Ágrip: Á undanförnum árum, með stöðugri könnun á nútíma landbúnaðartækni, hefur verksmiðjuiðnaðurinn einnig þróast hratt. Þessi grein kynnir stöðuna, núverandi vandamál og mótvægisaðgerðir í tækni verksmiðjunnar og þróun iðnaðarins og horfir til þróunarþróunar og horfur verksmiðjunnar í framtíðinni.

1. Núverandi staða tækniþróunar í verksmiðjum í Kína og erlendis

1.1 Staða tækniþróunar erlendis

Frá 21. öldinni hefur rannsókn á verksmiðjum aðallega beinst að því að bæta ljósnýtni, búa til þrívíddar ræktunarbúnað með mörgum lögum og rannsóknum og þróun á snjallri stjórnun og stýringu. Á 21. öldinni hefur nýsköpun í LED ljósgjöfum í landbúnaði tekið framförum og veitt mikilvægan tæknilegan stuðning við notkun LED orkusparandi ljósgjafa í verksmiðjum. Háskólinn í Chiba í Japan hefur gert fjölda nýjunga í skilvirkum ljósgjöfum, orkusparandi umhverfisstýringu og ræktunartækni. Háskólinn í Wageningen í Hollandi notar umhverfishermun og kraftmikla hagræðingartækni til að þróa snjallt búnaðarkerfi fyrir verksmiðjur, sem dregur verulega úr rekstrarkostnaði og bætir verulega framleiðni vinnuafls.

Á undanförnum árum hafa verksmiðjur smám saman innleitt hálf-sjálfvirkni í framleiðsluferlum, allt frá sáningu, ræktun fræplantna, ígræðslu og uppskeru. Japan, Holland og Bandaríkin eru fremst í flokki, með mikla vélvæðingu, sjálfvirkni og greind, og eru að þróast í átt að lóðréttri landbúnaði og ómönnuðum rekstri.

1.2 Staða tækniþróunar í Kína

1.2.1 Sérhæfð LED ljósgjafa og orkusparandi tæknibúnaður fyrir gerviljós í verksmiðju

Sérstakar rauðar og bláar LED ljósgjafar fyrir framleiðslu á ýmsum plöntutegundum í verksmiðjum hafa verið þróaðar hver á fætur annarri. Aflið er á bilinu 30 til 300 W og ljósstyrkurinn er 80 til 500 μmol/(m2•s), sem getur veitt ljósstyrk með viðeigandi þröskuldsviði og ljósgæðabreytum til að ná fram áhrifum af orkusparnaði með mikilli skilvirkni og aðlögun að þörfum plantnavaxtar og lýsingar. Hvað varðar stjórnun á varmadreifingu ljósgjafans hefur verið kynnt til sögunnar virka varmadreifingarhönnun ljósgjafaviftunnar, sem dregur úr ljósrýrnunarhraða ljósgjafans og tryggir líftíma ljósgjafans. Að auki er lögð til aðferð til að draga úr hita LED ljósgjafans með næringarlausn eða vatnsrás. Hvað varðar stjórnun á rými ljósgjafans, samkvæmt þróunarlögmáli plantnastærðar á plöntustigi og síðar, með stjórnun á lóðréttri rýmishreyfingu LED ljósgjafans, er hægt að lýsa upp plöntutréð úr nálægð og ná orkusparnaðarmarkmiðinu. Eins og er getur orkunotkun gerviljósa í verksmiðjum numið 50% til 60% af heildarorkunotkun verksmiðjunnar. Þó að LED geti sparað 50% orku samanborið við flúrperur, þá er enn möguleiki og nauðsyn á rannsóknum á orkusparnaði og orkunotkunarminnkun.

1.2.2 Tækni og búnaður fyrir þrívíddarræktun með mörgum lögum

Lagabilið í fjöllaga þrívíddarræktun minnkar þar sem LED-ljós koma í stað flúrljósa, sem bætir skilvirkni þrívíddarrýmis í ræktun plantna. Margar rannsóknir hafa verið gerðar á hönnun botns ræktunarbeðsins. Upphækkaðar rendur eru hannaðar til að mynda ókyrrðarflæði, sem getur hjálpað plönturótum að taka upp næringarefni í næringarlausninni jafnt og auka styrk uppleysts súrefnis. Með því að nota landnámsplötuna eru tvær landnámsaðferðir, þ.e. plastlandnámsbollar af mismunandi stærðum eða svampjaðar landnámsstilling. Rennibeðskerfi hefur komið fram og hægt er að ýta gróðursetningarplötunni og plöntunum á henni handvirkt frá öðrum endanum til hins, sem gerir kleift að planta í öðrum enda ræktunarbeðsins og uppskera í hinum endanum. Sem stendur hefur verið þróað fjölbreytt þrívíddar fjöllaga jarðvegslaus ræktunartækni og búnaður byggður á næringarvökvafilmutækni og djúpflæðistækni, og tækni og búnaður fyrir jarðarberjaræktun, úðabrúsaræktun laufgrænmetis og blóma hefur sprottið upp. Þessi tækni hefur þróast hratt.

