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

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

1.1 O status quo do desenvolvemento de tecnoloxía estranxeira

Desde o século XXI, a investigación de fábricas vexetais centrouse principalmente na mellora da eficiencia da luz, na creación de equipos do sistema de cultivo tridimensional de varias capas e na investigación e desenvolvemento de xestión e control intelixentes. No século XXI, a innovación de fontes de luz LED agrícolas avanzou, proporcionando un importante apoio técnico para a aplicación de fontes de luz de aforro de enerxía LED nas fábricas de plantas. A Universidade de Chiba en Xapón realizou varias 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 usa a simulación de cultivos e a tecnoloxía de optimización dinámica para desenvolver un sistema de equipos intelixentes para as fábricas de plantas, o que reduce enormemente os custos operativos e mellora significativamente a produtividade laboral.

Nos últimos anos, as fábricas de plantas déronse gradualmente a semiautomación dos procesos de produción a partir de sementeira, plantilla, transplante e colleita. Xapón, Países Baixos e Estados Unidos están á cabeza, cun alto grao de mecanización, automatización e intelixencia e están a desenvolverse na dirección da agricultura vertical e da operación non tripulada.

1.2 Estado de desenvolvemento de tecnoloxía en China

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

As fontes de luz LED vermellas e azuis especiais para a produción de varias especies vexetais en fábricas de plantas desenvolvéronse unha tras outra. A potencia oscila entre 30 e 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 rango de limiar adecuado, parámetros de calidade lixeira, para conseguir o efecto de alta eficiencia Aforro de enerxía 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 da disipación de calor do ventilador de fonte de luz, o que reduce a taxa de descomposición da luz da fonte de luz e asegura a vida 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 de luz de luz, segundo a lei de evolución do tamaño das plantas na fase de plántulas e posteriormente, a través do xestión do movemento espacial vertical da fonte de luz LED, o dosel da planta pódese iluminar a distancia e o obxectivo de aforro de enerxía é conseguido. Na actualidade, o consumo de enerxía da fonte de luz de fábrica de plantas de luz artificial pode representar o 50% ao 60% do consumo total de enerxía operativa da fábrica de plantas. Aínda que o LED pode aforrar un 50% de enerxía en comparación coas lámpadas fluorescentes, aínda existe o potencial e a necesidade da investigación sobre o aforro de enerxía e a redución do consumo.

1.2.2 Tecnoloxía e equipos de cultivo tridimensional de varias capas

A brecha de capa do cultivo tridimensional de varias capas redúcese porque o LED substitúe a lámpada fluorescente, o que mellora a eficiencia tridimensional do uso espacial do cultivo das plantas. Hai moitos estudos sobre o deseño do fondo da cama de cultivo. As raias levantadas están deseñadas para xerar un fluxo turbulento, o que pode axudar ás raíces a plantar a absorber nutrientes na solución de nutrientes uniformemente e aumentar a concentración de osíxeno disolto. Usando o taboleiro de colonización, hai dous métodos de colonización, é dicir, as cuncas de colonización de plástico de diferentes tamaños ou o modo de colonización do perímetro da esponxa. Apareceu un sistema de cama de cultivo deslizable, e a plantación de plantación e as plantas nel pódense empuxar manualmente dun extremo ao outro, dando conta do modo de produción de plantar nun extremo da cama de cultivo e colleita no outro extremo. Na actualidade, desenvolvéronse unha variedade de tecnoloxía de cultura e equipos de cultura de varias capas tridimensionais baseadas na tecnoloxía de películas líquidas de nutrientes e a tecnoloxía de fluxo de líquido profundo, e a tecnoloxía e equipos para o cultivo do substrato de amorodos, cultivo de verduras e flores de follas de folla xurdiron. A tecnoloxía mencionada desenvolveuse rapidamente.

1.2.3 Tecnoloxía e equipos de circulación de solucións de nutrientes

Despois de que a solución de nutrientes se utilizase durante un período de tempo, é necesario engadir auga e elementos minerais. Xeralmente, a cantidade de solución de nutrientes recén preparada e a cantidade de solución de base ácida determínase medindo CE e PH. Un filtro é necesario eliminar partículas de sedimentos ou exfoliación raíz na solución de nutrientes. Os exudados de raíz na solución de nutrientes pódense eliminar mediante métodos fotocatalíticos para evitar obstáculos continuos de cultivo en hidroponía, pero hai certos riscos na dispoñibilidade de nutrientes.

