Abstrakt: V posledních letech se s neustálým zkoumáním moderní zemědělské techniky rychle rozvíjí také průmysl rostlinných továren.Tento dokument představuje současný stav, stávající problémy a vývojová protiopatření technologie závodů a rozvoje průmyslu a očekává vývojový trend a perspektivu závodů v budoucnu.

1. Současný stav vývoje technologií v závodech v Číně a zahraničí

1.1 Současný stav zahraničního technologického rozvoje

Od 21. století se výzkum rostlinných továren soustředil především na zlepšení světelné účinnosti, vytvoření zařízení vícevrstvého trojrozměrného kultivačního systému a výzkum a vývoj inteligentního řízení a řízení.Ve 21. století zaznamenala inovace zemědělských LED světelných zdrojů pokrok a poskytla důležitou technickou podporu pro aplikaci energeticky úsporných světelných zdrojů LED v továrnách.Univerzita Chiba v Japonsku provedla řadu inovací v oblasti vysoce účinných světelných zdrojů, energeticky úsporné kontroly životního prostředí a kultivačních technik.Univerzita Wageningen v Nizozemsku využívá simulaci prostředí plodin a technologii dynamické optimalizace k vývoji inteligentního systému zařízení pro továrny, který výrazně snižuje provozní náklady a výrazně zlepšuje produktivitu práce.

Rostlinné závody v posledních letech postupně realizovaly poloautomatizaci výrobních procesů od setí, pěstování sazenic, přesazování až po sklizeň.Japonsko, Holandsko a Spojené státy jsou na špici s vysokým stupněm mechanizace, automatizace a inteligence a vyvíjejí se směrem k vertikálnímu zemědělství a bezpilotnímu provozu.

1.2 Stav technologického rozvoje v Číně

1.2.1 Specializd LED světelný zdroj a energeticky úsporné aplikační technologické zařízení pro umělé osvětlení v továrně

Jeden po druhém byly vyvíjeny speciální červené a modré LED světelné zdroje pro produkci různých rostlinných druhů v rostlinných továrnách.Výkon se pohybuje od 30 do 300 W a intenzita ozařovacího světla je 80 až 500 μmol/(m2•s), což může poskytnout intenzitu světla s odpovídajícím prahovým rozsahem, parametry kvality světla, pro dosažení efektu vysoké účinnosti. úspora energie a přizpůsobení se potřebám růstu rostlin a osvětlení.Z hlediska řízení odvodu tepla světelného zdroje byla zavedena konstrukce aktivního odvodu tepla ventilátoru světelného zdroje, která snižuje rychlost rozpadu světla světelného zdroje a zajišťuje životnost světelného zdroje.Kromě toho je navržen způsob snížení tepla světelného zdroje LED prostřednictvím živného roztoku nebo cirkulace vody.Pokud jde o správu prostoru světelného zdroje, podle evolučního zákona o velikosti rostlin ve fázi sazenice a pozdější fázi, prostřednictvím řízení vertikálního pohybu prostoru světelného zdroje LED, může být vrchlík rostliny osvětlen na krátkou vzdálenost a cílem úspory energie je dosaženo.V současné době může spotřeba energie umělého osvětlení továrního světelného zdroje tvořit 50 % až 60 % celkové provozní spotřeby energie závodu.Přestože LED může ušetřit 50 % energie ve srovnání se zářivkami, stále existuje potenciál a nutnost výzkumu úspor energie a snížení spotřeby.

