Riassunto: negli ultimi anni, con la continua esplorazione della moderna tecnologia agricola, l'industria delle fabbriche vegetali si è anche sviluppata rapidamente. Questo documento introduce lo status quo, i problemi esistenti e le contromisure di sviluppo della tecnologia delle fabbriche vegetali e dello sviluppo del settore e attende con impazienza la tendenza dello sviluppo e la prospettiva delle fabbriche vegetali in futuro.

1. Stato attuale dello sviluppo tecnologico nelle fabbriche vegetali in Cina e all'estero

1.1 Lo status quo dello sviluppo della tecnologia straniera

Dal 21 ° secolo, la ricerca delle fabbriche vegetali si è concentrata principalmente sul miglioramento dell'efficienza della luce, sulla creazione di attrezzature a sistema di coltivazione tridimensionale multidimensionale e la ricerca e lo sviluppo di gestione e controllo intelligenti. Nel 21 ° secolo, l'innovazione di fonti di luce a LED agricole ha fatto progressi, fornendo un importante supporto tecnico per l'applicazione di fonti di luce a risparmio energetico a LED nelle fabbriche di piante. L'Università di Chiba in Giappone ha fatto una serie di innovazioni in fonti di luce ad alta efficienza, controllo ambientale a risparmio energetico e tecniche di coltivazione. L'Università Wageningen nei Paesi Bassi utilizza la simulazione delle colture-ambiente e la tecnologia di ottimizzazione dinamica per sviluppare un sistema di attrezzature intelligenti per le fabbriche di piante, che riduce notevolmente i costi operativi e migliora significativamente la produttività del lavoro.

Negli ultimi anni, le fabbriche vegetali hanno gradualmente realizzato la semi-automazione dei processi di produzione da semina, allevamento di piantine, trapianto e raccolta. Il Giappone, i Paesi Bassi e gli Stati Uniti sono in prima linea, con un alto grado di meccanizzazione, automazione e intelligenza e si stanno sviluppando nella direzione dell'agricoltura verticale e del funzionamento senza pilota.

1.2 Stato di sviluppo tecnologico in Cina

1.2.1 Specializd LED Light Source e Attrezzatura tecnologica per applicazioni per il risparmio energetico per luce artificiale nella fabbrica di piante

Sono state sviluppate speciali fonti di luce a LED rossa e blu per la produzione di varie specie vegetali nelle fabbriche vegetali una dopo l'altra. La potenza varia da 30 a 300 W e l'intensità della luce dell'irradiazione è compresa tra 80 e 500 μmol/(M2 • S), che può fornire un'intensità della luce con una gamma di soglia appropriata, parametri di qualità della luce, per raggiungere l'effetto dell'efficienza ad alta efficienza Risparmio energetico e adattamento alle esigenze della crescita e dell'illuminazione delle piante. In termini di gestione della dissipazione del calore della sorgente luminosa, è stato introdotto il design attivo di dissipazione del calore della ventola della sorgente di luce, che riduce la velocità di decadimento della luce della sorgente luminosa e garantisce la vita della fonte di luce. Inoltre, viene proposto un metodo per ridurre il calore della sorgente di luce a LED attraverso la soluzione nutrizionale o la circolazione dell'acqua. In termini di gestione dello spazio della fonte di luce, secondo la legge sull'evoluzione delle dimensioni della pianta nella fase della piantina e la fase successiva, attraverso la gestione del movimento dello spazio verticale della fonte di luce a LED, il baldacchino delle piante può essere illuminato a distanza ravvicinata e l'obiettivo di risparmio energetico è raggiunto. Allo stato attuale, il consumo di energia della fonte di luce delle piante per piante di luce artificiale può rappresentare dal 50% al 60% del consumo totale di energia operativa della fabbrica di piante. Sebbene il LED possa risparmiare il 50% di energia rispetto alle lampade fluorescenti, c'è ancora il potenziale e la necessità di ricerche sul risparmio energetico e sulla riduzione del consumo.

