Kopsavilkums: Pēdējos gados, nepārtraukti attīstoties mūsdienu lauksaimniecības tehnoloģijām, strauji attīstījusies arī augu rūpnīcu nozare. Šajā rakstā ir sniegts pārskats par pašreizējo stāvokli, esošajām problēmām un attīstības pretpasākumiem augu rūpnīcu tehnoloģiju un nozares attīstībā, kā arī aplūkotas augu rūpnīcu attīstības tendences un perspektīvas nākotnē.

1. Pašreizējais tehnoloģiju attīstības stāvoklis 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 intelektuālas vadības un kontroles izpēti un attīstību. 21. gadsimtā ir panākts progress lauksaimniecības LED gaismas avotu inovācijās, kas sniedz svarīgu tehnisko atbalstu LED enerģiju taupošu gaismas avotu izmantošanai augu rūpnīcās. Čibas Universitāte Japānā ir ieviesusi vairākus jauninājumus augstas efektivitātes gaismas avotos, enerģiju taupošā vides kontrolē un kultivēšanas tehnikās. Vageningenas Universitāte Nīderlandē izmanto kultūraugu vides simulācijas un dinamiskās optimizācijas tehnoloģiju, lai izstrādātu intelektuālu iekārtu sistēmu augu rūpnīcām, kas ievērojami samazina ekspluatācijas izmaksas un ievērojami uzlabo darba ražīgumu.

Pēdējos gados augu rūpnīcas ir pakāpeniski ieviesušas ražošanas procesu daļēju automatizāciju, sākot no sēšanas, stādu audzēšanas, pārstādīšanas un ražas novākšanas. Japāna, Nīderlande un Amerikas Savienotās Valstis ir priekšgalā ar augstu mehanizācijas, automatizācijas un intelekta pakāpi un attīstās vertikālās lauksaimniecības un bezpilota darbības virzienā.

1.2 Tehnoloģiju attīstības statuss Ķīnā

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

Augu fabrikās dažādu augu sugu audzēšanai viens pēc otra ir izstrādāti speciāli sarkani un zili LED gaismas avoti. Jauda ir no 30 līdz 300 W, un apstarošanas gaismas intensitāte ir no 80 līdz 500 μmol/(m2•s), kas var nodrošināt gaismas intensitāti ar atbilstošu robežvērtību diapazonu un gaismas kvalitātes parametriem, lai panāktu augstas efektivitātes enerģijas taupīšanas efektu un pielāgotos augu augšanas un apgaismojuma vajadzībām. Runājot par gaismas avota siltuma izkliedes pārvaldību, ir ieviesta gaismas avota ventilatora aktīvā siltuma izkliedes konstrukcija, kas samazina gaismas avota gaismas sabrukšanas ātrumu un nodrošina gaismas avota kalpošanas laiku. Turklāt tiek piedāvāta metode LED gaismas avota siltuma samazināšanai, izmantojot barības vielu šķīdumu vai ūdens cirkulāciju. Runājot par gaismas avota telpas pārvaldību, saskaņā ar auga lieluma evolūcijas likumu stādu stadijā un vēlākā stadijā, izmantojot LED gaismas avota vertikālās telpas kustības pārvaldību, auga vainagu var apgaismot nelielā attālumā un sasniegt enerģijas taupīšanas mērķi. Pašlaik mākslīgā apgaismojuma rūpnīcas gaismas avotu enerģijas patēriņš var veidot 50–60 % no rūpnīcas kopējā ekspluatācijas 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 tiek samazināta, jo LED aizstāj dienasgaismas spuldzi, kas uzlabo augu kultivēšanas trīsdimensiju telpas izmantošanas efektivitāti. Ir veikti daudzi pētījumi par kultivēšanas dobes dibena dizainu. Paceltās svītras ir paredzētas turbulentas plūsmas radīšanai, kas var palīdzēt augu saknēm vienmērīgi absorbēt barības vielas barības vielu šķīdumā un palielināt izšķīdušā skābekļa koncentrāciju. Izmantojot kolonizācijas dēli, ir divas kolonizācijas metodes, proti, dažāda izmēra plastmasas kolonizācijas krūzītes vai sūkļa perimetra kolonizācijas režīms. Ir parādījusies bīdāma kultivēšanas dobes sistēma, un stādīšanas dēli un uz tā esošos augus var manuāli pārvietot no viena gala uz otru, realizējot ražošanas režīmu, stādot vienā kultivēšanas dobes galā un novācot ražu 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 ir parādījusies tehnoloģija un aprīkojums zemeņu substrātu kultivēšanai, lapu dārzeņu un ziedu aerosola kultivēšanai. Minētā tehnoloģija ir strauji attīstījusies.

