Sažetak: Poslednjih godina, uz kontinuirano istraživanje savremene poljoprivredne tehnologije, brzo se razvija i fabrička industrija. Ovaj rad predstavlja status quo, postojeće probleme i razvojne protumjere tehnologije tvornica postrojenja i razvoj industrije, te se raduje trendovima razvoja i perspektivama fabrika u budućnosti.

1. Trenutni status razvoja tehnologije u fabrikama u Kini i inostranstvu

1.1 Status quo razvoja strane tehnologije

Od 21. vijeka, istraživanja tvornica biljaka uglavnom su se fokusirala na poboljšanje svjetlosne efikasnosti, stvaranje višeslojne trodimenzionalne opreme sistema uzgoja, te istraživanje i razvoj inteligentnog upravljanja i kontrole. U 21. veku je napredovala inovacija poljoprivrednih LED izvora svetlosti, pružajući važnu tehničku podršku za primenu LED štedljivih izvora svetlosti u fabrikama. Univerzitet Chiba u Japanu napravio je niz inovacija u visokoefikasnim izvorima svjetlosti, kontroli okoliša koji štedi energiju i tehnikama uzgoja. Univerzitet Wageningen u Holandiji koristi simulaciju životne sredine useva i tehnologiju dinamičke optimizacije za razvoj inteligentnog sistema opreme za fabrike, što u velikoj meri smanjuje operativne troškove i značajno poboljšava produktivnost rada.

Posljednjih godina u tvornicama biljaka postepeno se ostvaruje poluautomatizacija proizvodnih procesa od sjetve, podizanja rasada, presađivanja i žetve. Japan, Holandija i Sjedinjene Američke Države prednjače, sa visokim stepenom mehanizacije, automatizacije i inteligencije, i razvijaju se u pravcu vertikalne poljoprivrede i rada bez posade.

1.2 Status razvoja tehnologije u Kini

1.2.1 Specijalizirani LED izvor svjetlosti i oprema za tehnologiju primjene koja štedi energiju za umjetno svjetlo u fabrici

Jedan za drugim razvijeni su specijalni crveni i plavi LED izvori svjetlosti za proizvodnju raznih biljnih vrsta u tvornicama biljaka. Snaga se kreće od 30 do 300 W, a intenzitet svjetlosti zračenja je 80 do 500 μmol/(m2•s), što može obezbijediti intenzitet svjetlosti sa odgovarajućim rasponom praga, parametrima kvalitete svjetlosti, kako bi se postigao efekat visoke efikasnosti. ušteda energije i prilagođavanje potrebama rasta biljaka i osvjetljenja. U smislu upravljanja rasipanjem toplote izvora svetlosti, uveden je dizajn aktivnog odvođenja toplote ventilatora izvora svetlosti, koji smanjuje stopu raspada svetlosti izvora svetlosti i obezbeđuje životni vek izvora svetlosti. Osim toga, predložena je metoda za smanjenje topline LED izvora svjetlosti kroz hranljivi rastvor ili cirkulaciju vode. U smislu upravljanja prostorom izvora svjetlosti, prema zakonu evolucije veličine biljke u fazi sadnica i kasnijoj fazi, kroz upravljanje vertikalnim prostornim kretanjem LED izvora svjetlosti, krošnja biljke može biti osvijetljena na bliskoj udaljenosti, a cilj uštede energije je postignuto. Trenutno, potrošnja energije izvora svjetlosti tvornice umjetnog svjetla može iznositi 50% do 60% ukupne radne potrošnje energije fabrike. Iako LED može uštedjeti 50% energije u poređenju sa fluorescentnim svjetiljkama, još uvijek postoji potencijal i potreba istraživanja uštede energije i smanjenja potrošnje.

