Ágrip: Undanfarin ár, með stöðugri könnun á nútíma landbúnaðartækni, hefur plöntuverksmiðjuiðnaðurinn einnig þróast hratt. Í þessari grein er kynnt stöðu quo, núverandi vandamál og þróunaraðgerðir á verksmiðjutækni og þróun iðnaðar og hlakkar til þróunarþróunar og horfur á plöntuverksmiðjum í framtíðinni.

1. Núverandi staða tækniþróunar í plöntuverksmiðjum í Kína og erlendis

1.1 Staða quo í erlendri tækniþróun

Frá 21. öld hafa rannsóknir plöntuverksmiðja aðallega beinst að því að bæta ljós skilvirkni, sköpun fjöllags þrívíddar ræktunarkerfi og rannsóknir og þróun greindrar stjórnunar og eftirlits. Á 21. öld hefur nýsköpun LED ljósgjafa landbúnaðarins náð framförum og veitt mikilvæga tæknilega aðstoð við beitingu LED orkusparandi ljósgjafa í plöntuverksmiðjum. Chiba háskólinn í Japan hefur gert fjölda nýjunga í hágæða ljósgjafa, orkusparandi umhverfisstjórnun og ræktunartækni. Wageningen háskólinn í Hollandi notar uppgerð uppskeru og umhverfis og kraftmikla hagræðingartækni til að þróa greindur búnaðarkerfi fyrir verksmiðjur, sem dregur mjög úr rekstrarkostnaði og bætir verulega framleiðni vinnuafls.

Undanfarin ár hafa plöntuverksmiðjur smám saman gert sér grein fyrir hálfsjálfvirkri framleiðsluferlum frá sáningu, ungplöntuuppeldi, ígræðslu og uppskeru. Japan, Holland og Bandaríkin eru í fararbroddi, með mikla vélvæðingu, sjálfvirkni og upplýsingaöflun og eru að þróa í átt að lóðréttum landbúnaði og ómannaðri rekstri.

1.2 Staða tækniþróunar í Kína

1.2.1 Sérhæfð LED ljósgjafa og orkusparandi tæknibúnað fyrir gervi ljós í plöntuverksmiðju

Sérstakir rauðir og bláir LED ljósgjafar til framleiðslu á ýmsum plöntutegundum í plöntuverksmiðjum hafa verið þróaðar hver á fætur annarri. Krafturinn er á bilinu 30 til 300 W, og ljósstyrkur geislunar er 80 til 500 μmól/(m2 • s), sem getur veitt ljósstyrk með viðeigandi þröskuldasviði, ljósgæðabreytum, til að ná fram áhrifum af mikilli skilvirkni orkusparnaður og aðlagast þörfum plantna vaxtar og lýsingar. Hvað varðar stjórnun ljósgjafa um hitadreifingu hefur virka hitadreifing hönnunar ljósgjafans verið kynnt, sem dregur úr ljós rotnun ljósgjafa og tryggir líf ljósgjafans. Að auki er lagt til aðferð til að draga úr hitanum á LED ljósgjafa í gegnum næringarlausn eða vatnsrás. Hvað varðar geimstjórnun ljósgjafa, samkvæmt þróunarlögum plöntustærðar í ungplöntustiginu og seinna stigi, í gegnum lóðrétta geimhreyfingu LED ljósgjafa, er hægt að lýsa plöntuhylkinu í náinni fjarlægð og orkusparandi markmiðið er náð. Sem stendur getur orkunotkun gervi ljósverksmiðju ljósgjafa verið 50% til 60% af heildar rekstrarorkunotkun plöntuverksmiðjunnar. Þrátt fyrir að LED geti sparað 50% orku samanborið við flúrperur, þá er enn möguleiki og nauðsyn rannsókna á orkusparnað og minnkun neyslu.

