Abstract

De plantenfabriek is er momenteel in geslaagd om succesvol groenteplanten zoals komkommers, tomaten, paprika's, aubergines en meloenen te kweken. Hierdoor kunnen boeren in grote hoeveelheden hoogwaardige zaailingen ontvangen, wat resulteert in betere oogstresultaten na het planten. Plantenfabrieken zijn een belangrijke bron van zaailingen voor de groente-industrie geworden en spelen een steeds belangrijkere rol in de hervorming van de aanbodzijde van de groente-industrie, waardoor de groentevoorziening in stedelijke gebieden en de productie van groene groenten gewaarborgd worden.

Ontwerp van een zaailingkweeksysteem voor plantenfabrieken en de belangrijkste technische apparatuur.

Het zaailingteeltsysteem voor planten is momenteel het meest efficiënte landbouwproductiesysteem. Het integreert uitgebreide technische middelen, waaronder kunstmatige verlichting, toevoer van voedingsoplossingen, driedimensionale klimaatbeheersing, geautomatiseerde hulpprocessen en intelligent productiebeheer. Daarbij worden biotechnologie, informatietechnologie en kunstmatige intelligentie gecombineerd. Deze intelligente en andere hoogtechnologische innovaties bevorderen de continue ontwikkeling van de sector. 

LED-kunstlichtbronsysteem

Het creëren van een kunstmatige lichtomgeving is een van de kerntechnologieën van het zaailingteeltsysteem in plantenfabrieken en tevens de belangrijkste energieverbruiker voor de zaailingproductie. De lichtomgeving in plantenfabrieken is zeer flexibel en kan op meerdere vlakken worden gereguleerd, zoals lichtkwaliteit, lichtintensiteit en fotoperiode. Tegelijkertijd kunnen verschillende lichtfactoren worden geoptimaliseerd en in de tijd worden gecombineerd om een ​​lichtformule voor de zaailingteelt te vormen, waardoor een geschikte lichtomgeving voor de kunstmatige teelt van zaailingen wordt gegarandeerd. Op basis van de lichtbehoefte en de productiedoelen van verschillende zaailingen, en door de parameters van de lichtformule en de lichttoevoerstrategie te optimaliseren, is een speciale energiebesparende LED-lichtbron ontwikkeld. Deze lichtbron verbetert de energieomzettingsefficiëntie van zaailingen aanzienlijk, bevordert de accumulatie van zaailingbiomassa en verbetert de kwaliteit van de zaailingproductie, terwijl het energieverbruik en de productiekosten worden verlaagd. Daarnaast is de regulering van de lichtomgeving ook een belangrijk technisch middel bij het domesticeren van zaailingen en het herstel van geënte zaailingen.

Afneembaar meerlaags verticaal zaailingsysteem

De zaailingteelt in de plantenfabriek vindt plaats met behulp van een meerlaags driedimensionaal schap. Dankzij het modulaire ontwerp kan het zaailingteeltsysteem snel worden opgebouwd. De afstand tussen de schappen kan flexibel worden aangepast aan de ruimtebehoeften voor de teelt van verschillende zaailingvariëteiten, waardoor de ruimte optimaal wordt benut. Bovendien zorgt het gescheiden ontwerp van het zaaibed, de verlichting en het irrigatie- en bemestingssysteem ervoor dat het zaaibed gemakkelijk te verplaatsen is naar verschillende werkplaatsen, zoals zaaien, kiemen en opkweken, en dat er minder arbeid nodig is voor het hanteren van de zaaitrays.

Afneembaar meerlaags verticaal zaailingsysteem 

De irrigatie met water en meststoffen gebeurt voornamelijk via getijdenirrigatie, sproeiirrigatie en andere methoden. Door de timing en frequentie van de toevoer van voedingsoplossing nauwkeurig te regelen, wordt een gelijkmatige toevoer en efficiënt gebruik van water en minerale voedingsstoffen bereikt. In combinatie met een speciale voedingsoplossing voor zaailingen wordt voldaan aan de groei- en ontwikkelingsbehoeften van de zaailingen en wordt een snelle en gezonde groei gegarandeerd. Bovendien kunnen voedingsstoffen tijdig worden aangevuld met behulp van een online detectiesysteem voor nutriëntenionen en een sterilisatiesysteem voor de voedingsoplossing, waardoor de ophoping van micro-organismen en secundaire metabolieten die de normale groei van zaailingen belemmeren, wordt voorkomen. 

