Abstrakt: V posledních letech se s neustálým rozvojem moderních zemědělských technologií rychle rozvíjel i průmysl rostlinných továren. Tato práce představuje současný stav, existující problémy a protiopatření v oblasti technologií rostlinných továren a rozvoje průmyslu a zamýšlí se nad trendy a perspektivami rozvoje rostlinných továren v budoucnu.

1. Aktuální stav technologického vývoje v závodech v Číně a v zahraničí

1.1 Současný stav vývoje zahraničních technologií

Od 21. století se výzkum rostlinných závodů zaměřuje především na zlepšení světelné účinnosti, vytváření vícevrstvých trojrozměrných kultivačních systémů a výzkum a vývoj inteligentního řízení a kontroly. V 21. století došlo k pokroku v oblasti inovací zemědělských LED světelných zdrojů, které poskytují důležitou technickou podporu pro aplikaci energeticky úsporných LED světelných zdrojů v rostlinných závodech. Univerzita v Čibě v Japonsku provedla řadu inovací v oblasti vysoce účinných světelných zdrojů, energeticky úsporné kontroly prostředí a kultivačních technik. Univerzita ve Wageningenu v Nizozemsku využívá simulaci plodin a prostředí a technologii dynamické optimalizace k vývoji inteligentního systému zařízení pro rostlinné závody, což výrazně snižuje provozní náklady a zvyšuje produktivitu práce.

V posledních letech rostlinné továrny postupně realizovaly poloautomatizaci výrobních procesů od setí, pěstování sazenic, přesazování až po sklizeň. Japonsko, Nizozemsko a Spojené státy jsou v popředí s vysokým stupněm mechanizace, automatizace a inteligence a vyvíjejí se směrem k vertikálnímu zemědělství a bezobslužnému provozu.

1.2 Stav technologického rozvoje v Číně

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

Postupně byly vyvinuty speciální červené a modré LED světelné zdroje pro produkci různých druhů rostlin v rostlinných továrnách. Výkon se pohybuje od 30 do 300 W a intenzita ozařovaného světla je 80 až 500 μmol/(m2•s), což umožňuje dosáhnout intenzity světla s vhodným prahovým rozsahem a parametry kvality světla, aby se dosáhlo vysoce účinné úspory energie a přizpůsobení se potřebám růstu rostlin a osvětlení. Pokud jde o řízení odvodu tepla světelného zdroje, byl zaveden aktivní design odvodu tepla ventilátorem světelného zdroje, který snižuje rychlost úbytku světla ze světelného zdroje a zajišťuje jeho životnost. Dále je navržena metoda pro snížení tepla LED světelného zdroje pomocí cirkulace živného roztoku nebo vody. Pokud jde o řízení prostoru světelného zdroje, v souladu se zákonem vývoje velikosti rostliny ve fázi sazenice a později, prostřednictvím řízení vertikálního pohybu LED světelného zdroje v prostoru lze osvětlit korunu rostliny na krátkou vzdálenost a dosáhnout cíle úspory energie. V současné době může spotřeba energie umělého osvětlení v továrnách tvořit 50 % až 60 % celkové provozní spotřeby energie. Přestože LED diody mohou ušetřit až 50 % energie ve srovnání se zářivkami, stále existuje potenciál a nutnost výzkumu v oblasti úspor energie a snižování spotřeby.

