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

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

1.1 Lo status quo dello sviluppo tecnologico straniero

Dal 21 ° secolo, la ricerca delle fabbriche di piante si è concentrata principalmente sul miglioramento dell'efficienza della luce, sulla creazione di attrezzature 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 agricole ha fatto progressi, fornendo un importante supporto tecnico per l'applicazione di 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 di piante, 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, all'allevamento delle piantine, al trapianto e alla raccolta.Giappone, Paesi Bassi e 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 delle operazioni senza pilota.

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 impianti

Una dopo l'altra sono state sviluppate speciali sorgenti luminose LED rosse e blu per la produzione di varie specie di piante 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, 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 garantisce la durata della sorgente luminosa.Inoltre, viene proposto un metodo per ridurre il calore della sorgente luminosa a LED attraverso la soluzione nutritiva o la circolazione dell'acqua.In termini di gestione dello spazio della sorgente luminosa, secondo la legge evolutiva delle dimensioni della pianta nella fase della piantina e nella fase successiva, attraverso la gestione del movimento dello spazio 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 di energia della sorgente luminosa della fabbrica di impianti di luce artificiale può rappresentare dal 50% al 60% del consumo totale di energia operativa 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 tra gli strati della coltivazione tridimensionale multistrato è ridotto perché il LED sostituisce la lampada fluorescente, 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 in rilievo sono progettate per generare un flusso turbolento, che può aiutare le radici delle piante ad assorbire uniformemente i nutrienti nella soluzione nutritiva e aumentare la concentrazione di ossigeno disciolto.Utilizzando la tavola di colonizzazione, esistono due metodi di colonizzazione, ovvero le tazze di colonizzazione in plastica di diverse dimensioni o la modalità di colonizzazione del perimetro della spugna.È apparso un sistema di letto di coltivazione scorrevole e la tavola di semina e le piante su di esso possono essere spinte manualmente da un'estremità all'altra, realizzando la modalità di produzione della semina a un'estremità del letto di coltivazione e la raccolta all'altra estremità.Allo stato attuale, sono state sviluppate una varietà di tecnologia e attrezzature per la coltura fuori suolo multistrato tridimensionale basate sulla tecnologia del film liquido nutriente e sulla tecnologia del flusso liquido profondo, e la tecnologia e l'attrezzatura per la coltivazione del substrato di fragole, la coltivazione dell'aerosol di ortaggi a foglia e fiori sono spuntati.La tecnologia menzionata si è sviluppata rapidamente.

1.2.3 Tecnologia e attrezzature per la circolazione della soluzione nutritiva

Dopo che la soluzione nutritiva è stata utilizzata per un periodo di tempo, è necessario aggiungere acqua ed elementi minerali.Generalmente, la quantità di soluzione nutritiva appena preparata e la quantità di soluzione acido-base sono determinate misurando EC e pH.Grandi particelle di sedimento o esfoliazione delle radici nella soluzione nutritiva devono essere rimosse da un filtro.Gli essudati radicali nella soluzione nutritiva possono essere rimossi con metodi fotocatalitici per evitare continui ostacoli al raccolto in idroponica, ma ci sono alcuni rischi nella disponibilità di 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 della fabbrica dell'impianto.La pulizia dell'aria (indicatori di particelle sospese e batteri depositati) nello spazio di produzione dell'impianto di fabbrica in condizioni dinamiche dovrebbe essere controllata a un livello superiore a 100.000.L'ingresso per la disinfezione dei materiali, il trattamento con doccia d'aria del personale in entrata e il sistema di purificazione dell'aria per la circolazione dell'aria fresca (sistema di filtraggio dell'aria) sono tutte misure di sicurezza di base.La temperatura e l'umidità, la concentrazione di CO2 e la velocità del flusso d'aria nell'area di produzione sono un altro aspetto importante del controllo della qualità dell'aria.Secondo i rapporti, l'installazione di apparecchiature come scatole di miscelazione dell'aria, condotti dell'aria, prese d'aria e prese d'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 di aria fresca sono organicamente integrati 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 il ventilatore per realizzare la circolazione del flusso d'aria, la filtrazione e la disinfezione e l'aggiornamento e l'uniformità della qualità dell'aria.Garantisce che la produzione vegetale nella fabbrica vegetale sia priva di parassiti e malattie e non è 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 piante

