Ágrip: Á undanförnum árum, með stöðugri könnun nútíma landbúnaðartækni, hefur plöntuverksmiðjuiðnaðurinn einnig þróast hratt.Þessi grein kynnir stöðu quo, núverandi vandamál og þróun mótvægisaðgerða plöntuverksmiðjutækni og iðnaðarþróunar og hlakkar til þróunarþróunar og horfum plöntuverksmiðja í framtíðinni.

1. Núverandi staða tækniþróunar í plöntuverksmiðjum í Kína og erlendis

1.1 Staða erlendrar tækniþróunar

Frá 21. öld hafa rannsóknir plöntuverksmiðja aðallega beinst að því að bæta ljósnýtni, sköpun fjöllaga þrívíddar ræktunarkerfisbúnaðar og rannsóknir og þróun skynsamlegrar stjórnun og eftirlits.Á 21. öldinni hefur nýsköpun LED ljósgjafa í landbúnaði tekið framförum, sem veitir mikilvægan tæknilegan stuðning við beitingu LED orkusparandi ljósgjafa í plöntuverksmiðjum.Chiba háskólinn í Japan hefur gert ýmsar nýjungar í afkastamiklum ljósgjöfum, orkusparandi umhverfisstjórnun og ræktunartækni.Wageningen háskólinn í Hollandi notar uppskeruumhverfishermi og kraftmikla hagræðingartækni til að þróa snjallt búnaðarkerfi fyrir verksmiðjur sem dregur verulega úr rekstrarkostnaði og bætir verulega framleiðni vinnuafls.

Á undanförnum árum hafa plöntuverksmiðjur smám saman áttað sig á hálfsjálfvirkni framleiðsluferla frá sáningu, ræktun græðlinga, ígræðslu og uppskeru.Japan, Holland og Bandaríkin eru í fremstu röð, með mikla vélvæðingu, sjálfvirkni og upplýsingaöflun, og eru að þróast í átt að lóðréttum landbúnaði og mannlausum rekstri.

1.2 Tækniþróunarstaða í Kína

1.2.1 Sérstakur LED ljósgjafi og orkusparandi notkunartæknibúnaður fyrir gerviljós í verksmiðjuverksmiðju

Sérstakir rauðir og bláir LED ljósgjafar til framleiðslu á ýmsum plöntutegundum í plöntuverksmiðjum hafa verið þróaðir hver á eftir öðrum.Aflið er á bilinu 30 til 300 W, og geislunarljósstyrkur er 80 til 500 μmól/(m2•s), sem getur veitt ljósstyrk með viðeigandi þröskuldsviði, ljósgæðabreytum, til að ná fram áhrifum mikillar skilvirkni orkusparnað og aðlögun að þörfum plantnavaxtar og lýsingar.Hvað varðar hitaleiðnistjórnun ljósgjafa, hefur virka hitaleiðnihönnun ljósgjafaviftunnar verið kynnt, sem dregur úr ljóshraða ljósgjafans og tryggir líf ljósgjafans.Að auki er lögð til aðferð til að draga úr hita LED ljósgjafa með næringarefnalausn eða vatnsrás.Hvað varðar rýmisstjórnun ljósgjafa, í samræmi við þróunarlögmál plöntustærðar á ungplöntustigi og síðari stigum, með lóðréttri rýmishreyfingarstjórnun LED ljósgjafa, er hægt að lýsa upp plöntutjaldið í náinni fjarlægð og orkusparnaðarmarkmiðið er náð.Á þessari stundu getur orkunotkun gerviljósaverksmiðju ljósgjafa verið 50% til 60% af heildar rekstrarorkunotkun verksmiðjunnar.Þrátt fyrir að LED geti sparað 50% orku samanborið við flúrperur, þá er enn möguleiki og nauðsyn rannsókna á orkusparnaði og minni notkun.

