Resumo: Nos últimos anos, coa continua exploración da tecnoloxía agrícola moderna, a industria das fábricas de plantas tamén se desenvolveu rapidamente. Este documento presenta o status quo, os problemas existentes e as contramedidas de desenvolvemento da tecnoloxía das fábricas de plantas e o desenvolvemento da industria, e agarda a tendencia de desenvolvemento e perspectivas das fábricas de plantas no futuro.

1. Estado actual do desenvolvemento tecnolóxico nas fábricas de plantas en China e no estranxeiro

1.1 O status quo do desenvolvemento tecnolóxico estranxeiro

Desde o século XXI, a investigación das fábricas de plantas centrouse principalmente na mellora da eficiencia da luz, na creación de equipos de sistemas de cultivo tridimensional de varias capas e na investigación e desenvolvemento de xestión e control intelixentes. No século XXI, a innovación das fontes de luz LED agrícolas avanzou, proporcionando un importante apoio técnico para a aplicación de fontes de luz LED de aforro enerxético nas fábricas de plantas. A Universidade de Chiba en Xapón realizou unha serie de innovacións en fontes de luz de alta eficiencia, control ambiental de aforro enerxético e técnicas de cultivo. A Universidade de Wageningen, nos Países Baixos, utiliza a simulación do medio ambiente e a tecnoloxía de optimización dinámica para desenvolver un sistema de equipos intelixentes para as fábricas de plantas, que reduce moito os custos operativos e mellora significativamente a produtividade do traballo.

Nos últimos anos, as fábricas de plantas realizaron gradualmente a semi-automatización dos procesos de produción desde a sementeira, a creación de mudas, o transplante e a colleita. Xapón, Países Baixos e Estados Unidos están á vangarda, cun alto grao de mecanización, automatización e intelixencia, e desenvólvense na dirección da agricultura vertical e da operación non tripulada.

1.2 Estado de desenvolvemento tecnolóxico en China

1.2.1 Fonte de luz LED Specializd e equipos de tecnoloxía de aplicación de aforro de enerxía para luz artificial na fábrica de plantas

Desenvolvéronse unha tras outra fontes especiais de luz LED vermella e azul para a produción de varias especies vexetais en fábricas de plantas. A potencia varía de 30 a 300 W e a intensidade da luz de irradiación é de 80 a 500 μmol/(m2•s), o que pode proporcionar unha intensidade de luz cun intervalo de limiar axeitado, parámetros de calidade da luz, para lograr o efecto de alta eficiencia. aforro enerxético e adaptación ás necesidades de crecemento e iluminación das plantas. En termos de xestión da disipación de calor da fonte de luz, introduciuse o deseño activo de disipación de calor do ventilador da fonte de luz, que reduce a taxa de desintegración da fonte de luz e garante a vida útil da fonte de luz. Ademais, proponse un método para reducir a calor da fonte de luz LED mediante solución de nutrientes ou circulación de auga. En termos de xestión do espazo da fonte de luz, de acordo coa lei de evolución do tamaño da planta na fase de mudas e na fase posterior, a través da xestión do movemento do espazo vertical da fonte de luz LED, o dossel da planta pódese iluminar a pouca distancia e o obxectivo de aforro de enerxía é conseguido. Na actualidade, o consumo de enerxía da fonte de luz da fábrica de plantas de luz artificial pode representar entre o 50% e o 60% do consumo total de enerxía operativa da fábrica. Aínda que o LED pode aforrar un 50% de enerxía en comparación coas lámpadas fluorescentes, aínda existe o potencial e a necesidade de investigar sobre o aforro de enerxía e a redución do consumo.

