תקציר: בשנים האחרונות, עם חקירה מתמשכת של טכנולוגיה חקלאית מודרנית, גם תעשיית מפעלי הצמחים התפתחה במהירות.מאמר זה מציג את הסטטוס קוו, הבעיות הקיימות ואמצעי הנגד לפיתוח של טכנולוגיית מפעלי מפעל ופיתוח תעשייתי, ומצפה למגמת הפיתוח והסיכוי של מפעלי מפעלים בעתיד.

1. מצב נוכחי של פיתוח טכנולוגי במפעלי מפעלים בסין ומחוצה לה

1.1 הסטטוס קוו של פיתוח טכנולוגיה זרה

מאז המאה ה-21, המחקר של מפעלי צמחים התמקד בעיקר בשיפור יעילות האור, יצירת ציוד רב שכבתי למערכת גידול תלת מימדית, ומחקר ופיתוח של ניהול ובקרה מושכלים.במאה ה-21, החדשנות של מקורות אור LED חקלאיים התקדמה, תוך מתן תמיכה טכנית חשובה ליישום מקורות אור חיסכון באנרגיה LED במפעלי צמחים.אוניברסיטת צ'יבה ביפן ביצעה מספר חידושים במקורות אור בעלי יעילות גבוהה, בקרת סביבה חסכונית באנרגיה וטכניקות טיפוח.אוניברסיטת ווגנינגן בהולנד משתמשת בטכנולוגיית הדמיית סביבת יבול ובטכנולוגיית אופטימיזציה דינמית כדי לפתח מערכת ציוד חכמה עבור מפעלי מפעלים, אשר מפחיתה מאוד את עלויות התפעול ומשפרת משמעותית את פריון העבודה.

בשנים האחרונות הבינו מפעלי צמחים בהדרגה את האוטומציה למחצה של תהליכי הייצור החל מזריעה, גידול שתילים, השתלה וקציר.יפן, הולנד וארצות הברית נמצאות בחזית, עם רמה גבוהה של מיכון, אוטומציה ומודיעין, ומתפתחות לכיוון של חקלאות אנכית ופעילות בלתי מאוישת.

1.2 מצב פיתוח טכנולוגיה בסין

1.2.1 מקור אור LED מיוחד וציוד טכנולוגי יישום חסכוני באנרגיה לאור מלאכותי במפעל המפעל

פותחו בזה אחר זה מקורות אור לד אדום וכחול לייצור מיני צמחים שונים במפעלי צמחים.ההספק נע בין 30 ל-300 וואט, ועוצמת האור הקרינה היא 80 עד 500 מיקרומול/(m2•s), מה שיכול לספק עוצמת אור עם טווח סף מתאים, פרמטרים של איכות אור, להשגת אפקט של יעילות גבוהה חיסכון באנרגיה והתאמה לצרכי גידול צמחים ותאורה.מבחינת ניהול פיזור החום של מקור האור, הוצג עיצוב פיזור החום האקטיבי של מאוורר מקור האור, מה שמפחית את קצב דעיכת האור של מקור האור ומבטיח את חיי מקור האור.בנוסף, מוצעת שיטה להפחתת החום של מקור אור LED באמצעות תמיסת תזונה או זרימת מים.מבחינת ניהול חלל מקור האור, על פי חוק האבולוציה של גודל הצמח בשלב השתיל ובשלב מאוחר יותר, באמצעות ניהול תנועת החלל האנכי של מקור אור LED, ניתן להאיר את חופת הצמח במרחק קרוב ומטרת החיסכון באנרגיה היא הושג.נכון לעכשיו, צריכת האנרגיה של מקור האור במפעל אור מלאכותי יכולה להוות 50% עד 60% מצריכת האנרגיה התפעולית הכוללת של מפעל המפעל.למרות ש-LED יכול לחסוך 50% אנרגיה בהשוואה למנורות פלורסנט, עדיין יש את הפוטנציאל וההכרח של מחקר על חיסכון באנרגיה והפחתת הצריכה.

