Апстракт: Во последниве години, со континуираното истражување на модерната земјоделска технологија, индустријата за фабрики за растенија исто така брзо се развива. Овој труд го претставува статусот кво, постојните проблеми и контрамерките за развој на технологијата за фабрики за растенија и развојот на индустријата, и со нетрпение го очекува трендот на развој и перспективите на фабриките за растенија во иднина.

1. Моментален статус на развојот на технологијата во фабриките во Кина и во странство

1.1 Статус кво на развојот на странска технологија

Од 21 век, истражувањето на фабриките за растенија главно се фокусираше на подобрување на ефикасноста на осветлувањето, создавање опрема за повеќеслоен тродимензионален систем за одгледување и истражување и развој на интелигентно управување и контрола. Во 21 век, иновациите на земјоделските LED извори на светлина постигнаа напредок, обезбедувајќи важна техничка поддршка за примена на LED извори на светлина за заштеда на енергија во фабриките за растенија. Универзитетот Чиба во Јапонија направи голем број иновации во високоефикасните извори на светлина, контролата на животната средина за заштеда на енергија и техниките на одгледување. Универзитетот Вагенинген во Холандија користи технологија за симулација на земјоделска средина и динамичка оптимизација за да развие систем на интелигентна опрема за фабриките за растенија, што значително ги намалува оперативните трошоци и значително ја подобрува продуктивноста на трудот.

Во последниве години, фабриките постепено ја реализираа полуавтоматизацијата на производствените процеси од сеење, одгледување садници, пресадување и берба. Јапонија, Холандија и Соединетите Американски Држави се на чело, со висок степен на механизација, автоматизација и интелигенција, и се развиваат во насока на вертикално земјоделство и беспилотно работење.

1.2 Статус на развојот на технологијата во Кина

1.2.1 Специјализиран LED извор на светлина и опрема за заштеда на енергија за вештачко осветлување во фабриката

Специјални црвени и сини LED извори на светлина за производство на разни растителни видови во фабриките за растенија се развиваат еден по друг. Моќноста се движи од 30 до 300 W, а интензитетот на зрачењето на светлината е од 80 до 500 μmol/(m2•s), што може да обезбеди интензитет на светлина со соодветен праг на опсег, параметри на квалитет на светлината, за да се постигне ефект на високоефикасно заштедување на енергија и прилагодување кон потребите на растот и осветлувањето на растенијата. Во однос на управувањето со дисипација на топлината на изворот на светлина, воведен е активен дизајн на дисипација на топлина на вентилаторот на изворот на светлина, што ја намалува стапката на распаѓање на светлината на изворот на светлина и го обезбедува животниот век на изворот на светлина. Покрај тоа, се предлага метод за намалување на топлината на LED изворот на светлина преку хранлив раствор или циркулација на вода. Во однос на управувањето со просторот на изворот на светлина, според законот за еволуција на големината на растението во фазата на расад и подоцнежната фаза, преку управувањето со вертикалното движење на просторот на LED изворот на светлина, крошната на растението може да се осветли од мала оддалеченост и се постигнува целта за заштеда на енергија. Во моментов, потрошувачката на енергија на вештачкото светло во фабриката може да сочинува 50% до 60% од вкупната потрошувачка на енергија во работењето на фабриката. Иако LED светилките можат да заштедат 50% енергија во споредба со флуоресцентните светилки, сè уште постои потенцијал и потреба од истражување за заштеда на енергија и намалување на потрошувачката.

