Апстракт: Последњих година, уз континуирано истраживање модерне пољопривредне технологије, индустрија фабрика биљака се такође брзо развијала. Овај рад представља статус кво, постојеће проблеме и развојне контрамере технологије фабрика биљака и развоја индустрије, и осврће се на тренд развоја и перспективе фабрика биљака у будућности.

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

1.1 Статус кво развоја стране технологије

Од 21. века, истраживање фабрика биљака углавном се фокусира на побољшање ефикасности светлости, стварање вишеслојне тродимензионалне опреме за системе узгоја и истраживање и развој интелигентног управљања и контроле. У 21. веку, иновације пољопривредних ЛЕД извора светлости су напредовале, пружајући важну техничку подршку за примену ЛЕД извора светлости који штеде енергију у фабрикама биљака. Универзитет Чиба у Јапану је направио низ иновација у високоефикасним изворима светлости, енергетски штедљивој контроли животне средине и техникама узгоја. Универзитет Вагенинген у Холандији користи симулацију усева и окружења и технологију динамичке оптимизације како би развио интелигентни систем опреме за фабрике биљака, што значајно смањује оперативне трошкове и значајно побољшава продуктивност рада.

Последњих година, фабрике биљака су постепено оствариле полуаутоматизацију производних процеса, од сетве, узгоја садница, пресађивања и жетве. Јапан, Холандија и Сједињене Америчке Државе су у првим редовима, са високим степеном механизације, аутоматизације и интелигенције, и развијају се у правцу вертикалне пољопривреде и беспилотног рада.

1.2 Статус технолошког развоја у Кини

1.2.1 Специјализовани ЛЕД извор светлости и опрема за технологију примене која штеди енергију за вештачко осветљење у фабрици постројења

Специјални црвени и плави ЛЕД извори светлости за производњу различитих биљних врста у фабрикама биљака развијени су један за другим. Снага се креће од 30 до 300 W, а интензитет зрачења је од 80 до 500 μmol/(m2•s), што може да обезбеди интензитет светлости са одговарајућим прагом распона, параметрима квалитета светлости, како би се постигао ефекат високо ефикасне уштеде енергије и прилагодио потребама раста биљака и осветљења. Што се тиче управљања дисипацијом топлоте извора светлости, уведен је дизајн активног дисипације топлоте вентилатора извора светлости, што смањује брзину опадања светлости извора светлости и обезбеђује век трајања извора светлости. Поред тога, предложен је метод за смањење топлоте ЛЕД извора светлости путем циркулације хранљивог раствора или воде. Што се тиче управљања простором извора светлости, према закону еволуције величине биљке у фази саднице и каснијој фази, путем управљања вертикалним простором кретања ЛЕД извора светлости, крошња биљке може се осветлити са близине и постићи циљ уштеде енергије. Тренутно, потрошња енергије вештачког светла у фабричким постројењима може чинити 50% до 60% укупне потрошње енергије у постројењима. Иако ЛЕД диоде могу уштедети 50% енергије у поређењу са флуоресцентним лампама, и даље постоји потенцијал и потреба за истраживањем уштеде енергије и смањења потрошње.

1.2.2 Технологија и опрема за вишеслојну тродимензионалну култивацију

Размак између слојева вишеслојног тродимензионалног узгоја је смањен јер ЛЕД замењује флуоресцентну лампу, што побољшава ефикасност искоришћења тродимензионалног простора узгоја биљака. Постоје многе студије о дизајну дна леје за узгој. Подигнуте пруге су дизајниране да генеришу турбулентни ток, што може помоћи корену биљака да равномерно апсорбују хранљиве материје у хранљивом раствору и повећају концентрацију раствореног кисеоника. Коришћењем колонизационе плоче постоје две методе колонизације, а то су пластичне шоље за колонизацију различитих величина или режим колонизације по ободу сунђера. Појавио се клизни систем леја за узгој, а даска за садњу и биљке на њој могу се ручно померати са једног краја на други, остварујући производни начин садње на једном крају леје за узгој и жетве на другом крају. Тренутно је развијен низ тродимензионалних вишеслојних технологија и опреме за узгој без земљишта заснованих на технологији филма течних хранљивих материја и технологији дубоког протока течности, а појавила се и технологија и опрема за узгој јагода на супстрату, аеросолни узгој лиснатог поврћа и цвећа. Поменута технологија се брзо развијала.

