Resumo: Nos últimos anos, coa continua exploración da tecnoloxía agrícola moderna, a industria das fábricas de plantas tamén se desenvolveu rapidamente. Este artigo 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 as 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 lumínica, na creación de equipos de sistemas de cultivo tridimensionais multicapa 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 de enerxía nas fábricas de plantas. A Universidade de Chiba no Xapón realizou unha serie de innovacións en fontes de luz de alta eficiencia, control ambiental de aforro de enerxía e técnicas de cultivo. A Universidade de Wageningen nos Países Baixos utiliza a simulación do ambiente de cultivos e a tecnoloxía de optimización dinámica para desenvolver un sistema de equipos intelixentes para fábricas de plantas, o que reduce en gran medida os custos operativos e mellora significativamente a produtividade laboral.

Nos últimos anos, as fábricas de plantas foron alcanzando gradualmente a semiautomatización dos procesos de produción, desde a sementeira, o cultivo de plántulas, o transplante e a colleita. O Xapón, os Países Baixos e os Estados Unidos están á vangarda, cun alto grao de mecanización, automatización e intelixencia, e están a desenvolverse na dirección da agricultura vertical e o funcionamento non tripulado.

1.2 Estado do desenvolvemento tecnolóxico na China

1.2.1 Fonte de luz LED especializada e equipamento tecnolóxico de aplicación de aforro de enerxía para luz artificial en fábricas

Desenvolvéronse unha tras outra fontes de luz LED vermellas e azuis especiais para a produción de diversas especies vexetais en fábricas de plantas. A potencia oscila entre os 30 e os 300 W e a intensidade da luz de irradiación é de 80 a 500 μmol/(m2•s), o que pode proporcionar unha intensidade luminosa cun rango de limiar e parámetros de calidade da luz axeitados para lograr o efecto de aforro de enerxía de alta eficiencia e adaptarse ás necesidades do crecemento e a iluminación das plantas. En termos de xestión da disipación da calor da fonte de luz, introduciuse o deseño de disipación activa da calor do ventilador da fonte de luz, que reduce a taxa de decaemento da luz 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 a solución de nutrientes ou a circulación de auga. En termos de xestión do espazo da fonte de luz, segundo a lei de evolución do tamaño da planta na fase de plántula e na fase posterior, mediante a xestión do movemento espacial vertical da fonte de luz LED, pódese iluminar a copa da planta a curta distancia e conséguese o obxectivo de aforro de enerxía. Na actualidade, o consumo enerxético da fonte de luz artificial das fábricas pode representar entre o 50 % e o 60 % do consumo total de enerxía operativo da fábrica. Aínda que os LED poden aforrar un 50 % de enerxía en comparación coas lámpadas fluorescentes, aínda existe o potencial e a necesidade de investigar o aforro de enerxía e a redución do consumo.

1.2.2 Tecnoloxía e equipamento de cultivo tridimensional multicapa

A separación entre capas do cultivo tridimensional multicapa redúcese porque o LED substitúe a lámpada fluorescente, o que mellora a eficiencia de utilización do espazo tridimensional do cultivo de plantas. Existen moitos estudos sobre o deseño da parte inferior do leito de cultivo. As raias elevadas están deseñadas para xerar un fluxo turbulento, o que pode axudar ás raíces das plantas a absorber os nutrientes da solución nutritiva de xeito uniforme e aumentar a concentración de osíxeno disolto. Usando a táboa 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 deslizante, e a táboa de plantación e as plantas nela pódense empurrar manualmente dun extremo ao outro, realizando o modo de produción de plantación nun extremo do leito de cultivo e colleita no outro extremo. Na actualidade, desenvolvéronse unha variedade de tecnoloxías e equipos de cultivo sen solo multicapa tridimensional baseados na tecnoloxía de película líquida de nutrientes e na tecnoloxía de fluxo líquido profundo, e xurdiu a tecnoloxía e os equipos para o cultivo de substrato de amorodos, o cultivo en aerosois de verduras de folla e flores. A tecnoloxía mencionada desenvolveuse rapidamente.