1.2.2 Технологија и опрема за повеќеслојно тродимензионално одгледување

Јазот помеѓу слоевите кај повеќеслојното тродимензионално одгледување е намален бидејќи LED светилката ја заменува флуоресцентната светилка, што ја подобрува ефикасноста на искористување на тродимензионалниот простор при одгледувањето на растенијата. Постојат многу студии за дизајнот на дното на леата за одгледување. Подигнатите ленти се дизајнирани да генерираат турбулентен проток, што може да им помогне на корените на растенијата рамномерно да ги апсорбираат хранливите материи во хранливиот раствор и да ја зголемат концентрацијата на растворен кислород. Користејќи ја таблата за колонизација, постојат два методи на колонизација, односно пластични чаши за колонизација со различни големини или режим на колонизација со периметар на сунѓер. Се појави лизгачки систем на леа за одгледување, а таблата за садење и растенијата на неа може рачно да се туркаат од едниот до другиот крај, реализирајќи го начинот на производство на садење на едниот крај од леата за одгледување и берба на другиот крај. Во моментов, развиена е разновидна тродимензионална технологија и опрема за повеќеслојно безпочвено одгледување базирана на технологија на течен филм за хранливи материи и технологија на длабок течен проток, а се појави и технологија и опрема за подлога за одгледување јагоди, аеросолно одгледување на лиснат зеленчук и цвеќиња. Споменатата технологија брзо се разви.

1.2.3 Технологија и опрема за циркулација на хранливи раствори

Откако хранливиот раствор ќе се употреби одреден временски период, потребно е да се додадат вода и минерални елементи. Општо земено, количината на новоподготвен хранлив раствор и количината на киселинско-базен раствор се одредуваат со мерење на EC и pH. Големите честички од седимент или ексфолијација на коренот во хранливиот раствор треба да се отстранат со филтер. Ексудатите од коренот во хранливиот раствор може да се отстранат со фотокаталитички методи за да се избегнат континуирани пречки при одгледувањето во хидропониката, но постојат одредени ризици во достапноста на хранливите материи.

1.2.4 Технологија и опрема за контрола на животната средина

Чистотата на воздухот во производствениот простор е еден од важните индикатори за квалитетот на воздухот во фабриката. Чистотата на воздухот (индикатори за суспендирани честички и наталожени бактерии) во производствениот простор на фабриката под динамични услови треба да се контролира на ниво над 100.000. Влезот за дезинфекција на материјалот, третманот со туш за воздух на влезниот персонал и системот за прочистување на воздухот со циркулација на свеж воздух (систем за филтрирање на воздух) се основни заштитни мерки. Температурата и влажноста, концентрацијата на CO2 и брзината на протокот на воздух во производствениот простор се уште една важна содржина на контролата на квалитетот на воздухот. Според извештаите, поставувањето опрема како што се кутии за мешање на воздух, воздушни канали, влезови и излези за воздух може рамномерно да ја контролира температурата и влажноста, концентрацијата на CO2 и брзината на протокот на воздух во производствениот простор, со цел да се постигне висока просторна униформност и да се задоволат потребите на фабриката на различни просторни локации. Системот за контрола на температурата, влажноста и концентрацијата на CO2 и системот за свеж воздух се органски интегрирани во системот за циркулација на воздух. Трите системи треба да го делат воздушниот канал, влезот и излезот за воздух и да обезбедат енергија преку вентилаторот за да се реализира циркулацијата на протокот на воздух, филтрирањето и дезинфекцијата, како и ажурирањето и униформноста на квалитетот на воздухот. Ова гарантира дека растителното производство во фабриката е без штетници и болести и не е потребна примена на пестициди. Во исто време, униформноста на температурата, влажноста, протокот на воздух и концентрацијата на CO2 на елементите на средината за раст во крошната е загарантирана за да ги задоволи потребите на растот на растенијата.

