrás ventilátor aktív hőleadású kialakítását, amely csökkenti a fényforrás fénycsillapítási sebességét és biztosítja a fényforrás élettartamát.Ezenkívül javasolt egy módszert a LED-fényforrás hőjének csökkentésére tápoldattal vagy vízkeringtetéssel.A fényforrás-térkezelés szempontjából a növényméret evolúciós törvénye szerint a csíranövény stádiumában és későbbi szakaszában, a LED-es fényforrás függőleges térmozgás-kezelésén keresztül a növény lombkorona közelről megvilágítható, és az energiatakarékossági cél elért.Jelenleg a mesterséges fényüzemi gyári fényforrás energiafogyasztása az üzemi üzem teljes üzemi energiafelhasználásának 50-60%-át teheti ki.Bár a LED-ek 50%-os energiát takaríthatnak meg a fénycsöves lámpákhoz képest, továbbra is fennáll az energiamegtakarítás és a fogyasztáscsökkentés kutatásának lehetősége és szükségessége.

1.2.2 Többrétegű háromdimenziós művelési technológia és berendezések

A többrétegű háromdimenziós művelés rétegköze csökken, mert a LED helyettesíti a fénycsövet, ami javítja a növénytermesztés háromdimenziós térkihasználási hatékonyságát.A termőágy aljának kialakításáról számos tanulmány született.A megemelt csíkok turbulens áramlást generálnak, ami segítheti a növényi gyökereket abban, hogy a tápoldatban lévő tápanyagokat egyenletesen szívják fel és növeljék az oldott oxigén koncentrációját.A kolonizációs tábla használatával két kolonizációs módszer létezik, vagyis a különböző méretű műanyag kolonizációs poharak vagy a szivacs kerületi kolonizációs mód.Megjelent a csúsztatható kultúrágyas rendszer, melynek egyik végéről a másik végére kézzel tolható az ültetődeszka és a rajta lévő növények, megvalósítva azt a termelési módot, hogy a kultúrágy egyik végébe ültetés, a másik végén pedig betakarítás történik.Jelenleg számos háromdimenziós, többrétegű talajmentes tenyésztési technológiát és berendezést fejlesztettek ki tápfolyadékfilm-technológián és mélyfolyadék-áramlásos technológián, valamint a szamóca szubsztráttermesztésének, a leveles zöldségek és virágok aeroszolos termesztésének technológiáját és berendezését. felpattantak.Az említett technológia gyorsan fejlődött.

1.2.3 Tápoldat keringtetési technológia és berendezés

A tápoldat egy ideig történő felhasználása után vizet és ásványi elemeket kell hozzáadni.Általában az újonnan készített tápoldat és a sav-bázis oldat mennyiségét EC és pH méréssel határozzuk meg.A tápoldatban lévő nagy üledékszemcséket vagy gyökérhámlást szűrővel kell eltávolítani.A tápoldatban lévő gyökérváladékok fotokatalitikus módszerekkel eltávolíthatók a folyamatos termesztési akadályok elkerülése érdekében a hidroponikában, de vannak bizonyos kockázatok a tápanyag hozzáférhetőségében.

1.2.4 Környezetvédelmi szabályozási technológia és berendezések

A gyártótér levegőtisztasága az üzemi gyár levegőminőségének egyik fontos mutatója.A légtisztaságot (lebegő részecskék és leülepedett baktériumok mutatói) az üzemi üzem gyártóterében dinamikus körülmények között 100 000 feletti szintre kell szabályozni.Az anyag fertőtlenítő bemenete, a bejövő személyzet levegőzuhany-kezelése és a frisslevegő keringető levegőtisztító rendszer (levegőszűrő rendszer) mind alapvető biztosítékok.A levegő minőség-ellenőrzésének másik fontos eleme a termelőtérben lévő levegő hőmérséklete és páratartalma, CO2-koncentrációja és légáramlási sebessége.A jelentések szerint az olyan berendezések, mint a levegőkeverő dobozok, légcsatornák, levegőbemenetek és levegőkimenetek felállítása egyenletesen szabályozhatja a hőmérsékletet és a páratartalmat, a CO2-koncentrációt és a légáramlás sebességét a termelési térben, így nagy térbeli egyenletesség érhető el, és megfelel az üzem igényeinek. különböző térbeli helyeken.A hőmérséklet-, páratartalom- és CO2-koncentráció-szabályozó rendszer és a frisslevegő-rendszer szervesen beépült a keringtető levegő rendszerbe.A három rendszernek meg kell osztania a légcsatornát, a levegőbemenetet és a levegőkimenetet, és a ventilátoron keresztül kell áramot biztosítania a légáramlás, a szűrés és a fertőtlenítés, valamint a levegőminőség frissítése és egységesítése érdekében.Biztosítja, hogy a növénygyár növénytermesztése kártevőktől és betegségektől mentes legyen, és nincs szükség növényvédőszer kijuttatásra.Ugyanakkor a lombkoronában a hőmérséklet, páratartalom, légáramlás és a növekedési környezet elemeinek CO2 koncentrációjának egyenletessége garantáltan megfelel a növénynövekedés igényeinek.

