Abstract: De afgelopen jaren heeft de plantenfabriekindustrie, met de voortdurende ontwikkeling van moderne landbouwtechnologie, zich snel ontwikkeld. Dit artikel beschrijft de huidige stand van zaken, de bestaande problemen en de te volgen maatregelen voor de ontwikkeling van de plantenfabriektechnologie en -industrie, en blikt vooruit op de ontwikkelingstrends en toekomstperspectieven van plantenfabrieken.

1. Huidige stand van de technologische ontwikkeling in plantenfabrieken in China en daarbuiten

1.1 De huidige stand van zaken met betrekking tot de ontwikkeling van buitenlandse technologie

Sinds het begin van de 21e eeuw richt het onderzoek naar plantenfabrieken zich voornamelijk op de verbetering van de lichtefficiëntie, de ontwikkeling van meerlaagse driedimensionale teeltsystemen en de ontwikkeling van intelligent beheer en besturing. In de 21e eeuw heeft de innovatie van agrarische LED-lichtbronnen aanzienlijke vooruitgang geboekt, wat een belangrijke technische ondersteuning biedt voor de toepassing van energiezuinige LED-lichtbronnen in plantenfabrieken. De Chiba Universiteit in Japan heeft een aantal innovaties gerealiseerd op het gebied van hoogefficiënte lichtbronnen, energiebesparende omgevingsregeling en teelttechnieken. De Wageningen Universiteit in Nederland gebruikt gewasomgevingssimulatie en dynamische optimalisatietechnologie om een ​​intelligent apparatuursysteem voor plantenfabrieken te ontwikkelen, wat de operationele kosten aanzienlijk verlaagt en de arbeidsproductiviteit sterk verbetert.

De afgelopen jaren hebben plantenfabrieken de productieprocessen, van zaaien en het opkweken van zaailingen tot het verplanten en oogsten, geleidelijk aan gedeeltelijk geautomatiseerd. Japan, Nederland en de Verenigde Staten lopen voorop met een hoge mate van mechanisatie, automatisering en intelligentie, en ontwikkelen zich in de richting van verticale landbouw en onbemande bedrijfsvoering.

1.2 Status van technologische ontwikkeling in China

1.2.1 Gespecialiseerde LED-lichtbron en energiebesparende toepassingstechnologie voor kunstlicht in fabrieken

Er zijn diverse speciale rode en blauwe LED-lichtbronnen ontwikkeld voor de teelt van verschillende plantensoorten in plantenfabrieken. Het vermogen varieert van 30 tot 300 W en de lichtintensiteit van 80 tot 500 μmol/(m²•s). Dit zorgt voor een optimale lichtintensiteit en lichtkwaliteit, waardoor een hoge energie-efficiëntie wordt bereikt en de lichtbehoefte van planten optimaal wordt benut. Wat betreft warmteafvoer is een actief warmteafvoerend ontwerp van de ventilator geïntroduceerd, waardoor de lichtafname wordt verminderd en de levensduur van de lichtbron wordt verlengd. Daarnaast wordt een methode voorgesteld om de warmte van de LED-lichtbron te verminderen door middel van circulatie van voedingsoplossing of water. Voor een optimale plaatsing van de lichtbron is, rekening houdend met de groei van de plant in het zaailingstadium en latere stadia, een verticale positionering van de LED-lichtbron mogelijk. Hierdoor kan het plantendak van dichtbij worden belicht, wat bijdraagt ​​aan energiebesparing. Momenteel is het energieverbruik van kunstmatige lichtbronnen in plantenfabrieken goed voor 50% tot 60% van het totale operationele energieverbruik van de fabriek. Hoewel LED-verlichting 50% energie bespaart ten opzichte van TL-lampen, is er nog steeds ruimte voor onderzoek naar energiebesparing en -vermindering.