1.2.3 Tækni og búnaður fyrir dreifingu næringarefnalausna

Eftir að næringarlausnin hefur verið notuð um tíma er nauðsynlegt að bæta við vatni og steinefnum. Almennt er magn nýtilbúinnar næringarlausnar og magn sýru-basa lausnar ákvarðað með því að mæla EC og pH. Stórar agnir af botnfalli eða rótarflögnun í næringarlausninni þarf að fjarlægja með síu. Rótarútskilnaður í næringarlausninni er hægt að fjarlægja með ljósvirkum aðferðum til að forðast stöðuga ræktun í vatnsrækt, en það eru ákveðnar áhættur varðandi næringarefnaframboð.

1.2.4 Tækni og búnaður til umhverfisstjórnunar

Lofthreinleiki í framleiðslurýminu er einn mikilvægasti mælikvarðinn á loftgæði verksmiðjunnar. Lofthreinleiki (vísbendingar um svifagnir og bakteríur sem hafa sest að) í framleiðslurými verksmiðjunnar við breytilegar aðstæður ætti að vera stjórnað yfir 100.000. Sótthreinsun efnis, loftsturta fyrir starfsfólk og hreinsunarkerfi fyrir ferskt loft (loftsíunarkerfi) eru allt grunnöryggisráðstafanir. Hitastig og raki, CO2 styrkur og loftflæðishraði loftsins í framleiðslurýminu eru annar mikilvægur þáttur í loftgæðastjórnun. Samkvæmt skýrslum getur uppsetning búnaðar eins og loftblöndunarkassa, loftstokka, loftinntaka og loftúttaks stjórnað hitastigi og raka, CO2 styrk og loftflæðishraða í framleiðslurýminu jafnt, til að ná mikilli einsleitni í rýminu og mæta þörfum verksmiðjunnar á mismunandi stöðum. Stjórnunarkerfið fyrir hitastig, rakastig og CO2 styrk og ferskt loftkerfi eru náttúrulega samþætt í loftflæðiskerfið. Þessi þrjú kerfi þurfa að deila loftstokkum, loftinntöku og loftúttaki og veita afl í gegnum viftu til að ná fram loftflæði, síun og sótthreinsun og uppfærslu og einsleitni loftgæða. Þetta tryggir að plöntuframleiðslan í verksmiðjunni sé laus við meindýr og sjúkdóma og að engin notkun skordýraeiturs sé nauðsynleg. Á sama tíma er tryggt að hitastig, raki, loftflæði og CO2 styrkur vaxtarumhverfisins í laufskóginum sé einsleitur til að mæta þörfum plantnavaxtar.

2. Þróunarstaða verksmiðjuiðnaðarins

2.1 Staða erlendra verksmiðjuiðnaðar

Í Japan hefur rannsóknir, þróun og iðnvæðing gerviljósaverksmiðja gengið tiltölulega hratt og er í fararbroddi. Árið 2010 veitti japanska ríkisstjórnin 50 milljarða jena til að styðja við tæknirannsóknir, þróun og iðnaðarsýningar. Átta stofnanir, þar á meðal Chiba-háskólinn og Japan Plant Factory Research Association, tóku þátt. Japan Future Company hóf og rak fyrsta iðnvæðingarsýningarverkefnið fyrir verksmiðju með daglega framleiðslu upp á 3.000 plöntur. Árið 2012 var framleiðslukostnaður verksmiðjunnar 700 jen/kg. Árið 2014 var nútímaleg verksmiðjuverksmiðja í Taga-kastala í Miyagi-héraði lokið, sem varð fyrsta LED-verksmiðjan í heimi með daglega framleiðslu upp á 10.000 plöntur. Frá árinu 2016 hafa LED-verksmiðjur komist inn á hraðbraut iðnvæðingar í Japan og fyrirtæki sem náðu jafnvægi eða voru arðbær hafa komið fram hvert á fætur öðru. Árið 2018 komu stórar verksmiðjur með daglega framleiðslugetu upp á 50.000 til 100.000 plöntur fram hver á fætur annarri, og alþjóðlegar verksmiðjur voru að þróast í átt að stórfelldri, faglegri og snjallri þróun. Á sama tíma hófu Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power og fleiri atvinnugreinar að fjárfesta í verksmiðjum. Árið 2020 mun markaðshlutdeild salats sem framleidd er af japönskum verksmiðjum nema um 10% af heildarsalatmarkaðinum. Af þeim meira en 250 verksmiðjum sem framleiða gerviljós og eru nú starfandi eru 20% í taprekstri, 50% í jafnvægisstöðu og 30% eru í arðbæru stigi, þar á meðal ræktaðar plöntutegundir eins og salat, kryddjurtir og plöntur.