1.2.3 Технологија и опрема за циркулацију хранљивих раствора

Након што се хранљиви раствор користи одређено време, потребно је додати воду и минералне елементе. Генерално, количина новоприпремљеног хранљивог раствора и количина кисело-базног раствора одређују се мерењем електрохимијске вредности (EC) и pH вредности. Велике честице седимента или ексфолијације корена у хранљивом раствору морају се уклонити филтером. Ексудати корена у хранљивом раствору могу се уклонити фотокаталитичким методама како би се избегле континуиране препреке у узгоју 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 важних показатеља квалитета ваздуха у фабрици. Чистоћа ваздуха (индикатори суспендованих честица и насељених бактерија) у производном простору фабрике под динамичким условима треба да се контролише на ниво изнад 100.000. Дезинфекција материјала, третман тушем за долазно особље и систем за пречишћавање циркулације свежег ваздуха (систем за филтрацију ваздуха) су све основне мере заштите. Температура и влажност, концентрација CO2 и брзина протока 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 може равномерно контролисати температуру и влажност, концентрацију CO2 и брзину протока ваздуха у производном простору, како би се постигла висока просторна уједначеност и задовољиле потребе погона на различитим просторним локацијама. Систем за контролу температуре, влажности и концентрације CO2 и систем за свеж ваздух су органски интегрисани у систем циркулације ваздуха. Три система треба да деле ваздушни канал, улаз и излаз за ваздух и да обезбеде напајање кроз вентилатор како би се остварила циркулација протока ваздуха, филтрација и дезинфекција, као и ажурирање и уједначеност квалитета ваздуха. Осигурава да је производња биљака у фабрици биљака без штеточина и болести и да није потребна примена пестицида. Истовремено, гарантована је уједначеност температуре, влажности, протока ваздуха и концентрације CO2 у елементима окружења за раст у крошњи како би се задовољиле потребе раста биљака.

2. Статус развоја индустрије фабрика биљака

2.1 Статус кво у индустрији страних фабрика биљака

У Јапану, истраживање, развој и индустријализација фабрика вештачког осветљења су релативно брзи и налазе се на водећем 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 „Japan Future Company“ је предузела и управљала првим демонстрационим пројектом индустријализације фабрике биљака са дневном производњом од 3.000 биљака. 2012. године, трошкови производње фабрике биљака износили су 700 јена/кг. 2014. године завршена је изградња модерне фабрике у замку Тага, у префектури Мијаги, чиме је постала прва фабрика ЛЕД биљака на свету са дневном производњом од 10.000 биљака. Од 2016. године, фабрике ЛЕД биљака су ушле у брзу траку индустријализације у Јапану, а предузећа која достижу тачку рентабилности или су се појављивала једно за другим. У 2018. години, велике фабрике биљака са дневним производним капацитетом од 50.000 до 100.000 биљака појављивале су се једна за другом, а глобалне фабрике биљака развијале су се ка великом, професионалном и интелигентном развоју. Истовремено, Токио Електрик Пауер, Окинава Електрик Пауер и друге области почеле су да улажу у фабрике биљака. У 2020. години, тржишни удео зелене салате коју производе јапанске фабрике биљака чиниће око 10% целокупног тржишта зелене салате. Међу више од 250 фабрика биљака са вештачким светлом које тренутно раде, 20% је у фази губитка, 50% је на нивоу рентабилности, а 30% је у фази профита, укључујући гајене биљне врсте као што су зелена салата, зачинско биље и саднице.

Холандија је прави светски лидер у области комбиноване примене технологије соларне и вештачке светлости за фабричке биљке, са високим степеном механизације, аутоматизације, интелигенције и беспилотног управљања, и сада је извезла комплетан сет технологија и опреме као снажне производе на Блиски исток, у Африку, Кину и друге земље. Америчка фарма AeroFarms налази се у Њуарку, Њу Џерзи, САД, са површином од 6500 м2. Углавном узгаја поврће и зачине, а производња је око 900 т/годишње.

Вертикална пољопривреда у АероФармсу

Фабрика вертикалних биљака компаније Пленти у Сједињеним Државама користи ЛЕД осветљење и вертикални оквир за садњу висине 6 метара. Биљке расту са стране жардињера. Ослањајући се на гравитационо заливање, овај метод садње не захтева додатне пумпе и ефикаснији је у потрошњи воде од конвенционалне пољопривреде. Пленти тврди да његова фарма производи 350 пута већи принос од конвенционалне фарме, користећи само 1% воде.