1.2.2 Multi-lag þrívíddar ræktunartækni og búnaður

Lag bilið í þrívíddar ræktun fjöllagsins er minnkað vegna þess að LED kemur í stað flúrljómsins, sem bætir þrívíddarrýmisnýtingarvirkni plöntu ræktunarinnar. Það eru margar rannsóknir á hönnun botns í ræktunarrúminu. Hækkuðu röndin eru hönnuð til að búa til ólgandi flæði, sem getur hjálpað til við að planta rætur til að taka upp næringarefni í næringarlausninni jafnt og auka styrk uppleysts súrefnis. Með því að nota nýlenduborðið eru tvær nýlenduaðferðir, það er að segja að plastbólgubollarnar í mismunandi stærðum eða svampað jaðarlöndunarstilling. Rennanlegt ræktunarrúmskerfi hefur birst og gróðursetningarborðið og plönturnar á því er hægt að ýta handvirkt frá einum enda til annars og gera sér grein fyrir framleiðsluháttum gróðursetningar í öðrum enda ræktunarrúmsins og uppskera í hinum endanum. Sem stendur hefur verið þróað margs konar þrívíddar fjölskiptandi menningartækni og búnaður sem byggist á næringarvökvakvikmyndatækni og djúpri vökvaflæðistækni og tækni og búnaður til undirlags ræktunar jarðarberja, úðabrúsa ræktun laufgrænmetis og blóm hafa sprottið upp. Tæknin sem nefnd er hefur þróast hratt.

1.2.3 Tækni og búnaður í næringarefni lausnar

Eftir að næringarlausnin hefur verið notuð um tíma er nauðsynlegt að bæta við vatni og steinefni. Almennt er magn nýútbúinna næringarlausnar og magn sýru-base lausnar ákvarðað með því að mæla EB og pH. Fjarlægja þarf stórar agnir af seti eða rótum í næringarlausninni með síu. Rót exudates í næringarlausninni er hægt að fjarlægja með ljósritunaraðferðum til að forðast stöðugar uppskerur hindranir í vatnsaflsfræði, en það er ákveðin áhætta á framboði næringarefna.

1.2.4 Umhverfiseftirlitstækni og búnaður

Loftþráður framleiðslurýmisins er einn af mikilvægum vísbendingum um loftgæði plöntuverksmiðjunnar. Lofthreinsi (vísbendingar um sviflausnar agnir og byggðar bakteríur) í framleiðslurými plöntuverksmiðjunnar við kraftmiklar aðstæður skal stjórnað að stigi yfir 100.000. Efni sótthreinsunarinntak, komandi loftsturtumeðferð og lofthreinsunarkerfi fyrir ferskt loft (loftsíunarkerfi) eru öll grunnvarnar. Hitastig og rakastig, CO2 styrkur og loftstreymishraði loftsins í framleiðslurýminu eru annað mikilvægt innihald loftgæðaeftirlits. Samkvæmt skýrslum getur það að setja upp búnað eins og loftblöndunarkassa, loftrásir, loftinntak og loftstungur stjórnað jafnt hitastigi og rakastigi, CO2 styrk og loftstreymishraða í framleiðslurýminu, svo að ná háum staðbundnum einsleitni og mæta þörfum plantnaþarfa í plöntuþörfum á mismunandi staðbundnum stöðum. Hitastig, rakastig og CO2 styrkstýringarkerfi og ferskt loftkerfið eru lífrænt samþætt í loftkerfið. Kerfin þrjú þurfa að deila loftrásinni, loftinntakinu og loftrásinni og veita kraft í gegnum viftuna til að átta sig á dreifingu loftflæðis, síun og sótthreinsun og uppfærslu og einsleitni loftgæða. Það tryggir að plöntuframleiðslan í plöntuverksmiðjunni er laus við meindýr og sjúkdóma og engin skordýraeitur er nauðsynleg. Á sama tíma er tryggt að einsleitni hitastigs, rakastigs, loftstreymis og CO2 styrkur vaxtarumhverfisþátta í tjaldhiminn sé að mæta þörfum vaxtar plantna.

2. Þróunarstaða plöntuverksmiðjuiðnaðar

2.1 Staða quo erlendra verksmiðjuiðnaðar

Í Japan eru rannsóknir og þróun og iðnvæðing gervilegra verksmiðja tiltölulega hraðar og þær eru á leiðandi stigi. Árið 2010 hóf japanska ríkisstjórnin 50 milljarða jen til að styðja við tækni rannsóknir og þróun og iðnaðarsýningu. Átta stofnanir, þar á meðal Chiba University og Japan Plant Factory Research Association. Framtíðarfyrirtæki í Japan tók að sér og starfrækti fyrsta iðnvæðingarverkefni plöntuverksmiðju með daglega afköst 3.000 plöntur. Árið 2012 var framleiðslukostnaður plöntuverksmiðjunnar 700 jen/kg. Árið 2014 var Modern Factory Plant Factory í Taga Castle, Miyagi héraðinu lokið og varð fyrsta LED plöntuverksmiðja heims með daglega afköst 10.000 plöntur. Frá árinu 2016 hafa LED plöntuverksmiðjur farið inn í hraðbraut iðnvæðingarinnar í Japan og jöfn eða arðbær fyrirtæki hafa komið fram á fætur öðru. Árið 2018 birtust stórfelldar plöntuverksmiðjur með daglega framleiðslu getu 50.000 til 100.000 plöntur hver á fætur annarri og alþjóðlegu plöntuverksmiðjurnar voru að þróast í stórum stíl, faglegri og greindri þróun. Á sama tíma fóru raforku í Tókýó, Okinawa raforku og öðrum sviðum að fjárfesta í plöntuverksmiðjum. Árið 2020 mun markaðshlutdeild salats sem framleidd er af japönskum plöntuverksmiðjum um 10% af öllum salatmarkaðnum. Meðal meira en 250 gervi ljósgerðarverksmiðja sem nú eru í rekstri eru 20% á tapsstigi, 50% eru á jöfnu stigi og 30% eru á arðbærum stigi, sem felur í sér ræktaðar plöntutegundir eins og Salat, kryddjurtir og plöntur.

