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-langkah penanggulangan pembangunan teknologi kilang tumbuhan dan pembangunan industri, dan menantikan trend pembangunan dan prospek kilang tumbuhan pada masa hadapan.

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

1.1 Status quo pembangunan teknologi asing

Sejak abad ke-21, penyelidikan kilang tumbuhan 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, menyediakan sokongan teknikal yang penting untuk aplikasi sumber cahaya penjimatan tenaga LED di kilang tumbuhan. 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 persekitaran tanaman dan teknologi pengoptimuman dinamik untuk membangunkan sistem peralatan pintar untuk kilang tumbuhan, yang dapat mengurangkan kos operasi dan meningkatkan produktiviti buruh dengan ketara.

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, kilang-kilang tumbuhan secara beransur-ansur telah merealisasikan separa automasi proses pengeluaran daripada menyemai, menternak 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 Peralatan teknologi aplikasi sumber cahaya LED dan penjimatan tenaga khusus untuk cahaya buatan di kilang loji

Sumber cahaya LED merah dan biru khas untuk pengeluaran pelbagai spesies tumbuhan di kilang tumbuhan telah dibangunkan satu demi satu. Kuasanya berkisar antara 30 hingga 300 W, dan keamatan cahaya penyinaran adalah 80 hingga 500 μmol/(m2•s), yang boleh memberikan keamatan cahaya dengan julat ambang yang sesuai, parameter kualiti cahaya, untuk mencapai kesan penjimatan tenaga berkecekapan tinggi 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 jangka 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 hukum evolusi saiz tumbuhan pada peringkat anak benih dan peringkat seterusnya, melalui pengurusan pergerakan ruang menegak sumber cahaya LED, kanopi tumbuhan boleh diterangi pada jarak dekat dan matlamat penjimatan tenaga dicapai. Pada masa ini, penggunaan tenaga sumber cahaya kilang loji cahaya buatan boleh menyumbang 50% hingga 60% daripada jumlah penggunaan tenaga operasi kilang. Walaupun LED boleh menjimatkan tenaga sebanyak 50% berbanding lampu pendarfluor, masih terdapat potensi dan keperluan penyelidikan mengenai penjimatan tenaga dan pengurangan penggunaan.

1.2.2 Teknologi dan peralatan penanaman tiga dimensi berbilang lapisan

Jurang lapisan penanaman tiga dimensi berbilang lapisan berkurangan kerana LED menggantikan lampu pendarfluor, yang meningkatkan kecekapan penggunaan ruang tiga dimensi penanaman tumbuhan. Terdapat banyak kajian mengenai reka bentuk bahagian bawah batas penanaman. Jalur yang dinaikkan direka bentuk untuk menghasilkan aliran bergelora, yang dapat 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 dengan saiz yang berbeza atau mod penjajahan perimeter span. Sistem batas penanaman boleh luncur telah muncul, dan papan penanaman serta tumbuhan di atasnya boleh ditolak secara manual dari satu hujung ke hujung yang lain, merealisasikan mod pengeluaran penanaman di satu hujung batas 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 muncul. Teknologi yang disebutkan telah berkembang pesat.

1.2.3 Teknologi dan peralatan peredaran larutan nutrien

Selepas larutan nutrien digunakan untuk tempoh masa tertentu, air dan unsur mineral perlu ditambah. 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 dengan penapis. Eksudat akar dalam larutan nutrien boleh dikeluarkan melalui kaedah fotopemangkin 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 merupakan salah satu petunjuk penting kualiti udara kilang. Kebersihan udara (petunjuk zarah terampai dan bakteria yang mendap) di ruang pengeluaran kilang di bawah keadaan dinamik harus dikawal ke tahap melebihi 100,000. Input pembasmian kuman bahan, rawatan pancuran udara kakitangan yang masuk, dan sistem penulenan udara peredaran udara segar (sistem penapisan udara) semuanya merupakan langkah perlindungan asas. Suhu dan kelembapan, kepekatan CO2 dan halaju aliran udara di ruang pengeluaran merupakan satu lagi kandungan penting kawalan kualiti udara. Menurut laporan, penyediaan peralatan seperti kotak pencampuran udara, saluran udara, saluran masuk udara dan saluran keluar udara dapat mengawal suhu dan kelembapan, kepekatan CO2 dan kelajuan aliran udara secara sekata di ruang pengeluaran, untuk mencapai keseragaman ruang yang tinggi dan memenuhi keperluan kilang di lokasi ruang yang berbeza. Sistem kawalan suhu, kelembapan dan kepekatan CO2 serta sistem udara segar disepadukan secara organik ke dalam sistem udara yang beredar. Ketiga-tiga sistem ini perlu berkongsi saluran udara, saluran masuk dan saluran keluar udara, dan membekalkan kuasa melalui kipas untuk merealisasikan peredaran aliran udara, penapisan dan pembasmian kuman, serta pengemaskinian 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 elemen persekitaran pertumbuhan di kanopi dijamin memenuhi keperluan pertumbuhan tumbuhan.