1.2.2 Tecnologia e attrezzatura di coltivazione tridimensionale multidimensionale

Il divario di strato della coltivazione tridimensionale multistrato è ridotto perché il LED sostituisce la lampada fluorescente, che migliora l'efficienza di utilizzo dello spazio tridimensionale della coltivazione vegetale. Ci sono molti studi sulla progettazione del fondo del letto di coltivazione. Le strisce rialzate sono progettate per generare un flusso turbolento, che può aiutare le radici delle piante ad assorbire i nutrienti nella soluzione nutrizionale in modo uniforme e aumentare la concentrazione di ossigeno disciolto. Usando la scheda di colonizzazione, ci sono due metodi di colonizzazione, cioè le tazze di colonizzazione di plastica di dimensioni diverse o la modalità di colonizzazione perimetrale di spugna. È apparso un sistema di letti di coltivazione scivoloso e la tavola di semina e le piante su di esso possono essere spinte manualmente da un'estremità all'altra, realizzando il modo di produzione di semina a un'estremità del letto di coltivazione e la raccolta all'altra estremità. Al momento, sono state sviluppate una varietà di tecnologie e attrezzature tridimensionali di coltura Soilless multidimensionali basate sulla tecnologia del film liquido nutritivo e sulla tecnologia a flusso liquido profondo e la tecnologia e le attrezzature per la coltivazione del substrato di frago sono sorti. La tecnologia menzionata si è sviluppata rapidamente.

1.2.3 Tecnologia e attrezzatura di circolazione della soluzione nutritiva

Dopo che la soluzione nutritiva è stata utilizzata per un periodo di tempo, è necessario aggiungere elementi di acqua e minerali. In generale, la quantità di soluzione nutritiva di nuova preparazione e la quantità di soluzione acida-base sono determinate misurando EC e pH. Le particelle di sedimenti o esfoliazione delle radici nella soluzione nutrizionale devono essere rimosse da un filtro. Gli essudati delle radici nella soluzione nutrizionale possono essere rimossi mediante metodi fotocatalitici per evitare ostacoli di coltivazione continui nell'idroponica, ma ci sono alcuni rischi nella disponibilità di nutrienti.

1.2.4 Tecnologia e attrezzatura di controllo ambientale

La pulizia aerea dello spazio di produzione è uno degli indicatori importanti della qualità dell'aria della fabbrica di piante. La pulizia dell'aria (indicatori di particelle sospese e batteri sistemati) nello spazio di produzione della fabbrica vegetale in condizioni dinamiche dovrebbe essere controllata a un livello superiore a 100.000. L'ingresso di disinfezione del materiale, il trattamento della doccia ad aria in arrivo e il sistema di purificazione dell'aria della circolazione aria fresca (sistema di filtrazione dell'aria) sono tutte garanzie di base. La temperatura e l'umidità, la concentrazione di CO2 e la velocità del flusso d'aria dell'aria nello spazio di produzione sono un altro contenuto importante del controllo della qualità dell'aria. Secondo i rapporti, la creazione di attrezzature come scatole di miscelazione dell'aria, condotti d'aria, insenature d'aria e prese d'aria possono controllare uniformemente la temperatura e l'umidità, la concentrazione di CO2 e la velocità del flusso d'aria nello spazio di produzione, in modo da raggiungere un'elevata uniformità spaziale e soddisfare le esigenze delle piante in diverse posizioni spaziali. La temperatura, l'umidità e il sistema di controllo della concentrazione di CO2 e il sistema di aria fresca sono organicamente integrati nel sistema di aria circolante. I tre sistemi devono condividere il condotto dell'aria, l'ingresso dell'aria e l'uscita dell'aria e fornire energia attraverso la ventola per realizzare la circolazione del flusso d'aria, della filtrazione e della disinfezione e dell'aggiornamento e dell'uniformità della qualità dell'aria. Assicura che la produzione di piante nella fabbrica di piante sia priva di parassiti e malattie e non è richiesta alcuna applicazione di pesticidi. Allo stesso tempo, l'uniformità della temperatura, dell'umidità, del flusso d'aria e della concentrazione di CO2 degli elementi dell'ambiente di crescita nel baldacchino è garantita per soddisfare le esigenze della crescita delle piante.

