Riassunto: Negli ultimi anni, grazie alla continua esplorazione delle moderne tecnologie agricole, anche l'industria delle fabbriche vegetali si è sviluppata rapidamente. Questo articolo presenta lo status quo, i problemi esistenti e le contromisure di sviluppo della tecnologia delle fabbriche vegetali e dello sviluppo del settore, e analizza le tendenze e le prospettive di sviluppo delle fabbriche vegetali in futuro.

1. Stato attuale dello sviluppo tecnologico negli stabilimenti produttivi in ​​Cina e all'estero

1.1 Lo status quo dello sviluppo tecnologico estero

Dal XXI secolo, la ricerca nelle fabbriche vegetali si è concentrata principalmente sul miglioramento dell'efficienza luminosa, sulla creazione di attrezzature per sistemi di coltivazione tridimensionali multistrato e sulla ricerca e sviluppo di sistemi di gestione e controllo intelligenti. Nel XXI secolo, l'innovazione delle sorgenti luminose a LED per l'agricoltura ha compiuto progressi, fornendo un importante supporto tecnico per l'applicazione di sorgenti luminose a LED a risparmio energetico nelle fabbriche vegetali. L'Università di Chiba in Giappone ha introdotto numerose innovazioni nelle sorgenti luminose ad alta efficienza, nel controllo ambientale a risparmio energetico e nelle tecniche di coltivazione. L'Università di Wageningen nei Paesi Bassi utilizza la simulazione dell'ambiente di coltivazione e la tecnologia di ottimizzazione dinamica per sviluppare un sistema di attrezzature intelligenti per le fabbriche vegetali, che riduce notevolmente i costi operativi e migliora significativamente la produttività del lavoro.

Negli ultimi anni, le fabbriche di piante hanno gradualmente realizzato la semi-automazione dei processi produttivi, dalla semina alla coltivazione delle piantine, dal trapianto alla raccolta. Giappone, Paesi Bassi e Stati Uniti sono all'avanguardia, con un elevato grado di meccanizzazione, automazione e intelligenza, e si stanno sviluppando nella direzione dell'agricoltura verticale e della gestione automatizzata.

1.2 Stato dello sviluppo tecnologico in Cina

1.2.1 Sorgente luminosa a LED specializzata e apparecchiature tecnologiche per l'applicazione del risparmio energetico per la luce artificiale in fabbrica

Sono state sviluppate una dopo l'altra sorgenti luminose a LED speciali, rosse e blu, per la produzione di varie specie vegetali nelle fabbriche. La potenza varia da 30 a 300 W e l'intensità luminosa di irradiazione è compresa tra 80 e 500 μmol/(m²•s), consentendo di fornire un'intensità luminosa con un intervallo di soglia appropriato e parametri di qualità della luce adeguati, per ottenere un risparmio energetico ad alta efficienza e adattarsi alle esigenze di crescita e illuminazione delle piante. Per quanto riguarda la gestione della dissipazione del calore della sorgente luminosa, è stato introdotto un design a dissipazione attiva del calore della ventola della sorgente luminosa, che riduce il tasso di decadimento della luce della sorgente luminosa e ne garantisce la durata. Inoltre, viene proposto un metodo per ridurre il calore della sorgente luminosa a LED attraverso la circolazione di soluzione nutritiva o acqua. Per quanto riguarda la gestione dello spazio della sorgente luminosa, secondo la legge evolutiva delle dimensioni delle piante nella fase di germinazione e nelle fasi successive, attraverso la gestione del movimento verticale della sorgente luminosa a LED, la chioma della pianta può essere illuminata a distanza ravvicinata e l'obiettivo di risparmio energetico viene raggiunto. Attualmente, il consumo energetico delle sorgenti luminose artificiali di uno stabilimento può rappresentare dal 50% al 60% del consumo energetico operativo totale dell'impianto. Sebbene i LED consentano di risparmiare il 50% di energia rispetto alle lampade fluorescenti, sussistono ancora il potenziale e la necessità di ricerca sul risparmio energetico e sulla riduzione dei consumi.