1.2.2 Technologie a zařízení pro vícevrstvou trojrozměrnou kultivaci

Mezera mezi vrstvami u vícevrstvého trojrozměrného kultivačního systému se zmenšuje, protože LED diody nahrazují zářivku, což zlepšuje efektivitu využití trojrozměrného prostoru při pěstování rostlin. Existuje mnoho studií o návrhu dna kultivačního záhonu. Vyvýšené pruhy jsou navrženy tak, aby generovaly turbulentní proudění, které může pomoci kořenům rostlin rovnoměrně absorbovat živiny v živném roztoku a zvýšit koncentraci rozpuštěného kyslíku. Při použití kolonizační desky existují dvě metody kolonizace, a to plastové kolonizační misky různých velikostí nebo režim kolonizace po obvodu houbou. Objevil se systém posuvného kultivačního záhonu, kde se sázecí deska a rostliny na ní mohou ručně posouvat z jednoho konce na druhý, čímž se realizuje produkční režim sázení na jednom konci kultivačního záhonu a sklizně na druhém konci. V současné době byla vyvinuta řada technologií a zařízení pro trojrozměrné vícevrstvé bezpůdné kultivační systémy založených na technologii tekutého filmu s živinami a technologii hlubokého toku kapaliny a objevily se technologie a zařízení pro substrátové pěstování jahod, aerosolové pěstování listové zeleniny a květin. Uvedená technologie se rychle rozvíjela.

1.2.3 Technologie a zařízení pro cirkulaci živného roztoku

Po určité době používání živného roztoku je nutné přidat vodu a minerální prvky. Množství nově připraveného živného roztoku a množství acidobazického roztoku se obecně určuje měřením elektrokondenzační schopnosti (EC) a pH. Velké částice sedimentu nebo kořenových exfoliací v živném roztoku je třeba odstranit filtrem. Kořenové exsudáty v živném roztoku lze odstranit fotokatalytickými metodami, aby se zabránilo neustálým překážkám v růstu plodin v hydroponii, ale existují určitá rizika týkající se dostupnosti živin.

1.2.4 Technologie a zařízení pro kontrolu životního prostředí

Čistota vzduchu ve výrobních prostorách je jedním z důležitých ukazatelů kvality ovzduší v závodě. Čistota vzduchu (ukazatele suspendovaných částic a usazených bakterií) ve výrobních prostorách závodu za dynamických podmínek by měla být kontrolována na úrovni nad 100 000. Dezinfekce materiálu, sprchování vstupního personálu a systém čištění čerstvého vzduchu (filtrační systém) jsou základními ochrannými opatřeními. Teplota a vlhkost, koncentrace CO2 a rychlost proudění vzduchu ve výrobních prostorách jsou dalším důležitým prvkem kontroly kvality ovzduší. Podle zpráv může instalace zařízení, jako jsou směšovací boxy vzduchu, vzduchové kanály, přívody a odvody vzduchu, rovnoměrně regulovat teplotu a vlhkost, koncentraci CO2 a rychlost proudění vzduchu ve výrobních prostorách, aby se dosáhlo vysoké prostorové rovnoměrnosti a splňovaly potřeby závodu v různých prostorových umístěních. Systém regulace teploty, vlhkosti a koncentrace CO2 a systém čerstvého vzduchu jsou organicky integrovány do systému cirkulace vzduchu. Tyto tři systémy musí sdílet vzduchový kanál, přívod a odvod vzduchu a zajišťovat energii prostřednictvím ventilátoru, aby se zajistila cirkulace proudění vzduchu, filtrace a dezinfekce a aktualizace a rovnoměrnost kvality vzduchu. Zajišťuje, že produkce rostlin v závodě na pěstování rostlin je bez škůdců a chorob a není nutná aplikace pesticidů. Zároveň je zaručena rovnoměrnost teploty, vlhkosti, proudění vzduchu a koncentrace CO2 v růstovém prostředí v porostu, aby byly splněny potřeby růstu rostlin.