Holland er raunverulegur leiðandi á sviði sameinaðrar notkunartækni sólarljóss og gervi ljóss fyrir plöntuverksmiðju, með mikilli vélvæðingu, sjálfvirkni, greind og ómannlegri og hefur nú flutt út fullt sett af tækni og búnaði sem sterkum Vörur til Miðausturlanda, Afríku, Kína og annarra landa. American Aerofarms Farm er staðsett í Newark, New Jersey, Bandaríkjunum, með svæði 6500 m2. Það vex aðallega grænmeti og krydd og framleiðslan er um 900 t/ár.

Lóðrétt búskapur í Aerofarms

Lóðrétt búskaparverksmiðja nóg fyrirtæki í Bandaríkjunum samþykkir LED lýsingu og lóðréttan gróðursetningarramma með 6 m hæð. Plöntur vaxa frá hliðum planters. Með því að treysta á þyngdaraflsvökva þarf þessi gróðursetning ekki viðbótardælur og er vatnsvirkari en hefðbundinn búskapur. Nóg fullyrðir að bær hans framleiði 350 sinnum afköst hefðbundins bús meðan hann notar aðeins 1% af vatninu.

Lóðrétt búskaparverksmiðja, nóg fyrirtæki

2.2 Staða verksmiðjuiðnaður í Kína

Árið 2009 var fyrsta framleiðsluverksmiðjuverksmiðjan í Kína með greind stjórn þegar kjarninn var byggður og tekinn í notkun í Changchun Agricultural Expo Park. Byggingarsvæðið er 200 m2 og umhverfisþættir eins og hitastig, rakastig, ljós, CO2 og næringarlausn lausnar plöntuverksmiðjunnar er hægt að fylgjast sjálfkrafa í rauntíma til að átta sig á greindri stjórnun.

Árið 2010 byggði Tongzhou plöntuverksmiðjan í Peking. Aðalskipulagið samþykkir eins lag ljósstálbyggingar með samtals byggingarsvæði 1289 m2. Það er í laginu eins og flugvélafyrirtæki og táknar kínverskan landbúnað sem tekur forystu við að sigla fullkomnustu tækni nútíma landbúnaðar. Sjálfvirkur búnaður fyrir suma rekstur laufgrænmetisframleiðslu hefur verið þróaður, sem hefur bætt sjálfvirkni framleiðslu og framleiðsluvirkni plöntuverksmiðjunnar. Plöntuverksmiðjan samþykkir hitadælukerfi á jörðu niðri og sólarorkuframleiðslukerfi, sem leysir betur vandamálið með miklum rekstrarkostnaði fyrir plöntuverksmiðjuna.

Innan og utan útsýni yfir plöntuverksmiðju Tongzhou

Árið 2013 voru mörg landbúnaðartæknifyrirtæki stofnuð í Yangling Agricultural High-Tech sýningarsvæði, Shaanxi Province. Flest verksmiðjuverkefni í smíðum og rekstri eru staðsett í sýningargörðum í landbúnaði, sem aðallega eru notaðir til vinsælra vísinda og tómstunda skoðunarferða. Vegna starfhæfra takmarkana þeirra er erfitt fyrir þessar vinsælustu verksmiðjur Vísindaverksmiðja að ná mikilli ávöxtun og mikilli skilvirkni sem iðnvæðingin þarfnast og það verður erfitt fyrir þá að verða almennur iðnvæðing í framtíðinni.