2. Stato di sviluppo dell'industria delle fabbriche vegetali

2.1 Status quo dell'industria delle fabbriche di piante straniere

In Giappone, la ricerca e lo sviluppo e l'industrializzazione delle fabbriche di piante di luce artificiale sono relativamente veloci e sono a livello di primo piano. Nel 2010, il governo giapponese ha lanciato 50 miliardi di yen per supportare la ricerca tecnologica e lo sviluppo e le manifestazioni industriali. Hanno partecipato otto istituzioni tra cui Chiba University e Japan Plant Factory Research Association. Giappone Future Company ha intrapreso e gestito il primo progetto dimostrativo di industrializzazione di una fabbrica di impianti con una produzione giornaliera di 3.000 impianti. Nel 2012, il costo di produzione della fabbrica vegetale era di 700 yen/kg. Nel 2014, la moderna fabbrica di piante di fabbrica nel castello di Taga, la prefettura di Miyagi è stata completata, diventando la prima fabbrica di piante a LED al mondo con una produzione giornaliera di 10.000 piante. Dal 2016, le fabbriche di piante a LED sono entrate nella corsia veloce dell'industrializzazione in Giappone e sono emerse le imprese di pareggio o redditizia. Nel 2018, le fabbriche di piante su larga scala con una capacità di produzione giornaliera di 50.000 a 100.000 piante sono apparse una dopo l'altra e le fabbriche di piante globali si stavano sviluppando verso uno sviluppo su larga scala, professionale e intelligente. Allo stesso tempo, l'energia elettrica di Tokyo, l'energia elettrica di Okinawa e altri campi hanno iniziato a investire in fabbriche vegetali. Nel 2020, la quota di mercato della lattuga prodotta dalle fabbriche di piante giapponesi rappresenterà circa il 10% dell'intero mercato delle lattuce. Tra le oltre 250 fabbriche di piante di tipo luce artificiale attualmente in funzione, il 20% si trova in una fase di perdita, il 50% è a livello di pareggio e il 30% si trova in una fase redditizia, che coinvolge specie di piante coltivate come lattuga, erbe e piantine.

I Paesi Bassi sono un vero leader mondiale nel campo della tecnologia applicata combinata della luce solare e della luce artificiale per la fabbrica di piante, con un alto grado di meccanizzazione, automazione, intelligenza e snocciola Prodotti in Medio Oriente, Africa, Cina e altri paesi. American Aerofarms Farm si trova a Newark, New Jersey, USA, con un'area di 6500 m2. Crea principalmente verdure e spezie e la produzione è di circa 900 T/anno.

Agricoltura verticale negli aerofamici

La fabbrica di piante agricole verticali di abbondanza negli Stati Uniti adotta l'illuminazione a LED e un telaio di semina verticale con un'altezza di 6 m. Le piante crescono dai lati delle piantatrici. Facendo affidamento sull'irrigazione a gravità, questo metodo di semina non richiede ulteriori pompe ed è più efficiente dall'agricoltura convenzionale. Molte afferma che la sua fattoria produce 350 volte la produzione di una fattoria convenzionale mentre utilizza solo l'1% dell'acqua.

Fabbrica di piante agricole verticali, abbondanza

2.2 Industria delle fabbriche vegetali di status in Cina

Nel 2009, la prima fabbrica di impianti di produzione in Cina con controllo intelligente mentre il nucleo è stato costruito e messo in funzione nel parco Expo Agricultural Changchun. L'area di costruzione è di 200 m2 e i fattori ambientali come temperatura, umidità, luce, CO2 e la concentrazione di soluzione nutrizionale della fabbrica vegetale possono essere automaticamente monitorati in tempo reale per realizzare una gestione intelligente.

Nel 2010, la fabbrica di piante Tongzhou costruita a Pechino. La struttura principale adotta una struttura in acciaio leggero a strato singolo con un'area di costruzione totale di 1289 m2. Ha la forma di una portaerei, che simboleggia l'agricoltura cinese che prende il comando nel salpare verso la tecnologia più avanzata dell'agricoltura moderna. È stata sviluppata l'attrezzatura automatica per alcune operazioni di produzione di verdure a foglia, che ha migliorato il livello di automazione della produzione e l'efficienza di produzione della fabbrica di piante. La fabbrica di impianti adotta un sistema di pompe di calore della sorgente a terra e un sistema di generazione di energia solare, che risolve meglio il problema degli alti costi operativi per la fabbrica di impianti.

Vista interna ed esterna della fabbrica di piante Tongzhou

Nel 2013, molte società di tecnologia agricola sono state istituite nella zona di dimostrazione ad alta tecnologia agricola, provincia di Shaanxi. La maggior parte dei progetti di fabbrica di piante in costruzione e operazioni si trovano nei parchi dimostrativi agricoli ad alta tecnologia, che sono utilizzati principalmente per dimostrazioni scientifiche popolari e visite turistiche per il tempo libero. A causa dei loro limiti funzionali, è difficile per queste popolari fabbriche di piante scientifiche raggiungere l'elevata resa e l'elevata efficienza necessarie dall'industrializzazione e sarà difficile per loro diventare la forma tradizionale di industrializzazione in futuro.