1.2.2 טכנולוגיה וציוד לגידול תלת מימדי רב שכבתי

פער השכבות של הגידול התלת מימדי הרב שכבתי מצטמצם מכיוון שהלד מחליפה את מנורת הפלורסנט, מה שמשפר את יעילות ניצול החלל התלת מימדי של גידול הצמח.ישנם מחקרים רבים על עיצוב תחתית ערוגת הטיפוח.הפסים המוגבהים נועדו ליצור זרימה סוערת, שיכולה לעזור לשורשי הצמח לספוג חומרי הזנה בתמיסת התזונה באופן שווה ולהגביר את ריכוז החמצן המומס.באמצעות לוח הקולוניזציה, קיימות שתי שיטות קולוניזציה, כלומר, כוסות הקולוניזציה מפלסטיק בגדלים שונים או מצב התיישבות היקפית של ספוג.הופיעה מערכת ערוגת גידול ניתנת להחלקה, וניתן לדחוף ידנית את לוח השתילה והצמחים שעליו מקצה לקצה, תוך מימוש אופן הייצור של שתילה בקצה אחד של ערוגת הגידול והקציר בקצה השני.כיום פותחו מגוון טכנולוגיות וציוד תלת מימדי רב-שכבתי לתרבית ללא אדמה המבוססת על טכנולוגיית סרטי נוזל תזונתיים וטכנולוגיית זרימת נוזלים עמוקה, וכן הטכנולוגיה והציוד לגידול מצע של תותים, גידול אירוסול של ירקות עלים ופרחים. צצו.הטכנולוגיה שהוזכרה התפתחה במהירות.

1.2.3 טכנולוגיה וציוד לזרימת פתרונות תזונתיים

לאחר שימוש בתמיסת התזונה במשך תקופה, יש צורך להוסיף מים ואלמנטים מינרלים.בדרך כלל, כמות תמיסת התזונה החדשה שהוכנה וכמות תמיסת חומצה-בסיס נקבעות על ידי מדידת EC ו-pH.יש להסיר חלקיקים גדולים של משקעים או קילוף שורשים בתמיסת התזונה על ידי מסנן.ניתן להסיר פליטות שורשים בתמיסת התזונה בשיטות פוטו-קטליטיות כדי להימנע ממכשולים מתמשכים של חיתוך בהידרופוניקה, אך ישנם סיכונים מסוימים בזמינות חומרי הזנה.

1.2.4 טכנולוגיה וציוד בקרה סביבתית

ניקיון האוויר של חלל הייצור הוא אחד המדדים החשובים לאיכות האוויר של מפעל המפעל.יש לשלוט על ניקיון האוויר (אינדיקטורים של חלקיקים מרחפים וחיידקים משוקעים) בחלל הייצור של מפעל המפעל בתנאים דינמיים לרמה של מעל 100,000.קלט חיטוי חומרים, טיפול במקלחת אוויר של צוות נכנס, ומערכת טיהור אוויר זרימת אוויר צח (מערכת סינון אוויר) הם כולם אמצעי הגנה בסיסיים.הטמפרטורה והלחות, ריכוז CO2 ומהירות זרימת האוויר של האוויר בחלל הייצור הם תוכן חשוב נוסף של בקרת איכות האוויר.על פי דיווחים, הקמת ציוד כגון תיבות ערבוב אוויר, תעלות אוויר, כניסות אוויר ויציאות אוויר יכולה לשלוט באופן שווה על הטמפרטורה והלחות, ריכוז ה-CO2 ומהירות זרימת האוויר בחלל הייצור, כדי להשיג אחידות מרחבית גבוהה ולענות על צורכי המפעל. במקומות מרחביים שונים.מערכת בקרת הטמפרטורה, הלחות וריכוז ה-CO2 ומערכת האוויר הצח משולבות באופן אורגני במערכת האוויר במחזור.שלוש המערכות צריכות לחלוק את צינור האוויר, כניסת האוויר ויציאת האוויר, ולספק כוח דרך המאוורר כדי לממש את זרימת זרימת האוויר, סינון וחיטוי, ועדכון ואחידות איכות האוויר.הוא מבטיח שהייצור הצמחי במפעל הצמח נקי ממזיקים ומחלות, ואין צורך בהדברה.יחד עם זאת, אחידות הטמפרטורה, הלחות, זרימת האוויר וריכוז ה-CO2 של מרכיבי סביבת הגידול בחופה מובטחת לענות על צורכי גידול הצמחים.

