Anotacija: Pastaraisiais metais, nuolat tyrinėjant šiuolaikines žemės ūkio technologijas, augalų gamyklų pramonė taip pat sparčiai vystėsi. Šiame straipsnyje pristatoma gamyklų gamyklų technologijų ir pramonės plėtros status quo, esamos problemos ir vystymosi atsakomosios priemonės, taip pat laukiama gamyklų plėtros tendencijų ir perspektyvų ateityje.

1. Dabartinė technologijų plėtros padėtis gamyklose Kinijoje ir užsienyje

1.1 Užsienio technologijų plėtros status quo

Nuo XXI amžiaus augalų gamyklų tyrimai daugiausia buvo skirti šviesos efektyvumo gerinimui, daugiasluoksnės trimatės auginimo sistemos įrangos kūrimui, intelektualaus valdymo ir valdymo tyrimams ir plėtrai. XXI amžiuje žemės ūkio LED šviesos šaltinių naujovės padarė pažangą, suteikdamos svarbią techninę paramą LED energiją taupančių šviesos šaltinių taikymui augalų gamyklose. Japonijos Čibos universitetas sukūrė daug naujovių didelio efektyvumo šviesos šaltinių, energiją taupančios aplinkos kontrolės ir auginimo metodų srityse. Vageningeno universitetas Nyderlanduose taiko pasėlių aplinkos modeliavimo ir dinaminio optimizavimo technologiją kurdamas išmaniąją įrangos sistemą augalų gamykloms, kuri labai sumažina veiklos sąnaudas ir žymiai pagerina darbo našumą.

Pastaraisiais metais augalų gamyklose pamažu realizuojamas pusiau automatizuotas gamybos procesas nuo sėjos, sodinukų auginimo, persodinimo ir derliaus nuėmimo. Japonija, Nyderlandai ir JAV yra priešakyje, pasižyminčios aukštu mechanizacijos, automatizavimo ir intelekto lygiu, ir vystosi vertikalios žemdirbystės bei nepilotuojamų operacijų kryptimi.

1.2 Technologijų plėtros padėtis Kinijoje

1.2.1 Specializuotas LED šviesos šaltinis ir energiją taupančios technologijos įranga dirbtinei šviesai gamykloje

Vienas po kito buvo kuriami specialūs raudonos ir mėlynos spalvos LED šviesos šaltiniai, skirti įvairių augalų rūšių gamybai augalų fabrikuose. Galia svyruoja nuo 30 iki 300 W, o švitinimo šviesos intensyvumas yra nuo 80 iki 500 μmol/(m2•s), kuris gali užtikrinti šviesos intensyvumą su atitinkamu slenksčio diapazonu, šviesos kokybės parametrais, kad būtų pasiektas didelio efektyvumo efektas. energijos taupymas ir prisitaikymas prie augalų augimo ir apšvietimo poreikių. Kalbant apie šviesos šaltinio šilumos išsklaidymo valdymą, buvo įdiegta aktyvaus šilumos išsklaidymo šviesos šaltinio ventiliatoriaus konstrukcija, kuri sumažina šviesos šaltinio šviesos slopinimo greitį ir užtikrina šviesos šaltinio tarnavimo laiką. Be to, siūlomas būdas sumažinti LED šviesos šaltinio šilumą naudojant maistinių medžiagų tirpalą arba vandens cirkuliaciją. Kalbant apie šviesos šaltinio erdvės valdymą, atsižvelgiant į augalo dydžio raidos dėsnį sodinukų stadijoje ir vėlesniame etape, naudojant LED šviesos šaltinio vertikalių erdvės judėjimo valdymą, augalų stogelis gali būti apšviestas iš arti, o energijos taupymo tikslas yra pasiekti. Šiuo metu dirbtinės šviesos gamyklos šviesos šaltinio energijos suvartojimas gali sudaryti nuo 50% iki 60% viso gamyklos energijos suvartojimo. Nors LED gali sutaupyti 50 % energijos, palyginti su fluorescencinėmis lempomis, vis dar yra potencialas ir būtinybė atlikti energijos taupymo ir vartojimo mažinimo tyrimus.

