Sažetak: Posljednjih godina, s kontinuiranim istraživanjem moderne poljoprivredne tehnologije, industrija biljnih fabrika se također brzo razvija. Ovaj rad predstavlja status quo, postojeće probleme i razvojne protumjere tehnologije biljnih fabrika i razvoja industrije, te se osvrće na trendove razvoja i perspektive biljnih fabrika u budućnosti.

1. Trenutno stanje razvoja tehnologije u fabrikama biljaka u Kini i inostranstvu

1.1 Status quo razvoja strane tehnologije

Od 21. vijeka, istraživanje fabrika biljaka uglavnom se fokusira na poboljšanje efikasnosti svjetlosti, stvaranje višeslojne trodimenzionalne opreme za sisteme uzgoja i istraživanje i razvoj inteligentnog upravljanja i kontrole. U 21. vijeku, inovacija poljoprivrednih LED izvora svjetlosti je napredovala, pružajući važnu tehničku podršku za primjenu LED energetski štedljivih izvora svjetlosti u fabrikama biljaka. Univerzitet Chiba u Japanu je napravio niz inovacija u visoko efikasnim izvorima svjetlosti, energetski štedljivoj kontroli okoline i tehnikama uzgoja. Univerzitet Wageningen u Holandiji koristi simulaciju usjeva i okoline i tehnologiju dinamičke optimizacije za razvoj inteligentnog sistema opreme za fabrike biljaka, što značajno smanjuje operativne troškove i značajno poboljšava produktivnost rada.

Posljednjih godina, fabrike biljaka postepeno su ostvarile poluautomatizaciju proizvodnih procesa, od sjetve, uzgoja sadnica, presađivanja i žetve. Japan, Holandija i Sjedinjene Američke Države su u prvom planu, sa visokim stepenom mehanizacije, automatizacije i inteligencije, i razvijaju se u pravcu vertikalne poljoprivrede i bespilotnog rada.

1.2 Status tehnološkog razvoja u Kini

1.2.1 Specijalizirani LED izvor svjetlosti i oprema za uštedu energije za umjetno osvjetljenje u tvornici postrojenja

Specijalni crveni i plavi LED izvori svjetlosti za proizvodnju različitih biljnih vrsta u fabrikama biljaka razvijani su jedan za drugim. Snaga se kreće od 30 do 300 W, a intenzitet zračenja svjetlosti je od 80 do 500 μmol/(m2•s), što može osigurati intenzitet svjetlosti s odgovarajućim rasponom praga, parametrima kvalitete svjetlosti, kako bi se postigao efekat visokoefikasne uštede energije i prilagođavanje potrebama rasta biljaka i osvjetljenja. U smislu upravljanja odvođenjem topline izvora svjetlosti, uveden je dizajn aktivnog odvođenja topline ventilatora izvora svjetlosti, što smanjuje brzinu raspada svjetlosti izvora svjetlosti i osigurava vijek trajanja izvora svjetlosti. Osim toga, predložena je metoda za smanjenje topline LED izvora svjetlosti putem cirkulacije hranjivog rastvora ili vode. U smislu upravljanja prostorom izvora svjetlosti, prema zakonu evolucije veličine biljke u fazi sadnice i kasnijoj fazi, putem upravljanja vertikalnim kretanjem LED izvora svjetlosti u prostoru, krošnja biljke može se osvijetliti na maloj udaljenosti i postići cilj uštede energije. Trenutno, potrošnja energije vještačke rasvjete u fabrikama može činiti 50% do 60% ukupne operativne potrošnje energije u fabrikama. Iako LED diode mogu uštedjeti 50% energije u poređenju sa fluorescentnim lampama, i dalje postoji potencijal i potreba za istraživanjem uštede energije i smanjenja potrošnje.

