Samenvatting: In de afgelopen jaren, met de voortdurende verkenning van moderne landbouwtechnologie, heeft ook de fabrieksindustrie zich snel ontwikkeld.Dit document introduceert de status-quo, bestaande problemen en tegenmaatregelen bij de ontwikkeling van fabriekstechnologie en industriële ontwikkeling, en kijkt uit naar de ontwikkelingstrend en het vooruitzicht van fabrieksfabrieken in de toekomst.

1. Huidige status van technologische ontwikkeling in fabrieken in China en in het buitenland

1.1 De status quo van buitenlandse technologieontwikkeling

Sinds de 21e eeuw heeft het onderzoek van plantenfabrieken zich voornamelijk gericht op de verbetering van de lichtefficiëntie, het creëren van meerlaagse driedimensionale teeltsysteemapparatuur en het onderzoek en de ontwikkeling van intelligent beheer en controle.In de 21e eeuw heeft de innovatie van led-lichtbronnen voor de landbouw vooruitgang geboekt, wat belangrijke technische ondersteuning biedt voor de toepassing van energiebesparende led-lichtbronnen in fabrieken.Chiba University in Japan heeft een aantal innovaties doorgevoerd op het gebied van zeer efficiënte lichtbronnen, energiebesparende omgevingscontrole en teelttechnieken.Wageningen Universiteit in Nederland gebruikt gewasomgevingssimulatie en dynamische optimalisatietechnologie om een ​​intelligent uitrustingssysteem voor plantenfabrieken te ontwikkelen, dat de bedrijfskosten aanzienlijk verlaagt en de arbeidsproductiviteit aanzienlijk verbetert.

Plantenfabrieken hebben de afgelopen jaren geleidelijk de semi-automatisering van productieprocessen van zaaien, opkweken van zaailingen, verplanten en oogsten gerealiseerd.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 onbemand opereren.

1.2 Status van technologische ontwikkeling in China

1.2.1 Gespecialiseerde LED-lichtbron en energiebesparende applicatietechnologieapparatuur voor kunstlicht in fabrieksfabriek

Voor de productie van verschillende plantensoorten in plantenfabrieken zijn achtereenvolgens speciale rode en blauwe LED-lichtbronnen ontwikkeld.Het vermogen varieert van 30 tot 300 W en de lichtintensiteit van de bestraling is 80 tot 500 μmol/(m2•s), wat een lichtintensiteit kan bieden met een geschikt drempelbereik, lichtkwaliteitsparameters, om het effect van hoge efficiëntie te bereiken energiebesparing en aanpassing aan de behoeften van plantengroei en verlichting.Wat betreft het beheer van de warmteafvoer van de lichtbron, is het actieve warmteafvoerontwerp van de lichtbronventilator geïntroduceerd, waardoor de lichtvervalsnelheid van de lichtbron wordt verminderd en de levensduur van de lichtbron wordt gegarandeerd.Daarnaast wordt een methode voorgesteld om de warmte van de LED-lichtbron te verminderen door middel van een voedingsoplossing of watercirculatie.In termen van ruimtebeheer van de lichtbron, volgens de evolutiewet van de plantgrootte in het zaailingstadium en later stadium, door het verticale bewegingsbeheer van de LED-lichtbron, kan het bladerdak van de plant op korte afstand worden verlicht en het doel van energiebesparing is bereikt.Op dit moment kan het energieverbruik van de lichtbron van de kunstlichtinstallatiefabriek 50% tot 60% uitmaken van het totale operationele energieverbruik van de fabrieksfabriek.Hoewel LED 50% energie kan besparen in vergelijking met fluorescentielampen, is er nog steeds het potentieel en de noodzaak van onderzoek naar energiebesparing en verbruiksvermindering.

