Opsomming: In onlangse jare, met die voortdurende verkenning van moderne landboutegnologie, het die plantfabriekbedryf ook vinnig ontwikkel.Hierdie vraestel stel die status quo, bestaande probleme en ontwikkelingteenmaatreëls van plantfabriektegnologie en industrieontwikkeling bekend, en sien uit na die ontwikkelingstendens en vooruitsig van plantfabrieke in die toekoms.

1. Huidige status van tegnologie-ontwikkeling in plantfabrieke in China en in die buiteland

1.1 Die status quo van buitelandse tegnologie-ontwikkeling

Sedert die 21ste eeu het die navorsing van plantfabrieke hoofsaaklik gefokus op die verbetering van ligdoeltreffendheid, die skepping van meerlaagse driedimensionele verbouingstelseltoerusting, en die navorsing en ontwikkeling van intelligente bestuur en beheer.In die 21ste eeu het die innovasie van landbou-LED-ligbronne vordering gemaak, wat belangrike tegniese ondersteuning bied vir die toepassing van LED-energiebesparende ligbronne in plantfabrieke.Chiba Universiteit in Japan het 'n aantal innovasies gemaak in hoë-doeltreffende ligbronne, energiebesparende omgewingsbeheer en verbouingstegnieke.Wageningen Universiteit in Nederland gebruik gewas-omgewingssimulasie en dinamiese optimaliseringstegnologie om 'n intelligente toerustingstelsel vir plantfabrieke te ontwikkel, wat bedryfskoste aansienlik verlaag en arbeidsproduktiwiteit aansienlik verbeter.

In onlangse jare het plantfabrieke geleidelik die semi-outomatisering van produksieprosesse van saai, saailingverbouing, oorplanting en oes besef.Japan, Nederland en die Verenigde State is aan die voorpunt, met 'n hoë mate van meganisasie, outomatisering en intelligensie, en ontwikkel in die rigting van vertikale landbou en onbemande operasie.

1.2 Tegnologie-ontwikkelingstatus in China

1.2.1 Spesiale LED-ligbron en energiebesparende toepassingstegnologie-toerusting vir kunsmatige lig in plantfabriek

Spesiale rooi en blou LED-ligbronne vir die produksie van verskeie plantspesies in plantfabrieke is een na die ander ontwikkel.Die drywing wissel van 30 tot 300 W, en die bestralingsligintensiteit is 80 tot 500 μmol/(m2•s), wat 'n ligintensiteit kan verskaf met 'n gepaste drempelreeks, ligkwaliteit parameters, om die effek van hoë doeltreffendheid te bereik energiebesparing en aanpassing by die behoeftes van plantgroei en beligting.In terme van ligbron hitte-afvoerbestuur, is die aktiewe hitte-afvoer-ontwerp van die ligbronwaaier ingestel, wat die ligvervaltempo van die ligbron verminder en die lewe van die ligbron verseker.Daarbenewens word 'n metode voorgestel om die hitte van LED-ligbron deur middel van voedingsoplossing of watersirkulasie te verminder.In terme van ligbronruimtebestuur, volgens die evolusiewet van plantgrootte in die saailingstadium en later stadium, deur die vertikale ruimtebewegingsbestuur van LED-ligbron, kan die plantafdak op 'n kort afstand verlig word en die energiebesparingsdoelwit is behaal.Tans kan die energieverbruik van kunsmatige ligplantfabriek se ligbron 50% tot 60% van die totale bedryfsenergieverbruik van die plantfabriek uitmaak.Alhoewel LED 50% energie kan bespaar in vergelyking met fluoresserende lampe, is daar steeds die potensiaal en noodsaaklikheid van navorsing oor energiebesparing en verbruiksvermindering.