1.2.2 Fjöllaga þrívíð ræktunartækni og búnaður

Lagabil fjöllaga þrívíddar ræktunar minnkar vegna þess að ljósdíóðan kemur í stað flúrperunnar, sem bætir þrívíð rýmisnýtingarhagkvæmni plönturæktunar.Til eru margar rannsóknir á hönnun botns ræktunarbeðsins.Upphækkuðu rendurnar eru hannaðar til að mynda órólegt flæði, sem getur hjálpað plönturótum að taka upp næringarefni í næringarlausninni jafnt og auka styrk uppleysts súrefnis.Með því að nota landnámsborðið eru tvær landnámsaðferðir, það er plastlandnámsbollarnir af mismunandi stærðum eða landnámshamur svampsins.Rennanlegt ræktunarbeðkerfi hefur litið dagsins ljós og hægt er að ýta gróðursetningarborðinu og plöntunum á því handvirkt frá einum enda til annars og gera sér grein fyrir framleiðsluaðferðinni að gróðursetja í öðrum enda ræktunarbeðsins og uppskera í hinum endanum.Á þessari stundu hefur verið þróuð margs konar þrívídd fjöllaga jarðvegslaus ræktunartækni og búnaður sem byggir á næringarefnavökvafilmutækni og djúpvökvaflæðistækni og tækni og búnaður fyrir undirlagsræktun jarðarbera, úðabrúsaræktun á laufgrænmeti og blómum. hafa sprottið upp.Tæknin sem nefnd er hefur þróast hratt.

1.2.3 Tækni og búnaður fyrir hringrás næringarefnalausna

Eftir að næringarefnalausnin hefur verið notuð í nokkurn tíma er nauðsynlegt að bæta við vatni og steinefnum.Almennt er magn nýgerðrar næringarlausnar og magn sýru-basa lausnar ákvarðað með því að mæla EC og pH.Stórar agnir af seti eða rótarflögnun í næringarlausninni þarf að fjarlægja með síu.Hægt er að fjarlægja rótarlosun í næringarlausninni með ljóshvataaðferðum til að forðast stöðugar hindranir í uppskeru í vatnsræktun, en það er ákveðin áhætta í aðgengi að næringarefnum.

1.2.4 Umhverfiseftirlitstækni og búnaður

Lofthreinleiki framleiðslurýmisins er einn af mikilvægum vísbendingum um loftgæði plöntuverksmiðjunnar.Lofthreinleika (vísbendingar um svifryk og setbakteríur) í framleiðslurými plöntuverksmiðjunnar við kraftmikil skilyrði ætti að vera stjórnað upp að stigi yfir 100.000.Inntak til sótthreinsunar efnis, meðhöndlun á loftsturtu starfsfólks og lofthreinsunarkerfi fyrir ferskt loft (loftsíunarkerfi) eru allt grunnöryggisráðstafanir.Hitastig og raki, styrkur CO2 og loftflæðishraði loftsins í framleiðslurýminu eru annað mikilvægt efni í loftgæðaeftirliti.Samkvæmt skýrslum getur uppsetning búnaðar eins og loftblöndunarkassa, loftrása, loftinntaka og loftúttaka stjórnað hitastigi og rakastigi, CO2 styrk og loftflæðishraða í framleiðslurýminu jafnt og þétt til að ná mikilli staðbundinni einsleitni og mæta þörfum plöntunnar. á mismunandi staðbundnum stöðum.Stýrikerfið fyrir hitastig, rakastig og CO2 styrkleika og ferska loftkerfið eru lífrænt samþætt í hringrásarloftkerfið.Kerfin þrjú þurfa að deila loftrásinni, loftinntakinu og loftúttakinu og veita afl í gegnum viftuna til að átta sig á hringrás loftflæðis, síun og sótthreinsun og uppfærslu og einsleitni loftgæða.Það tryggir að plöntuframleiðslan í plöntuverksmiðjunni sé laus við meindýr og sjúkdóma og ekki er þörf á beitingu skordýraeiturs.Á sama tíma er einsleitni hitastigs, rakastigs, loftflæðis og CO2 styrks vaxtarumhverfisþátta í tjaldhimninum tryggð til að mæta þörfum plantnavaxtar.