2. Развојна состојба на фабриката за растенија

2.1 Статус кво на индустријата за странски растенија и фабрики

Во Јапонија, истражувањето, развојот и индустријализацијата на фабриките за вештачки светилки се релативно брзи и се на водечко ниво. Во 2010 година, јапонската влада лансираше 50 милијарди јени за поддршка на технолошкото истражување и развој и индустриската демонстрација. Учествуваа осум институции, вклучувајќи го Универзитетот Чиба и Јапонското здружение за истражување на фабрики за растенија. Компанијата „Јапан Фјучр“ го презеде и управуваше со првиот проект за демонстрација на индустријализација на фабрика за растенија со дневно производство од 3.000 растенија. Во 2012 година, трошоците за производство на фабриката беа 700 јени/кг. Во 2014 година, беше завршена модерната фабрика во замокот Тага, префектурата Мијаги, станувајќи првата фабрика за LED растенија во светот со дневно производство од 10.000 растенија. Од 2016 година, фабриките за LED растенија влегоа во брзата лента на индустријализацијата во Јапонија, а претпријатијата со рентабилност или профитабилни претпријатија се појавија едно по друго. Во 2018 година, големи фабрики за растенија со дневен производствен капацитет од 50.000 до 100.000 растенија се појавија една по друга, а глобалните фабрики за растенија се развиваа кон голем, професионален и интелигентен развој. Во исто време, „Токио Електрик Пауер“, „Окинава Електрик Пауер“ и други компании почнаа да инвестираат во фабрики за растенија. Во 2020 година, пазарниот удел на зелена салата произведена од јапонските фабрики за растенија ќе сочинува околу 10% од целиот пазар на зелена салата. Меѓу повеќе од 250 фабрики за растенија од вештачки светилки што моментално работат, 20% се во фаза на загуба, 50% се на ниво на рамнотежа и 30% се во профитабилна фаза, вклучувајќи култивирани растителни видови како што се зелена салата, билки и садници.

Холандија е вистински светски лидер во областа на комбинирана технологија за примена на сончева светлина и вештачка светлина за фабрики, со висок степен на механизација, автоматизација, интелигенција и беспилотна работа, и сега извезува целосен сет на технологии и опрема како силни производи на Блискиот Исток, Африка, Кина и други земји. Фармата „Американ АероФармс“ се наоѓа во Њуарк, Њу Џерси, САД, со површина од 6500 м2. Главно одгледува зеленчук и зачини, а производството е околу 900 тони годишно.

Вертикално земјоделство во AeroFarms

Фабриката за вертикално земјоделско производство на компанијата „Пленти“ во Соединетите Американски Држави користи LED осветлување и вертикална рамка за садење со висина од 6 метри. Растенијата растат од страните на жардиниерите. Ослонувајќи се на гравитациско наводнување, овој метод на садење не бара дополнителни пумпи и е поефикасен во однос на водата од конвенционалното земјоделство. Пленти тврди дека неговата фарма произведува 350 пати повеќе производство од конвенционална фарма, а користи само 1% од водата.

Фабрика за вертикално земјоделство, Plenty Company

2.2 Статус на фабриката за фабрики во Кина

Во 2009 година, првиот производствен погон во Кина со интелигентна контрола како јадро беше изграден и пуштен во употреба во земјоделскиот изложбен парк Чангчун. Површината на зградата е 200 м2, а факторите на животната средина како што се температурата, влажноста, светлината, CO2 и концентрацијата на хранливиот раствор на фабриката можат автоматски да се следат во реално време за да се реализира интелигентно управување.

Во 2010 година, фабриката Тонгжу изгради фабрика во Пекинг. Главната структура е изработена од еднослојна лесна челична конструкција со вкупна површина од 1289 м2. Таа е обликувана како носач на авиони, што го симболизира кинеското земјоделство кое ја презема водечката улога во пристапувањето кон најнапредната технологија на модерното земјоделство. Развиена е автоматска опрема за некои операции на производство на лиснат зеленчук, што го подобри нивото на автоматизација на производството и ефикасноста на производството на фабриката. Фабриката користи систем за топлинска пумпа со земјен извор и систем за производство на сончева енергија, што подобро го решава проблемот со високите оперативни трошоци за фабриката.

Внатрешен и надворешен поглед на фабриката Тонгџоу

Во 2013 година, многу компании за земјоделска технологија беа основани во земјоделската високотехнолошка демонстративна зона Јанглинг, во покраината Шанкси. Повеќето од проектите за фабрики во изградба и работа се наоѓаат во земјоделски високотехнолошки демонстративни паркови, кои главно се користат за демонстрации на популарни научни истражувања и разгледување на знаменитости во слободно време. Поради нивните функционални ограничувања, тешко е за овие фабрики за популарни научни растенија да го постигнат високиот принос и високата ефикасност што ги бара индустријализацијата, а ќе им биде тешко да станат и мејнстрим форма на индустријализација во иднина.