2. Stav rozvoje rostlinného průmyslu

2.1 Současný stav zahraničního rostlinného průmyslu

V Japonsku probíhá výzkum, vývoj a industrializace továren na výrobu umělého osvětlení relativně rychle a je na přední úrovni. V roce 2010 japonská vláda vyčlenila 50 miliard jenů na podporu technologického výzkumu a vývoje a průmyslových demonstrací. Zúčastnilo se osm institucí, včetně Univerzity v Čibě a Japonské asociace pro výzkum továren rostlin. Společnost Japan Future Company realizovala a provozovala první demonstrační projekt industrializace továrny na rostliny s denní produkcí 3 000 rostlin. V roce 2012 činily výrobní náklady továrny na rostliny 700 jenů/kg. V roce 2014 byla dokončena moderní továrna na hrad Taga v prefektuře Mijagi, která se stala první továrnou na výrobu LED rostlin na světě s denní produkcí 10 000 rostlin. Od roku 2016 továrny na výrobu LED rostlin v Japonsku vstoupily do rychlého pruhu industrializace a jeden po druhém se objevily podniky dosahující bodu zvratu nebo ziskové podniky. V roce 2018 se postupně objevovaly velké závody na pěstování rostlin s denní výrobní kapacitou 50 000 až 100 000 rostlin a globální závody na pěstování rostlin se vyvíjely směrem k velkovýkonnému, profesionálnímu a inteligentnímu rozvoji. Současně začaly společnosti Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power a další odvětví investovat do závodů na pěstování rostlin. V roce 2020 bude tržní podíl hlávkového salátu produkovaného japonskými závody na pěstování rostlin tvořit přibližně 10 % celkového trhu s hlávkovým salátem. Z více než 250 závodů na pěstování rostlin s umělým osvětlením, které jsou v současné době v provozu, je 20 % ve ztrátové fázi, 50 % na úrovni zlomu a 30 % je v ziskové fázi, a to včetně pěstovaných druhů rostlin, jako je hlávkový salát, bylinky a sazenice.

Nizozemsko je skutečným světovým lídrem v oblasti kombinované aplikace technologií solárního a umělého osvětlení pro továrny, s vysokým stupněm mechanizace, automatizace, inteligence a bezobslužnosti, a nyní vyváží kompletní sadu technologií a zařízení jakožto silné produkty na Blízký východ, do Afriky, Číny a dalších zemí. Farma American AeroFarms se nachází v Newarku v New Jersey v USA a má rozlohu 6500 m2. Pěstuje se zde převážně zelenina a koření s roční produkcí přibližně 900 t.

Vertikální zemědělství v AeroFarms

Továrna na vertikální pěstování rostlin společnosti Plenty ve Spojených státech využívá LED osvětlení a vertikální rám pro výsadbu o výšce 6 m. Rostliny rostou po stranách květináčů. Tato metoda výsadby, která se spoléhá na gravitační zavlažování, nevyžaduje další čerpadla a je úspornější z hlediska vody než konvenční zemědělství. Plenty tvrdí, že jeho farma produkuje 350krát více produkce než konvenční farma, přičemž spotřebuje pouze 1 % vody.

Továrna na vertikální zemědělské rostliny, Plenty Company

2.2 Stav továrního průmyslu v Číně

V roce 2009 byl v zemědělském výstavním parku v Čchang-čchunu 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 živin v roztoku, v závodě lze automaticky monitorovat v reálném čase, aby se dosáhlo inteligentního řízení.

V roce 2010 byla v Pekingu postavena továrna na rostliny Tongzhou. Hlavní konstrukce je vyrobena z lehké oceli s jednovrstvou vrstvou o celkové ploše 1289 m2. Má tvar letadlové lodi, což symbolizuje čínské zemědělství, které se ujímá vedení v přechodu na nejmodernější technologie moderního zemědělství. Pro některé operace produkce listové zeleniny bylo vyvinuto automatické zařízení, které zlepšilo úroveň automatizace výroby a efektivitu výroby. Továrna využívá systém tepelných čerpadel země-voda a systém výroby solární energie, což lépe řeší problém vysokých provozních nákladů továrny.

Pohled na vnitřní a vnější část továrny Tongzhou

V roce 2013 bylo v demonstrační zóně zemědělské špičky Yangling v provincii Shaanxi založeno mnoho společností zabývajících se zemědělskými technologiemi. Většina projektů továren na rostlinné výrobky, které jsou ve výstavbě a provozu, se nachází v demonstračních parcích zemědělské špičky, které slouží především k demonstracím populární vědy a prohlídkám památek. Vzhledem k jejich funkčním omezením je pro tyto továrny na rostlinné výrobky obtížné dosáhnout vysokého výnosu a vysoké efektivity požadované industrializací a v budoucnu pro ně bude obtížné stát se hlavní formou industrializace.