1.2.2 Multi-laag driedimensionele bewerkingstegnologie en -toerusting

Die laaggaping van die multi-laag driedimensionele verbouing word verminder omdat die LED die fluoresserende lamp vervang, wat die driedimensionele ruimtebenuttingsdoeltreffendheid van die plantverbouing verbeter.Daar is baie studies oor die ontwerp van die bodem van die bewerkingsbedding.Die verhewe strepe is ontwerp om onstuimige vloei te genereer, wat plantwortels kan help om voedingstowwe in die voedingsoplossing eweredig te absorbeer en die konsentrasie van opgeloste suurstof te verhoog.Deur die kolonisasiebord te gebruik, is daar twee kolonisasiemetodes, dit wil sê die plastiekkolonisasiekoppies van verskillende groottes of die sponsomtrekkolonisasiemodus.'n Skuifbare bewerkingsbeddingstelsel het verskyn, en die plantplank en die plante daarop kan met die hand van die een kant na die ander gestoot word, wat die produksiemodus van plant aan die een kant van die bewerkingsbedding besef en aan die ander kant oes.Tans is 'n verskeidenheid driedimensionele, meerlaagse grondlose kultuurtegnologie en -toerusting gebaseer op nutriëntvloeistoffilmtegnologie en diepvloeistofvloeitegnologie ontwikkel, en die tegnologie en toerusting vir substraatverbouing van aarbeie, aërosolverbouing van blaargroente en blomme ontstaan ​​het.Die genoemde tegnologie het vinnig ontwikkel.

1.2.3 Voedingoplossing sirkulasie tegnologie en toerusting

Nadat die voedingsoplossing vir 'n tydperk gebruik is, is dit nodig om water en minerale elemente by te voeg.Oor die algemeen word die hoeveelheid nuut bereide voedingsoplossing en die hoeveelheid suur-basis oplossing bepaal deur EC en pH te meet.Groot deeltjies sediment of wortelafskilfering in die voedingsoplossing moet deur 'n filter verwyder word.Wortelafskeidings in die voedingstofoplossing kan deur fotokatalitiese metodes verwyder word om deurlopende struikelblokke in hidroponika te vermy, maar daar is sekere risiko's in die beskikbaarheid van voedingstowwe.

1.2.4 Omgewingsbeheertegnologie en -toerusting

Die lugskoonheid van die produksieruimte is een van die belangrike aanwysers van die luggehalte van die plantfabriek.Die lugskoonheid (aanwysers van gesuspendeerde deeltjies en gesakte bakterieë) in die produksieruimte van die plantfabriek onder dinamiese toestande moet tot 'n vlak bo 100 000 beheer word.Materiaal ontsmetting insette, inkomende personeel lug stort behandeling, en vars lug sirkulasie lug suiwering stelsel (lug filtrasie stelsel) is alles basiese voorsorgmaatreëls.Die temperatuur en humiditeit, CO2-konsentrasie en lugvloeisnelheid van die lug in die produksieruimte is nog 'n belangrike inhoud van luggehaltebeheer.Volgens berigte kan die opstel van toerusting soos lugmengkaste, lugkanale, luginlate en luguitlate die temperatuur en humiditeit, CO2-konsentrasie en lugvloeispoed in die produksieruimte eweredig beheer, om sodoende hoë ruimtelike eenvormigheid te bereik en aan plantbehoeftes te voldoen. in verskillende ruimtelike liggings.Die temperatuur-, humiditeit- en CO2-konsentrasiebeheerstelsel en die varslugstelsel is organies geïntegreer in die sirkulerende lugstelsel.Die drie stelsels moet die lugkanaal, luginlaat en luguitlaat deel, en krag deur die waaier verskaf om die sirkulasie van lugvloei, filtrasie en ontsmetting, en opdatering en eenvormigheid van luggehalte te realiseer.Dit verseker dat die plantproduksie in die plantfabriek vry is van plae en siektes, en geen plaagdodertoediening is nodig nie.Terselfdertyd word die eenvormigheid van die temperatuur, humiditeit, lugvloei en CO2-konsentrasie van die groeiomgewingselemente in die blaredak gewaarborg om aan die behoeftes van plantgroei te voldoen.