1.2.2 Meerlaagse driedimensionale teelttechnologie en apparatuur

De laagspleet van de meerlaagse driedimensionale teelt wordt verkleind doordat de LED de fluorescentielamp vervangt, wat de driedimensionale ruimtebenuttingsefficiëntie van de plantenteelt verbetert.Er zijn veel onderzoeken gedaan naar het ontwerp van de bodem van het kweekbed.De verhoogde strepen zijn ontworpen om turbulente stroming te genereren, wat plantenwortels kan helpen om voedingsstoffen in de voedingsoplossing gelijkmatig op te nemen en de concentratie van opgeloste zuurstof te verhogen.Met behulp van het kolonisatiebord zijn er twee kolonisatiemethoden, dat wil zeggen de plastic kolonisatiebekers van verschillende groottes of de kolonisatiemodus van de omtrek van de spons.Er is een verschuifbaar teeltbedsysteem verschenen en de plantplank en de planten erop kunnen handmatig van het ene uiteinde naar het andere worden geduwd, waardoor de productiewijze van planten aan het ene uiteinde van het teeltbed en oogsten aan het andere uiteinde wordt gerealiseerd.Op dit moment is er een verscheidenheid aan driedimensionale meerlaagse grondloze kweektechnologie en apparatuur ontwikkeld op basis van voedingsvloeistoffilmtechnologie en diepe vloeistofstroomtechnologie, en de technologie en apparatuur voor substraatteelt van aardbeien, aërosolteelt van bladgroenten en bloemen zijn opgekomen.De genoemde technologie heeft zich snel ontwikkeld.

1.2.3 Circulatietechnologie en apparatuur voor voedingsoplossingen

Nadat de voedingsoplossing enige tijd is gebruikt, is het noodzakelijk om water en minerale elementen toe te voegen.Over het algemeen wordt de hoeveelheid nieuw bereide voedingsoplossing en de hoeveelheid zuur-base-oplossing bepaald door EC en pH te meten.Grote deeltjes sediment of wortelafschilfering in de voedingsoplossing moeten door een filter worden verwijderd.Wortelexudaten in de voedingsoplossing kunnen worden verwijderd door middel van fotokatalytische methoden om continue gewasobstakels in hydrocultuur te voorkomen, maar er zijn bepaalde risico's met betrekking tot de beschikbaarheid van voedingsstoffen.

1.2.4 Milieubeheersingstechnologie en apparatuur

De luchtzuiverheid van de productieruimte is een van de belangrijke indicatoren voor de luchtkwaliteit van de fabrieksfabriek.De luchtzuiverheid (indicatoren van zwevende deeltjes en bezonken bacteriën) in de productieruimte van de plantenfabriek onder dynamische omstandigheden dient te worden beheerst tot een niveau boven de 100.000.Materiële desinfectie-invoer, inkomende luchtdouchebehandeling van personeel en luchtzuiveringssysteem voor frisse luchtcirculatie (luchtfiltratiesysteem) zijn allemaal basiswaarborgen.De temperatuur en luchtvochtigheid, CO2-concentratie en luchtstroomsnelheid van de lucht in de productieruimte zijn een ander belangrijk onderdeel van luchtkwaliteitscontrole.Volgens rapporten kan het opzetten van apparatuur zoals luchtmengkasten, luchtkanalen, luchtinlaten en luchtuitlaten de temperatuur en vochtigheid, CO2-concentratie en luchtstroomsnelheid in de productieruimte gelijkmatig regelen, om een ​​hoge ruimtelijke uniformiteit te bereiken en aan de plantbehoeften te voldoen op verschillende ruimtelijke locaties.Het regelsysteem voor temperatuur, vochtigheid en CO2-concentratie en het verseluchtsysteem zijn organisch geïntegreerd in het luchtcirculatiesysteem.De drie systemen moeten het luchtkanaal, de luchtinlaat en de luchtuitlaat delen en stroom leveren via de ventilator om de circulatie van de luchtstroom, filtratie en desinfectie te realiseren en de luchtkwaliteit bij te werken en uniform te maken.Het zorgt ervoor dat de plantproductie in de plantenfabriek vrij is van ziekten en plagen en er geen bestrijdingsmiddelen nodig zijn.Tegelijkertijd is de uniformiteit van de temperatuur, vochtigheid, luchtstroom en CO2-concentratie van de groeiomgevingselementen in het bladerdak gegarandeerd om te voldoen aan de behoeften van de plantengroei.