1.2.2 Technologie a zařízení vícevrstvého trojrozměrného pěstování

Mezera mezi vrstvami u vícevrstvého trojrozměrného pěstování je zmenšena, protože LED nahrazuje zářivku, což zlepšuje efektivitu trojrozměrného využití prostoru při pěstování rostlin.Existuje mnoho studií o provedení dna pěstebního záhonu.Vyvýšené pruhy jsou navrženy tak, aby vytvářely turbulentní proudění, což může pomoci kořenům rostlin rovnoměrně absorbovat živiny v živném roztoku a zvýšit koncentraci rozpuštěného kyslíku.Pomocí kolonizační desky existují dva způsoby kolonizace, to znamená plastové kolonizační kelímky různých velikostí nebo režim kolonizace po obvodu houby.Objevil se posuvný systém kultivačního záhonu a sázecí deska a rostliny na ní mohou být ručně posunuty z jednoho konce na druhý, čímž se realizuje produkční režim sázení na jednom konci kultivačního záhonu a sklizeň na druhém konci.V současné době byly vyvinuty různé trojrozměrné vícevrstvé kultivační technologie a zařízení založené na technologii živinového tekutého filmu a technologii hlubokého proudění kapaliny a technologie a zařízení pro substrátové pěstování jahod, aerosolové pěstování listové zeleniny a květin se objevily.Zmíněná technologie se rychle vyvíjela.

1.2.3 Technologie a zařízení cirkulace živného roztoku

Po určité době užívání živného roztoku je nutné přidat vodu a minerální prvky.Obecně se množství nově připraveného živného roztoku a množství acidobazického roztoku stanoví měřením EC a pH.Velké částice sedimentu nebo exfoliace kořenů v živném roztoku je třeba odstranit filtrem.Kořenové exsudáty v živném roztoku mohou být odstraněny fotokatalytickými metodami, aby se zabránilo neustálým překážkám v ořezávání v hydroponii, ale existují určitá rizika v dostupnosti živin.

1.2.4 Technologie a zařízení pro kontrolu prostředí

Čistota vzduchu výrobních prostor je jedním z důležitých ukazatelů kvality ovzduší závodu.Čistota vzduchu (ukazatele suspendovaných částic a usazených bakterií) ve výrobním prostoru závodu v dynamických podmínkách by měla být řízena na úroveň nad 100 000.Vstup dezinfekce materiálu, úprava vzduchové sprchy příchozího personálu a systém čištění vzduchu s cirkulací čerstvého vzduchu (systém filtrace vzduchu) jsou základními zárukami.Dalším důležitým obsahem kontroly kvality vzduchu je teplota a vlhkost, koncentrace CO2 a rychlost proudění vzduchu ve výrobním prostoru.Podle zpráv může nastavení zařízení, jako jsou směšovací boxy, vzduchové kanály, přívody vzduchu a výstupy vzduchu, rovnoměrně řídit teplotu a vlhkost, koncentraci CO2 a rychlost proudění vzduchu ve výrobním prostoru, aby bylo dosaženo vysoké prostorové rovnoměrnosti a splnění potřeb závodu. v různých prostorových umístěních.Systém řízení teploty, vlhkosti a koncentrace CO2 a systém čerstvého vzduchu jsou organicky integrovány do systému cirkulace vzduchu.Tyto tři systémy potřebují sdílet vzduchové potrubí, vstup a výstup vzduchu a poskytovat energii přes ventilátor, aby bylo možné realizovat cirkulaci proudění vzduchu, filtraci a dezinfekci a aktualizaci a rovnoměrnost kvality vzduchu.Zajišťuje, že rostlinná výroba v továrně je bez škůdců a chorob a není vyžadována aplikace pesticidů.Zároveň je zaručeno, že rovnoměrnost teploty, vlhkosti, proudění vzduchu a koncentrace CO2 prvků růstového prostředí v zápoji odpovídá potřebám růstu rostlin.