1.2.2 Meerlaagse driedimensionale teelttechnologie en -apparatuur

De tussenruimte tussen de lagen in de meerlaagse driedimensionale teelt wordt verkleind doordat LED-verlichting de fluorescentielamp vervangt, wat de efficiëntie van de driedimensionale ruimtebenutting voor de plantenteelt verbetert. Er is veel onderzoek gedaan naar het ontwerp van de bodem van het teeltbed. De verhoogde strepen zijn ontworpen om een ​​turbulente stroming te creëren, waardoor plantenwortels voedingsstoffen uit de voedingsoplossing gelijkmatig kunnen opnemen en de concentratie opgeloste zuurstof toeneemt. Er zijn twee kolonisatiemethoden voor het kolonisatiebord: plastic kolonisatiebekers van verschillende groottes of kolonisatie met een sponsrand. Er is een verschuifbaar teeltbed ontwikkeld, waarbij het plantbord met de planten erop handmatig van het ene naar het andere uiteinde kan worden geschoven, waardoor er aan het ene uiteinde van het teeltbed geplant en aan het andere uiteinde geoogst kan worden. Momenteel zijn er diverse driedimensionale meerlaagse substraatteelttechnologieën en -apparatuur ontwikkeld op basis van voedingsvloeistoffilmtechnologie en diepe vloeistofstroomtechnologie. De technologie en apparatuur voor substraatteelt van aardbeien en aerosolteelt van bladgroenten en bloemen zijn snel ontwikkeld.

1.2.3 Technologie en apparatuur voor de circulatie van voedingsoplossingen

Nadat de voedingsoplossing een bepaalde tijd is gebruikt, is het nodig om water en mineralen toe te voegen. Over het algemeen worden de hoeveelheid nieuw bereide voedingsoplossing en de zuur-baseverhouding bepaald door de EC- en pH-waarden te meten. Grote sedimentdeeltjes of wortelafschilferingen in de voedingsoplossing moeten met een filter worden verwijderd. Wortelafscheidingen in de voedingsoplossing kunnen met fotokatalytische methoden worden verwijderd om continue teeltproblemen in de hydrocultuur te voorkomen, maar dit brengt wel risico's met zich mee voor de beschikbaarheid van voedingsstoffen.

1.2.4 Milieubeheersingstechnologie en -apparatuur

De luchtkwaliteit in de productieruimte is een belangrijke indicator voor de algehele luchtkwaliteit in een fabriek. De luchtkwaliteit (gemeten aan de hand van de hoeveelheid zwevende deeltjes en neergeslagen bacteriën) in de productieruimte moet onder dynamische omstandigheden op een niveau van meer dan 100.000 worden gehouden. Desinfectie van de materiaaltoevoer, luchtbehandeling van binnenkomend personeel en een luchtzuiveringssysteem met verse luchtcirculatie (luchtfiltersysteem) zijn essentiële maatregelen. De temperatuur, luchtvochtigheid, CO2-concentratie en luchtsnelheid in de productieruimte zijn eveneens belangrijke aspecten van de luchtkwaliteitscontrole. Volgens onderzoek kan de installatie van apparatuur zoals luchtmengkasten, luchtkanalen, luchtinlaten en -uitlaten de temperatuur, luchtvochtigheid, CO2-concentratie en luchtsnelheid in de productieruimte gelijkmatig regelen, waardoor een hoge mate van uniformiteit wordt bereikt en aan de behoeften van de fabriek op verschillende locaties wordt voldaan. Het temperatuur-, luchtvochtigheids- en CO2-regelsysteem en het verse luchtsysteem zijn naadloos geïntegreerd in het luchtcirculatiesysteem. De drie systemen moeten gebruikmaken van hetzelfde luchtkanaal, dezelfde luchtinlaat en -uitlaat, en via de ventilator van stroom worden voorzien om de luchtcirculatie, filtratie en desinfectie te realiseren, en om de luchtkwaliteit te verbeteren en te uniformeren. Dit zorgt ervoor dat de planten in de kwekerij vrij blijven van plagen en ziekten, waardoor het gebruik van pesticiden overbodig is. Tegelijkertijd wordt de uniformiteit van temperatuur, luchtvochtigheid, luchtstroom en CO2-concentratie in de groeiomgeving van de planten gegarandeerd, zodat aan de behoeften van de plantengroei wordt voldaan.