1.2.2 Višeslojna trodimenzionalna tehnologija i oprema za kultivaciju

Razmak između slojeva višeslojnog trodimenzionalnog uzgoja je smanjen jer LED zamjenjuje fluorescentnu lampu, što poboljšava efikasnost korištenja trodimenzionalnog prostora za uzgoj biljaka. Postoje mnoge studije o dizajnu dna gredice za uzgoj. Podignute pruge su dizajnirane da generiraju turbulentni tok, što može pomoći korijenju biljaka da ravnomjerno apsorbiraju hranjive tvari u hranjivoj otopini i povećaju koncentraciju otopljenog kisika. Korištenjem ploče za kolonizaciju postoje dvije metode kolonizacije, i to plastične čaše za kolonizaciju različitih veličina ili način kolonizacije spužvom po perimetru. Pojavio se klizni sistem gredice za uzgoj, a ploča za sadnju i biljke na njoj mogu se ručno gurati s jednog kraja na drugi, ostvarujući način proizvodnje sadnje na jednom kraju gredice za uzgoj i žetve na drugom kraju. Trenutno je razvijen niz tehnologija i opreme za trodimenzionalnu višeslojnu kulturu bez tla zasnovanih na tehnologiji filma tečnih hranjivih tvari i tehnologiji dubokog protoka tekućine, a pojavila se i tehnologija i oprema za uzgoj jagoda u supstratu, aerosolni uzgoj lisnatog povrća i cvijeća. Spomenuta tehnologija se brzo razvila.

1.2.3 Tehnologija i oprema za cirkulaciju hranjivih rastvora

Nakon što se hranjiva otopina koristi određeno vrijeme, potrebno je dodati vodu i mineralne elemente. Općenito, količina novopripremljene hranjive otopine i količina kiselo-bazne otopine određuju se mjerenjem elektrokondenzacijske sposobnosti (EC) i pH vrijednosti. Velike čestice sedimenta ili korijenskih eksfolijacija u hranjivoj otopini potrebno je ukloniti filterom. Korijenski eksudati u hranjivoj otopini mogu se ukloniti fotokatalitičkim metodama kako bi se izbjegle stalne prepreke u uzgoju u hidroponici, ali postoje određeni rizici u dostupnosti hranjivih tvari.

1.2.4 Tehnologija i oprema za kontrolu okoliša

Čistoća zraka u proizvodnom prostoru jedan je od važnih pokazatelja kvalitete zraka u tvornici. Čistoća zraka (pokazatelji suspendiranih čestica i nataloženih bakterija) u proizvodnom prostoru tvornice u dinamičkim uvjetima treba se kontrolirati na nivo iznad 100.000. Dezinfekcija materijala, tretman dolaznog osoblja tuširanjem i sistem za pročišćavanje zraka za cirkulaciju svježeg zraka (sistem za filtriranje zraka) su osnovne mjere zaštite. Temperatura i vlažnost, koncentracija CO2 i brzina protoka zraka u proizvodnom prostoru još su jedan važan sadržaj kontrole kvalitete zraka. Prema izvještajima, postavljanje opreme kao što su kutije za miješanje zraka, kanali za zrak, ulazi i izlazi za zrak može ravnomjerno kontrolirati temperaturu i vlažnost, koncentraciju CO2 i brzinu protoka zraka u proizvodnom prostoru, kako bi se postigla visoka prostorna ujednačenost i zadovoljile potrebe tvornice na različitim prostornim lokacijama. Sistem za kontrolu temperature, vlažnosti i koncentracije CO2 i sistem za svježi zrak organski su integrirani u sistem cirkulacije zraka. Tri sistema trebaju dijeliti kanal za zrak, ulaz i izlaz zraka i osigurati napajanje putem ventilatora kako bi se ostvarila cirkulacija protoka zraka, filtracija i dezinfekcija, te ažuriranje i ujednačenost kvalitete zraka. To osigurava da je proizvodnja biljaka u biljnoj fabrici bez štetočina i bolesti, te da nije potrebna primjena pesticida. Istovremeno, ujednačenost temperature, vlažnosti, protoka zraka i koncentracije CO2 elemenata okruženja za rast u krošnji je zagarantovana kako bi se zadovoljile potrebe rasta biljaka.

