Absztrakt: Az elmúlt években a modern mezőgazdasági technológia folyamatos fejlesztésével a növénytermesztő ipar is gyorsan fejlődött. Ez a tanulmány bemutatja a növénytermesztő technológia és az ipar fejlődésének jelenlegi helyzetét, a meglévő problémákat és a fejlesztési ellenintézkedéseket, valamint előretekint a növénytermesztő üzemek jövőbeli fejlődési trendjeire és kilátásaira.

1. A technológiafejlesztés jelenlegi állapota a kínai és külföldi üzemekben

1.1 A külföldi technológiafejlesztés jelenlegi helyzete

A 21. század óta a növénygyárak kutatása főként a fényhatékonyság javítására, a többrétegű, háromdimenziós termesztőrendszer-berendezések létrehozására, valamint az intelligens vezérlés és szabályozás kutatására és fejlesztésére összpontosított. A 21. században a mezőgazdasági LED-es fényforrások innovációja előrelépést tett, fontos technikai támogatást nyújtva a LED-es energiatakarékos fényforrások növénygyárakban történő alkalmazásához. A japán Chiba Egyetem számos innovációt valósított meg a nagy hatékonyságú fényforrások, az energiatakarékos környezetszabályozás és a termesztési technikák terén. A hollandiai Wageningen Egyetem növény-környezet szimulációt és dinamikus optimalizálási technológiát alkalmaz egy intelligens berendezésrendszer fejlesztésére növénygyárak számára, amely jelentősen csökkenti az üzemeltetési költségeket és jelentősen javítja a munkatermelékenységet.

Az utóbbi években a növénygyárak fokozatosan megvalósították a termelési folyamatok félautomatizálását a vetéstől a palántanevelésen, az átültetésen és a betakarításon át. Japán, Hollandia és az Egyesült Államok jár az élen, magas fokú gépesítéssel, automatizálással és intelligenciával, és a vertikális mezőgazdaság és a pilóta nélküli működés irányába fejlődnek.

1.2 A technológiai fejlődés állapota Kínában

1.2.1 Specializd LED fényforrás és energiatakarékos alkalmazástechnológiai berendezés mesterséges megvilágításhoz üzemben

Sorra fejlesztettek ki speciális piros és kék LED fényforrásokat különféle növényfajok termesztésére növénygyárakban. A teljesítmény 30 és 300 W között mozog, a besugárzott fény intenzitása pedig 80 és 500 μmol/(m2•s) között van, amelyek megfelelő küszöbértéktartományú fényintenzitást és fényminőségi paramétereket biztosítanak, így nagy hatékonyságú energiamegtakarítást érnek el, és alkalmazkodnak a növények növekedésének és a világítás igényeihez. A fényforrás hőelvezetésének kezelése terén bevezették a fényforrás-ventilátor aktív hőelvezetéses kialakítását, amely csökkenti a fényforrás fénycsökkenési sebességét és biztosítja a fényforrás élettartamát. Ezenkívül javaslatot tettek egy olyan módszerre is, amely a LED fényforrás hőjét tápoldat vagy vízkeringetés útján csökkenti. A fényforrás-tér kezelésével kapcsolatban a növény méretének evolúciós törvénye szerint a palántakorban és később, a LED fényforrás függőleges térmozgásának kezelésével a növény lombkoronája közelről is megvilágítható, és az energiamegtakarítási cél elérhető. Jelenleg a mesterséges fényforrások energiafogyasztása az üzem teljes üzemi energiafogyasztásának 50-60%-át is kiteheti. Bár a LED-ek 50%-os energiamegtakarítást eredményezhetnek a fénycsövekhez képest, továbbra is fennáll az energiamegtakarítással és a fogyasztás csökkentésével kapcsolatos kutatások lehetősége és szükségessége.