2. Status Pembangunan Industri Kilang Loji

2.1 Status quo industri kilang loji asing

Di Jepun, penyelidikan dan pembangunan serta perindustrian kilang loji cahaya tiruan agak pantas, dan ia berada di tahap yang terkemuka. Pada tahun 2010, kerajaan Jepun melancarkan 50 bilion yen untuk menyokong penyelidikan dan pembangunan teknologi dan demonstrasi perindustrian. Lapan institusi termasuk Universiti Chiba dan Persatuan Penyelidikan Kilang Loji Jepun telah mengambil bahagian. Syarikat Masa Depan Jepun telah menjalankan dan mengendalikan projek demonstrasi perindustrian pertama sebuah kilang loji dengan output harian sebanyak 3,000 loji. Pada tahun 2012, kos pengeluaran kilang loji tersebut ialah 700 yen/kg. Pada tahun 2014, kilang loji moden di Istana Taga, Wilayah Miyagi telah siap dibina, menjadi kilang loji LED pertama di dunia dengan output harian sebanyak 10,000 loji. Sejak tahun 2016, kilang loji LED telah memasuki lorong pantas perindustrian di Jepun, dan perusahaan pulang modal atau yang menguntungkan telah muncul satu demi satu. Pada tahun 2018, kilang-kilang loji berskala besar dengan kapasiti pengeluaran harian sebanyak 50,000 hingga 100,000 loji muncul satu demi satu, dan kilang-kilang loji global sedang berkembang ke arah pembangunan berskala besar, profesional dan pintar. Pada masa yang sama, Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power dan bidang-bidang lain mula melabur dalam kilang-kilang loji. Pada tahun 2020, bahagian pasaran salad yang dihasilkan oleh kilang-kilang loji Jepun akan menyumbang kira-kira 10% daripada keseluruhan pasaran salad. Antara lebih 250 kilang loji jenis ringan tiruan 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 salad, herba, dan anak benih.

Belanda merupakan peneraju dunia sebenar dalam bidang teknologi aplikasi gabungan cahaya suria dan cahaya buatan untuk kilang loji, dengan tahap mekanisasi, automasi, kecerdasan dan kawalan tanpa pemandu yang tinggi, dan kini telah mengeksport satu set lengkap teknologi dan peralatan sebagai produk yang kukuh 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 outputnya adalah kira-kira 900 tan/tahun.

Pertanian menegak di AeroFarms

Kilang tanaman pertanian menegak milik Plenty Company di Amerika Syarikat menggunakan lampu LED dan rangka tanaman menegak setinggi 6 m. Tanaman tumbuh dari sisi pasu. Bergantung pada penyiraman graviti, kaedah penanaman ini tidak memerlukan pam tambahan dan lebih cekap air berbanding pertanian konvensional. Plenty mendakwa ladangnya menghasilkan 350 kali ganda output ladang konvensional dengan hanya menggunakan 1% air.

Kilang tanaman pertanian menegak, Syarikat Plenty

2.2 Industri kilang loji status di China

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

Pada tahun 2010, Kilang Kilang 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 Cina yang menerajui 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 kilang menggunakan sistem pam haba sumber tanah dan sistem penjanaan kuasa solar, yang menyelesaikan masalah kos operasi yang tinggi untuk kilang kilang dengan lebih baik.

Pemandangan dalam dan luar Kilang Loji Tongzhou

Pada tahun 2013, banyak syarikat teknologi pertanian telah ditubuhkan di Zon Demonstrasi Teknologi Tinggi Pertanian Yangling, Wilayah Shaanxi. Kebanyakan projek kilang tumbuhan yang sedang dibina dan beroperasi terletak di taman demonstrasi teknologi tinggi pertanian, yang kebanyakannya digunakan untuk demonstrasi sains popular dan bersiar-siar. Disebabkan oleh batasan fungsinya, sukar bagi 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 hadapan.

