Abstrak: Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, dengan penerokaan berterusan teknologi pertanian moden, industri kilang tumbuhan juga telah berkembang pesat. Kertas kerja ini memperkenalkan status quo, masalah sedia ada dan langkah balas pembangunan teknologi kilang loji dan pembangunan industri, dan menantikan arah aliran pembangunan dan prospek kilang loji pada masa hadapan.

1. Status terkini perkembangan teknologi di kilang kilang di China dan luar negara

1.1 Status quo pembangunan teknologi asing

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

Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, kilang-kilang tumbuhan secara beransur-ansur merealisasikan proses pengeluaran separa automasi daripada menyemai, membesarkan anak benih, memindahkan dan menuai. Jepun, Belanda dan Amerika Syarikat berada di barisan hadapan, dengan tahap mekanisasi, automasi dan kecerdasan yang tinggi, dan sedang membangun ke arah pertanian menegak dan operasi tanpa pemandu.

1.2 Status pembangunan teknologi di China

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

Sumber cahaya LED merah dan biru khas untuk pengeluaran pelbagai spesies tumbuhan di kilang tumbuhan telah dibangunkan satu demi satu. Kuasa berkisar antara 30 hingga 300 W, dan keamatan cahaya penyinaran ialah 80 hingga 500 μmol/(m2•s), yang boleh memberikan keamatan cahaya dengan julat ambang yang sesuai, parameter kualiti cahaya, untuk mencapai kesan kecekapan tinggi penjimatan tenaga dan menyesuaikan diri dengan keperluan pertumbuhan dan pencahayaan tumbuhan. Dari segi pengurusan pelesapan haba sumber cahaya, reka bentuk pelesapan haba aktif kipas sumber cahaya telah diperkenalkan, yang mengurangkan kadar pereputan cahaya sumber cahaya dan memastikan hayat sumber cahaya. Di samping itu, kaedah untuk mengurangkan haba sumber cahaya LED melalui larutan nutrien atau peredaran air dicadangkan. Dari segi pengurusan ruang sumber cahaya, mengikut undang-undang evolusi saiz tumbuhan di peringkat anak benih dan peringkat kemudian, melalui pengurusan pergerakan ruang menegak sumber cahaya LED, kanopi tumbuhan boleh diterangi pada jarak dekat dan matlamat penjimatan tenaga adalah dicapai. Pada masa ini, penggunaan tenaga sumber cahaya kilang cahaya buatan boleh menyumbang 50% hingga 60% daripada jumlah penggunaan tenaga operasi kilang. Walaupun LED boleh menjimatkan 50% tenaga 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 bagi penanaman tumbuhan. Terdapat banyak kajian mengenai reka bentuk bahagian bawah katil penanaman. Jalur yang dibangkitkan direka bentuk untuk menjana aliran bergelora, yang boleh membantu akar tumbuhan menyerap nutrien dalam larutan nutrien secara sekata dan meningkatkan kepekatan oksigen terlarut. Menggunakan papan penjajahan, terdapat dua kaedah penjajahan, iaitu cawan penjajahan plastik yang berbeza saiz atau mod penjajahan perimeter span. Sistem katil penanaman boleh menggelongsor telah muncul, dan papan penanaman dan tumbuhan di atasnya boleh ditolak secara manual dari satu hujung ke hujung yang lain, merealisasikan mod pengeluaran penanaman di satu hujung katil penanaman dan penuaian di hujung yang lain. Pada masa ini, pelbagai teknologi dan peralatan kultur tanpa tanah berbilang lapisan tiga dimensi berdasarkan teknologi filem cecair nutrien dan teknologi aliran cecair dalam telah dibangunkan, dan teknologi dan peralatan untuk penanaman substrat strawberi, penanaman aerosol sayur-sayuran berdaun dan bunga. telah timbul. Teknologi yang disebutkan telah berkembang dengan pesat.