1.2.2 Tecnoloxía e equipamentos de cultivo tridimensional multicapa

O espazo de capa do cultivo tridimensional multicapa redúcese porque o LED substitúe a lámpada fluorescente, o que mellora a eficiencia de utilización do espazo tridimensional do cultivo da planta. Hai moitos estudos sobre o deseño do fondo do leito de cultivo. As franxas elevadas están deseñadas para xerar un fluxo turbulento, o que pode axudar ás raíces das plantas a absorber os nutrientes da solución de nutrientes de forma uniforme e aumentar a concentración de osíxeno disolto. Usando o cadro de colonización, hai dous métodos de colonización, é dicir, os vasos de colonización de plástico de diferentes tamaños ou o modo de colonización perimetral de esponxa. Apareceu un sistema de leito de cultivo deslizable, e a táboa de plantación e as plantas sobre ela pódense empurrar manualmente dun extremo ao outro, realizando o modo de produción de plantar nun extremo do leito de cultivo e coller no outro extremo. Na actualidade, desenvolvéronse unha variedade de tecnoloxía e equipos de cultivo sen solo multicapa tridimensionais baseados na tecnoloxía de película líquida de nutrientes e tecnoloxía de fluxo líquido profundo, e a tecnoloxía e os equipos para o cultivo de substrato de amorodos, o cultivo en aerosol de vexetais de folla e flores. xurdiron. A tecnoloxía mencionada desenvolveuse rapidamente.

1.2.3 Tecnoloxía e equipamentos de circulación de solucións nutritivas

Despois de usar a solución nutritiva durante un período de tempo, é necesario engadir auga e elementos minerais. Xeralmente, a cantidade de solución nutritiva recentemente preparada e a cantidade de solución ácido-base determínase medindo a CE e o pH. As partículas grandes de sedimento ou exfoliación de raíces na solución nutritiva deben eliminarse mediante un filtro. Os exsudados da raíz na solución de nutrientes pódense eliminar mediante métodos fotocatalíticos para evitar obstáculos de cultivo continuos en hidroponía, pero hai certos riscos na dispoñibilidade de nutrientes.

1.2.4 Tecnoloxía e equipamentos de control ambiental

A limpeza do aire do espazo de produción é un dos indicadores importantes da calidade do aire da fábrica. A limpeza do aire (indicadores de partículas en suspensión e bacterias sedimentadas) no espazo de produción da fábrica da planta en condicións dinámicas debe controlarse a un nivel superior a 100.000. A entrada de desinfección do material, o tratamento da ducha de aire do persoal entrante e o sistema de purificación de aire de circulación de aire fresco (sistema de filtración de aire) son todas as garantías básicas. A temperatura e humidade, a concentración de CO2 e a velocidade do fluxo de aire do aire no espazo de produción son outro contido importante do control da calidade do aire. Segundo os informes, a instalación de equipos como caixas de mestura de aire, condutos de aire, entradas de aire e saídas de aire pode controlar uniformemente a temperatura e humidade, a concentración de CO2 e a velocidade do fluxo de aire no espazo de produción, para lograr unha alta uniformidade espacial e satisfacer as necesidades da planta. en diferentes localizacións espaciais. O sistema de control de temperatura, humidade e concentración de CO2 e o sistema de aire fresco están integrados organicamente no sistema de circulación de aire. Os tres sistemas necesitan compartir o conduto de aire, a entrada de aire e a saída de aire e proporcionar enerxía a través do ventilador para realizar a circulación do fluxo de aire, a filtración e a desinfección, así como a actualización e uniformidade da calidade do aire. Asegura que a produción vexetal na fábrica de plantas está libre de pragas e enfermidades e non se require a aplicación de pesticidas. Ao mesmo tempo, a uniformidade da temperatura, humidade, fluxo de aire e concentración de CO2 dos elementos do ambiente de crecemento no dossel está garantida para satisfacer as necesidades do crecemento das plantas.