Pada tahun 2015, sebuah pengeluar cip LED utama di China telah bekerjasama dengan Institut Botani Akademi Sains China untuk bersama-sama memulakan penubuhan sebuah 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 tumbuhan dalam perindustrian. Kilang Tumbuhannya komited untuk membuat pelaburan perindustrian dalam fotobiologi yang sedang 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 mula beroperasi. Menjelang Mei 2017, skala pengeluaran harian akan menjadi 1,500 kg sayur-sayuran berdaun, bersamaan dengan 15,000 pokok salad setiap hari.

Pandangan tentang syarikat ini

3. Masalah dan langkah pencegahan yang dihadapi oleh pembangunan kilang-kilang

3.1 Masalah

3.1.1 Kos pembinaan yang tinggi

Kilang-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 berasal daripada 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 tumbuhan juga menggunakan elektrik, jadi bil elektrik merupakan perbelanjaan yang besar. Menurut statistik, antara kos pengeluaran kilang tumbuhan, 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 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 tanaman 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 loji, adalah perlu untuk menjalankan penyelidikan dari pelbagai aspek seperti teknologi dan operasi. Sebagai tindak balas kepada masalah semasa, langkah-langkah penanggulangan adalah seperti berikut.

(1) Memperkukuhkan penyelidikan mengenai teknologi pintar kilang loji dan meningkatkan tahap pengurusan yang intensif dan halus. Pembangunan sistem pengurusan dan kawalan pintar membantu mencapai pengurusan kilang loji yang intensif dan halus, yang dapat mengurangkan kos buruh dan menjimatkan tenaga kerja dengan ketara.

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

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

(4) Menjalankan penyelidikan mengenai 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 proses penuh

Berdasarkan mekanisme gabungan mesin-seni dan pencegahan kehilangan sistem tanaman-robot, efektor hujung penanaman dan penuaian yang fleksibel dan tidak musnah berkelajuan tinggi, kedudukan tepat ruang berbilang dimensi teragih dan kaedah kawalan kolaboratif berbilang mesin berbilang modal, dan penyemaian tanpa pemandu, cekap dan tidak musnah di kilang loji bertingkat tinggi - Robot pintar dan peralatan sokongan seperti penanaman-penuaian-pembungkusan perlu diwujudkan, sekali gus merealisasikan operasi tanpa pemandu bagi keseluruhan proses.

4.1.2 Jadikan kawalan pengeluaran lebih pintar

Berdasarkan mekanisme tindak balas pertumbuhan dan perkembangan tanaman terhadap 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 maklumat kehidupan sayur-sayuran berdaun dan parameter persekitaran pengeluaran secara dinamik. Diagnosis pengenalpastian dinamik dalam talian dan sistem kawalan proses persekitaran juga harus diwujudkan. Sistem pembuatan keputusan kecerdasan buatan kolaboratif berbilang mesin untuk keseluruhan proses pengeluaran kilang pertanian menegak bervolum 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 bagi 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 berdaya maju harus diambil untuk membiakkan pelbagai varieti bernilai tambah tinggi 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 tumbuhan boleh menghapuskan kekangan sumber dan alam sekitar, merealisasikan pengeluaran pertanian perindustrian, dan menarik generasi tenaga buruh baharu untuk terlibat dalam pengeluaran pertanian. Inovasi teknologi utama dan perindustrian kilang-kilang tumbuhan China menjadi peneraju dunia. Dengan aplikasi sumber cahaya LED yang dipercepatkan, pendigitalan, automasi, dan teknologi pintar dalam bidang kilang tumbuhan, kilang-kilang tumbuhan akan menarik lebih banyak pelaburan modal, pengumpulan bakat, dan penggunaan lebih banyak tenaga baharu, bahan baharu, dan peralatan baharu. Dengan cara ini, integrasi mendalam teknologi maklumat dan kemudahan serta peralatan dapat direalisasikan, tahap kemudahan dan peralatan pintar dan tanpa pemandu dapat ditingkatkan, pengurangan berterusan penggunaan tenaga sistem dan kos operasi melalui inovasi berterusan, dan penanaman pasaran khusus secara beransur-ansur, kilang-kilang tumbuhan pintar akan mengantar tempoh pembangunan keemasan.

Menurut laporan kajian pasaran, saiz pasaran pertanian menegak global pada tahun 2020 hanya US$2.9 bilion, dan dijangkakan menjelang 2025, saiz pasaran pertanian menegak global akan mencecah US$30 bilion. Secara ringkasnya, kilang tumbuhan mempunyai prospek aplikasi dan ruang pembangunan yang luas.

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.