1.2.3 Teknologi dan peralatan peredaran larutan nutrien

Selepas larutan nutrien telah digunakan untuk jangka masa tertentu, perlu menambah unsur air dan mineral. Secara amnya, jumlah larutan nutrien yang baru disediakan dan jumlah larutan asid-bes ditentukan dengan mengukur EC dan pH. Zarah besar sedimen atau pengelupasan akar dalam larutan nutrien perlu dikeluarkan oleh penapis. Eksudat akar dalam larutan nutrien boleh dikeluarkan dengan kaedah fotokatalitik 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 kilang. Kebersihan udara (penunjuk zarah terampai dan bakteria termendap) dalam ruang pengeluaran kilang kilang di bawah keadaan dinamik harus dikawal ke tahap melebihi 100,000. Input pembasmian kuman bahan, rawatan pancuran mandian udara kakitangan yang masuk, dan sistem pembersihan udara peredaran udara segar (sistem penapisan udara) semuanya merupakan perlindungan asas. Suhu dan kelembapan, kepekatan CO2 dan halaju aliran udara udara dalam ruang pengeluaran adalah satu lagi kandungan penting dalam kawalan kualiti udara. Menurut laporan, menyediakan peralatan seperti kotak pencampuran udara, saluran udara, saluran masuk udara dan saluran keluar udara secara sama rata dapat mengawal suhu dan kelembapan, kepekatan CO2 dan kelajuan aliran udara dalam ruang pengeluaran, untuk mencapai keseragaman ruang yang tinggi dan memenuhi keperluan tumbuhan. di lokasi spatial yang berbeza. Sistem kawalan suhu, kelembapan dan kepekatan CO2 dan sistem udara segar disepadukan secara organik ke dalam sistem udara beredar. Ketiga-tiga sistem perlu berkongsi saluran udara, saluran masuk udara dan saluran keluar udara, dan memberikan kuasa melalui kipas untuk merealisasikan peredaran aliran udara, penapisan dan pembasmian kuman, dan kemas kini dan keseragaman kualiti udara. Ia memastikan pengeluaran tumbuhan di kilang tumbuhan bebas daripada perosak dan penyakit, dan tiada penggunaan racun perosak diperlukan. Pada masa yang sama, keseragaman suhu, kelembapan, aliran udara dan kepekatan CO2 unsur-unsur persekitaran pertumbuhan dalam kanopi dijamin untuk memenuhi keperluan pertumbuhan tumbuhan.

2. Status Pembangunan Industri Kilang Loji

2.1 Status quo industri kilang tumbuhan asing

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

Belanda ialah peneraju dunia sebenar dalam bidang teknologi aplikasi gabungan cahaya suria dan cahaya buatan untuk kilang tumbuhan, dengan tahap mekanisasi, automasi, kecerdasan dan tanpa pemandu yang tinggi, dan kini telah mengeksport set lengkap teknologi dan peralatan sekuat produk ke Timur Tengah, Afrika, China dan negara-negara lain. Ladang American AeroFarms terletak di Newark, New Jersey, Amerika Syarikat, dengan keluasan 6500 m2. Ia terutamanya menanam sayur-sayuran dan rempah ratus, dan output adalah kira-kira 900 t/tahun.

Pertanian menegak di AeroFarms

Kilang tanaman pertanian menegak Plenty Company di Amerika Syarikat menggunakan lampu LED dan rangka 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 yang mendakwa ladangnya menghasilkan 350 kali ganda keluaran ladang konvensional manakala hanya menggunakan 1% daripada air.

Kilang tanaman pertanian menegak, Syarikat Banyak

2.2 Status industri kilang loji di China

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

Pada tahun 2010, Kilang Loji Tongzhou dibina di Beijing. Struktur utama menggunakan struktur keluli ringan satu lapisan dengan jumlah keluasan pembinaan 1289 m2. Ia berbentuk seperti kapal pengangkut pesawat, melambangkan pertanian China menerajui pelayaran ke teknologi pertanian moden yang paling canggih. Peralatan automatik untuk beberapa operasi pengeluaran sayur-sayuran berdaun telah dibangunkan, yang telah meningkatkan tahap automasi pengeluaran dan kecekapan pengeluaran kilang kilang. Kilang loji mengguna pakai sistem pam haba sumber tanah dan sistem penjanaan kuasa solar, yang lebih baik menyelesaikan masalah kos operasi yang tinggi untuk kilang loji.

