Riassunto: Negli ultimi anni, con la continua esplorazione della moderna tecnologia agricola, anche il settore delle fabbriche vegetali si è sviluppato rapidamente. Questo documento introduce lo status quo, i problemi esistenti e le contromisure per lo sviluppo della tecnologia delle fabbriche vegetali e dello sviluppo del settore e attende con impazienza la tendenza di sviluppo e le prospettive 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 straniero

Dal 21° secolo, la ricerca sulle fabbriche di piante si è concentrata principalmente sul miglioramento dell'efficienza luminosa, sulla creazione di apparecchiature per sistemi di coltivazione tridimensionali multistrato e sulla ricerca e sviluppo di gestione e controllo intelligenti. Nel 21° secolo, l’innovazione delle sorgenti luminose LED in agricoltura ha fatto progressi, fornendo un importante supporto tecnico per l’applicazione delle sorgenti luminose LED a risparmio energetico nelle fabbriche vegetali. L'Università di Chiba in Giappone ha apportato una serie di 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 delle colture e la tecnologia di ottimizzazione dinamica per sviluppare un sistema di apparecchiature 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 raccolta delle piantine, al trapianto e alla raccolta. Giappone, Paesi Bassi e Stati Uniti sono all’avanguardia, con un alto grado di meccanizzazione, automazione e intelligenza, e si stanno sviluppando nella direzione dell’agricoltura verticale e delle operazioni senza personale.

1.2 Stato dello sviluppo tecnologico in Cina

1.2.1 Sorgente luminosa a LED specializzata e apparecchiature tecnologiche applicative a risparmio energetico per la luce artificiale nella fabbrica di piante

Sono state sviluppate in successione speciali sorgenti luminose a LED rosse e blu per la produzione di diverse specie vegetali nelle fabbriche di piante. La potenza varia da 30 a 300 W e l'intensità della luce di irradiazione è compresa tra 80 e 500 μmol/(m2•s), che può fornire un'intensità luminosa con un intervallo di soglia appropriato e parametri di qualità della luce, per ottenere l'effetto di alta efficienza risparmio energetico e adattamento alle esigenze di crescita delle piante e di illuminazione. In termini di gestione della dissipazione del calore della sorgente luminosa, è stato introdotto il design di dissipazione del calore attivo 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 una soluzione nutritiva o la circolazione dell'acqua. In termini di gestione dello spazio della sorgente luminosa, secondo la legge di evoluzione delle dimensioni della pianta nella fase di semina e in quella successiva, attraverso la gestione del movimento spaziale verticale della sorgente luminosa a LED, la chioma della pianta può essere illuminata a distanza ravvicinata e l'obiettivo di risparmio energetico è raggiunto. Allo stato attuale, il consumo energetico della sorgente luminosa della fabbrica di impianti di illuminazione artificiale può rappresentare dal 50% al 60% del consumo energetico operativo totale della fabbrica di impianti. Sebbene i LED possano risparmiare il 50% di energia rispetto alle lampade fluorescenti, esiste 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

Lo spazio vuoto tra gli strati della coltivazione tridimensionale multistrato è ridotto perché il LED sostituisce la lampada fluorescente, il che migliora l'efficienza di utilizzo dello spazio tridimensionale della coltivazione delle piante. Esistono 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 nutritiva in modo uniforme e ad aumentare la concentrazione di ossigeno disciolto. Utilizzando la scheda di colonizzazione, sono disponibili due metodi di colonizzazione, ovvero le tazze di colonizzazione in plastica di diverse dimensioni o la modalità di colonizzazione perimetrale in spugna. È apparso un sistema di letto di coltivazione scorrevole e il pannello di semina e le piante su di esso possono essere spinti 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. Allo stato attuale, sono state sviluppate una varietà di tecnologie e attrezzature per colture fuori suolo tridimensionali multistrato basate sulla tecnologia del film liquido nutriente e sulla tecnologia del flusso di liquido profondo, e la tecnologia e le attrezzature per la coltivazione su substrato di fragole, coltivazione aerosol di verdure in foglia e fiori sono sorti. La tecnologia menzionata si è sviluppata rapidamente.