2. Ontwikkelingsstatus van de Plant Factory-industrie

2.1 Status-quo van de buitenlandse fabrieksindustrie

In Japan gaat het onderzoek en de ontwikkeling en industrialisatie van fabrieken voor kunstlichtplanten relatief snel en bevinden ze zich op het leidende niveau.In 2010 gaf de Japanse regering 50 miljard yen uit om technologisch onderzoek en ontwikkeling en industriële demonstratie te ondersteunen.Acht instellingen, waaronder de Chiba University en de Japan Plant Factory Research Association, namen deel.Japan Future Company ondernam en exploiteerde het eerste industrialisatiedemonstratieproject van een plantenfabriek met een dagelijkse productie van 3.000 planten.In 2012 bedroegen de productiekosten van de plantenfabriek 700 yen/kg.In 2014 werd de moderne fabrieksfabriek in Taga Castle, in de prefectuur Miyagi, voltooid en werd daarmee 's werelds eerste LED-fabrieksfabriek met een dagelijkse productie van 10.000 planten.Sinds 2016 zijn LED-fabrieken in Japan op de snelle weg van industrialisatie beland, en break-even of winstgevende ondernemingen zijn de een na de ander ontstaan.In 2018 verschenen grootschalige plantenfabrieken met een dagelijkse productiecapaciteit van 50.000 tot 100.000 planten de een na de ander, en de wereldwijde fabrieken ontwikkelden zich naar grootschalige, professionele en intelligente ontwikkeling.Tegelijkertijd begonnen Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power en andere velden te investeren in fabrieken.In 2020 zal het marktaandeel van sla geproduceerd door Japanse plantfabrieken ongeveer 10% van de totale slamarkt uitmaken.Van de meer dan 250 fabrieken voor kunstlichtplanten die momenteel in bedrijf zijn, bevindt 20% zich in een verliesgevende fase, 50% op een break-evenniveau en 30% in een winstgevende fase, waarbij gecultiveerde plantensoorten zoals sla, kruiden en zaailingen.

Nederland is een echte wereldleider op het gebied van gecombineerde toepassingstechnologie van zonnelicht en kunstlicht voor plantenfabrieken, met een hoge mate van mechanisatie, automatisering, intelligentie en onbemandheid, en heeft nu een volledige set technologieën en apparatuur zo sterk geëxporteerd producten naar het Midden-Oosten, Afrika, China en andere landen.American AeroFarms farm is gevestigd in Newark, New Jersey, USA, met een oppervlakte van 6500 m2.Het teelt voornamelijk groenten en specerijen en de productie is ongeveer 900 ton/jaar.

Verticale landbouw in AeroFarms

De vertical farming plantenfabriek van Plenty Company in de Verenigde Staten maakt gebruik van LED-verlichting en een verticaal plantframe met een hoogte van 6 m.Planten groeien uit de zijkanten van de plantenbakken.Deze manier van planten is gebaseerd op zwaartekrachtbewatering, vereist geen extra pompen en is waterzuiniger dan conventionele landbouw.Plenty beweert dat zijn boerderij 350 keer zoveel produceert als een conventionele boerderij terwijl hij slechts 1% van het water gebruikt.

Plantenfabriek voor verticale landbouw, Plenty Company

2.2 Status fabrieksindustrie in China

In 2009 werd de eerste productiefabriek in China met intelligente besturing als kern gebouwd en in gebruik genomen in het Changchun Agricultural Expo Park.Het gebouwoppervlak is 200 m2 en de omgevingsfactoren zoals temperatuur, vochtigheid, licht, CO2 en voedingsoplossingsconcentratie van de plantenfabriek kunnen automatisch in realtime worden gecontroleerd om intelligent beheer te realiseren.

In 2010 werd de Tongzhou Plant Factory gebouwd in Beijing.De hoofdstructuur heeft een enkellaagse lichte staalconstructie met een totale constructieoppervlakte van 1289 m2.Het heeft de vorm van een vliegdekschip en symboliseert de Chinese landbouw die het voortouw neemt bij het zeilen naar de meest geavanceerde technologie van de moderne landbouw.De automatische uitrusting voor sommige bewerkingen van de bladgroenteproductie is ontwikkeld, waardoor het productieautomatiseringsniveau en de productie-efficiëntie van de plantenfabriek zijn verbeterd.De fabrieksfabriek maakt gebruik van een warmtepompsysteem op de grond en een systeem voor het opwekken van zonne-energie, wat het probleem van hoge bedrijfskosten voor de fabrieksfabriek beter oplost.

