Kokkuvõte: Viimastel aastatel on kaasaegse põllumajandustehnoloogia pideva uurimisega kiiresti arenenud ka taimetehase tööstus.See artikkel tutvustab taimetehaste tehnoloogia ja tööstuse arengu status quo, olemasolevaid probleeme ja arengu vastumeetmeid ning ootab taimetehaste arengusuundi ja väljavaateid tulevikus.

1. Tehnoloogia arendamise hetkeseis Hiinas ja välismaal asuvates tehastes

1.1 Välismaise tehnoloogiaarenduse status quo

Alates 21. sajandist on taimetehaste teadustöö keskendunud peamiselt valgusefektiivsuse parandamisele, mitmekihilise kolmemõõtmelise kultiveerimissüsteemi seadmete loomisele ning intelligentse juhtimise ja juhtimise uurimisele ja arendamisele.21. sajandil on põllumajanduslike LED-valgusallikate innovatsioon teinud edusamme, pakkudes olulist tehnilist tuge LED-energiasäästlike valgusallikate rakendamiseks taimetehastes.Jaapani Chiba ülikool on teinud mitmeid uuendusi suure tõhususega valgusallikate, energiasäästliku keskkonnakontrolli ja viljelustehnikate vallas.Hollandi Wageningeni ülikool kasutab taimetehaste jaoks intelligentse seadmesüsteemi väljatöötamiseks põllukultuuride keskkonna simulatsiooni ja dünaamilise optimeerimise tehnoloogiat, mis vähendab oluliselt tegevuskulusid ja parandab oluliselt tööviljakust.

Viimastel aastatel on taimetehased järk-järgult realiseerinud tootmisprotsesside poolautomaatika külvist, seemikute kasvatamisest, ümberistutamisest ja saagikoristusest.Jaapan, Holland ja USA on kõrge mehhaniseerimise, automatiseerimise ja intelligentsusega esirinnas ning arenevad vertikaalse põllumajanduse ja mehitamata töötamise suunas.

1.2 Tehnoloogiaarenduse staatus Hiinas

1.2.1 Spetsiaalsed LED-valgusallikad ja energiasäästlikud rakendustehnoloogia seadmed tehisvalgustuse jaoks tehases

Järjest on välja töötatud spetsiaalsed punase ja sinise LED-valgusallikad erinevate taimeliikide tootmiseks taimetehastes.Võimsus jääb vahemikku 30 kuni 300 W ja kiiritava valguse intensiivsus on 80 kuni 500 μmol/(m2•s), mis võib tagada sobiva lävevahemiku ja valguskvaliteedi parameetritega valguse intensiivsuse, et saavutada kõrge efektiivsuse efekt. energiasääst ning kohanemine taimede kasvu ja valgustuse vajadustega.Valgusallika soojuse hajumise juhtimise osas on kasutusele võetud valgusallika ventilaatori aktiivse soojuse hajumise disain, mis vähendab valgusallika valguse vähenemise kiirust ja tagab valgusallika eluea.Lisaks pakutakse välja meetod LED-valgusallika soojuse vähendamiseks toitelahuse või veeringluse kaudu.Valgusallika ruumi haldamise osas saab vastavalt taime suuruse evolutsiooniseadusele seemikute staadiumis ja hilisemas etapis LED-valgusallika vertikaalse ruumi liikumise juhtimise kaudu taime võra valgustada lähedalt ja energiasäästu eesmärk on saavutatud.Praegu võib tehisvalgustitehase valgusallika energiatarbimine moodustada 50–60% tehase kogu tööenergiatarbimisest.Kuigi LED võib luminofoorlampidega võrreldes säästa 50% energiat, on energiasäästu ja tarbimise vähendamise alaste uuringute potentsiaal ja vajadus siiski olemas.

