Abstrak: Dalam tahun -tahun kebelakangan ini, dengan penerokaan teknologi pertanian moden yang berterusan, industri kilang tumbuhan juga telah berkembang pesat. Makalah ini memperkenalkan status quo, masalah sedia ada dan penangguhan pembangunan teknologi kilang dan pembangunan industri, dan menantikan trend pembangunan dan prospek kilang tumbuhan di masa depan.

1. Status pembangunan teknologi semasa di kilang -kilang tumbuhan di China dan di luar negara

1.1 status quo pembangunan teknologi asing

Sejak abad ke-21, penyelidikan kilang-kilang tumbuhan terutamanya memberi tumpuan kepada peningkatan kecekapan cahaya, penciptaan peralatan sistem penanaman tiga dimensi pelbagai lapisan, dan penyelidikan dan pembangunan pengurusan dan kawalan pintar. Pada abad ke-21, inovasi sumber cahaya LED pertanian telah membuat kemajuan, memberikan sokongan teknikal yang penting untuk penerapan sumber cahaya penjimatan tenaga LED di kilang-kilang tumbuhan. Universiti Chiba di Jepun telah membuat beberapa inovasi dalam sumber cahaya kecekapan tinggi, kawalan alam sekitar penjimatan tenaga, dan teknik penanaman. Universiti Wageningen di Belanda menggunakan simulasi tanaman dan teknologi pengoptimuman dinamik untuk membangunkan sistem peralatan pintar untuk kilang-kilang tumbuhan, yang sangat mengurangkan kos operasi dan meningkatkan produktiviti buruh dengan ketara.

Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, kilang-kilang tumbuhan secara beransur-ansur menyedari separuh automasi proses pengeluaran daripada menyemai, menaikkan anak, pemindahan, dan penuaian. Jepun, Belanda, dan Amerika Syarikat berada di barisan hadapan, dengan tahap mekanisasi, automasi, dan kecerdasan yang tinggi, dan sedang berkembang ke arah pertanian menegak dan operasi tanpa pemandu.

1.2 Status Pembangunan Teknologi di China

1.2.1 Sumber cahaya LED Khas dan peralatan teknologi aplikasi penjimatan tenaga untuk cahaya buatan di kilang tumbuhan

Sumber cahaya LED merah dan biru khas untuk pengeluaran pelbagai spesies tumbuhan di kilang -kilang tumbuhan telah dibangunkan satu demi satu. Kuasa berkisar antara 30 hingga 300 W, dan intensiti cahaya penyinaran adalah 80 hingga 500 μmol/(m2 • s), yang dapat memberikan intensitas cahaya dengan julat ambang yang sesuai, parameter kualiti cahaya, untuk mencapai kesan kecekapan tinggi Penjimatan tenaga dan menyesuaikan diri dengan keperluan pertumbuhan tumbuhan dan pencahayaan. Dari segi sumber pelesapan haba sumber cahaya, reka bentuk pelesapan haba aktif kipas sumber cahaya telah diperkenalkan, yang mengurangkan kadar kerosakan cahaya sumber cahaya dan memastikan kehidupan sumber cahaya. Di samping itu, kaedah untuk mengurangkan haba sumber cahaya LED melalui penyelesaian nutrien atau peredaran air dicadangkan. Dari segi pengurusan ruang sumber cahaya, menurut undang -undang evolusi saiz tumbuhan di peringkat anak benih dan kemudiannya, melalui pengurusan pergerakan ruang menegak sumber cahaya LED, kanopi tumbuhan dapat diterangi pada jarak dekat dan matlamat penjimatan tenaga adalah dicapai. Pada masa ini, penggunaan tenaga sumber cahaya kilang cahaya tiruan boleh menyumbang 50% hingga 60% daripada jumlah penggunaan tenaga operasi kilang loji. Walaupun LED dapat menjimatkan tenaga 50% berbanding dengan lampu pendarfluor, masih terdapat potensi dan keperluan penyelidikan mengenai penjimatan tenaga dan pengurangan penggunaan.