2. Estado de desenvolvemento da industria da fábrica de plantas

2.1 Status quo da industria de fábricas de plantas estranxeiras

En Xapón, a investigación, o desenvolvemento e a industrialización das fábricas de plantas de luz artificial son relativamente rápidos e están no primeiro nivel. En 2010, o goberno xaponés lanzou 50.000 millóns de iens para apoiar a investigación e desenvolvemento tecnolóxico e a demostración industrial. Participaron oito institucións, entre elas a Universidade de Chiba e a Asociación de Investigación de Plantas de Xapón. Japan Future Company levou a cabo e operou o primeiro proxecto de demostración de industrialización dunha fábrica de plantas cunha produción diaria de 3.000 plantas. En 2012, o custo de produción da fábrica foi de 700 iens/kg. En 2014, completouse a moderna fábrica de plantas do castelo de Taga, na prefectura de Miyagi, converténdose na primeira fábrica de plantas LED do mundo cunha produción diaria de 10.000 plantas. Desde 2016, as fábricas de plantas LED entraron na vía rápida da industrialización en Xapón, e xurdiron unha tras outra empresas rentables ou rentables. En 2018, as fábricas de plantas a gran escala cunha capacidade de produción diaria de 50.000 a 100.000 plantas apareceron unha tras outra, e as fábricas de plantas mundiais desenvolvéronse cara a un desenvolvemento profesional e intelixente a gran escala. Ao mesmo tempo, Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power e outros campos comezaron a investir en fábricas de plantas. En 2020, a cota de mercado da leituga producida polas fábricas de plantas xaponesas representará preto do 10% de todo o mercado de leitugas. Entre as máis de 250 fábricas de plantas de luz artificial en funcionamento actualmente, o 20% atópase en fase de perdas, o 50% atópase no punto de equilibrio e o 30% atópase nunha fase rendible, que inclúen especies vexetais cultivadas como leitugas, herbas e mudas.

Os Países Baixos son un líder mundial real no campo da tecnoloxía de aplicación combinada de luz solar e luz artificial para fábricas de plantas, cun alto grao de mecanización, automatización, intelixencia e falta de tripulación, e agora exportou un conxunto completo de tecnoloxías e equipos tan fortes. produtos para o Oriente Medio, África, China e outros países. A granxa American AeroFarms está situada en Newark, Nova Jersey, EUA, cunha superficie de 6500 m2. Cultiva principalmente hortalizas e especias, e a produción é dunhas 900 t/ano.

Agricultura vertical en AeroFarms

A fábrica de plantas de cultivo vertical de Plenty Company nos Estados Unidos adopta iluminación LED e un marco de plantación vertical cunha altura de 6 m. As plantas medran desde os lados das plantas. Dependendo do rego por gravidade, este método de plantación non require bombas adicionais e é máis eficiente en auga que a agricultura convencional. Plenty afirma que a súa granxa produce 350 veces a produción dunha granxa convencional mentres usa só o 1% da auga.

Fábrica de plantas de cultivo vertical, Plenty Company

2.2 Estado da industria da fábrica de plantas en China

En 2009, a primeira fábrica de plantas de produción en China con control intelixente como núcleo foi construída e posta en funcionamento no Changchun Agricultural Expo Park. A superficie do edificio é de 200 m2, e os factores ambientais, como a temperatura, a humidade, a luz, o CO2 e a concentración de solucións de nutrientes da fábrica de plantas pódense controlar automaticamente en tempo real para realizar unha xestión intelixente.

En 2010, a fábrica de plantas de Tongzhou construíu en Pequín. A estrutura principal adopta unha estrutura de aceiro lixeiro dunha soa capa cunha superficie total de construción de 1289 m2. Ten a forma dun portaavións, simbolizando a agricultura chinesa tomando o liderado na navegación cara á tecnoloxía máis avanzada da agricultura moderna. Desenvolveuse o equipo automático para algunhas operacións de produción de vexetais de folla, o que mellorou o nivel de automatización da produción e a eficiencia da produción da fábrica da planta. A fábrica da planta adopta un sistema de bomba de calor terrestre e un sistema de xeración de enerxía solar, o que resolve mellor o problema dos altos custos operativos para a fábrica da planta.

Vista interior e exterior da fábrica de plantas de Tongzhou

En 2013, moitas empresas de tecnoloxía agrícola creáronse na zona de demostración de alta tecnoloxía agrícola de Yangling, provincia de Shaanxi. A maioría dos proxectos de fábricas de plantas en construción e operación están situados en parques de demostración agrícola de alta tecnoloxía, que se utilizan principalmente para demostracións científicas de divulgación e visitas turísticas de lecer. Debido ás súas limitacións funcionais, é difícil que estas fábricas de plantas de ciencia popular alcancen o alto rendemento e a alta eficiencia que require a industrialización, e será difícil que se convertan no futuro na principal forma de industrialización.