2. Ontwikkelingsstatus van de plantenfabriekindustrie

2.1 Huidige situatie van de buitenlandse plantenfabriekindustrie

In Japan verloopt het onderzoek, de ontwikkeling en de industrialisatie van fabrieken voor kunstmatige lichtplanten relatief snel en loopt het voorop. In 2010 stelde de Japanse overheid 50 miljard yen beschikbaar ter ondersteuning van technologisch onderzoek, ontwikkeling en industriële demonstratieprojecten. Acht instellingen, waaronder de Universiteit van Chiba en de Japan Plant Factory Research Association, namen hieraan deel. Japan Future Company startte en exploiteerde het eerste demonstratieproject voor industrialisatie van een plantenfabriek met een dagelijkse productie van 3.000 planten. In 2012 bedroegen de productiekosten van de plantenfabriek 700 yen per kilogram. In 2014 werd de moderne plantenfabriek in het kasteel van Taga in de prefectuur Miyagi voltooid, waarmee het 's werelds eerste LED-plantenfabriek werd met een dagelijkse productie van 10.000 planten. Sinds 2016 hebben LED-plantenfabrieken in Japan een snelle industrialisatie doorgemaakt en zijn er steeds meer winstgevende bedrijven ontstaan. In 2018 verschenen er in rap tempo grootschalige plantenfabrieken met een dagelijkse productiecapaciteit van 50.000 tot 100.000 planten, en de wereldwijde plantenindustrie ontwikkelde zich richting grootschalige, professionele en intelligente productie. Tegelijkertijd begonnen bedrijven zoals Tokyo Electric Power en Okinawa Electric Power te investeren in plantenfabrieken. In 2020 zal het marktaandeel van sla geproduceerd door Japanse plantenfabrieken ongeveer 10% van de totale slamarkt bedragen. Van de meer dan 250 plantenfabrieken die momenteel met kunstlicht werken, lijdt 20% verlies, draait 50% quitte en is 30% winstgevend. Deze fabrieken telen onder andere sla, kruiden en zaailingen.

Nederland is een wereldleider op het gebied van gecombineerde toepassingstechnologie van zonlicht en kunstlicht voor plantenkwekerijen. Dankzij een hoge mate van mechanisatie, automatisering, intelligentie en onbemande systemen exporteert het land nu een complete set technologieën en apparatuur als sterke producten naar het Midden-Oosten, Afrika, China en andere landen. De Amerikaanse AeroFarms-kwekerij is gevestigd in Newark, New Jersey, VS, en beslaat een oppervlakte van 6500 m². Er worden voornamelijk groenten en specerijen verbouwd, met een jaarlijkse opbrengst van ongeveer 900 ton.

Verticale landbouw bij AeroFarms

De verticale landbouwfabriek van Plenty Company in de Verenigde Staten maakt gebruik van ledverlichting en een verticaal plantenframe met een hoogte van 6 meter. Planten groeien aan de zijkanten van de plantenbakken. Deze plantmethode, die gebruikmaakt van zwaartekracht voor de bewatering, vereist geen extra pompen en is waterzuiniger dan conventionele landbouw. ​​Plenty beweert dat hun fabriek 350 keer zoveel produceert als een conventionele boerderij, terwijl er slechts 1% van het water wordt gebruikt.

Fabriek voor verticale landbouwplanten, Plenty Company

2.2 Status van de plantenfabriekindustrie in China

In 2009 werd in het Changchun Agricultural Expo Park de eerste productiefabriek voor planten met intelligente besturing in China gebouwd en in gebruik genomen. De fabriek beslaat een oppervlakte van 200 m² en omgevingsfactoren zoals temperatuur, luchtvochtigheid, licht, CO₂ en de concentratie van de voedingsoplossing kunnen automatisch en in realtime worden gemonitord, waardoor intelligent beheer mogelijk is.

In 2010 werd de Tongzhou Plant Factory in Peking gebouwd. De hoofdstructuur bestaat uit een enkellaagse constructie van licht staal met een totale bouwoppervlakte van 1289 m². Het gebouw heeft de vorm van een vliegdekschip, wat symboliseert dat de Chinese landbouw voorop loopt in de ontwikkeling van de meest geavanceerde technologieën in de moderne landbouw. ​​Voor sommige processen in de productie van bladgroenten is automatische apparatuur ontwikkeld, wat de mate van automatisering en de productie-efficiëntie van de fabriek aanzienlijk heeft verbeterd. De fabriek maakt gebruik van een aardwarmtepompsysteem en een zonne-energiesysteem, wat de hoge operationele kosten aanzienlijk verlaagt.

Binnen- en buitenaanzicht van de Tongzhou-fabriek

In 2013 werden in de Yangling High-tech Demonstratiezone voor Landbouw in de provincie Shaanxi veel bedrijven in de landbouwtechnologie opgericht. De meeste plantenfabrieken die in aanbouw of in bedrijf zijn, bevinden zich in demonstratieparken voor landbouwtechnologie, die voornamelijk worden gebruikt voor populaire wetenschapsdemonstraties en recreatie. Vanwege hun functionele beperkingen is het voor deze plantenfabrieken moeilijk om de hoge opbrengst en efficiëntie te bereiken die nodig zijn voor industrialisatie, en zal het voor hen lastig zijn om in de toekomst de gangbare vorm van industrialisatie te worden.