2. A növénygyári ipar fejlettségi állapota

2.1 A külföldi növénygyári ipar status quo-ja

Japánban a mesterséges fényű növénygyárak kutatás-fejlesztése és iparosítása viszonylag gyors, és vezető szinten állnak.2010-ben a japán kormány 50 milliárd jent indított a technológiai kutatás-fejlesztés és ipari demonstráció támogatására.Nyolc intézmény, köztük a Chiba Egyetem és a Japan Plant Factory Research Association vett részt.A Japan Future Company vállalta és üzemeltette egy üzemgyár első iparosítási demonstrációs projektjét, napi 3000 üzemből.2012-ben a növénygyár előállítási költsége 700 jen/kg volt.2014-ben elkészült a Taga kastélyban, Miyagi prefektúrában található modern gyári üzem, amely a világ első LED-gyára lett, napi 10 000 üzemmel.2016 óta a LED-gyárak az iparosodás gyors sávjába léptek Japánban, és egymás után alakultak ki a nullszaldós vagy nyereséges vállalkozások.2018-ban sorra jelentek meg a nagyüzemi üzemek napi 50-100 ezer üzem kapacitással, és a globális növénygyárak a nagyszabású, professzionális és intelligens fejlődés felé fejlődtek.Ugyanakkor a Tokyo Electric Power, az Okinawa Electric Power és más területek elkezdtek befektetni az üzemgyárakba.2020-ban a japán növénygyárak által termelt saláta piaci részesedése a teljes salátapiac mintegy 10%-át teszi ki.A jelenleg működő több mint 250 mesterséges fényű növénygyár közül 20%-a veszteséges, 50%-a nullszaldós, 30%-a pedig nyereséges, termesztett növényfajokat, pl. saláta, fűszernövények és palánták.

Hollandia igazi világelső a napelemes fény és a mesterséges fény kombinált alkalmazási technológiája terén a növénygyárak számára, magas fokú gépesítéssel, automatizálással, intelligenciával és pilóta nélküliséggel, és mára a technológia és a berendezések teljes készletét exportálta. termékek a Közel-Keletre, Afrikára, Kínára és más országokra.Az American AeroFarms farm az USA-ban, New Jersey államban, Newarkban található, 6500 m2 területtel.Főleg zöldség- és fűszertermesztéssel foglalkozik, termelése mintegy 900 t/év.

Függőleges gazdálkodás az AeroFarms-ben

Az egyesült államokbeli Plenty Company függőleges mezőgazdasági üzeme LED-es világítást és 6 m magas függőleges ültetőkeretet alkalmaz.A növények az ültetőgépek oldaláról nőnek.A gravitációs öntözésre támaszkodva ez az ültetési mód nem igényel további szivattyúkat, és víztakarékosabb, mint a hagyományos gazdálkodás.Rengetegen állítják, hogy farmja 350-szer annyit termel, mint egy hagyományos farm, miközben a víznek csak 1%-át használja fel.

Függőleges mezőgazdasági üzem, Plenty Company

2.2 Állapotú növénygyári ipar Kínában

2009-ben a Changchun Agricultural Expo Parkban megépült és üzembe helyezték az első intelligens vezérlésű gyártóüzemet Kínában.Az épület területe 200 m2, és a környezeti tényezők, mint a hőmérséklet, páratartalom, fény, CO2 és tápoldat-koncentráció az üzem gyárában automatikusan, valós időben nyomon követhető az intelligens gazdálkodás megvalósítása érdekében.

2010-ben Pekingben épült a Tongzhou Plant Factory.A fő szerkezet egyrétegű könnyű acélszerkezetet alkalmaz, amelynek teljes építési területe 1289 m2.Repülőgép-hordozó formájú, amely azt jelképezi, hogy a kínai mezőgazdaság vezető szerepet tölt be a modern mezőgazdaság legfejlettebb technológiája felé vezető úton.A leveles zöldségtermesztés egyes műveleteihez kifejlesztették az automata berendezést, amely javította a növénygyár termelési automatizálási szintjét és termelési hatékonyságát.Az üzemi gyár földhőszivattyús rendszert és napenergia-termelő rendszert alkalmaz, ami jobban megoldja a növénygyár magas működési költségeinek problémáját.