1.2.3 Barības vielu šķīduma cirkulācijas tehnoloģija un aprīkojums

Pēc tam, kad barības vielu šķīdums ir kādu laiku lietots, ir nepieciešams pievienot ūdeni un minerālvielas. Parasti jaunizgatavotā barības vielu šķīduma daudzumu un skābju-bāzes šķīduma daudzumu nosaka, mērot elektrokontensitāti (EC) un pH. Lielas nogulumu vai sakņu lobīšanās daļiņas barības vielu šķīdumā ir jāatdala ar filtru. Sakņu eksudātus barības vielu šķīdumā var noņemt ar fotokatalītiskām metodēm, lai izvairītos no nepārtrauktas kultūraugu augšanas šķēršļiem hidroponikā, taču pastāv zināms barības vielu pieejamības risks.

1.2.4 Vides kontroles tehnoloģijas un iekārtas

Ražošanas telpas gaisa tīrība ir viens no svarīgākajiem rūpnīcas gaisa kvalitātes rādītājiem. Dinamiskos apstākļos gaisa tīrība (suspendēto daļiņu un nosēdušos baktēriju rādītāji) rūpnīcas ražošanas telpā jākontrolē virs 100 000. Materiālu dezinfekcijas ievade, ienākošā personāla gaisa dušas apstrāde un svaiga gaisa cirkulācijas gaisa attīrīšanas sistēma (gaisa filtrācijas sistēma) ir pamata drošības pasākumi. Gaisa temperatūra un mitrums, CO2 koncentrācija un gaisa plūsmas ātrums ražošanas telpā ir vēl viens svarīgs gaisa kvalitātes kontroles elements. Saskaņā ar ziņojumiem, uzstādot tādus aprīkojuma elementus kā gaisa sajaukšanas kastes, gaisa vadi, gaisa ieplūdes un izplūdes atveres, var vienmērīgi kontrolēt temperatūru un mitrumu, CO2 koncentrāciju un gaisa plūsmas ātrumu ražošanas telpā, lai panāktu augstu telpisko vienmērīgumu un apmierinātu rūpnīcas vajadzības dažādās telpiskās vietās. Temperatūras, mitruma un CO2 koncentrācijas kontroles sistēma un svaiga gaisa sistēma ir organiski integrētas cirkulējošā gaisa sistēmā. Visām trim sistēmām ir jākoplieto gaisa vads, gaisa ieplūde un izplūde, un jānodrošina jauda caur ventilatoru, lai nodrošinātu gaisa plūsmas cirkulāciju, filtrēšanu un dezinfekciju, kā arī gaisa kvalitātes atjaunināšanu un vienmērīgumu. Tas nodrošina, ka augu audzēšana augu fabrikā ir brīva no kaitēkļiem un slimībām, un nav nepieciešama pesticīdu lietošana. Vienlaikus tiek garantēta augšanas vides elementu temperatūras, mitruma, gaisa plūsmas un CO2 koncentrācijas vienmērīgums lapotnē, lai apmierinātu augu augšanas vajadzības.

2. Augu rūpnīcu nozares attīstības statuss

2.1 Ārvalstu augu rūpnīcu nozares status quo

Japānā mākslīgā apgaismojuma iekārtu rūpnīcu pētniecība, attīstība un industrializācija notiek samērā strauji, un tās ir vadošajā līmenī. 2010. gadā Japānas valdība piešķīra 50 miljardus jenu tehnoloģiju pētniecības un attīstības, kā arī rūpnieciskās demonstrācijas atbalstam. Piedalījās astoņas iestādes, tostarp Čibas Universitāte un Japānas Augu rūpnīcu pētniecības asociācija. Uzņēmums “Japan Future Company” uzsāka un vadīja pirmo industrializācijas demonstrācijas projektu – rūpnīcas ražošanu ar 3000 augu dienā. 2012. gadā rūpnīcas ražošanas izmaksas bija 700 jenas/kg. 2014. gadā Tagas pilī, Mijagi prefektūrā, tika pabeigta moderna rūpnīcas būvniecība, kas kļuva par pasaulē pirmo LED iekārtu rūpnīcu ar 10 000 augu dienā. Kopš 2016. gada LED iekārtu rūpnīcas Japānā ir iegājušas straujajā industrializācijas joslā, un viens pēc otra ir parādījušies rentabli vai peļņu nesoši uzņēmumi. 2018. gadā viena pēc otras parādījās liela mēroga augu rūpnīcas ar dienas ražošanas jaudu no 50 000 līdz 100 000 augu, un globālās augu rūpnīcas attīstījās liela mēroga, profesionālas un inteliģentas attīstības virzienā. Vienlaikus Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power un citas nozares sāka investēt augu rūpnīcās. 2020. gadā Japānas augu rūpnīcu saražoto salātu tirgus daļa veidos aptuveni 10% no visa salātu tirgus. No vairāk nekā 250 mākslīgā apgaismojuma tipa augu rūpnīcām, kas pašlaik darbojas, 20% strādā ar zaudējumiem, 50% ir rentabilitātes līmenī un 30% ir rentablajā stadijā, iesaistot kultivētas augu sugas, piemēram, salātus, garšaugus un stādus.