1.2.2 Daugiasluoksnė trimačio auginimo technologija ir įranga

Daugiasluoksnio trimačio auginimo sluoksnio tarpas sumažėja, nes šviesos diodas pakeičia fluorescencinę lempą, o tai pagerina augalų auginimo trimačio erdvės panaudojimo efektyvumą. Yra daug tyrimų apie auginimo lysvės dugno dizainą. Iškilusios juostelės sukurtos taip, kad generuotų turbulentinį srautą, kuris gali padėti augalų šaknims tolygiai įsisavinti maistines medžiagas maistinių medžiagų tirpale ir padidinti ištirpusio deguonies koncentraciją. Naudojant kolonizacijos lentą, yra du kolonizacijos būdai, tai yra, skirtingų dydžių plastikiniai kolonizacijos puodeliai arba kempinės perimetro kolonizacijos režimas. Atsirado stumdoma kultivavimo lysvių sistema, kurios sodinimo lentą ir ant jos esančius augalus galima rankiniu būdu nustumti iš vieno galo į kitą, realizuojant gamybinį režimą – viename auginimo lysvės gale sodinti, o kitame – nuimti derlių. Šiuo metu yra sukurta įvairi trimatė daugiasluoksnė bežemės kultūros technologija ir įranga, pagrįsta maistinių skystų plėvelių technologija ir gilaus skysčio srauto technologija, braškių auginimo substratu, lapinių daržovių ir gėlių auginimo aerozoliu technologija ir įranga. išdygo. Minėta technologija sparčiai vystėsi.

1.2.3 Maistinių tirpalų cirkuliacijos technologija ir įranga

Kai maistinis tirpalas buvo naudojamas tam tikrą laiką, būtina pridėti vandens ir mineralinių elementų. Paprastai naujai paruošto maistinių medžiagų tirpalo ir rūgščių-šarmų tirpalo kiekis nustatomas matuojant EC ir pH. Didelės nuosėdų dalelės arba šaknų lupimasis maistiniame tirpale turi būti pašalintos filtru. Šaknų eksudatai maistinių medžiagų tirpale gali būti pašalinti fotokataliziniais metodais, kad būtų išvengta nuolatinio auginimo kliūčių hidroponikoje, tačiau yra tam tikrų pavojų dėl maistinių medžiagų prieinamumo.

1.2.4 Aplinkosaugos kontrolės technologija ir įranga

Gamybos patalpų oro švara yra vienas iš svarbių gamyklos oro kokybės rodiklių. Oro švara (suspenduotų dalelių ir nusėdusių bakterijų rodikliai) gamyklos gamyklos gamybinėje erdvėje dinaminėmis sąlygomis turi būti kontroliuojama iki 100 tūkst. Medžiagos dezinfekcija, įeinančio personalo oro dušo apdorojimas ir gryno oro cirkuliacijos oro valymo sistema (oro filtravimo sistema) yra pagrindinės apsaugos priemonės. Temperatūra ir drėgmė, CO2 koncentracija ir oro srauto greitis gamybos erdvėje yra dar vienas svarbus oro kokybės kontrolės turinys. Remiantis pranešimais, įrengus tokią įrangą kaip oro maišymo dėžės, ortakiai, oro įleidimo angos ir oro išleidimo angos, galima tolygiai valdyti temperatūrą ir drėgmę, CO2 koncentraciją ir oro srauto greitį gamybos erdvėje, kad būtų pasiektas didelis erdvinis vienodumas ir būtų patenkinti augalų poreikiai. skirtingose ​​erdvinėse vietose. Temperatūros, drėgmės ir CO2 koncentracijos valdymo sistema bei gryno oro sistema organiškai integruota į cirkuliuojančio oro sistemą. Trys sistemos turi dalytis oro kanalu, oro įleidimo ir oro išleidimo angomis ir tiekti maitinimą per ventiliatorių, kad būtų užtikrintas oro srauto cirkuliavimas, filtravimas ir dezinfekcija bei oro kokybės atnaujinimas ir vienodumas. Tai užtikrina, kad augalų fabrike augalinėje produkcijoje nebūtų kenkėjų ir ligų, ir nereikia naudoti pesticidų. Tuo pačiu garantuojamas augimo aplinkos elementų temperatūros, drėgmės, oro srauto ir CO2 koncentracijos tolygumas vainiklyje, kad atitiktų augalų augimo poreikius.