2. Status razvoja industrije fabrike biljaka

2.1 Status quo u industriji stranih fabrika biljaka

U Japanu, istraživanje, razvoj i industrijalizacija fabrika vještačkih svjetala odvijaju se relativno brzo i nalaze se na vodećem nivou. Japanska vlada je 2010. godine uložila 50 milijardi jena u podršku tehnološkom istraživanju i razvoju i industrijskim demonstracijama. Učestvovalo je osam institucija, uključujući Univerzitet Chiba i Japansko udruženje za istraživanje fabrika biljaka. Japan Future Company je preduzela i upravljala prvim demonstracijskim projektom industrijalizacije fabrike biljaka sa dnevnom proizvodnjom od 3.000 biljaka. 2012. godine, proizvodni troškovi fabrike biljaka iznosili su 700 jena/kg. 2014. godine, završena je moderna fabrika u dvorcu Taga, prefektura Miyagi, čime je postala prva fabrika LED elektrana na svijetu sa dnevnom proizvodnjom od 10.000 biljaka. Od 2016. godine, fabrike LED elektrana su ušle u brzu traku industrijalizacije u Japanu, a preduzeća koja dostižu prag rentabilnosti ili su profitabilna, pojavila su se jedno za drugim. U 2018. godini, velike fabrike biljaka s dnevnim proizvodnim kapacitetom od 50.000 do 100.000 biljaka pojavljivale su se jedna za drugom, a globalne fabrike biljaka razvijale su se prema velikom, profesionalnom i inteligentnom razvoju. Istovremeno, Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power i druge oblasti počele su ulagati u fabrike biljaka. U 2020. godini, tržišni udio salate koju proizvode japanske fabrike biljaka činit će oko 10% ukupnog tržišta salate. Među više od 250 fabrika biljaka s vještačkom rasvjetom koje trenutno rade, 20% je u fazi gubitka, 50% je na nivou rentabilnosti, a 30% je u fazi profita, uključujući kultivirane biljne vrste poput salate, začinskog bilja i sadnica.

Holandija je pravi svjetski lider u oblasti kombinovane primjene tehnologije solarne i vještačke svjetlosti za fabrike biljaka, sa visokim stepenom mehanizacije, automatizacije, inteligencije i bespilotnog rada, te je sada izvezla kompletan set tehnologija i opreme kao snažne proizvode na Bliski istok, u Afriku, Kinu i druge zemlje. Farma American AeroFarms nalazi se u Newarku, New Jersey, SAD, sa površinom od 6500 m2. Uglavnom uzgaja povrće i začine, a proizvodnja je oko 900 t/godišnje.

Vertikalna poljoprivreda u AeroFarms-u

Tvornica vertikalnih biljaka kompanije Plenty u Sjedinjenim Američkim Državama koristi LED rasvjetu i vertikalni okvir za sadnju visine 6 m. Biljke rastu sa strane žardinjera. Oslanjajući se na gravitacijsko zalijevanje, ova metoda sadnje ne zahtijeva dodatne pumpe i efikasnija je u potrošnji vode od konvencionalne poljoprivrede. Plenty tvrdi da njegova farma proizvodi 350 puta više prinosa od konvencionalne farme, a koristi samo 1% vode.

Tvornica vertikalnih poljoprivrednih biljaka, Plenty Company

2.2 Status industrije fabrika biljaka u Kini

U 2009. godini, u sajamskom parku Changchun Agricultural Expo Park izgrađena je i puštena u rad prva fabrika proizvodnih pogona u Kini sa inteligentnim upravljanjem kao osnovom. Površina zgrade je 200 m2, a faktori okoline poput temperature, vlažnosti, svjetlosti, CO2 i koncentracije hranjivih rastvora u fabrici mogu se automatski pratiti u realnom vremenu kako bi se ostvarilo inteligentno upravljanje.

U 2010. godini, u Pekingu je izgrađena fabrika biljaka Tongzhou. Glavna konstrukcija je jednoslojna lagana čelična konstrukcija ukupne površine 1289 m2. Oblikovana je kao nosač aviona, što simbolizuje kinesku poljoprivredu koja preuzima vodeću ulogu u osvajanju najnaprednije tehnologije moderne poljoprivrede. Razvijena je automatska oprema za neke operacije proizvodnje lisnatog povrća, što je poboljšalo nivo automatizacije proizvodnje i efikasnost proizvodnje fabrike biljaka. Fabrika biljaka koristi sistem toplotnih pumpi koje koriste geotermalnu energiju i sistem za proizvodnju solarne energije, što bolje rješava problem visokih operativnih troškova fabrike.

Unutrašnji i vanjski pogled na tvornicu biljaka Tongzhou

U 2013. godini, u demonstracijskoj zoni visoke tehnologije u poljoprivredi Yangling, u provinciji Shaanxi, osnovano je mnogo kompanija za poljoprivrednu tehnologiju. Većina projekata fabrika biljaka u izgradnji i radu nalazi se u demonstracijskim parkovima visoke tehnologije u poljoprivredi, koji se uglavnom koriste za demonstracije popularne nauke i razgledavanje znamenitosti u slobodno vrijeme. Zbog svojih funkcionalnih ograničenja, ovim fabrikama biljaka popularne nauke teško je postići visok prinos i visoku efikasnost koju zahtijeva industrijalizacija, i bit će im teško da postanu glavni oblik industrijalizacije u budućnosti.