Milieubeheersingssysteem

Nauwkeurige en efficiënte klimaatbeheersing is een van de belangrijkste kenmerken van een zaailingvermeerderingssysteem in een plantenfabriek. De externe onderhoudsstructuur van een plantenfabriek is doorgaans opgebouwd uit ondoorzichtige en sterk isolerende materialen. Hierdoor wordt de regulering van licht, temperatuur, luchtvochtigheid, windsnelheid en CO2 nauwelijks beïnvloed door de externe omgeving. Door middel van CFD-modellering voor het optimaliseren van de luchtkanalen, in combinatie met microklimaatbeheersing, kan een uniforme verdeling van omgevingsfactoren zoals temperatuur, luchtvochtigheid, windsnelheid en CO2 in de hoogdichte kweekruimte worden bereikt. De intelligente klimaatbeheersing wordt gerealiseerd door middel van gedistribueerde sensoren en contactbesturing, en de realtime regulering van de gehele kweekomgeving vindt plaats via de verbinding tussen de monitoringseenheid en het besturingssysteem. Bovendien kan het gebruik van watergekoelde lichtbronnen en watercirculatie, in combinatie met de introductie van externe koelbronnen, energiezuinige koeling realiseren en het energieverbruik voor airconditioning verminderen.

Automatische hulpbedieningsapparatuur

Het proces van het kweken van zaailingen in een plantenfabriek is strikt, de werkdichtheid is hoog, de ruimte is beperkt en automatische hulpapparatuur is onmisbaar. Het gebruik van geautomatiseerde hulpapparatuur draagt ​​niet alleen bij aan een lagere arbeidsbehoefte, maar verbetert ook de efficiëntie van de teeltruimte. De tot nu toe ontwikkelde automatiseringsapparatuur omvat onder andere een grondbedekmachine, een zaaimachine, een entmachine en een AGV-transportwagen. Onder controle van een intelligent beheerplatform kan het gehele proces van zaailingkweek in principe volledig onbemand worden uitgevoerd. Daarnaast speelt machine vision-technologie een steeds belangrijkere rol in het proces van zaailingkweek. Het helpt niet alleen bij het monitoren van de groei van zaailingen en het beheren van commerciële zaailingen, maar voert ook automatisch screening uit van zwakke en dode zaailingen. De robotarm verwijdert en vult de plantgaten bij.

Voordelen van het kweken van zaailingen in een plantenfabriek.

Een hoog niveau van milieubeheersing maakt jaarlijkse productie mogelijk.

Vanwege de specifieke aard van zaailingteelt is de controle van de teeltomgeving van groot belang. In een plantenfabriek worden omgevingsfactoren zoals licht, temperatuur, water, lucht, meststoffen en CO2 nauwkeurig gecontroleerd. Dit zorgt voor de beste groeiomstandigheden voor zaailingen, ongeacht het seizoen of de regio. Ook bij de teelt van geënte en stekken is een nauwkeurige controle van de omgeving essentieel, met name voor wondgenezing en wortelontwikkeling. Plantenfabrieken bieden hiervoor uitstekende mogelijkheden. De flexibiliteit van de omgevingsomstandigheden in een plantenfabriek is van groot belang voor de productie van groentezaailingen buiten het teeltseizoen of in extreme omstandigheden. Bovendien biedt de fabriek ondersteuning bij de teelt en daarmee een continue aanvoer van groenten. Daarnaast is de teelt in plantenfabrieken niet gebonden aan ruimte en kan deze ter plaatse plaatsvinden, bijvoorbeeld in de buitenwijken van steden of in openbare ruimtes. De flexibele en aanpasbare specificaties maken massaproductie en een constante aanvoer van hoogwaardige zaailingen mogelijk, wat een belangrijke bijdrage levert aan de ontwikkeling van de stedelijke tuinbouw. 