1.2.2 Tehnologija i oprema za višeslojnu trodimenzionalnu kultivaciju

Razmak u slojevima kod višeslojne trodimenzionalne kultivacije je smanjen jer LED zamjenjuje fluorescentnu lampu, što poboljšava trodimenzionalnu efikasnost korištenja prostora u uzgoju biljaka. Postoje mnoge studije o dizajnu dna kreveta za uzgoj. Uzdignute pruge su dizajnirane da stvaraju turbulentan tok, koji može pomoći korijenju biljaka da ravnomjerno apsorbira hranjive tvari u nutritivnom rastvoru i poveća koncentraciju otopljenog kisika. Koristeći kolonizacijsku ploču, postoje dvije metode kolonizacije, odnosno plastične čaše za kolonizaciju različitih veličina ili kolonizacijski način kolonizacije spužva. Pojavio se sistem klizne gredice, a daska za sadnju i biljke na njoj se mogu ručno gurati s jednog kraja na drugi, čime se ostvaruje proizvodni način sadnje na jednom kraju kultivacione gredice i žetve na drugom kraju. Trenutno je razvijena raznovrsna trodimenzionalna višeslojna tehnologija uzgoja bez tla i oprema zasnovana na tehnologiji hranljivih tečnih filmova i tehnologiji dubokog protoka tečnosti, kao i tehnologija i oprema za supstratnu kultivaciju jagoda, aerosol uzgoj lisnatog povrća i cveća. su niknuli. Pomenuta tehnologija se brzo razvijala.

1.2.3 Tehnologija i oprema za cirkulaciju nutrijenata

Nakon što se hranljivi rastvor koristi neko vreme potrebno je dodati vodu i mineralne elemente. Općenito, količina novopripremljenog hranljivog rastvora i količina kiselo-baznog rastvora određuju se merenjem EC i pH. Velike čestice sedimenta ili ljuštenja korijena u hranjivoj otopini potrebno je ukloniti filterom. Eksudati korijena u otopini hranjivih tvari mogu se ukloniti fotokatalitičkim metodama kako bi se izbjegle neprekidne prepreke za usjev u hidroponici, ali postoje određeni rizici u dostupnosti hranjivih tvari.

1.2.4 Tehnologija i oprema za kontrolu okoliša

Čistoća vazduha u proizvodnom prostoru jedan je od važnih pokazatelja kvaliteta vazduha u fabrici. Čistoću vazduha (indikatori suspendovanih čestica i nataloženih bakterija) u proizvodnom prostoru fabrike postrojenja u dinamičkim uslovima treba kontrolisati na nivo iznad 100.000. Unos materijala za dezinfekciju, tretman tušem za dolazno osoblje i sistem za pročišćavanje vazduha cirkulacije svežeg vazduha (sistem za filtriranje vazduha) su osnovne mere zaštite. Temperatura i vlažnost, koncentracija CO2 i brzina strujanja vazduha u proizvodnom prostoru su još jedan važan sadržaj kontrole kvaliteta vazduha. Prema izvještajima, postavljanje opreme kao što su kutije za miješanje zraka, zračni kanali, ulazi i izlazi zraka mogu ravnomjerno kontrolirati temperaturu i vlažnost, koncentraciju CO2 i brzinu protoka zraka u proizvodnom prostoru, kako bi se postigla visoka prostorna uniformnost i zadovoljile potrebe postrojenja. na različitim prostornim lokacijama. Sistem za kontrolu temperature, vlažnosti i koncentracije CO2 i sistem svežeg vazduha organski su integrisani u sistem za cirkulaciju vazduha. Tri sistema treba da dijele zračni kanal, ulaz i izlaz zraka i obezbjeđuju napajanje kroz ventilator da bi se ostvarila cirkulacija protoka zraka, filtracija i dezinfekcija, te ažuriranje i ujednačenost kvaliteta zraka. Osigurava da u biljnoj proizvodnji nema štetočina i bolesti, te da nije potrebna primjena pesticida. Istovremeno, ujednačenost temperature, vlažnosti, protoka vazduha i koncentracije CO2 elemenata sredine za rast u krošnji garantovano je da zadovolji potrebe rasta biljaka.