Árið 2015 starfaði meiriháttar LED flísframleiðandi í Kína við Institute of Botany of the Chinese Academy of Sciences til að hefja sameiginlega stofnun plöntuverksmiðjufyrirtækis. Það hefur farið frá optoelectronic iðnaði í „ljósmyndafræðilega“ iðnaðinn og hefur orðið fordæmi fyrir kínverska LED framleiðendur til að fjárfesta í smíði plöntuverksmiðja í iðnvæðingu. Plöntuverksmiðja þess leggur áherslu á að gera iðnaðarfjárfestingu í nýjum ljósmyndafræði, sem samþættir vísindarannsóknir, framleiðslu, sýningu, ræktun og aðrar aðgerðir, með skráðu fjármagni 100 milljóna Yuan. Í júní 2016 var þessi plöntuverksmiðja með 3 hæða byggingu sem nær yfir 3.000 m2 svæði og ræktunarsvæði upp á meira en 10.000 m2 og tekin í notkun. Í maí 2017 verður Daily Production Scale 1.500 kg af laufgrænu grænmeti, 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 ræktun í lokuðu umhverfi. Þess vegna er nauðsynlegt að byggja upp stuðningsverkefni og búnað, þ.mt ytri viðhaldsskipulag, loftkælingarkerfi, gervi ljósgjafa, fjölskip ræktunarkerfi, blóðrás næringarefna og tölvustýringarkerfi. Byggingarkostnaður er tiltölulega mikill.

3.1.2 Hátt reksturskostnaður

Flestar ljósgjafar sem krafist er af plöntuverksmiðjum koma frá LED ljósum, sem neyta mikið af rafmagni en veita samsvarandi litróf fyrir vöxt mismunandi ræktunar. Búnaður eins og loftkæling, loftræsting og vatnsdælur í framleiðsluferli plöntuverksmiðja neyta einnig rafmagns, þannig að rafmagnsreikningar eru gríðarlegur kostnaður. Samkvæmt tölfræði, meðal framleiðslukostnaðar verksmiðja, er raforkukostnaður 29%, launakostnaður er 26%, með afskriftir fasteigna eru 23%, umbúðir og flutninga eru 12%og framleiðsluefni eru 10%.

Sundurliðun framleiðslukostnaðar fyrir plöntuverksmiðju

3.1.3 Lágt sjálfvirkni

Plöntuverksmiðjan sem nú er beitt hefur lítið sjálfvirkni og ferlar eins og ungplöntur, ígræðsla, gróðursetning á sviði og uppskeru þurfa enn handvirkar aðgerðir, sem leiðir til mikils launakostnaðar.

3.1.4 Takmörkuð afbrigði af ræktun sem hægt er að rækta

Sem stendur eru tegundir ræktunar sem henta fyrir plöntuverksmiðjur mjög takmarkaðar, aðallega grænt laufgrænmeti sem vaxa hratt, taka auðveldlega við gervi ljósgjafa og hafa litla tjaldhiminn. Ekki er hægt að framkvæma stórfellda gróðursetningu fyrir flóknar gróðursetningarkröfur (svo sem ræktun sem þarf að fræva osfrv.).

3.2 Þróunarstefna

Með hliðsjón af þeim vandamálum sem plöntuverksmiðjuiðnaðurinn stendur frammi fyrir er nauðsynlegt að framkvæma rannsóknir frá ýmsum þáttum eins og tækni og rekstri. Til að bregðast við núverandi vandamálum eru mótvægisaðgerðirnar eftirfarandi.

(1) Styrkja rannsóknir á greindri tækni plöntuverksmiðja og bæta stig ákafrar og fágaðrar stjórnunar. Þróun greindrar stjórnunar- og stjórnunarkerfi hjálpar til við að ná fram mikilli og fágaðri stjórnun verksmiðja, sem getur dregið mjög úr launakostnaði og sparað vinnuafl.

(2) Þróa mikinn og skilvirkan tæknilega búnað fyrir plöntuverksmiðju til að ná fram árlegum hágæða og háum ávöxtunarkröfu. Þróun á hágæða ræktunaraðstöðu og búnaði, orkusparandi lýsingartækni og búnaði osfrv. Til að bæta gáfað stig plöntuverksmiðja, er til þess fallin að átta sig á árlegri hagkvæmni framleiðslu.

(3) Framkvæma rannsóknir á iðnaðar ræktunartækni fyrir plöntur með háu gildi eins og lyfjameðferð, heilsugæslustöðvum og sjaldgæft grænmeti, auka tegund ræktunar sem er ræktað í plöntuverksmiðjum, víkka hagnaðarrásir og bæta upphafshagnað .

