Santrauka: Pastaraisiais metais, nuolat tobulėjant šiuolaikinėms žemės ūkio technologijoms, sparčiai vystėsi ir augalų gamyklų pramonė. Šiame straipsnyje pristatoma dabartinė augalų gamyklų technologijų ir pramonės plėtros problema ir plėtros priemonės, taip pat numatomos augalų gamyklų plėtros tendencijos ir perspektyvos ateityje.

1. Dabartinė technologijų plėtros padėtis gamyklų 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 ir intelektualaus valdymo bei kontrolės tyrimams bei plėtrai. XXI amžiuje žemės ūkio LED šviesos šaltinių inovacijos padarė pažangą, suteikdamos svarbią techninę paramą LED energiją taupančių šviesos šaltinių taikymui augalų gamyklose. Čibos universitetas Japonijoje sukūrė nemažai inovacijų didelio efektyvumo šviesos šaltinių, energiją taupančios aplinkos kontrolės ir auginimo metodų srityse. Vageningeno universitetas Nyderlanduose naudoja pasėlių aplinkos modeliavimo ir dinaminio optimizavimo technologiją, kad sukurtų intelektualią įrangos sistemą augalų gamykloms, kuri labai sumažina eksploatavimo sąnaudas ir žymiai pagerina darbo našumą.

Pastaraisiais metais augalų fabrikai palaipsniui įgyvendino pusiau automatizuotus gamybos procesus – nuo ​​sėjos, sodinukų auginimo, persodinimo ir derliaus nuėmimo. Japonija, Nyderlandai ir Jungtinės Valstijos pirmauja šioje srityje, pasižymėdamos aukštu mechanizacijos, automatizavimo ir intelekto laipsniu, ir vystosi vertikaliosios žemdirbystės bei nepilotuojamo valdymo kryptimi.

1.2 Technologijų plėtros padėtis Kinijoje

1.2.1 Specializuotas LED šviesos šaltinis ir energiją taupanti taikymo technologijų įranga dirbtiniam apšvietimui gamyklos gamykloje

Vienas po kito buvo sukurti specialūs raudoni ir mėlyni LED šviesos šaltiniai, skirti įvairių augalų rūšių auginimui augalų fabrikuose. Galia svyruoja nuo 30 iki 300 W, o apšvitos šviesos intensyvumas – nuo ​​80 iki 500 μmol/(m2•s), kurie gali užtikrinti šviesos intensyvumą su atitinkamu slenkstiniu diapazonu ir šviesos kokybės parametrais, siekiant didelio efektyvumo energijos taupymo efekto ir prisitaikymo prie augalų augimo bei apšvietimo poreikių. Kalbant apie šviesos šaltinio šilumos išsklaidymo valdymą, buvo įdiegtas aktyvus šviesos šaltinio ventiliatoriaus šilumos išsklaidymo dizainas, kuris sumažina šviesos šaltinio šviesos gesimo greitį ir užtikrina šviesos šaltinio tarnavimo laiką. Be to, siūlomas LED šviesos šaltinio šilumos mažinimo metodas naudojant maistinių medžiagų tirpalą arba vandens cirkuliaciją. Kalbant apie šviesos šaltinio erdvės valdymą, pagal augalo dydžio evoliucijos dėsnį daigų stadijoje ir vėlesniuose etapuose, valdant LED šviesos šaltinio vertikalų erdvės judėjimą, augalo laja gali būti apšviesta iš arti ir pasiekiamas energijos taupymo tikslas. Šiuo metu dirbtinio apšvietimo gamyklos šviesos šaltinių energijos suvartojimas gali sudaryti 50–60 % viso gamyklos eksploatavimo energijos suvartojimo. Nors LED gali sutaupyti 50 % energijos, palyginti su fluorescencinėmis lempomis, vis dar yra potencialo ir būtinybės atlikti energijos taupymo ir vartojimo mažinimo tyrimus.

