Opsomming: In onlangse jare, met die voortdurende verkenning van moderne landboutegnologie, het die plantfabriekbedryf ook vinnig ontwikkel. Hierdie artikel stel die status quo, bestaande probleme en ontwikkelingsteenmaatreëls van plantfabriektegnologie en bedryfsontwikkeling bekend, en kyk uit na die ontwikkelingstendens en vooruitsigte van plantfabrieke in die toekoms.

1. Huidige status van tegnologie-ontwikkeling in fabrieke 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 skep van meerlaag-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 in hoë-doeltreffendheid ligbronne, energiebesparende omgewingbeheer en verbouingstegnieke gemaak. Wageningen Universiteit in Nederland gebruik gewas-omgewingsimulasie en dinamiese optimaliseringstegnologie om 'n intelligente toerustingstelsel vir plantfabrieke te ontwikkel, wat bedryfskoste aansienlik verminder en arbeidsproduktiwiteit aansienlik verbeter.

In onlangse jare het fabrieke geleidelik die semi-outomatisering van produksieprosesse van saai, saailingkweek, uitplant en oes gerealiseer. Japan, Nederland en die Verenigde State is voor in die voorpunt, met 'n hoë mate van meganisering, outomatisering en intelligensie, en ontwikkel in die rigting van vertikale landbou en onbemande werking.

1.2 Tegnologie-ontwikkelingstatus in China

1.2.1 Gespesialiseerde LED-ligbron en energiebesparende toepassingstegnologietoerusting vir kunsmatige lig in fabrieke

Spesiale rooi en blou LED-ligbronne vir die produksie van verskeie plantspesies in plantfabrieke is een na die ander ontwikkel. Die krag wissel van 30 tot 300 W, en die bestralingsligintensiteit is 80 tot 500 μmol/(m2•s), wat 'n ligintensiteit met 'n gepaste drempelbereik en ligkwaliteitsparameters kan verskaf om die effek van hoë-doeltreffendheid energiebesparing te bereik en aan te pas by die behoeftes van plantgroei en beligting. Wat die bestuur van ligbronhitte-afvoer betref, is die aktiewe hitte-afvoerontwerp van die ligbronwaaier bekendgestel, wat die ligvervaltempo van die ligbron verminder en die lewensduur van die ligbron verseker. Daarbenewens word 'n metode voorgestel om die hitte van die LED-ligbron deur middel van voedingsoplossing of watersirkulasie te verminder. Wat die bestuur van ligbronruimte betref, volgens die evolusiewet van plantgrootte in die saailingstadium en latere stadium, deur die bestuur van vertikale ruimtebeweging van die LED-ligbron, kan die plantkap op kort afstand verlig word en die energiebesparingsdoelwit bereik word. Tans kan die energieverbruik van kunsmatige ligfabrieke se ligbron 50% tot 60% van die totale bedryfsenergieverbruik van die fabriek 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 Meerlaagse driedimensionele verbouingstegnologie en -toerusting

Die laaggaping van die meerlaag 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 verbouingsbed. Die verhoogde strepe is ontwerp om turbulente 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 plastiekkolonisasiebekers van verskillende groottes of die sponsperimeterkolonisasiemodus. 'n Skuifbare verbouingsbedstelsel het verskyn, en die plantbord 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 verbouingsbed en oes aan die ander kant verwesenlik. Tans is 'n verskeidenheid driedimensionele meerlaag grondlose kultuurtegnologie en toerusting ontwikkel gebaseer op voedingstofvloeistoffilmtegnologie en diep vloeistofvloeitegnologie, en die tegnologie en toerusting vir substraatverbouing van aarbeie, aërosolverbouing van blaargroente en blomme het ontstaan. Die genoemde tegnologie het vinnig ontwikkel.

1.2.3 Voedingstofoplossingsirkulasietegnologie 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 voorbereide 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 voedingsoplossing kan deur fotokatalitiese metodes verwyder word om voortdurende gewashindernisse in hidroponika te vermy, maar daar is sekere risiko's in die beskikbaarheid van voedingstowwe.