(4) Framkvæma rannsóknir á plöntuverksmiðjum til notkunar heimilanna og í atvinnuskyni, auðga tegundir plöntuverksmiðja og ná stöðugri arðsemi með ýmsum aðgerðum.

4.. Þróunarþróun og horfur á plöntuverksmiðju

4.1 Þróun tækni

4.1.1 Í fullri vinnslu

Byggt á vél-list samruna og tjónsforvarnarbúnaði uppskerukerfisins, háhraða sveigjanleg og ódrepandi gróðursetning og uppskeru endaverkanir, dreift fjölvíddarrými nákvæm staðsetning og fjöl-mótaðar fjölvélar samvinnuaðferðir, og ómannað, skilvirk og ekki eyðileggjandi sáning í háhýsi plöntuverksmiðja-Greindar vélmenni og stuðningsbúnaður eins og gróðursetningar á uppskeru-pökkun ættu vera búin til og átta sig þannig á ómannaðri rekstri alls ferilsins.

4.1.2 Gerðu framleiðslustýringu snjallari

Byggt á svörunarbúnaði vaxtar og þroska ræktunar við ljósgeislun, hitastig, rakastig, CO2 styrk, næringarstyrk næringarlausnar og EB ætti að smíða megindlegt líkan af endurgjöf uppskeru og umhverfis. Koma skal á stefnumótandi kjarna líkan til að greina með virkum tímabundnum grænmetisupplýsingum og framleiðsluumhverfi. Einnig ætti að staðfesta kraftmikla greiningargreiningu og ferli eftirlitskerfi umhverfisins. Búa skal til að búa til fjögurra vélar samvinnu til gervigreindar ákvarðanatöku fyrir allt framleiðsluferlið á háum magni lóðréttri landbúnaðarverksmiðju.

4.1.3 Lítil kolefnisframleiðsla og orkusparnaður

Að koma á orkustjórnunarkerfi sem notar endurnýjanlega orkugjafa eins og sól og vind til að ljúka raforkuflutningi og stjórna orkunotkun til að ná fram sem bestum markmiðum um orkustjórnun. Að ná og endurnýta losun CO2 til að hjálpa til við uppskeru.

4.1.3 Hátt gildi úrvalsafbrigða

Gera skal framkvæmanlegar aðferðir til að rækta mismunandi afbrigði af háum verðmætum til að gróðursetja tilraunir, byggja upp gagnagrunn yfir sérfræðinga í ræktun tækni, framkvæma rannsóknir á ræktunartækni, val á þéttleika, stubb fyrirkomulagi, aðlögunarhæfni og búnaði og mynda staðlaðar ræktunartækni.

4.2 Horfur í iðnaði

Plöntuverksmiðjur geta losnað við þvingun auðlinda og umhverfis, gert sér grein fyrir iðnvæddri framleiðslu landbúnaðarins og laðað að sér nýja kynslóð vinnuafls til að stunda landbúnaðarframleiðslu. Helstu tækninýjungar og iðnvæðing plöntuverksmiðja Kína er að verða leiðandi í heiminum. Með hraðari beitingu LED ljósgjafa, stafrænnar, sjálfvirkni og greindrar tækni á sviði plöntuverksmiðja munu plöntuverksmiðjur laða að meiri fjármagnsfjárfestingu, hæfileikasöfnun og notkun fleiri nýrrar orku, nýrra efna og nýs búnaðar. Á þennan hátt er hægt að gera ítarlega samþættingu upplýsingatækni og aðstöðu og búnaðar, hægt er að bæta gáfaðan og ómannað stig aðstöðu og búnaðar, stöðugri minnkun á orkunotkun kerfisins og rekstrarkostnað með stöðugri nýsköpun og smám saman Ræktun sérhæfðra markaða, greindar plöntuverksmiðjur munu koma á gullnu tímabili þróunar.

Samkvæmt markaðsrannsóknarskýrslum er heimsmarkaðsstærð heimsins árið 2020 aðeins 2,9 milljarðar Bandaríkjadala og er búist við að árið 2025 muni lóðrétt markaðsstærð heimsins verða 30 milljarðar Bandaríkjadala. Í stuttu máli hafa plöntuverksmiðjur víðtækar notkunarhorfur og þróunarrými.

Höfundur: Zengchan Zhou, Weidong osfrv

Tilvitnunarupplýsingar:Núverandi ástand og horfur á þróun verksmiðju verksmiðju [J]. Landbúnaðarverkfræði tækni, 2022, 42 (1): 18-23.eftir Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, o.fl.