Фабрика вертикалних пољопривредних биљака, компанија Пленти

2.2 Статус фабричке индустрије биљака у Кини

Године 2009, у Пољопривредном изложбеном парку Чангчун изграђена је и пуштена у рад прва фабрика производних постројења у Кини са интелигентном контролом као језгром. Површина зграде је 200 м2, а фактори околине као што су температура, влажност, светлост, CO2 и концентрација хранљивих материја у фабрици биљака могу се аутоматски пратити у реалном времену како би се остварило интелигентно управљање.

Фабрика биљака Тонгџоу изграђена је 2010. године у Пекингу. Главна структура је направљена од једнослојне лагане челичне конструкције укупне површине од 1289 м2. Обликована је као носач авиона, што симболизује кинеску пољопривреду која преузима водећу улогу у освајању најсавременије технологије модерне пољопривреде. Развијена је аутоматска опрема за неке операције производње лиснатог поврћа, што је побољшало ниво аутоматизације производње и ефикасност производње фабрике биљака. Фабрика биљака користи систем топлотних пумпи из земље и систем за производњу соларне енергије, што боље решава проблем високих оперативних трошкова фабрике биљака.

Унутрашњи и спољашњи поглед на фабрику биљака у Тонгџоуу

Године 2013, у демонстрационој зони пољопривредне високе технологије Јанглинг, у провинцији Шанси, основано је много компанија за пољопривредну технологију. Већина пројеката фабрика биљака у изградњи и раду налази се у демонстрационим парковима пољопривредне високе технологије, који се углавном користе за демонстрације популарне науке и разгледање знаменитости у рекреативне сврхе. Због својих функционалних ограничења, овим фабрикама биљака популарне науке је тешко да постигну висок принос и високу ефикасност које захтева индустријализација, и биће им тешко да постану главни облик индустријализације у будућности.

Године 2015, велики произвођач ЛЕД чипова у Кини сарађивао је са Институтом за ботанику Кинеске академије наука како би заједнички покренули оснивање компаније за фабрику биљака. Прешла је из оптоелектронске индустрије у „фотобиолошку“ индустрију и постала преседан за кинеске произвођаче ЛЕД диода да улажу у изградњу фабрика биљака у индустријализацији. Њихова фабрика биљака посвећена је индустријским улагањима у нову фотобиологију, која интегрише научна истраживања, производњу, демонстрације, инкубацију и друге функције, са регистрованим капиталом од 100 милиона јуана. У јуну 2016. године, ова фабрика биљака са троспратном зградом која покрива површину од 3.000 м2 и површином за узгој већом од 10.000 м2 је завршена и пуштена у рад. До маја 2017. године, дневна производња ће бити 1.500 кг лиснатог поврћа, што је еквивалентно 15.000 биљака зелене салате дневно.

Ставови ове компаније

3. Проблеми и контрамере са којима се суочава развој фабрика биљака

3.1 Проблеми

3.1.1 Високи трошкови изградње

Фабрике биљака морају да производе усеве у затвореном окружењу. Стога је неопходно изградити пратеће пројекте и опрему, укључујући спољне објекте за одржавање, системе за климатизацију, вештачке изворе светлости, вишеслојне системе за узгој, циркулацију хранљивих раствора и системе за рачунарску контролу. Трошкови изградње су релативно високи.

3.1.2 Високи трошкови рада

Већина извора светлости потребних фабрикама биљака потиче од ЛЕД светла, која троше много електричне енергије, а истовремено обезбеђују одговарајући спектар за раст различитих усева. Опрема као што су клима уређаји, вентилација и водене пумпе у производном процесу фабрика биљака такође троши електричну енергију, тако да су рачуни за струју огроман трошак. Према статистици, међу трошковима производње фабрика биљака, трошкови електричне енергије чине 29%, трошкови рада 26%, амортизација основних средстава 23%, паковање и транспорт 12%, а производни материјали 10%.

Расподела трошкова производње за фабрику биљака

3.1.3 Низак ниво аутоматизације

Тренутно примењена фабрика биљака има низак ниво аутоматизације, а процеси попут садње, пресађивања, садње на пољу и жетве и даље захтевају ручне операције, што резултира високим трошковима рада.

3.1.4 Ограничене сорте усева које се могу гајити

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 спровести због сложених захтева за садњу (као што су усеви који треба да се опрашивају итд.).