2.1 Status quo dell'industria delle fabbriche di piante straniere

In Giappone, la ricerca, lo sviluppo e l'industrializzazione delle fabbriche di piante di luce artificiale sono relativamente veloci 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.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 della fabbrica vegetale era di 700 yen/kg.Nel 2014 è stata completata la moderna fabbrica di impianti di fabbrica 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 impianti.Dal 2016, le fabbriche di impianti a LED sono entrate nella corsia preferenziale dell'industrializzazione in Giappone e sono emerse una dopo l'altra imprese in pareggio o redditizie.Nel 2018 sono apparse una dopo l'altra fabbriche di piante su larga scala con una capacità produttiva giornaliera da 50.000 a 100.000 piante e le fabbriche di piante globali si stavano sviluppando 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 piante.Nel 2020, la quota di mercato della lattuga prodotta dalle fabbriche di piante giapponesi rappresenterà circa il 10% dell'intero mercato della lattuga.Tra le oltre 250 fabbriche di piante di tipo luce artificiale attualmente in funzione, il 20% è in perdita, il 50% è in pareggio e il 30% è in redditività, riguardando specie vegetali coltivate come lattuga, erbe aromatiche e piantine.

I Paesi Bassi sono un vero leader mondiale nel campo della tecnologia di applicazione combinata della luce solare e della luce artificiale per la fabbrica di impianti, con un alto grado di meccanizzazione, automazione, intelligenza e assenza di personale, e ora ha esportato una serie completa di tecnologie e attrezzature altrettanto forti prodotti in Medio Oriente, Africa, Cina e altri paesi.La fattoria American AeroFarms si trova a Newark, New Jersey, USA, con una superficie di 6500 m2.Coltiva principalmente ortaggi e spezie e la produzione è di circa 900 t/anno.

Agricoltura verticale in AeroFarms

La fabbrica di piante agricole verticali di Plenty Company 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 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 afferma che la sua fattoria produce 350 volte la produzione di una fattoria convenzionale utilizzando solo l'1% dell'acqua.

Fabbrica di piante agricole verticali, Plenty Company

2.2 Stato dell'industria delle fabbriche di piante in Cina

Nel 2009, la prima fabbrica di impianti di produzione in Cina con controllo intelligente come nucleo è stata costruita e messa in funzione nel Changchun Agricultural Expo Park.L'area dell'edificio è di 200 m2 e i fattori ambientali come temperatura, umidità, luce, concentrazione di CO2 e soluzione nutritiva 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 in acciaio leggero monostrato con un'area di costruzione totale di 1289 m2.Ha la forma di una portaerei, che simboleggia l'agricoltura cinese che prende l'iniziativa nel 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 della fabbrica dell'impianto.La fabbrica dell'impianto adotta un sistema a pompa di calore geotermica e un sistema di generazione di energia solare, che risolve meglio il problema degli elevati costi operativi per la fabbrica dell'impianto.

Vista interna ed esterna della fabbrica di piante di Tongzhou

Nel 2013, molte società di tecnologia agricola sono state fondate nella zona dimostrativa ad alta tecnologia agricola di Yangling, nella provincia dello Shaanxi.La maggior parte dei progetti di fabbriche di piante in costruzione e in funzione si trovano in parchi dimostrativi ad alta tecnologia agricola, utilizzati principalmente per dimostrazioni scientifiche popolari e visite turistiche per il tempo libero.A causa dei loro limiti funzionali, è difficile per queste famose fabbriche di piante scientifiche raggiungere l'alto rendimento e l'alta 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 costituzione di una società di fabbrica di piante.È passato dall'industria optoelettronica all'industria "fotobiologica", ed è diventato un precedente per i produttori cinesi di LED per investire nella costruzione di fabbriche di impianti nell'industrializzazione.La sua fabbrica di piante si impegna 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 un'area 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 ortaggi a foglia, pari a 15.000 piante di lattuga al giorno.

Viste di questa azienda

3. Problemi e contromisure per lo sviluppo delle plant factory

3.1 Problemi

3.1.1 Alto costo di costruzione

Le fabbriche di piante devono produrre raccolti in un ambiente chiuso.Pertanto, è necessario costruire progetti e attrezzature di supporto tra cui strutture esterne di manutenzione, sistemi di condizionamento dell'aria, fonti di luce artificiale, sistemi di coltivazione multistrato, circolazione della soluzione nutritiva e sistemi di controllo computerizzati.Il costo di costruzione è relativamente alto.