Во 2015 година, голем производител на LED чипови во Кина соработуваше со Институтот за ботаника на Кинеската академија на науките за заеднички да иницираат основање компанија за фабрика за растенија. Таа премина од оптоелектронската индустрија во „фотобиолошката“ индустрија и стана преседан за кинеските производители на LED диоди да инвестираат во изградба на фабрики за растенија во индустријализацијата. Нејзината фабрика за растенија е посветена на правење индустриски инвестиции во новата фотобиологија, која ги интегрира научните истражувања, производството, демонстрацијата, инкубацијата и други функции, со регистриран капитал од 100 милиони јуани. Во јуни 2016 година, оваа фабрика за растенија со 3-катна зграда со површина од 3.000 м2 и површина за одгледување од повеќе од 10.000 м2 беше завршена и пуштена во употреба. До мај 2017 година, дневното производство ќе биде 1.500 кг лиснат зеленчук, што е еквивалентно на 15.000 растенија зелена салата дневно.

Прегледи на оваа компанија

3. Проблеми и контрамерки со кои се соочува развојот на фабриките

3.1 Проблеми

3.1.1 Високи трошоци за изградба

Фабриките за растенија треба да произведуваат култури во затворена средина. Затоа, потребно е да се изградат придружни проекти и опрема, вклучувајќи надворешни структури за одржување, системи за климатизација, вештачки извори на светлина, повеќеслојни системи за одгледување, циркулација на хранливи раствори и системи за компјутерска контрола. Цената на изградбата е релативно висока.

3.1.2 Високи оперативни трошоци

Поголемиот дел од изворите на светлина што им се потребни на фабриките доаѓаат од LED светилки, кои трошат многу електрична енергија, а воедно обезбедуваат соодветни спектри за раст на различни култури. Опремата како што се климатизацијата, вентилацијата и водните пумпи во процесот на производство на фабриките исто така троши електрична енергија, па сметките за електрична енергија се огромен трошок. Според статистиката, меѓу трошоците за производство на фабриките, трошоците за електрична енергија учествуваат со 29%, трошоците за работна сила учествуваат со 26%, амортизацијата на основните средства учествува со 23%, пакувањето и транспортот учествуваат со 12%, а материјалите за производство учествуваат со 10%.

Распределба на трошоците за производство за фабриката

3.1.3 Ниско ниво на автоматизација

Моментално применетата фабрика за растенија има ниско ниво на автоматизација, а процесите како што се садници, пресадување, садење на поле и берба сè уште бараат рачни операции, што резултира со високи трошоци за работна сила.

3.1.4 Ограничен број на видови култури што можат да се одгледуваат

Во моментов, видовите култури погодни за фабрики за растенија се многу ограничени, главно зелен лиснат зеленчук кој расте брзо, лесно прифаќа вештачки извори на светлина и има ниска крошна. Садењето на големи површини не може да се изврши за сложени барања за садење (како што се култури што треба да се опрашуваат итн.).

3.2 Стратегија за развој

Со оглед на проблемите со кои се соочува индустријата за фабрики и растенија, потребно е да се спроведат истражувања од различни аспекти, како што се технологијата и работењето. Како одговор на моменталните проблеми, контрамерките се следниве.

(1) Зајакнување на истражувањето за интелигентна технологија на фабриките и подобрување на нивото на интензивно и рафинирано управување. Развојот на интелигентен систем за управување и контрола помага да се постигне интензивно и рафинирано управување со фабриките, што може значително да ги намали трошоците за работна сила и да заштеди работна сила.

(2) Развивање на интензивна и ефикасна техничка опрема за постројки за да се постигне годишен висок квалитет и висок принос. Развојот на високоефикасни објекти и опрема за одгледување, технологија и опрема за осветлување за заштеда на енергија итн., за подобрување на интелигентното ниво на постројките, е погодна за реализација на годишно високоефикасно производство.

(3) Спроведување истражувања за индустриска технологија за одгледување растенија со висока додадена вредност, како што се лековити растенија, растенија за здравствена заштита и ретки зеленчуци, зголемување на видовите култури што се одгледуваат во фабриките за растенија, проширување на каналите за профит и подобрување на почетната точка на профит.

