Апстракт: Последњих година, уз континуирано истраживање савремене пољопривредне технологије, брзо се развија и фабричка индустрија.Овај рад представља статус куо, постојеће проблеме и контрамере развоја фабричке технологије и развој индустрије, те се радује тренду развоја и перспективи фабрика постројења у будућности.

1. Тренутни статус развоја технологије у фабрикама у Кини и иностранству

1.1 Статус куо развоја стране технологије

Од 21. века, истраживање фабрика биљака углавном се фокусирало на побољшање светлосне ефикасности, стварање вишеслојне тродимензионалне опреме система за култивацију и истраживање и развој интелигентног управљања и контроле.У 21. веку, иновација пољопривредних ЛЕД извора светлости је напредовала, пружајући важну техничку подршку за примену ЛЕД штедљивих извора светлости у фабрикама биљака.Универзитет Чиба у Јапану направио је бројне иновације у високоефикасним изворима светлости, контроли животне средине која штеди енергију и техникама узгоја.Универзитет Вагенинген у Холандији користи симулацију животне средине усева и технологију динамичке оптимизације за развој интелигентног система опреме за фабрике постројења, што у великој мери смањује оперативне трошкове и значајно побољшава продуктивност рада.

Последњих година фабрике биљака постепено реализују полуаутоматизацију производних процеса од сетве, подизања расада, пресађивања и жетве.Јапан, Холандија и САД предњаче са високим степеном механизације, аутоматизације и интелигенције и развијају се у правцу вертикалне пољопривреде и рада без посаде.

1.2 Статус развоја технологије у Кини

1.2.1 Специјализовани ЛЕД извор светлости и опрема за примену технологије за уштеду енергије за вештачко светло у фабрици

Један за другим развијени су специјални црвени и плави ЛЕД извори светлости за производњу разних биљних врста у фабрикама биљака.Снага се креће од 30 до 300 В, а интензитет светлости зрачења је 80 до 500 μмол/(м2•с), што може да обезбеди интензитет светлости са одговарајућим опсегом прага, параметрима квалитета светлости, како би се постигао ефекат високе ефикасности. уштеда енергије и прилагођавање потребама раста биљака и осветљења.У погледу управљања расипањем топлоте извора светлости, уведен је дизајн активног одвођења топлоте вентилатора извора светлости, који смањује стопу распада светлости извора светлости и обезбеђује животни век извора светлости.Поред тога, предложен је метод за смањење топлоте ЛЕД извора светлости кроз хранљиви раствор или циркулацију воде.У смислу управљања простором извора светлости, према закону еволуције величине биљке у фази садница и каснијој фази, кроз управљање вертикалним кретањем простора ЛЕД извора светлости, надстрешница биљке може бити осветљена на блиској удаљености, а циљ уштеде енергије је постићи.Тренутно, потрошња енергије извора светлости фабрике вештачког светла може да износи 50% до 60% укупне радне потрошње енергије фабрике.Иако ЛЕД може да уштеди 50% енергије у поређењу са флуоресцентним лампама, још увек постоји потенцијал и неопходност истраживања о уштеди енергије и смањењу потрошње.

1.2.2 Технологија и опрема вишеслојне тродимензионалне култивације

Размак у слојевима код вишеслојне тродимензионалне култивације је смањен јер ЛЕД замењује флуоресцентну лампу, што побољшава тродимензионалну ефикасност коришћења простора у узгоју биљака.Постоји много студија о дизајну дна кревета за култивацију.Уздигнуте пруге су дизајниране да генеришу турбулентан ток, који може помоћи корену биљака да равномерно апсорбује хранљиве материје у раствору хранљивих материја и повећа концентрацију раствореног кисеоника.Користећи колонизациону плочу, постоје две методе колонизације, односно пластичне чаше за колонизацију различитих величина или колонизациони режим колонизације по ободу сунђера.Појавио се систем клизног култивационог кревета, а садна даска и биљке на њој могу се ручно гурати са једног краја на други, остварујући производни начин садње на једном крају култивационог кревета и жетве на другом крају.Тренутно је развијена разноврсна тродимензионална вишеслојна технологија културе без земљишта и опрема заснована на технологији течног филма хранљивих материја и технологији дубоког протока течности, као и технологија и опрема за узгој јагода на супстрату, узгој лиснатог поврћа и цвећа у аеросолу. су изникли.Поменута технологија се брзо развијала.

1.2.3 Технологија и опрема циркулације раствора хранљивих материја

Након што се хранљиви раствор неко време користи, потребно је додати воду и минералне елементе.Генерално, количина новоприпремљеног хранљивог раствора и количина кисело-базног раствора се одређују мерењем ЕЦ и пХ.Велике честице седимента или љуштења корена у хранљивом раствору треба уклонити филтером.Ексудати корена у хранљивом раствору могу се уклонити фотокаталитичким методама како би се избегле непрекидне препреке за усев у хидропоници, али постоје одређени ризици у доступности хранљивих материја.

