Kopsavilkums: Pēdējos gados, nepārtraukti pētot modernās lauksaimniecības tehnoloģijas, arī augu rūpnīcas nozare ir strauji attīstījusies.Šis raksts iepazīstina ar augu rūpnīcu tehnoloģiju un nozares attīstības status quo, esošajām problēmām un attīstības pretpasākumiem, kā arī gaida augu rūpnīcu attīstības tendences un perspektīvas nākotnē.

1. Pašreizējais tehnoloģiju attīstības statuss augu rūpnīcās Ķīnā un ārvalstīs

1.1. Ārvalstu tehnoloģiju attīstības status quo

Kopš 21. gadsimta augu rūpnīcu pētījumi galvenokārt ir vērsti uz gaismas efektivitātes uzlabošanu, daudzslāņu trīsdimensiju kultivēšanas sistēmu iekārtu izveidi, kā arī viedās vadības un kontroles izpēti un izstrādi.21. gadsimtā lauksaimniecības LED gaismas avotu inovācija ir guvusi progresu, nodrošinot nozīmīgu tehnisko atbalstu LED enerģiju taupošu gaismas avotu izmantošanai rūpnīcās.Čibas universitāte Japānā ir ieviesusi vairākus jauninājumus augstas efektivitātes gaismas avotos, enerģijas taupīšanas vides kontrolē un kultivēšanas tehnikās.Vāgeningenas universitāte Nīderlandē izmanto augkopības vides simulācijas un dinamiskās optimizācijas tehnoloģiju, lai izstrādātu inteliģentu iekārtu sistēmu rūpnīcu rūpnīcām, kas ievērojami samazina ekspluatācijas izmaksas un būtiski uzlabo darba ražīgumu.

Pēdējos gados rūpnīcās pamazām ir realizēta ražošanas procesu pusautomatizācija no sēšanas, stādu audzēšanas, pārstādīšanas un ražas novākšanas.Japāna, Nīderlande un ASV atrodas priekšgalā ar augstu mehanizācijas, automatizācijas un inteliģences pakāpi, un tās attīstās vertikālās lauksaimniecības un bezpilota darbības virzienā.

1.2 Tehnoloģiju attīstības statuss Ķīnā

1.2.1. Specializēts LED gaismas avots un enerģijas taupīšanas tehnoloģiju aprīkojums mākslīgajam apgaismojumam rūpnīcā

Cits pēc cita ir izstrādāti īpaši sarkani un zili LED gaismas avoti dažādu augu sugu ražošanai augu rūpnīcās.Jauda svārstās no 30 līdz 300 W, un apstarošanas gaismas intensitāte ir no 80 līdz 500 μmol/(m2•s), kas var nodrošināt gaismas intensitāti ar atbilstošu sliekšņa diapazonu, gaismas kvalitātes parametriem, lai sasniegtu augstas efektivitātes efektu. enerģijas taupīšana un pielāgošanās augu augšanas un apgaismojuma vajadzībām.Runājot par gaismas avota siltuma izkliedes pārvaldību, ir ieviests gaismas avota ventilatora aktīvā karstuma izkliedes dizains, kas samazina gaismas avota gaismas samazinājuma ātrumu un nodrošina gaismas avota dzīvi.Turklāt tiek piedāvāta metode, kā samazināt LED gaismas avota siltumu, izmantojot barības vielu šķīdumu vai ūdens cirkulāciju.Gaismas avota telpas pārvaldības ziņā saskaņā ar augu lieluma evolūcijas likumu stādu stadijā un vēlākā stadijā, izmantojot LED gaismas avota vertikālās telpas kustības vadību, augu nojume var tikt apgaismota no tuva attāluma, un enerģijas taupīšanas mērķis ir sasniegts.Pašlaik mākslīgās gaismas rūpnīcas gaismas avota enerģijas patēriņš var būt 50% līdz 60% no rūpnīcas kopējā darbības enerģijas patēriņa.Lai gan LED var ietaupīt 50% enerģijas salīdzinājumā ar dienasgaismas spuldzēm, joprojām pastāv potenciāls un nepieciešamība veikt pētījumus par enerģijas taupīšanu un patēriņa samazināšanu.