2. מצב הפיתוח של תעשיית מפעלי הצמחים

2.1 סטטוס קוו של תעשיית מפעלי צמחים זרים

ביפן, המחקר והפיתוח והתיעוש של מפעלי מפעלי אור מלאכותי מהירים יחסית, והם ברמה המובילה.בשנת 2010, ממשלת יפן השיקה 50 מיליארד ין לתמיכה במחקר ופיתוח טכנולוגי והדגמה תעשייתית.השתתפו שמונה מוסדות כולל אוניברסיטת צ'יבה ואיגוד המחקר של מפעלי הצמחים ביפן.חברת Japan Future לקחה על עצמה והפעילה את פרויקט הדגמת התיעוש הראשון של מפעל מפעלים עם תפוקה יומית של 3,000 מפעלים.בשנת 2012, עלות הייצור של מפעל הצמחים הייתה 700 ין/ק"ג.בשנת 2014 הושלם מפעל מפעל מודרני בטירת טגה, מחוז מיאגי, והפך למפעל מפעלי LED הראשון בעולם עם תפוקה יומית של 10,000 מפעלים.מאז 2016, מפעלי מפעלי LED נכנסו לנתיב המהיר של התיעוש ביפן, ומפעלים רווחיים או רווחיים צצו בזה אחר זה.בשנת 2018 הופיעו בזה אחר זה מפעלי מפעלים בקנה מידה גדול עם כושר ייצור יומי של 50,000 עד 100,000 מפעלים, ומפעלי המפעלים העולמיים התפתחו לקראת פיתוח רחב היקף, מקצועי ואינטליגנטי.במקביל, Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power ותחומים נוספים החלו להשקיע במפעלי מפעלים.בשנת 2020, נתח השוק של החסה המיוצרת על ידי מפעלי צמחים יפניים יהווה כ-10% משוק החסה כולו.מבין למעלה מ-250 מפעלי צמחים מסוג קל מלאכותי הפועלים כיום, 20% נמצאים בשלב הפסד, 50% נמצאים ברמת האיזון ו-30% נמצאים בשלב רווחי, הכוללים מיני צמחים תרבותיים כמו למשל. חסה, עשבי תיבול ושתילים.

הולנד היא מובילה עולמית אמיתית בתחום של טכנולוגיית יישום משולבת של אור סולארי ואור מלאכותי למפעלי מפעל, עם רמה גבוהה של מיכון, אוטומציה, מודיעין וחוסר מאוישות, וכעת ייצאה מערך שלם של טכנולוגיות וציוד חזק מוצרים למזרח התיכון, אפריקה, סין ומדינות אחרות.חוות American AeroFarms ממוקמת בניוארק, ניו ג'רזי, ארה"ב, בשטח של 6500 מ"ר.הוא מגדל בעיקר ירקות ותבלינים, והתפוקה היא כ-900 ט' בשנה.

חקלאות אנכית ב-AeroFarms

מפעל מפעלי החקלאות האנכיים של חברת Plenty בארצות הברית מאמץ תאורת LED ומסגרת שתילה אנכית בגובה 6 מ'.צמחים צומחים מצידי האדניות.בהסתמך על השקיית כוח הכבידה, שיטת שתילה זו אינה דורשת משאבות נוספות והיא חסכונית יותר במים מחקלאות רגילה.Plenty טוען שהחווה שלו מייצרת פי 350 מהתפוקה של חווה קונבנציונלית תוך שימוש ב-1% בלבד מהמים.