Binnen- en buitenaanzicht van Tongzhou Plant Factory

In 2013 werden veel landbouwtechnologiebedrijven opgericht in Yangling Agricultural Hightech Demonstration Zone, provincie Shaanxi.De meeste fabrieksprojecten die in aanbouw zijn en in bedrijf zijn, bevinden zich in hightech demonstratieparken voor de landbouw, die voornamelijk worden gebruikt voor populair-wetenschappelijke demonstraties en vrijetijdsbezichtigingen.Vanwege hun functionele beperkingen is het voor deze populair-wetenschappelijke plantfabrieken moeilijk om de hoge opbrengst en hoge efficiëntie te bereiken die vereist zijn door industrialisatie, en het zal voor hen moeilijk zijn om in de toekomst de reguliere vorm van industrialisatie te worden.

In 2015 werkte een grote LED-chipfabrikant in China samen met het Institute of Botany van de Chinese Academie van Wetenschappen om gezamenlijk de oprichting van een fabrieksbedrijf te starten.Het is overgestoken van de opto-elektronische industrie naar de "fotobiologische" industrie en is een precedent geworden voor Chinese LED-fabrikanten om te investeren in de bouw van fabrieksfabrieken in de industrialisatie.De Plant Factory zet zich in voor industriële investeringen in opkomende fotobiologie, die wetenschappelijk onderzoek, productie, demonstratie, incubatie en andere functies integreert, met een maatschappelijk kapitaal van 100 miljoen yuan.In juni 2016 is deze Plant Factory met een gebouw van 3 verdiepingen met een oppervlakte van 3.000 m2 en een teeltoppervlakte van meer dan 10.000 m2 opgeleverd en in gebruik genomen.Tegen mei 2017 zal de dagelijkse productieschaal 1.500 kg bladgroenten bedragen, wat overeenkomt met 15.000 slaplanten per dag.

Uitzicht op dit bedrijf

3. Problemen en tegenmaatregelen waarmee de ontwikkeling van fabrieksfabrieken wordt geconfronteerd

3.1 Problemen

3.1.1 Hoge bouwkosten

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

3.1.2 Hoge bedrijfskosten

De meeste lichtbronnen die plantenfabrieken nodig hebben, zijn afkomstig van LED-lampen, die veel elektriciteit verbruiken en tegelijkertijd overeenkomstige spectrums bieden voor de groei van verschillende gewassen.Apparatuur zoals airconditioning, ventilatie en waterpompen in het productieproces van fabrieksfabrieken verbruiken ook elektriciteit, dus elektriciteitsrekeningen zijn een enorme kostenpost.Volgens statistieken vertegenwoordigen de elektriciteitskosten van de fabrieksfabrieken 29%, de arbeidskosten 26%, de afschrijving van vaste activa 23%, de verpakking en het transport 12% en de productiematerialen 10%.

Uitsplitsing van de productiekosten voor de fabrieksfabriek

3.1.3 Lage mate van automatisering

De huidige toegepaste plantenfabriek kent een lage mate van automatisering en processen zoals zaailing, verplanten, veldplanten en oogsten vereisen nog steeds handmatige handelingen, wat resulteert in hoge arbeidskosten.

3.1.4 Beperkte variëteiten van gewassen die kunnen worden verbouwd

Op dit moment zijn de soorten gewassen die geschikt zijn voor plantenfabrieken zeer beperkt, voornamelijk groene bladgroenten die snel groeien, gemakkelijk kunstmatige lichtbronnen accepteren en een laag bladerdak hebben.Bij complexe beplantingseisen (zoals gewassen die bestoven moeten worden etc.) kan er niet grootschalig geplant worden.

3.2 Ontwikkelingsstrategie

Gezien de problematiek waar de plantenfabriekindustrie mee te maken heeft, is het noodzakelijk om onderzoek te doen vanuit verschillende aspecten zoals techniek en bedrijfsvoering.Als reactie op de huidige problemen zijn de tegenmaatregelen als volgt.

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

(2) Ontwikkel intensieve en efficiënte technische apparatuur in de fabrieksfabriek om jaarlijkse hoogwaardige en hoge opbrengsten te bereiken.De ontwikkeling van zeer efficiënte teeltfaciliteiten en -apparatuur, energiebesparende verlichtingstechnologie en -apparatuur, enz., Om het intelligente niveau van plantfabrieken te verbeteren, is bevorderlijk voor de realisatie van een jaarlijkse hoogrenderende productie.

(3) Onderzoek doen naar industriële teelttechnologie voor planten met een hoge toegevoegde waarde, zoals medicinale planten, planten voor de gezondheidszorg en zeldzame groenten, het aantal gewassen dat in plantfabrieken wordt verbouwd vergroten, winstkanalen verbreden en het startpunt van winst verbeteren .