Holland er leiðandi í heiminum á sviði samþættrar notkunartækni sólarljóss og gerviljóss fyrir verksmiðjur, með mikilli vélvæðingu, sjálfvirkni, greind og ómannaðri starfsemi, og hefur nú flutt út fullt sett af tækni og búnaði sem öflugar vörur til Mið-Austurlanda, Afríku, Kína og annarra landa. Búgarðurinn American AeroFarms er staðsettur í Newark, New Jersey, Bandaríkjunum, með 6500 fermetra svæði. Þar er aðallega ræktað grænmeti og krydd og framleiðslan er um 900 tonn á ári.

Lóðrétt ræktun í AeroFarms

Lóðrétt ræktunarverksmiðja Plenty Company í Bandaríkjunum notar LED-lýsingu og lóðréttan gróðursetningarramma sem er 6 metra hár. Plönturnar vaxa frá hliðum pottanna. Þessi gróðursetningaraðferð, sem byggir á vökvun með þyngdarafli, krefst ekki viðbótardælna og er vatnssparandi en hefðbundin ræktun. Plenty heldur því fram að býli hans framleiði 350 sinnum meiri framleiðslu en hefðbundið býli en noti aðeins 1% af vatninu.

Lóðrétt ræktunarverksmiðja, Plenty Company

2.2 Staða verksmiðjuiðnaðar í Kína

Árið 2009 var fyrsta framleiðsluverksmiðjan í Kína með snjallstýringu sem kjarna byggð og tekin í notkun í landbúnaðarsýningargarðinum í Changchun. Byggingarflatarmálið er 200 fermetrar og hægt er að fylgjast sjálfkrafa með umhverfisþáttum eins og hitastigi, rakastigi, ljósi, CO2 og næringarefnastyrk verksmiðjunnar í rauntíma til að ná fram snjallri stjórnun.

Árið 2010 var Tongzhou-verksmiðjan byggð í Peking. Aðalbyggingin er úr einlags léttum stálgrind með heildarbyggingarflatarmáli upp á 1289 fermetra. Hún er í laginu eins og flugmóðurskip, sem táknar kínverska landbúnaðinn sem tekur forystu í að stefna að fullkomnustu tækni nútímalandbúnaðar. Sjálfvirkur búnaður hefur verið þróaður fyrir sumar aðgerðir í laufgrænmetisframleiðslu, sem hefur bætt sjálfvirkni framleiðslunnar og skilvirkni verksmiðjunnar. Verksmiðjan notar jarðvarmadælukerfi og sólarorkuframleiðslukerfi, sem leysir betur vandamálið með háum rekstrarkostnaði verksmiðjunnar.

Innan- og utanverðu útsýni yfir verksmiðjuna í Tongzhou

Árið 2013 voru mörg fyrirtæki í landbúnaðartækni stofnuð í Yangling landbúnaðarhátæknisýningarsvæðinu í Shaanxi héraði. Flest verksmiðjuverkefni í byggingu og rekstri eru staðsett í sýningargörðum í hátækni í landbúnaði, sem eru aðallega notaðir til sýnikennslu í vinsælum vísindum og afþreyingar. Vegna takmarkana á virkni þeirra er erfitt fyrir þessar verksmiðjur í vinsælum vísindum að ná þeirri mikilli ávöxtun og skilvirkni sem iðnvæðingin krefst, og það verður erfitt fyrir þær að verða aðalform iðnvæðingar í framtíðinni.