1.2.2 Teknologi dan peralatan penanaman tiga dimensi pelbagai lapisan

Jurang lapisan penanaman tiga dimensi berbilang lapisan dikurangkan kerana LED menggantikan lampu pendarfluor, yang meningkatkan kecekapan penggunaan ruang tiga dimensi penanaman tumbuhan. Terdapat banyak kajian mengenai reka bentuk bahagian bawah katil penanaman. Jalur yang dibangkitkan direka untuk menghasilkan aliran bergelora, yang dapat membantu menanam akar untuk menyerap nutrien dalam larutan nutrien secara merata dan meningkatkan kepekatan oksigen terlarut. Menggunakan papan penjajahan, terdapat dua kaedah penjajahan, iaitu, cawan penjajahan plastik saiz yang berbeza atau mod penjajahan perimeter span. Sistem katil penanaman yang slidable telah muncul, dan papan penanaman dan tumbuh -tumbuhan di atasnya boleh ditolak secara manual dari satu hujung ke yang lain, menyedari mod pengeluaran penanaman di satu hujung katil penanaman dan menuai di hujung yang lain. Pada masa ini, pelbagai teknologi dan peralatan kultur multi-lapisan tiga dimensi berdasarkan teknologi filem cecair nutrien dan teknologi aliran cecair yang mendalam telah dibangunkan, dan teknologi dan peralatan untuk penanaman substrat strawberi, penanaman aerosol sayur-sayuran dan bunga berdaun telah muncul. Teknologi yang disebutkan telah berkembang pesat.

1.2.3 Teknologi dan peralatan peredaran penyelesaian nutrien

Selepas penyelesaian nutrien telah digunakan untuk tempoh masa, perlu menambah unsur air dan mineral. Umumnya, jumlah penyelesaian nutrien yang baru disediakan dan jumlah larutan asid-asas ditentukan dengan mengukur EC dan pH. Zarah besar sedimen atau pengelupasan akar dalam larutan nutrien perlu dikeluarkan oleh penapis. Akar exudates dalam larutan nutrien boleh dikeluarkan oleh kaedah photocatalytic untuk mengelakkan halangan tanaman berterusan dalam hidroponik, tetapi terdapat risiko tertentu dalam ketersediaan nutrien.

1.2.4 Teknologi dan peralatan kawalan alam sekitar

Kebersihan udara ruang pengeluaran adalah salah satu petunjuk penting kualiti udara kilang tumbuhan. Kebersihan udara (penunjuk zarah yang digantung dan bakteria yang diselesaikan) di ruang pengeluaran kilang tumbuhan di bawah keadaan dinamik harus dikawal ke tahap di atas 100,000. Input pembasmian kuman bahan, rawatan pancuran udara yang masuk, dan sistem penyucian udara peredaran udara segar (sistem penapisan udara) adalah semua perlindungan asas. Suhu dan kelembapan, kepekatan CO2 dan halaju aliran udara udara di ruang pengeluaran adalah satu lagi kandungan penting kawalan kualiti udara. Menurut laporan, menubuhkan peralatan seperti kotak pencampuran udara, saluran udara, saluran masuk udara dan saluran udara secara merata dapat mengawal suhu dan kelembapan, kepekatan CO2 dan kelajuan aliran udara di ruang pengeluaran, untuk mencapai keseragaman spasial yang tinggi dan memenuhi keperluan loji di lokasi spatial yang berbeza. Sistem kawalan suhu, kelembapan dan kepekatan CO2 dan sistem udara segar disatukan secara organik ke dalam sistem udara yang beredar. Ketiga sistem ini perlu berkongsi saluran udara, saluran masuk udara dan saluran udara, dan memberi kuasa melalui kipas untuk merealisasikan peredaran aliran udara, penapisan dan pembasmian kuman, dan kemas kini dan keseragaman kualiti udara. Ia memastikan bahawa pengeluaran tumbuhan di kilang tumbuhan bebas daripada perosak dan penyakit, dan tiada permohonan racun perosak diperlukan. Pada masa yang sama, keseragaman suhu, kelembapan, aliran udara dan kepekatan CO2 unsur -unsur persekitaran pertumbuhan di kanopi dijamin memenuhi keperluan pertumbuhan tumbuhan.