En 2015, un importante fabricante de chips LED en China colaborou co Instituto de Botánica da Academia Chinesa de Ciencias para iniciar conxuntamente a creación dunha empresa de fábricas de plantas. Pasou da industria optoelectrónica á industria "fotobiolóxica" e converteuse nun precedente para que os fabricantes de LED chineses investisen na construción de fábricas de plantas na industrialización. A súa fábrica de plantas comprométese a realizar investimento industrial na fotobioloxía emerxente, que integra investigación científica, produción, demostración, incubación e outras funcións, cun capital social de 100 millóns de yuans. En xuño de 2016 rematou e puxo en funcionamento esta Fábrica de Plantas cunha edificación de 3 plantas cunha superficie de 3.000 m2 e unha superficie de cultivo de máis de 10.000 m2. Para maio de 2017, a escala de produción diaria será de 1.500 kg de hortalizas de folla, o que equivale a 15.000 plantas de leituga ao día.

Vistas desta empresa

3. Problemas e contramedidas que enfronta o desenvolvemento das fábricas de plantas

3.1 Problemas

3.1.1 Alto custo de construción

As fábricas de plantas necesitan producir cultivos nun ambiente pechado. Polo tanto, é necesario construír proxectos e equipos de apoio, incluíndo estruturas de mantemento externas, sistemas de aire acondicionado, fontes de luz artificial, sistemas de cultivo multicapa, circulación de solucións de nutrientes e sistemas de control informático. O custo de construción é relativamente alto.

3.1.2 Alto custo de operación

A maioría das fontes de luz que requiren as fábricas de plantas proveñen de luces LED, que consomen moita electricidade ao tempo que proporcionan os espectros correspondentes para o crecemento dos diferentes cultivos. Os equipos como o aire acondicionado, a ventilación e as bombas de auga no proceso de produción das fábricas tamén consomen electricidade, polo que as facturas da electricidade son un gasto enorme. Segundo as estatísticas, entre os custos de produción das fábricas de plantas, os custos da electricidade representan o 29%, os custos laborais o 26%, a depreciación dos activos fixos o 23%, os envases e o transporte o 12% e os materiais de produción o 10%.

Desglose do custo de produción da fábrica da planta

3.1.3 Baixo nivel de automatización

A fábrica de plantas aplicada actualmente ten un baixo nivel de automatización, e procesos como a mudas, o transplante, a plantación de campo e a colleita aínda requiren operacións manuais, o que supón un alto custo laboral.

3.1.4 Variedades limitadas de cultivos que se poden cultivar

Na actualidade, os tipos de cultivos axeitados para as fábricas de plantas son moi limitados, principalmente vexetais de follas verdes que crecen rapidamente, aceptan facilmente fontes de luz artificial e teñen un dosel baixo. Non se pode levar a cabo a plantación a gran escala para requisitos complexos de plantación (como cultivos que precisan ser polinizados, etc.).

3.2 Estratexia de desenvolvemento

Ante os problemas que afronta a industria da fábrica de plantas, é necesario realizar investigacións desde diversos aspectos como a tecnoloxía e o funcionamento. En resposta aos problemas actuais, as contramedidas son as seguintes.

(1) Reforzar a investigación sobre tecnoloxía intelixente das fábricas de plantas e mellorar o nivel de xestión intensiva e refinada. O desenvolvemento dun sistema intelixente de xestión e control axuda a lograr unha xestión intensiva e refinada das fábricas de plantas, o que pode reducir moito os custos laborais e aforrar man de obra.

(2) Desenvolver equipos técnicos de fábrica intensivos e eficientes para lograr unha alta calidade e un alto rendemento anual. O desenvolvemento de instalacións e equipos de cultivo de alta eficiencia, tecnoloxía e equipos de iluminación de aforro enerxético, etc., para mellorar o nivel intelixente das fábricas de plantas, favorece a realización dunha produción anual de alta eficiencia.

(3) Realizar investigacións sobre tecnoloxía de cultivo industrial para plantas de alto valor engadido, como plantas medicinais, plantas de coidado da saúde e vexetais raros, aumentar os tipos de cultivos cultivados en fábricas de plantas, ampliar as canles de beneficio e mellorar o punto de partida do beneficio. .