In 2015 werkte een grote Chinese fabrikant van LED-chips samen met het Instituut voor Botanica van de Chinese Academie van Wetenschappen om gezamenlijk een plantenkwekerij op te richten. Hiermee maakte het bedrijf de overstap van de opto-elektronica-industrie naar de fotobiologische industrie en werd het een voorbeeld voor Chinese LED-fabrikanten om te investeren in de bouw van plantenkwekerijen in het kader van industrialisatie. De plantenkwekerij is gericht op industriële investeringen in de opkomende fotobiologie en integreert wetenschappelijk onderzoek, productie, demonstratie, incubatie en andere functies, met een geregistreerd kapitaal van 100 miljoen yuan. In juni 2016 werd deze plantenkwekerij, met een gebouw van drie verdiepingen, een oppervlakte van 3.000 m² en een teeltoppervlakte van meer dan 10.000 m², voltooid en in gebruik genomen. In mei 2017 bedroeg de dagelijkse productie 1.500 kg bladgroenten, wat overeenkomt met 15.000 slaplanten per dag.

Mening over dit bedrijf

3. Problemen en tegenmaatregelen bij de ontwikkeling van plantenfabrieken

3.1 Problemen

3.1.1 Hoge bouwkosten

Plantenfabrieken moeten gewassen in een gesloten omgeving produceren. Daarom is het nodig om ondersteunende projecten en apparatuur te bouwen, zoals externe onderhoudsstructuren, airconditioningsystemen, kunstmatige lichtbronnen, meerlaagse teeltsystemen, circulatie van voedingsoplossingen en computerbesturingssystemen. De bouwkosten zijn relatief hoog.

3.1.2 Hoge operationele kosten

De meeste lichtbronnen die plantenfabrieken nodig hebben, zijn ledlampen. Deze verbruiken veel elektriciteit, maar leveren wel de juiste lichtspectra voor de groei van verschillende gewassen. Apparatuur zoals airconditioning, ventilatie en waterpompen in het productieproces van plantenfabrieken verbruiken ook elektriciteit, waardoor de elektriciteitsrekening een aanzienlijke kostenpost is. Volgens statistieken zijn de elektriciteitskosten 29% van de productiekosten van plantenfabrieken, de arbeidskosten 26%, de afschrijving van vaste activa 23%, verpakking en transport 12% en productiematerialen 10%.

Uitsplitsing van de productiekosten voor een plantenfabriek

3.1.3 Laag automatiseringsniveau

De huidige plantenfabrieken kennen een lage mate van automatisering, en processen zoals zaaien, verplanten, planten in het veld en oogsten vereisen nog steeds handmatige handelingen, wat resulteert in hoge arbeidskosten.

3.1.4 Beperkt aantal gewassen dat geteeld kan worden

Momenteel is het aanbod aan gewassen dat geschikt is voor plantenfabrieken zeer beperkt. Het gaat voornamelijk om snelgroeiende bladgroenten die goed gedijen bij kunstlicht en een lage bladerdakvorm hebben. Grootschalige teelt is niet mogelijk voor gewassen met complexe teeltvereisten (zoals gewassen die bestuiving nodig hebben, enz.).

3.2 Ontwikkelingsstrategie

Gezien de problemen waarmee de plantenverwerkende industrie te kampen heeft, is het noodzakelijk om onderzoek te verrichten vanuit verschillende invalshoeken, zoals technologie en bedrijfsvoering. Als reactie op de huidige problemen worden de volgende tegenmaatregelen voorgesteld.

(1) Versterk het onderzoek naar intelligente technologie voor plantenfabrieken en verbeter het niveau van intensief en verfijnd beheer. De ontwikkeling van een intelligent beheer- en controlesysteem helpt bij het realiseren van intensief en verfijnd beheer van plantenfabrieken, wat de arbeidskosten aanzienlijk kan verlagen en arbeidskosten kan besparen.

(2) Ontwikkel intensieve en efficiënte technische apparatuur voor plantenfabrieken om jaarlijks een hoge kwaliteit en hoge opbrengst te bereiken. De ontwikkeling van hoogefficiënte teeltfaciliteiten en -apparatuur, energiebesparende verlichtingstechnologie en -apparatuur, enz., om het intelligentieniveau van plantenfabrieken te verhogen, is bevorderlijk voor het realiseren van een jaarlijkse hoogefficiënte productie.

(3) Onderzoek verrichten naar industriële teelttechnologie voor planten met een hoge toegevoegde waarde, zoals medicinale planten, planten voor de gezondheidszorg en zeldzame groenten, het aantal soorten gewassen dat in plantenfabrieken wordt geteeld vergroten, de winstkanalen verbreden en het startpunt voor winst verhogen.