2. Status razvoja fabričke industrije

2.1 Status quo strane fabričke industrije

U Japanu su istraživanje i razvoj i industrijalizacija fabrika umjetnog svjetla relativno brzi i na vodećem su nivou. Japanska vlada je 2010. godine pokrenula 50 milijardi jena za podršku tehnološkom istraživanju i razvoju i industrijskim demonstracijama. Učestvovalo je osam institucija, uključujući Univerzitet Chiba i Japansko udruženje za istraživanje fabrika biljaka. Kompanija Japan Future Company je poduzela i vodila prvi demonstracioni projekat industrijalizacije tvornice s dnevnom proizvodnjom od 3.000 pogona. U 2012. godini, proizvodni trošak fabrike je 700 jena/kg. Godine 2014. završena je moderna fabrika fabrika u zamku Taga, prefektura Miyagi, postavši prva svetska fabrika LED postrojenja sa dnevnom proizvodnjom od 10.000 pogona. Od 2016. godine, fabrike LED postrojenja ušle su u brzu traku industrijalizacije u Japanu, a preduzeća koja su rentabilna ili profitabilna su se pojavljivala jedno za drugim. U 2018. pojavile su se jedna za drugom velike fabrike biljaka sa dnevnim proizvodnim kapacitetom od 50.000 do 100.000 pogona, a globalne fabrike biljaka su se razvijale ka velikom, profesionalnom i inteligentnom razvoju. U isto vrijeme, Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power i druge oblasti počele su ulagati u fabrike. U 2020., tržišni udio salate koju proizvode japanske fabrike biljaka činit će oko 10% cjelokupnog tržišta salate. Od više od 250 fabrika veštačkog svetla koje trenutno rade, 20% je u fazi gubitka, 50% je na nivou rentabilnosti, a 30% je u profitabilnoj fazi, uključujući kultivisane biljne vrste kao što su zelena salata, začinsko bilje i sadnice.

Holandija je pravi svetski lider u oblasti kombinovane tehnologije primene solarne i veštačke svetlosti za fabriku postrojenja, sa visokim stepenom mehanizacije, automatizacije, inteligencije i besposlenosti, a sada je izvezla ceo set tehnologija i opreme kao jake proizvodi za Bliski istok, Afriku, Kinu i druge zemlje. Farma American AeroFarms nalazi se u Newarku, New Jersey, SAD, na površini od 6500 m2. Uglavnom se uzgaja povrće i začini, a proizvodnja je oko 900 t/god.

Vertikalni uzgoj u AeroFarms

Fabrika vertikalnih poljoprivrednih biljaka kompanije Plenty Company u Sjedinjenim Državama usvaja LED rasvjetu i vertikalni okvir za sadnju visine 6 m. Biljke rastu sa bočnih strana sadilice. Oslanjajući se na gravitaciono zalijevanje, ovaj način sadnje ne zahtijeva dodatne pumpe i učinkovitiji je od konvencionalnog uzgoja. Plenty tvrdi da njegova farma proizvodi 350 puta veću proizvodnju od konvencionalne farme dok koristi samo 1% vode.

Fabrika vertikalnih poljoprivrednih biljaka, Plenty Company

2.2 Status fabrike fabrike u Kini

Godine 2009. izgrađena je i puštena u rad prva fabrika za proizvodnju u Kini sa inteligentnom kontrolom kao jezgrom u Poljoprivrednom Expo Parku u Changchun. Površina objekta je 200 m2, a faktori okoline kao što su temperatura, vlažnost, svjetlost, CO2 i koncentracija hranljivih otopina u fabrici postrojenja mogu se automatski pratiti u realnom vremenu kako bi se ostvarilo inteligentno upravljanje.

2010. godine izgrađena je fabrika tvornica Tongzhou u Pekingu. Glavna konstrukcija ima jednoslojnu laku čeličnu konstrukciju ukupne građevinske površine od 1289 m2. Oblikovan je kao nosač aviona, simbolizirajući kinesku poljoprivredu koja je preuzela vodstvo u puštanju jedra na najnapredniju tehnologiju moderne poljoprivrede. Razvijena je automatska oprema za pojedine operacije proizvodnje lisnatog povrća, čime je poboljšan nivo automatizacije proizvodnje i efikasnost proizvodnje fabrike. Fabrika postrojenja usvaja sistem toplotnih pumpi iz zemlje i sistem za proizvodnju solarne energije, što bolje rešava problem visokih troškova rada fabrike.

Unutrašnji i vanjski pogled na tvornicu Tongzhou Plant Factory

Godine 2013. osnovane su mnoge kompanije za poljoprivrednu tehnologiju u Yangling poljoprivrednoj visokotehnološkoj demonstracionoj zoni, provincija Shaanxi. Većina fabričkih projekata u izgradnji i radu nalazi se u poljoprivrednim visokotehnološkim demonstracijskim parkovima, koji se uglavnom koriste za naučno-popularne demonstracije i razgledavanje znamenitosti. Zbog svojih funkcionalnih ograničenja, ovim fabrikama popularnih naučnih biljaka teško je postići visok prinos i visoku efikasnost koju zahtijeva industrijalizacija, a teško će i postati glavni oblik industrijalizacije u budućnosti.