(4) Realizar investigacións sobre fábricas de plantas para uso doméstico e comercial, enriquecer os tipos de fábricas de plantas e lograr unha rendibilidade continua con varias funcións.

4. Tendencia de desenvolvemento e perspectiva da fábrica de plantas

4.1 Tendencia de desenvolvemento tecnolóxico

4.1.1 Intelectualización de proceso completo

Baseado no mecanismo de prevención de perdas e fusión da arte da máquina do sistema de cultivo-robot, efectores finais de plantación e colleita flexibles e non destrutivos de alta velocidade, posicionamento preciso do espazo multidimensional distribuído e métodos de control colaborativo multimodal multi-máquina, e sementeira non tripulada, eficiente e non destrutiva en fábricas de plantas de gran altura -Deben crearse robots intelixentes e equipos de apoio como plantación-colleita-empaquetado, realizando así o funcionamento non tripulado de todo o proceso.

4.1.2 Facer o control da produción máis intelixente

Con base no mecanismo de resposta do crecemento e desenvolvemento dos cultivos á radiación luminosa, a temperatura, a humidade, a concentración de CO2, a concentración de nutrientes da solución de nutrientes e a CE, debe construírse un modelo cuantitativo de retroalimentación do cultivo e do medio ambiente. Débese establecer un modelo estratéxico básico para analizar dinámicamente a información sobre a vida dos vexetais de folla e os parámetros do ambiente de produción. Tamén se debería establecer o sistema de diagnose de identificación dinámica en liña e control de procesos do contorno. Debe crearse un sistema colaborativo de toma de decisións de intelixencia artificial multi-máquina para todo o proceso de produción dunha fábrica agrícola vertical de gran volume.

4.1.3 Produción baixa en carbono e aforro de enerxía

Establecer un sistema de xestión da enerxía que utilice fontes de enerxía renovables como a solar e a eólica para completar a transmisión de enerxía e controlar o consumo de enerxía para acadar obxectivos de xestión enerxética óptimos. Captación e reutilización de emisións de CO2 para favorecer a produción de cultivos.

4.1.3 Alto valor das variedades premium

Débense adoptar estratexias factibles para crear diferentes variedades de alto valor engadido para experimentos de plantación, construír unha base de datos de expertos en tecnoloxía de cultivo, realizar investigacións sobre tecnoloxía de cultivo, selección de densidades, disposición de restrollos, adaptabilidade de variedades e equipamentos e formar especificacións técnicas de cultivo estándar.

4.2 Perspectivas de desenvolvemento da industria

As fábricas de plantas poden desfacerse das limitacións dos recursos e do medio ambiente, realizar a produción industrializada da agricultura e atraer á nova xeración de forza de traballo para que se dedique á produción agrícola. A innovación tecnolóxica e a industrialización clave das fábricas de plantas de China estase a converter nun líder mundial. Coa aplicación acelerada da fonte de luz LED, a dixitalización, a automatización e as tecnoloxías intelixentes no campo das fábricas de plantas, as fábricas de plantas atraerán máis investimento de capital, recollida de talento e uso de máis enerxía nova, novos materiais e novos equipos. Deste xeito, pódese realizar a integración profunda da tecnoloxía da información e as instalacións e os equipos, mellorar o nivel intelixente e non tripulado de instalacións e equipos, a redución continua do consumo de enerxía do sistema e os custos operativos mediante a innovación continua e a gradual cultivo de mercados especializados, as fábricas de plantas intelixentes marcarán o inicio do período dourado de desenvolvemento.

Segundo os informes de investigación de mercado, o tamaño do mercado global de agricultura vertical en 2020 é de só 2.900 millóns de dólares estadounidenses, e espérase que para 2025, o tamaño do mercado agrícola vertical global alcance os 30.000 millóns de dólares. En resumo, as fábricas de plantas teñen amplas perspectivas de aplicación e espazo de desenvolvemento.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong, etc

Información da cita:Situación actual e perspectivas do desenvolvemento da industria da fábrica de plantas [J]. Tecnoloxía da Enxeñaría Agrícola, 2022, 42(1): 18-23.por Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.