Kokkuvõte: Viimastel aastatel on tänu kaasaegse põllumajandustehnoloogia pidevale uurimisele kiiresti arenenud ka taimetehase tööstus. Käesolev artikkel tutvustab taimetehase tehnoloogia ja tööstuse arengu praegust olukorda, olemasolevaid probleeme ja arenguga seotud vastumeetmeid ning heidab pilgu taimetehaste arengusuundadele ja väljavaadetele tulevikus.

1. Tehnoloogiaarenduse praegune olukord tehasetehastes Hiinas ja välismaal

1.1 Välismaise tehnoloogia arengu praegune olukord

Alates 21. sajandist on taimetehaste uurimine keskendunud peamiselt valgustõhususe parandamisele, mitmekihiliste kolmemõõtmeliste harimissüsteemide seadmete loomisele ning intelligentse juhtimise ja juhtimise uurimis- ja arendustegevusele. 21. sajandil on põllumajanduslike LED-valgusallikate innovatsioon edenenud, pakkudes olulist tehnilist tuge LED-energiasäästlike valgusallikate rakendamiseks taimetehastes. Jaapani Chiba ülikool on teinud mitmeid uuendusi suure tõhususega valgusallikate, energiasäästliku keskkonnakontrolli ja harimistehnikate valdkonnas. Hollandi Wageningeni ülikool kasutab põllukultuuride keskkonna simulatsiooni ja dünaamilise optimeerimise tehnoloogiat taimetehaste intelligentse seadmesüsteemi väljatöötamiseks, mis vähendab oluliselt tegevuskulusid ja parandab märkimisväärselt töö tootlikkust.

Viimastel aastatel on taimetehased järk-järgult üle läinud tootmisprotsesside poolautomaatikale alates külvist, seemikute kasvatamisest, ümberistutamisest ja koristamisest. Jaapan, Holland ja Ameerika Ühendriigid on esirinnas, kus on kõrge mehhaniseerituse, automatiseerimise ja intelligentsusega tase ning mis arenevad vertikaalse põllumajanduse ja mehitamata juhtimise suunas.

1.2 Tehnoloogia arengu olukord Hiinas

1.2.1 Spetsialiseeritud LED-valgusallikas ja energiasäästlik rakendustehnoloogia seadmed tehase kunstliku valguse jaoks

Taimevabrikutes erinevate taimeliikide kasvatamiseks on üksteise järel välja töötatud spetsiaalsed punased ja sinised LED-valgusallikad. Võimsus jääb vahemikku 30–300 W ja kiirgusvalguse intensiivsus 80–500 μmol/(m2•s), mis võimaldavad saavutada sobiva läviväärtusega valgustugevuse ja valguskvaliteedi parameetrid, et saavutada suure tõhususega energiasäästu efekt ning kohanduda taimede kasvu ja valgustuse vajadustega. Valgusallika soojuse hajumise haldamise osas on kasutusele võetud valgusallika ventilaatori aktiivne soojuse hajumise disain, mis vähendab valgusallika valguse lagunemiskiirust ja tagab valgusallika eluea. Lisaks pakutakse välja meetod LED-valgusallika soojuse vähendamiseks toitainelahuse või vee ringluse abil. Valgusallika ruumi haldamise osas saab taime suuruse evolutsiooniseaduse kohaselt seemiku staadiumis ja hilisemas staadiumis LED-valgusallika vertikaalse ruumi liikumise haldamise abil valgustada taimevõra lähedalt ja saavutada energiasäästu eesmärk. Praegu võib tehisvalgustuse tehase valgusallika energiatarve moodustada 50–60% tehase kogu energiatarbimisest. Kuigi LED-valgustid suudavad luminofoorlampidega võrreldes säästa 50% energiast, on energiasäästu ja tarbimise vähendamise uuringute potentsiaal ja vajadus endiselt olemas.