Nel 2015, un importante produttore di chip guidato in Cina ha collaborato con l'Istituto di Botanica dell'Accademia delle Scienze cinesi per avviare congiuntamente l'istituzione di una società di fabbrica di piante. Ha attraversato l'industria optoelettronica all'industria "fotobiologica" ed è diventato un precedente per i produttori di LED cinesi per investire nella costruzione di fabbriche vegetali nell'industrializzazione. La sua fabbrica di piante si impegna a fare investimenti industriali nella fotobiologia emergente, che integra la ricerca scientifica, la produzione, la dimostrazione, l'incubazione e altre funzioni, con un capitale registrato di 100 milioni di yuan. Nel giugno 2016, questa fabbrica di piante con un edificio a 3 piani che copre un'area di 3.000 m2 e un'area di coltivazione di oltre 10.000 m2 è stata completata e messa in funzione. A maggio 2017, la scala di produzione giornaliera sarà di 1.500 kg di verdure a foglia, equivalenti a 15.000 piante di lattuga al giorno.

Opinioni di questa azienda

3. Problemi e contromisure che affrontano lo sviluppo di fabbriche vegetali

3.1 Problemi

3.1.1 Costo di costruzione elevato

Le fabbriche vegetali devono produrre colture in un ambiente chiuso. Pertanto, è necessario costruire progetti e attrezzature di supporto, tra cui strutture di manutenzione esterna, sistemi di aria condizionata, fonti di luce artificiale, sistemi di coltivazione multistrato, circolazione delle soluzione nutritive e sistemi di controllo dei computer. Il costo di costruzione è relativamente alto.

3.1.2 Costo operativo elevato

La maggior parte delle fonti luminose richieste dalle fabbriche vegetali provengono da luci a LED, che consumano molta elettricità fornendo spettri corrispondenti per la crescita di diverse colture. Anche apparecchiature come aria condizionata, ventilazione e pompe d'acqua nel processo di produzione delle fabbriche vegetali consumano elettricità, quindi le bollette elettriche sono una spesa enorme. Secondo le statistiche, tra i costi di produzione delle fabbriche vegetali, i costi dell'elettricità rappresentano il 29%, i costi del lavoro rappresentano il 26%, l'ammortamento delle attività fisse rappresenta il 23%, gli imballaggi e i trasporti rappresentano il 12%e i materiali di produzione rappresentano il 10%.

Rompere i costi di produzione per la fabbrica di piante

3.1.3 Livello basso di automazione

La fabbrica vegetale attualmente applicata ha un basso livello di automazione e processi come la piantina, il trapianto, la semina e la raccolta del campo richiedono ancora operazioni manuali, con conseguenti costi di manodopera elevati.

3.1.4 varietà limitate di colture che possono essere coltivate

Allo stato attuale, i tipi di colture adatti per le fabbriche vegetali sono molto limitate, principalmente verdure a foglia verde che crescono rapidamente, accettano facilmente fonti di luce artificiale e hanno un baldacchino basso. La semina su larga scala non può essere effettuata per requisiti di semina complessi (come le colture che devono essere impollinate, ecc.).

3.2 Strategia di sviluppo

Alla luce dei problemi affrontati dall'industria delle fabbriche vegetali, è necessario svolgere ricerche da vari aspetti come la tecnologia e il funzionamento. In risposta ai problemi attuali, le contromisure sono le seguenti.

(1) Rafforzare la ricerca sulla tecnologia intelligente delle fabbriche vegetali e migliorare il livello di gestione intensiva e raffinata. Lo sviluppo di un sistema di gestione e controllo intelligente aiuta a ottenere una gestione intensa e raffinata delle fabbriche vegetali, che possono ridurre notevolmente i costi del lavoro e risparmiare lavoro.

(2) Sviluppare attrezzature tecniche intensive ed efficienti per la fabbrica di piante per raggiungere ad alta qualità e di alto rendimento annuali. Lo sviluppo di impianti e attrezzature per coltivazione ad alta efficienza, tecnologia e attrezzature per l'illuminazione per risparmiare energia, ecc., Per migliorare il livello intelligente di fabbriche vegetali, favorisce la realizzazione della produzione annuale ad alta efficienza.

(3) svolgere ricerche sulla tecnologia di coltivazione industriale per piante ad alto valore aggiunto come piante medicinali, piante sanitarie e verdure rare, aumentano i tipi di colture coltivate in fabbriche vegetali, ampliano i canali di profitto e migliorano il punto di partenza del profitto .

