תקציר: בשנים האחרונות, עם החקירה המתמשכת של טכנולוגיה חקלאית מודרנית, גם תעשיית מפעלי הצמחים התפתחה במהירות. מאמר זה מציג את הסטטוס קוו, בעיות קיימות ואמצעי נגד לפיתוח טכנולוגיית מפעלי הצמחים ופיתוח התעשייה, ומביט קדימה למגמת הפיתוח והסיכויים של מפעלי הצמחים בעתיד.

1. מצב נוכחי של פיתוח טכנולוגי במפעלי צמחים בסין ובחו"ל

1.1 הסטטוס קוו של פיתוח טכנולוגיה זר

מאז המאה ה-21, המחקר של מפעלי צמחים התמקד בעיקר בשיפור יעילות האור, יצירת ציוד למערכות גידול תלת-ממדיות רב-שכבתיות, ומחקר ופיתוח של ניהול ובקרה חכמים. במאה ה-21, החדשנות של מקורות אור LED חקלאיים עשתה התקדמות, וסיפקה תמיכה טכנית חשובה ליישום מקורות אור LED חסכוניים באנרגיה במפעלי צמחים. אוניברסיטת צ'יבה ביפן ביצעה מספר חידושים במקורות אור יעילים, בקרת סביבה חסכונית באנרגיה וטכניקות גידול. אוניברסיטת ווגנינגן בהולנד משתמשת בסימולציה של סביבת גידולים וטכנולוגיית אופטימיזציה דינמית כדי לפתח מערכת ציוד חכמה עבור מפעלי צמחים, מה שמפחית מאוד את עלויות התפעול ומשפר משמעותית את פריון העבודה.

בשנים האחרונות, מפעלי צמחים הבינו בהדרגה את תהליך החצי-אוטומציה של תהליכי הייצור, החל מזריעה, גידול שתילים, השתלה וקציר. יפן, הולנד וארצות הברית נמצאות בחזית, עם רמה גבוהה של מיכון, אוטומציה ואינטליגנציה, ומתפתחות לכיוון חקלאות אנכית ותפעול בלתי מאויש.

1.2 סטטוס פיתוח הטכנולוגיה בסין

1.2.1 מקור אור LED מיוחד וציוד טכנולוגי לחיסכון באנרגיה עבור אור מלאכותי במפעל

מקורות אור LED אדומים וכחולים מיוחדים לייצור מיני צמחים שונים במפעלי צמחים פותחו בזה אחר זה. ההספק נע בין 30 ל-300 וואט, ועוצמת אור הקרינה היא 80 עד 500 מיקרומול/(מ"ר•שנייה), שיכולים לספק עוצמת אור עם טווח סף מתאים ופרמטרי איכות אור, כדי להשיג את האפקט של חיסכון באנרגיה ביעילות גבוהה והתאמה לצורכי גידול הצמחים והתאורה. מבחינת ניהול פיזור חום של מקור האור, הוצג תכנון פיזור חום אקטיבי של מאוורר מקור האור, אשר מפחית 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 שטח מקור האור, בהתאם לחוק האבולוציה של גודל הצמח בשלב השתיל ובשלב מאוחר יותר, באמצעות ניהול תנועת שטח אנכית של מקור אור LED, ניתן להאיר את חופת הצמח ממרחק קצר ולהשיג את יעד חיסכון האנרגיה. כיום, צריכת האנרגיה של מקור אור מלאכותי במפעלי מפעלים יכולה להוות 50% עד 60% מסך צריכת האנרגיה התפעולית של המפעל. למרות ש-LED יכולה לחסוך 50% אנרגיה בהשוואה למנורות פלורסנט, עדיין קיים פוטנציאל וצורך במחקר על חיסכון באנרגיה והפחתת צריכה.