1.2.2 Daugiasluoksnė trimatė auginimo technologija ir įranga

Daugiasluoksnės trimatės auginimo sistemos sluoksnių tarpas sumažėja, nes LED pakeičia fluorescencines lempas, o tai pagerina trimačio erdvės panaudojimo efektyvumą auginant augalus. Yra atlikta daug auginimo lysvės dugno konstrukcijos tyrimų. Iškeltos juostos sukurtos taip, kad sukurtų turbulencinį srautą, kuris gali padėti augalų šaknims tolygiai įsisavinti maistines medžiagas iš maistinių medžiagų tirpalo ir padidinti ištirpusio deguonies koncentraciją. Naudojant kolonizacijos lentą, yra du kolonizacijos metodai: skirtingų dydžių plastikiniai kolonizacijos puodeliai arba kempinės perimetro kolonizacijos režimas. Atsirado stumdoma auginimo lysvės sistema, kurioje sodinimo lenta ir ant jos esantys augalai gali būti rankiniu būdu stumdomi iš vieno galo į kitą, realizuojant gamybos režimą, kai viename auginimo lysvės gale sodinama, o kitame – nuimamas derlius. Šiuo metu sukurta įvairių trimačių daugiasluoksnių bedirvių auginimo technologijų ir įrangos, pagrįstų maistinių medžiagų skystos plėvelės technologija ir gilaus skysčio srauto technologija, taip pat atsirado braškių substrato auginimo, lapinių daržovių ir gėlių aerozolinio auginimo technologijos ir įranga. Minėta technologija sparčiai vystėsi.

1.2.3 Maistinių medžiagų tirpalo cirkuliacijos technologija ir įranga

Po to, kai maistinių medžiagų tirpalas buvo naudojamas tam tikrą laiką, būtina įpilti vandens ir mineralinių elementų. Paprastai naujai paruošto maistinių medžiagų tirpalo ir rūgščių-šarmų tirpalo kiekis nustatomas matuojant EC ir pH. Didelės nuosėdų ar šaknų lupimosi dalelės maistinių medžiagų tirpale turi būti pašalintos filtru. Šaknų eksudatai iš maistinių medžiagų tirpalo gali būti pašalinti fotokataliziniais metodais, siekiant išvengti nuolatinio auginimo kliūčių hidroponikoje, tačiau yra tam tikra rizika, susijusi su maistinių medžiagų prieinamumu.

1.2.4 Aplinkos kontrolės technologijos ir įranga

Gamybos patalpų oro švara yra vienas iš svarbiausių gamyklos oro kokybės rodiklių. Dinaminėmis sąlygomis gamyklos gamybos patalpų oro švara (suspenduotų dalelių ir nusėdusių bakterijų rodikliai) turėtų būti kontroliuojama iki daugiau nei 100 000 lygio. Medžiagų dezinfekavimas, įeinančio personalo oro dušo apdorojimas ir gryno oro cirkuliacijos oro valymo sistema (oro filtravimo sistema) yra pagrindinės apsaugos priemonės. Gamybos patalpų oro temperatūra ir drėgmė, CO2 koncentracija ir oro srauto greitis yra dar vienas svarbus oro kokybės kontrolės elementas. Remiantis ataskaitomis, tokios įrangos kaip oro maišymo dėžės, oro kanalai, oro įleidimo ir išleidimo angos įrengimas gali tolygiai kontroliuoti temperatūrą ir drėgmę, CO2 koncentraciją ir oro srauto greitį gamybos patalpoje, kad būtų pasiektas didelis erdvinis vienodumas ir patenkinti gamyklos poreikiai skirtingose ​​erdvinėse vietose. Temperatūros, drėgmės ir CO2 koncentracijos valdymo sistema bei gryno oro sistema yra organiškai integruotos į cirkuliuojančio oro sistemą. Visos trys sistemos turi dalytis oro kanalu, oro įleidimo ir išleidimo angomis, o ventiliatorius tiekia energiją oro srautui cirkuliuoti, filtruoti ir dezinfekuoti, atnaujinti ir tolygiai palaikyti oro kokybę. Tai užtikrina, kad augalų auginimas gamykloje būtų be kenkėjų ir ligų, ir nereikėtų naudoti pesticidų. Tuo pačiu metu garantuojamas augimo aplinkos elementų temperatūros, drėgmės, oro srauto ir CO2 koncentracijos vienodumas lajoje, kad būtų patenkinti augalų augimo poreikiai.