3.1.2 Costi operativi elevati

La maggior parte delle sorgenti luminose richieste dalle fabbriche di piante proviene da luci a LED, che consumano molta elettricità e forniscono spettri corrispondenti per la crescita di diverse colture.Anche attrezzature come l'aria condizionata, la ventilazione e le pompe dell'acqua nel processo di produzione delle fabbriche consumano elettricità, quindi le bollette dell'elettricità sono una spesa enorme.Secondo le statistiche, tra i costi di produzione delle fabbriche di piante, i costi dell'elettricità rappresentano il 29%, il costo del lavoro rappresenta 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 del costo di produzione per impianto di fabbrica

3.1.3 Basso livello di automazione

La fabbrica di piante attualmente applicata 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 costi di manodopera elevati.

3.1.4 Varietà limitate di colture che possono essere coltivate

Allo stato attuale, i tipi di colture adatte alle fabbriche vegetali sono molto limitati, principalmente ortaggi a foglia verde che crescono rapidamente, accettano facilmente fonti di luce artificiale e hanno una chioma bassa.La semina su larga scala non può essere effettuata per esigenze di semina complesse (come colture che devono essere impollinate, ecc.).

3.2 Strategia di sviluppo

In considerazione dei problemi affrontati dall'industria delle fabbriche di piante, è necessario svolgere 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 delle fabbriche di piante, che può ridurre notevolmente i costi del lavoro e risparmiare manodopera.

(2) Sviluppare attrezzature tecniche di fabbrica di impianti intensivi ed efficienti per ottenere un'alta qualità annuale e un rendimento elevato.Lo sviluppo di impianti e attrezzature per la coltivazione ad alta efficienza, tecnologia 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) Effettuare ricerche sulla tecnologia di coltivazione industriale per piante ad alto valore aggiunto come piante medicinali, piante sanitarie 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) 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 prospettiva della fabbrica di piante

4.1 Tendenza allo sviluppo tecnologico

4.1.1 Intellettizzazione a processo completo

Basato sulla fusione dell'arte della macchina e sul meccanismo di prevenzione delle perdite del sistema robot del raccolto, effettori finali di semina e raccolta flessibili e non distruttivi ad alta velocità, posizionamento accurato dello spazio multidimensionale distribuito e metodi di controllo collaborativo multimodale multi-macchina, 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 piantare-raccogliere-imballare, realizzando così il funzionamento senza equipaggio dell'intero processo.

4.1.2 Rendere più intelligente il controllo della produzione

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 di 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 degli ortaggi a foglia e i parametri dell'ambiente di produzione.Dovrebbero essere stabiliti anche la diagnosi di identificazione dinamica online e il sistema di controllo del processo dell'ambiente.Dovrebbe essere creato un sistema decisionale di intelligenza artificiale collaborativa 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 utilizza fonti di energia rinnovabile come solare ed eolica per completare la trasmissione di energia e controllare il consumo di energia per raggiungere obiettivi di gestione ottimale dell'energia.Catturare e riutilizzare le emissioni di CO2 per aiutare la produzione agricola.

4.1.3 Elevato valore delle varietà premium

Dovrebbero essere prese strategie fattibili per allevare 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, varietà e adattabilità delle attrezzature e formare specifiche tecniche di coltivazione standard.

4.2 Prospettive di sviluppo del settore

Le fabbriche di piante possono liberarsi dai vincoli delle risorse e dell'ambiente, realizzare la produzione industrializzata dell'agricoltura e attirare la nuova generazione di forza lavoro per impegnarsi nella produzione agricola.La chiave dell'innovazione tecnologica e dell'industrializzazione delle fabbriche di piante cinesi sta diventando un leader mondiale.Con l'applicazione accelerata della sorgente luminosa a LED, della digitalizzazione, dell'automazione e delle tecnologie intelligenti nel campo delle fabbriche di piante, le fabbriche di piante 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 la profonda integrazione della tecnologia dell'informazione e delle strutture e delle apparecchiature, migliorare il livello intelligente e non presidiato delle strutture e delle apparecchiature, la continua riduzione del consumo energetico del sistema e dei 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 globale del mercato 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 di piante 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 piante [J].Tecnologia di ingegneria agricola, 2022, 42(1): 18-23.di Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, e al.