1.2.2 Mitmekihiline kolmemõõtmeline viljelustehnoloogia ja seadmed

Mitmekihilise kolmemõõtmelise kultiveerimise kihivahe väheneb, kuna LED asendab luminofoorlampi, mis parandab taimekasvatuse ruumikasutuse efektiivsust.Kultiveerimispeenra põhja kujunduse kohta on tehtud palju uuringuid.Kõrgendatud triibud on loodud tekitama turbulentset voolu, mis aitab taimejuurtel toitelahuses toitaineid ühtlaselt omastada ja tõsta lahustunud hapniku kontsentratsiooni.Koloniseerimisplaadi kasutamisel on kaks koloniseerimismeetodit, st erineva suurusega plastist koloniseerimistopsid või käsna perimeetri koloniseerimisrežiim.Ilmunud on libistatav kultiveerimispeenra süsteem, mille istutuslauda ja sellel olevaid taimi saab käsitsi ühest otsast teise lükata, realiseerides tootmisrežiimi, kus kultiveerimispeenra ühte otsa istutada ja teises otsas saaki koristada.Praeguseks on välja töötatud mitmesugused kolmemõõtmelised mitmekihilised mullata kultiveerimistehnoloogiad ja -seadmed, mis põhinevad toitainevedeliku kiletehnoloogial ja süvavedeliku voolutehnoloogial, ning tehnoloogia ja seadmed maasikate substraadikasvatuseks, lehtköögiviljade ja lillede aerosoolkasvatuseks. on kerkinud.Mainitud tehnoloogia on kiiresti arenenud.

1.2.3 Toitainete lahuste ringluse tehnoloogia ja seadmed

Pärast toitelahuse teatud aja kasutamist on vaja lisada vett ja mineraalelemente.Üldjuhul määratakse värskelt valmistatud toitelahuse kogus ja happe-aluse lahuse kogus EC ja pH mõõtmise teel.Toitelahuses olevad suured setteosakesed või juurekoorekiht tuleb filtri abil eemaldada.Toitelahuses olevad juureeksudaadid saab eemaldada fotokatalüütiliste meetoditega, et vältida hüdropoonikas pidevaid saagikoristuse takistusi, kuid toitainete kättesaadavusega kaasnevad teatud riskid.

1.2.4 Keskkonnakontrolli tehnoloogia ja seadmed

Tootmisruumi õhupuhtus on üks olulisi tehase õhukvaliteedi näitajaid.Tehase tehase tootmisruumis tuleks dünaamilistes tingimustes õhupuhtust (hõljuvate osakeste ja settinud bakterite indikaatorid) kontrollida tasemele üle 100 000.Materjali desinfitseerimine, sissetuleva personali õhudušš ja värske õhu tsirkulatsiooniga õhupuhastussüsteem (õhu filtreerimissüsteem) on kõik põhilised kaitsemeetmed.Teiseks oluliseks õhukvaliteedi kontrolli sisuks on tootmisruumi õhu temperatuur ja niiskus, CO2 kontsentratsioon ja õhuvoolu kiirus.Aruannete kohaselt saab selliste seadmete, nagu õhu segamiskastid, õhukanalid, õhu sisselaskeavad ja õhu väljalaskeavad, seadistamine tootmisruumis ühtlaselt reguleerida temperatuuri ja niiskust, CO2 kontsentratsiooni ja õhuvoolu kiirust, et saavutada kõrge ruumiline ühtlus ja rahuldada tehase vajadusi. erinevates ruumilistes kohtades.Temperatuuri, niiskuse ja CO2 kontsentratsiooni kontrollsüsteem ning värske õhu süsteem on orgaaniliselt integreeritud tsirkuleeriva õhusüsteemi.Need kolm süsteemi peavad jagama õhukanalit, õhu sisse- ja väljalaskeava ning andma ventilaatori kaudu toite, et tagada õhuvoolu ringlus, filtreerimine ja desinfitseerimine ning õhukvaliteedi ajakohastamine ja ühtlus.See tagab, et tehase taimekasvatus on kahjuritest ja haigustest vaba ning pestitsiide pole vaja kasutada.Samas on tagatud kasvukeskkonna elementide temperatuuri, niiskuse, õhuvoolu ja CO2 kontsentratsiooni ühtlus võras, et see vastaks taimekasvu vajadustele.