Árið 2015 hóf stór LED-flísframleiðandi í Kína samstarf við Grasafræðistofnun Kínversku vísindaakademíunnar um að hefja sameiginlega stofnun verksmiðjufyrirtækis. Það hefur færst frá ljósfræðilegum iðnaði yfir í „ljóslíffræðilegan“ iðnað og hefur orðið fordæmi fyrir kínverska LED-framleiðendur til að fjárfesta í byggingu verksmiðjuverksmiðja í iðnvæðingu. Verksmiðjan hefur skuldbundið sig til að fjárfesta í iðnaði í vaxandi ljóslíffræði, sem samþættir vísindarannsóknir, framleiðslu, sýnikennslu, ræktun og aðra starfsemi, með skráð hlutafé upp á 100 milljónir júana. Í júní 2016 var þessi verksmiðju með þriggja hæða byggingu sem nær yfir 3.000 fermetra svæði og ræktunarsvæði yfir 10.000 fermetra lokið og tekin í notkun. Í maí 2017 verður dagleg framleiðslustærð 1.500 kg af laufgrænmeti, sem jafngildir 15.000 salatplöntum á dag.

Skoðanir á þessu fyrirtæki

3. Vandamál og mótvægisaðgerðir sem blasa við þróun verksmiðjuverksmiðja

3.1 Vandamál

3.1.1 Hár byggingarkostnaður

Verksmiðjur þurfa að framleiða ræktun í lokuðu umhverfi. Þess vegna er nauðsynlegt að byggja upp stuðningsverkefni og búnað, þar á meðal viðhaldsmannvirki fyrir utan, loftræstikerfi, gerviljósgjafa, fjöllaga ræktunarkerfi, dreifingu næringarefnalausna og tölvustýringarkerfi. Byggingarkostnaðurinn er tiltölulega hár.

3.1.2 Hár rekstrarkostnaður

Flestir ljósgjafar sem verksmiðjur þurfa eru LED ljós, sem neyta mikillar rafmagns en veita samsvarandi litróf fyrir vöxt mismunandi nytjaplantna. Búnaður eins og loftkæling, loftræsting og vatnsdælur í framleiðsluferli verksmiðjunnar neyta einnig rafmagns, þannig að rafmagnsreikningar eru mikill kostnaður. Samkvæmt tölfræði eru rafmagnskostnaður 29%, launakostnaður 26%, afskriftir fastafjármuna 23%, umbúðir og flutningar 12% og framleiðsluefni 10%.

Sundurliðun framleiðslukostnaðar fyrir verksmiðju

3.1.3 Lítil sjálfvirkni

Núverandi verksmiðju er með litla sjálfvirkni og ferli eins og sáning, ígræðslur, sáning á ökrum og uppskera krefjast enn handvirkra aðgerða, sem leiðir til mikils launakostnaðar.

3.1.4 Takmarkaðar tegundir nytjaplantna sem hægt er að rækta

Eins og er eru tegundir nytjaplantna sem henta fyrir verksmiðjur mjög takmarkaðar, aðallega græn laufgrænmeti sem vex hratt, þola auðveldlega gerviljós og hafa lágt laufþak. Stórfelld gróðursetning er ekki möguleg fyrir flóknar gróðursetningarþarfir (eins og plöntur sem þarf að frjóvga o.s.frv.).

3.2 Þróunarstefna

Í ljósi þeirra vandamála sem verksmiðjuiðnaðurinn stendur frammi fyrir er nauðsynlegt að framkvæma rannsóknir frá ýmsum sjónarhornum, svo sem tækni og rekstri. Til að bregðast við núverandi vandamálum eru eftirfarandi mótvægisaðgerðir.

(1) Efla rannsóknir á snjalltækni verksmiðjuverksmiðja og bæta ákafa og fullkomna stjórnun. Þróun snjalls stjórnunar- og eftirlitskerfis hjálpar til við að ná ákafa og fullkomna stjórnun verksmiðjuverksmiðja, sem getur dregið verulega úr launakostnaði og sparað vinnuafl.

(2) Þróa öflugan og skilvirkan tæknibúnað fyrir verksmiðjur til að ná fram árlegri hágæða og mikilli uppskeru. Þróun skilvirkra ræktunaraðstöðu og búnaðar, orkusparandi lýsingartækni og búnaðar o.s.frv., til að bæta greindarstig verksmiðjunnar, stuðlar að árlegri skilvirkri framleiðslu.

(3) Framkvæma rannsóknir á iðnaðarræktunartækni fyrir plöntur með háa verðmætaaukningu, svo sem lækningajurtir, heilsujurtir og sjaldgæfar grænmetisplöntur, auka tegundir nytjaplantna sem ræktaðar eru í verksmiðjum, víkka út hagnaðarleiðir og bæta upphafsstöðu hagnaðar.