2. Status pembangunan industri kilang tumbuhan

2.1 Status Quo Industri Kilang Loji Asing

Di Jepun, penyelidikan dan pembangunan dan perindustrian kilang -kilang tumbuhan cahaya tiruan agak cepat, dan mereka berada di tahap utama. Pada tahun 2010, kerajaan Jepun melancarkan 50 bilion yen untuk menyokong penyelidikan dan pembangunan teknologi dan demonstrasi industri. Lapan institusi termasuk Persatuan Penyelidikan Kilang Universiti Chiba dan Jepun mengambil bahagian. Syarikat Jepun Masa Depan menjalankan dan mengendalikan projek demonstrasi perindustrian pertama sebuah kilang tumbuhan dengan output harian sebanyak 3,000 loji. Pada tahun 2012, kos pengeluaran kilang tumbuhan adalah 700 yen/kg. Pada tahun 2014, kilang kilang kilang moden di Taga Castle, Prefektur Miyagi telah siap, menjadi kilang tumbuhan yang pertama di dunia dengan output harian sebanyak 10,000 tumbuhan. Sejak tahun 2016, kilang-kilang tumbuhan yang diketuai telah memasuki lorong perindustrian yang cepat di Jepun, dan perusahaan-perusahaan yang beralih atau menguntungkan telah muncul satu demi satu. Pada tahun 2018, kilang-kilang tumbuhan berskala besar dengan kapasiti pengeluaran harian sebanyak 50,000 hingga 100,000 tumbuhan muncul satu demi satu, dan kilang-kilang loji global berkembang ke arah pembangunan berskala besar, profesional dan pintar. Pada masa yang sama, Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power dan ladang lain mula melabur di kilang -kilang tumbuhan. Pada tahun 2020, bahagian pasaran salad yang dihasilkan oleh kilang -kilang tumbuhan Jepun akan menyumbang kira -kira 10% daripada keseluruhan pasaran selada. Di antara lebih daripada 250 kilang-kilang tumbuhan jenis cahaya tiruan yang sedang beroperasi, 20% berada dalam tahap kerugian, 50% berada pada tahap pemecahan, dan 30% berada dalam tahap yang menguntungkan, yang melibatkan spesies tumbuhan yang ditanam seperti selada, herba, dan anak benih.

Belanda adalah pemimpin dunia sebenar dalam bidang teknologi aplikasi gabungan cahaya solar dan cahaya buatan untuk kilang tumbuhan, dengan tahap mekanisasi, automasi, kecerdasan dan kecerdasan yang tinggi, dan kini telah mengeksport satu set penuh teknologi dan peralatan sebagai kuat Produk ke Timur Tengah, Afrika, China dan negara -negara lain. American Aerofarms Farm terletak di Newark, New Jersey, Amerika Syarikat, dengan kawasan 6500 m2. Ia terutamanya tumbuh sayur -sayuran dan rempah -rempah, dan outputnya adalah kira -kira 900 t/tahun.

Pertanian menegak di aerofarms

Kilang loji pertanian menegak banyak syarikat di Amerika Syarikat mengamalkan pencahayaan LED dan bingkai penanaman menegak dengan ketinggian 6 m. Tumbuhan tumbuh dari sisi penanam. Bergantung pada penyiraman graviti, kaedah penanaman ini tidak memerlukan pam tambahan dan lebih cekap air daripada pertanian konvensional. Banyak mendakwa ladangnya menghasilkan 350 kali output ladang konvensional sambil menggunakan hanya 1% air.