(4) Fare ricerche su fabbriche vegetali per uso domestico e commerciale, arricchire i tipi di fabbriche vegetali e ottenere una redditività continua con varie funzioni.

4. Trend di sviluppo e prospettiva della fabbrica di piante

4.1 tendenza dello sviluppo tecnologico

4.1.1 Intellettualizzazione a processo pieno

Sulla base del meccanismo di prevenzione della fusione e delle perdite di fusione e perdite di art-art, effettori di fine della piantagione e della raccolta non distruttivi e di raccolta non distruttive, posizionamento accurato multi-modale distribuito e metodi di controllo collaborativo multi-machina multi-modale, e semina senza pilota, efficiente e non distruttiva in fabbriche di piante di grattacieli-robot e attrezzature di supporto come dovrebbe essere creato il pacchetto di raccolta delle piantagioni, realizzando così il funzionamento senza pilota dell'intero processo.

4.1.2 Rendi il controllo della produzione più intelligente

Sulla base del meccanismo di risposta della crescita e dello sviluppo delle colture a radiazioni leggere, temperatura, umidità, concentrazione di CO2, concentrazione nutrizionale della soluzione nutrizionale e EC, dovrebbe essere costruito un modello quantitativo di feedback delle colture-ambiente. Dovrebbe essere stabilito un modello di base strategico per analizzare dinamicamente i parametri di informazioni sulla vita vegetale e parametri dell'ambiente di produzione. Dovrebbero essere stabiliti anche la diagnosi di identificazione dinamica online e il sistema di controllo dei processi dell'ambiente. Dovrebbe essere creato un sistema decisionale di intelligenza artificiale collaborativa multi-macchina per l'intero processo di produzione di una fabbrica agricola verticale ad alto volume.

4.1.3 Produzione a basso contenuto di carbonio e risparmio energetico

Stabilire un sistema di gestione dell'energia che utilizza fonti di energia rinnovabile come solare e vento per completare la trasmissione di energia e il controllo del consumo di energia per raggiungere obiettivi di gestione dell'energia ottimali. Catturare e riutilizzare le emissioni di CO2 per aiutare la produzione coltivata.

4.1.3 Valore elevato delle varietà premium

Dovrebbero essere prese strategie fattibili per allevare diverse varietà ad alto valore aggiunto per gli esperimenti di semina, costruire un database di esperti di tecnologia di coltivazione, condurre ricerche sulla tecnologia di coltivazione, selezione della densità, disposizione delle stoppie, adattabilità a varietà e attrezzature e formare specifiche tecniche di coltivazione standard.

4.2 Prospettive di sviluppo del settore

Le fabbriche vegetali possono sbarazzarsi dei vincoli delle risorse e dell'ambiente, realizzare la produzione industrializzata dell'agricoltura e attrarre la nuova generazione di forza lavoro per impegnarsi nella produzione agricola. La chiave innovazione tecnologica e l'industrializzazione delle fabbriche vegetali cinesi sta diventando un leader mondiale. Con l'applicazione accelerata di fonte di luce a LED, digitalizzazione, automazione e tecnologie intelligenti nel campo delle fabbriche vegetali, le fabbriche vegetali attireranno più investimenti di capitale, raccolta di talenti e l'uso di più nuove energia, nuovi materiali e nuove attrezzature. In questo modo, è possibile realizzare l'integrazione approfondita della tecnologia dell'informazione, delle strutture e delle attrezzature, il livello intelligente e senza pilota di strutture e attrezzature può essere migliorata, la riduzione continua del consumo di energia del sistema e dei costi operativi attraverso l'innovazione continua e il graduale La coltivazione di mercati specializzati, le fabbriche di piante intelligenti inaugureranno il periodo di sviluppo d'oro.

Secondo i rapporti di ricerca di mercato, le dimensioni globali del mercato dell'agricoltura verticale nel 2020 sono di soli 2,9 miliardi di dollari e si prevede che entro il 2025 le dimensioni globali del mercato dell'agricoltura verticale raggiungeranno i 30 miliardi di dollari. In sintesi, le fabbriche vegetali hanno ampie prospettive di applicazione e spazio di sviluppo.

Autore: Zengchan Zhou, Weidong, ecc.

Informazioni sulla citazione:Situazione attuale e prospettive dello sviluppo del settore delle fabbriche vegetali [J]. Tecnologia di ingegneria agricola, 2022, 42 (1): 18-23.Di Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.