מפעל מפעל חקלאות אנכי, חברת Plenty

2.2 סטטוס תעשיית מפעלי מפעל בסין

בשנת 2009, נבנה מפעל מפעל הייצור הראשון בסין עם שליטה חכמה כליבה והוכנס לפעולה בפארק האקספו החקלאי צ'אנגצ'ון.שטח המבנה הוא 200 מ"ר, וניתן לנטר את הגורמים הסביבתיים כגון טמפרטורה, לחות, אור, CO2 וריכוז תמיסות תזונה של מפעל הצמחים בזמן אמת כדי לממש ניהול מושכל.

בשנת 2010, מפעל הצמחים של טונגג'ואו נבנה בבייג'ינג.המבנה הראשי מאמץ מבנה פלדה קלה חד-שכבתית בשטח בנייה כולל של 1289 מ"ר.היא מעוצבת כמו נושאת מטוסים, המסמלת את החקלאות הסינית המובילה בהפלגה לטכנולוגיה המתקדמת ביותר של החקלאות המודרנית.הציוד האוטומטי לחלק מהפעולות של ייצור ירקות עלים פותח, אשר שיפר את רמת אוטומציית הייצור ויעילות הייצור של מפעל המפעל.מפעל המפעל מאמץ מערכת משאבת חום קרקעית ומערכת לייצור חשמל סולארי, הפותרת טוב יותר את בעיית עלויות התפעול הגבוהות של מפעל המפעל.

מבט מבפנים ומבחוץ של מפעל צמח טונגג'ואו

בשנת 2013, חברות טכנולוגיה חקלאית רבות הוקמו באזור ההדגמה של ההיי-טק החקלאי של יאנגלינג, מחוז שאאנשי.רוב הפרויקטים של מפעלי המפעל בהקמה ובהפעלה ממוקמים בפארקי הדגמה חקלאיים של היי-טק, המשמשים בעיקר להדגמות מדע פופולרי ולסיורי פנאי.בשל מגבלות התפקוד שלהם, קשה למפעלי מפעלי מדע פופולריים אלה להשיג את התשואה הגבוהה והיעילות הגבוהה הנדרשת מהתיעוש, ויהיה להם קשה להפוך בעתיד לצורת התיעוש המרכזית.

בשנת 2015, יצרנית שבבי LED גדולה בסין שיתפה פעולה עם המכון לבוטניקה של האקדמיה הסינית למדעים כדי ליזום במשותף את הקמתה של חברה למפעלי צמחים.היא עברה מהתעשייה האופטו-אלקטרונית לתעשייה ה"פוטוביולוגית", והפכה לתקדים עבור יצרני LED סיניים להשקיע בבניית מפעלי מפעלים בתיעוש.מפעל הצמחים שלה מחויב לבצע השקעות תעשייתיות בפוטוביולוגיה מתפתחת, המשלבת מחקר מדעי, ייצור, הדגמה, דגירה ופונקציות אחרות, עם הון רשום של 100 מיליון יואן.ביוני 2016 הושלם והופעל מפעל צמח זה עם בניין בן 3 קומות המשתרע על שטח של 3,000 מ"ר ושטח עיבוד של יותר מ-10,000 מ"ר.עד מאי 2017, סולם הייצור היומי יעמוד על 1,500 ק"ג של ירקות עליים, שווה ערך ל-15,000 צמחי חסה ביום.

דעות של חברה זו

3. בעיות ואמצעי נגד העומדים בפני פיתוח מפעלי מפעלים

3.1 בעיות

3.1.1 עלות בנייה גבוהה

מפעלי צמחים צריכים לייצר יבולים בסביבה סגורה.לכן, יש צורך לבנות פרויקטים וציוד תומכים לרבות מבני תחזוקה חיצוניים, מערכות מיזוג אוויר, מקורות אור מלאכותיים, מערכות גידול רב-שכבתיות, זרימת תמיסות תזונה ומערכות בקרת מחשב.עלות הבנייה גבוהה יחסית.