1.2.2 Többrétegű háromdimenziós termesztéstechnológia és berendezések

A többrétegű, háromdimenziós termesztés rétegköze csökken, mivel a LED helyettesíti a fénycsövet, ami javítja a növénytermesztés háromdimenziós térkihasználási hatékonyságát. Számos tanulmány készült a termesztőágy aljának kialakításáról. A kiemelkedő csíkok turbulens áramlást generálnak, ami segíthet a növények gyökereinek a tápanyagok egyenletes felszívódásában a tápoldatban, és növeli az oldott oxigén koncentrációját. A termesztőasztal segítségével kétféle termesztőágy-módszer létezik, nevezetesen a különböző méretű műanyag termesztőcsészék vagy a szivacsos kerületű termesztőágy-rendszer. Megjelent egy csúsztatható termesztőágy-rendszer, amelyben az ültetőasztal és a rajta lévő növények manuálisan tolhatók az egyik végétől a másikig, megvalósítva a termesztőágy egyik végén történő ültetés, a másik végén pedig a betakarítás termelési módját. Jelenleg számos háromdimenziós, többrétegű, talaj nélküli termesztőtechnológiát és berendezést fejlesztettek ki, amelyek a tápanyag-folyadékfilm-technológián és a mélyfolyadék-áramlási technológián alapulnak, és megjelentek a szamóca szubsztráttermesztésének, a leveles zöldségek és virágok aeroszolos termesztésének technológiái és berendezései. Az említett technológia gyorsan fejlődött.

1.2.3 Tápanyagoldat-keringetési technológia és berendezések

Miután a tápoldatot egy ideig használtuk, vizet és ásványi elemeket kell hozzáadni. Általában az újonnan elkészített tápoldat és a sav-bázis oldat mennyiségét az EC és a pH mérésével határozzák meg. A tápoldatban lévő nagyobb üledékrészecskéket vagy gyökérlerakódásokat szűrővel kell eltávolítani. A tápoldatban lévő gyökérváladékok fotokatalitikus módszerekkel eltávolíthatók, hogy elkerüljék a folyamatos növénytermesztés akadályait a hidroponikában, de bizonyos kockázatok vannak a tápanyagok elérhetőségében.

1.2.4 Környezetvédelmi technológia és berendezések

A gyártótér levegőtisztasága az üzem levegőminőségének egyik fontos mutatója. A gyártótér levegőtisztaságát (a lebegő részecskék és a leülepedett baktériumok mutatóit) dinamikus körülmények között 100 000 feletti szinten kell szabályozni. Az anyagok fertőtlenítése, a bejövő személyzet légzuhanyozása és a friss levegő keringető levegőtisztító rendszer (légszűrő rendszer) mind alapvető biztonsági intézkedések. A gyártótér levegőjének hőmérséklete, páratartalma, CO2-koncentrációja és légáramlási sebessége a levegőminőség-szabályozás további fontos eleme. Jelentések szerint olyan berendezések, mint a levegőkeverő dobozok, légcsatornák, légbeömlők és -kiömlők egyenletesen szabályozhatják a hőmérsékletet, a páratartalmat, a CO2-koncentrációt és a légáramlási sebességet a gyártótérben, így nagy térbeli egyenletességet érhetnek el, és kielégíthetik az üzem igényeit a különböző térbeli helyszíneken. A hőmérséklet-, páratartalom- és CO2-koncentráció-szabályozó rendszer, valamint a friss levegős rendszer szervesen integrálódik a keringtető levegőrendszerbe. A három rendszernek meg kell osztania a légcsatornát, a levegőbemenetet és -kimenetet, és ventilátoron keresztül kell energiát biztosítania a légáramlás keringetéséhez, a szűréshez és a fertőtlenítéshez, valamint a levegőminőség frissítéséhez és egyenletességéhez. Ez biztosítja, hogy a növénytermesztés a növénygyárban mentes legyen a kártevőktől és a betegségektől, és ne legyen szükség növényvédő szerek kijuttatására. Ugyanakkor a lombkoronában a növekedési környezet elemeinek hőmérsékletének, páratartalmának, légáramlásának és CO2-koncentrációjának egyenletessége garantált a növények növekedésének igényeinek kielégítése érdekében.