Pemandangan dalam dan luar Kilang Tongzhou Plant

Pada tahun 2013, banyak syarikat teknologi pertanian telah ditubuhkan di Zon Demonstrasi Teknologi Tinggi Pertanian Yangling, Wilayah Shaanxi. Kebanyakan projek kilang kilang dalam pembinaan dan operasi terletak di taman demonstrasi berteknologi tinggi pertanian, yang digunakan terutamanya untuk demonstrasi sains popular dan bersiar-siar masa lapang. Disebabkan oleh keterbatasan fungsinya, kilang-kilang loji sains popular ini sukar untuk mencapai hasil tinggi dan kecekapan tinggi yang diperlukan oleh perindustrian, dan sukar bagi mereka untuk menjadi bentuk perindustrian arus perdana pada masa hadapan.

Pada tahun 2015, pengeluar cip LED utama di China bekerjasama dengan Institut Botani Akademi Sains China untuk bersama-sama memulakan penubuhan syarikat kilang tumbuhan. Ia telah beralih daripada industri optoelektronik kepada industri "fotobiologi", dan telah menjadi preseden bagi pengeluar LED China untuk melabur dalam pembinaan kilang kilang dalam perindustrian. Kilang Lojinya komited untuk membuat pelaburan industri dalam fotobiologi baru muncul, yang mengintegrasikan penyelidikan saintifik, pengeluaran, demonstrasi, inkubasi dan fungsi lain, dengan modal berdaftar sebanyak 100 juta yuan. Pada Jun 2016, Kilang Tumbuhan dengan bangunan 3 tingkat berkeluasan 3,000 m2 dan kawasan penanaman lebih daripada 10,000 m2 ini telah siap dan mula beroperasi. Menjelang Mei 2017, skala pengeluaran harian ialah 1,500 kg sayur-sayuran berdaun, bersamaan dengan 15,000 pokok salad setiap hari.

Pandangan syarikat ini

3. Masalah dan tindakan balas yang dihadapi oleh pembangunan kilang tumbuhan

3.1 Masalah

3.1.1 Kos pembinaan yang tinggi

Kilang tumbuhan perlu menghasilkan tanaman dalam persekitaran tertutup. Oleh itu, adalah perlu untuk membina projek dan peralatan sokongan termasuk struktur penyelenggaraan luaran, sistem penyaman udara, sumber cahaya buatan, sistem penanaman berbilang lapisan, peredaran larutan nutrien, dan sistem kawalan komputer. Kos pembinaannya agak tinggi.

3.1.2 Kos operasi yang tinggi

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

Pecahan kos pengeluaran untuk kilang loji

3.1.3 Tahap automasi yang rendah

Kilang loji yang digunakan pada masa ini mempunyai tahap automasi yang rendah, dan proses seperti anak benih, pemindahan, penanaman di ladang, dan penuaian masih memerlukan operasi manual, mengakibatkan kos buruh yang tinggi.

3.1.4 Varieti tanaman terhad yang boleh diusahakan

Pada masa ini, jenis tanaman yang sesuai untuk kilang tumbuhan adalah 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 didebungakan, dsb.).

3.2 Strategi Pembangunan

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

(1) Memperkukuh penyelidikan mengenai teknologi pintar kilang tumbuhan dan meningkatkan tahap pengurusan intensif dan halus. Pembangunan sistem pengurusan dan kawalan pintar membantu mencapai pengurusan kilang kilang yang intensif dan halus, yang boleh mengurangkan kos buruh dan menjimatkan buruh dengan banyak.