3.1.2 עלות תפעול גבוהה

רוב מקורות האור הנדרשים למפעלי הצמחים מגיעים מנורות לד, הצורכות חשמל רב תוך מתן ספקטרום תואם לגידול גידולים שונים.גם ציוד כמו מיזוג אוויר, אוורור ומשאבות מים בתהליך הייצור של מפעלי מפעלים צורכים חשמל, ולכן חשבונות החשמל הם הוצאה עצומה.לפי הסטטיסטיקה, בין עלויות הייצור של מפעלי המפעל, עלויות החשמל מהוות 29%, עלויות העבודה 26%, פחת הרכוש הקבוע 23%, אריזה והובלה 12% וחומרי ייצור 10%.

פירוט עלות הייצור למפעל המפעל

3.1.3 רמה נמוכה של אוטומציה

למפעל הצמחים המיושם כיום יש רמה נמוכה של אוטומציה, ותהליכים כמו שתילה, השתלה, שתילת שדה וקציר עדיין דורשים פעולות ידניות, וכתוצאה מכך עלויות עבודה גבוהות.

3.1.4 זנים מוגבלים של גידולים הניתנים לגידול

כיום סוגי הגידולים המתאימים למפעלי צמחים מוגבלים מאוד, בעיקר ירקות עלים ירוקים הגדלים במהירות, מקבלים בקלות מקורות אור מלאכותיים ובעלי חופה נמוכה.לא ניתן לבצע שתילה בקנה מידה גדול לדרישות שתילה מורכבות (כגון גידולים שיש להאבקה וכו').

3.2 אסטרטגיית פיתוח

לאור הבעיות העומדות בפני תעשיית מפעלי המפעל, יש צורך בביצוע מחקרים מהיבטים שונים כגון טכנולוגיה ותפעול.בתגובה לבעיות הנוכחיות, אמצעי הנגד הם כדלקמן.

(1) לחזק את המחקר על טכנולוגיה חכמה של מפעלי מפעלים ולשפר את רמת הניהול האינטנסיבי והמעודן.פיתוח מערכת ניהול ובקרה חכמה מסייע להגיע לניהול אינטנסיבי ומעודן של מפעלי המפעל, שיכול להוזיל מאוד את עלויות העבודה ולחסוך בעבודה.

(2) פיתוח ציוד טכני אינטנסיבי ויעיל של מפעל מפעל להשגת איכות שנתית ותשואה גבוהה.פיתוח מתקני וציוד טיפוח ביעילות גבוהה, טכנולוגיית תאורה וציוד לחיסכון באנרגיה ועוד, לשיפור הרמה החכמה של מפעלי המפעלים, תורם למימוש ייצור שנתי ביעילות גבוהה.

(3) לבצע מחקר על טכנולוגיית גידול תעשייתי לצמחים בעלי ערך מוסף גבוה כגון צמחי מרפא, צמחי בריאות וירקות נדירים, להגדיל את סוגי הגידולים המעובדים במפעלי צמחים, להרחיב את ערוצי הרווח ולשפר את נקודת המוצא לרווח. .

(4) לבצע מחקר על מפעלי מפעל לשימוש ביתי ומסחרי, להעשיר את סוגי מפעלי המפעל ולהשיג רווחיות מתמשכת בתפקודים שונים.

4. מגמת התפתחות וסיכוי של מפעל צמח

4.1 מגמת פיתוח טכנולוגי

4.1.1 אינטלקטואליזציה בתהליך מלא

בהתבסס על מנגנון היתוך ומניעת אובדן של מכונה-אומנות של מערכת היבול-רובוט, אפקטי קצה גמישים ובלתי הרסניים של שתילה וקציר במהירות גבוהה, מיקום מדוייק של שטח רב-ממדי ושיטות בקרה שיתופיות רב-ממדיות רב-אופניות, וזריעה בלתי מאוישת, יעילה ולא הרסנית במפעלי צמחים רבי קומות -יש ליצור רובוטים חכמים וציוד תומך כמו שתילה-קציר-אריזה, ובכך לממש את הפעולה הבלתי מאוישת של כל התהליך.