Nīderlande ir īsts pasaules līderis saules gaismas un mākslīgā apgaismojuma kombinētās pielietošanas tehnoloģiju jomā augu rūpnīcās ar augstu mehanizācijas, automatizācijas, intelekta un bezpilota transportlīdzekļu izmantošanas pakāpi, un tagad tā ir eksportējusi pilnu tehnoloģiju un iekārtu komplektu kā spēcīgus produktus uz Tuvajiem Austrumiem, Āfriku, Ķīnu un citām valstīm. American AeroFarms saimniecība atrodas Ņūarkā, Ņūdžersijas štatā, ASV, un tās platība ir 6500 m2. Tajā galvenokārt audzē dārzeņus un garšvielas, un ražošanas apjoms ir aptuveni 900 t/gadā.

Vertikālā lauksaimniecība AeroFarms

Plenty Company vertikālās lauksaimniecības augu rūpnīcā Amerikas Savienotajās Valstīs tiek izmantots LED apgaismojums un vertikāls stādīšanas rāmis ar 6 m augstumu. Augi aug no stādītāju sāniem. Šī stādīšanas metode, kas balstās uz gravitācijas laistīšanu, neprasa papildu sūkņus un ir ūdens ziņā efektīvāka nekā tradicionālā lauksaimniecība. Plenty apgalvo, ka viņa saimniecība saražo 350 reizes vairāk ražas nekā tradicionālā saimniecība, izmantojot tikai 1% ūdens.

Vertikālās lauksaimniecības augu rūpnīca, Plenty Company

2.2 Ķīnas rūpnīcas rūpniecības statuss

2009. gadā Čančuņas Lauksaimniecības izstāžu parkā tika uzbūvēta un nodota ekspluatācijā pirmā ražotne Ķīnā ar intelektuālu vadību kā kodolu. Ēkas platība ir 200 m2, un rūpnīcas vides faktorus, piemēram, temperatūru, mitrumu, gaismu, CO2 un barības vielu šķīduma koncentrāciju, var automātiski uzraudzīt reāllaikā, lai īstenotu intelektuālu pārvaldību.

2010. gadā Pekinā tika uzcelta Tongžou rūpnīca. Galvenā konstrukcija ir izgatavota no viena slāņa viegla tērauda ar kopējo platību 1289 m2. Tā ir veidota kā lidmašīnu bāzes kuģis, kas simbolizē Ķīnas lauksaimniecības vadošo lomu modernākās lauksaimniecības tehnoloģijas ieviešanā. Ir izstrādāts automātiskais aprīkojums dažām lapu dārzeņu ražošanas darbībām, kas ir uzlabojis ražošanas automatizācijas līmeni un rūpnīcas ražošanas efektivitāti. Rūpnīcā tiek izmantota zemes siltumsūkņu sistēma un saules enerģijas ražošanas sistēma, kas labāk atrisina rūpnīcas augsto ekspluatācijas izmaksu problēmu.

Tongžou rūpnīcas iekšējais un ārējais skats

2013. gadā Jaņlingas lauksaimniecības augsto tehnoloģiju demonstrācijas zonā, Šaaņsji provincē, tika izveidoti daudzi lauksaimniecības tehnoloģiju uzņēmumi. Lielākā daļa būvniecības un ekspluatācijas stadijā esošo augu rūpnīcu projektu atrodas lauksaimniecības augsto tehnoloģiju demonstrācijas parkos, kurus galvenokārt izmanto populārzinātniskām demonstrācijām un atpūtas apskates pasākumiem. To 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 formu.