1.2.2 טכנולוגיית וציוד גידול תלת-ממדי רב-שכבתי

פער השכבות של גידול תלת-ממדי רב-שכבתי מצטמצם מכיוון שה-LED מחליף את מנורת הפלורסנט, מה שמשפר את יעילות ניצול החלל התלת-ממדי של גידול הצמחים. ישנם מחקרים רבים על עיצוב תחתית ערוגת הגידול. הפסים המוגבהים נועדו לייצר זרימה טורבולנטית, שיכולה לעזור לשורשי הצמחים לספוג חומרים מזינים בתמיסת התזונה באופן שווה ולהגדיל את ריכוז החמצן המומס. באמצעות לוח הקולוניזציה, ישנן שתי שיטות קולוניזציה, כלומר, כוסות קולוניזציה מפלסטיק בגדלים שונים או מצב קולוניזציה היקפי ספוג. הופיעה מערכת ערוגת גידול הזזה, וניתן לדחוף ידנית את לוח השתילה והצמחים עליו מקצה אחד לשני, מה שמאפשר את מצב הייצור של שתילה בקצה אחד של ערוגת הגידול וקציר בקצה השני. כיום, פותחה מגוון טכנולוגיות וציוד גידול תלת-ממדי רב-שכבתי ללא אדמה המבוססים על טכנולוגיית סרט נוזלי מזין וטכנולוגיית זרימה נוזלית עמוקה, והטכנולוגיה והציוד לגידול מצע של תותים, גידול אירוסול של ירקות עליים ופרחים צצו. הטכנולוגיה שהוזכרה התפתחה במהירות.

1.2.3 טכנולוגיה וציוד להזרמת תמיסות מזון

לאחר שימוש בתמיסת ההזנה למשך זמן מה, יש צורך להוסיף מים ויסודות מינרליים. באופן כללי, כמות תמיסת ההזנה החדשה שהוכנה וכמות תמיסת החומצה-בסיס נקבעות על ידי מדידת EC ו-pH. יש להסיר חלקיקים גדולים של משקעים או קילוף שורשים בתמיסת ההזנה באמצעות פילטר. ניתן להסיר גזרי שורשים בתמיסת ההזנה באמצעות שיטות פוטו-קטליטיות כדי למנוע מכשולים של גידול רציף בהידרופוניקה, אך ישנם סיכונים מסוימים בזמינות חומרי הזנה.

1.2.4 טכנולוגיית וציוד לבקרת סביבה

ניקיון האוויר בחלל הייצור הוא אחד המדדים החשובים לאיכות האוויר במפעל. ניקיון האוויר (אינדיקטורים לחלקיקים מרחפים וחיידקים שקועים) בחלל הייצור של מפעל המפעל בתנאים דינמיים צריך להיות מבוקר לרמה מעל 100,000. חיטוי חומרים, מקלחת אוויר של עובדים נכנסים ומערכת טיהור אוויר במחזור אוויר צח (מערכת סינון אוויר) הם כולם אמצעי הגנה בסיסיים. הטמפרטורה והלחות, ריכוז ה-CO2 ומהירות זרימת האוויר בחלל הייצור הם תוכן חשוב נוסף של בקרת איכות האוויר. על פי דיווחים, הקמת ציוד כגון תיבות ערבוב אוויר, צינורות אוויר, כניסות אוויר ויציאות אוויר יכולה לשלוט באופן שווה בטמפרטורה ובלחות, ריכוז ה-CO2 ומהירות זרימת האוויר בחלל הייצור, על מנת להשיג אחידות מרחבית גבוהה ולענות על צרכי המפעל במיקומים מרחביים שונים. מערכת בקרת הטמפרטורה, הלחות וריכוז ה-CO2 ומערכת האוויר הצח משולבות באופן אורגני במערכת האוויר המחזורית. שלוש המערכות צריכות לחלוק את צינור האוויר, כניסת האוויר ויציאת האוויר, ולספק כוח דרך המאוורר כדי לממש את זרימת זרימת האוויר, הסינון והחיטוי, ועדכון ואחידות של איכות האוויר. זה מבטיח שייצור הצמחים במפעל הצמחים יהיה נקי ממזיקים ומחלות, ואין צורך ביישום חומרי הדברה. במקביל, אחידות הטמפרטורה, הלחות, זרימת האוויר וריכוז ה-CO2 של אלמנטים סביבת הגידול בחופה מובטחת כדי לענות על צרכי צמיחת הצמח.