1.2.2 Mitmekihiline kolmemõõtmeline kultiveerimistehnoloogia ja -seadmed

Mitmekihilise kolmemõõtmelise kultiveerimise kihtide vahe väheneb, kuna LED asendab luminofoorlampi, mis parandab taimekasvatuse kolmemõõtmelise ruumi kasutamise efektiivsust. Kultiveerimispeenra põhja disaini kohta on tehtud palju uuringuid. Tõstetud triibud on loodud turbulentse voolu tekitamiseks, mis aitab taimejuurtel toitaineid toitainelahuses ühtlaselt omastada ja suurendab lahustunud hapniku kontsentratsiooni. Koloniseerimisplaadi abil on kaks koloniseerimismeetodit: erineva suurusega plastkoloniseerimistopsid või käsna perimeetri koloniseerimisrežiim. On ilmunud libisev kultiveerimispeenra süsteem, kus istutusplaati ja sellel olevaid taimi saab käsitsi ühest otsast teise lükata, realiseerides tootmisrežiimi, kus istutatakse kasvupeenra ühes otsas ja koristatakse teises otsas. Praegu on välja töötatud mitmesuguseid kolmemõõtmelisi mitmekihilisi mullata kultiveerimistehnoloogiaid ja -seadmeid, mis põhinevad toitainete vedela kile tehnoloogial ja sügava vedeliku voolu tehnoloogial, ning on tekkinud tehnoloogia ja seadmed maasikate substraadikasvatuseks, lehtköögiviljade ja lillede aerosoolkasvatuseks. Nimetatud tehnoloogia on kiiresti arenenud.

1.2.3 Toitainete lahuse ringlustehnoloogia ja -seadmed

Pärast toitelahuse teatud aja möödumist on vaja lisada vett ja mineraale. Üldiselt määratakse värskelt valmistatud toitelahuse ja happe-aluse lahuse kogus EC ja pH mõõtmise teel. Toitelahuses olevad suured sette- või juurekestaosakesed tuleb filtriga eemaldada. Toitelahuses olevad juureeksudaate saab eemaldada fotokatalüütiliste meetoditega, et vältida hüdropoonikas pidevat viljakasvatust, kuid toitainete kättesaadavusega kaasnevad teatud riskid.

1.2.4 Keskkonnakontrolli tehnoloogia ja seadmed

Tootmisruumi õhu puhtus on üks olulisemaid õhukvaliteedi näitajaid. Dünaamilistes tingimustes tuleks tootmisruumi õhu puhtust (suspendeeritud osakeste ja settinud bakterite näitajaid) kontrollida üle 100 000. Materjalide desinfitseerimine, sissetuleva personali õhuduši töötlemine ja värske õhu ringlusõhu puhastussüsteem (õhu filtreerimissüsteem) on kõik põhilised kaitsemeetmed. Tootmisruumi õhu temperatuur ja niiskus, CO2 kontsentratsioon ja õhuvoolu kiirus on õhukvaliteedi kontrolli teine ​​oluline osa. Aruannete kohaselt saab õhu segamiskastide, õhukanalite, õhu sisse- ja väljalaskeavade paigaldamine ühtlaselt reguleerida temperatuuri ja niiskust, CO2 kontsentratsiooni ja õhuvoolu kiirust tootmisruumis, et saavutada kõrge ruumiline ühtlus ja rahuldada tehase vajadusi erinevates ruumilistes asukohtades. Temperatuuri, niiskuse ja CO2 kontsentratsiooni juhtimissüsteem ning värske õhu süsteem on orgaaniliselt integreeritud ringleva õhu süsteemi. Need kolm süsteemi peavad jagama õhukanalit, õhu sisse- ja väljalaskeava ning varustama ventilaatorit õhuvoolu ringluse, filtreerimise ja desinfitseerimise ning õhukvaliteedi ajakohastamise ja ühtluse tagamiseks. See tagab, et taimekasvatustehases on taimede tootmine kahjuritest ja haigustest vaba ning pestitsiidide kasutamist pole vaja. Samal ajal on tagatud võra kasvukeskkonna elementide temperatuuri, niiskuse, õhuvoolu ja CO2 kontsentratsiooni ühtlus, et rahuldada taimede kasvu vajadusi.

2. Taimetööstuse arenguseisund

2.1 Välismaise tehasetööstuse status quo

Jaapanis on tehisvalgustusega tehaste uurimis- ja arendustegevus ning industrialiseerimine suhteliselt kiire ja tipptasemel. 2010. aastal eraldas Jaapani valitsus 50 miljardit jeeni tehnoloogia uurimis- ja arendustegevuse ning tööstusliku demonstratsiooni toetamiseks. Selles osales kaheksa institutsiooni, sealhulgas Chiba ülikool ja Jaapani tehaste uurimisühing. Japan Future Company algatas ja käitas esimest industrialiseerimise demonstratsiooniprojekti, mille tehase päevane toodang oli 3000 tehast. 2012. aastal oli tehase tootmiskulu 700 jeeni/kg. 2014. aastal valmis Miyagi prefektuuris Taga lossis moodne tehas, millest sai maailma esimene LED-tehas, mille päevane toodang oli 10 000 tehast. Alates 2016. aastast on LED-tehaste tehased Jaapanis sisenenud industrialiseerimise kiirele teele ning üksteise järel on tekkinud tasuvuspunkti saavutanud või kasumlikud ettevõtted. 2018. aastal ilmusid üksteise järel suured taimetehased, mille päevane tootmisvõimsus oli 50 000–100 000 taime, ning ülemaailmsed taimetehased arenesid suuremahulise, professionaalse ja intelligentse arengu suunas. Samal ajal hakkasid Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power ja teised valdkonnad taimetehastesse investeerima. 2020. aastal moodustab Jaapani taimetehaste toodetud salati turuosa umbes 10% kogu salatiturust. Praegu tegutsevast enam kui 250-st tehisvalgustusega taimetehasest on 20% kahjumis, 50% on tasuvuspunktis ja 30% on kasumlikus etapis, hõlmates kultuurtaimi, nagu salat, ürdid ja seemikud.