1.2.3 Tecnologia e attrezzature per la circolazione delle soluzioni nutritive

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. Grandi particelle di sedimento o esfoliazione delle radici nella soluzione nutritiva devono essere rimosse mediante un filtro. Gli essudati radicali nella soluzione nutritiva possono essere rimossi con metodi fotocatalitici per evitare ostacoli al raccolto continuo in coltura idroponica, ma ci sono alcuni rischi nella disponibilità dei nutrienti.

1.2.4 Tecnologia e attrezzature per il controllo ambientale

La pulizia dell'aria dello spazio di produzione è uno degli indicatori importanti della qualità dell'aria dello stabilimento. La pulizia dell'aria (indicatori di particelle sospese e batteri depositati) nello spazio di produzione dello stabilimento in condizioni dinamiche dovrebbe essere controllata ad un livello superiore a 100.000. La disinfezione dei materiali in ingresso, il trattamento della doccia d'aria del personale in entrata e il sistema di purificazione dell'aria con circolazione di aria fresca (sistema di filtraggio dell'aria) sono tutte garanzie di base. La temperatura e l'umidità, la concentrazione di CO2 e la velocità del flusso d'aria nello spazio di produzione sono un altro elemento importante del controllo della qualità dell'aria. Secondo i rapporti, l'installazione di apparecchiature come scatole di miscelazione dell'aria, condotti dell'aria, ingressi e uscite dell'aria può 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 ottenere un'elevata uniformità spaziale e soddisfare le esigenze dell'impianto in diverse posizioni spaziali. Il sistema di controllo della temperatura, dell'umidità e della concentrazione di CO2 e il sistema dell'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 attraverso la ventola per realizzare la circolazione del flusso d'aria, la filtrazione e la disinfezione, nonché l'aggiornamento e l'uniformità della qualità dell'aria. Garantisce che la produzione vegetale nello stabilimento vegetale sia priva di parassiti e malattie e che non sia richiesta l'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 nella chioma è garantita per soddisfare le esigenze di crescita delle piante.

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

2.1 Status quo dell'industria manifatturiera straniera

In Giappone, la ricerca, lo sviluppo e l'industrializzazione delle fabbriche di impianti di illuminazione artificiale sono relativamente rapidi e sono ai massimi livelli. Nel 2010, il governo giapponese ha lanciato 50 miliardi di yen per sostenere la ricerca e 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 piante con una produzione giornaliera di 3.000 piante. Nel 2012, il costo di produzione dell'impianto era di 700 yen/kg. Nel 2014 è stato completato il moderno stabilimento produttivo nel castello di Taga, nella prefettura di Miyagi, che è diventato il primo stabilimento produttivo a LED al mondo con una produzione giornaliera di 10.000 impianti. Dal 2016, le fabbriche di impianti LED sono entrate nella corsia di sorpasso dell’industrializzazione in Giappone e una dopo l’altra sono emerse imprese in pareggio o redditizie. Nel 2018, sono apparse una dopo l'altra fabbriche di piante su larga scala con una capacità di produzione giornaliera compresa tra 50.000 e 100.000 piante e le fabbriche di piante globali si sono sviluppate verso uno sviluppo su larga scala, professionale e intelligente. Allo stesso tempo, Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power e altri settori iniziarono a investire in fabbriche di impianti. Nel 2020, la quota di mercato della lattuga prodotta dagli stabilimenti giapponesi rappresenterà circa il 10% dell'intero mercato della lattuga. Delle oltre 250 fabbriche di piante di tipo illuminazione artificiale attualmente in funzione, il 20% è in una fase di perdita, il 50% è al livello di pareggio e il 30% è in una fase di profitto, coinvolgendo specie di piante coltivate come lattuga, erbe aromatiche e piantine.

I Paesi Bassi sono un vero leader mondiale nel campo della tecnologia applicativa combinata di luce solare e luce artificiale per impianti industriali, con un alto grado di meccanizzazione, automazione, intelligenza e assenza di personale, e ora hanno esportato una serie completa di tecnologie e attrezzature come forti prodotti in Medio Oriente, Africa, Cina e altri paesi. L'azienda agricola American AeroFarms si trova a Newark, New Jersey, USA, con una superficie di 6500 m2. Si coltiva principalmente ortaggi e spezie e la produzione è di circa 900 t/anno.