(4) Voer onderzoek uit naar fabrieksfabrieken voor huishoudelijk en commercieel gebruik, verrijk de soorten fabrieksfabrieken en bereik continue winstgevendheid met verschillende functies.

4. Ontwikkelingstrend en vooruitzicht van Plant Factory

4.1 Trend in technologische ontwikkeling

4.1.1 Intellectualisering van het volledige proces

Gebaseerd op het machine-art fusie- en verliespreventiemechanisme van het gewas-robotsysteem, snelle flexibele en niet-destructieve eindeffectoren voor planten en oogsten, gedistribueerde multidimensionale ruimtenauwkeurige positionering en multimodale multi-machine collaboratieve besturingsmethoden, en onbemand, efficiënt en niet-destructief zaaien in fabrieken met hoogbouw -Intelligente robots en ondersteunende apparatuur zoals planten-oogsten-verpakken moeten worden gecreëerd, waardoor de onbemande werking van het hele proces wordt gerealiseerd.

4.1.2 Productiecontrole slimmer maken

Op basis van het reactiemechanisme van gewasgroei en -ontwikkeling op lichtstraling, temperatuur, vochtigheid, CO2-concentratie, nutriëntenconcentratie van voedingsoplossing en EC, zou een kwantitatief model van gewas-omgevingsfeedback moeten worden geconstrueerd.Er moet een strategisch kernmodel worden opgesteld om de levensinformatie van bladgroenten en de parameters van de productieomgeving dynamisch te analyseren.Het online dynamische identificatiediagnose- en procescontrolesysteem van de omgeving moet ook worden opgezet.Er moet een multi-machine collaboratief besluitvormingssysteem met kunstmatige intelligentie worden gecreëerd voor het gehele productieproces van een grootschalige verticale landbouwfabriek.

4.1.3 Koolstofarme productie en energiebesparing

Het opzetten van een energiebeheersysteem dat gebruikmaakt van hernieuwbare energiebronnen zoals zon en wind om de energietransmissie te voltooien en het energieverbruik te beheersen om optimale energiebeheerdoelen te bereiken.Het afvangen en hergebruiken van CO2-emissies om de productie van gewassen te ondersteunen.

4.1.3 Hoge waarde van premiumrassen

Er moeten haalbare strategieën worden gevolgd om verschillende variëteiten met een hoge toegevoegde waarde te kweken voor plantexperimenten, een database op te bouwen van experts op het gebied van teelttechnologie, onderzoek te doen naar teelttechnologie, selectie van dichtheid, stoppelopstelling, variëteit en aanpasbaarheid van apparatuur, en standaard technische teeltspecificaties op te stellen.

4.2 Ontwikkelingsvooruitzichten voor de industrie

Plantfabrieken kunnen de beperkingen van hulpbronnen en het milieu wegnemen, de geïndustrialiseerde landbouwproductie realiseren en de nieuwe generatie arbeidskrachten aantrekken om zich bezig te houden met landbouwproductie.De belangrijkste technologische innovatie en industrialisatie van de fabrieken in China wordt een wereldleider.Met de versnelde toepassing van LED-lichtbronnen, digitalisering, automatisering en intelligente technologieën op het gebied van fabrieksfabrieken, zullen fabrieksfabrieken meer kapitaalinvesteringen, talentvergaring en het gebruik van meer nieuwe energie, nieuwe materialen en nieuwe apparatuur aantrekken.Op deze manier kan de diepgaande integratie van informatietechnologie en faciliteiten en apparatuur worden gerealiseerd, kan het intelligente en onbemande niveau van faciliteiten en apparatuur worden verbeterd, kan het energieverbruik van het systeem continu worden verlaagd en de bedrijfskosten worden verlaagd door continue innovatie, en de geleidelijke teelt van gespecialiseerde markten, zullen intelligente plantenfabrieken een gouden periode van ontwikkeling inluiden.

Volgens marktonderzoeksrapporten is de wereldwijde marktomvang voor verticale landbouw in 2020 slechts 2,9 miljard dollar en wordt verwacht dat de wereldwijde marktomvang voor verticale landbouw in 2025 30 miljard dollar zal bedragen.Kortom, fabrieksfabrieken hebben brede toepassingsmogelijkheden en ontwikkelingsruimte.

Auteur: Zengchan Zhou, Weidong, etc

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