2. A növénygyári ipar fejlettségi állapota

2.1 A külföldi növénygyáripar jelenlegi helyzete

Japánban a mesterséges fényt előállító üzemek kutatása, fejlesztése és iparosítása viszonylag gyors, és vezető szinten van. 2010-ben a japán kormány 50 milliárd jent különített el a technológiai kutatás, fejlesztés és ipari demonstráció támogatására. Nyolc intézmény vett részt benne, köztük a Csiba Egyetem és a Japán Üzemkutatási Szövetség. A Japan Future Company vállalta és üzemeltette az első iparosítási demonstrációs projektet, egy napi 3000 üzemet előállító üzemet. 2012-ben az üzem termelési költsége 700 jen/kg volt. 2014-ben elkészült a modern üzem a Taga kastélyban, Miyagi prefektúrában, amely a világ első LED-üzeme lett napi 10 000 üzemmel. 2016 óta a LED-üzemek Japánban az iparosítás gyors sávjába léptek, és sorra jelentek meg a nullszaldós vagy nyereséges vállalkozások. 2018-ban egymás után jelentek meg a napi 50 000 és 100 000 növény közötti termelési kapacitású nagyméretű növénygyárak, és a globális növénygyárak a nagyszabású, professzionális és intelligens fejlődés felé fejlődtek. Ezzel egy időben a Tokyo Electric Power, az Okinawa Electric Power és más területek is elkezdtek befektetni növénygyárakba. 2020-ra a japán növénygyárak által termelt saláta piaci részesedése a teljes salátapiac mintegy 10%-át fogja kitenni. A jelenleg működő több mint 250 mesterséges megvilágítású növénygyár közül 20% veszteséges, 50% nullszaldós, 30% pedig nyereséges, olyan termesztett növényfajokat is beleértve, mint a saláta, a fűszernövények és a palánták.

Hollandia valóban világelső a nap- és mesterséges fény kombinált alkalmazási technológiájának területén növénygyárakban, magas fokú gépesítéssel, automatizálással, intelligenciával és személyzet nélküli működéssel, és mára a technológiák és berendezések teljes készletét exportálta erős termékként a Közel-Keletre, Afrikába, Kínába és más országokba. Az American AeroFarms farm Newarkban, New Jersey államban, az Egyesült Államokban található, területe 6500 m2. Főként zöldségeket és fűszereket termesztenek, a termelés körülbelül 900 tonna/év.

Vertikális gazdálkodás az AeroFarms-ban

A Plenty Company egyesült államokbeli függőleges növénytermesztő üzeme LED-világítást és egy 6 méter magas függőleges ültetőkeretet alkalmaz. A növények az ültetőládák oldaláról nőnek. A gravitációs öntözésen alapuló ültetési módszer nem igényel további szivattyúkat, és víztakarékosabb, mint a hagyományos gazdálkodás. Plenty azt állítja, hogy a farmja 350-szeresét termeli egy hagyományos farm vízfogyasztásának mindössze 1%-ával.

Függőleges mezőgazdasági üzem, Plenty Company

2.2 A gyáripar státusza Kínában

2009-ben épült és helyezték üzembe Kína első intelligens vezérlésű gyártóüzemét a Csangcsuni Mezőgazdasági Expo Parkban. Az épület területe 200 m2, és a környezeti tényezők, mint például a hőmérséklet, páratartalom, fény, CO2 és a tápoldat-koncentráció, valós időben automatikusan monitorozhatók az intelligens vezérlés megvalósítása érdekében.

2010-ben épült fel a Tongzhou Plant Factory Pekingben. A fő szerkezet egyrétegű könnyűacél szerkezet, teljes építési területtel 1289 m2. Alakja repülőgép-hordozóra hasonlít, ami a kínai mezőgazdaság vezető szerepét jelképezi a modern mezőgazdaság legfejlettebb technológiájának alkalmazásában. Kifejlesztették a leveles zöldségtermesztés egyes műveleteihez szükséges automatikus berendezéseket, ami javította a termelés automatizálási szintjét és a növénygyár termelési hatékonyságát. A növénygyár talajszondás hőszivattyús rendszert és napelemes energiatermelő rendszert alkalmaz, amelyek jobban megoldják a növénygyár magas üzemeltetési költségeinek problémáját.

A Tongzhou-i üzem belső és külső képe

2013-ban számos mezőgazdasági technológiai vállalat alakult a Sanhszi tartománybeli Yangling Mezőgazdasági Csúcstechnológiai Bemutató Zónában. A legtöbb építés alatt álló és üzemelő üzemi projekt mezőgazdasági high-tech bemutató parkokban található, amelyeket főként népszerű tudományos bemutatókra és szabadidős városnézésre használnak. Funkcionális korlátaik miatt ezeknek a népszerű tudományos üzemeknek nehéz elérniük az iparosítás által megkövetelt magas hozamot és magas hatékonyságot, és a jövőben nehéz lesz számukra az iparosítás mainstream formájává válni.