1.2.4 Tecnoloxía e equipos de control ambiental

A limpeza do aire do espazo de produción é un dos indicadores importantes da calidade do aire da fábrica de plantas. A limpeza do aire (indicadores de partículas en suspensión e bacterias asentadas) no espazo de produción da fábrica de plantas en condicións dinámicas debería controlarse a un nivel superior a 100.000. A entrada de desinfección de materiais, o tratamento de ducha de aire de persoal entrante e o sistema de purificación de aire de circulación de aire fresco (sistema de filtración de aire) son garantías básicas. A temperatura e a 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 creación de equipos como caixas de mestura de aire, condutos de aire, entradas de aire e tomas de aire poden controlar uniformemente a temperatura e a humidade, a concentración de CO2 e a velocidade de fluxo de aire no espazo de produción, para alcanzar unha alta uniformidade espacial e satisfacer as necesidades vexetais en diferentes lugares espaciais. O sistema de control de temperatura, humidade e concentración de CO2 e o sistema de aire fresco están integrados orgánicamente no sistema de aire circulante. 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 e a actualización e a uniformidade da calidade do aire. Asegura que a produción de plantas na fábrica de plantas está libre de pragas e enfermidades e non se precisa aplicación de pesticidas. Ao mesmo tempo, a uniformidade da temperatura, a humidade, o fluxo de aire e a 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 Estado quo da industria da fábrica de plantas estranxeiras

En Xapón, a investigación e desenvolvemento e industrialización das fábricas de plantas lixeiras artificiais son relativamente rápidas e están no nivel principal. En 2010, o goberno xaponés lanzou 50 mil millóns de iens para apoiar a investigación e o desenvolvemento tecnolóxico e a demostración industrial. Participaron oito institucións incluídas a Chiba University e a Asociación de Investigación en Fábrica de Plantas de Xapón. A Future Company Xapón emprendeu e operaba 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 iens/kg. En 2014, a moderna fábrica de plantas de fábrica no castelo de Taga, completouse a 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 no carril rápido da industrialización en Xapón e as empresas de rotura ou rendibles xurdiron unha tras outra. 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 globais estaban a desenvolverse cara a un desenvolvemento a gran escala, profesional e intelixente. Ao mesmo tempo, a enerxía eléctrica de Tokyo, a enerxía eléctrica de Okinawa e outros campos comezaron a investir en fábricas de plantas. En 2020, a cota de mercado de leituga producida por fábricas de plantas xaponesas representará preto do 10% do mercado de leitugas enteiras. Entre as máis de 250 fábricas de plantas de tipo lixeiro artificiais actualmente en funcionamento, o 20% está en fase de perda de perdas, o 50% está no nivel de rotura e o 30% está nunha fase rendible, que inclúe especies vexetais cultivadas como como leituga, herbas e mudas.

Holanda é un líder do mundo real no campo da tecnoloxía de aplicacións combinadas de luz solar e luz artificial para a fábrica de plantas, cun alto grao de mecanización, automatización, intelixencia e desgraza, e agora exportou un conxunto completo de tecnoloxías e equipos como fortes Produtos a Oriente Medio, África, China e outros países. American Aerofarms Farm está situada en Newark, Nova Xersei, Estados Unidos, cunha superficie de 6500 m2. Crece principalmente verduras e especias, e a produción é de aproximadamente 900 t/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 dos lados das plantadoras. Confiando no rego por gravidade, este método de plantación non require bombas adicionais e é máis eficiente na auga que a agricultura convencional. Moito afirma que a súa granxa produce 350 veces a saída dunha granxa convencional mentres usa só o 1% da auga.