2. Stav rozvoje rostlinného továrního průmyslu

2.1 Status quo zahraničního továrního průmyslu

V Japonsku je výzkum, vývoj a industrializace továren na umělé osvětlení poměrně rychlé a jsou na špičkové úrovni.V roce 2010 japonská vláda spustila 50 miliard jenů na podporu technologického výzkumu a vývoje a průmyslové demonstrace.Zúčastnilo se osm institucí včetně Chiba University a Japan Plant Factory Research Association.Společnost Japan Future Company se ujala a provozovala první ukázkový projekt industrializace továrny na továrnu s denním výkonem 3 000 rostlin.V roce 2012 byly výrobní náklady závodu 700 jenů/kg.V roce 2014 byla dokončena moderní tovární továrna v zámku Taga v prefektuře Miyagi, která se stala první továrnou na výrobu LED na světě s denním výkonem 10 000 rostlin.Od roku 2016 vstoupily továrny na výrobu LED diod v Japonsku do rychlého pruhu industrializace a jeden po druhém se objevovaly podniky, které dosahují rentability nebo ziskové.V roce 2018 se jedna po druhé objevily velké závody s denní výrobní kapacitou 50 000 až 100 000 závodů a globální závody se rozvíjely směrem k rozsáhlému, profesionálnímu a inteligentnímu rozvoji.Ve stejné době začaly do továren investovat Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power a další obory.V roce 2020 bude tržní podíl hlávkového salátu produkovaného japonskými rostlinnými továrnami činit asi 10 % celého trhu hlávkového salátu.Z více než 250 závodů na umělé osvětlení, které jsou v současné době v provozu, je 20 % ve ztrátovém stadiu, 50 % je na úrovni zvratu a 30 % je v ziskovém stadiu, zahrnujícím pěstované druhy rostlin, jako např. hlávkový salát, bylinky a sazenice.

Nizozemsko je skutečným světovým lídrem v oblasti kombinované aplikační technologie solárního světla a umělého světla pro továrnu na továrny s vysokým stupněm mechanizace, automatizace, inteligence a bezobslužnosti a nyní vyvezlo celou sadu technologií a zařízení tak silné produkty na Střední východ, do Afriky, Číny a dalších zemí.Americká farma AeroFarms se nachází v Newarku, New Jersey, USA, o rozloze 6500 m2.Pěstuje především zeleninu a koření a výkon je cca 900 t/rok.

Vertikální hospodaření v AeroFarms

Továrna na vertikální zemědělské závody společnosti Plenty Company ve Spojených státech využívá LED osvětlení a vertikální rám pro výsadbu s výškou 6 m.Rostliny rostou ze stran květináčů.Tento způsob výsadby, který se spoléhá na gravitační zavlažování, nevyžaduje další čerpadla a je hospodárnější než konvenční zemědělství.Spousta tvrdí, že jeho farma produkuje 350krát vyšší výkon než konvenční farma a přitom využívá pouze 1 % vody.

Továrna na vertikální zemědělské rostliny, Plenty Company

2.2 Stav továrního průmyslu v Číně

V roce 2009 byl v Changchun Agricultural Expo Park postaven a uveden do provozu první výrobní závod v Číně s inteligentním řízením jako jádrem.Plocha budovy je 200 m2 a faktory prostředí, jako je teplota, vlhkost, světlo, CO2 a koncentrace živného roztoku v továrně, lze automaticky monitorovat v reálném čase, aby bylo možné realizovat inteligentní řízení.

V roce 2010 byla v Pekingu postavena továrna Tongzhou Plant Factory.Hlavní konstrukce má jednovrstvou lehkou ocelovou konstrukci o celkové stavební ploše 1289 m2.Má tvar letadlové lodi, což symbolizuje čínské zemědělství, které se ujalo vedení při vyplutí na nejpokročilejší technologii moderního zemědělství.Bylo vyvinuto automatické zařízení pro některé provozy výroby listové zeleniny, které zlepšilo úroveň automatizace výroby a efektivitu výroby závodu.Závod využívá systém tepelných čerpadel země-zdroj a systém výroby solární energie, což lépe řeší problém vysokých provozních nákladů závodu.

Vnitřní a vnější pohled na továrnu Tongzhou Plant Factory

V roce 2013 bylo v Yangling Agricultural High-tech Demonstration Zone v provincii Shaanxi založeno mnoho zemědělských technologických společností.Většina projektů závodu ve výstavbě a provozu se nachází v zemědělských high-tech demonstračních parcích, které jsou využívány především pro populárně vědecké demonstrace a volnočasové prohlídky památek.Vzhledem k jejich funkčním omezením je pro tyto populárně-vědecké továrny na rostliny obtížné dosáhnout vysokého výnosu a vysoké účinnosti vyžadované industrializací a bude pro ně obtížné stát se v budoucnu mainstreamovou formou industrializace.