1.2.2. Daudzslāņu trīsdimensiju kultivēšanas tehnoloģija un aprīkojums

Daudzslāņu trīsdimensiju kultivēšanas slāņu atstarpe ir samazināta, jo gaismas diode aizstāj dienasgaismas spuldzi, kas uzlabo augu audzēšanas trīsdimensiju telpas izmantošanas efektivitāti.Ir daudz pētījumu par kultivēšanas dobes dibena dizainu.Paaugstinātās svītras ir paredzētas, lai radītu turbulentu plūsmu, kas var palīdzēt augu saknēm vienmērīgi absorbēt barības vielas barības šķīdumā un palielināt izšķīdušā skābekļa koncentrāciju.Izmantojot kolonizācijas dēli, ir divas kolonizācijas metodes, tas ir, dažāda izmēra plastmasas kolonizācijas krūzes vai sūkļa perimetra kolonizācijas režīms.Ir parādījusies bīdāma kultivēšanas dobes sistēma, un stādāmo dēli un uz tā esošos augus var manuāli bīdīt no viena gala uz otru, realizējot ražošanas režīmu stādīšana vienā kultivēšanas dobes galā un ražas novākšana otrā galā.Pašlaik ir izstrādātas dažādas trīsdimensiju daudzslāņu bezaugsnes kultivēšanas tehnoloģijas un iekārtas, kuru pamatā ir barības vielu šķidruma plēves tehnoloģija un dziļās šķidruma plūsmas tehnoloģija, un tehnoloģija un aprīkojums zemeņu substrātu audzēšanai, lapu dārzeņu un ziedu audzēšanai ar aerosolu. ir izcēlušies.Minētā tehnoloģija ir strauji attīstījusies.

1.2.3. Uzturvielu šķīdumu aprites tehnoloģija un aprīkojums

Pēc tam, kad uzturvielu šķīdums ir lietots kādu laiku, ir nepieciešams pievienot ūdeni un minerālelementus.Parasti no jauna pagatavotā barības vielu šķīduma daudzumu un skābju-bāzes šķīduma daudzumu nosaka, mērot EC un pH.Lielas nogulumu vai sakņu pīlinga daļiņas barības vielu šķīdumā ir jānoņem ar filtru.Sakņu eksudātus barības vielu šķīdumā var noņemt ar fotokatalītiskām metodēm, lai izvairītos no nepārtrauktiem hidroponikas apgriešanas šķēršļiem, taču uzturvielu pieejamībā pastāv zināmi riski.

1.2.4. Vides kontroles tehnoloģija un aprīkojums

Ražošanas telpas gaisa tīrība ir viens no svarīgiem rūpnīcas gaisa kvalitātes rādītājiem.Gaisa tīrība (suspendēto daļiņu un nosēdušo baktēriju indikatori) rūpnīcas ražošanas telpā dinamiskos apstākļos jākontrolē līdz līmenim virs 100 000.Materiālu dezinfekcijas ievade, ienākošā personāla gaisa dušas apstrāde un svaiga gaisa cirkulācijas gaisa attīrīšanas sistēma (gaisa filtrēšanas sistēma) ir visi galvenie drošības pasākumi.Gaisa temperatūra un mitrums, CO2 koncentrācija un gaisa plūsmas ātrums ražošanas telpā ir vēl viens svarīgs gaisa kvalitātes kontroles saturs.Saskaņā ar ziņojumiem, uzstādot aprīkojumu, piemēram, gaisa maisīšanas kastes, gaisa vadus, gaisa ieplūdes un gaisa izplūdes atveres, var vienmērīgi kontrolēt temperatūru un mitrumu, CO2 koncentrāciju un gaisa plūsmas ātrumu ražošanas telpā, lai panāktu augstu telpisko viendabīgumu un apmierinātu augu vajadzības. dažādās telpiskās vietās.Temperatūras, mitruma un CO2 koncentrācijas kontroles sistēma un svaigā gaisa sistēma ir organiski integrēta cirkulējošā gaisa sistēmā.Trīs sistēmām ir jāsadala gaisa vads, gaisa ieplūdes un gaisa izplūdes atvere un jānodrošina jauda caur ventilatoru, lai nodrošinātu gaisa plūsmas cirkulāciju, filtrēšanu un dezinfekciju, kā arī gaisa kvalitātes atjaunināšanu un vienmērīgumu.Tas nodrošina, ka augu rūpnīcā augu produkcija ir brīva no kaitēkļiem un slimībām, un nav nepieciešama pesticīdu lietošana.Tajā pašā laikā tiek garantēts, ka augšanas vides elementu temperatūras, mitruma, gaisa plūsmas vienveidība un CO2 koncentrācija ir apmierināta ar augu augšanas vajadzībām.