2. Augalų gamyklų pramonės plėtros būsena

2.1 Užsienio gamyklų pramonės status quo

Japonijoje dirbtinio apšvietimo gamyklų tyrimai, plėtra ir industrializacija vyksta gana sparčiai ir yra lyderio lygyje. 2010 m. Japonijos vyriausybė skyrė 50 milijardų jenų technologijų tyrimams, plėtrai ir pramoninei demonstracijai remti. Dalyvavo aštuonios institucijos, įskaitant Čibos universitetą ir Japonijos gamyklų tyrimų asociaciją. „Japan Future Company“ įgyvendino ir valdė pirmąjį gamyklos, kurios dienos produkcija siekė 3000 gamyklų, industrializacijos demonstracinį projektą. 2012 m. gamyklos gamybos sąnaudos siekė 700 jenų/kg. 2014 m. Taga pilyje, Mijagio prefektūroje, buvo baigta statyti moderni gamykla, tapusi pirmąja pasaulyje LED gamykla, kurios dienos produkcija siekė 10 000 gamyklų. Nuo 2016 m. LED gamyklų gamyklos Japonijoje įžengė į sparčiąją industrializacijos juostą, ir viena po kitos atsirado pelningos arba rentabilumo ribos siekiančios įmonės. 2018 m. viena po kitos atsirado didelio masto augalų gamyklos, kurių dienos gamybos pajėgumas siekė nuo 50 000 iki 100 000 augalų, o pasaulinės augalų gamyklos vystėsi didelio masto, profesionalios ir išmanios plėtros link. Tuo pačiu metu „Tokyo Electric Power“, „Okinawa Electric Power“ ir kitos sritys pradėjo investuoti į augalų gamyklas. 2020 m. Japonijos augalų gamyklų gaminamų salotų rinkos dalis sudarys apie 10 % visos salotų rinkos. Iš daugiau nei 250 šiuo metu veikiančių dirbtinio apšvietimo tipo augalų gamyklų 20 % yra nuostolingos, 50 % – nulinės vertės, o 30 % – pelningos, įskaitant auginamas augalų rūšis, tokias kaip salotos, žolelės ir daigai.

Nyderlandai yra tikri pasauliniai lyderiai saulės ir dirbtinės šviesos kombinuoto taikymo technologijų srityje augalų gamyklose, pasižymintys aukštu mechanizacijos, automatizavimo, intelekto ir bepiločių valdymo laipsniu, ir dabar eksportuoja visą technologijų bei įrangos rinkinį kaip stiprius produktus į Artimuosius Rytus, Afriką, Kiniją ir kitas šalis. „American AeroFarms“ ūkis yra Niuarko mieste, Naujajame Džersyje, JAV, jo plotas yra 6500 m2. Jame daugiausia auginamos daržovės ir prieskoniai, o produkcija siekia apie 900 t per metus.

Vertikalus ūkininkavimas „AeroFarms“

Jungtinėse Valstijose įsikūrusios „Plenty Company“ vertikalios žemdirbystės augalų gamykla naudoja LED apšvietimą ir 6 m aukščio vertikalų sodinimo rėmą. Augalai auga iš sodinamųjų vazonų šonų. Šis sodinimo metodas, pagrįstas gravitaciniu laistymu, nereikalauja papildomų siurblių ir yra efektyvesnis vandens naudojimo požiūriu nei įprastas ūkininkavimas. Plenty teigia, kad jo ūkis pagamina 350 kartų daugiau derliaus nei įprastas ūkis, sunaudodamas tik 1 % vandens.