2015. godine, veliki proizvođač LED čipova u Kini sarađivao je sa Institutom za botaniku Kineske akademije nauka kako bi zajednički pokrenuli osnivanje kompanije za proizvodnju biljaka. Prešao je iz optoelektronske industrije u "fotobiološku" industriju i postao presedan za kineske LED proizvođače koji ulažu u izgradnju fabrika biljaka u industrijalizaciji. Njena fabrika biljaka posvećena je industrijskom ulaganju u fotobiologiju u nastajanju, koja integriše naučno istraživanje, proizvodnju, demonstraciju, inkubaciju i druge funkcije, sa registrovanim kapitalom od 100 miliona juana. U junu 2016. godine završena je i puštena u rad ova Fabrika biljaka sa trospratnom zgradom površine 3.000 m2 i obradivom površinom većom od 10.000 m2. Do maja 2017. dnevna proizvodnja će iznositi 1.500 kg lisnatog povrća, što je ekvivalentno 15.000 salata dnevno.

Pogledi ove kompanije

3. Problemi i kontramjere sa kojima se suočava razvoj fabrika

3.1 Problemi

3.1.1 Visoki troškovi izgradnje

Fabrike biljaka moraju proizvoditi usjeve u zatvorenom okruženju. Zbog toga je neophodno izgraditi prateće projekte i opremu uključujući eksterne strukture za održavanje, sisteme klimatizacije, veštačke izvore svetlosti, višeslojne sisteme kultivacije, cirkulaciju rastvora hranljivih materija i kompjuterske sisteme upravljanja. Cijena izgradnje je relativno visoka.

3.1.2 Visoki operativni troškovi

Većina izvora svjetlosti potrebnih tvornicama biljaka dolazi od LED svjetala, koje troše mnogo električne energije, a istovremeno pružaju odgovarajuće spektre za rast različitih kultura. Oprema kao što su klimatizacija, ventilacija i pumpe za vodu u proizvodnom procesu fabrika takođe troše električnu energiju, pa su računi za struju ogroman trošak. Prema statistikama, među troškovima proizvodnje fabrika postrojenja, troškovi električne energije čine 29%, troškovi rada 26%, amortizacija osnovnih sredstava 23%, ambalaža i transport 12%, a materijali za proizvodnju 10%.

Analiza troškova proizvodnje za fabriku

3.1.3 Nizak nivo automatizacije

Trenutno primijenjena fabrika biljaka ima nizak nivo automatizacije, a procesi kao što su sadnja, presađivanje, sadnja u polju i žetva i dalje zahtijevaju ručne operacije, što rezultira visokim troškovima rada.

3.1.4 Ograničene sorte useva koje se mogu uzgajati

Trenutno su vrste useva pogodnih za fabrike biljaka veoma ograničene, uglavnom zeleno lisnato povrće koje brzo raste, lako prihvata veštačke izvore svetlosti i ima nisku krošnju. Sadnja velikih razmera ne može se izvršiti za složene potrebe sadnje (kao što su usevi koje treba oprašiti, itd.).

3.2 Strategija razvoja

S obzirom na probleme sa kojima se suočava fabrička industrija, potrebno je provesti istraživanja sa različitih aspekata kao što su tehnologija i rad. Kao odgovor na trenutne probleme, kontramjere su sljedeće.

(1) Ojačati istraživanje inteligentne tehnologije fabrika postrojenja i poboljšati nivo intenzivnog i rafiniranog upravljanja. Razvoj inteligentnog sistema upravljanja i kontrole pomaže u postizanju intenzivnog i rafiniranog upravljanja fabrikama, što može značajno smanjiti troškove rada i uštedjeti radnu snagu.

(2) Razviti intenzivnu i efikasnu fabričku tehničku opremu za postizanje godišnjeg visokog kvaliteta i visokog prinosa. Razvoj visokoefikasnih objekata i opreme za uzgoj, štedljive tehnologije i opreme za rasvjetu, itd., za poboljšanje inteligentnog nivoa tvornica biljaka, pogoduje realizaciji godišnje visokoefikasne proizvodnje.

(3) Sprovesti istraživanje o tehnologiji industrijskog uzgoja biljaka visoke dodane vrijednosti kao što su ljekovito bilje, biljke za zdravstvenu njegu i rijetko povrće, povećati vrste usjeva koje se uzgajaju u tvornicama biljaka, proširiti kanale profita i poboljšati početnu točku profita .