Kilang Loji Pertanian Menegak, Banyak Syarikat

2.2 Industri Kilang Loji Status di China

Pada tahun 2009, kilang loji pengeluaran pertama di China dengan kawalan pintar sebagai teras dibina dan dimasukkan ke dalam operasi di Taman Ekspo Pertanian Changchun. Kawasan bangunan adalah 200 m2, dan faktor persekitaran seperti suhu, kelembapan, cahaya, CO2 dan kepekatan penyelesaian nutrien kilang tumbuhan boleh dipantau secara automatik dalam masa nyata untuk merealisasikan pengurusan pintar.

Pada tahun 2010, kilang tumbuhan Tongzhou yang dibina di Beijing. Struktur utama mengamalkan struktur keluli cahaya satu lapisan dengan jumlah kawasan pembinaan sebanyak 1289 m2. Ia berbentuk seperti pembawa pesawat, melambangkan pertanian Cina memimpin dalam menetapkan belayar ke teknologi pertanian moden yang paling maju. Peralatan automatik untuk beberapa operasi pengeluaran sayur -sayuran berdaun telah dibangunkan, yang telah meningkatkan tahap automasi pengeluaran dan kecekapan pengeluaran kilang loji. Kilang tumbuhan mengamalkan sistem pam haba sumber tanah dan sistem penjanaan kuasa solar, yang lebih baik menyelesaikan masalah kos operasi yang tinggi untuk kilang loji.

Di dalam dan di luar pemandangan kilang tumbuhan Tongzhou

Pada tahun 2013, banyak syarikat teknologi pertanian telah ditubuhkan di Zon Demonstrasi Teknologi Teknologi Pertanian Yangling, Wilayah Shaanxi. Kebanyakan projek kilang tumbuhan yang sedang dibina dan operasi terletak di taman demonstrasi berteknologi tinggi pertanian, yang kebanyakannya digunakan untuk demonstrasi sains popular dan bersiar-siar. Oleh kerana batasan fungsinya, sukar bagi kilang -kilang tumbuhan sains popular ini untuk mencapai hasil yang tinggi dan kecekapan tinggi yang diperlukan oleh perindustrian, dan sukar bagi mereka untuk menjadi bentuk perindustrian arus perdana pada masa akan datang.

Pada tahun 2015, pengeluar cip utama LED di China bekerjasama dengan Institut Botani Akademi Sains China untuk bersama -sama memulakan penubuhan sebuah syarikat kilang tumbuhan. Ia telah melintasi industri optoelektronik ke industri "fotobiologi", dan telah menjadi preseden bagi pengeluar LED Cina untuk melabur dalam pembinaan kilang -kilang tumbuhan dalam perindustrian. Kilang tumbuhannya komited untuk membuat pelaburan perindustrian dalam fotobiologi yang baru muncul, yang mengintegrasikan penyelidikan saintifik, pengeluaran, demonstrasi, inkubasi dan fungsi lain, dengan modal berdaftar sebanyak 100 juta yuan. Pada bulan Jun 2016, kilang tumbuhan ini dengan bangunan 3 tingkat yang meliputi kawasan seluas 3,000 m2 dan kawasan penanaman lebih daripada 10,000 m2 telah siap dan dimasukkan ke dalam operasi. Menjelang Mei 2017, Skala Pengeluaran Harian akan menjadi 1,500 kg sayur -sayuran berdaun, bersamaan dengan 15,000 tumbuhan salad setiap hari.

Pandangan syarikat ini

3. Masalah dan tindak balas yang dihadapi perkembangan kilang tumbuhan

3.1 Masalah

3.1.1 Kos Pembinaan Tinggi

Kilang tumbuhan perlu menghasilkan tanaman di persekitaran tertutup. Oleh itu, adalah perlu untuk membina projek dan peralatan sokongan termasuk struktur penyelenggaraan luaran, sistem penghawa dingin, sumber cahaya buatan, sistem penanaman pelbagai lapisan, peredaran penyelesaian nutrien, dan sistem kawalan komputer. Kos pembinaan agak tinggi.