U 2015. godini, veliki proizvođač LED čipova u Kini sarađivao je s Institutom za botaniku Kineske akademije nauka kako bi zajednički pokrenuli osnivanje kompanije za fabriku biljaka. Prešli su iz optoelektronske industrije u "fotobiološku" industriju i postali presedan za kineske proizvođače LED dioda da ulažu u izgradnju fabrika biljaka u industrijalizaciji. Njihova fabrika biljaka posvećena je industrijskim ulaganjima u novu fotobiologiju, koja integriše naučna istraživanja, proizvodnju, demonstracije, inkubaciju i druge funkcije, sa registrovanim kapitalom od 100 miliona juana. U junu 2016. godine, ova fabrika biljaka sa trospratnom zgradom koja pokriva površinu od 3.000 m2 i površinom za uzgoj većom od 10.000 m2 je završena i puštena u rad. Do maja 2017. godine, dnevna proizvodnja će biti 1.500 kg lisnatog povrća, što je ekvivalentno 15.000 biljaka salate dnevno.

Stavovi o ovoj kompaniji

3. Problemi i protumjere s kojima se suočava razvoj fabrika biljaka

3.1 Problemi

3.1.1 Visoki troškovi izgradnje

Fabrike biljaka moraju proizvoditi usjeve u zatvorenom okruženju. Stoga je potrebno izgraditi prateće projekte i opremu, uključujući vanjske strukture za održavanje, sisteme klimatizacije, izvore umjetne svjetlosti, višeslojne sisteme za uzgoj, cirkulaciju hranjivih rastvora i sisteme računarske kontrole. Troškovi izgradnje su relativno visoki.

3.1.2 Visoki operativni troškovi

Većina izvora svjetlosti potrebnih fabrikama biljaka potiče od LED svjetala, koja troše mnogo električne energije, a istovremeno obezbjeđuju odgovarajući spektar za rast različitih usjeva. Oprema poput klima uređaja, ventilacije i vodenih pumpi u proizvodnom procesu fabrika biljaka također troši električnu energiju, tako da računi za struju predstavljaju ogroman trošak. Prema statistikama, među troškovima proizvodnje fabrika biljaka, troškovi električne energije čine 29%, troškovi rada 26%, amortizacija osnovnih sredstava 23%, ambalaža i transport 12%, a proizvodni materijali 10%.

Raspored troškova proizvodnje za fabriku biljaka

3.1.3 Nizak nivo automatizacije

Trenutno primijenjena fabrika biljaka ima nizak nivo automatizacije, a procesi poput sadnje, presađivanja, sadnje na polju i žetve i dalje zahtijevaju ručne operacije, što rezultira visokim troškovima rada.

3.1.4 Ograničene vrste usjeva koje se mogu uzgajati

Trenutno su vrste usjeva pogodnih za biljne tvornice vrlo ograničene, uglavnom zeleno lisnato povrće koje brzo raste, lako prihvata umjetne izvore svjetlosti i ima nisku krošnju. Sadnja velikih razmjera ne može se provoditi zbog složenih zahtjeva sadnje (kao što su usjevi koji se trebaju oprašivati ​​itd.).

3.2 Strategija razvoja

S obzirom na probleme s kojima se suočava industrija biljnih fabrika, potrebno je provesti istraživanje iz različitih aspekata, kao što su tehnologija i rad. Kao odgovor na trenutne probleme, protumjere su sljedeće.

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

(2) Razviti intenzivnu i efikasnu tehničku opremu fabrika biljaka kako bi se postigla visoka kvaliteta i visoki prinosi na godišnjem nivou. Razvoj visokoefikasnih objekata i opreme za uzgoj, energetski štedljive tehnologije i opreme za rasvjetu itd., radi poboljšanja inteligentnog nivoa fabrika biljaka, doprinosi ostvarivanju visokoefikasne godišnje proizvodnje.

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

(4) Provesti istraživanje o fabrikama biljaka za kućnu i komercijalnu upotrebu, obogatiti tipove fabrika biljaka i postići kontinuiranu profitabilnost s različitim funkcijama.