4.1.2 הפוך את בקרת הייצור לחכמה יותר

בהתבסס על מנגנון התגובה של גידול ופיתוח יבול לקרינת אור, טמפרטורה, לחות, ריכוז CO2, ריכוז חומרים תזונתיים של תמיסת תזונה ו-EC, יש לבנות מודל כמותי של משוב סביב הגידול.יש להקים מודל ליבה אסטרטגי לניתוח דינמי של מידע על חיי ירקות ופרמטרים של סביבת ייצור.יש להקים גם את מערכת אבחון הזיהוי הדינמי המקוון ובקרת התהליך של הסביבה.יש ליצור מערכת קבלת החלטות בינה מלאכותית רב-מכונות עבור כל תהליך הייצור של מפעל חקלאי אנכי בנפח גבוה.

4.1.3 ייצור פחמן נמוך וחיסכון באנרגיה

הקמת מערכת ניהול אנרגיה המנצלת מקורות אנרגיה מתחדשים כגון שמש ורוח להשלמת העברת הכוח ושליטה בצריכת האנרגיה להשגת יעדי ניהול אנרגיה מיטביים.לכידה ושימוש חוזר בפליטות CO2 כדי לסייע לייצור יבולים.

4.1.3 ערך גבוה של זני פרימיום

יש לנקוט באסטרטגיות אפשריות לגידול זנים שונים בעלי ערך מוסף גבוה עבור ניסויי שתילה, לבנות מסד נתונים של מומחי טכנולוגיות גידול, לערוך מחקר על טכנולוגיית גידול, בחירת צפיפות, סידור זיפים, מגוון ויכולת הסתגלות של ציוד, וליצור מפרט טכני סטנדרטי לגידול.

4.2 סיכויי פיתוח בתעשייה

מפעלי צמחים יכולים להיפטר ממגבלות המשאבים והסביבה, לממש את הייצור המתועש של החקלאות, ולמשוך את הדור החדש של כוח העבודה לעסוק בייצור חקלאי.החידוש הטכנולוגי והתיעוש העיקרי של מפעלי המפעלים בסין הופכים למובילים בעולם.עם היישום המואץ של מקור אור LED, דיגיטציה, אוטומציה וטכנולוגיות חכמות בתחום מפעלי המפעלים, מפעלי המפעל ימשכו יותר השקעות הון, איסוף כישרונות ושימוש בעוד אנרגיה חדשה, חומרים חדשים וציוד חדש.בדרך זו ניתן לממש את האינטגרציה המעמיקה של טכנולוגיית המידע ומתקנים וציוד, לשפר את הרמה המושכלת והבלתי מאוישת של המתקנים והציוד, הפחתה מתמשכת של צריכת האנרגיה ועלויות התפעול של המערכת באמצעות חדשנות מתמשכת והדרגתיות. טיפוח של שווקים מיוחדים, מפעלי צמחים חכמים יפתחו תקופת זהב של פיתוח.

על פי דוחות מחקרי שוק, גודל שוק החקלאות האנכית העולמי בשנת 2020 הוא רק 2.9 מיליארד דולר, והצפי הוא שעד 2025, גודל שוק החקלאות האנכית העולמי יגיע ל-30 מיליארד דולר.לסיכום, למפעלי מפעלים יש סיכויי יישום רחבים ומרחב פיתוח.

מחבר: Zengchan Zhou, Weidong וכו'

מידע על ציטוט:המצב הנוכחי והסיכויים של פיתוח תעשיית מפעלי מפעל [J].טכנולוגיה הנדסית חקלאית, 2022, 42(1): 18-23.מאת Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.