V roce 2015 spolupracoval významný čínský výrobce LED čipů s Botanickým ústavem Čínské akademie věd na společném zahájení založení společnosti na výrobu rostlinných továren. Tato společnost přešla z optoelektronického průmyslu do „fotobiologického“ průmyslu a stala se precedentem pro čínské výrobce LED diod, kteří investují do výstavby továren na výrobu rostlin v industrializaci. Její továrna na výrobu rostlin se zavázala k průmyslovým investicím do nově vznikající fotobiologie, která integruje vědecký výzkum, výrobu, demonstrace, inkubaci a další funkce, s registrovaným kapitálem 100 milionů juanů. V červnu 2016 byla tato továrna na výrobu rostlin s třípatrovou budovou o rozloze 3 000 m2 a pěstební plochou více než 10 000 m2 dokončena a uvedena do provozu. Do května 2017 bude denní produkce 1 500 kg listové zeleniny, což odpovídá 15 000 rostlinám salátu denně.

Názory na tuto společnost

3. Problémy a protiopatření, kterým čelí rozvoj rostlinných továren

3.1 Problémy

3.1.1 Vysoké náklady na výstavbu

Pěstební závody potřebují produkovat plodiny v uzavřeném prostředí. Proto je nutné vybudovat podpůrné projekty a zařízení, včetně externích údržbářských konstrukcí, klimatizačních systémů, umělých světelných zdrojů, vícevrstvých kultivačních systémů, cirkulace živných roztoků a počítačových řídicích systémů. Náklady na výstavbu jsou relativně vysoké.

3.1.2 Vysoké provozní náklady

Většina světelných zdrojů potřebných pro rostlinné továrny pochází z LED světel, která spotřebovávají velké množství elektřiny a zároveň poskytují odpovídající spektrum pro růst různých plodin. Zařízení, jako je klimatizace, ventilace a vodní čerpadla ve výrobním procesu rostlinných továren, také spotřebovávají elektřinu, takže účty za elektřinu představují obrovský výdaj. Podle statistik tvoří náklady na elektřinu mezi výrobními náklady rostlinných továren 29 %, náklady na práci 26 %, odpisy dlouhodobého majetku 23 %, balení a doprava 12 % a výrobní materiály 10 %.

Rozpis výrobních nákladů pro továrnu na rostliny

3.1.3 Nízká úroveň automatizace

Současně používaná továrna na rostliny má nízkou úroveň automatizace a procesy jako pěstování sazenic, přesazování, výsadba na poli a sklizeň stále vyžadují manuální operace, což má za následek vysoké náklady na pracovní sílu.

3.1.4 Omezené druhy plodin, které lze pěstovat

V současné době jsou druhy plodin vhodné pro rostlinné továrny velmi omezené, jedná se především o zelenou listovou zeleninu, která rychle roste, snadno přijímá umělé zdroje světla a má nízký porost. Výsadbu ve velkém měřítku nelze provádět z důvodu složitých požadavků na výsadbu (například plodiny, které je třeba opylovat atd.).

3.2 Strategie rozvoje

Vzhledem k problémům, kterým čelí odvětví výroby rostlinných výrobků, je nutné provést výzkum z různých hledisek, jako je technologie a provoz. V reakci na současné problémy jsou protiopatření následující.

(1) Posílit výzkum v oblasti inteligentních technologií rostlinných továren a zlepšit úroveň intenzivního a propracovaného řízení. Vývoj inteligentního systému řízení a kontroly pomáhá dosáhnout intenzivního a propracovaného řízení rostlinných továren, což může výrazně snížit náklady na pracovní sílu a ušetřit práci.

(2) Vyvíjet intenzivní a efektivní technické vybavení rostlinných továren pro dosažení vysoké roční kvality a vysokého výnosu. Vývoj vysoce účinných pěstitelských zařízení a vybavení, energeticky úsporných osvětlovacích technologií a vybavení atd. za účelem zlepšení inteligentní úrovně rostlinných továren přispívá k realizaci vysoce efektivní roční produkce.