3.2 Стратегија развоја

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

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

(2) Развити интензивну и ефикасну техничку опрему за фабрике биљака како би се постигао годишњи висок квалитет и висок принос. Развој високоефикасних постројења и опреме за узгој, технологије и опреме за осветљење које штеде енергију итд., ради побољшања интелигентног нивоа фабрика биљака, доприноси остваривању годишње високоефикасне производње.

(3) Спровести истраживање технологије индустријског узгоја биљака са високом додатом вредношћу, као што су лековито биље, биљке за здравствену заштиту и ретко поврће, повећати врсте усева који се гаје 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 постићи континуирану профитабилност различитим функцијама.

4. Тренд развоја и перспективе фабрике биљака

4.1 Тренд развоја технологије

4.1.1 Интелектуализација целог процеса

На основу механизма фузије машинске уметности и спречавања губитака система усева и робота, требало би створити брзе флексибилне и недеструктивне крајње ефекторе за садњу и жетву, дистрибуиране вишедимензионалне просторно прецизне методе позиционирања и мултимодалне методе вишемашинске колаборативне контроле, као и беспилотну, ефикасну и недеструктивну сетву у високим фабрикама биљака - интелигентне роботе и пратећу опрему као што је садња-жетва-паковање, чиме би се реализовао беспилотни рад целог процеса.

4.1.2 Учините контролу производње паметнијом

На основу механизма одговора раста и развоја усева на светлосно зрачење, температуру, влажност, концентрацију CO2, концентрацију хранљивих материја у раствору хранљивих материја и електрокондензацију, требало би конструисати квантитативни модел повратне спреге између усева и околине. Требало би успоставити стратешки основни модел за динамичку анализу информација о животном циклусу лиснатог поврћа и параметара производног окружења. Такође треба успоставити онлајн систем динамичке идентификације, дијагнозе и контроле процеса у окружењу. Требало би креирати систем за доношење одлука са више машина и вештачком интелигенцијом за цео производни процес вертикалне пољопривредне фабрике великог обима.

4.1.3 Производња са ниским садржајем угљеника и уштеда енергије

Успостављање система управљања енергијом који користи обновљиве изворе енергије као што су соларна и ветроелектране за комплетан пренос енергије и контролу потрошње енергије ради постизања оптималних циљева управљања енергијом. Хватање и поновна употреба емисија CO2 за помоћ производњи усева.

4.1.3 Висока вредност премиум сорти

Требало би предузети изводљиве стратегије за узгој различитих сорти са високом додатом вредношћу за експерименте садње, изградити базу података стручњака за технологију узгоја, спровести истраживање о технологији узгоја, избору густине, распореду стрништа, прилагодљивости сорти и опреме и формирати стандардне техничке спецификације за узгој.

4.2 Перспективе развоја индустрије

Фабрике биљака могу се ослободити ограничења ресурса и животне средине, остварити индустријализовану производњу пољопривреде и привући нову генерацију радне снаге да се бави пољопривредном производњом. Кључна технолошка иновација и индустријализација кинеских фабрика биљака постају светски лидер. Са убрзаном применом ЛЕД извора светлости, дигитализације, аутоматизације и интелигентних технологија у области фабрика биљака, фабрике биљака ће привући више капиталних улагања, прикупљања талената и коришћења више нове енергије, нових материјала и нове опреме. На овај начин, може се остварити дубинска интеграција информационих технологија и објеката и опреме, може се побољшати интелигентни и беспилотни ниво објеката и опреме, континуирано смањење потрошње енергије система и оперативних трошкова кроз континуиране иновације и постепено неговање специјализованих тржишта, интелигентне фабрике биљака ће увести у златни период развоја.

Према извештајима о истраживању тржишта, величина глобалног тржишта вертикалне пољопривреде у 2020. години износила је само 2,9 милијарди америчких долара, а очекује се да ће до 2025. године величина глобалног тржишта вертикалне пољопривреде достићи 30 милијарди америчких долара. Укратко, фабрике биљака имају широке могућности примене и простор за развој.

Аутор: Зенгцхан Зхоу, Веидонг, итд

Информације о цитирању:Тренутно стање и перспективе развоја индустрије фабрика биљака [J]. Пољопривредна инжењерска технологија, 2022, 42(1): 18-23.од Зенгцхан Зхоу, Веи Донг, Ксиуганг Ли, ет ал.