(4) Спроведување истражувања за фабрики за растенија за домаќинство и комерцијална употреба, збогатување на видовите фабрики за растенија и постигнување континуирана профитабилност со различни функции.

4. Тренд на развој и перспектива на фабриката за растенија

4.1 Тренд на развој на технологијата

4.1.1 Целосно процесна интелектуализација

Врз основа на механизмот за фузија на машинска уметност и спречување на загуби на системот за култура-робот, треба да се создадат брзи флексибилни и недеструктивни крајни ефектори за садење и берба, дистрибуиран повеќедимензионален простор, прецизно позиционирање и мултимодални методи за соработка со повеќе машини, како и беспилотно, ефикасно и недеструктивно сеење во висококатници - Треба да се создадат интелигентни роботи и помошна опрема како што се садење-берба-пакување, со што ќе се реализира беспилотното работење на целиот процес.

4.1.2 Направете ја контролата на производството попаметна

Врз основа на механизмот на одговор на растот и развојот на културите на светлосно зрачење, температура, влажност, концентрација на CO2, концентрација на хранливи материи во растворот на хранливи материи и EC, треба да се изгради квантитативен модел на повратни информации помеѓу културата и околината. Треба да се воспостави стратешки основен модел за динамичка анализа на информациите за животниот век на лиснатиот зеленчук и параметрите на производствената средина. Исто така, треба да се воспостави систем за онлајн динамичка идентификација, дијагноза и контрола на процесот на околината. Треба да се создаде систем за донесување одлуки со вештачка интелигенција од повеќе машини за целиот производствен процес на вертикална земјоделска фабрика со голем обем.

4.1.3 Производство со ниски јаглеродни емисии и заштеда на енергија

Воспоставување систем за управување со енергија што користи обновливи извори на енергија како што се сончевата и ветерот за целосен пренос на енергија и контрола на потрошувачката на енергија за да се постигнат оптимални цели за управување со енергијата. Собирање и повторна употреба на емисиите на CO2 за да се помогне во производството на земјоделски култури.

4.1.3 Висока вредност на премиум сорти

Треба да се преземат изводливи стратегии за одгледување различни сорти со висока додадена вредност за експерименти за садење, да се изгради база на податоци за експерти за технологија на одгледување, да се спроведат истражувања за технологијата на одгледување, изборот на густина, распоредот на стрништата, прилагодливоста на сортите и опремата и да се формираат стандардни технички спецификации за одгледување.

4.2 Перспективи за развој на индустријата

Фабриките за растенија можат да се ослободат од ограничувањата на ресурсите и животната средина, да го реализираат индустријализираното производство на земјоделството и да привлечат нова генерација работна сила да се вклучи во земјоделското производство. Клучната технолошка иновација и индустријализација на кинеските фабрики за растенија станува светски лидер. Со забрзаната примена на LED изворот на светлина, дигитализацијата, автоматизацијата и интелигентните технологии во областа на фабриките за растенија, фабриките за растенија ќе привлечат повеќе капитални инвестиции, собирање таленти и употреба на повеќе нова енергија, нови материјали и нова опрема. На овој начин, може да се реализира длабинска интеграција на информатичката технологија и објектите и опремата, може да се подобри интелигентното и беспилотно ниво на објектите и опремата, континуирано намалување на потрошувачката на енергија на системот и оперативните трошоци преку континуирана иновација и постепено развивање на специјализирани пазари, интелигентните фабрики за растенија ќе го воведат златниот период на развој.

Според извештаите за истражување на пазарот, големината на глобалниот вертикален земјоделски пазар во 2020 година е само 2,9 милијарди американски долари, а се очекува дека до 2025 година големината на глобалниот вертикален земјоделски пазар ќе достигне 30 милијарди американски долари. Накратко, фабриките за растенија имаат широки перспективи за примена и простор за развој.

Автор: Зенгчан Џоу, Веидонг итн

Информации за цитатот:Тековна состојба и перспективи за развој на индустријата за растенија и фабрики [J]. Технологија на земјоделско инженерство, 2022, 42(1): 18-23.од Зенгчан Џоу, Веи Донг, Ксиуганг Ли и др.