1.2.4 Технологија и опрема за контролу животне средине

Чистоћа ваздуха у производном простору један је од битних показатеља квалитета ваздуха у фабрици.Чистоћу ваздуха (индикатори суспендованих честица и сталожених бактерија) у производном простору фабрике постројења у динамичким условима треба контролисати на ниво изнад 100.000.Унос материјала за дезинфекцију, третман тушем за долазно особље и систем за пречишћавање ваздуха са циркулацијом свежег ваздуха (систем за филтрирање ваздуха) су основне мере заштите.Температура и влажност, концентрација ЦО2 и брзина струјања ваздуха у производном простору су још један важан садржај контроле квалитета ваздуха.Према извештајима, постављање опреме као што су кутије за мешање ваздуха, ваздушни канали, улази и излази за ваздух могу равномерно контролисати температуру и влажност, концентрацију ЦО2 и брзину протока ваздуха у производном простору, како би се постигла висока просторна униформност и задовољиле потребе постројења. на различитим просторним локацијама.Систем за контролу температуре, влажности и концентрације ЦО2 и систем свежег ваздуха су органски интегрисани у систем за циркулацију ваздуха.Три система треба да деле ваздушни канал, улаз и излаз ваздуха, и да обезбеде напајање кроз вентилатор да би се остварила циркулација протока ваздуха, филтрација и дезинфекција, као и ажурирање и уједначеност квалитета ваздуха.Осигурава да је биљна производња у фабрици биља без штеточина и болести и да није потребна употреба пестицида.Истовремено, уједначеност температуре, влажности, протока ваздуха и концентрације ЦО2 елемената средине за раст у крошњи гарантовано је да задовољи потребе раста биљака.

2. Статус развоја фабричке индустрије

2.1 Статус куо иностране фабричке индустрије

У Јапану су истраживање и развој и индустријализација фабрика вештачког светла релативно брзи и на водећем су нивоу.Јапанска влада је 2010. године покренула 50 милијарди јена за подршку технолошком истраживању и развоју и индустријским демонстрацијама.Учествовало је осам институција, укључујући Универзитет Чиба и Јапанско удружење за истраживање фабрика биљака.Компанија Јапан Футуре предузела је и водила први демонстрациони пројекат индустријализације фабрике са дневном производњом од 3.000 погона.У 2012. години, производни трошак фабрике биљака износио је 700 јена/кг.Године 2014. завршена је савремена фабричка фабрика у замку Тага, префектура Мијаги, поставши прва светска фабрика ЛЕД постројења са дневном производњом од 10.000 биљака.Од 2016. године, фабрике ЛЕД постројења ушле су у брзу траку индустријализације у Јапану, а предузећа која су рентабилна или профитабилна су се појављивала једно за другим.У 2018. појавиле су се једна за другом велике фабрике биљака са дневним производним капацитетом од 50.000 до 100.000 биљака, а глобалне фабрике биљака су се развијале ка великом, професионалном и интелигентном развоју.У исто време, Токио Елецтриц Повер, Окинава Елецтриц Повер и друге области су почеле да улажу у фабрике постројења.У 2020., тржишни удео зелене салате коју производе јапанске фабрике биљака чиниће око 10% целокупног тржишта салате.Међу више од 250 фабрика вештачких светлих биљака које тренутно раде, 20% је у фази губитка, 50% је на нивоу рентабилности, а 30% је у профитабилној фази, укључујући култивисане биљне врсте као што су зелена салата, зачинско биље и саднице.

Холандија је прави светски лидер у области комбиноване технологије примене соларног и вештачког светла за фабрику постројења, са високим степеном механизације, аутоматизације, интелигенције и беспослености, а сада је извезла пун сет технологија и опреме као јаке производи за Блиски исток, Африку, Кину и друге земље.Фарма Америцан АероФармс налази се у Њуарку, Њу Џерси, САД, на површини од 6500 м2.Углавном гаји поврће и зачине, а производња је око 900 т/год.

Вертикална пољопривреда у АероФармс

Фабрика вертикалних пољопривредних биљака компаније Пленти Цомпани у Сједињеним Државама усваја ЛЕД осветљење и вертикални оквир за садњу висине 6 м.Биљке расту са стране садилица.Ослањајући се на гравитационо заливање, овај начин садње не захтева додатне пумпе и ефикаснији је за воду од конвенционалног узгоја.Пленти тврди да његова фарма производи 350 пута већу производњу од конвенционалне фарме док користи само 1% воде.