2. Augu rūpnīcas attīstības statuss

2.1. Ārvalstu augu rūpnīcu nozares status quo

Japānā mākslīgās gaismas augu rūpnīcu pētniecība un attīstība un industrializācija notiek salīdzinoši ātri, un tās ir vadošajā līmenī.2010. gadā Japānas valdība uzsāka 50 miljardus jenu, lai atbalstītu tehnoloģiju pētniecību un attīstību un rūpniecisko demonstrāciju.Piedalījās astoņas institūcijas, tostarp Čibas Universitāte un Japānas Augu fabriku pētniecības asociācija.Uzņēmums Japan Future Company uzņēmās un vadīja pirmo rūpnīcas rūpnīcas industrializācijas demonstrācijas projektu ar ikdienas produkciju 3000 rūpnīcu.2012. gadā rūpnīcas ražošanas pašizmaksa bija 700 jenas/kg.2014. gadā tika pabeigta moderna rūpnīcas rūpnīca Taga pilī, Mijagi prefektūrā, kļūstot par pasaulē pirmo LED rūpnīcu rūpnīcu ar 10 000 rūpnīcu dienā.Kopš 2016. gada LED rūpnīcas Japānā ir iekļuvušas straujajā industrializācijas joslā, un viens pēc otra ir radušies rentabli vai rentabli uzņēmumi.2018. gadā viena pēc otras parādījās liela mēroga rūpnīcas ar ikdienas ražošanas jaudu no 50 000 līdz 100 000 rūpnīcu, un globālās rūpnīcas attīstījās uz liela mēroga, profesionālu un inteliģentu attīstību.Tajā pašā laikā Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power un citas jomas sāka investēt rūpnīcu rūpnīcās.Japānas augu rūpnīcās ražoto salātu tirgus daļa 2020. gadā veidos aptuveni 10% no visa salātu tirgus.No vairāk nekā 250 mākslīgās gaismas tipa augu rūpnīcām, kas pašlaik darbojas, 20% ir zaudējumu stadijā, 50% ir rentabilitātes līmenī un 30% ir rentabla stadijā, iesaistot kultivētās augu sugas, piemēram, salāti, garšaugi un stādi.

Nīderlande ir īsts pasaules līderis saules gaismas un mākslīgās gaismas kombinētās pielietošanas tehnoloģiju jomā augu rūpnīcām ar augstu mehanizācijas, automatizācijas, inteliģences un bezpilota līmeņa līmeni, un tagad tā ir eksportējusi pilnu tehnoloģiju un aprīkojuma komplektu kā spēcīgu. produktus uz Tuvajiem Austrumiem, Āfriku, Ķīnu un citām valstīm.American AeroFarms ferma atrodas Ņūarkā, Ņūdžersijā, ASV, ar platību 6500 m2.Tajā galvenokārt audzē dārzeņus un garšvielas, un izlaide ir ap 900 t/gadā.

Vertikālā lauksaimniecība AeroFarms

Plenty Company vertikālo lauksaimniecības augu rūpnīca Amerikas Savienotajās Valstīs izmanto LED apgaismojumu un vertikālu stādīšanas rāmi ar 6 m augstumu.Augi aug no stādītāju sāniem.Paļaujoties uz gravitācijas laistīšanu, šai stādīšanas metodei nav nepieciešami papildu sūkņi un tā ir efektīvāka ūdens patēriņa ziņā nekā parastā lauksaimniecība.Daudzi apgalvo, ka viņa saimniecība saražo 350 reizes vairāk nekā parastā ferma, vienlaikus izmantojot tikai 1% ūdens.