1.2.4 Omgewingsbeheertegnologie en -toerusting

Die lugreinheid van die produksieruimte is een van die belangrike aanwysers van die luggehalte van die aanlegfabriek. Die lugreinheid (aanwysers van gesuspendeerde deeltjies en gevestigde bakterieë) in die produksieruimte van die aanlegfabriek onder dinamiese toestande moet tot 'n vlak bo 100 000 beheer word. Materiaalontsmettingsinsette, inkomende personeellugstortbehandeling en varslugsirkulasie-lugsuiweringstelsel (lugfiltrasiestelsel) 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 verslae kan die opstel van toerusting soos lugmengbokse, lugkanale, luginlate en luguitlate die temperatuur en humiditeit, CO2-konsentrasie en lugvloeisnelheid in die produksieruimte eweredig beheer, om sodoende hoë ruimtelike eenvormigheid te bereik en aan die aanlegbehoeftes in verskillende ruimtelike liggings te voldoen. 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 bewerkstellig. 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 groei-omgewing-elemente in die blaredak gewaarborg om aan die behoeftes van plantgroei te voldoen.

2. Ontwikkelingsstatus van die fabrieksbedryf

2.1 Status quo van buitelandse fabrieksbedryf

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

Nederland is 'n ware wêreldleier op die gebied van gekombineerde toepassingstegnologie van sonlig en kunsmatige lig vir fabrieke, met 'n hoë mate van meganisasie, outomatisering, intelligensie en onbemanning, en het nou 'n volledige stel tegnologieë en toerusting as sterk produkte na die Midde-Ooste, Afrika, China en ander lande uitgevoer. Die Amerikaanse AeroFarms-plaas is geleë in Newark, New Jersey, VSA, met 'n oppervlakte van 6500 m2. Dit verbou hoofsaaklik groente en speserye, en die produksie is ongeveer 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 plantmetode, wat staatmaak op swaartekragbesproeiing, benodig nie bykomende pompe nie en is meer waterdoeltreffend as konvensionele boerdery. Plenty beweer dat sy plaas 350 keer die uitset van 'n konvensionele plaas produseer terwyl hy slegs 1% van die water gebruik.

Vertikale boerdery-aanlegfabriek, Plenty Company

2.2 Status van die fabrieksbedryf in China

In 2009 is die eerste produksiefabriek in China met intelligente beheer as kern gebou en in werking gestel in Changchun Agricultural Expo Park. Die gebouoppervlakte is 200 m2, en die omgewingsfaktore soos temperatuur, humiditeit, lig, CO2 en nutriëntoplossingskonsentrasie van die aanlegfabriek kan outomaties intyds gemonitor word om intelligente bestuur te bewerkstellig.

In 2010 is die Tongzhou-aanlegfabriek in Beijing gebou. Die hoofstruktuur gebruik 'n enkellaag-ligte staalstruktuur met 'n totale konstruksie-oppervlakte van 1289 m2. Dit is gevorm soos 'n vliegdekskip, wat Chinese landbou simboliseer wat die voortou neem om die mees gevorderde tegnologie van moderne landbou te bereik. Die outomatiese toerusting vir sommige bedrywighede van blaargroenteproduksie is ontwikkel, wat die produksie-outomatiseringsvlak en produksiedoeltreffendheid van die aanlegfabriek 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 die Tongzhou-aanlegfabriek

In 2013 is baie landboutegnologiemaatskappye in die Yangling Landbou Hoëtegnologie Demonstrasiesone, Shaanxi Provinsie, gestig. Die meeste van die fabrieksprojekte wat onder konstruksie en bedryf word, is geleë in landbou hoëtegnologie demonstrasieparke, wat hoofsaaklik gebruik word vir populêre wetenskap demonstrasies en ontspanningsbesigtiging. As gevolg van hul funksionele beperkings, is dit moeilik vir hierdie populêre wetenskap fabrieke om die hoë opbrengs en hoë doeltreffendheid te behaal wat deur industrialisering vereis word, en dit sal moeilik wees vir hulle om die hoofstroom vorm van industrialisering in die toekoms te word.

In 2015 het 'n groot LED-skyfievervaardiger in China saamgewerk met die Instituut vir Plantkunde van die Chinese Akademie vir Wetenskappe om gesamentlik die stigting van 'n plantfabriekmaatskappy te begin. Dit het van die opto-elektroniese industrie na die "fotobiologiese" industrie oorgeskakel en het 'n presedent geword vir Chinese LED-vervaardigers om te belê in die konstruksie van plantfabrieke in industrialisering. Die Plantfabriek is daartoe verbind om industriële beleggings 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 verbouingsarea 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.