Agricoltura verticale nelle AeroFarms

La fabbrica di piante per l'agricoltura verticale della Plenty Company negli Stati Uniti adotta illuminazione a LED e un telaio per la semina verticale con un'altezza di 6 m. Le piante crescono dai lati delle fioriere. Basandosi sull’irrigazione per gravità, questo metodo di semina 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 piante agricole verticali, Plenty Company

2.2 Stato dell'industria delle fabbriche di impianti in Cina

Nel 2009, il primo impianto di produzione in Cina con controllo intelligente come nucleo è stato costruito e messo in funzione nel Changchun Agricultural Expo Park. L'area edificabile è di 200 m2 e i fattori ambientali come temperatura, umidità, luce, CO2 e concentrazione di soluzioni nutritive della fabbrica di piante possono essere monitorati automaticamente in tempo reale per realizzare una gestione intelligente.

Nel 2010, la Tongzhou Plant Factory è stata costruita a Pechino. La struttura principale adotta una struttura leggera in acciaio monostrato con un'area di costruzione totale di 1289 m2. Ha la forma di una portaerei, a simboleggiare l'agricoltura cinese che prende l'iniziativa di salpare verso la tecnologia più avanzata dell'agricoltura moderna. È stata sviluppata l'attrezzatura automatica per alcune operazioni di produzione di ortaggi in foglia, che ha migliorato il livello di automazione della produzione e l'efficienza produttiva dello stabilimento. L'impianto di produzione adotta un sistema di pompe di calore geotermiche e un sistema di generazione di energia solare, che risolve meglio il problema degli elevati costi operativi per l'impianto di produzione.

Vista interna ed esterna della fabbrica di Tongzhou

Nel 2013, molte 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 in costruzione e in esercizio si trovano in parchi dimostrativi agricoli ad alta tecnologia, utilizzati principalmente per dimostrazioni scientifiche popolari e visite turistiche nel tempo libero. A causa dei loro limiti funzionali, è difficile per queste fabbriche di piante scientifiche popolari raggiungere l’alto rendimento e l’elevata efficienza richiesti dall’industrializzazione, e sarà difficile per loro diventare la forma principale di industrializzazione in futuro.

Nel 2015, un importante produttore di chip LED in Cina ha collaborato con l'Istituto di Botanica dell'Accademia Cinese delle Scienze per avviare congiuntamente la creazione di un'azienda produttrice di piante. Si è passati dall’industria optoelettronica all’industria “fotobiologica”, ed è diventato un precedente per i produttori cinesi di LED ad investire nella costruzione di fabbriche di impianti nell’industrializzazione. La sua Plant Factory è impegnata a realizzare investimenti industriali nella fotobiologia emergente, che integra ricerca scientifica, produzione, dimostrazione, incubazione e altre funzioni, con un capitale sociale di 100 milioni di yuan. Nel giugno 2016 è stata completata e messa in funzione questa Plant Factory con un edificio di 3 piani che copre una superficie di 3.000 m2 e un'area di coltivazione di oltre 10.000 m2. Entro maggio 2017 la produzione giornaliera sarà di 1.500 kg di verdure in foglia, equivalenti a 15.000 piante di lattuga al giorno.

Opinioni di questa azienda

3. Problemi e contromisure per lo sviluppo delle fabbriche vegetali

3.1 Problemi

3.1.1 Costi di costruzione elevati

Le fabbriche vegetali devono produrre raccolti in un ambiente chiuso. Pertanto, è necessario costruire 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 di soluzioni nutritive e sistemi di controllo computerizzato. Il costo di costruzione è relativamente alto.

3.1.2 Costi operativi elevati

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

Ripartizione dei costi di produzione per impianti di fabbrica

3.1.3 Basso livello di automazione

La fabbrica di piante attualmente utilizzata ha un basso livello di automazione e processi come la semina, il trapianto, la semina in 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, si tratta principalmente di verdure 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 piantumazione complesse (come colture che necessitano di impollinazione, ecc.).

3.2 Strategia di sviluppo

In considerazione dei problemi affrontati dall'industria delle fabbriche di impianti, è necessario effettuare 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 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 intensiva e raffinata degli stabilimenti produttivi, che può ridurre notevolmente i costi di manodopera e risparmiare manodopera.

(2) Sviluppare attrezzature tecniche intensive ed efficienti per la fabbrica di impianti per ottenere un'alta qualità e un rendimento annuale elevato. Lo sviluppo di strutture e attrezzature per la coltivazione ad alta efficienza, tecnologie e attrezzature per l'illuminazione a risparmio energetico, ecc., Per migliorare il livello intelligente delle fabbriche di piante, favorisce la realizzazione di una produzione annuale ad alta efficienza.