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

(3) Menjalankan penyelidikan mengenai teknologi penanaman industri untuk tumbuhan bernilai tambah tinggi seperti tumbuhan ubatan, tumbuhan penjagaan kesihatan, dan sayur-sayuran nadir, meningkatkan jenis tanaman yang diusahakan di kilang tumbuhan, meluaskan saluran keuntungan, dan meningkatkan titik permulaan keuntungan. .

(4) Menjalankan penyelidikan ke atas kilang tumbuhan untuk kegunaan isi rumah dan komersial, 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 penuh proses

Berdasarkan gabungan mesin-seni dan mekanisme pencegahan kehilangan sistem tanaman-robot, pengesan akhir penanaman dan penuaian yang fleksibel dan tidak merosakkan berkelajuan tinggi, mengagihkan kedudukan tepat ruang berbilang dimensi dan kaedah kawalan kolaboratif pelbagai mesin berbilang mod, dan penyemaian tanpa pemandu, cekap dan tidak merosakkan di kilang kilang bertingkat tinggi -Robot pintar dan peralatan sokongan seperti penanaman-penuaian-pembungkusan harus diwujudkan, sekali gus merealisasikan operasi tanpa pemandu keseluruhan proses.

4.1.2 Menjadikan kawalan pengeluaran lebih bijak

Berdasarkan mekanisme tindak balas pertumbuhan dan perkembangan tanaman kepada sinaran cahaya, suhu, kelembapan, kepekatan CO2, kepekatan nutrien larutan nutrien, dan EC, model kuantitatif maklum balas persekitaran tanaman harus dibina. Model teras strategik harus diwujudkan untuk menganalisis secara dinamik maklumat hidupan sayuran berdaun dan parameter persekitaran pengeluaran. Diagnosis pengenalan dinamik dalam talian dan sistem kawalan proses persekitaran juga harus diwujudkan. Sistem membuat keputusan kecerdasan buatan kolaboratif berbilang mesin untuk keseluruhan proses pengeluaran kilang pertanian menegak volum 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 melengkapkan 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 perlu diambil untuk membiak varieti nilai tambah tinggi yang berbeza untuk eksperimen penanaman, membina pangkalan data pakar teknologi penanaman, menjalankan penyelidikan mengenai teknologi penanaman, pemilihan ketumpatan, susunan tunggul, kebolehsuaian varieti dan peralatan, dan membentuk spesifikasi teknikal penanaman standard.

4.2 Prospek pembangunan industri

Kilang kilang boleh menyingkirkan kekangan sumber dan alam sekitar, merealisasikan pengeluaran perindustrian pertanian, dan menarik tenaga buruh generasi baharu untuk melibatkan diri dalam pengeluaran pertanian. Inovasi teknologi utama dan perindustrian kilang kilang China menjadi peneraju dunia. Dengan aplikasi dipercepatkan sumber cahaya LED, pendigitalan, automasi, dan teknologi pintar dalam bidang kilang kilang, kilang kilang akan menarik lebih banyak pelaburan modal, pengumpulan bakat, dan penggunaan lebih banyak tenaga baharu, bahan baharu dan peralatan baharu. Dengan cara ini, integrasi teknologi maklumat dan kemudahan dan peralatan yang mendalam dapat direalisasikan, tahap kemudahan dan peralatan yang pintar dan tanpa pemandu dapat ditingkatkan, pengurangan berterusan penggunaan tenaga sistem dan kos operasi melalui inovasi berterusan, dan secara beransur-ansur. penanaman pasaran khusus, kilang-kilang tumbuhan pintar akan memulakan tempoh keemasan pembangunan.

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

Pengarang: Zengchan Zhou, Weidong, dsb

Maklumat petikan:Situasi Semasa dan Prospek Pembangunan Industri Kilang Loji [J]. Teknologi Kejuruteraan Pertanian, 2022, 42(1): 18-23.oleh Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.