A Tongzhou Plant Factory belső és külső képe

2013-ban számos mezőgazdasági technológiai vállalatot alapítottak a Yangling Agricultural High-tech demonstrációs zónában, Shaanxi tartományban.Az épülő és üzemelő növénygyári projektek nagy része mezőgazdasági csúcstechnológiás bemutatóparkokban található, amelyek elsősorban népszerű tudományos bemutatókra és szabadidős városnézésre szolgálnak.Ezeknek a populáris tudományos növénygyáraknak funkcionális korlátaik miatt nehezen érik el az iparosítás által megkívánt magas hozamot és nagy hatékonyságot, és a jövőben nehéz lesz az iparosítás főáramává válni.

2015-ben egy nagy kínai LED-chipgyártó együttműködött a Kínai Tudományos Akadémia Botanikai Intézetével, hogy közösen kezdeményezzék egy növénygyártó vállalat létrehozását.Az optoelektronikai iparból átlépett a „fotobiológiai” iparba, és precedenssé vált a kínai LED-gyártók számára, hogy az iparosítás során növénygyárak építésére fektetnek be.Növénygyára 100 millió jüan jegyzett tőkéjével elkötelezett amellett, hogy ipari befektetéseket eszközöljön a feltörekvő fotobiológiába, amely integrálja a tudományos kutatást, a termelést, a demonstrációt, az inkubációt és egyéb funkciókat.2016 júniusában elkészült és üzembe helyezték ezt a 3 szintes, 3000 m2 alapterületű, több mint 10.000 m2 művelési területű Növénygyárat.2017 májusára a napi termelési mennyiség 1500 kg leveles zöldség lesz, ami napi 15 000 salátanövénynek felel meg.

A cég nézetei

3. A növénygyárak fejlesztésével kapcsolatos problémák és ellenintézkedések

3.1 Problémák

3.1.1 Magas építési költség

A növénygyáraknak zárt környezetben kell termést termelniük.Ezért szükséges támogató projektek és berendezések kiépítése, beleértve a külső karbantartó szerkezeteket, légkondicionáló rendszereket, mesterséges fényforrásokat, többrétegű művelési rendszereket, tápoldat keringtetést és számítógépes vezérlőrendszereket.Az építési költség viszonylag magas.

3.1.2 Magas üzemeltetési költség

A növénygyárak által igényelt fényforrások többsége LED-lámpákból származik, amelyek sok áramot fogyasztanak, miközben megfelelő spektrumot biztosítanak a különböző növények növekedéséhez.Az üzemi gyárak gyártási folyamatában az olyan berendezések, mint a légkondicionálás, szellőztetés, vízszivattyúk is fogyasztanak áramot, így a villanyszámlák óriási kiadást jelentenek.A statisztikák szerint az üzemi gyárak termelési költségei közül 29%-ot a villamosenergia-költség, 26%-ot a munkaerőköltség, 23%-ot a tárgyi eszközök amortizációja, 12%-ot a csomagolás és a szállítás, 10%-ot a termelő anyagok teszik ki.

Az üzemi gyártási költségek lebontása

3.1.3 Alacsony automatizálási szint

A jelenleg alkalmazott növénygyár alacsony automatizáltságú, és az olyan folyamatok, mint a palántázás, az átültetés, a szántóföldi ültetés, a betakarítás továbbra is kézi műveleteket igényelnek, ami magas munkaerőköltséget eredményez.

3.1.4 A termeszthető növények korlátozott fajtái

Jelenleg a növénygyárak számára alkalmas terményfajták igen korlátozottak, elsősorban a gyorsan növekvő, mesterséges fényforrást könnyen befogadó, alacsony lombkoronású zöld levelű zöldségek.Komplex telepítési igények esetén (például beporzásra szoruló növények stb.) nagyüzemi telepítés nem végezhető.

3.2 Fejlesztési stratégia

Tekintettel a növénygyári ipar problémáira, szükséges a különböző szempontú kutatások elvégzése, mint például a technológia és az üzemeltetés.A jelenlegi problémákra válaszul az alábbi ellenintézkedések állnak rendelkezésre.

(1) A növénygyárak intelligens technológiájával kapcsolatos kutatás megerősítése, valamint az intenzív és kifinomult irányítás színvonalának javítása.Az intelligens irányítási és irányítási rendszer fejlesztése segíti az üzemi gyárak intenzív és kifinomult irányítását, ami nagymértékben csökkentheti a munkaerőköltségeket és munkaerőt takaríthat meg.

(2) Intenzív és hatékony üzemi műszaki berendezések fejlesztése az éves kiváló minőség és hozam elérése érdekében.A nagy hatékonyságú termesztési létesítmények és berendezések, az energiatakarékos világítástechnika és -berendezések stb. fejlesztése a növénygyárak intelligens szintjének javítása érdekében elősegíti az éves nagy hatékonyságú termelés megvalósítását.