Holland on päikesevalguse ja tehisvalguse kombineeritud rakendustehnoloogia valdkonnas tehases maailmas tõeline liider, omades kõrget mehhaniseerituse, automatiseerimise, intelligentsuse ja mehitamata astme ning on nüüdseks eksportinud terve komplekti tehnoloogiaid ja seadmeid tugevate toodetena Lähis-Itta, Aafrikasse, Hiinasse ja teistesse riikidesse. American AeroFarmsi farm asub Newarkis New Jersey osariigis USAs ja selle pindala on 6500 m2. Seal kasvatatakse peamiselt köögivilju ja vürtse ning toodang on umbes 900 t/aastas.

Vertikaalne põllumajandus AeroFarmsis

Ameerika Ühendriikides asuva Plenty Company vertikaalse põllumajandusega taimede tehas võtab kasutusele LED-valgustuse ja 6 m kõrguse vertikaalse istutusraami. Taimed kasvavad istutuskastide külgedelt. See raskusjõul kastmisele tuginev istutusmeetod ei vaja täiendavaid pumpasid ja on veesäästlikum kui tavapärane põllumajandus. Plenty väidab, et tema talu toodab 350 korda rohkem toodangut kui tavapärane talu, kasutades samal ajal vaid 1% veest.

Vertikaalse põllumajanduse taimede tehas, Plenty Company

2.2 Hiina tehasetööstuse staatus

2009. aastal ehitati ja võeti Changchuni Põllumajandusnäituse parki tööle Hiina esimene intelligentse juhtimisega tootmistehas. Hoone pindala on 200 m2 ning tehase keskkonnategureid, nagu temperatuur, niiskus, valgus, CO2 ja toitainelahuse kontsentratsioon, saab reaalajas automaatselt jälgida, et realiseerida intelligentset juhtimist.

2010. aastal ehitati Pekingisse Tongzhou tehas. Peamine konstruktsioon on ühekihiline kergteraskonstruktsioon, mille kogupindala on 1289 m2. See on lennukikandja kujuga, sümboliseerides Hiina põllumajandust, mis on võtnud juhtrolli moodsa põllumajanduse kõige arenenuma tehnoloogia kasutuselevõtul. Lehtköögiviljade tootmise mõnede toimingute jaoks on välja töötatud automaatsed seadmed, mis on parandanud tehase tootmise automatiseerimise taset ja tootmise efektiivsust. Tehases on kasutusele võetud maasoojuspumba süsteem ja päikeseenergia tootmise süsteem, mis lahendavad paremini tehase kõrgete tegevuskulude probleemi.

Tongzhou tehase sise- ja välisvaade

2013. aastal asutati Shaanxi provintsis Yanglingi põllumajandusliku kõrgtehnoloogilise demonstratsioonitsooni palju põllumajandustehnoloogia ettevõtteid. Enamik ehitamisel ja käitamisel olevaid tehaseprojekte asub põllumajanduslikes kõrgtehnoloogilistes demonstratsiooniparkides, mida kasutatakse peamiselt populaarteaduslike demonstratsioonide ja vaba aja veetmise eesmärgil. Oma funktsionaalsete piirangute tõttu on neil populaarteaduslikel tehasetehastel keeruline saavutada industrialiseerimisega nõutavat suurt saagikust ja kõrget efektiivsust ning neil on tulevikus raske saada industrialiseerimise peavooluvormiks.