Vertikālo lauksaimniecības augu rūpnīca, Plenty Company

2.2 Statuss augu rūpnīcas nozarē Ķīnā

2009. gadā Čančuņas lauksaimniecības izstāžu parkā tika uzbūvēta un nodota ekspluatācijā pirmā ražotnes rūpnīca Ķīnā ar viedo vadību kā kodolu.Ēkas platība ir 200 m2, un tādus vides faktorus kā temperatūra, mitrums, gaisma, CO2 un barības vielu šķīdumu koncentrācija rūpnīcā var tikt automātiski uzraudzīta reāllaikā, lai realizētu inteliģentu pārvaldību.

2010. gadā Pekinā uzcēla Tongdžou rūpnīcu.Galvenā konstrukcija izmanto viena slāņa vieglā tērauda konstrukciju ar kopējo būvniecības platību 1289 m2.Tas ir veidots kā gaisa kuģa pārvadātājs, kas simbolizē Ķīnas lauksaimniecību, kas uzņemas vadību, virzoties uz modernākajām lauksaimniecības tehnoloģijām.Ir izstrādātas automātiskās iekārtas dažām lapu dārzeņu ražošanas darbībām, kas ir uzlabojušas rūpnīcas ražošanas automatizācijas līmeni un ražošanas efektivitāti.Rūpnīcas rūpnīcā tiek izmantota zemes siltumsūkņu sistēma un saules enerģijas ražošanas sistēma, kas labāk atrisina rūpnīcas augsto ekspluatācijas izmaksu problēmu.

Skats no Tongzhou rūpnīcas iekšpuses un ārpuses

2013. gadā Shaanxi provincē Yangling lauksaimniecības augsto tehnoloģiju demonstrācijas zonā tika izveidoti daudzi lauksaimniecības tehnoloģiju uzņēmumi.Lielākā daļa būvniecības un ekspluatācijas stadijā esošo rūpnīcu projektu atrodas lauksaimniecības augsto tehnoloģiju demonstrāciju parkos, kurus galvenokārt izmanto populārzinātniskiem demonstrējumiem un atpūtas apskatei.Funkcionālo ierobežojumu dēļ šīm populārzinātniskajām augu rūpnīcām ir grūti sasniegt industrializācijai nepieciešamo augsto ražu un augstu efektivitāti, un nākotnē tām būs grūti kļūt par galveno industrializācijas veidu.

2015. gadā liels LED mikroshēmu ražotājs Ķīnā sadarbojās ar Ķīnas Zinātņu akadēmijas Botānikas institūtu, lai kopīgi uzsāktu augu rūpnīcas uzņēmuma izveidi.Tā ir pārgājusi no optoelektronikas nozares uz “fotobioloģisko” nozari un ir kļuvusi par precedentu Ķīnas LED ražotājiem, kas investē rūpnīcu rūpnīcu celtniecībā industrializācijā.Tās rūpnīcas rūpnīca ir apņēmusies veikt rūpnieciskas investīcijas jaunajā fotobioloģijā, kas integrē zinātnisko izpēti, ražošanu, demonstrējumus, inkubāciju un citas funkcijas un kuras reģistrētais kapitāls ir 100 miljoni juaņu.2016. gada jūnijā šī Stādu fabrika ar 3 stāvu ēku 3000 m2 platībā un vairāk nekā 10 000 m2 audzēšanas platību tika pabeigta un nodota ekspluatācijā.Līdz 2017. gada maijam ikdienas ražošanas apjoms būs 1500 kg lapu dārzeņu, kas atbilst 15 000 salātu stādiem dienā.

Šī uzņēmuma viedokļi

3. Problēmas un pretpasākumi, ar ko saskaras rūpnīcu fabriku attīstība

3.1 Problēmas

3.1.1 Augstas būvniecības izmaksas

Rūpnīcām kultūra jāražo slēgtā vidē.Tāpēc ir jāizveido atbalsta projekti un aprīkojums, tostarp ārējās apkopes struktūras, gaisa kondicionēšanas sistēmas, mākslīgie gaismas avoti, daudzslāņu kultivēšanas sistēmas, barības vielu šķīduma cirkulācija un datorvadības sistēmas.Būvniecības izmaksas ir salīdzinoši augstas.