(3) Condurre ricerche sulla tecnologia di coltivazione industriale di piante ad alto valore aggiunto come piante medicinali, piante sanitarie e verdure rare, aumentare i tipi di colture coltivate nelle fabbriche di piante, ampliare i canali di profitto e migliorare il punto di partenza del profitto .

(4) Effettuare ricerche sulle fabbriche di piante per uso domestico e commerciale, arricchire i tipi di fabbriche di piante e ottenere una redditività continua con varie funzioni.

4. Trend di sviluppo e prospettive della fabbrica vegetale

4.1 Tendenza dello sviluppo tecnologico

4.1.1 Intellettualizzazione del processo completo

Basato sulla fusione dell'arte meccanica e sul meccanismo di prevenzione delle perdite del sistema coltura-robot, effettori finali di semina e raccolta flessibili e non distruttivi ad alta velocità, posizionamento accurato nello spazio multidimensionale distribuito e metodi di controllo collaborativo multimodale multimacchina, e semina senza equipaggio, efficiente e non distruttiva in fabbriche di piante a molti piani - Dovrebbero essere creati robot intelligenti e attrezzature di supporto come piantagione-raccolta-confezionamento, realizzando così il funzionamento senza equipaggio dell'intero processo.

4.1.2 Rendere il controllo della produzione più intelligente

Sulla base del meccanismo di risposta della crescita e dello sviluppo delle colture alla radiazione luminosa, alla temperatura, all’umidità, alla concentrazione di CO2, alla concentrazione dei nutrienti della soluzione nutritiva e all’EC, dovrebbe essere costruito un modello quantitativo di feedback coltura-ambiente. Dovrebbe essere stabilito un modello di base strategico per analizzare dinamicamente le informazioni sulla vita delle verdure a foglia e i parametri dell’ambiente di produzione. Dovrebbe essere inoltre istituito il sistema di diagnosi di identificazione dinamica online e di controllo del processo dell'ambiente. Dovrebbe essere creato un sistema decisionale collaborativo di intelligenza artificiale multi-macchina 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

Stabilire un sistema di gestione dell’energia che utilizzi fonti di energia rinnovabile come quella solare ed eolica per completare la trasmissione di energia e controllare il consumo di energia per raggiungere obiettivi di gestione energetica ottimali. Catturare e riutilizzare le emissioni di CO2 per favorire la produzione agricola.

4.1.3 Elevato valore delle varietà premium

Dovrebbero essere adottate strategie fattibili per selezionare diverse varietà ad alto valore aggiunto per 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 di varietà e attrezzature e formare specifiche tecniche di coltivazione standard.

4.2 Prospettive di sviluppo del settore

Le fabbriche vegetali possono liberarsi dai vincoli delle risorse e dell’ambiente, realizzare la produzione agricola industrializzata e attrarre la nuova generazione di forza lavoro affinché si impegni nella produzione agricola. L'innovazione tecnologica e l'industrializzazione chiave delle fabbriche cinesi stanno diventando leader mondiali. Con l’applicazione accelerata della sorgente luminosa a LED, della digitalizzazione, dell’automazione e delle tecnologie intelligenti nel campo delle fabbriche vegetali, le fabbriche vegetali attireranno maggiori investimenti di capitale, raccolta di talenti e l’uso di più nuova energia, nuovi materiali e nuove attrezzature. In questo modo è possibile realizzare un'integrazione approfondita della tecnologia dell'informazione, delle strutture e delle attrezzature, migliorare il livello intelligente e non presidiato delle strutture e delle attrezzature, ridurre costantemente il consumo energetico del sistema e i costi operativi attraverso l'innovazione continua e la graduale coltivazione di mercati specializzati, fabbriche di piante intelligenti inaugureranno il periodo d'oro dello sviluppo.

Secondo i rapporti di ricerche di mercato, la dimensione del mercato globale dell’agricoltura verticale nel 2020 è di soli 2,9 miliardi di dollari e si prevede che entro il 2025 la dimensione del mercato globale dell’agricoltura verticale raggiungerà 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 di sviluppo dell'industria delle fabbriche di impianti [J]. Tecnologia di ingegneria agricola, 2022, 42(1): 18-23.di Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, e al.