2015. aastal tegi Hiina suur LED-kiipide tootja koostööd Hiina Teaduste Akadeemia Botaanika Instituudiga, et ühiselt algatada tehaseettevõtte loomine. See on liikunud optoelektroonikatööstusest "fotobioloogia" tööstusesse ja on saanud Hiina LED-tootjatele pretsedendiks investeerida tehasetehaste ehitamisse industrialiseerimise käigus. Selle tehasetehas on pühendunud tööstusinvesteeringutele tärkavasse fotobioloogiasse, mis ühendab teadusuuringud, tootmise, demonstratsiooni, inkubatsiooni ja muud funktsioonid, registreeritud kapitaliga 100 miljonit jüaani. 2016. aasta juunis valmis ja võeti kasutusele see tehasetehas, mille kolmekorruseline hoone hõlmab 3000 m2 suurust pinda ja üle 10 000 m2 kasvupinda. 2017. aasta maiks on päevane tootmismaht 1500 kg lehtköögivilju, mis võrdub 15 000 salatitaimega päevas.

Selle ettevõtte arvamused

3. Tehasetehaste arendamisega seotud probleemid ja vastumeetmed

3.1 Probleemid

3.1.1 Kõrge ehituskulu

Taimekasvandustes tuleb saaki toota suletud keskkonnas. Seetõttu on vaja ehitada tugikonstruktsioone ja -seadmeid, sealhulgas väliseid hoolduskonstruktsioone, kliimaseadmeid, kunstlikke valgusallikaid, mitmekihilisi kultiveerimissüsteeme, toitainelahuste ringlust ja arvutijuhtimissüsteeme. Ehituskulud on suhteliselt kõrged.

3.1.2 Kõrged tegevuskulud

Suurem osa tehasetehaste vajalikest valgusallikatest pärinevad LED-valgustitest, mis tarbivad palju elektrit, pakkudes samal ajal vastavat spektrit erinevate põllukultuuride kasvuks. Tehaste tootmisprotsessis kasutatavad seadmed, nagu kliimaseadmed, ventilatsioon ja veepumbad, tarbivad samuti elektrit, seega on elektriarved tohutu kulu. Statistika kohaselt moodustavad tehasetehaste tootmiskuludest elektrienergia kulud 29%, tööjõukulud 26%, põhivara amortisatsioon 23%, pakendamine ja transport 12% ning tootmismaterjalid 10%.

Tehase tootmiskulude jaotus

3.1.3 Madal automatiseerituse tase

Praegu kasutataval taimetehasel on madal automatiseerituse tase ning sellised protsessid nagu seemikute istutamine, ümberistutamine, põllule istutamine ja koristamine nõuavad endiselt käsitsi toiminguid, mille tulemuseks on suured tööjõukulud.

3.1.4 Piiratud arv põllukultuure, mida saab kasvatada

Praegu on taimevabrikutesse sobivate põllukultuuride valik väga piiratud, peamiselt rohelised lehtköögiviljad, mis kasvavad kiiresti, taluvad kergesti kunstlikku valgusallikat ja millel on madal võrastik. Laiaulatuslikku istutamist ei saa teostada keerukate istutusnõuete (näiteks tolmeldamist vajavate põllukultuuride jms) korral.

3.2 Arengustrateegia

Tehasetööstuse probleemide valguses on vaja läbi viia uuringuid erinevatest aspektidest, näiteks tehnoloogia ja toimimise valdkonnast. Praegustele probleemidele reageerimiseks on vastumeetmed järgmised.

(1) Tugevdada tehasetehaste intelligentse tehnoloogia uurimistööd ning parandada intensiivse ja täiustatud juhtimise taset. Intelligentse juhtimis- ja juhtimissüsteemi väljatöötamine aitab saavutada tehasetehaste intensiivset ja täiustatud juhtimist, mis võib oluliselt vähendada tööjõukulusid ja säästa tööjõudu.

(2) Arendada intensiivseid ja tõhusaid tehase tehnilisi seadmeid, et saavutada aastane kõrge kvaliteet ja kõrge saagikus. Kõrgtõhusate kasvatusrajatiste ja -seadmete, energiasäästliku valgustustehnoloogia ja -seadmete jms arendamine tehase intelligentsuse taseme parandamiseks soodustab aastase kõrge efektiivsusega tootmise saavutamist.

(3) Viia läbi uuringuid kõrge lisandväärtusega taimede, näiteks ravimtaimede, tervisetaimede ja haruldaste köögiviljade tööstusliku kasvatamise tehnoloogia kohta, suurendada taimetehastes kasvatatavate põllukultuuride liike, laiendada kasumikanaleid ja parandada kasumi lähtepunkti.

(4) Viia läbi uuringuid kodumajapidamises ja äriliseks kasutamiseks mõeldud taimetehaste kohta, rikastada taimetehaste tüüpe ja saavutada pidev kasumlikkus erinevate funktsioonidega.