(4) Onderzoek uitvoeren naar plantenfabrieken voor huishoudelijk en commercieel gebruik, het aantal soorten plantenfabrieken verrijken en zorgen voor continue winstgevendheid met diverse functies.

4. Ontwikkelingstrend en vooruitzichten van de plantenfabriek

4.1 Trend in technologische ontwikkeling

4.1.1 Intellectualisering van het volledige proces

Gebaseerd op de machine-kunstfusie en het verliespreventiemechanisme van het gewasrobotsysteem, moeten snelle, flexibele en niet-destructieve plant- en oogst-eindeffectoren, gedistribueerde, multidimensionale, nauwkeurige positionering en multimodale, multi-machine samenwerkingsbesturingsmethoden, en onbemande, efficiënte en niet-destructieve zaai in hoogbouwplantages, intelligente robots en ondersteunende apparatuur zoals plant-, oogst- en verpakkingsrobots worden ontwikkeld, waardoor het gehele proces onbemand kan worden uitgevoerd.

4.1.2 Maak productiecontrole slimmer

Op basis van het responsmechanisme van gewasgroei en -ontwikkeling op lichtstraling, temperatuur, luchtvochtigheid, CO2-concentratie, nutriëntenconcentratie in de voedingsoplossing en EC, moet een kwantitatief model van de terugkoppeling tussen gewas en omgeving worden geconstrueerd. Een strategisch kernmodel moet worden ontwikkeld om dynamisch informatie over de levenscyclus van bladgroenten en parameters van de productieomgeving te analyseren. Ook moet een online dynamisch identificatie-, diagnose- en procesbesturingssysteem voor de omgeving worden opgezet. Ten slotte moet een multi-machine collaboratief AI-besluitvormingssysteem voor het gehele productieproces van een grootschalige verticale landbouwfabriek worden gecreëerd.

4.1.3 Koolstofarme productie en energiebesparing

Het opzetten van een energiebeheersysteem dat gebruikmaakt van hernieuwbare energiebronnen zoals zonne- en windenergie voor de energieoverdracht en het beheersen van het energieverbruik om optimale energiebeheerdoelen te bereiken. Het afvangen en hergebruiken van CO2-uitstoot ter ondersteuning van de gewasproductie.

4.1.3 Hoge waarde van premium variëteiten

Er moeten haalbare strategieën worden ontwikkeld om verschillende hoogwaardige rassen te kweken voor plantproeven, een database van teelttechnologie-experts op te bouwen, onderzoek te doen naar teelttechnologie, plantdichtheid, stoppelopstelling, de aanpasbaarheid van rassen en apparatuur, en standaard teelttechnische specificaties op te stellen.

4.2 Vooruitzichten voor de ontwikkeling van de industrie

Plantenfabrieken kunnen de beperkingen van grondstoffen en het milieu wegnemen, de industriële productie van landbouwproducten realiseren en een nieuwe generatie arbeidskrachten aantrekken voor de agrarische sector. De belangrijkste technologische innovaties en industrialisatie van Chinese plantenfabrieken maken ze tot wereldleiders. Met de versnelde toepassing van ledverlichting, digitalisering, automatisering en intelligente technologieën in de plantenfabrieksector zullen plantenfabrieken meer kapitaalinvesteringen, talent aantrekken en gebruikmaken van meer nieuwe energiebronnen, nieuwe materialen en nieuwe apparatuur. Op deze manier kan een diepgaande integratie van informatietechnologie met faciliteiten en apparatuur worden gerealiseerd, kan het intelligentie- en onbemande niveau van faciliteiten en apparatuur worden verbeterd, kan het energieverbruik en de operationele kosten van systemen continu worden verlaagd door voortdurende innovatie, en zullen gespecialiseerde markten geleidelijk worden ontwikkeld. Intelligente plantenfabrieken zullen een gouden tijdperk van ontwikkeling inluiden.

Volgens marktonderzoeksrapporten bedroeg de wereldwijde markt voor verticale landbouw in 2020 slechts 2,9 miljard dollar, en naar verwachting zal deze in 2025 30 miljard dollar bereiken. Kortom, plantenfabrieken hebben brede toepassingsmogelijkheden en ontwikkelingsruimte.

Auteur: Zengchan Zhou, Weidong, enz

Citeerinformatie:Huidige situatie en vooruitzichten van de ontwikkeling van de plantenfabriekindustrie [J]. Landbouwtechniek, 2022, 42(1): 18-23.door Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.