2. Ontwikkelingstatus van plantfabrieknywerheid

2.1 Status quo van buitelandse plantfabriekbedryf

In Japan is die navorsing en ontwikkeling en industrialisering van kunsmatige ligplantfabrieke relatief vinnig, en hulle is op die voorste vlak.In 2010 het die Japannese regering 50 miljard jen geloods om tegnologienavorsing en -ontwikkeling en industriële demonstrasie te ondersteun.Agt instellings, insluitend die Chiba Universiteit en Japan Plant Factory Research Association, het deelgeneem.Japan Future Company het die eerste industrialisasie-demonstrasieprojek van 'n plantfabriek met 'n daaglikse produksie van 3 000 aanlegte onderneem en bedryf.In 2012 was die produksiekoste van die plantfabriek 700 jen/kg.In 2014 is die moderne fabrieksaanlegfabriek in Taga-kasteel, Miyagi-prefektuur voltooi, wat die wêreld se eerste LED-aanlegfabriek geword het met 'n daaglikse produksie van 10 000 aanlegte.Sedert 2016 het LED-aanlegfabrieke die vinnige baan van industrialisasie in Japan betree, en gelykbreek- of winsgewende ondernemings het een na die ander na vore gekom.In 2018 het grootskaalse aanlegfabrieke met 'n daaglikse produksievermoë van 50 000 tot 100 000 aanlegte een na die ander verskyn, en die wêreldwye aanlegfabrieke was besig om na grootskaalse, professionele en intelligente ontwikkeling te ontwikkel.Terselfdertyd het Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power en ander velde in aanlegfabrieke begin belê.In 2020 sal die markaandeel van blaarslaai wat deur Japannese plantfabrieke vervaardig word, sowat 10% van die hele blaarslaaimark uitmaak.Van die meer as 250 kunsmatige ligtipe plantfabrieke wat tans in bedryf is, is 20% in 'n verliesmakende stadium, 50% is op die gelykbreekvlak, en 30% is in 'n winsgewende stadium, wat gekweekte plantspesies soos bv. blaarslaai, kruie en saailinge.

Nederland is 'n werklike wêreldleier op die gebied van gekombineerde toepassingstegnologie van sonlig en kunsmatige lig vir plantfabrieke, met 'n hoë mate van meganisasie, outomatisering, intelligensie en onbemande, en het nou 'n volledige stel tegnologieë en toerusting so sterk uitgevoer. produkte na die Midde-Ooste, Afrika, China en ander lande.American AeroFarms farm is geleë in Newark, New Jersey, VSA, met 'n oppervlakte van 6500 m2.Dit verbou hoofsaaklik groente en speserye, en die uitset is sowat 900 t/jaar.

Vertikale boerdery in AeroFarms

Die vertikale boerdery-aanlegfabriek van Plenty Company in die Verenigde State gebruik LED-beligting en 'n vertikale plantraam met 'n hoogte van 6 m.Plante groei van die kante van die planters af.Hierdie metode van plant, wat staatmaak op swaartekragwater, benodig nie bykomende pompe nie en is meer waterdoeltreffend as konvensionele boerdery.Plenty beweer sy plaas produseer 350 keer die uitset van 'n konvensionele plaas terwyl hy slegs 1% van die water gebruik.

Vertikale boerdery plant fabriek, Plenty Company

2.2 Status plant fabriek industrie in China

In 2009 is die eerste produksie-aanlegfabriek in China met intelligente beheer as die kern gebou en in bedryf gestel in Changchun Landbou Expo Park.Die bouoppervlakte is 200 m2, en die omgewingsfaktore soos temperatuur, humiditeit, lig, CO2 en voedingstofoplossingkonsentrasie van die plantfabriek kan outomaties intyds gemonitor word om intelligente bestuur te realiseer.

In 2010 is die Tongzhou Plant Factory in Beijing gebou.Die hoofstruktuur neem 'n enkellaag ligte staalstruktuur aan met 'n totale konstruksieoppervlakte van 1289 m2.Dit is gevorm soos 'n vliegdekskip, wat die Chinese landbou simboliseer wat die voortou neem om die mees gevorderde tegnologie van moderne landbou te vaar.Die outomatiese toerusting vir sommige bedrywighede van blaargroenteproduksie is ontwikkel, wat die produksie-outomatiseringsvlak en produksiedoeltreffendheid van die plantfabriek verbeter het.Die aanlegfabriek gebruik 'n grondbron-hittepompstelsel en 'n sonkragopwekkingstelsel, wat die probleem van hoë bedryfskoste vir die aanlegfabriek beter oplos.

Binne en buite aansig van Tongzhou Plant Factory

In 2013 is baie landboutegnologiemaatskappye in Yangling Landbou-hoëtegnologie-demonstrasiesone, Shaanxi-provinsie, gestig.Die meeste van die aanlegfabriekprojekte wat in aanbou en bedryf word, is geleë in hoëtegnologie-demonstrasieparke in landbou, wat hoofsaaklik vir gewilde wetenskaplike demonstrasies en ontspanningsbesigtiging gebruik word.Weens hul funksionele beperkings is dit moeilik vir hierdie gewildwetenskaplike plantfabrieke om die hoë opbrengs en hoë doeltreffendheid wat deur industrialisasie vereis word te behaal, en dit sal vir hulle moeilik wees om in die toekoms die hoofstroomvorm van industrialisasie te word.