Фабрика вертикалних пољопривредних биљака, компанија Пленти

2.2 Статус фабрике фабрике у Кини

Године 2009. изграђена је и пуштена у рад прва фабрика за производњу у Кини са интелигентном контролом као језгром у пољопривредном изложном парку Чангчун.Површина зграде је 200 м2, а фактори животне средине као што су температура, влажност, светлост, ЦО2 и концентрација хранљивих раствора фабрике биљака могу се аутоматски пратити у реалном времену како би се реализовало интелигентно управљање.

2010. године изграђена је фабрика биљака Тонгџоу у Пекингу.Главна конструкција има једнослојну лаку челичну конструкцију укупне грађевинске површине од 1289 м2.Обликован је као носач авиона, симболизујући кинеску пољопривреду која преузима водећу улогу у пуштању једра у најнапреднију технологију модерне пољопривреде.Развијена је аутоматска опрема за поједине операције производње лиснатог поврћа, чиме је побољшан ниво аутоматизације производње и ефикасност производње фабрике.Фабрика постројења усваја систем топлотне пумпе на земљи и систем за производњу соларне енергије, што боље решава проблем високих оперативних трошкова фабрике постројења.

Унутрашњи и спољашњи поглед на фабрику Тонгџоу

У 2013. години, многе компаније за пољопривредну технологију су основане у Јанглинг пољопривредној високотехнолошкој демонстрационој зони, провинција Схаанки.Већина фабричких пројеката у изградњи и раду налази се у пољопривредним високотехнолошким демонстрационим парковима, који се углавном користе за научнопопуларне демонстрације и разгледање у слободно време.Због својих функционалних ограничења, овим научнопопуларним фабрикама биљака је тешко да остваре висок принос и високу ефикасност које захтева индустријализација, а тешко ће и да постану главни облик индустријализације у будућности.

У 2015. години, велики произвођач ЛЕД чипова у Кини сарађивао је са Институтом за ботанику Кинеске академије наука како би заједнички покренули оснивање фабрике за производњу биљака.Прешао је из оптоелектронске индустрије у „фотобиолошку” индустрију и постао преседан за кинеске ЛЕД произвођаче који улажу у изградњу фабрика биљака у индустријализацији.Њена фабрика биљака посвећена је индустријском улагању у фотобиологију у настајању, која интегрише научно истраживање, производњу, демонстрацију, инкубацију и друге функције, са регистрованим капиталом од 100 милиона јуана.У јуну 2016. године завршена је и пуштена у рад ова Фабрика биљака са троспратном зградом површине 3.000 м2 и обрадивом површином већом од 10.000 м2.До маја 2017. дневни обим производње биће 1.500 кг лиснатог поврћа, што је еквивалентно 15.000 биљака салате дневно.

Погледи ове компаније

3. Проблеми и противмере са којима се суочава развој фабрика

3.1 Проблеми

3.1.1 Високи трошкови изградње

Фабрике биљака треба да производе усеве у затвореном окружењу.Због тога је неопходно изградити пратеће пројекте и опрему укључујући спољне структуре за одржавање, системе климатизације, вештачке изворе светлости, вишеслојне системе за култивацију, циркулацију хранљивих раствора и компјутерске системе управљања.Цена изградње је релативно висока.

3.1.2 Високи оперативни трошкови

Већина извора светлости које захтевају фабрике биљака долази од ЛЕД светла, које троше много електричне енергије док обезбеђују одговарајуће спектре за раст различитих усева.Опрема као што су климатизација, вентилација, пумпе за воду у производном процесу фабрика постројења такође троше струју, па су рачуни за струју огроман трошак.Према статистици, међу трошковима производње фабрика постројења, трошкови електричне енергије чине 29%, трошкови рада 26%, амортизација основних средстава 23%, паковање и транспорт 12%, а материјали за производњу 10%.

Анализа трошкова производње за фабрику

3.1.3 Низак ниво аутоматизације

Тренутно примењена фабрика биљака има низак ниво аутоматизације, а процеси као што су садња, пресађивање, садња у пољу и жетва и даље захтевају ручне операције, што резултира високим трошковима рада.

3.1.4 Ограничене сорте усева које се могу узгајати

Тренутно су врсте усева погодних за фабрике биљака веома ограничене, углавном зелено лиснато поврће које брзо расте, лако прихвата вештачке изворе светлости и има ниску крошњу.Садња великих размера не може се вршити за сложене захтеве садње (као што су усеви које треба опрашити, итд.).

3.2 Стратегија развоја

С обзиром на проблеме са којима се суочава фабричка индустрија, неопходно је спровести истраживања са различитих аспеката као што су технологија и рад.Као одговор на тренутне проблеме, контрамере су следеће.