Verkort de kweekcyclus en verbeter de kwaliteit van de zaailingen.

Onder fabrieksomstandigheden wordt de teeltcyclus van zaailingen, dankzij de nauwkeurige controle van diverse groeifactoren, met 30% tot 50% verkort in vergelijking met traditionele methoden. Deze verkorting van de teeltcyclus leidt tot een hogere productie van zaailingen, een hoger inkomen voor de producent en een lager risico op marktschommelingen. Voor telers betekent dit vroegtijdig verplanten en planten, een vroege marktintroductie en een verbeterde concurrentiepositie. Bovendien zijn de in de fabriek geteelde zaailingen compact en robuust, met aanzienlijk verbeterde morfologische en kwaliteitsindicatoren, en een betere productie na vestiging. Studies hebben aangetoond dat tomaten-, paprika- en komkommerzaailingen die onder fabrieksomstandigheden worden geteeld, niet alleen een verbeterd bladoppervlak, planthoogte, stengeldiameter en wortelkracht vertonen, maar ook een betere aanpassingsvermogen, ziekteresistentie en bloemknopontwikkeling na vestiging. Ook op andere vlakken zijn er duidelijke voordelen. Het aantal vrouwelijke bloemen per plant nam met 33,8% toe en het aantal vruchten per plant met 37,3% na het planten van komkommerzaailingen die in plantenfabrieken waren opgekweekt. Door de voortdurende verdieping van theoretisch onderzoek naar de biologie van de ontwikkelingsomgeving van zaailingen, zullen plantenfabrieken in staat zijn om de morfologie van zaailingen nauwkeuriger en beter te controleren en de fysiologische activiteit te verbeteren.

 Vergelijking van de toestand van geënte zaailingen in kassen en plantenfabrieken.

Efficiënt gebruik van hulpbronnen om de kosten van zaailingen te verlagen.

De plantenfabriek hanteert gestandaardiseerde, geïnformatiseerde en geïndustrialiseerde teeltmethoden, waardoor elke stap in de zaailingproductie strikt gecontroleerd wordt en de efficiëntie van het grondstoffengebruik aanzienlijk verbeterd wordt. Zaden vormen de grootste kostenpost bij de zaailingteelt. Door onregelmatige werkwijzen en gebrekkige controle over de omgevingsomstandigheden bij traditionele zaailingen, ontstaan ​​problemen zoals niet-kiemen of zwakke groei, wat leidt tot enorme verspilling in het proces van zaad tot commerciële zaailing. In de plantenfabriekomgeving wordt, door middel van zaadvoorbehandeling, nauwkeurig zaaien en precieze controle van de teeltomgeving, de efficiëntie van het zaadgebruik sterk verbeterd en kan de benodigde hoeveelheid met meer dan 30% worden verminderd. Water, meststoffen en andere grondstoffen vormen ook de grootste kostenpost bij traditionele zaailingteelt, met een aanzienlijk risico op verspilling. In de plantenfabriek kan, door de toepassing van precisie-irrigatietechnologie, de efficiëntie van het water- en meststoffengebruik met meer dan 70% worden verhoogd. Bovendien worden, dankzij de compacte structuur van de plantenfabriek zelf en de uniforme klimaatbeheersing, de energie- en CO2-efficiëntie tijdens het vermeerderen van zaailingen aanzienlijk verbeterd.

Vergeleken met traditionele teelt in de volle grond en in kassen, is het grootste voordeel van zaailingenteelt in plantenfabrieken dat het op een meerlaagse, driedimensionale manier kan plaatsvinden. In een plantenfabriek kan de zaailingenteelt zich uitbreiden van het vlakke naar de verticale ruimte, wat de teeltefficiëntie per oppervlakte-eenheid aanzienlijk verbetert en de ruimtebenutting aanzienlijk optimaliseert. Zo kan een standaard zaailingenteeltmodule, ontwikkeld door een biologisch bedrijf, op een oppervlakte van 4,68 m² meer dan 10.000 zaailingen per keer produceren, wat voldoende is voor de groenteproductie op 3,3 Mu (2201,1 m²). Onder de omstandigheden van een driedimensionale, meerlaagse teelt met hoge dichtheid, kunnen automatische hulpapparatuur en een intelligent logistiek transportsysteem de arbeidsefficiëntie aanzienlijk verbeteren en meer dan 50% aan arbeidskosten besparen.