2. Þróunarstaða plöntuverksmiðjuiðnaðar

2.1 Staða erlends verksmiðjuiðnaðar

Í Japan eru rannsóknir og þróun og iðnvæðing gerviljósaverksmiðja tiltölulega hröð og þau eru í fremstu röð.Árið 2010 hóf japanska ríkisstjórnin 50 milljarða jena til að styðja við tæknirannsóknir og þróun og sýnikennslu í iðnaði.Átta stofnanir, þar á meðal Chiba University og Japan Plant Factory Research Association, tóku þátt.Japan Future Company tók að sér og rak fyrsta iðnvæðingarsýningarverkefni plöntuverksmiðju með daglega framleiðslu upp á 3.000 plöntur.Árið 2012 var framleiðslukostnaður plöntuverksmiðjunnar 700 jen/kg.Árið 2014 lauk nútíma verksmiðjuverksmiðju í Taga-kastala, Miyagi-héraði, sem varð fyrsta LED-verksmiðja heimsins með daglega framleiðslu upp á 10.000 plöntur.Síðan 2016 hafa LED verksmiðjur farið inn á hraðbraut iðnvæðingar í Japan og jöfnunar- eða arðbær fyrirtæki hafa komið fram hvert af öðru.Árið 2018 birtust stórar verksmiðjur með daglega framleiðslugetu upp á 50.000 til 100.000 plöntur hver á eftir annarri og alþjóðlegu verksmiðjurnar voru að þróast í átt að stórfelldri, faglegri og greindri þróun.Á sama tíma fóru Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power og önnur svið að fjárfesta í verksmiðjum.Árið 2020 mun markaðshlutdeild salats framleitt af japönskum plöntuverksmiðjum vera um 10% af öllum salatmarkaðinum.Af þeim rúmlega 250 gerviljósaverksmiðjum sem nú eru starfræktar eru 20% í tapstigi, 50% eru í jafnvægisstigi og 30% eru á arðbæru stigi, þar sem ræktaðar plöntutegundir s.s. salat, kryddjurtir og plöntur.

Holland er leiðandi í heiminum á sviði samsettrar notkunartækni sólarljóss og gerviljóss fyrir verksmiðjuverksmiðju, með mikla vélvæðingu, sjálfvirkni, upplýsingaöflun og mannleysi og hefur nú flutt út fullt sett af tækni og búnaði eins sterkan vörur til Miðausturlanda, Afríku, Kína og annarra landa.American AeroFarms býlið er staðsett í Newark, New Jersey, Bandaríkjunum, með flatarmál 6500 m2.Þar er aðallega ræktað grænmeti og krydd og er framleiðslan um 900 t/ári.

Lóðrétt búskapur í AeroFarms

Lóðrétt ræktunarverksmiðja Plenty Company í Bandaríkjunum tekur upp LED lýsingu og lóðréttan gróðursetningu ramma með hæð upp á 6 m.Plöntur vaxa frá hliðum gróðurhúsa.Með því að treysta á vökvun þyngdaraflsins þarf þessi gróðursetningaraðferð ekki viðbótardælur og er vatnsnýtnari en hefðbundin búskapur.Plenty heldur því fram að bú hans framleiði 350 sinnum meiri framleiðslu en hefðbundið bú á meðan hann notar aðeins 1% af vatni.