2. Augalų gamyklos pramonės raida

2.1 Užsienio gamyklų pramonės status quo

Japonijoje dirbtinių šviesos augalų gamyklų tyrimai ir plėtra bei industrializacija vyksta gana sparčiai ir yra pirmaujanti. 2010 m. Japonijos vyriausybė skyrė 50 mlrd. jenų technologijų moksliniams tyrimams ir plėtrai bei pramonės demonstravimui remti. Dalyvavo aštuonios institucijos, įskaitant Čibos universitetą ir Japonijos augalų fabriko tyrimų asociaciją. Japan Future Company ėmėsi ir vykdė pirmąjį parodomąjį gamyklos, kurios kasdien pagaminama 3000 gamyklų, industrializacijos projektą. 2012 metais gamyklos gamybos savikaina buvo 700 jenų/kg. 2014 m. buvo baigta statyti moderni gamyklos gamykla Tagos pilyje, Mijagio prefektūroje, ir tapo pirmąja pasaulyje LED gamyklų gamykla, kuri kasdien pagamina 10 000 gamyklų. Nuo 2016 m. LED augalų gamyklos Japonijoje įžengė į sparčią industrializacijos juostą ir viena po kitos iškilo nenutrūkstamos arba pelningos įmonės. 2018 m. viena po kitos atsirado stambios gamyklos, kurių kasdienis gamybos pajėgumas nuo 50 000 iki 100 000 gamyklų, o pasaulinės gamyklos vystėsi plataus masto, profesionalaus ir protingo vystymosi link. Tuo pat metu Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power ir kitos sritys pradėjo investuoti į augalų gamyklas. 2020 metais Japonijos augalų gamyklose gaminamų salotų rinkos dalis sudarys apie 10% visos salotų rinkos. Iš daugiau nei 250 šiuo metu veikiančių dirbtinės šviesos tipo augalų gamyklų 20 % yra nuostolingos stadijos, 50 % yra lūžio lygio, o 30 % yra pelningos stadijos, susijusios su kultūrinėmis augalų rūšimis, pvz. salotos, žolelės ir sodinukai.

Nyderlandai yra tikras pasaulinis lyderis saulės šviesos ir dirbtinės šviesos kombinuoto pritaikymo technologijų srityje augalų gamyklai, pasižymintis aukštu mechanizacijos, automatizavimo, intelekto ir nepilotiškumo laipsniu, ir dabar eksportavo visą technologijų ir įrangos rinkinį. produktų į Artimuosius Rytus, Afriką, Kiniją ir kitas šalis. „American AeroFarms“ ferma yra Niuarke, Naujajame Džersyje, JAV, jos plotas 6500 m2. Daugiausia auginamos daržovės ir prieskoniai, o išeiga apie 900 t/metus.

Vertikalus ūkininkavimas AeroFarms

Plenty Company vertikalioje ūkininkavimo gamykloje Jungtinėse Amerikos Valstijose naudojamas LED apšvietimas ir vertikalus 6 m aukščio sodinimo rėmas. Augalai auga iš sodintuvų šonų. Šis sodinimo būdas, pagrįstas gravitaciniu laistymu, nereikalauja papildomų siurblių ir yra efektyvesnis vandeniui nei įprastinis ūkininkavimas. Daugybė teigia, kad jo ūkis pagamina 350 kartų daugiau nei tradicinis ūkis, o sunaudoja tik 1% vandens.