1.2.2 Tecnologia e attrezzature per la coltivazione tridimensionale multistrato

La distanza tra gli strati della coltivazione tridimensionale multistrato è ridotta perché il LED sostituisce la lampada fluorescente, migliorando l'efficienza di utilizzo dello spazio tridimensionale della coltivazione delle piante. Esistono numerosi 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 uniformemente i nutrienti nella soluzione nutritiva e ad aumentare la concentrazione di ossigeno disciolto. Utilizzando la tavola di colonizzazione, sono disponibili due metodi di colonizzazione: le tazze di colonizzazione in plastica di diverse dimensioni o la modalità di colonizzazione perimetrale con spugna. È apparso un sistema di letto di coltivazione scorrevole, in cui la tavola di piantagione e le piante su di essa possono essere spinte manualmente da un'estremità all'altra, realizzando la modalità di produzione di semina a un'estremità del letto di coltivazione e raccolta all'altra estremità. Attualmente, sono state sviluppate diverse tecnologie e attrezzature per la coltivazione fuori suolo multistrato tridimensionale basate sulla tecnologia del film liquido nutritivo e sulla tecnologia del flusso liquido profondo, e sono nate tecnologie e attrezzature per la coltivazione su substrato di fragole e la coltivazione aerosol di ortaggi a foglia e fiori. La tecnologia menzionata si è sviluppata rapidamente.

1.2.3 Tecnologia e attrezzature per la circolazione della soluzione nutritiva

Dopo un certo periodo di utilizzo della soluzione nutritiva, è necessario aggiungere acqua ed elementi minerali. Generalmente, la quantità di soluzione nutritiva appena preparata e la quantità di soluzione acido-base vengono determinate misurando EC e pH. Le particelle più grandi di sedimento o di esfoliazione radicale presenti nella soluzione nutritiva devono essere rimosse tramite un filtro. Gli essudati radicali presenti nella soluzione nutritiva possono essere rimossi con metodi fotocatalitici per evitare continui ostacoli alla coltivazione idroponica, ma vi sono alcuni rischi per la disponibilità dei nutrienti.

1.2.4 Tecnologia e attrezzature per il controllo ambientale

La purezza dell'aria nell'ambiente di produzione è uno degli indicatori più importanti della qualità dell'aria all'interno dello stabilimento. La purezza dell'aria (indicatori di particelle sospese e batteri insediati) nell'ambiente di produzione in condizioni dinamiche deve essere mantenuta a un livello superiore a 100.000. L'immissione di disinfettante per i materiali, il trattamento dell'aria in ingresso con doccia per il personale e il sistema di purificazione dell'aria a circolazione d'aria fresca (sistema di filtrazione dell'aria) sono tutte misure di sicurezza fondamentali. La temperatura e l'umidità, la concentrazione di CO2 e la velocità del flusso d'aria nell'ambiente di produzione sono altri parametri importanti per il controllo della qualità dell'aria. Secondo alcuni studi, l'installazione di apparecchiature come box di miscelazione dell'aria, condotti dell'aria, ingressi e uscite dell'aria può controllare in modo uniforme la temperatura e l'umidità, la concentrazione di CO2 e la velocità del flusso d'aria nell'ambiente di produzione, in modo da ottenere un'elevata uniformità spaziale e soddisfare le esigenze degli stabilimenti in diverse posizioni. Il sistema di controllo della temperatura, dell'umidità e della concentrazione di CO2 e il sistema di aria fresca sono integrati organicamente nel sistema di circolazione dell'aria. I tre sistemi devono condividere il condotto dell'aria, l'ingresso e l'uscita dell'aria e fornire energia tramite il ventilatore per realizzare la circolazione del flusso d'aria, la filtrazione e la disinfezione, nonché l'aggiornamento e l'uniformità della qualità dell'aria. Ciò garantisce che la produzione vegetale nello stabilimento sia priva di parassiti e malattie e non sia richiesta l'applicazione di pesticidi. Allo stesso tempo, l'uniformità di temperatura, umidità, flusso d'aria e concentrazione di CO2 degli elementi dell'ambiente di crescita nella chioma è garantita per soddisfare le esigenze di crescita delle piante.