3.1.2 Kos Operasi Tinggi

Kebanyakan sumber cahaya yang diperlukan oleh kilang -kilang tumbuhan berasal dari lampu LED, yang menggunakan banyak elektrik sambil menyediakan spektrum yang sepadan untuk pertumbuhan tanaman yang berbeza. Peralatan seperti penghawa dingin, pengudaraan, dan pam air dalam proses pengeluaran kilang -kilang tumbuhan juga menggunakan elektrik, jadi bil elektrik adalah perbelanjaan yang besar. Menurut statistik, di antara kos pengeluaran kilang loji, kos elektrik menyumbang 29%, kos buruh menyumbang 26%, penyusutan aset tetap menyumbang 23%, akaun pembungkusan dan pengangkutan untuk 12%, dan bahan pengeluaran menyumbang 10%.

Penangguhan kos pengeluaran untuk kilang tumbuhan

3.1.3 Tahap Automasi Rendah

Kilang tumbuhan yang digunakan sekarang mempunyai tahap automasi yang rendah, dan proses seperti anak benih, pemindahan, penanaman lapangan, dan penuaian masih memerlukan operasi manual, mengakibatkan kos buruh yang tinggi.

3.1.4 jenis tanaman terhad yang boleh ditanam

Pada masa ini, jenis tanaman yang sesuai untuk kilang -kilang tumbuhan sangat terhad, terutamanya sayur -sayuran berdaun hijau yang tumbuh dengan cepat, mudah menerima sumber cahaya buatan, dan mempunyai kanopi yang rendah. Penanaman berskala besar tidak boleh dijalankan untuk keperluan penanaman yang kompleks (seperti tanaman yang perlu disemai, dan sebagainya).

3.2 Strategi Pembangunan

Memandangkan masalah yang dihadapi oleh industri kilang tumbuhan, perlu menjalankan penyelidikan dari pelbagai aspek seperti teknologi dan operasi. Sebagai tindak balas kepada masalah semasa, tindak balas adalah seperti berikut.

(1) mengukuhkan penyelidikan mengenai teknologi pintar kilang -kilang tumbuhan dan meningkatkan tahap pengurusan intensif dan halus. Pembangunan sistem pengurusan dan kawalan pintar membantu mencapai pengurusan kilang -kilang tumbuhan yang intensif dan halus, yang dapat mengurangkan kos buruh dan menjimatkan buruh.

(2) Membangunkan peralatan teknikal kilang tumbuhan yang intensif dan cekap untuk mencapai kualiti tinggi dan hasil tinggi tahunan. Pembangunan kemudahan dan peralatan penanaman kecekapan tinggi, teknologi pencahayaan dan peralatan pencahayaan tenaga, dan lain-lain, untuk meningkatkan tahap pintar kilang-kilang tumbuhan, adalah kondusif untuk merealisasikan pengeluaran kecekapan tinggi tahunan.

(3. .

(4) Menjalankan penyelidikan mengenai kilang -kilang tumbuhan untuk kegunaan isi rumah dan komersil, memperkayakan jenis kilang tumbuhan, dan mencapai keuntungan berterusan dengan pelbagai fungsi.

4. Trend Pembangunan dan Prospek Kilang Loji

4.1 Trend Pembangunan Teknologi

4.1.1 intelektualisasi proses penuh

Berdasarkan mekanisme pencegahan mesin dan kerugian mesin sistem robot tanaman, penanaman fleksibel dan tidak memusnahkan dan menuai pengesan akhir, diedarkan ruang multi-dimensi yang tepat dan kaedah kawalan kolaboratif multi-modal berbilang modal, dan penanaman tanpa pemandu, efisien dan tidak merosakkan di kilang-kilang tumbuhan bertingkat tinggi-robot dan peralatan sokongan seperti Penanaman penanaman penuaian hendaklah diwujudkan, dengan itu menyedari operasi tanpa pemandu keseluruhan proses.