Lóðrétt landbúnaðarverksmiðja, Plenty Company

2.2 Staða verksmiðjuiðnaður í Kína

Árið 2009 var fyrsta framleiðsluverksmiðjan í Kína með skynsamlegri stjórn sem kjarninn byggður og tekinn í notkun í Changchun Agricultural Expo Park.Byggingarsvæðið er 200 m2 og hægt er að fylgjast sjálfkrafa með umhverfisþáttum eins og hitastigi, raka, ljósi, CO2 og næringarefnalausn plöntuverksmiðjunnar í rauntíma til að átta sig á vitrænni stjórnun.

Árið 2010 var Tongzhou plöntuverksmiðjan byggð í Peking.Aðalbyggingin tekur upp einslags létt stálbygging með heildarbyggingarflatarmáli 1289 m2.Það er í laginu eins og flugmóðurskip, sem táknar kínverskan landbúnað sem tekur forystuna í að sigla til fullkomnustu tækni nútíma landbúnaðar.Sjálfvirkur búnaður fyrir sumar starfsemi laufgrænmetisframleiðslu hefur verið þróaður, sem hefur bætt framleiðslu sjálfvirkni og framleiðslu skilvirkni plöntuverksmiðjunnar.Verksmiðjan tekur upp jarðvarmadælukerfi og sólarorkuframleiðslukerfi, sem leysir betur vandamálið við háan rekstrarkostnað fyrir verksmiðjuna.

Innan og utan útsýni yfir Tongzhou Plant Factory

Árið 2013 voru mörg landbúnaðartæknifyrirtæki stofnuð í Yangling Agricultural High-Tech Demonstration Zone, Shaanxi héraði.Flest verksmiðjuverksmiðjurnar sem eru í byggingu og rekstri eru staðsettar í hátæknisýningargörðum í landbúnaði, sem eru aðallega notaðir til vinsælra vísindasýninga og skoðunarferða í frístundum.Vegna virknitakmarkana þeirra er erfitt fyrir þessar vinsælu vísindaverksmiðjur að ná þeirri háu afrakstur og mikilli skilvirkni sem iðnvæðingin krefst, og það verður erfitt fyrir þær að verða almennt form iðnvæðingar í framtíðinni.

Árið 2015 vann stór LED flísframleiðandi í Kína í samvinnu við Grasafræðistofnun Kínversku vísindaakademíunnar til að hefja sameiginlega stofnun plöntuverksmiðjufyrirtækis.Það hefur farið frá ljósatækniiðnaðinum yfir í „ljóslíffræðilega“ iðnaðinn og hefur orðið fordæmi fyrir kínverska LED framleiðendur til að fjárfesta í byggingu verksmiðja í iðnvæðingu.Verksmiðjuverksmiðjan þess hefur skuldbundið sig til að fjárfesta í iðnaði í nýrri ljósmyndalíffræði, sem samþættir vísindarannsóknir, framleiðslu, sýnikennslu, ræktun og aðrar aðgerðir, með skráð hlutafé upp á 100 milljónir júana.Í júní 2016 var þessi plöntuverksmiðja með 3 hæða byggingu sem nær yfir 3.000 m2 svæði og meira en 10.000 m2 ræktunarsvæði fullgerð og tekin í notkun.Í maí 2017 mun dagleg framleiðsla vera 1.500 kg af laufgrænmeti, sem jafngildir 15.000 salatplöntum á dag.

Skoðanir á þessu fyrirtæki

3. Vandamál og mótvægisaðgerðir sem standa frammi fyrir þróun plöntuverksmiðja

3.1 Vandamál

3.1.1 Hár byggingarkostnaður

Plöntuverksmiðjur þurfa að framleiða uppskeru í lokuðu umhverfi.Þess vegna er nauðsynlegt að byggja upp stuðningsverkefni og búnað, þar á meðal ytri viðhaldsmannvirki, loftræstikerfi, gervi ljósgjafa, fjöllaga ræktunarkerfi, hringrás næringarlausna og tölvustýringarkerfi.Byggingarkostnaður er tiltölulega hár.