In 2015 het 'n groot LED-skyfievervaardiger in China saamgewerk met die Instituut vir Plantkunde van die Chinese Akademie van Wetenskappe om gesamentlik die stigting van 'n plantfabriekmaatskappy te begin.Dit het oorgesteek van die opto-elektroniese industrie na die "fotobiologiese" industrie, en het 'n presedent geword vir Chinese LED-vervaardigers om te belê in die konstruksie van plantfabrieke in industrialisasie.Sy Plant Factory is daartoe verbind om industriële investering in opkomende fotobiologie te maak, wat wetenskaplike navorsing, produksie, demonstrasie, inkubasie en ander funksies integreer, met 'n geregistreerde kapitaal van 100 miljoen yuan.In Junie 2016 is hierdie Plantfabriek met 'n 3-verdiepinggebou wat 'n oppervlakte van 3 000 m2 en 'n bewerkingsoppervlakte van meer as 10 000 m2 beslaan voltooi en in werking gestel.Teen Mei 2017 sal die daaglikse produksieskaal 1 500 kg blaargroente wees, gelykstaande aan 15 000 blaarslaaiplante per dag.

Sienings van hierdie maatskappy

3. Probleme en teenmaatreëls wat die ontwikkeling van plantfabrieke in die gesig staar

3.1 Probleme

3.1.1 Hoë konstruksiekoste

Plantfabrieke moet gewasse in 'n geslote omgewing produseer.Daarom is dit nodig om ondersteunende projekte en toerusting te bou, insluitend eksterne instandhoudingstrukture, lugversorgingstelsels, kunsmatige ligbronne, meerlaagverbouingstelsels, sirkulasie van voedingsoplossings en rekenaarbeheerstelsels.Die konstruksiekoste is relatief hoog.

3.1.2 Hoë bedryfskoste

Die meeste van die ligbronne wat plantfabrieke benodig, kom van LED-ligte, wat baie elektrisiteit verbruik terwyl hulle ooreenstemmende spektrums vir die groei van verskillende gewasse verskaf.Toerusting soos lugversorging, ventilasie en waterpompe in die produksieproses van plantfabrieke verbruik ook elektrisiteit, so elektrisiteitsrekeninge is 'n groot uitgawe.Volgens statistieke maak elektrisiteitskoste onder die produksiekoste van aanlegfabrieke 29% uit, arbeidskoste 26%, waardevermindering op vaste bates 23%, verpakking en vervoer 12% en produksiemateriaal 10%.

Uiteensetting van produksiekoste vir aanlegfabriek

3.1.3 Lae vlak van outomatisering

Die plantfabriek wat tans toegepas word, het 'n lae vlak van outomatisering, en prosesse soos saailing, uitplant, veldplanting en oes verg steeds handbewerkings, wat hoë arbeidskoste tot gevolg het.

3.1.4 Beperkte variëteite van gewasse wat verbou kan word

Tans is die soorte gewasse wat geskik is vir plantfabrieke baie beperk, hoofsaaklik groen blaargroente wat vinnig groei, maklik kunsmatige ligbronne aanvaar en 'n lae blaredak het.Grootskaalse aanplantings kan nie vir komplekse plantvereistes (soos gewasse wat bestuif moet word, ens.) uitgevoer word nie.

3.2 Ontwikkelingstrategie

In die lig van die probleme waarmee die plantfabriekbedryf te kampe het, is dit nodig om navorsing uit verskeie aspekte soos tegnologie en bedryf te doen.In reaksie op die huidige probleme is die teenmaatreëls soos volg.

(1) Versterk die navorsing oor intelligente tegnologie van plantfabrieke en verbeter die vlak van intensiewe en verfynde bestuur.Die ontwikkeling van 'n intelligente bestuur- en beheerstelsel help om intensiewe en verfynde bestuur van aanlegfabrieke te bewerkstellig, wat arbeidskoste aansienlik kan verminder en arbeid kan bespaar.

(2) Ontwikkel intensiewe en doeltreffende aanlegfabriek tegniese toerusting om jaarlikse hoë kwaliteit en hoë opbrengs te behaal.Die ontwikkeling van hoë-doeltreffende verbouingsfasiliteite en -toerusting, energiebesparende beligtingstegnologie en -toerusting, ens., om die intelligente vlak van plantfabrieke te verbeter, is bevorderlik vir die verwesenliking van jaarlikse hoë-doeltreffendheidproduksie.

(3) Doen navorsing oor industriële verbouingstegnologie vir hoë-waarde-toegevoegde plante soos medisinale plante, gesondheidsorgplante en skaars groente, verhoog die soorte gewasse wat in plantfabrieke verbou word, verbreed winskanale en verbeter die beginpunt van wins .