(3) A magas hozzáadott értékű növények, például gyógynövények, egészségügyi növények és ritka zöldségfélék ipari termesztéstechnológiájával kapcsolatos kutatások elvégzése, a növénygyárakban termesztett növények számának növelése, a haszon csatornák bővítése és a profit kiindulási pontjának javítása. .

(4) Háztartási és kereskedelmi célú növénygyárak kutatása, növénygyártípusok gazdagítása, folyamatos jövedelmezőség elérése különféle funkciókkal.

4. A Plant Factory fejlődési iránya és kilátásai

4.1 Technológiafejlesztési trend

4.1.1 Teljes folyamat intellektualizálása

A növény-robot rendszer gépi-művészeti fúziós és veszteségmegelőzési mechanizmusán, nagy sebességű, rugalmas és roncsolásmentes ültetési és betakarítási végeffektusokon, elosztott többdimenziós térpontos pozicionáláson és multimodális többgépes együttműködési vezérlési módszereken alapul, és ember nélküli, hatékony és roncsolásmentes vetés magasépítésű növénygyárakban - Intelligens robotokat és támogató berendezéseket kell létrehozni, mint pl. ültetés-betakarítás-csomagolás, így megvalósítva a teljes folyamat ember nélküli működését.

4.1.2 Tegye okosabbá a gyártásellenőrzést

A növények növekedésének és fejlődésének fénysugárzásra, hőmérsékletre, páratartalomra, CO2-koncentrációra, tápoldat tápanyag-koncentrációjára és EC-re adott válaszmechanizmusa alapján meg kell alkotni a termés-környezet visszacsatolás kvantitatív modelljét.Stratégiai alapmodellt kell létrehozni a leveles zöldségek életével kapcsolatos információk és a termelési környezet paramétereinek dinamikus elemzéséhez.Ki kell alakítani a környezet online dinamikus azonosító diagnosztikai és folyamatirányító rendszerét is.Egy nagy volumenű vertikális mezőgazdasági üzem teljes gyártási folyamatára vonatkozóan létre kell hozni egy többgépes kollaboratív mesterséges intelligencia döntéshozatali rendszert.

4.1.3 Alacsony szén-dioxid-kibocsátású termelés és energiamegtakarítás

Olyan energiagazdálkodási rendszer létrehozása, amely megújuló energiaforrásokat, például napenergiát és szélenergiát használ az energiaátvitel befejezéséhez, és az energiafogyasztás szabályozása az optimális energiagazdálkodási célok elérése érdekében.A CO2-kibocsátás rögzítése és újrafelhasználása a növénytermesztés elősegítésére.

4.1.3 A prémium fajták magas értéke

Megvalósítható stratégiákat kell alkalmazni a különféle magas hozzáadott értékű fajták telepítési kísérletekhez való nemesítésére, termesztéstechnológiai szakértők adatbázisának kiépítésére, termesztéstechnológiai, sűrűség-kiválasztási, tarlóelrendezési, fajta- és eszközalkalmazhatósági kutatások elvégzésére, szabványos termesztéstechnikai előírások kialakítására.

4.2 Az ipar fejlődési kilátásai

Az üzemi gyárak megszabadulhatnak az erőforrások és a környezet korlátaitól, megvalósíthatják a mezőgazdaság iparosodott termelését, és bevonhatják a munkaerő új generációját a mezőgazdasági termelésbe.A kínai növénygyárak kulcsfontosságú technológiai innovációja és iparosítása világelsővé válik.A LED-fényforrások, a digitalizálás, az automatizálás és az intelligens technológiák növénygyárak területén történő felgyorsult alkalmazásával az üzemi gyárak több tőkebefektetést, tehetséggyűjtést, több új energia, új anyagok és új berendezések felhasználását vonzzák majd.Ezáltal megvalósítható az információs technológia és a létesítmények, berendezések mélyreható integrációja, javítható a létesítmények és berendezések intelligens és pilóta nélküli szintje, folyamatos innovációval a rendszer energiafelhasználásának és üzemeltetési költségeinek folyamatos csökkentése, fokozatos A speciális piacok termesztése, az intelligens növénygyárak a fejlődés aranykorszakát nyitják meg.

A piackutatási jelentések szerint a globális vertikális mezőgazdasági piac mérete 2020-ban mindössze 2,9 milliárd USD, és várhatóan 2025-re a globális vertikális mezőgazdasági piac mérete eléri a 30 milliárd USD-t.Összefoglalva, a növénygyárak széles körű alkalmazási kilátásokkal és fejlesztési lehetőséggel rendelkeznek.

Szerző: Zengchan Zhou, Weidong stb

Idézet információ:Az üzemi ipar fejlesztésének jelenlegi helyzete és kilátásai [J].Agrármérnöki technológia, 2022, 42(1): 18-23.Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li és munkatársai.