2015-ben egy jelentős kínai LED-chipgyártó együttműködött a Kínai Tudományos Akadémia Botanikai Intézetével, hogy közösen kezdeményezzék egy növénygyár létrehozását. A vállalat az optoelektronikai iparból a „fotobiológiai” iparba lépett, és precedenst teremtett a kínai LED-gyártók számára, hogy az iparosítás során növénygyárak építésébe fektessenek be. A Plant Factory elkötelezett a feltörekvő fotobiológia ipari beruházásai iránt, amely integrálja a tudományos kutatást, a termelést, a demonstrációt, az inkubációt és egyéb funkciókat, 100 millió jüan jegyzett tőkével. 2016 júniusában elkészült és üzembe helyezték ezt a Plant Factory-t, amelynek háromszintes épülete 3000 m2-es területet fed le, és több mint 10 000 m2-es termesztőterülettel rendelkezik. 2017 májusára a napi termelési mennyiség 1500 kg leveles zöldség lesz, ami napi 15 000 salátapalántának 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 terményeket termelniük. Ezért szükséges támogató projektek és berendezések építése, beleértve a külső karbantartó szerkezeteket, légkondicionáló rendszereket, mesterséges fényforrásokat, többrétegű termesztőrendszereket, tápoldat-keringetést és számítógépes vezérlőrendszereket. Az építési költség viszonylag magas.

3.1.2 Magas üzemeltetési költségek

A növénygyárak által igényelt fényforrások nagy része LED-lámpákból származik, amelyek sok áramot fogyasztanak, miközben megfelelő spektrumokat biztosítanak a különböző növények növekedéséhez. Az olyan berendezések, mint a légkondicionáló, a szellőztető és a vízszivattyúk a növénygyárak termelési folyamatában, szintén áramot fogyasztanak, így a villanyszámlák hatalmas kiadást jelentenek. A statisztikák szerint a növénygyárak termelési költségein belül az áramköltségek 29%-ot, a munkaerőköltségek 26%-ot, a tárgyi eszközök értékcsökkenése 23%-ot, a csomagolás és szállítás 12%-ot, a termelési anyagok pedig 10%-ot tesznek ki.

A növénygyár termelési költségeinek lebontása

3.1.3 Alacsony szintű automatizálás

A jelenleg alkalmazott növénygyár alacsony szintű automatizálással rendelkezik, és az olyan folyamatok, mint a palántanevelés, az átültetés, a szántóföldi ültetés és a betakarítás, továbbra is manuális műveleteket igényelnek, ami magas munkaerőköltségeket eredményez.

3.1.4 Korlátozott számú termeszthető növényfajta

Jelenleg a növénygyárakban termeszthető növények köre nagyon korlátozott, főként a gyorsan növekvő, mesterséges fényforrásokat könnyen toleráló és alacsony lombkoronájú zöld leveles zöldségek. Nagymértékű telepítés nem végezhető összetett telepítési követelmények (például beporzást igénylő növények stb.) esetén.

3.2 Fejlesztési stratégia

Tekintettel az üzemi gyáripar által tapasztalt problémákra, kutatásokat kell végezni különböző szempontokból, például a technológia és az üzemeltetés szempontjából. A jelenlegi problémákra válaszul az ellenintézkedések a következők.

(1) Az intelligens növénytermesztő üzemek technológiájával kapcsolatos kutatások erősítése és az intenzív és kifinomult irányítás színvonalának javítása. Az intelligens irányítási és ellenőrzési rendszer fejlesztése elősegíti az üzemek intenzív és kifinomult irányítását, ami jelentősen csökkentheti a munkaerőköltségeket és megtakaríthatja a munkaerőt.

(2) Intenzív és hatékony üzemi műszaki berendezések fejlesztése az éves kiváló minőség és magas hozam elérése érdekében. Nagy hatékonyságú termesztőlétesítmények és berendezések, energiatakarékos világítástechnika és berendezések stb. fejlesztése az üzemek intelligens szintjének javítása érdekében elősegíti az éves nagy hatékonyságú termelés megvalósítását.

(3) Kutatások végzése a magas hozzáadott értékű növények, például gyógynövények, egészségügyi növények és ritka zöldségek ipari termesztéstechnológiájával kapcsolatban, a növénygyárakban termesztett növények típusainak növelése, a profitcsatornák szélesítése és a profit kiindulópontjának javítása.

(4) Kutatást kell végezni a háztartási és kereskedelmi célú növénygyárakról, gazdagítani kell a növénygyárak típusait, és folyamatos jövedelmezőséget kell elérni különféle funkciókkal.