2. מצב הפיתוח של תעשיית מפעלי הצמחים

2.1 הסטטוס קוו של תעשיית מפעלי צמחים בחו"ל

ביפן, המחקר, הפיתוח והתיעוש של מפעלי צמחי תאורה מלאכותית הם מהירים יחסית, והם נמצאים ברמה המובילה. בשנת 2010, ממשלת יפן השיקה 50 מיליארד ין לתמיכה במחקר ופיתוח טכנולוגי והדגמה תעשייתית. שמונה מוסדות, כולל אוניברסיטת צ'יבה ואיגוד המחקר של מפעלי צמחים ביפן, השתתפו. חברת Japan Future Company ביצעה והפעילה את פרויקט ההדגמה התיעוש הראשון של מפעל צמחים עם תפוקה יומית של 3,000 צמחים. בשנת 2012, עלות הייצור של מפעל הצמחים הייתה 700 ין/ק"ג. בשנת 2014, הושלם מפעל מפעלים מודרני בטירת טאגה, מחוז מיאגי, והפך למפעל צמחי הלד הראשון בעולם עם תפוקה יומית של 10,000 צמחים. מאז 2016, מפעלי צמחי הלד נכנסו לנתיב התיעוש המהיר ביפן, ומפעלים בעלי איזון או רווחיות צצו בזה אחר זה. בשנת 2018 הופיעו בזה אחר זה מפעלי צמחים בקנה מידה גדול עם כושר ייצור יומי של 50,000 עד 100,000 צמחים, ומפעלי הצמחים העולמיים התפתחו לקראת פיתוח מקצועי, חכם בקנה מידה גדול. במקביל, חברת החשמל של טוקיו, חברת החשמל של אוקינאווה ותחומים אחרים החלו להשקיע במפעלי צמחים. בשנת 2020, נתח השוק של החסה המיוצרת על ידי מפעלי צמחים יפניים יהווה כ-10% מכלל שוק החסה. מבין יותר מ-250 מפעלי צמחים מסוג אור מלאכותי הפועלים כיום, 20% נמצאים בשלב הפסדי, 50% נמצאים ברמת איזון, ו-30% נמצאים בשלב רווחי, הכולל מיני צמחים מתורבתים כגון חסה, עשבי תיבול ושתילים.

הולנד היא מובילה עולמית אמיתית בתחום טכנולוגיית היישום המשולבת של אור סולארי ותאורה מלאכותית עבור מפעלי צמחים, עם רמה גבוהה של מיכון, אוטומציה, בינה וחוסר צוות, וכעת ייצאה מערך מלא של טכנולוגיות וציוד כמוצרים חזקים למזרח התיכון, אפריקה, סין ומדינות אחרות. חוות American AeroFarms ממוקמת בניוארק, ניו ג'רזי, ארה"ב, עם שטח של 6500 מ"ר. היא מגדלת בעיקר ירקות ותבלינים, והתפוקה היא כ-900 טון לשנה.

חקלאות אנכית ב-AeroFarms

מפעל צמחי החקלאות האנכית של חברת Plenty בארצות הברית משתמש בתאורת LED ומסגרת שתילה אנכית בגובה 6 מטר. הצמחים גדלים מצידי האדניות. שיטת שתילה זו, המסתמכת על השקיה כבידה, אינה דורשת משאבות נוספות וחסכונית יותר במים מחקלאות קונבנציונלית. Plenty טוען שהחוות שלו מייצרת פי 350 יותר תפוקה מחווה קונבנציונלית, תוך שימוש ב-1% בלבד מהמים.

מפעל צמחי חקלאות אנכית, חברת Plenty

2.2 סטטוס תעשיית מפעלי הצמחים בסין

בשנת 2009 נבנה והופעל מפעל הייצור הראשון בסין עם בקרה חכמה כליבה בפארק התערוכה החקלאית של צ'אנגצ'ון. שטח הבניין הוא 200 מ"ר, וניתן לנטר באופן אוטומטי בזמן אמת גורמים סביבתיים כגון טמפרטורה, לחות, אור, CO2 וריכוז תמיסות חומרים מזינים במפעל המפעל, על מנת לממש ניהול חכם.

בשנת 2010 נבנה מפעל טונגג'ואו בבייג'ינג. המבנה הראשי מאמץ מבנה פלדה קלה חד-שכבתי עם שטח בנייה כולל של 1289 מ"ר. הוא מעוצב כנושאת מטוסים, המסמלת את החקלאות הסינית המובילה בהפלגה לטכנולוגיה המתקדמת ביותר של החקלאות המודרנית. פותח ציוד אוטומטי לחלק מפעולות ייצור ירקות עליים, מה ששיפר את רמת האוטומציה של הייצור ואת יעילות הייצור של מפעל המפעל. מפעל המפעל מאמץ מערכת משאבות חום קרקעיות ומערכת לייצור אנרגיה סולארית, הפותרות טוב יותר את בעיית עלויות התפעול הגבוהות של מפעל המפעל.