3.1.2 Hár rekstrarkostnaður

Flestir ljósgjafar sem plöntuverksmiðjur krefjast koma frá LED ljósum, sem eyða miklu rafmagni en veita samsvarandi litróf fyrir vöxt mismunandi ræktunar.Búnaður eins og loftkæling, loftræsting og vatnsdælur í framleiðsluferli verksmiðja nota einnig rafmagn, þannig að rafmagnsreikningar eru gríðarlegur kostnaður.Samkvæmt tölfræði, meðal framleiðslukostnaðar verksmiðja, er raforkukostnaður 29%, launakostnaður 26%, afskriftir fastafjármuna 23%, pökkun og flutningur 12% og framleiðsluefni 10%.

Sundurliðun framleiðslukostnaðar fyrir verksmiðjuverksmiðju

3.1.3 Lítil sjálfvirkni

Verksmiðjan sem nú er notuð hefur lítið sjálfvirkni og ferli eins og ungplöntur, ígræðsla, gróðursetningu á akri og uppskeru krefjast enn handvirkra aðgerða, sem leiðir til mikils launakostnaðar.

3.1.4 Takmarkað afbrigði af ræktun sem hægt er að rækta

Sem stendur eru tegundir ræktunar sem henta fyrir plöntuverksmiðjur mjög takmarkaðar, aðallega grænt laufgrænmeti sem vex hratt, tekur auðveldlega við gervi ljósgjafa og hefur lágt tjaldhiminn.Ekki er hægt að gróðursetja í stórum stíl fyrir flóknar gróðursetningarkröfur (svo sem ræktun sem þarf að fræva, osfrv.).

3.2 Þróunarstefna

Með hliðsjón af þeim vanda sem plöntuverksmiðjuiðnaðurinn stendur frammi fyrir er nauðsynlegt að gera rannsóknir á ýmsum þáttum eins og tækni og rekstri.Til að bregðast við núverandi vandamálum eru mótvægisaðgerðirnar sem hér segir.

(1) Styrkja rannsóknir á vitrænni tækni plöntuverksmiðja og bæta stig öflugrar og fágaðrar stjórnun.Þróun snjöllu stjórnunar- og eftirlitskerfis hjálpar til við að ná fram öflugri og fágaðri stjórnun á verksmiðjum, sem getur dregið verulega úr launakostnaði og sparað vinnuafl.

(2) Þróaðu öflugan og skilvirkan tæknibúnað verksmiðjuverksmiðjunnar til að ná árlegri hágæða og mikilli ávöxtun.Þróun á afkastamikilli ræktunaraðstöðu og búnaði, orkusparandi ljósatækni og búnaði osfrv., Til að bæta greindarstig plöntuverksmiðja, er stuðlað að framkvæmd árlegrar afkastaframleiðslu.

(3) Framkvæma rannsóknir á iðnaðarræktunartækni fyrir plöntur með mikla virðisauka eins og lækningajurtir, heilsugæsluplöntur og sjaldgæft grænmeti, auka tegundir ræktunar sem ræktaðar eru í plöntuverksmiðjum, víkka hagnaðarleiðir og bæta upphafsstað hagnaðar. .

(4) Framkvæma rannsóknir á plöntuverksmiðjum til heimilisnota og viðskipta, auðga tegundir plöntuverksmiðja og ná stöðugri arðsemi með ýmsum aðgerðum.

4. Þróunarþróun og horfur á plöntuverksmiðju

4.1 Tækniþróunarstefna

4.1.1 Vitsmunavæðing í fullu ferli

Byggt á samruna- og tapvarnarbúnaði uppskeru-vélmennakerfisins, háhraða sveigjanlegum og óeyðileggjandi gróðursetningar- og uppskerulokum, dreift fjölvíðu rými nákvæmri staðsetningu og fjölþættum fjölvéla samvinnustýringaraðferðum, og ómönnuð, skilvirk og eyðileggjandi sáning í háhýsum plöntuverksmiðjum - Búa ætti til greindar vélmenni og stuðningsbúnað eins og gróðursetningu-uppskeru-pökkun, þannig að gera sér grein fyrir mannlausri starfsemi alls ferlisins.