2. Stato di sviluppo dell'industria delle fabbriche di piante

2.1 Status quo dell'industria manifatturiera estera

In Giappone, la ricerca, lo sviluppo e l'industrializzazione di fabbriche di impianti di illuminazione artificiale sono relativamente rapidi e all'avanguardia. Nel 2010, il governo giapponese ha stanziato 50 miliardi di yen per sostenere la ricerca, lo sviluppo tecnologico e la dimostrazione industriale. Hanno partecipato otto istituzioni, tra cui l'Università di Chiba e la Japan Plant Factory Research Association. La Japan Future Company ha intrapreso e gestito il primo progetto dimostrativo di industrializzazione di una fabbrica di impianti con una produzione giornaliera di 3.000 piante. Nel 2012, il costo di produzione della fabbrica era di 700 yen/kg. Nel 2014, è stato completato un moderno stabilimento di produzione di impianti a LED nel Castello di Taga, nella Prefettura di Miyagi, diventando la prima fabbrica di impianti a LED al mondo con una produzione giornaliera di 10.000 piante. Dal 2016, le fabbriche di impianti a LED hanno imboccato la corsia preferenziale dell'industrializzazione in Giappone e, una dopo l'altra, sono emerse imprese in pareggio o redditizie. Nel 2018, sono comparse una dopo l'altra fabbriche di impianti su larga scala con una capacità produttiva giornaliera da 50.000 a 100.000 piante, e le fabbriche di impianti globali si sono evolute verso uno sviluppo su larga scala, professionale e intelligente. Allo stesso tempo, Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power e altri settori hanno iniziato a investire in fabbriche di impianti. Nel 2020, la quota di mercato della lattuga prodotta dalle fabbriche di impianti giapponesi rappresenterà circa il 10% dell'intero mercato della lattuga. Tra le oltre 250 fabbriche di impianti di illuminazione artificiale attualmente operative, il 20% è in perdita, il 50% è in pareggio e il 30% è in profitto, con specie vegetali coltivate come lattuga, erbe aromatiche e piantine.

I Paesi Bassi sono un vero leader mondiale nel campo della tecnologia di applicazione combinata di luce solare e artificiale per le fabbriche, con un elevato grado di meccanizzazione, automazione, intelligenza e assenza di personale, e hanno esportato un set completo di tecnologie e attrezzature come prodotti di punta in Medio Oriente, Africa, Cina e altri paesi. L'azienda agricola American AeroFarms si trova a Newark, nel New Jersey, negli Stati Uniti, su una superficie di 6500 m². Coltiva principalmente ortaggi e spezie e la produzione è di circa 900 tonnellate all'anno.

Agricoltura verticale in AeroFarms

La fabbrica di impianti per l'agricoltura verticale della Plenty Company negli Stati Uniti adotta illuminazione a LED e una struttura di piantumazione verticale alta 6 metri. Le piante crescono ai lati delle fioriere. Basandosi sull'irrigazione a gravità, questo metodo di piantumazione non richiede pompe aggiuntive ed è più efficiente dal punto di vista idrico rispetto all'agricoltura convenzionale. Plenty sostiene che la sua azienda agricola produce 350 volte la produzione di un'azienda agricola convenzionale, utilizzando solo l'1% dell'acqua.

Fabbrica di impianti per l'agricoltura verticale, Plenty Company

2.2 Stato dell'industria delle fabbriche in Cina

Nel 2009, è stato costruito e messo in funzione il primo impianto produttivo in Cina con controllo intelligente al centro, presso il Changchun Agricultural Expo Park. L'edificio si estende su una superficie di 200 m² e i fattori ambientali come temperatura, umidità, luce, CO2 e concentrazione della soluzione nutritiva possono essere monitorati automaticamente e in tempo reale per realizzare una gestione intelligente.

Nel 2010, è stato costruito lo stabilimento di Tongzhou Plant a Pechino. La struttura principale adotta una struttura in acciaio leggero monostrato con una superficie di costruzione totale di 1289 m². Ha la forma di una portaerei, a simboleggiare l'agricoltura cinese che sta prendendo il sopravvento sulla tecnologia più avanzata dell'agricoltura moderna. Sono state sviluppate apparecchiature automatiche per alcune operazioni di produzione di ortaggi a foglia, che hanno migliorato il livello di automazione della produzione e l'efficienza produttiva dello stabilimento. Lo stabilimento adotta un sistema di pompa di calore geotermica e un sistema di generazione di energia solare, che risolvono meglio il problema degli elevati costi operativi dello stabilimento.

Vista interna ed esterna dello stabilimento di Tongzhou

Nel 2013, numerose aziende di tecnologia agricola sono state fondate nella zona dimostrativa agricola ad alta tecnologia di Yangling, nella provincia dello Shaanxi. La maggior parte dei progetti di fabbriche di impianti in costruzione e in funzione si trova in parchi dimostrativi agricoli ad alta tecnologia, utilizzati principalmente per dimostrazioni di divulgazione scientifica e visite turistiche. A causa dei loro limiti funzionali, è difficile per queste fabbriche di impianti di divulgazione scientifica raggiungere l'elevata resa e l'elevata efficienza richieste dall'industrializzazione, e sarà difficile per loro diventare la forma di industrializzazione tradizionale in futuro.