מבט מבפנים ומבחוץ על מפעל טונגג'ואו

בשנת 2013 הוקמו חברות טכנולוגיה חקלאית רבות באזור ההדגמה החקלאית-הייטק יאנגלינג, במחוז שאאנשי. רוב פרויקטי מפעלי הצמחים הנמצאים בבנייה ובהפעלה ממוקמים בפארקי הדגמה חקלאיים-הייטק, המשמשים בעיקר להדגמות מדע פופולרי ותיירות פנאי. בשל מגבלותיהם התפקודיות, קשה למפעלי מדע פופולריים אלה להשיג את התפוקה הגבוהה והיעילות הגבוהה הנדרשת על ידי התיעוש, ויהיה להם קשה להפוך לצורה המרכזית של תיעוש בעתיד.

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

דעות על חברה זו

3. בעיות ואמצעי נגד העומדים בפני פיתוח מפעלי צמחים

3.1 בעיות

3.1.1 עלות בנייה גבוהה

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

3.1.2 עלות תפעול גבוהה

רוב מקורות האור הנדרשים על ידי מפעלי צמחים מגיעים מנורות LED, הצורכות חשמל רב תוך מתן ספקטרום מתאים לגידול גידולים שונים. ציוד כמו מיזוג אוויר, אוורור ומשאבות מים בתהליך הייצור של מפעלי צמחים צורך גם הוא חשמל, ולכן חשבונות החשמל מהווים הוצאה עצומה. על פי הסטטיסטיקה, מבין עלויות הייצור של מפעלי צמחים, עלויות החשמל מהוות 29%, עלויות העבודה מהוות 26%, פחת נכסים קבועים מהווה 23%, אריזה והובלה מהוות 12% וחומרי ייצור מהווים 10%.

פירוט עלות הייצור עבור מפעל

3.1.3 רמת אוטומציה נמוכה

במפעל הצמחים המופעל כיום יש רמת אוטומציה נמוכה, ותהליכים כגון שתילה, השתלה, שתילה בשדה וקציר עדיין דורשים פעולות ידניות, מה שמביא לעלויות עבודה גבוהות.

3.1.4 זנים מוגבלים של גידולים שניתן לגדל

כיום, סוגי הגידולים המתאימים למפעלי שתילה מוגבלים מאוד, בעיקר ירקות עליים ירוקים שגדלים במהירות, מקבלים בקלות מקורות אור מלאכותיים ובעלי חופה נמוכה. נטיעות בקנה מידה גדול אינן ניתנות לביצוע עבור דרישות שתילה מורכבות (כגון גידולים הזקוקים להאבקה וכו').

3.2 אסטרטגיית פיתוח

לאור הבעיות העומדות בפני תעשיית מפעלי הצמחים, יש צורך לבצע מחקר בהיבטים שונים כגון טכנולוגיה ותפעול. בתגובה לבעיות הנוכחיות, אמצעי הנגד הם כדלקמן.

(1) לחזק את המחקר על טכנולוגיה חכמה של מפעלי צמחים ולשפר את רמת הניהול האינטנסיבי והמעודן. פיתוח מערכת ניהול ובקרה חכמה מסייע להשיג ניהול אינטנסיבי ומעודן של מפעלי צמחים, מה שיכול להפחית משמעותית את עלויות העבודה ולחסוך בכוח אדם.

(2) פיתוח ציוד טכני אינטנסיבי ויעיל במפעלי צמחים על מנת להשיג איכות ותפוקה שנתית גבוהה. פיתוח מתקני וציוד גידול יעילים, טכנולוגיית תאורה וציוד חסכוניים באנרגיה וכו', לשיפור הרמה החכמה של מפעלי צמחים, תורם למימוש ייצור יעיל שנתי גבוה.

(3) לבצע מחקר על טכנולוגיית גידול תעשייתית של צמחים 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 ההתחלה של הרווח.