Vertikali ūkininkavimo augalų gamykla, „Plenty Company“

2.2 Gamyklos pramonės statusas Kinijoje

2009 m. Čangčuno žemės ūkio parodų parke buvo pastatyta ir pradėta eksploatuoti pirmoji Kinijoje gamykla su intelektualiu valdymu kaip pagrindiniu elementu. Pastato plotas yra 200 m2, o aplinkos veiksniai, tokie kaip temperatūra, drėgmė, šviesa, CO2 ir maistinių medžiagų tirpalo koncentracija gamykloje, gali būti automatiškai stebimi realiuoju laiku, kad būtų galima įgyvendinti intelektualų valdymą.

2010 m. Pekine pastatyta Tongdžou gamykla. Pagrindinė konstrukcija pagaminta iš vieno sluoksnio lengvo plieno, o bendras pastato plotas – 1289 m2. Ji savo forma primena lėktuvnešį, simbolizuojantį Kinijos žemės ūkį, žengiantį pirmaujantį žingsnį į priekį diegiant pažangiausias šiuolaikinės žemės ūkio technologijas. Sukurta automatinė įranga kai kurioms lapinių daržovių auginimo operacijoms, kuri pagerino gamybos automatizavimo lygį ir gamyklos gamybos efektyvumą. Gamykloje naudojama geoterminio šilumos siurblio sistema ir saulės energijos gamybos sistema, kurios geriau išsprendžia didelių gamyklos eksploatavimo sąnaudų problemą.

Tongdžou gamyklos vidaus ir išorės vaizdas

2013 m. Janglingo žemės ūkio aukštųjų technologijų demonstracinėje zonoje, Šaansi provincijoje, buvo įkurta daug žemės ūkio technologijų įmonių. Dauguma statomų ir veikiančių gamyklų projektų yra žemės ūkio aukštųjų technologijų demonstraciniuose parkuose, kurie daugiausia naudojami populiariosios mokslo demonstracijoms ir laisvalaikio ekskursijoms. Dėl savo funkcinių apribojimų šioms populiariosios mokslo gamykloms sunku pasiekti didelį našumą ir didelį efektyvumą, kurio reikalauja industrializacija, ir ateityje joms bus sunku tapti pagrindine industrializacijos forma.

2015 m. vienas didžiausių Kinijos LED lustų gamintojų bendradarbiavo su Kinijos mokslų akademijos Botanikos institutu, siekdami kartu inicijuoti augalų gamyklos įmonės įkūrimą. Ji perėjo iš optoelektronikos pramonės į „fotobiologijos“ pramonę ir tapo precedentu Kinijos LED gamintojams investuoti į augalų gamyklų statybą industrializacijos metu. Jos augalų gamykla yra įsipareigojusi investuoti į pramonę besiformuojančioje fotobiologijoje, kuri integruoja mokslinius tyrimus, gamybą, demonstravimą, inkubaciją ir kitas funkcijas, o jos įstatinis kapitalas siekia 100 mln. juanių. 2016 m. birželį buvo baigta statyti ir pradėta eksploatuoti ši augalų gamykla su 3 aukštų pastatu, užimančiu 3000 m2 plotą ir daugiau nei 10 000 m2 auginimo plotą. Iki 2017 m. gegužės mėn. paros gamybos apimtis sieks 1500 kg lapinių daržovių, tai atitinka 15 000 salotų augalų per dieną.

Šios įmonės nuomonės

3. Augalų gamyklų plėtros problemos ir atsakomosios priemonės

3.1 Problemos

3.1.1 Didelės statybos išlaidos

Augalų fabrikuose derlius turi būti auginamas uždaroje aplinkoje. Todėl būtina statyti pagalbinius projektus ir įrangą, įskaitant išorines priežiūros konstrukcijas, oro kondicionavimo sistemas, dirbtinės šviesos šaltinius, daugiasluoksnes auginimo sistemas, maistinių medžiagų tirpalo cirkuliaciją ir kompiuterines valdymo sistemas. Statybos kaina yra gana didelė.