(1) Ојачати истраживање интелигентне технологије фабрика постројења и побољшати ниво интензивног и рафинираног управљања.Развој интелигентног система управљања и контроле помаже у постизању интензивног и рафинираног управљања фабрикама биљака, што може у великој мери смањити трошкове рада и уштедети радну снагу.

(2) Развити интензивну и ефикасну фабричку техничку опрему за постизање годишњег високог квалитета и високог приноса.Развој високоефикасних објеката и опреме за узгој, технологије и опреме за штедљиво осветљење, итд., за побољшање интелигентног нивоа фабрика биљака, погодује реализацији годишње високоефикасне производње.

(3) Спровести истраживање о индустријској технологији гајења биљака са високом додатом вредношћу као што су лековито биље, биљке за здравствену заштиту и ретко поврће, повећати врсте усева које се узгајају у фабрикама биљака, проширити канале профита и побољшати почетну тачку профита .

(4) Спровести истраживање фабрика биљака за кућну и комерцијалну употребу, обогатити типове фабрика биљака и остварити континуирану профитабилност са различитим функцијама.

4. Тренд развоја и перспектива фабрике биљака

4.1 Тренд развоја технологије

4.1.1 Целокупна интелектуализација процеса

Засновано на фузији машинске уметности и механизму за спречавање губитака система усева-робот, брзим флексибилним и недеструктивним крајњим ефекторима за садњу и жетву, прецизном позиционирању дистрибуираног вишедимензионалног простора и мултимодалним методама колаборативне контроле са више машина, и беспилотну, ефикасну и недеструктивну сетву у фабрикама високих постројења - Требало би креирати интелигентне роботе и пратећу опрему као што је садња-жетва-паковање, чиме се остварује беспилотност целог процеса.

4.1.2 Учините контролу производње паметнијом

На основу механизма одговора раста и развоја усева на светлосно зрачење, температуру, влажност, концентрацију ЦО2, концентрацију хранљивих материја у хранљивом раствору и ЕЦ, треба конструисати квантитативни модел повратне спреге између усева и животне средине.Треба успоставити стратешки основни модел за динамичку анализу информација о животу лиснатог поврћа и параметара производног окружења.Такође треба успоставити онлајн динамичку идентификацију и систем за контролу процеса окружења.Требало би да се створи систем за доношење одлука на бази вештачке интелигенције са више машина за цео производни процес вертикалне пољопривредне фабрике великог обима.

4.1.3 Ниска производња угљеника и уштеда енергије

Успостављање система за управљање енергијом који користи обновљиве изворе енергије као што су соларна енергија и ветар за завршетак преноса енергије и контролу потрошње енергије ради постизања оптималних циљева управљања енергијом.Снимање и поновно коришћење емисија ЦО2 за помоћ у производњи усева.

4.1.3 Висока вредност врхунских сорти

Треба предузети изводљиве стратегије да се узгајају различите сорте са високом додатом вредношћу за експерименте садње, изгради база података стручњака за технологију гајења, спроведе истраживања о технологији узгоја, селекцији густине, распореду стрништа, прилагодљивости сорте и опреме и формирању стандардних техничких спецификација за узгој.

4.2 Перспективе развоја индустрије

Фабрике биљака могу да се ослободе ограничења ресурса и животне средине, реализују индустријализовану пољопривредну производњу и привуку нову генерацију радне снаге да се бави пољопривредном производњом.Кључна технолошка иновација и индустријализација кинеских фабрика постаје светски лидер.Уз убрзану примену ЛЕД извора светлости, дигитализацију, аутоматизацију и интелигентне технологије у области фабрика биљака, фабрике биљака ће привући више капиталних инвестиција, прикупљања талената и коришћења нове енергије, нових материјала и нове опреме.На овај начин може се остварити дубинска интеграција информационих технологија и објеката и опреме, побољшати интелигентни и беспилотни ниво објеката и опреме, континуирано смањење потрошње енергије система и оперативних трошкова кроз континуиране иновације, као и постепено култивисање специјализованих тржишта, интелигентне фабрике биљака ће увести златни период развоја.

Према извештајима истраживања тржишта, величина глобалног тржишта вертикалне пољопривреде у 2020. износи само 2,9 милијарди долара, а очекује се да ће до 2025. године величина глобалног тржишта вертикалне пољопривреде достићи 30 милијарди долара.Укратко, фабрике биљака имају широке изгледе за примену и развојни простор.

Аутор: Зенгцхан Зхоу, Веидонг, итд

Информације о цитату:Тренутна ситуација и изгледи развоја индустрије фабрике биљака [Ј].Технологија пољопривреде, 2022, 42(1): 18-23.од Зенгцхан Зхоу, Веи Донг, Ксиуганг Ли, ет ал.