Vertikalios žemės ūkio augalų gamykla, Plenty Company

2.2 Būsenos gamyklos pramonė Kinijoje

2009 m. Changchun Agricultural Expo parke buvo pastatyta ir pradėta eksploatuoti pirmoji gamyklos gamykla Kinijoje, kurios branduolys yra išmanusis valdymas. Pastato plotas yra 200 m2, o aplinkos veiksniai, tokie kaip temperatūra, drėgmė, šviesa, CO2 ir maistinių medžiagų tirpalo koncentracija gamyklos gamykloje, gali būti automatiškai stebimi realiu laiku, kad būtų galima įgyvendinti protingą valdymą.

2010 metais Pekine buvo pastatyta Tongdžou gamykla. Pagrindinė konstrukcija yra vieno sluoksnio lengvo plieno konstrukcija, kurios bendras statybos plotas yra 1289 m2. Jis suformuotas kaip lėktuvnešis, simbolizuojantis Kinijos žemės ūkį, pirmaujantį kelyje į pažangiausias šiuolaikinio žemės ūkio technologijas. Sukurta kai kurių lapinių daržovių gamybos operacijų automatinė įranga, kuri pagerino gamyklos gamybos automatizavimo lygį ir gamybos efektyvumą. Gamyklos gamykloje įdiegta žemės šilumos siurblio sistema ir saulės energijos gamybos sistema, kuri geriau išsprendžia didelių gamyklos eksploatavimo sąnaudų problemą.

Tongdžou gamyklos vaizdas iš vidaus ir išorės

2013 m. daug žemės ūkio technologijų įmonių buvo įsteigta Yangling žemės ūkio aukštųjų technologijų demonstravimo zonoje, Shaanxi provincijoje. Dauguma statomų ir eksploatuojamų gamyklos projektų yra žemės ūkio aukštųjų technologijų demonstravimo parkuose, kurie daugiausia naudojami mokslo populiarinimo demonstracijoms ir laisvalaikio ekskursijoms. Dėl savo funkcinių apribojimų šioms populiaraus mokslo augalų gamykloms sunku pasiekti industrializacijai reikalingą didelį derlių ir aukštą efektyvumą, o ateityje joms bus sunku tapti pagrindine industrializacijos forma.

2015 m. pagrindinis LED lustų gamintojas Kinijoje bendradarbiavo su Kinijos mokslų akademijos Botanikos institutu, siekdamas kartu inicijuoti augalų gamyklos įmonės steigimą. Iš optoelektronikos pramonės ji perėjo į „fotobiologinę“ pramonę ir tapo precedentu Kinijos LED gamintojams investuoti į gamyklų statybą industrializacijoje. Jos gamykla yra įsipareigojusi pramoniniu būdu investuoti į besiformuojančią fotobiologiją, kuri integruoja mokslinius tyrimus, gamybą, demonstravimą, inkubavimą ir kitas funkcijas, o įstatinis kapitalas yra 100 mln. juanių. 2016 m. birželį ši gamykla su 3 aukštų pastatu, užimančiu 3000 m2 plotą ir daugiau nei 10 000 m2 auginimo plotą, buvo baigta ir pradėta eksploatuoti. Iki 2017 m. gegužės mėn. kasdien bus pagaminama 1 500 kg lapinių daržovių, o tai atitinka 15 000 salotų augalų per dieną.

Šios įmonės pažiūros

3. Augalų gamyklų plėtros problemos ir atsakomosios priemonės

3.1 Problemos

3.1.1 Didelė statybos kaina

Augalų gamyklos turi auginti derlių uždaroje aplinkoje. Todėl būtina sukurti pagalbinius projektus ir įrangą, įskaitant išorines priežiūros struktūras, oro kondicionavimo sistemas, dirbtinius šviesos šaltinius, daugiasluoksnes auginimo sistemas, maistinių medžiagų tirpalų cirkuliaciją ir kompiuterines valdymo sistemas. Statybos kaina yra palyginti didelė.