3.1.2 Didelės eksploatavimo išlaidos

Dauguma augalų gamykloms reikalingų šviesos šaltinių yra LED lempos, kurios sunaudoja daug elektros energijos, tuo pačiu užtikrindamos atitinkamą spektrą skirtingų kultūrų auginimui. Įranga, pavyzdžiui, oro kondicionavimas, vėdinimas ir vandens siurbliai augalų gamyklų gamybos procese, taip pat sunaudoja elektros energiją, todėl sąskaitos už elektrą yra didžiulės išlaidos. Remiantis statistika, tarp augalų gamyklų gamybos sąnaudų elektros energijos sąnaudos sudaro 29 %, darbo sąnaudos – 26 %, ilgalaikio turto nusidėvėjimas – 23 %, pakavimas ir transportavimas – 12 %, o gamybos medžiagos – 10 %.

Gamyklos gamybos sąnaudų suskirstymas

3.1.3 Žemas automatizavimo lygis

Šiuo metu naudojama augalų gamykla turi žemą automatizavimo lygį, o tokie procesai kaip daigų auginimas, persodinimas, sodinimas lauke ir derliaus nuėmimas vis dar reikalauja rankinio darbo, todėl darbo sąnaudos yra didelės.

3.1.4 Ribotas auginamų augalų veislių skaičius

Šiuo metu augalų fabrikams tinkamų augalų rūšių yra labai ribotas, daugiausia tai žalialapės daržovės, kurios greitai auga, lengvai toleruoja dirbtinės šviesos šaltinius ir turi žemą lają. Didelio masto sodinimas negali būti vykdomas dėl sudėtingų sodinimo reikalavimų (pvz., augalų, kuriuos reikia apdulkinti ir pan.).

3.2 Plėtros strategija

Atsižvelgiant į gamyklų gamyklų pramonės problemas, būtina atlikti tyrimus įvairiais aspektais, tokiais kaip technologijos ir eksploatavimas. Reaguojant į esamas problemas, imtasi šių atsakomųjų priemonių.

(1) Sustiprinti pažangių gamyklų technologijų tyrimus ir gerinti intensyvaus bei rafinuoto valdymo lygį. Pažangios valdymo ir kontrolės sistemos sukūrimas padeda pasiekti intensyvų ir rafinuotą gamyklų valdymą, o tai gali gerokai sumažinti darbo sąnaudas ir sutaupyti darbo jėgos.

(2) Kurti intensyvią ir efektyvią gamyklų techninę įrangą, kad būtų pasiekta aukšta metinė kokybė ir didelis derlius. Didelio efektyvumo auginimo įrenginių ir įrangos, energiją taupančių apšvietimo technologijų ir įrangos ir kt. kūrimas, siekiant pagerinti gamyklų intelektualųjį lygį, yra palankus metinės didelio efektyvumo gamybos įgyvendinimui.

(3) Atlikti didelės pridėtinės vertės augalų, tokių kaip vaistiniai augalai, sveikatos priežiūros augalai ir retos daržovės, pramoninio auginimo technologijų tyrimus, didinti augalų fabrikuose auginamų augalų rūšių skaičių, plėsti pelno kanalus ir gerinti pelno pradinį tašką.

(4) Atlikti tyrimus apie augalų gamyklas, skirtas naudoti namuose ir komerciniais tikslais, praturtinti augalų gamyklų tipus ir užtikrinti nuolatinį pelningumą įvairiomis funkcijomis.

4. Augalų gamyklos plėtros tendencijos ir perspektyvos

4.1 Technologijų plėtros tendencijos

4.1.1 Viso proceso intelektualizavimas

Remiantis mašininio meno sintezės ir nuostolių prevencijos mechanizmu pasėlių ir robotų sistemoje, turėtų būti sukurti didelės spartos lankstūs ir neardomieji sodinimo ir derliaus nuėmimo galiniai efektoriai, paskirstytos daugiamatės erdvės tikslaus padėties nustatymo ir daugiamodaliniai daugiamačiai bendradarbiavimo valdymo metodai bei nepilotuojama, efektyvi ir neardomoji sėja daugiaaukščiuose augalų fabrikuose. Turėtų būti sukurti išmanūs robotai ir pagalbinė įranga, tokia kaip sodinimas, derliaus nuėmimas ir pakavimas, taip realizuojant nepilotuojamą viso proceso veikimą.