V roce 2015 významný čínský výrobce LED čipů spolupracoval s Botanickým ústavem Čínské akademie věd, aby společně iniciovali založení továrny na rostliny.Přešel z optoelektronického průmyslu do „fotobiologického“ průmyslu a stal se precedentem pro čínské výrobce LED, aby investovali do výstavby továren na továrny v industrializaci.Její Plant Factory je odhodlána provádět průmyslové investice do vznikající fotobiologie, která integruje vědecký výzkum, výrobu, demonstrace, inkubaci a další funkce, se základním kapitálem 100 milionů juanů.V červnu 2016 byla dokončena a uvedena do provozu tato Plant Factory s 3-podlažní budovou o ploše 3 000 m2 a pěstební plochou více než 10 000 m2.Do května 2017 bude denní rozsah produkce 1 500 kg listové zeleniny, což odpovídá 15 000 rostlinám salátu denně.

Pohledy na tuto společnost

3. Problémy a protiopatření, kterým čelí rozvoj rostlinných továren

3.1 Problémy

3.1.1 Vysoké stavební náklady

Rostlinné továrny potřebují produkovat plodiny v uzavřeném prostředí.Proto je nutné vybudovat podpůrné projekty a zařízení včetně konstrukcí vnější údržby, klimatizačních systémů, zdrojů umělého světla, vícevrstvých kultivačních systémů, cirkulace živných roztoků a počítačových řídicích systémů.Náklady na stavbu jsou poměrně vysoké.

3.1.2 Vysoké provozní náklady

Většina světelných zdrojů požadovaných továrnami na rostliny pochází z LED světel, která spotřebují hodně elektřiny a zároveň poskytují odpovídající spektrum pro růst různých plodin.Zařízení jako klimatizace, ventilace a vodní čerpadla ve výrobním procesu továren také spotřebovávají elektřinu, takže účty za elektřinu jsou obrovským nákladem.Podle statistik mezi výrobními náklady rostlinných továren tvoří náklady na elektřinu 29 %, mzdové náklady 26 %, odpisy dlouhodobého majetku tvoří 23 %, balení a doprava 12 % a výrobní materiály 10 %.

Rozdělení výrobních nákladů pro závod

3.1.3 Nízká úroveň automatizace

V současnosti používaná továrna má nízkou úroveň automatizace a procesy jako sazenice, přesazování, polní výsadba a sklizeň stále vyžadují ruční operace, což má za následek vysoké náklady na pracovní sílu.

3.1.4 Omezené odrůdy plodin, které lze pěstovat

V současné době jsou druhy plodin vhodné pro továrny na rostliny velmi omezené, hlavně zelená listová zelenina, která rychle roste, snadno přijímá umělé zdroje světla a má nízký zápoj.Velkoplošnou výsadbu nelze provádět pro složité požadavky na výsadbu (jako jsou plodiny, které je třeba opylovat apod.).

3.2 Strategie rozvoje

Vzhledem k problémům, kterým čelí průmysl rostlinných továren, je nutné provádět výzkum z různých aspektů, jako je technologie a provoz.V reakci na aktuální problémy jsou protiopatření následující.

(1) Posílit výzkum inteligentních technologií rostlinných továren a zlepšit úroveň intenzivního a rafinovaného řízení.Vývoj inteligentního řídicího a kontrolního systému pomáhá dosáhnout intenzivního a rafinovaného řízení výrobních závodů, což může výrazně snížit náklady na pracovní sílu a ušetřit práci.

(2) Vyvinout intenzivní a efektivní technické vybavení závodu k dosažení roční vysoké kvality a vysokého výnosu.Rozvoj vysoce účinných pěstebních zařízení a zařízení, energeticky úsporné osvětlovací techniky a zařízení atd. pro zlepšení inteligentní úrovně rostlinných továren přispívá k realizaci roční vysoce účinné výroby.

(3) Provádět výzkum technologie průmyslového pěstování rostlin s vysokou přidanou hodnotou, jako jsou léčivé rostliny, rostliny pro zdravotní péči a vzácnou zeleninu, zvyšovat druhy plodin pěstovaných v rostlinných továrnách, rozšiřovat kanály zisku a zlepšovat výchozí bod zisku. .