2015. gadā viens no lielākajiem LED mikroshēmu ražotājiem Ķīnā sadarbojās ar Ķīnas Zinātņu akadēmijas Botānikas institūtu, lai kopīgi uzsāktu augu rūpnīcas uzņēmuma izveidi. Tas ir pārgājis no optoelektronikas nozares uz "fotobioloģijas" nozari un ir kļuvis par precedentu Ķīnas LED ražotājiem, investējot augu rūpnīcu būvniecībā industrializācijas procesā. Tā augu rūpnīca ir apņēmusies veikt rūpnieciskas investīcijas jaunajā fotobioloģijā, kas integrē zinātniskos pētījumus, ražošanu, demonstrāciju, inkubāciju un citas funkcijas, ar reģistrēto kapitālu 100 miljonu juaņu apmērā. 2016. gada jūnijā tika pabeigta un nodota ekspluatācijā šī augu rūpnīca ar trīsstāvu ēku, kuras platība ir 3000 m2, un audzēšanas platību vairāk nekā 10 000 m2. Līdz 2017. gada maijam dienas ražošanas apjoms būs 1500 kg lapu dārzeņu, kas atbilst 15 000 salātu stādiem dienā.

Šī uzņēmuma viedokļi

3. Problēmas un pretpasākumi, ar kuriem saskaras augu rūpnīcu attīstība

3.1 Problēmas

3.1.1 Augstas būvniecības izmaksas

Augu fabrikām kultūraugi jāražo slēgtā vidē. Tāpēc ir nepieciešams būvēt atbalsta projektus un aprīkojumu, tostarp ārējās apkopes konstrukcijas, gaisa kondicionēšanas sistēmas, mākslīgā apgaismojuma avotus, daudzslāņu kultivēšanas sistēmas, barības vielu šķīduma cirkulācijas un datorvadības sistēmas. Būvniecības izmaksas ir salīdzinoši augstas.

3.1.2 Augstas ekspluatācijas izmaksas

Lielāko daļu augu rūpnīcām nepieciešamo gaismas avotu nodrošina LED gaismas, kas patērē daudz elektroenerģijas, vienlaikus nodrošinot atbilstošus spektrus dažādu kultūraugu augšanai. Arī tādas iekārtas kā gaisa kondicionēšana, ventilācija un ūdens sūkņi augu rūpnīcu ražošanas procesā patērē elektrību, tāpēc elektrības rēķini ir milzīgi izdevumi. Saskaņā ar statistiku, augu rūpnīcu ražošanas izmaksās elektroenerģijas izmaksas veido 29%, darbaspēka izmaksas - 26%, pamatlīdzekļu nolietojums - 23%, iepakojums un transports - 12%, bet ražošanas materiāli - 10%.

Ražošanas izmaksu sadalījums augu rūpnīcai

3.1.3 Zems automatizācijas līmenis

Pašlaik izmantotajai augu rūpnīcai ir zems automatizācijas līmenis, un tādi procesi kā stādu audzēšana, pārstādīšana, stādīšana laukā un ražas novākšana joprojām prasa manuālas darbības, kā rezultātā darbaspēka izmaksas ir augstas.

3.1.4 Ierobežots kultivējamo kultūraugu šķirņu skaits

Pašlaik augu fabrikām piemērotu kultūraugu veidu klāsts ir ļoti ierobežots, galvenokārt tie ir zaļie lapu dārzeņi, kas strauji aug, viegli panes mākslīgās gaismas avotus un kuriem ir zems vainagu skaits. Liela mēroga stādīšanu nevar veikt sarežģītu stādīšanas prasību gadījumā (piemēram, kultūraugiem, kuriem nepieciešama apputeksnēšana utt.).

3.2 Attīstības stratēģija

Ņemot vērā problēmas, ar kurām saskaras augu rūpnīcu nozare, ir jāveic pētījumi no dažādiem aspektiem, piemēram, tehnoloģijas un darbības. Reaģējot uz pašreizējām problēmām, pretpasākumi ir šādi.

(1) Stiprināt augu rūpnīcu intelektuālo tehnoloģiju pētījumus un uzlabot intensīvas un izsmalcinātas vadības līmeni. Inteliģentas vadības un kontroles sistēmas izstrāde palīdz panākt intensīvu un izsmalcinātu augu rūpnīcu vadību, kas var ievērojami samazināt darbaspēka izmaksas un ietaupīt darbaspēku.

(2) Izstrādāt intensīvu un efektīvu augu rūpnīcas tehnisko aprīkojumu, lai sasniegtu augstu kvalitāti un augstu ražu gadā. Augstas efektivitātes audzēšanas iekārtu un aprīkojuma, enerģiju taupošu apgaismojuma tehnoloģiju un aprīkojuma u. c. attīstība, lai uzlabotu augu rūpnīcu intelektuālo līmeni, veicina ikgadējas augstas efektivitātes ražošanas realizāciju.