4. Trend razvoja i perspektive fabrike biljaka

4.1 Trend razvoja tehnologije

4.1.1 Intelektualizacija cijelog procesa

Na osnovu mehanizma fuzije mašina i tehnologije i mehanizma za sprečavanje gubitaka sistema usjeva i robota, trebalo bi stvoriti brze, fleksibilne i nedestruktivne krajnje efektore za sadnju i žetvu, distribuirane višedimenzionalne prostorno precizne metode pozicioniranja i multimodalne metode kolaborativne kontrole više mašina, kao i bespilotne, efikasne i nedestruktivne setve u visokim fabrikama biljaka - inteligentne robote i prateću opremu kao što je sadnja-žetva-pakovanje, čime bi se ostvario bespilotni rad cijelog procesa.

4.1.2 Učinite kontrolu proizvodnje pametnijom

Na osnovu mehanizma odgovora rasta i razvoja usjeva na svjetlosno zračenje, temperaturu, vlažnost, koncentraciju CO2, koncentraciju hranjivih tvari u rastvoru hranjivih tvari i elektrokondenzaciju (EC), treba konstruirati kvantitativni model povratne informacije o odnosu usjeva i okoline. Treba uspostaviti strateški osnovni model za dinamičku analizu informacija o životu lisnatog povrća i parametara proizvodnog okruženja. Također treba uspostaviti online sistem dinamičke identifikacije, dijagnoze i kontrole procesa u okolini. Treba kreirati sistem za kolaborativno donošenje odluka zasnovan na vještačkoj inteligenciji s više mašina za cijeli proizvodni proces vertikalne poljoprivredne tvornice velikog obima.

4.1.3 Proizvodnja s niskim udjelom ugljika i ušteda energije

Uspostavljanje sistema upravljanja energijom koji koristi obnovljive izvore energije poput solarne i vjetroelektrane za dovršetak prenosa energije i kontrolu potrošnje energije radi postizanja optimalnih ciljeva upravljanja energijom. Hvatanje i ponovna upotreba emisija CO2 za pomoć u proizvodnji usjeva.

4.1.3 Visoka vrijednost premium sorti

Treba primijeniti izvodljive strategije za uzgoj različitih sorti visoke dodane vrijednosti za eksperimente sadnje, izgraditi bazu podataka stručnjaka za tehnologiju uzgoja, provesti istraživanje o tehnologiji uzgoja, odabiru gustoće, rasporedu strništa, prilagodljivosti sorti i opreme te formirati standardne tehničke specifikacije za uzgoj.

4.2 Izgledi za razvoj industrije

Fabrike biljaka mogu se riješiti ograničenja resursa i okoliša, ostvariti industrijaliziranu poljoprivrednu proizvodnju i privući novu generaciju radne snage da se bavi poljoprivrednom proizvodnjom. Ključna tehnološka inovacija i industrijalizacija kineskih fabrika biljaka postaju svjetski lider. Uz ubrzanu primjenu LED izvora svjetlosti, digitalizaciju, automatizaciju i inteligentne tehnologije u oblasti fabrika biljaka, fabrike biljaka će privući više kapitalnih investicija, okupljanje talenata i korištenje više nove energije, novih materijala i nove opreme. Na taj način, može se ostvariti dubinska integracija informacionih tehnologija i objekata i opreme, može se poboljšati inteligentni i bespilotni nivo objekata i opreme, kontinuirano smanjenje potrošnje energije sistema i operativnih troškova kroz kontinuirane inovacije i postepeno kultiviranje specijaliziranih tržišta, inteligentne fabrike biljaka će uvesti u zlatni period razvoja.

Prema izvještajima o istraživanju tržišta, veličina globalnog tržišta vertikalne poljoprivrede u 2020. godini iznosila je samo 2,9 milijardi američkih dolara, a očekuje se da će do 2025. godine veličina globalnog tržišta vertikalne poljoprivrede dostići 30 milijardi američkih dolara. Ukratko, fabrike biljaka imaju široke mogućnosti primjene i prostor za razvoj.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong, itd

Informacije o citiranju:Trenutno stanje i perspektive razvoja industrije fabrika biljaka [J]. Poljoprivredna inženjerska tehnologija, 2022, 42(1): 18-23.od Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.