(4) Sprovesti istraživanje fabrika biljaka za kućnu i komercijalnu upotrebu, obogatiti tipove fabrika biljaka i ostvariti kontinuiranu profitabilnost sa različitim funkcijama.

4. Trend razvoja i perspektiva fabrike biljaka

4.1 Trend razvoja tehnologije

4.1.1 Intelektualizacija cijelog procesa

Zasnovano na fuziji mašinske umetnosti i mehanizmu za sprečavanje gubitaka u sistemu usjeva-robot, brzim fleksibilnim i nedestruktivnim krajnjim efektorima za sadnju i žetvu, distribuiranom višedimenzionalnom prostoru, preciznom pozicioniranju i multimodalnim metodama kolaborativne kontrole sa više mašina, i bespilotnu, efikasnu i nedestruktivnu sjetvu u fabrikama visokih postrojenja - Trebalo bi stvoriti inteligentne robote i prateću opremu kao što je sadnja-žetva-pakovanje, čime se ostvaruje bespilotnost cijelog procesa.

4.1.2 Učinite kontrolu proizvodnje pametnijom

Na osnovu mehanizma odgovora rasta i razvoja useva na svetlosno zračenje, temperaturu, vlažnost, koncentraciju CO2, koncentraciju hranljivih materija u hranljivom rastvoru i EC, treba konstruisati kvantitativni model povratne sprege između useva i okoline. Treba uspostaviti strateški osnovni model za dinamičku analizu informacija o životu lisnatog povrća i parametara proizvodnog okruženja. On-line dinamičku identifikaciju dijagnostiku i sistem kontrole procesa okoline također treba uspostaviti. Trebalo bi stvoriti višemašinski kolaborativni sistem donošenja odluka umjetnom inteligencijom za cijeli proizvodni proces vertikalne poljoprivredne fabrike velikog obima.

4.1.3 Niska proizvodnja ugljika i ušteda energije

Uspostavljanje sistema za upravljanje energijom koji koristi obnovljive izvore energije kao što su solarna energija i vjetar za završetak prijenosa energije i kontrolu potrošnje energije za postizanje optimalnih ciljeva upravljanja energijom. Snimanje i ponovno korištenje emisija CO2 za pomoć pri proizvodnji usjeva.

4.1.3 Visoka vrijednost vrhunskih sorti

Treba preduzeti izvodljive strategije za uzgoj različitih sorti visoke dodane vrijednosti za eksperimente sadnje, izgradnju baze podataka stručnjaka za tehnologiju uzgoja, sprovesti istraživanje o tehnologiji uzgoja, odabiru gustine, rasporedu strništa, prilagodljivosti sorte i opreme i formiranju standardnih tehničkih specifikacija uzgoja.

4.2 Perspektive razvoja industrije

Fabrike biljaka mogu se osloboditi ograničenja resursa i životne sredine, realizovati industrijalizovanu poljoprivrednu proizvodnju i privući novu generaciju radne snage da se bavi poljoprivrednom proizvodnjom. Ključna tehnološka inovacija i industrijalizacija kineskih fabrika postaje svjetski lider. Ubrzanom primjenom LED izvora svjetlosti, digitalizacijom, automatizacijom i inteligentnim tehnologijama u području tvornica biljaka, tvornice će privući više kapitalnih ulaganja, prikupljanja talenata i korištenja nove energije, novih materijala i nove opreme. Na ovaj način može se ostvariti dubinska integracija informatičke tehnologije i objekata i opreme, poboljšati inteligentni i besposleni nivo objekata i opreme, kontinuirano smanjenje potrošnje energije sistema i operativnih troškova kroz kontinuirane inovacije, te postepeno kultivacija specijalizovanih tržišta, inteligentne fabrike biljaka će uvesti zlatni period razvoja.

Prema izvještajima istraživanja tržišta, veličina globalnog tržišta vertikalne poljoprivrede u 2020. iznosi samo 2,9 milijardi dolara, a očekuje se da će do 2025. godine globalno tržište vertikalne poljoprivrede dostići 30 milijardi dolara. Ukratko, fabrike postrojenja imaju široke izglede za primjenu i razvojni prostor.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong, itd

Podaci o citatu:Sadašnje stanje i izgledi razvoja industrije tvornica [J]. Tehnologija poljoprivrednog inženjerstva, 2022, 42(1): 18-23.od Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.