(4) לבצע מחקר על מפעלי צמחים לשימוש ביתי ומסחרי, להעשיר את סוגי מפעלי הצמחים ולהשיג רווחיות מתמשכת באמצעות פונקציות מגוונות.

4. מגמת פיתוח ותחזית של מפעל צמחים

4.1 מגמת פיתוח טכנולוגי

4.1.1 אינטלקטואליזציה של תהליך מלא

בהתבסס על מנגנון מיזוג ומניעת אובדן של מערכת רובוטים לגידולים, אפקטורים גמישים ולא הרסניים במהירות גבוהה לזריעה וקציר, מיקום מדויק במרחב רב-ממדי מבוזר ושיטות בקרה שיתופיות רב-מודאליות של מכונות, וזריעה בלתי מאוישת, יעילה ולא הרסנית במפעלי צמחים רבי קומות - יש ליצור רובוטים חכמים וציוד תומך כגון שתילה-קציר-אריזה, ובכך לממש את הפעולה הבלתי מאוישת של התהליך כולו.

4.1.2 הפוך את בקרת הייצור לחכמה יותר

בהתבסס על מנגנון התגובה של גידול והתפתחות גידולים לקרינת אור, טמפרטורה, לחות, ריכוז CO2, ריכוז חומרי הזנה בתמיסת חומרי הזנה ו-EC, יש לבנות מודל כמותי של משוב גידול-סביבה. יש ליצור מודל ליבה אסטרטגי לניתוח דינמי של מידע על חיי ירקות עליים ופרמטרים של סביבת הייצור. יש גם ליצור מערכת זיהוי דינמית מקוונת, אבחון ובקרת תהליכים של הסביבה. יש ליצור מערכת קבלת החלטות מבוססת בינה מלאכותית שיתופית מרובת מכונות עבור כל תהליך הייצור של מפעל חקלאי אנכי בנפח גבוה.

4.1.3 ייצור דל פחמן וחיסכון באנרגיה

הקמת מערכת ניהול אנרגיה המשתמשת במקורות אנרגיה מתחדשים כגון אנרגיה סולארית ורוח להשלמת העברת חשמל ושליטה בצריכת האנרגיה להשגת יעדי ניהול אנרגיה אופטימליים. לכידת פליטות CO2 ושימוש חוזר בהן לסיוע בייצור יבולים.

4.1.3 ערך גבוה של זני פרימיום

יש לנקוט באסטרטגיות ישימות לטיפוח זנים שונים בעלי ערך מוסף גבוה לצורך ניסויי שתילה, בניית מאגר נתונים של מומחים לטכנולוגיית גידול, ביצוע מחקר על טכנולוגיית גידול, בחירת צפיפות, סידור הזיפים, יכולת הסתגלות של הזנים והציוד, וגיבוש מפרטים טכניים סטנדרטיים לגידול.

4.2 סיכויי פיתוח התעשייה

מפעלי צמחים יכולים להיפטר ממגבלות המשאבים והסביבה, לממש את הייצור המתועש של החקלאות ולמשוך את הדור החדש של כוח העבודה לעסוק בייצור חקלאי. החדשנות הטכנולוגית המרכזית והתיעוש של מפעלי הצמחים בסין הופכים למובילים עולמיים. עם היישום המואץ של מקורות אור LED, דיגיטציה, אוטומציה וטכנולוגיות חכמות בתחום מפעלי הצמחים, מפעלי צמחים ימשכו יותר השקעות הון, איסוף כישרונות ושימוש באנרגיה חדשה יותר, חומרים חדשים וציוד חדש. בדרך זו, ניתן לממש שילוב מעמיק של טכנולוגיית מידע, מתקנים וציוד, לשפר את רמת המתקנים והציוד החכמים והבלתי מאוישים, להפחית באופן מתמיד את צריכת האנרגיה של המערכת ועלויות התפעול באמצעות חדשנות מתמשכת, וטיפוח הדרגתי של שווקים מיוחדים, מפעלי צמחים חכמים יביאו לתקופת זהב של פיתוח.

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

מחבר: Zengchan Zhou, Weidong וכו'

מידע על ציטוט:המצב הנוכחי והסיכויים לפיתוח תעשיית מפעלי הצמחים [J]. טכנולוגיית הנדסה חקלאית, 2022, 42(1): 18-23.מאת Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.