2. Taimetehase tööstuse arengustaatus

2.1 Välismaise taimetehase tööstuse status quo

Jaapanis on tehisvalgustaimede tehaste uurimis- ja arendustegevus ning industrialiseerimine suhteliselt kiire ning need on juhtival tasemel.2010. aastal andis Jaapani valitsus välja 50 miljardi jeeni, et toetada tehnoloogiaalast uurimis- ja arendustegevust ning tööstuse tutvustamist.Osales kaheksa asutust, sealhulgas Chiba ülikool ja Jaapani taimetehase uurimisassotsiatsioon.Japan Future Company võttis ette ja juhtis tehase tehase esimest industrialiseerimise näidisprojekti, mille igapäevane toodang on 3000 tehast.Tehasetehase tootmismaksumus oli 2012. aastal 700 jeeni/kg.2014. aastal valmis Miyagi prefektuuris Taga lossis kaasaegne tehasetehase tehas, millest sai maailma esimene LED-tehase tehas, mille igapäevane toodang on 10 000 tehast.Alates 2016. aastast on LED-tehase tehased sisenenud Jaapanis industrialiseerimise kiirele teele ning üksteise järel on tekkinud kasumlikkuse või kasumlikkusega ettevõtted.2018. aastal tekkisid üksteise järel suuremahulised taimetehased, mille igapäevane tootmisvõimsus on 50 000 kuni 100 000 tehast ning globaalsed taimetehased arenesid suuremahulise, professionaalse ja intelligentse arengu suunas.Samal ajal hakkasid Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power ja teised valdkonnad investeerima tehase tehastesse.2020. aastal moodustab Jaapani taimetehastes toodetava salati turuosa umbes 10% kogu salatiturust.Praegu tegutsevast enam kui 250 tehisvalgustüüpi taimetehasest on 20% kahjumis, 50% tasuvustasemel ja 30% kasumlikus staadiumis, hõlmates kultuurtaimeliike nagu näiteks salat, ürdid ja seemikud.

Madalmaad on päikesevalguse ja tehisvalguse kombineeritud rakendustehnoloogia vallas tehasetehase jaoks tõeline liider, millel on kõrge mehhaniseerituse, automatiseerituse, intelligentsuse ja mehitamatus, ning on nüüdseks eksportinud terve komplekti tehnoloogiaid ja seadmeid. tooteid Lähis-Idasse, Aafrikasse, Hiinasse ja teistesse riikidesse.American AeroFarms farm asub Newarkis, New Jersey osariigis USA-s, pindalaga 6500 m2.Peamiselt kasvatatakse juurvilju ja vürtse ning toodang on ca 900 t/aastas.

Vertikaalne põllumajandus AeroFarmsis

Ameerika Ühendriikide Plenty Company vertikaalse põllukultuuride tehas võtab kasutusele LED-valgustid ja vertikaalse istutusraami kõrgusega 6 m.Taimed kasvavad istutusmasinate külgedelt.Toetudes gravitatsioonilisele kastmisele, ei vaja see istutusviis lisapumpasid ja on veesäästlikum kui tavaviljelus.Plenty väidab, et tema talu toodab 350 korda rohkem kui tavaline talu, kasutades ainult 1% veest.

Vertikaalne põllukultuuride tehas, Plenty Company

2.2 Taimetehase tööstuse staatus Hiinas

2009. aastal ehitati Changchuni põllumajandusnäituse pargis Hiina esimene tootmistehase tehas, mille tuumaks oli intelligentne juhtimine ja mis võeti kasutusele.Hoone pindala on 200 m2 ning tehase keskkonnategureid, nagu temperatuur, niiskus, valgus, CO2 ja toitelahuse kontsentratsioon, saab automaatselt reaalajas jälgida, et teostada intelligentset juhtimist.

2010. aastal ehitati Pekingisse Tongzhou taimetehas.Põhikonstruktsioon kasutab ühekihilist kerget teraskonstruktsiooni, mille ehituspind on kokku 1289 m2.See on kujundatud nagu lennukikandja, mis sümboliseerib Hiina põllumajandust, mis võtab juhtpositsiooni tänapäevase põllumajanduse kõige arenenuma tehnoloogia poole.Välja on töötatud lehtköögiviljade tootmise osade toimingute automaatika, mis on tõstnud tehase tootmisautomaatika taset ja tootmise efektiivsust.Tehase tehas võtab kasutusele maasoojuspumba süsteemi ja päikeseenergia tootmissüsteemi, mis lahendab paremini tehase kõrgete tegevuskulude probleemi.

Tongzhou tehase vaade seest ja väljast

2013. aastal asutati Shaanxi provintsis Yanglingi põllumajanduse kõrgtehnoloogilise demonstratsioonitsoonis palju põllumajandustehnoloogia ettevõtteid.Suurem osa ehitatavatest ja töötavatest taimetehase projektidest asub põllumajanduslikes kõrgtehnoloogilistes esitlusparkides, mida kasutatakse peamiselt populaarteaduslikeks demonstratsioonideks ja vaba aja veetmiseks.Funktsionaalsete piirangute tõttu on neil populaarteaduslikel taimetehastel raske saavutada industrialiseerimisega nõutavat suurt saaki ja kõrget efektiivsust ning tulevikus on neil raske saada industrialiseerimise peavooluvormiks.