1.2.3 Tecnoloxía e equipamento de circulación de solucións de nutrientes

Despois de que a solución nutritiva se teña usado 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 determínanse medindo a EC e o pH. As partículas grandes de sedimento ou a exfoliación das raíces na solución nutritiva deben eliminarse cun filtro. Os exudados das raíces na solución nutritiva poden eliminarse mediante métodos fotocatalíticos para evitar obstáculos continuos para o cultivo en hidroponía, pero existen 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 da planta. 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 de materiais, o tratamento de duchas de aire para o persoal entrante e o sistema de purificación de aire con circulación de aire fresco (sistema de filtración de aire) son medidas de seguridade básicas. A temperatura e a humidade, a concentración de CO2 e a velocidade do fluxo de 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 e saídas de aire pode controlar uniformemente a temperatura e a 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 aire circulante. Os tres sistemas deben compartir o conduto de aire, a entrada 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, e a actualización e uniformidade da calidade do aire. Garante que a produción vexetal na fábrica de plantas estea libre de pragas e enfermidades, e que non se requira a aplicación de pesticidas. Ao mesmo tempo, garántese a uniformidade da temperatura, a humidade, o fluxo de aire e a concentración de CO2 dos elementos do ambiente de crecemento na copa para satisfacer as necesidades do crecemento das plantas.

2. Estado de desenvolvemento da industria de fábricas de plantas

2.1 Status quo da industria de fábricas de plantas estranxeiras

No Xapón, a investigación, o desenvolvemento e a industrialización das fábricas de plantas de luz artificial son relativamente rápidos e están no seu mellor nivel. En 2010, o goberno xaponés puxo en marcha unha partida de 50.000 millóns de ienes para apoiar a investigación, o desenvolvemento tecnolóxico e a demostración industrial. Participaron oito institucións, entre elas a Universidade de Chiba e a Asociación de Investigación de Fábricas de Plantas do Xapón. Japan Future Company emprendeu 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 de plantas foi de 700 ienes/kg. En 2014, completouse a moderna fábrica de plantas no 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 no Xapón, e as empresas con punto de equilibrio ou rendibles xurdiron unha tras outra. En 2018, apareceron unha tras outra fábricas de plantas a grande escala cunha capacidade de produción diaria de 50.000 a 100.000 plantas, e as fábricas de plantas globais desenvolvéronse cara a un desenvolvemento a grande escala, profesional e intelixente. 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 arredor do 10 % de todo o mercado de leituga. Das máis de 250 fábricas de plantas de tipo luz artificial que están en funcionamento actualmente, o 20 % están nunha fase de perdas, o 50 % no nivel de equilibrio e o 30 % nunha fase rendible, que inclúe especies de plantas cultivadas como leituga, herbas e mudas.

Os Países Baixos son un auténtico líder mundial 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 autonomía, e agora exportan un conxunto completo de tecnoloxías e equipos como produtos sólidos a 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 toneladas ao ano.

Agricultura vertical en AeroFarms

A fábrica de plantas de agricultura vertical de Plenty Company nos Estados Unidos adopta iluminación LED e un marco de plantación vertical cunha altura de 6 m. As plantas medran polos laterais das macetas. Ao basearse no rego por gravidade, este método de plantación non require bombas adicionais e é máis eficiente no consumo de auga que a agricultura convencional. Plenty afirma que a súa granxa produce 350 veces a produción dunha granxa convencional, utilizando só o 1 % da auga.

Fábrica de plantas de agricultura vertical, Plenty Company

2.2 Industria fabril de plantas de status en China

En 2009, construíuse e púxose en funcionamento a primeira fábrica de produción en China con control intelixente como núcleo no Parque de Exposicións Agrícolas de Changchun. A superficie construída é de 200 m2 e os factores ambientais como a temperatura, a humidade, a luz, o CO2 e a concentración da solución de nutrientes da fábrica da planta pódense monitorizar automaticamente en tempo real para lograr unha xestión intelixente.

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

Vista interior e exterior da fábrica de Tongzhou

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

En 2015, un importante fabricante de chips LED en China cooperou 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 chineses de LED invistan na construción de fábricas de plantas na industrialización. A súa Fábrica de Plantas está comprometida coa realización de investimentos industriais en fotobioloxía emerxente, que integra investigación científica, produción, demostración, incubación e outras funcións, cun capital social rexistrado de 100 millóns de yuans. En xuño de 2016, completouse e púxose en funcionamento esta Fábrica de Plantas cun edificio de 3 plantas que abarca unha superficie de 3.000 m2 e unha superficie de cultivo de máis de 10.000 m2. En maio de 2017, a escala de produción diaria será de 1.500 kg de vexetais de folla, o equivalente a 15.000 plantas de leituga ao día.

Opinións desta empresa

3. Problemas e contramedidas aos que se 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 nutritivas e sistemas de control por ordenador. 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 de diferentes cultivos. Os equipos como o aire acondicionado, a ventilación e as bombas de auga no proceso de produción das fábricas de plantas tamén consomen electricidade, polo que as facturas de electricidade supoñen un gasto enorme. Segundo as estatísticas, entre os custos de produción das fábricas de plantas, os custos de electricidade representan o 29 %, os custos laborais o 26 %, a depreciación de activos fixos o 23 %, o envasado e o transporte o 12 % e os materiais de produción o 10 %.