3.1.2 Didelės eksploatacijos išlaidos

Dauguma augalų gamykloms reikalingų šviesos šaltinių gaunami iš LED šviestuvų, kurie sunaudoja daug elektros energijos, tuo pačiu suteikdami atitinkamą spektrą įvairių kultūrų augimui. Tokia įranga kaip oro kondicionavimas, vėdinimas, vandens siurbliai gamyklų gamyklų gamybos procese taip pat vartoja elektros energiją, todėl sąskaitos už elektrą yra didžiulės išlaidos. Remiantis statistika, tarp augalų gamyklų gamybos sąnaudų elektros sąnaudos sudaro 29%, darbo sąnaudos - 26%, ilgalaikio turto nusidėvėjimas - 23%, pakavimas ir transportavimas - 12%, gamybinės medžiagos - 10%.

Gamyklos gamyklos gamybos sąnaudų suskirstymas

3.1.3 Žemas automatizavimo lygis

Šiuo metu taikoma augalų gamykla turi žemą automatizavimo lygį, o tokiems procesams kaip sodinimas, persodinimas, lauko sodinimas ir derliaus nuėmimas vis dar reikalauja rankų darbo, todėl darbo sąnaudos yra didelės.

3.1.4 Ribotos auginamų augalų rūšys

Šiuo metu augalų fabrikams tinkamų pasėlių rūšys yra labai ribotos, daugiausia žalios lapinės daržovės, kurios greitai auga, lengvai priima dirbtinius šviesos šaltinius, turi žemą lakštą. Didelio masto sodinimas negali būti atliekamas esant sudėtingiems sodinimo poreikiams (pvz., pasėliams, kuriuos reikia apdulkinti ir pan.).

3.2 Plėtros strategija

Atsižvelgiant į problemas, su kuriomis susiduria augalų gamyklų pramonė, būtina atlikti tyrimus įvairiais aspektais, tokiais kaip technologija ir eksploatacija. Atsižvelgiant į dabartines problemas, atsakomosios priemonės yra tokios.

(1) Stiprinti augalų gamyklų pažangiųjų technologijų mokslinius tyrimus ir gerinti intensyvaus ir rafinuoto valdymo lygį. Išmanios valdymo ir kontrolės sistemos sukūrimas padeda pasiekti intensyvų ir rafinuotą augalų gamyklų valdymą, kuris gali labai sumažinti darbo sąnaudas ir sutaupyti darbo jėgos.

(2) Sukurti intensyvią ir efektyvią gamyklos techninę įrangą, kad būtų pasiekta aukšta kokybė ir didelis derlius. Didelio efektyvumo auginimo įrenginių ir įrangos, energiją taupančių apšvietimo technologijų ir įrangos kūrimas, siekiant pagerinti pažangų augalų gamyklų lygį, padeda įgyvendinti metinę didelio efektyvumo gamybą.

(3) Atlikti didelės pridėtinės vertės augalų, tokių kaip vaistiniai augalai, sveikatos priežiūros augalai ir retos daržovės, pramoninio auginimo technologijos tyrimus, padidinti augalų fabrikuose auginamų kultūrų rūšis, išplėsti pelno kanalus ir pagerinti pelno pradinį tašką. .

(4) Atlikti buitinių ir komercinių augalų gamyklų tyrimus, praturtinti augalų gamyklų tipus ir siekti nuolatinio pelningumo atliekant įvairias funkcijas.

4. Augalų gamyklos plėtros tendencija ir perspektyva

4.1 Technologijų plėtros tendencija

4.1.1 Viso proceso intelektualizavimas

Remiantis mašininio meno sintezės ir nuostolių prevencijos mechanizmu pasėlių ir robotų sistemoje, sparčiai lanksčiais ir nedestruktyviais sodinimo ir derliaus nuėmimo galutiniais efektoriais, paskirstytu kelių dimensijų tikslumu padėties nustatymu ir daugiarūšiais kelių mašinų bendradarbiavimo valdymo metodais, ir nepilotuojama, efektyvi ir nedestruktyvi sėja daugiaaukščių augalų gamyklose – Turėtų būti sukurti išmanūs robotai ir pagalbinė įranga, tokia kaip sodinimas-derliaus nuėmimas-pakavimas, taip suvokiant viso proceso nepilotuojamą veikimą.