Fábrica de plantas de agricultura vertical, Plenty Company

2.2 Industria de fábrica de plantas de estado en China

En 2009, a primeira fábrica de plantas de produción en China con control intelixente a medida que se construíu o núcleo e puxo en funcionamento en Changchun Agricultural Expo Park. A área de construción 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 construída en Pequín. A estrutura principal adopta unha estrutura de aceiro lixeiro dunha soa capa cunha superficie de construción total de 1289 m2. Ten forma como un transportista de avións, simbolizando a agricultura chinesa levando o liderado para marcar a tecnoloxía máis avanzada da agricultura moderna. Desenvolveuse o equipo automático para algunhas operacións de frondosa produción de vexetais, o que mellorou o nivel de automatización de produción e a eficiencia de produción da fábrica de plantas. A fábrica de plantas adopta un sistema de bomba de calor de fonte de terra e un sistema de xeración de enerxía solar, que resolve mellor o problema dos altos custos operativos para a fábrica de plantas.

Vista dentro e fóra da fábrica de plantas de Tongzhou

En 2013 creouse moitas empresas de tecnoloxía agrícola na zona de demostración de alta tecnoloxía agrícola en Yangling, provincia de Shaanxi. A maioría dos proxectos de fábrica de plantas en construción e operación atópanse en parques de demostración agrícola de alta tecnoloxía, que se usan principalmente para demostracións de ciencias populares e turismo de lecer. Debido ás súas limitacións funcionais, é difícil para estas populares fábricas de plantas de ciencia conseguir o alto rendemento e a alta eficiencia requiridos pola industrialización, e será difícil que se convertan na forma principal de industrialización no futuro.

En 2015, un importante fabricante de chip LED en China colaborou co Instituto de Botánica da Academia Chinesa de Ciencias para iniciar conxuntamente o establecemento dunha empresa de fábrica de plantas. Pasou da industria optoelectrónica á industria "fotobiolóxica" e converteuse nun precedente para que os fabricantes de LED chineses investan na construción de fábricas de plantas en industrialización. A súa fábrica de plantas comprometeuse a facer investimento industrial en fotobioloxía emerxente, que integra investigacións científicas, produción, demostración, incubación e outras funcións, cun capital rexistrado de 100 millóns de yuanes. En xuño de 2016, esta fábrica de plantas cun edificio de 3 plantas que abarca unha superficie de 3.000 m2 e unha área de cultivo de máis de 10.000 m2 completouse e púxose en funcionamento. En maio de 2017, a escala diaria de produción será de 1.500 kg de verduras de folla, equivalentes a 15.000 plantas de leituga ao día.

Vistas desta empresa

3. Problemas e contramedidas que afrontan o desenvolvemento de fábricas vexetais

3.1 Problemas

3.1.1 Custo de construción elevado

As fábricas de plantas necesitan producir cultivos nun ambiente pechado. Por iso, é necesario construír proxectos e equipos de apoio, incluíndo estruturas de mantemento externo, sistemas de aire acondicionado, fontes de luz artificial, sistemas de cultivo de varias capas, circulación de solucións de nutrientes e sistemas de control de computadoras. O custo da construción é relativamente alto.

3.1.2 Custo de operación elevado

A maioría das fontes de luz requiridas polas fábricas de plantas proceden de luces LED, que consumen moita electricidade ao tempo que proporcionan espectros correspondentes para o crecemento de diferentes cultivos. Equipos como o aire acondicionado, a ventilación e as bombas de auga no proceso de produción das fábricas de plantas tamén consumen electricidade, polo que as facturas de 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 de man de obra representan o 26%, a depreciación de activos fixos representa o 23%, o envase e o transporte representan o 12%e os materiais de produción representan o 10%.

Despanso do custo de produción para a fábrica de plantas

3.1.3 baixo nivel de automatización

A fábrica de plantas aplicada actualmente ten un baixo nivel de automatización e procesos como plántulas, transplante, plantación de campos e colleita aínda requiren operacións manuais, obtendo altos custos de traballo.

3.1.4 Variedades limitadas de cultivos que se poden cultivar

Na actualidade, os tipos de cultivos adecuados para as fábricas de plantas son moi limitados, principalmente vexetais de folla verde que crecen rapidamente, aceptan facilmente fontes de luz artificiais e teñen un baixo dosel. A plantación a gran escala non se pode realizar para necesidades complexas de plantación (como os cultivos que deben ser polinizados, etc.).