Het kweken van zeer resistente zaailingen ter bevordering van groene productie.

De schone productieomgeving van de plantenfabriek kan het voorkomen van plagen en ziekten in de kweekruimte aanzienlijk verminderen. Tegelijkertijd zullen de geproduceerde zaailingen, dankzij de geoptimaliseerde inrichting van de kweekomgeving, een hogere weerstand hebben, waardoor het gebruik van pesticiden tijdens de vermeerdering en aanplanting sterk kan worden verminderd. Bovendien kunnen voor de teelt van speciale zaailingen, zoals geënte zaailingen en stekken, groene beheersmaatregelen zoals licht, temperatuur, water en meststoffen in de plantenfabriek worden gebruikt ter vervanging van het grootschalige gebruik van hormonen in traditionele processen. Dit garandeert voedselveiligheid, vermindert milieuvervuiling en realiseert een duurzame, groene zaailingenproductie.

Productiekostenanalyse 

De manieren waarop plantenfabrieken de economische voordelen van zaailingen kunnen vergroten, omvatten hoofdzakelijk twee aspecten. Enerzijds kan door optimalisatie van het structurele ontwerp, standaardisatie van de bedrijfsvoering en het gebruik van intelligente installaties en apparatuur het verbruik van zaden, elektriciteit en arbeid tijdens het zaailingteeltproces worden verminderd, en het water-, mest-, warmte- en energieverbruik worden verbeterd. De efficiëntere benutting van gas en CO2 verlaagt de kosten van de zaailingteelt. Anderzijds kan door nauwkeurige controle van de omgeving en optimalisatie van de processtroom de teeltduur worden verkort, de jaarlijkse teeltopbrengst en de zaailingopbrengst per vierkante meter worden verhoogd, wat de concurrentiepositie op de markt versterkt. 

Door de ontwikkeling van de technologie voor plantenfabrieken en het voortdurende onderzoek naar milieubiologie en de teelt van zaailingen, zijn de kosten voor het kweken van zaailingen in plantenfabrieken in principe gelijk aan die van traditionele kasbouw, terwijl de kwaliteit en marktwaarde van de zaailingen hoger liggen. Neem bijvoorbeeld komkommerzaailingen: de productiematerialen vormen een groot deel van de totale kosten, namelijk ongeveer 37%, inclusief zaden, voedingsoplossing, zaaitrays, substraten, enz. Het elektriciteitsverbruik is goed voor ongeveer 24% van de totale kosten, inclusief het energieverbruik voor plantverlichting, airconditioning en de pompen voor de voedingsoplossing, enz. Dit is een belangrijk aandachtspunt voor toekomstige optimalisatie. Bovendien is het lage aandeel arbeid een kenmerk van de productie in plantenfabrieken. Met de voortdurende toename van de automatiseringsgraad zullen de arbeidskosten verder dalen. In de toekomst kunnen de economische voordelen van het kweken van zaailingen in plantenfabrieken verder worden verbeterd door de ontwikkeling van gewassen met een hoge toegevoegde waarde en de ontwikkeling van geïndustrialiseerde teelttechnologie voor zaailingen van waardevolle bosbomen.