Nel 2015, un importante produttore cinese di chip LED ha collaborato con l'Istituto di Botanica dell'Accademia Cinese delle Scienze per avviare congiuntamente la creazione di una società di impianti produttivi. L'azienda è passata dall'industria optoelettronica a quella "fotobiologica", diventando un precedente per i produttori cinesi di LED che investono nella costruzione di impianti produttivi in ​​fase di industrializzazione. La sua Plant Factory si impegna a effettuare investimenti industriali nella fotobiologia emergente, integrando ricerca scientifica, produzione, dimostrazione, incubazione e altre funzioni, con un capitale sociale di 100 milioni di yuan. Nel giugno 2016, questa Plant Factory, con un edificio di 3 piani che si estende su una superficie di 3.000 m² e un'area di coltivazione di oltre 10.000 m², è stata completata e messa in funzione. Entro maggio 2017, la 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 si presentano nello sviluppo delle fabbriche di piante

3.1 Problemi

3.1.1 Elevati costi di costruzione

Gli impianti di produzione di piante devono produrre in un ambiente chiuso. Pertanto, è necessario realizzare progetti e attrezzature di supporto, tra cui strutture di manutenzione esterne, sistemi di condizionamento dell'aria, fonti di luce artificiale, sistemi di coltivazione multistrato, circolazione della soluzione nutritiva e sistemi di controllo computerizzati. I costi di costruzione sono relativamente elevati.

3.1.2 Elevati costi operativi

La maggior parte delle fonti luminose richieste dalle fabbriche vegetali proviene da luci a LED, che consumano molta elettricità pur fornendo spettri adatti alla crescita di diverse colture. Anche apparecchiature come l'aria condizionata, la ventilazione e le pompe idrauliche utilizzate nei processi produttivi delle fabbriche vegetali consumano elettricità, quindi le bollette elettriche rappresentano una spesa enorme. Secondo le statistiche, tra i costi di produzione delle fabbriche vegetali, i costi dell'elettricità rappresentano il 29%, i costi della manodopera il 26%, l'ammortamento delle immobilizzazioni il 23%, l'imballaggio e il trasporto il 12% e i materiali di produzione il 10%.

Ripartizione dei costi di produzione per stabilimento produttivo

3.1.3 Basso livello di automazione

L'attuale fabbrica di piante utilizzata ha un basso livello di automazione e processi come la semina, il trapianto, la messa a dimora sul campo e la raccolta richiedono ancora operazioni manuali, con conseguenti elevati costi di manodopera.

3.1.4 Varietà limitate di colture che possono essere coltivate

Attualmente, le tipologie di colture adatte alle fabbriche vegetali sono molto limitate, principalmente ortaggi a foglia verde che crescono rapidamente, accettano facilmente fonti di luce artificiale e hanno una chioma bassa. La piantumazione su larga scala non può essere effettuata per esigenze di piantagione complesse (come colture che necessitano di impollinazione, ecc.).

3.2 Strategia di sviluppo

Alla luce dei problemi che affliggono l'industria manifatturiera, è necessario condurre ricerche su 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 degli impianti produttivi e migliorare il livello di gestione intensiva e raffinata. Lo sviluppo di un sistema di gestione e controllo intelligente contribuisce a realizzare una gestione intensiva e raffinata degli impianti produttivi, che può ridurre notevolmente i costi di manodopera e risparmiare manodopera.

(2) Sviluppare attrezzature tecniche intensive ed efficienti per gli stabilimenti produttivi, al fine di raggiungere un'elevata qualità e un'elevata resa annuale. Lo sviluppo di impianti e attrezzature di coltivazione ad alta efficienza, tecnologie e attrezzature di illuminazione a risparmio energetico, ecc., per migliorare il livello di intelligenza degli stabilimenti produttivi, contribuisce al raggiungimento di una produzione annuale ad alta efficienza.

(3) Svolgere ricerche sulla tecnologia di coltivazione industriale per piante ad alto valore aggiunto come piante medicinali, piante per la cura della salute e ortaggi rari, aumentare i tipi di colture coltivate nelle fabbriche di piante, ampliare i canali di profitto e migliorare il punto di partenza del profitto.