4. Tehase arengusuund ja väljavaated

4.1 Tehnoloogia arengusuund

4.1.1 Täisprotsessiline intellektualiseerimine

Põllukultuuri-robotsüsteemi masinkunsti põhise fusiooni- ja kadude vältimise mehhanismi põhjal tuleks luua kiired paindlikud ja mittepurustavad istutus- ja koristusotsaefektorid, hajutatud mitmemõõtmelise ruumi täpne positsioneerimine ja multimodaalsed mitme masina koostööl põhinevad juhtimismeetodid ning mehitamata, tõhus ja mittepurustav külv kõrghoonete tehastes - intelligentsed robotid ja tugiseadmed, näiteks istutamine-koristamine-pakkimine, realiseerides seeläbi kogu protsessi mehitamata toimimise.

4.1.2 Tootmisjuhtimise nutikamaks muutmine

Põllukultuuride kasvu ja arengu reageerimismehhanismi põhjal valguskiirgusele, temperatuurile, niiskusele, CO2 kontsentratsioonile, toitainelahuse toitainete kontsentratsioonile ja elektrilisele koefitsiendile tuleks luua kvantitatiivne põllukultuuri ja keskkonna tagasiside mudel. Lehtköögiviljade elutegevuse teabe ja tootmiskeskkonna parameetrite dünaamiliseks analüüsimiseks tuleks luua strateegiline tuumikumudel. Samuti tuleks luua keskkonna dünaamiline identifitseerimis-, diagnoosimis- ja protsessijuhtimissüsteem. Luua tuleks mitme masinaga koostööl põhinev tehisintellektil põhinev otsustussüsteem suuremahulise vertikaalse põllumajandustehase kogu tootmisprotsessi jaoks.

4.1.3 Vähese süsinikuheitega tootmine ja energiasääst

Energiahaldussüsteemi loomine, mis kasutab taastuvaid energiaallikaid, nagu päikese- ja tuuleenergia, elektrienergia edastamiseks ja energiatarbimise kontrollimiseks optimaalsete energiahalduse eesmärkide saavutamiseks. CO2-heitmete kogumine ja taaskasutamine põllukultuuride tootmise toetamiseks.

4.1.3 Kvaliteetsete sortide kõrge väärtus

Tuleks rakendada teostatavaid strateegiaid erinevate kõrge lisandväärtusega sortide aretamiseks istutuskatseteks, luua kasvatustehnoloogia ekspertide andmebaas, viia läbi uuringuid kasvatustehnoloogia, tiheduse valiku, kõrrepõllu paigutuse, sortide ja seadmete kohandatavuse kohta ning töötada välja standardsed kasvatustehnilised spetsifikatsioonid.

4.2 Tööstuse arenguväljavaated

Taimetehased saavad vabaneda ressursside ja keskkonna piirangutest, realiseerida põllumajanduse industrialiseeritud tootmist ja meelitada ligi uue põlvkonna tööjõudu põllumajandustootmisse. Hiina tehasetehaste peamine tehnoloogiline innovatsioon ja industrialiseerimine on saamas maailmas juhtivaks. LED-valgusallikate, digitaliseerimise, automatiseerimise ja intelligentsete tehnoloogiate kiirenenud rakendamisega tehasetehaste valdkonnas meelitavad tehased ligi rohkem kapitaliinvesteeringuid, talentide kogumist ning uue energia, uute materjalide ja uute seadmete kasutamist. Sel viisil saab realiseerida infotehnoloogia ning rajatiste ja seadmete põhjalikku integreerimist, parandada rajatiste ja seadmete intelligentset ja mehitamata taset, pidevalt vähendada süsteemi energiatarbimist ja tegevuskulusid pideva innovatsiooni abil ning spetsialiseeritud turgude järkjärgulise arendamise kaudu. Intelligentsed tehased alustavad arengu kuldaega.

Turu-uuringute aruannete kohaselt on ülemaailmse vertikaalse põllumajanduse turu suurus 2020. aastal vaid 2,9 miljardit USA dollarit ja eeldatavasti ulatub ülemaailmse vertikaalse põllumajanduse turu suurus 2025. aastaks 30 miljardi USA dollarini. Kokkuvõttes on taimetehastel laialdased rakendusväljavaated ja arenguruum.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong jne

Viitamise teave:Taimekasvatustööstuse arengu praegune olukord ja väljavaated [J]. Põllumajandustehnika, 2022, 42(1): 18-23.autor Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li jt.