4.1.2 Buat kawalan pengeluaran lebih pintar

Berdasarkan mekanisme tindak balas pertumbuhan dan perkembangan tanaman kepada radiasi cahaya, suhu, kelembapan, kepekatan CO2, kepekatan nutrien penyelesaian nutrien, dan EC, model kuantitatif maklum balas tanaman tanaman harus dibina. Model teras strategik harus diwujudkan untuk menganalisis secara dinamik maklumat kehidupan sayur -sayuran dan parameter persekitaran pengeluaran. Diagnosis pengenalan dinamik dalam talian dan sistem kawalan proses alam sekitar juga perlu ditubuhkan. Sistem membuat keputusan kecerdasan buatan kerjasama pelbagai mesin untuk keseluruhan proses pengeluaran kilang pertanian menegak tinggi harus diwujudkan.

4.1.3 Pengeluaran Karbon Rendah dan Penjimatan Tenaga

Mewujudkan sistem pengurusan tenaga yang menggunakan sumber tenaga boleh diperbaharui seperti solar dan angin untuk menyelesaikan penghantaran kuasa dan mengawal penggunaan tenaga untuk mencapai matlamat pengurusan tenaga yang optimum. Menangkap dan menggunakan semula pelepasan CO2 untuk membantu pengeluaran tanaman.

4.1.3 Nilai tinggi varieti premium

Strategi yang boleh dilaksanakan harus diambil untuk membiak pelbagai jenis tambah nilai tinggi untuk menanam eksperimen, membina pangkalan data pakar teknologi penanaman, menjalankan penyelidikan mengenai teknologi penanaman, pemilihan ketumpatan, susunan tunggul, pelbagai dan kesesuaian peralatan, dan membentuk spesifikasi teknikal penanaman standard.

4.2 Prospek Pembangunan Industri

Kilang -kilang tumbuhan dapat menghilangkan kekangan sumber dan alam sekitar, merealisasikan pengeluaran pertanian perindustrian, dan menarik generasi baru tenaga buruh untuk terlibat dalam pengeluaran pertanian. Inovasi teknologi utama dan perindustrian kilang -kilang tumbuhan China menjadi pemimpin dunia. Dengan penggunaan sumber cahaya LED, pendigitan, automasi, dan teknologi pintar yang dipercepatkan dalam bidang kilang -kilang tumbuhan, kilang -kilang tumbuhan akan menarik lebih banyak pelaburan modal, perhimpunan bakat, dan penggunaan tenaga baru, bahan baru, dan peralatan baru. Dengan cara ini, integrasi teknologi dan kelengkapan maklumat yang mendalam dapat direalisasikan, tahap kemudahan dan peralatan pintar dan tanpa pemandu dapat diperbaiki, pengurangan penggunaan tenaga sistem dan kos operasi yang berterusan melalui inovasi berterusan, dan secara beransur-ansur Penanaman pasaran khusus, kilang -kilang tumbuhan pintar akan menyambut pembangunan keemasan.

Menurut laporan penyelidikan pasaran, saiz pasaran pertanian menegak global pada tahun 2020 hanya AS $ 2.9 bilion, dan dijangka menjelang 2025, saiz pasaran pertanian menegak global akan mencapai AS $ 30 bilion. Ringkasnya, kilang -kilang tumbuhan mempunyai prospek aplikasi yang luas dan ruang pembangunan.

Pengarang: Zengchan Zhou, Weidong, dll

Maklumat Petikan:Keadaan semasa dan prospek pembangunan industri kilang tumbuhan [J]. Teknologi Kejuruteraan Pertanian, 2022, 42 (1): 18-23.Oleh Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.