4. A növénygyár fejlesztési trendjei és kilátásai

4.1 Technológiai fejlődési trend

4.1.1 Teljes folyamatú intellektualizálás

A növénytermesztési robot rendszer gépi fúziós és veszteségmegelőzési mechanizmusára építve nagysebességű, rugalmas és roncsolásmentes ültetési és betakarítási végberendezéseket, elosztott, többdimenziós térben pontos pozicionálást és multimodális, többgépes együttműködő vezérlési módszereket, valamint pilóta nélküli, hatékony és roncsolásmentes vetést kell létrehozni a magas növénygyárakban - Intelligens robotokat és támogató berendezéseket, mint például az ültetés-betakarítás-csomagolás, ezáltal megvalósítva a teljes folyamat pilóta nélküli működtetését.

4.1.2 A termelésirányítás intelligensebbé tétele

A növények növekedésének és fejlődésének fénysugárzásra, hőmérsékletre, páratartalomra, CO2-koncentrációra, a tápoldat tápanyagkoncentrációjára és az energiafelhasználásra adott válaszmechanizmusa alapján létre kell hozni a növény-környezet visszacsatolás kvantitatív modelljét. Létre kell hozni egy stratégiai alapmodellt a leveles zöldségek életinformációinak és a termelési környezet paramétereinek dinamikus elemzésére. Létre kell hozni a környezet online dinamikus azonosító, diagnosztikai és folyamatirányító rendszerét is. Létre kell hozni egy többgépes, együttműködő mesterséges intelligencián alapuló döntéshozatali rendszert egy nagy volumenű vertikális mezőgazdasági üzem teljes termelési folyamatához.

4.1.3 Alacsony szén-dioxid-kibocsátású termelés és energiatakarékosság

Olyan energiagazdálkodási rendszer létrehozása, amely megújuló energiaforrásokat, például nap- és szélenergiát használ az energiaátvitel teljes körű megvalósításához és az energiafogyasztás szabályozásához az optimális energiagazdálkodási célok elérése érdekében. A CO2-kibocsátás leválasztása és újrafelhasználása a növénytermesztés támogatása érdekében.

4.1.3 A prémium fajták magas értéke

Megvalósítható stratégiákat kell kidolgozni a különböző, magas hozzáadott értékű fajták nemesítésére a termesztési kísérletekhez, termesztéstechnológiai szakértői adatbázist kell létrehozni, kutatásokat kell végezni a termesztéstechnológiával, a sűrűségválasztással, a tarlóelrendezéssel, a fajták és a berendezések alkalmazkodóképességével kapcsolatban, valamint szabványos termesztési műszaki előírásokat kell kidolgozni.

4.2 Iparágfejlesztési kilátások

A növénygyárak megszabadulhatnak az erőforrások és a környezet korlátaitól, megvalósíthatják a mezőgazdaság iparosított termelését, és vonzhatják az új generációs munkaerőt a mezőgazdasági termelésbe. Kína növénygyárainak kulcsfontosságú technológiai innovációja és iparosítása világelsővé válik. A LED-es fényforrások, a digitalizáció, az automatizálás és az intelligens technológiák gyorsított alkalmazásával a növénygyárak területén a növénygyárak több tőkebefektetést, tehetséggyűjtést, valamint több új energia, új anyag és új berendezés használatát vonzzák majd. Ily módon megvalósítható az információs technológia, a létesítmények és berendezések mélyreható integrációja, javítható a létesítmények és berendezések intelligens és pilóta nélküli szintje, a rendszer energiafogyasztása és az üzemeltetési költségek folyamatos csökkentése a folyamatos innováció révén, valamint a specializált piacok fokozatos kiaknázása révén az intelligens növénygyárak a fejlődés aranykorát nyitják meg.

Piackutatási jelentések szerint a globális vertikális gazdálkodási piac mérete 2020-ban mindössze 2,9 milliárd USD, és várhatóan 2025-re eléri a 30 milliárd USD-t. Összefoglalva, a növénygyárak széleskörű alkalmazási lehetőségekkel és fejlesztési térrel rendelkeznek.

Szerző: Zengchan Zhou, Weidong stb

Hivatkozási információk:A növénytermesztő ipar fejlesztésének jelenlegi helyzete és kilátásai [J]. Mezőgazdasági Gépészettudományok, 2022, 42(1): 18-23.Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li és munkatársai.