4.1.2 Gerðu framleiðslustýringu snjallari

Byggt á viðbragðsmáta vaxtar og þroska ræktunar við ljósgeislun, hitastigi, raka, CO2 styrk, næringarefnastyrk næringarlausnar og EC, ætti að búa til megindlegt líkan af endurgjöf uppskeru-umhverfis.Stofna ætti stefnumótandi kjarnalíkan til að greina á virkan hátt upplýsingar um líf blaðgrænmetis og breytur framleiðsluumhverfis.Einnig ætti að koma á fót kraftmiklu auðkenningargreiningar- og ferlistýringarkerfi umhverfisins á netinu.Búa ætti til fjölvéla samvinnugervigreindar ákvarðanatökukerfi fyrir allt framleiðsluferli lóðréttrar landbúnaðarverksmiðju í miklu magni.

4.1.3 Lítil kolefnisframleiðsla og orkusparnaður

Koma á orkustjórnunarkerfi sem nýtir endurnýjanlega orkugjafa eins og sól og vind til að ljúka orkuflutningi og stjórna orkunotkun til að ná hámarks orkustjórnunarmarkmiðum.Handtaka og endurnýta losun CO2 til að aðstoða við ræktun.

4.1.3 Mikið verðmæti úrvalsyrkja

Taka ætti framkvæmanlegar aðferðir til að rækta mismunandi afbrigði með miklum virðisauka fyrir gróðursetningartilraunir, byggja upp gagnagrunn yfir sérfræðinga í ræktunartækni, stunda rannsóknir á ræktunartækni, þéttleikavali, stubbaskipan, fjölbreytni og aðlögunarhæfni búnaðar og mynda staðlaðar tækniforskriftir fyrir ræktun.

4.2 Uppbyggingarhorfur iðnaðar

Plöntuverksmiðjur geta losað sig við hömlur auðlinda og umhverfis, gert sér grein fyrir iðnvæddri framleiðslu landbúnaðar og laðað til sín nýja kynslóð vinnuafls til að taka þátt í landbúnaðarframleiðslu.Lykiltækninýjungar og iðnvæðing plöntuverksmiðja Kína er að verða leiðandi í heiminum.Með hraðari beitingu LED ljósgjafa, stafrænni, sjálfvirkni og greindri tækni á sviði verksmiðjuverksmiðja munu verksmiðjur laða að meiri fjármagnsfjárfestingu, söfnun hæfileika og notkun nýrrar orku, nýrra efna og nýs búnaðar.Þannig er hægt að ná ítarlegri samþættingu upplýsingatækni og aðstöðu og búnaðar, bæta snjallt og mannlaus stig aðstöðu og búnaðar, draga stöðugt úr orkunotkun kerfisins og rekstrarkostnaði með stöðugri nýsköpun og smám saman. ræktun sérhæfðra markaða, greindar plöntuverksmiðjur munu hefja gullna þróunartímabil.

Samkvæmt markaðsrannsóknarskýrslum er alþjóðleg lóðrétt landbúnaðarmarkaðsstærð árið 2020 aðeins 2,9 milljarðar Bandaríkjadala og búist er við að árið 2025 muni alþjóðlegur lóðréttur búskaparmarkaður ná 30 milljörðum Bandaríkjadala.Í stuttu máli hafa verksmiðjur verksmiðja víðtæka umsóknarhorfur og þróunarrými.

Höfundur: Zengchan Zhou, Weidong, o.fl

Tilvitnunarupplýsingar:Núverandi staða og horfur í þróun plöntuverksmiðjuiðnaðar [J].Landbúnaðarverkfræðitækni, 2022, 42(1): 18-23.eftir Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, o.fl.