(4) Doen navorsing oor plantfabrieke vir huishoudelike en kommersiële gebruik, verryk die tipe plantfabrieke en bereik deurlopende winsgewendheid met verskeie funksies.

4. Ontwikkelingstendens en vooruitsig van plantfabriek

4.1 Tegnologie-ontwikkelingstendens

4.1.1 Volproses-intellektualisering

Gebaseer op die masjienkunssamesmelting en verliesvoorkomingsmeganisme van die gewas-robotstelsel, hoëspoed buigsame en nie-vernietigende plant- en oes-eindeffektors, verspreide multi-dimensionele ruimte akkurate posisionering en multi-modale multi-masjien samewerkende beheermetodes, en onbemande, doeltreffende en nie-vernietigende saaiery in hoë plantfabrieke -Intelligente robotte en ondersteunende toerusting soos plant-oes-verpakking moet geskep word om sodoende die onbemande werking van die hele proses te realiseer.

4.1.2 Maak produksiebeheer slimmer

Gebaseer op die reaksiemeganisme van gewasgroei en -ontwikkeling op ligbestraling, temperatuur, humiditeit, CO2-konsentrasie, nutriëntkonsentrasie van voedingstofoplossing, en EC, moet 'n kwantitatiewe model van gewas-omgewingterugvoer saamgestel word.’n Strategiese kernmodel moet daargestel word om blaargroentelewe-inligting en produksie-omgewingsparameters dinamies te ontleed.Die aanlyn dinamiese identifikasie-diagnose en prosesbeheerstelsel van die omgewing moet ook gevestig word.'n Multi-masjien samewerkende kunsmatige intelligensie besluitnemingstelsel vir die hele produksieproses van 'n hoëvolume vertikale landboufabriek moet geskep word.

4.1.3 Lae koolstofproduksie en energiebesparing

Vestiging van 'n energiebestuurstelsel wat hernubare energiebronne soos sonkrag en wind gebruik om kragoordrag te voltooi en energieverbruik te beheer om optimale energiebestuursdoelwitte te bereik.Opvang en hergebruik van CO2-vrystellings om gewasproduksie aan te help.

4.1.3 Hoë waarde van premium variëteite

Uitvoerbare strategieë moet geneem word om verskillende hoëwaarde-toegevoegde variëteite vir planteksperimente te teel, 'n databasis van verbouingstegnologie-kundiges op te bou, navorsing te doen oor verbouingstegnologie, digtheidskeuse, stoppelrangskikking, verskeidenheid en toerustingaanpasbaarheid, en standaard verbouingstegniese spesifikasies te vorm.

4.2 Bedryfsontwikkelingsvooruitsigte

Plantfabrieke kan ontslae raak van die beperkings van hulpbronne en die omgewing, die geïndustrialiseerde produksie van landbou realiseer en die nuwe generasie arbeidsmag lok om by landbouproduksie betrokke te raak.Die sleutel tegnologiese innovasie en industrialisering van China se plantfabrieke is besig om 'n wêreldleier te word.Met die versnelde toepassing van LED-ligbron, digitalisering, outomatisering en intelligente tegnologieë op die gebied van plantfabrieke, sal plantfabrieke meer kapitaalinvestering, talentinsameling en die gebruik van meer nuwe energie, nuwe materiale en nuwe toerusting lok.Op hierdie manier kan die diepgaande integrasie van inligtingstegnologie en fasiliteite en toerusting gerealiseer word, die intelligente en onbemande vlak van fasiliteite en toerusting kan verbeter word, die voortdurende vermindering van stelsel energieverbruik en bedryfskoste deur voortdurende innovasie, en die geleidelike verbouing van gespesialiseerde markte, intelligente plantfabrieke sal goue tydperk van ontwikkeling inlui.

Volgens marknavorsingsverslae is die globale vertikale boerderymarkgrootte in 2020 slegs US$2,9 miljard, en daar word verwag dat die globale vertikale boerderymarkgrootte teen 2025 US$30 miljard sal bereik.Samevattend, plantfabrieke het wye toepassingsvooruitsigte en ontwikkelingsruimte.

Skrywer: Zengchan Zhou, Weidong, ens

Aanhalingsinligting:Huidige situasie en vooruitsigte van plantfabriek-industrie-ontwikkeling [J].Landbou-ingenieurswese Tegnologie, 2022, 42(1): 18-23.deur Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.