Desglose dos custos de produción da planta de produción

3.1.3 Baixo nivel de automatización

A fábrica de plantas aplicada actualmente ten un baixo nivel de automatización e procesos como a plántula, o transplante, a plantación no campo e a colleita aínda requiren operacións manuais, o que resulta en altos custos laborais.

3.1.4 Variedades limitadas de cultivos

Na actualidade, os tipos de cultivos axeitados para as fábricas de plantas son moi limitados, principalmente hortalizas de folla verde que medran rapidamente, aceptan facilmente fontes de luz artificial e teñen unha copa baixa. Non se pode levar a cabo a plantación a grande escala para requisitos de plantación complexos (como cultivos que precisan ser polinizados, etc.).

3.2 Estratexia de desenvolvemento

En vista dos problemas aos que se enfronta a industria das fábricas de plantas, é necesario levar a cabo investigacións desde varios 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 considerablemente os custos laborais e aforrar man de obra.

(2) Desenvolver equipamentos técnicos intensivos e eficientes para as fábricas de plantas para acadar unha alta calidade e un alto rendemento anuais. O desenvolvemento de instalacións e equipamentos de cultivo de alta eficiencia, tecnoloxía e equipamentos de iluminación de aforro de enerxía, etc., para mellorar o nivel de intelixencia das fábricas de plantas, favorece a consecución dunha produción anual de alta eficiencia.

(3) Levar a cabo investigacións sobre tecnoloxía de cultivo industrial de plantas de alto valor engadido como plantas medicinais, plantas para o coidado da saúde e hortalizas raras, aumentar os tipos de cultivos cultivados nas fábricas de plantas, ampliar as canles de beneficio e mellorar o punto de partida dos beneficios.

(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 diversas funcións.

4. Tendencia de desenvolvemento e perspectivas da fábrica de plantas

4.1 Tendencia de desenvolvemento tecnolóxico

4.1.1 Intelectualización do proceso completo

Baseándose no mecanismo de fusión e prevención de perdas de arte mecánica do sistema de robots de cultivo, efectores finais de plantación e colleita de alta velocidade, flexibles e non destrutivos, posicionamento preciso no espazo multidimensional distribuído e métodos de control colaborativo multimáquina multimodal, e sementeira non tripulada, eficiente e non destrutiva en fábricas de plantas de gran altura, débense crear robots intelixentes e equipos de apoio como plantación-colleita-embalaxe, realizando así o funcionamento non tripulado de todo o proceso.

4.1.2 Facer que o control da produción sexa máis intelixente

Baseándose no mecanismo de resposta do crecemento e desenvolvemento dos cultivos á radiación lumínica, a temperatura, a humidade, a concentración de CO2, a concentración de nutrientes da solución nutritiva e a electrólise eléctrica, débese construír un modelo cuantitativo de retroalimentación entre o cultivo e o ambiente. Débese establecer un modelo central estratéxico para analizar dinamicamente a información sobre a vida das hortalizas de folla verde e os parámetros do ambiente de produción. Tamén se debe establecer o sistema de identificación dinámica en liña, diagnóstico e control de procesos do ambiente. Débese crear un sistema de toma de decisións de intelixencia artificial colaborativa multimáquina para todo o proceso de produción dunha fábrica agrícola vertical de alto volume.

4.1.3 Produción baixa en carbono e aforro de enerxía

Establecer un sistema de xestión de 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 óptimos de xestión enerxética. Capturar e reutilizar as emisións de CO2 para axudar á produción de cultivos.

4.1.3 Alto valor das variedades premium

Deberíanse adoptar estratexias viables para cultivar diferentes variedades de alto valor engadido para experimentos de plantación, crear unha base de datos de expertos en tecnoloxía de cultivo, realizar investigacións sobre tecnoloxía de cultivo, selección de densidade, disposición de rastroxos, adaptabilidade de variedades e equipos e formular 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 a nova xeración de man de obra para dedicarse á produción agrícola. A innovación tecnolóxica clave e a industrialización das fábricas de plantas de China están a converterse 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, a captación de talento e o uso de máis enerxía nova, novos materiais e novos equipos. Deste xeito, pódese lograr a integración en profundidade da tecnoloxía da información e as instalacións e equipos, pódese mellorar o nivel intelixente e non tripulado das instalacións e equipos, a redución continua do consumo de enerxía do sistema e dos custos operativos a través da innovación continua e o cultivo gradual de mercados especializados, as fábricas de plantas intelixentes marcarán o comezo dun período dourado de desenvolvemento.

Segundo 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 alcance os 30.000 millóns de dólares estadounidenses. 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 fabril [J]. Tecnoloxía da Enxeñaría Agrícola, 2022, 42(1): 18-23.por Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.