3.1.2. Augstas ekspluatācijas izmaksas

Lielākā daļa augu rūpnīcām nepieciešamo gaismas avotu nāk no LED gaismām, kas patērē daudz elektrības, vienlaikus nodrošinot atbilstošu spektru dažādu kultūru audzēšanai.Arī tādas iekārtas kā gaisa kondicionēšana, ventilācija, ūdens sūkņi rūpnīcu rūpnīcu ražošanas procesā patērē elektrību, tāpēc elektrības rēķini ir milzīgi izdevumi.Kā liecina statistika, starp rūpnīcu ražotņu ražošanas izmaksām elektroenerģijas izmaksas veido 29%, darbaspēka izmaksas veido 26%, pamatlīdzekļu nolietojums - 23%, iepakojums un transportēšana - 12%, ražošanas materiāli - 10%.

Rūpnīcas ražošanas izmaksu sadalījums

3.1.3. Zems automatizācijas līmenis

Pašlaik izmantotajā augu rūpnīcā ir zems automatizācijas līmenis, un tādiem procesiem kā stādīšana, pārstādīšana, lauka stādīšana un ražas novākšana joprojām ir nepieciešamas manuālas darbības, kā rezultātā ir augstas darbaspēka izmaksas.

3.1.4. Ierobežotas kultivējamo kultūraugu šķirnes

Pašlaik augu rūpnīcām piemērotu kultūru veidi ir ļoti ierobežoti, galvenokārt zaļi lapu dārzeņi, kas strauji aug, viegli pieņem mākslīgos gaismas avotus un kuriem ir zems nojume.Liela apjoma stādīšanu nevar veikt sarežģītu stādīšanas prasību gadījumā (piemēram, kultūraugiem, kuriem nepieciešams apputeksnēšana utt.).

3.2. Attīstības stratēģija

Ņemot vērā problēmas, ar kurām saskaras rūpnīcu rūpniecība, ir nepieciešams veikt pētījumus no dažādiem aspektiem, piemēram, tehnoloģijas un darbības.Reaģējot uz pašreizējām problēmām, pretpasākumi ir šādi.

(1) Stiprināt rūpnīcu rūpnīcu viedo tehnoloģiju izpēti un uzlabot intensīvas un rafinētas pārvaldības līmeni.Inteliģentas vadības un kontroles sistēmas izstrāde palīdz panākt intensīvu un rafinētu rūpnīcu vadību, kas var ievērojami samazināt darbaspēka izmaksas un ietaupīt darbaspēku.

(2) Izstrādāt intensīvu un efektīvu augu rūpnīcas tehnisko aprīkojumu, lai sasniegtu gada augstas kvalitātes un augstas ražas.Augstas efektivitātes audzēšanas iekārtu un iekārtu, energotaupības apgaismojuma tehnoloģiju un iekārtu u.c. attīstība, lai uzlabotu augu rūpnīcu viedo līmeni, veicina ikgadējas augstas efektivitātes ražošanas realizāciju.

(3) Veikt rūpnieciskās audzēšanas tehnoloģiju izpēti augiem ar augstu pievienoto vērtību, piemēram, ārstniecības augiem, veselības aprūpes augiem un retiem dārzeņiem, palielināt augu rūpnīcās kultivēto kultūru veidus, paplašināt peļņas kanālus un uzlabot peļņas sākumpunktu. .

(4) Veikt izpēti par rūpnīcām mājsaimniecībai un komerciālai lietošanai, bagātināt augu rūpnīcu veidus un panākt nepārtrauktu rentabilitāti ar dažādām funkcijām.

4. Augu fabrikas attīstības tendence un perspektīva

4.1. Tehnoloģiju attīstības tendence

4.1.1. Pilna procesa intelektualizācija

Balstoties uz ražas-robotu sistēmas mašīnu saplūšanas un zudumu novēršanas mehānismu, ātrgaitas elastīgu un nesagraujošu stādīšanu un ražas novākšanu gala efektoriem, sadalītām daudzdimensionālām telpām precīza pozicionēšana un daudzmodālu daudzveidīgu sadarbības vadības metodes, un bezpilota, efektīva un nesagraujoša sēšana ar daudzstāvu rūpnīcām-ir jāizveido roboti un atbalsta aprīkojums, piemēram, stādīšanas novākšanas iesaiņošana, tādējādi realizējot visa procesa bezpilota darbību.