2015. aastal tegi Hiina suur LED-kiipide tootja koostööd Hiina Teaduste Akadeemia Botaanika Instituudiga, et ühiselt algatada taimetehase ettevõtte loomine.See on üle läinud optoelektroonikatööstusest "fotobioloogilisele" tööstusele ja sellest on saanud pretsedent Hiina LED-tootjate jaoks, kes investeerivad industrialiseerimise käigus taimetehaste ehitamisse.Selle taimetehas on pühendunud tööstusinvesteeringute tegemisele tärkavasse fotobioloogiasse, mis ühendab teadusuuringuid, tootmist, tutvustamist, inkubeerimist ja muid funktsioone ning mille registreeritud kapital on 100 miljonit jüaani.2016. aasta juunis valmis ja võeti kasutusele käesolev Taimevabrik koos 3-korruselise hoonega, mille pindala on 3000 m2 ja haritava pinnaga üle 10 000 m2.2017. aasta maiks on päevane tootmismaht 1500 kg lehtköögivilju, mis vastab 15 000 salatitaimele päevas.

Selle ettevõtte vaated

3. Taimetehaste arengu ees seisvad probleemid ja vastumeetmed

3.1 Probleemid

3.1.1 Kõrge ehitusmaksumus

Taimetehased peavad tootma põllukultuure suletud keskkonnas.Seetõttu on vaja ehitada tugiprojekte ja -seadmeid, sealhulgas väliseid hoolduskonstruktsioone, kliimaseadmeid, kunstlikke valgusallikaid, mitmekihilisi kultiveerimissüsteeme, toitelahuse ringlust ja arvutijuhtimissüsteeme.Ehituse maksumus on suhteliselt kõrge.

3.1.2 Kõrge kasutuskulu

Suurem osa taimetehaste jaoks vajalikest valgusallikatest pärineb LED-valgustitest, mis tarbivad palju elektrit, pakkudes samas vastavad spektrid erinevate põllukultuuride kasvatamiseks.Tehasetehaste tootmisprotsessis olevad seadmed nagu kliimaseade, ventilatsioon ja veepumbad tarbivad samuti elektrit, seega on elektriarved tohutu kulu.Statistika järgi moodustavad taimetehaste tootmiskuludest elektrikulud 29%, tööjõukulud 26%, põhivara amortisatsioon 23%, pakendamine ja transport 12% ning tootmismaterjalid 10%.

Taimetehase tootmiskulude jaotus

3.1.3 Madal automatiseerituse tase

Praegu rakendatavas taimetehases on madal automatiseerituse tase ning sellised protsessid nagu seemikute istutamine, ümberistutamine, põllule istutamine ja saagikoristus nõuavad endiselt käsitsi toiminguid, mille tulemuseks on kõrged tööjõukulud.

3.1.4 Piiratud põllukultuuride sordid, mida saab kasvatada

Praegu on taimetehastele sobivaid põllukultuure väga vähe, peamiselt on rohelised lehtköögiviljad, mis kasvavad kiiresti, taluvad kergesti kunstlikku valgusallikat ja millel on madal võra.Suuremahulist istutamist ei saa teostada keeruliste istutusnõuete puhul (näiteks tolmeldamist vajavad põllukultuurid jne).

3.2 Arengustrateegia

Pidades silmas taimetehase tööstuse probleeme, on vaja läbi viia uuringuid erinevatest aspektidest, nagu tehnoloogia ja toimimine.Praegustele probleemidele reageerimiseks on vastumeetmed järgmised.

(1) Tugevdada taimetehaste intelligentse tehnoloogia alast uurimistööd ning parandada intensiivse ja rafineeritud juhtimise taset.Aruka juhtimis- ja juhtimissüsteemi arendamine aitab saavutada tehaste tehaste intensiivset ja viimistletud juhtimist, mis võib oluliselt vähendada tööjõukulusid ja säästa tööjõudu.

(2) Töötada välja intensiivne ja tõhus tehase tehniline varustus, et saavutada iga-aastane kvaliteetne ja kõrge tootlus.Suure tõhususega viljelusrajatiste ja -seadmete, energiasäästlike valgustustehnoloogiate ja -seadmete jne arendamine, et parandada taimetehaste intelligentset taset, soodustab iga-aastase suure tõhususega toodangu realiseerimist.

(3) Viia läbi kõrge lisandväärtusega taimede (nt ravimtaimed, tervishoiutaimed ja haruldased köögiviljad) tööstusliku viljelustehnoloogia alast uurimistööd, suurendada taimetehastes kasvatatavate põllukultuuride tüüpe, laiendada kasumikanaleid ja parandada kasumi lähtepunkti. .