(3) Veikt pētījumus par rūpnieciskās audzēšanas tehnoloģijām augiem ar augstu pievienoto vērtību, piemēram, ārstniecības augiem, veselības aprūpes augiem un retiem dārzeņiem, palielināt augu fabrikās kultivēto kultūraugu veidus, paplašināt peļņas kanālus un uzlabot peļņas sākumpunktu.

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

4. Augu rūpnīcas attīstības tendences un perspektīvas

4.1 Tehnoloģiju attīstības tendences

4.1.1 Pilna procesa intelektualizācija

Balstoties uz kultūraugu-robotu sistēmas mašīnbūves saplūšanas un zaudējumu novēršanas mehānismu, jāizveido ātrgaitas elastīgi un nesagraujoši stādīšanas un ražas novākšanas gala efektori, izkliedētas daudzdimensiju telpas precīzas pozicionēšanas un daudzmodālas daudzmašīnu sadarbības vadības metodes, kā arī bezpilota, efektīva un nesagraujoša sēja augstceltņu augu rūpnīcās - jāizveido inteliģenti roboti un atbalsta aprīkojums, piemēram, stādīšana-ražas novākšana-iesaiņošana, tādējādi realizējot visa procesa bezpilota darbību.

4.1.2 Padarīt ražošanas kontroli viedāku

Balstoties uz kultūraugu augšanas un attīstības reakcijas mehānismu uz gaismas starojumu, temperatūru, mitrumu, CO2 koncentrāciju, barības vielu koncentrāciju barības vielu šķīdumā un elektroenzīmu (EC), jāizveido kvantitatīvs kultūraugu un vides atgriezeniskās saites modelis. Jāizveido stratēģisks pamatmodelis, lai dinamiski analizētu lapu dārzeņu dzīves informāciju un ražošanas vides parametrus. Jāizveido arī vides tiešsaistes dinamiskās identifikācijas, diagnostikas un procesu vadības sistēma. Jāizveido daudzmašīnu sadarbības mākslīgā intelekta lēmumu pieņemšanas sistēma visam liela apjoma vertikālās lauksaimniecības rūpnīcas ražošanas procesam.

4.1.3 Zema oglekļa emisiju ražošana un enerģijas taupīšana

Izveidot enerģijas pārvaldības sistēmu, kas izmanto atjaunojamos enerģijas avotus, piemēram, saules un vēja enerģiju, lai pabeigtu elektroenerģijas pārvadi un kontrolētu enerģijas patēriņu, lai sasniegtu optimālus enerģijas pārvaldības mērķus. CO2 emisiju uztveršana un atkārtota izmantošana kultūraugu ražošanas veicināšanai.

4.1.3 Augstākās kvalitātes šķirņu augstā vērtība

Jāīsteno realizējamas stratēģijas, lai audzēšanas eksperimentiem selekcionētu dažādas augstas pievienotās vērtības šķirnes, izveidotu audzēšanas tehnoloģiju ekspertu datubāzi, veiktu pētījumus par audzēšanas tehnoloģiju, blīvuma izvēli, rugāju izkārtojumu, šķirņu un iekārtu pielāgojamību un izstrādātu standarta audzēšanas tehniskās specifikācijas.

4.2 Nozares attīstības perspektīvas

Augu rūpnīcas var atbrīvoties no resursu un vides ierobežojumiem, realizēt lauksaimniecības industrializēto ražošanu un piesaistīt jaunu darbaspēka paaudzi lauksaimnieciskajai ražošanai. Ķīnas augu rūpnīcu galvenās tehnoloģiskās inovācijas un industrializācija kļūst par pasaules līderi. Paātrinoties LED gaismas avotu, digitalizācijas, automatizācijas un viedo tehnoloģiju izmantošanai augu rūpnīcu jomā, augu rūpnīcas piesaistīs vairāk kapitālieguldījumu, talantu piesaisti un vairāk jaunas enerģijas, jaunu materiālu un jauna aprīkojuma izmantošanu. Tādā veidā var panākt padziļinātu informācijas tehnoloģiju, iekārtu un aprīkojuma integrāciju, uzlabot iekārtu un aprīkojuma viedo un bezpilota līmeni, nepārtraukti samazināt sistēmas enerģijas patēriņu un ekspluatācijas izmaksas, izmantojot nepārtrauktas inovācijas, un pakāpeniski attīstīt specializētos tirgus, viedās augu rūpnīcas ievadīs attīstības zelta periodu.

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

Autors: Zengchan Zhou, Weidong utt

Citēšanas informācija:Augu rūpnīcu nozares attīstības pašreizējā situācija un perspektīvas [J]. Lauksaimniecības inženiertehnoloģijas, 2022, 42(1): 18–23.Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li u.c.