4.1.2. Padarīt ražošanas kontroli gudrāku

Pamatojoties uz kultūraugu augšanas un attīstības reakcijas mehānismu uz gaismas starojumu, temperatūru, mitrumu, CO2 koncentrāciju, barības vielu koncentrāciju barības vielu šķīdumā un EK, ir jāizveido kvantitatīvs kultūraugu un vides atgriezeniskās saites modelis.Jāizveido stratēģiskais pamatmodelis, lai dinamiski analizētu lapu dārzeņu dzīves informāciju un ražošanas vides parametrus.Jāizveido arī vides tiešsaistes dinamiskās identifikācijas diagnostikas un procesa kontroles sistēma.Būtu jāizveido vairāku iekārtu sadarbības mākslīgā intelekta lēmumu pieņemšanas sistēma visam liela apjoma vertikālās lauksaimniecības rūpnīcas ražošanas procesam.

4.1.3. Zema oglekļa satura ražošana un enerģijas taupīšana

Energopārvaldības sistēmas izveide, kas izmanto atjaunojamos enerģijas avotus, piemēram, sauli un vēju, lai pabeigtu enerģijas pārvadi, un enerģijas patēriņa kontrole, lai sasniegtu optimālus enerģijas pārvaldības mērķus.CO2 emisiju uztveršana un atkārtota izmantošana, lai palīdzētu augkopībai.

4.1.3. Augsta augstākās kvalitātes šķirņu vērtība

Jāizmanto iespējamas stratēģijas, lai audzētu dažādas augstas pievienotās vērtības šķirnes stādīšanas eksperimentiem, izveidotu audzēšanas tehnoloģiju ekspertu datubāzi, veiktu pētījumus par audzēšanas tehnoloģiju, blīvuma izvēli, rugāju izvietojumu, šķirņu un aprīkojuma pielāgošanas iespējām un veidotu standarta audzēšanas tehniskās specifikācijas.

4.2. Nozares attīstības perspektīvas

Rūpnīcas var atbrīvoties no resursu un vides ierobežojumiem, realizēt lauksaimniecības industrializēto ražošanu un piesaistīt jaunās paaudzes darbaspēku, lai iesaistītos lauksaimnieciskajā ražošanā.Galvenie Ķīnas augu rūpnīcu tehnoloģiskās inovācijas un industrializācija kļūst par pasaules līderi.Paātrinot LED gaismas avota, digitalizācijas, automatizācijas un viedo tehnoloģiju pielietošanu augu rūpnīcu jomā, rūpnīcas piesaistīs vairāk kapitālieguldījumu, talantu apkopošanu un vairāk jaunas enerģijas, jaunu materiālu un jaunu iekārtu izmantošanu.Tādā veidā var īstenot padziļinātu informācijas tehnoloģiju un iekārtu un aprīkojuma integrāciju, uzlabot iekārtu un aprīkojuma viedo un bezpilota līmeni, nepārtraukti samazināt sistēmas enerģijas patēriņu un ekspluatācijas izmaksas, izmantojot nepārtrauktas inovācijas, kā arī pakāpeniski. specializētu tirgu audzēšana, viedās augu rūpnīcas ievadīs zelta attīstības periodu.

Saskaņā ar tirgus izpētes ziņojumiem globālais vertikālās lauksaimniecības tirgus apjoms 2020. gadā ir tikai 2,9 miljardi ASV dolāru, un ir sagaidāms, ka līdz 2025. gadam globālais vertikālās lauksaimniecības tirgus apjoms sasniegs 30 miljardus ASV dolāru.Rezumējot, rūpnīcu rūpnīcām ir plašas pielietojuma iespējas un attīstības telpa.

Autors: Zengchan Zhou, Weidong utt

Informācija par citātu:Augu fabriku rūpniecības attīstības pašreizējā situācija un perspektīvas [J].Lauksaimniecības inženierijas tehnoloģija, 2022, 42(1): 18-23.Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li u.c.