4.1.2 Sumaniau gamybos kontrolę

Remiantis pasėlių augimo ir vystymosi reakcijos į šviesos spinduliuotę, temperatūrą, drėgmę, CO2 koncentraciją, maistinių medžiagų koncentraciją maistinių medžiagų tirpale ir EB mechanizmą, turėtų būti sukurtas kiekybinis pasėlių ir aplinkos grįžtamojo ryšio modelis. Reikėtų sukurti strateginį pagrindinį modelį, kad būtų galima dinamiškai analizuoti lapinių daržovių gyvenimo informaciją ir gamybos aplinkos parametrus. Taip pat turėtų būti sukurta internetinė aplinkos dinaminės identifikavimo diagnostikos ir procesų valdymo sistema. Turėtų būti sukurta kelių mašinų bendradarbiaujanti dirbtinio intelekto sprendimų priėmimo sistema visam didelės apimties vertikalios žemės ūkio gamyklos gamybos procesui.

4.1.3 Mažo anglies dioksido kiekio gamyba ir energijos taupymas

Energijos valdymo sistemos sukūrimas, naudojant atsinaujinančius energijos šaltinius, tokius kaip saulė ir vėjas, siekiant užbaigti energijos perdavimą ir kontroliuoti energijos suvartojimą, kad būtų pasiekti optimalūs energijos valdymo tikslai. CO2 emisijų fiksavimas ir pakartotinis panaudojimas siekiant padėti augalininkystei.

4.1.3 Aukšta aukščiausios kokybės veislių vertė

Reikėtų imtis tinkamų strategijų, skirtų sodinimo eksperimentams išvesti įvairias didelės pridėtinės vertės veisles, kurti auginimo technologijų ekspertų duomenų bazę, atlikti auginimo technologijos, tankumo parinkimo, ražienų išdėstymo, veislių ir įrangos pritaikymo galimybių tyrimus, formuoti standartines auginimo technines specifikacijas.

4.2 Pramonės plėtros perspektyvos

Augalų gamyklos gali atsikratyti išteklių ir aplinkos suvaržymų, realizuoti industrializuotą žemės ūkio gamybą ir pritraukti naujos kartos darbo jėgą užsiimti žemės ūkio gamyba. Pagrindinės Kinijos augalų gamyklų technologinės naujovės ir industrializacija tampa pasaulio lydere. Augalų gamyklų srityje sparčiau taikant LED šviesos šaltinį, skaitmeninimą, automatizavimą ir išmaniąsias technologijas, gamyklos pritrauks daugiau kapitalo investicijų, suburs talentus, naudos daugiau naujos energijos, naujų medžiagų ir naujos įrangos. Tokiu būdu galima įgyvendinti nuodugnią informacinių technologijų ir įrenginių bei įrangos integraciją, pagerinti pažangų ir nepilotuojamą įrenginių ir įrangos lygį, nuolat mažinti sistemos energijos suvartojimą ir eksploatacines sąnaudas taikant nuolatines naujoves ir laipsnišką Specializuotų rinkų auginimas, protingos augalų gamyklos pradės auksinį vystymosi laikotarpį.

Remiantis rinkos tyrimų ataskaitomis, pasaulinė vertikaliojo ūkininkavimo rinkos dydis 2020 m. sieks tik 2,9 mlrd. Apibendrinant galima pasakyti, kad gamyklos turi plačias taikymo perspektyvas ir plėtros erdvę.

Autorius: Zengchan Zhou, Weidong ir kt

Citatos informacija:Augalų gamyklų pramonės plėtros dabartinė padėtis ir perspektyvos [J]. Žemės ūkio inžinerijos technologija, 2022, 42(1): 18-23.Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li ir kt.