(3) Provádět výzkum technologií průmyslového pěstování rostlin s vysokou přidanou hodnotou, jako jsou léčivé rostliny, rostliny pro péči o zdraví a vzácná zelenina, zvyšovat počet druhů plodin pěstovaných v rostlinných továrnách, rozšiřovat ziskové kanály a zlepšovat výchozí bod zisku.

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

4. Trend rozvoje a perspektiva závodu na výrobu rostlinných surovin

4.1 Trend technologického rozvoje

4.1.1 Intelektualizace celého procesu

Na základě mechanismu fúze strojů a techniky a prevence ztrát systému plodin-robot by měly být vytvořeny vysokorychlostní flexibilní a nedestruktivní koncové efektory pro sázení a sklizeň, distribuované vícerozměrné prostorově přesné polohování a multimodální metody kolaborativního řízení více strojů a bezpilotní, efektivní a nedestruktivní setí ve výškových továrnách na rostliny - inteligentní roboti a podpůrná zařízení, jako je sázení-sklízení-balení, čímž by se realizoval bezpilotní provoz celého procesu.

4.1.2 Zajistěte chytřejší řízení výroby

Na základě mechanismu reakce růstu a vývoje plodin na světelné záření, teplotu, vlhkost, koncentraci CO2, koncentraci živin v živném roztoku a EC by měl být vytvořen 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. Měl by být také zaveden online systém dynamické identifikace, diagnostiky a řízení procesů v daném prostředí. Měl by být vytvořen systém pro kolaborativní rozhodování s využitím umělé inteligence pro celý výrobní proces velkoobjemové vertikální zemědělské továrny.

4.1.3 Nízkouhlíková výroba a úspory energie

Zavedení systému hospodaření s energií, který využívá obnovitelné zdroje energie, jako je solární a větrná energie, k dokončení přenosu energie a řízení spotřeby energie za účelem dosažení optimálních cílů v oblasti hospodaření s energií. Zachycování a opětovné využití 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 pěstební experimenty, vybudování databáze odborníků na pěstební technologie, provádění výzkumu v oblasti pěstebních technologií, výběru hustoty, uspořádání strniště, přizpůsobivosti odrůd a zařízení a vytvoření standardních technických specifikací pro pěstování.

4.2 Perspektivy rozvoje odvětví

Rostlinné továrny se mohou zbavit omezení zdrojů a životního prostředí, realizovat industrializovanou zemědělskou produkci a přilákat novou generaci pracovní síly k zapojení do zemědělské produkce. Klíčovou technologickou inovací a industrializací jsou čínské rostlinné továrny, které se stávají světovým lídrem. Díky zrychlenému používání LED světelných zdrojů, digitalizaci, automatizaci a inteligentním technologiím v oblasti rostlinných továren přilákají rostlinné továrny více kapitálových investic, shromažďování talentů a využívání více nových energií, nových materiálů a nového vybavení. Tímto způsobem lze dosáhnout hloubkové integrace informačních technologií a zařízení, zlepšit inteligentní a bezobslužnou úroveň zařízení a vybavení, neustálým snižováním spotřeby energie systému a provozních nákladů prostřednictvím neustálých inovací a postupným rozvíjením specializovaných trhů, což inteligentní rostlinné továrny přinese zlaté období rozvoje.

Podle zpráv z průzkumu trhu činila velikost globálního trhu s vertikálním zemědělstvím v roce 2020 pouze 2,9 miliardy USD a očekává se, že do roku 2025 dosáhne velikosti globálního trhu s vertikálním zemědělství 30 miliard USD. Stručně řečeno, závody na výrobu rostlin mají široké možnosti uplatnění a prostor pro rozvoj.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong atd

Informace o citaci:Současný stav a perspektivy rozvoje odvětví rostlinné výroby [J]. Zemědělská technika, 2022, 42(1): 18-23.od Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li a kol.