Kostenopbouw van komkommerzaailingen /%

Industrialisatiestatus

De afgelopen jaren hebben wetenschappelijke onderzoeksinstellingen, zoals het Instituut voor Stedelijke Landbouw van de Chinese Academie voor Landbouwwetenschappen, en hightechbedrijven de teelt van zaailingen in plantenfabrieken ontwikkeld. Deze fabrieken bieden een efficiënte industriële productielijn voor zaailingen, van zaad tot opkomst. Zo is er bijvoorbeeld een plantenfabriek in Shanxi, gebouwd en in gebruik genomen in 2019, met een oppervlakte van 3.500 m², die binnen een cyclus van 30 dagen 800.000 paprikazaailingen of 550.000 tomatenzaailingen kan kweken. Een andere plantenfabriek, gebouwd op een oppervlakte van 2.300 m², kan 8 tot 10 miljoen zaailingen per jaar produceren. De mobiele herstelinstallatie voor geënte zaailingen, onafhankelijk ontwikkeld door het Instituut voor Stedelijke Landbouw van de Chinese Academie voor Landbouwwetenschappen, biedt een geïntegreerd platform voor het herstellen en domesticeren van geënte zaailingen. Op één werkplek kunnen meer dan 10.000 geënte zaailingen tegelijk worden verwerkt. Naar verwachting zal de diversiteit aan zaadvariëteiten in plantenfabrieken in de toekomst verder toenemen, en zal het niveau van automatisering en intelligentie blijven verbeteren.

De mobiele herstelplant voor geënte zaailingen, ontwikkeld door het Instituut voor Stedelijke Landbouw van de Chinese Academie voor Landbouwwetenschappen.

Vooruitzicht

Als nieuwe vorm van fabrieksmatige zaailingteelt bieden plantenfabrieken enorme voordelen en een groot commercialiseringspotentieel ten opzichte van traditionele zaailingteeltmethoden, met name op het gebied van nauwkeurige milieubeheersing, efficiënt gebruik van hulpbronnen en gestandaardiseerde processen. Door het verbruik van hulpbronnen zoals zaden, water, meststoffen, energie en mankracht te verminderen en de opbrengst en kwaliteit van zaailingen per oppervlakte-eenheid te verbeteren, zullen de kosten van zaailingteelt in plantenfabrieken verder dalen en zullen de producten concurrerender worden op de markt. Er is een enorme vraag naar zaailingen in China. Naast de productie van traditionele gewassen zoals groenten, wordt verwacht dat er in plantenfabrieken ook hoogwaardige zaailingen zoals bloemen, Chinese kruidengeneesmiddelen en zeldzame bomen zullen worden geteeld, wat de economische voordelen verder zal vergroten. Tegelijkertijd moet het geïndustrialiseerde zaailingteeltplatform rekening houden met de compatibiliteit en flexibiliteit van verschillende zaailingrassen om te voldoen aan de behoeften van de zaailingteeltmarkt in verschillende seizoenen.

De biologische theorie van de kweekomgeving voor zaailingen vormt de kern van de nauwkeurige beheersing van de omgeving in een plantenfabriek. Diepgaand onderzoek naar de regulering van de vorm, fotosynthese en andere fysiologische activiteiten van zaailingen door omgevingsfactoren zoals licht, temperatuur, luchtvochtigheid en CO2 zal bijdragen aan de ontwikkeling van een interactiemodel tussen zaailingen en hun omgeving. Dit model kan het energieverbruik van de zaailingenproductie verlagen en de kwaliteit en opbrengst van zaailingen verbeteren. De theoretische basis hiervoor vormt de basis. Op basis hiervan kunnen besturingstechnologieën en -apparatuur, met licht als kern en gekoppeld aan andere omgevingsfactoren, worden ontwikkeld. Hierdoor kan de productie van zaailingen met specifieke plantensoorten, hoge uniformiteit en hoge kwaliteit worden geoptimaliseerd om te voldoen aan de eisen van intensieve teelt en gemechaniseerde processen in plantenfabrieken. Uiteindelijk biedt dit een technische basis voor de ontwikkeling van een digitaal zaailingenproductiesysteem en maakt het gestandaardiseerde, geautomatiseerde en digitale zaailingenteelt in plantenfabrieken mogelijk.

Auteur: Xu Yaliang, Liu Xinying, enz. 

Citeerinformatie:

Xu Yaliang, Liu Xinying, Yang Qichang. Belangrijke technische apparatuur en industrialisatie van zaailingveredeling in plantenfabrieken [J]. Landbouwtechniek, 2021, 42(4): 12-15.