(4) Viia läbi kodu- ja kaubanduslikuks kasutamiseks mõeldud taimetehaste uuringuid, rikastada taimetehaste tüüpe ja saavutada erinevate funktsioonidega pidev kasumlikkus.

4. Taimetehase arengusuund ja väljavaade

4.1 Tehnoloogia arengu suund

4.1.1 Kogu protsessi intellektualiseerimine

Põhineb põllukultuuri-roboti süsteemi masinakunsti sulandamise ja kadude vältimise mehhanismil, kiiretel paindlikel ja mittepurustavatel istutus- ja saagikoristuse lõppefektoritel, hajutatud mitmemõõtmelisel ruumilisel täpsel positsioneerimisel ja mitmeliigilistel mitme masinaga ühisjuhtimismeetoditel, ja mehitamata, tõhus ja mittepurustav külv kõrghoonete tehastes - Tuleks luua intelligentsed robotid ja toetavad seadmed, nagu istutamine-koristus-pakendamine, et realiseerida kogu protsessi mehitamata toimimine.

4.1.2 Tootmiskontrolli targemaks muutmine

Lähtudes põllukultuuride kasvu ja arengu reageerimismehhanismist valguskiirgusele, temperatuurile, niiskusele, CO2 kontsentratsioonile, toitainete kontsentratsioonile toitelahuses ja EC-le, tuleks koostada põllukultuuride keskkonna tagasiside kvantitatiivne mudel.Lehtköögiviljade elutegevuse teabe ja tootmiskeskkonna parameetrite dünaamiliseks analüüsimiseks tuleks luua strateegiline põhimudel.Samuti tuleks luua keskkonna veebipõhine dünaamilise tuvastamise diagnostika ja protsesside juhtimissüsteem.Tuleks luua mitme masinaga koostööl põhinev tehisintellekti otsustussüsteem suure mahuga vertikaalse põllumajandustehase kogu tootmisprotsessi jaoks.

4.1.3 Madala süsinikusisaldusega tootmine ja energiasääst

Energiahaldussüsteemi loomine, mis kasutab taastuvaid energiaallikaid, nagu päike ja tuul, et viia lõpule jõuülekanded, ning energiatarbimise kontrollimine optimaalsete energiahalduse eesmärkide saavutamiseks.CO2 heitkoguste püüdmine ja taaskasutamine taimekasvatuse soodustamiseks.

4.1.3 Esmaklassiliste sortide kõrge väärtus

Tuleks kasutusele võtta teostatavad strateegiad erinevate kõrge lisandväärtusega sortide aretamiseks istutuskatseteks, viljelustehnoloogia ekspertide andmebaasi loomiseks, viljelustehnoloogia, tiheduse valiku, kõrre paigutuse, sordi ja seadmete kohandatavuse alaste uuringute läbiviimiseks ning standardsete viljelustehniliste spetsifikatsioonide kujundamiseks.

4.2 Tööstuse arenguväljavaated

Taimetehased saavad vabaneda ressursside ja keskkonna piirangutest, realiseerida põllumajanduse tööstusliku tootmise ja meelitada uue põlvkonna tööjõudu põllumajandusliku tootmisega tegelema.Hiina taimetehaste võtmetähtsusega tehnoloogilisest uuendusest ja industrialiseerimisest on saamas maailma liider.LED-valgusallika, digiteerimise, automatiseerimise ja intelligentsete tehnoloogiate kiirendatud rakendamisega taimetehastes meelitavad tehased ligi rohkem kapitaliinvesteeringuid, koguvad talente ning kasutavad rohkem uut energiat, uusi materjale ja uusi seadmeid.Sel viisil saab teostada infotehnoloogia ning rajatiste ja seadmete põhjalikku integreerimist, parandada rajatiste ja seadmete intelligentset ja mehitamata taset, pideva innovatsiooni kaudu süsteemi energiatarbimist ja tegevuskulusid pidevalt vähendada ning järkjärgulist spetsialiseeritud turgude kasvatamine, intelligentsed taimetehased juhatavad sisse kuldse arenguperioodi.

Turu-uuringute aruannete kohaselt on ülemaailmse vertikaalse põllumajandusturu suurus 2020. aastal vaid 2,9 miljardit USA dollarit ja eeldatavasti ulatub 2025. aastaks globaalse vertikaalse põllumajandusturu suurus 30 miljardi USA dollarini.Kokkuvõtlikult võib öelda, et tehastel on laialdased rakendusväljavaated ja arendusruum.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong jne

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