(4) Framkvæma rannsóknir á verksmiðjum fyrir heimili og fyrirtæki, auðga tegundir verksmiðjunnar og ná stöðugri arðsemi með ýmsum aðgerðum.

4. Þróunarþróun og horfur verksmiðjunnar

4.1 Tækniþróunarþróun

4.1.1 Heildarferli hugvæðingar

Byggt á vélrænni samruna og tapvarnakerfi uppskeru-vélmennakerfisins, sveigjanlegum og eyðileggjandi endaáhrifum á háhraða sáningu og uppskeru, dreifðri fjölvíddar nákvæmri staðsetningu í rými og fjölþátta samvinnustýringaraðferðum fyrir marga vélar, og ómannaðri, skilvirkri og eyðileggjandi sáningu í háhýsum - ætti að búa til greindar vélmenni og stuðningsbúnað eins og gróðursetningu-uppskeru-pökkun, og þannig átta sig á ómannaðri rekstri alls ferlisins.

4.1.2 Gerðu framleiðslustýringu snjallari

Byggja ætti megindlega líkan af endurgjöf uppskeru og umhverfis á grundvelli viðbragðsferlis vaxtar og þroska við ljósgeislun, hitastigi, rakastigi, CO2 styrk, næringarefnastyrk næringarefnalausnar og EC. Koma ætti á fót stefnumótandi kjarnalíkani til að greina á kraftmikinn hátt upplýsingar um líftíma laufgrænmetis og breytur framleiðsluumhverfis. Einnig ætti að koma á fót kraftmiklu auðkenningar-, greiningar- og ferlastjórnunarkerfi fyrir umhverfið á netinu. Búa ætti til samvinnukerfi fyrir fjölvélar sem byggir á gervigreind fyrir allt framleiðsluferlið í stórum lóðréttum landbúnaðarverksmiðju.

4.1.3 Kolefnislítil framleiðsla og orkusparnaður

Að koma á fót orkustjórnunarkerfi sem nýtir endurnýjanlegar orkugjafa eins og sólar- og vindorku til að ljúka orkuflutningi og stjórna orkunotkun til að ná sem bestum markmiðum um orkustjórnun. Að fanga og endurnýta CO2 losun til að styðja við uppskeru.

4.1.3 Hátt verðmæti úrvalsafbrigða

Beita ætti raunhæfum aðferðum til að rækta mismunandi afbrigði með háu verðmætaaukningu fyrir tilraunir með gróðursetningu, byggja upp gagnagrunn sérfræðinga í ræktunartækni, framkvæma rannsóknir á ræktunartækni, þéttleikavali, stubbaröðun, aðlögunarhæfni afbrigða og búnaðar og móta staðlaðar tæknilegar forskriftir fyrir ræktun.

4.2 Horfur í þróun iðnaðarins

Verksmiðjur geta losnað við takmarkanir auðlinda og umhverfis, innleitt iðnvædda framleiðslu í landbúnaði og laðað að nýja kynslóð vinnuafls til að taka þátt í landbúnaðarframleiðslu. Lykilatriði í tækninýjungum og iðnvæðingu kínversku verksmiðjanna er að verða leiðandi í heiminum. Með hraðari notkun LED ljósgjafa, stafrænni umbreytingu, sjálfvirkni og snjalltækni á sviði verksmiðja munu verksmiðjur laða að meiri fjárfestingar, hæfileikasöfnun og notkun nýrrar orku, nýrra efna og nýs búnaðar. Á þennan hátt er hægt að ná fram ítarlegri samþættingu upplýsingatækni og aðstöðu og búnaðar, bæta snjallt og ómönnuð stig aðstöðu og búnaðar, stöðugt draga úr orkunotkun kerfa og rekstrarkostnaði með stöðugri nýsköpun og smám saman ræktun sérhæfðra markaða. Snjallar verksmiðjur munu marka gullna þróunartímabilið.

Samkvæmt markaðsrannsóknum var heimsmarkaðurinn fyrir lóðrétta ræktun aðeins 2,9 milljarðar Bandaríkjadala árið 2020 og gert er ráð fyrir að hann muni ná 30 milljörðum Bandaríkjadala árið 2025. Í stuttu máli hafa verksmiðjur víðtæka möguleika á notkun og þróun.

Höfundur: Zengchan Zhou, Weidong, o.fl

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