3.2 Estratexia de desenvolvemento

Á vista dos problemas aos que se enfrontan a industria da fábrica de plantas, é necesario realizar investigacións de diversos aspectos como a tecnoloxía e o funcionamento. En resposta aos problemas actuais, as contramedidas son as seguintes.

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

(2) Desenvolver equipos técnicos de fábrica de plantas intensivas e eficientes para conseguir anual de alta calidade e de alto rendemento. O desenvolvemento de instalacións e equipos de cultivo de alta eficiencia, tecnoloxía e equipos de iluminación de aforro de enerxía, etc., para mellorar o nivel intelixente das fábricas vexetais, é propicio para a realización da produción anual de alta eficiencia.

(3) Realizar investigacións sobre tecnoloxía de cultivo industrial para plantas de alto valor engadido como plantas medicinais, plantas de asistencia sanitaria e verduras raras, 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 conseguir unha rendibilidade continua con diversas funcións.

4. Tendencia de desenvolvemento e perspectiva de fábrica de plantas

4.1 Tendencia do desenvolvemento de tecnoloxía

4.1.1 Intelectualización do proceso completo

Baseado no mecanismo de prevención de fusión e perdas de arte do sistema de cultivo-robot, efectores finais de plantación e recolección de plantación e colleita flexibles e non destrutivos, distribuír o espazo multidimensional de posicionamento preciso e métodos de control de colaboración multi-máquinas multi-modais, métodos de control colaborativo, métodos de colaboración multi-máquinas,, e sementeira non tripulada, eficiente e non destrutiva en fábricas de plantas altas-robots intelixentes e equipos de apoio como como Débese crear un envasado de colleita de plantación, dando conta así da operación non tripulada de todo o proceso.

4.1.2 Fai o control da produción máis intelixente

Con base no mecanismo de resposta de crecemento e desenvolvemento das colleitas á radiación, temperatura, humidade, concentración de CO2, concentración de nutrientes de solución de nutrientes e CE, debería construírse un modelo cuantitativo de retroalimentación de cultivos. Debe establecerse un modelo de núcleo estratéxico para analizar dinámicamente a información de vida vexetal e os parámetros do ambiente de produción. Tamén debe establecerse o diagnóstico de identificación dinámica en liña e o sistema de control de procesos do ambiente. Debe crearse un sistema de toma de decisións sobre intelixencia artificial colaborativa de varias máquinas para todo o proceso de produción dunha fábrica agrícola vertical de alto volume.

4.1.3 Produción de baixo carbono e aforro de enerxía

Establecer un sistema de xestión de enerxía que utilice fontes de enerxía renovables como solar e vento para completar a transmisión de enerxía e controlar o consumo de enerxía para alcanzar obxectivos óptimos de xestión da enerxía. Capturando e reutilizando emisións de CO2 para axudar á produción de cultivos.

4.1.3 Alto valor das variedades premium

Deberían tomarse estratexias factibles para criar diferentes variedades de alto valor engadido para os experimentos de plantación, construír unha base de datos de expertos en tecnoloxía de cultivo, realizar investigacións sobre tecnoloxía de cultivo, selección de densidade, arranxo de ceble, adaptabilidade de variedade e equipos e formar especificacións técnicas de cultivo estándar.

4.2 Perspectivas de desenvolvemento da industria

As fábricas de plantas poden desfacerse das restricións de recursos e do medio ambiente, realizar a produción industrializada da agricultura e atraer a nova xeración de forza de traballo para participar na produción agrícola. A innovación tecnolóxica clave e a industrialización das fábricas de plantas de China está 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, reunión de talentos e o uso de máis enerxía nova, novos materiais e equipos novos. Deste xeito, pódese realizar a integración en profundidade das tecnoloxías da información e das instalacións e equipos, pódese 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 innovación continua e o gradual O cultivo de mercados especializados, as fábricas de plantas intelixentes incluirán un período de desenvolvemento dourado.

Segundo os informes de investigación de mercado, o tamaño global do mercado agrícola vertical en 2020 é de só 2.900 millóns de dólares e espérase que para o 2025, o tamaño global do mercado de agricultura vertical alcanzará os 30 millóns de dólares. En resumo, as fábricas de plantas teñen amplas perspectivas de aplicacións e espazo para o desenvolvemento.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong, etc.

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