4.1.2 Padarykite gamybos kontrolę išmanesnę

Remiantis augalų augimo ir vystymosi reakcijos į šviesos spinduliuotę, temperatūrą, drėgmę, CO2 koncentraciją, maistinių medžiagų tirpalo maistinių medžiagų koncentraciją ir elektros energijos sąnaudas (EC) mechanizmu, turėtų būti sukurtas kiekybinis augalų ir aplinkos grįžtamojo ryšio modelis. Turėtų būti sukurtas strateginis pagrindinis modelis, skirtas dinamiškai analizuoti lapinių daržovių gyvavimo informaciją ir gamybos aplinkos parametrus. Taip pat turėtų būti sukurta internetinė dinaminio identifikavimo, diagnostikos ir procesų valdymo sistema aplinkai. Turėtų būti sukurta daugiamačio bendradarbiaujanti dirbtinio intelekto sprendimų priėmimo sistema visam didelio masto vertikalios žemės ūkio gamyklos gamybos procesui.

4.1.3 Mažai anglies dioksido į aplinką išskirianti gamyba ir energijos taupymas

Sukurti energijos valdymo sistemą, kuri naudotų atsinaujinančius energijos šaltinius, tokius kaip saulės ir vėjo energija, energijos perdavimui ir energijos suvartojimo kontrolei, siekiant optimalių energijos valdymo tikslų. CO2 išmetimo surinkimas ir pakartotinis panaudojimas pasėlių auginimui skatinti.

4.1.3 Didelė aukščiausios kokybės veislių vertė

Reikėtų imtis įgyvendinamų strategijų, kaip išvesti skirtingas didelės pridėtinės vertės veisles sodinimo eksperimentams, sukurti auginimo technologijų ekspertų duomenų bazę, atlikti auginimo technologijų, tankumo parinkimo, ražienų išdėstymo, veislių ir įrangos pritaikomumo tyrimus bei suformuoti standartines auginimo technines specifikacijas.

4.2 Pramonės plėtros perspektyvos

Augalų gamyklos gali atsikratyti išteklių ir aplinkos apribojimų, realizuoti industrializuotą žemės ūkio gamybą ir pritraukti naujos kartos darbo jėgą užsiimti žemės ūkio gamyba. Pagrindinės technologinės inovacijos ir Kinijos augalų gamyklų industrializacija tampa pasauline lydere. Sparčiau taikant LED šviesos šaltinius, skaitmeninimą, automatizavimą ir išmaniąsias technologijas augalų gamyklų srityje, augalų gamyklos pritrauks daugiau kapitalo investicijų, talentų telkimo ir daugiau naujos energijos, naujų medžiagų ir naujos įrangos naudojimo. Tokiu būdu galima įgyvendinti išsamią informacinių technologijų, įrenginių ir įrangos integraciją, pagerinti išmaniųjų ir nepilotuojamų įrenginių bei įrangos lygį, nuolat mažinti sistemos energijos suvartojimą ir eksploatavimo išlaidas nuolat diegiant inovacijas ir palaipsniui plėtojant specializuotas rinkas, išmaniosios augalų gamyklos pradės aukso vystymosi laikotarpį.

Remiantis rinkos tyrimų ataskaitomis, pasaulinės vertikaliosios žemdirbystės rinkos dydis 2020 m. siekė tik 2,9 mlrd. JAV dolerių, o tikimasi, kad iki 2025 m. pasaulinės vertikaliosios žemdirbystės rinkos dydis pasieks 30 mlrd. JAV dolerių. Apibendrinant galima teigti, kad augalų gamyklos turi plačias taikymo perspektyvas ir plėtros erdvę.

Autorius: Zengchan Zhou, Weidong ir kt

Citavimo informacija:Dabartinė augalų gamyklų pramonės plėtros situacija ir perspektyvos [J]. Žemės ūkio inžinerijos technologijos, 2022, 42(1): 18–23.Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li ir kt.