(4) Svolgere ricerche su fabbriche di impianti per uso domestico e commerciale, arricchire le tipologie di fabbriche di impianti e raggiungere una redditività continua con varie funzioni.

4. Tendenza di sviluppo e prospettive della fabbrica di impianti

4.1 Tendenza allo sviluppo tecnologico

4.1.1 Intellettualizzazione del processo completo

Sulla base della fusione tra tecnologia e macchinari e del meccanismo di prevenzione delle perdite del sistema robot-coltura, degli effettori finali di semina e raccolta flessibili e non distruttivi ad alta velocità, del posizionamento accurato nello spazio multidimensionale distribuito e dei metodi di controllo collaborativo multimodale multi-macchina, nonché della semina senza operatore, efficiente e non distruttiva in fabbriche di impianti di grandi dimensioni, dovrebbero essere creati robot intelligenti e attrezzature di supporto come semina-raccolta-confezionamento, realizzando così il funzionamento senza operatore dell'intero processo.

4.1.2 Rendere il controllo della produzione più intelligente

Basandosi sul meccanismo di risposta della crescita e dello sviluppo delle colture a radiazione luminosa, temperatura, umidità, concentrazione di CO2, concentrazione di nutrienti nella soluzione nutritiva ed EC, dovrebbe essere costruito un modello quantitativo di feedback coltura-ambiente. Dovrebbe essere definito un modello strategico di base per analizzare dinamicamente le informazioni sulla vita degli ortaggi a foglia e i parametri dell'ambiente di produzione. Dovrebbe inoltre essere definito un sistema di identificazione dinamica online, diagnosi e controllo di processo dell'ambiente. Dovrebbe essere creato un sistema decisionale collaborativo multi-macchina basato sull'intelligenza artificiale per l'intero processo produttivo di una fabbrica agricola verticale ad alto volume.

4.1.3 Produzione a basse emissioni di carbonio e risparmio energetico

Implementare un sistema di gestione energetica che utilizzi fonti di energia rinnovabili come il sole e l'eolico per completare la trasmissione di energia e controllare i consumi energetici per raggiungere obiettivi di gestione energetica ottimali. Catturare e riutilizzare le emissioni di CO2 per favorire la produzione agricola.

4.1.3 Alto valore delle varietà premium

Si dovrebbero adottare strategie fattibili per selezionare diverse varietà ad alto valore aggiunto per esperimenti di piantagione, creare un database di esperti in tecnologie di coltivazione, condurre ricerche sulla tecnologia di coltivazione, sulla selezione della densità, sulla disposizione delle stoppie, sull'adattabilità delle varietà e delle attrezzature e definire specifiche tecniche standard per la coltivazione.

4.2 Prospettive di sviluppo del settore

Le fabbriche di impianti possono liberarsi dai vincoli legati alle risorse e all'ambiente, realizzare la produzione agricola industrializzata e attrarre nuove generazioni di manodopera da impegnare nella produzione agricola. L'innovazione tecnologica e l'industrializzazione chiave delle fabbriche di impianti cinesi stanno diventando leader mondiali. Con l'applicazione accelerata delle sorgenti luminose a LED, della digitalizzazione, dell'automazione e delle tecnologie intelligenti nel campo delle fabbriche di impianti, queste ultime attireranno maggiori investimenti di capitale, la raccolta di talenti e l'impiego di nuove energie, nuovi materiali e nuove attrezzature. In questo modo, si potrà realizzare una profonda integrazione tra tecnologie dell'informazione, strutture e attrezzature, migliorare il livello di intelligenza e di automazione di strutture e attrezzature, ridurre costantemente il consumo energetico e i costi operativi del sistema attraverso l'innovazione continua e la graduale coltivazione di mercati specializzati: le fabbriche di impianti intelligenti inaugureranno un periodo d'oro dello sviluppo.

Secondo i rapporti di ricerca di mercato, nel 2020 il mercato globale dell'agricoltura verticale valeva solo 2,9 miliardi di dollari e si prevede che entro il 2025 raggiungerà i 30 miliardi di dollari. In sintesi, le fabbriche di impianti offrono ampie prospettive di applicazione e ampio spazio di sviluppo.

Autore: Zengchan Zhou, Weidong, ecc

Informazioni sulla citazione:Situazione attuale e prospettive di sviluppo dell'industria manifatturiera [J]. Agricultural Engineering Technology, 2022, 42(1): 18-23.di Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, e al.