(4) Provádět výzkum rostlinných továren pro domácí a komerční použití, obohacovat typy rostlinných továren a dosahovat trvalé ziskovosti s různými funkcemi.

4. Vývojový trend a perspektiva Plant Factory

4.1 Trend vývoje technologií

4.1.1 Intelektualizace celého procesu

Na základě strojového mechanismu fúze a prevence ztrát systému plodina-robot, vysokorychlostních flexibilních a nedestruktivních koncových efektorů pro sázení a sklizeň, přesného polohování v distribuovaném vícerozměrném prostoru a multimodálních metod kolaborativního řízení s více stroji, a bezobslužné, efektivní a nedestruktivní setí ve výškových továrnách - Měly by být vytvořeny inteligentní roboty a podpůrná zařízení, jako je sázení-sklizeň-balení, a tak realizovat bezobslužný provoz celého procesu.

4.1.2 Zefektivnit řízení výroby

Na základě mechanismu odezvy růstu a vývoje plodin na světelné záření, teplotu, vlhkost, koncentraci CO2, koncentraci živin v živném roztoku a EC by měl být sestaven kvantitativní model zpětné vazby mezi plodinou a prostředím.Měl by být vytvořen strategický základní model pro dynamickou analýzu informací o životě listové zeleniny a parametrů produkčního prostředí.Měla by být také zavedena online dynamická identifikace a systém řízení procesů prostředí.Vzniknout by měl multistrojový kolaborativní systém rozhodování umělé inteligence pro celý výrobní proces velkoobjemové vertikální zemědělské továrny.

4.1.3 Nízkouhlíková výroba a úspora energie

Zavedení systému energetického managementu, který využívá obnovitelné zdroje energie, jako je solární a větrná energie, k dokončení přenosu energie a řízení spotřeby energie k dosažení optimálních cílů hospodaření s energií.Zachycování a opětovné použití emisí CO2 na podporu produkce plodin.

4.1.3 Vysoká hodnota prémiových odrůd

Měly by být přijaty proveditelné strategie pro šlechtění různých odrůd s vysokou přidanou hodnotou pro pokusy s výsadbou, vybudování databáze odborníků na technologii pěstování, provádění výzkumu technologie pěstování, výběru hustoty, uspořádání strniště, přizpůsobivosti odrůd a zařízení a vytvoření standardních technických specifikací pro pěstování.

4.2 Perspektivy rozvoje průmyslu

Rostlinné továrny se mohou zbavit omezení zdrojů a životního prostředí, realizovat industrializovanou produkci zemědělství a přilákat novou generaci pracovní síly, aby se zapojila do zemědělské výroby.Klíčová technologická inovace a industrializace čínských továren se stává světovým lídrem.Díky zrychlené aplikaci světelného zdroje LED, digitalizaci, automatizaci a inteligentním technologiím v oblasti továren budou továrny přitahovat více kapitálových investic, shromažďování talentů a používání více nové energie, nových materiálů a nového vybavení.Tímto způsobem lze realizovat hloubkovou integraci informačních technologií a zařízení a vybavení, zlepšit inteligentní a bezobslužnou úroveň zařízení a vybavení, neustálé snižování spotřeby energie systému a provozních nákladů prostřednictvím neustálých inovací a postupné pěstování specializovaných trhů, inteligentní rostlinné továrny zahájí zlaté období rozvoje.

Podle zpráv z průzkumu trhu je velikost globálního trhu vertikálního zemědělství v roce 2020 pouze 2,9 miliardy USD a očekává se, že do roku 2025 dosáhne velikost globálního trhu vertikálního zemědělství 30 miliard USD.Stručně řečeno, továrny na továrny mají široké možnosti uplatnění a rozvojový prostor.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong atd

Citační údaje:Současná situace a perspektivy rozvoje průmyslu rostlinných továren [J].Technologie zemědělské techniky, 2022, 42(1): 18-23.od Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li a kol.