Menings van hierdie maatskappy

3. Probleme en teenmaatreëls wat die ontwikkeling van fabrieke 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 onderhoudsstrukture, lugversorgingstelsels, kunsmatige ligbronne, meerlaagse verbouingstelsels, sirkulasie van voedingstofoplossings en rekenaarbeheerstelsels. Die konstruksiekoste is relatief hoog.

3.1.2 Hoë bedryfskoste

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

Uiteensetting van produksiekoste vir aanlegfabriek

3.1.3 Lae vlak van outomatisering

Die tans toegepaste aanlegfabriek het 'n lae vlak van outomatisering, en prosesse soos saailing, uitplant, veldplanting en oes vereis steeds handmatige bedrywighede, wat lei tot hoë arbeidskoste.

3.1.4 Beperkte variëteite van gewasse wat verbou kan word

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

3.2 Ontwikkelingsstrategie

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

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

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

(3) Doen navorsing oor industriële verbouingstegnologie vir plante met hoë waardetoevoeging soos medisinale plante, gesondheidsorgplante en seldsame groente, verhoog die tipes 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 tipes plantfabrieke en bereik deurlopende winsgewendheid met verskeie funksies.

4. Ontwikkelingstendens en vooruitsig van plantfabrieke

4.1 Tegnologie-ontwikkelingstendens

4.1.1 Volle-proses intellektualisering

Gebaseer op die masjienkuns-fusie- en verliesvoorkomingsmeganisme van die gewas-robotstelsel, moet hoëspoed-buigsame en nie-vernietigende plant- en oes-eindeffektors, verspreide multidimensionele ruimte-akkurate posisionering en multimodale multimasjien-samewerkende beheermetodes, en onbemande, doeltreffende en nie-vernietigende saai in hoë-aanlegfabrieke - intelligente robotte en ondersteunende toerusting soos plant-oes-verpakking geskep word, om sodoende die onbemande werking van die hele proses te verwesenlik.

4.1.2 Maak produksiebeheer slimmer

Gebaseer op die reaksiemeganisme van gewasgroei en -ontwikkeling op ligstraling, temperatuur, humiditeit, CO2-konsentrasie, nutriëntkonsentrasie van nutriëntoplossing en EC, moet 'n kwantitatiewe model van gewas-omgewing-terugvoer gekonstrueer word. 'n Strategiese kernmodel moet gevestig word om blaargroentelewensinligting en produksie-omgewingparameters dinamies te analiseer. 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 hoë-volume vertikale landboufabriek moet geskep word.

4.1.3 Lae koolstofproduksie en energiebesparing

Die 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. Die vaslegging en hergebruik van CO2-uitlatings om gewasproduksie te bevorder.

4.1.3 Hoë waarde van premium variëteite

Uitvoerbare strategieë moet gevolg word om verskillende variëteite met hoë waardetoegevoeging vir planteksperimente te teel, 'n databasis van kweektegnologie-kundiges op te bou, navorsing te doen oor kweektegnologie, digtheidskeuse, stoppelrangskikking, variëteit en toerustingaanpasbaarheid, en standaard kweektegniese spesifikasies te vorm.

4.2 Vooruitsigte vir nywerheidsontwikkeling

Plantfabrieke kan ontslae raak van die beperkings van hulpbronne en die omgewing, die geïndustrialiseerde produksie van landbou verwesenlik en die nuwe generasie arbeidsmag lok om by landbouproduksie betrokke te raak. Die sleutel tegnologiese innovasie en industrialisering van China se plantfabrieke word 'n wêreldleier. Met die versnelde toepassing van LED-ligbronne, digitalisering, outomatisering en intelligente tegnologieë op die gebied van plantfabrieke, sal plantfabrieke meer kapitaalbeleggings, 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 verwesenlik word, die intelligente en onbemande vlak van fasiliteite en toerusting verbeter word, die voortdurende vermindering van stelselenergieverbruik en bedryfskoste deur voortdurende innovasie, en die geleidelike kweek van gespesialiseerde markte, intelligente plantfabrieke sal 'n goue tydperk van ontwikkeling inlui.

Volgens marknavorsingsverslae is die globale vertikale boerderymark in 2020 slegs VS$2,9 miljard, en daar word verwag dat die globale vertikale boerderymark teen 2025 VS$30 miljard sal bereik. Kortom, plantfabrieke het breë toepassingsvooruitsigte en ontwikkelingsruimte.

Skrywer: Zengchan Zhou, Weidong, ens

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