תקציר: בשנים האחרונות, עם בחינה מתמדת של הטכנולוגיה החקלאית המודרנית, גם תעשיית מפעל הצמח התפתחה במהירות. מאמר זה מציג את הסטטוס קוו, בעיות קיימות ואמצעי נגד פיתוח של טכנולוגיות מפעל צמחים ופיתוח תעשייה, ומצפה למגמת הפיתוח ולסיכויים של מפעלי צמחים בעתיד.

1. המצב הנוכחי של פיתוח טכנולוגי במפעלי צמחים בסין ומחוצה לה

1.1 הסטטוס קוו של פיתוח טכנולוגיה זרה

מאז המאה ה -21, מחקר מפעלי הצמח התמקד בעיקר בשיפור יעילות האור, יצירת ציוד מערכת גידול תלת ממדי רב-שכבה, ומחקר ופיתוח של ניהול ובקרה אינטליגנטי. במאה ה -21 התקדמה החידוש של מקורות אור LED חקלאיים, והעניק תמיכה טכנית חשובה ליישום מקורות אור לחיסכון באנרגיה LED במפעלי צמחים. אוניברסיטת צ'יבה ביפן ביצעה מספר חידושים במקורות אור בעלי יעילות גבוהה, בקרת סביבה חוסכת אנרגיה וטכניקות טיפוח. אוניברסיטת ווגינגן בהולנד משתמשת בטכנולוגיית סימולציה של סביבת יבול וטכנולוגיית אופטימיזציה דינאמית כדי לפתח מערכת ציוד חכמה למפעלי צמחים, מה שמפחית מאוד את עלויות התפעול ומשפר משמעותית את תפוקת העבודה.

בשנים האחרונות, מפעלי צמחים הבינו בהדרגה את האוטומציה למחצה של תהליכי ייצור מזריעה, גידול שתילים, השתלה וקציר. יפן, הולנד וארצות הברית נמצאים בחזית, עם מידה גבוהה של מכניזציה, אוטומציה ואינטליגנציה, ומתפתחים בכיוון של חקלאות אנכית ותפעול בלתי מאויש.

1.2 מעמד פיתוח טכנולוגי בסין

1.2.1 מקור אור LED מתמחה וציוד טכנולוגיית יישום לחיסכון באנרגיה

מקורות אור LED אדומים וכחולים מיוחדים לייצור מיני צמחים שונים במפעלי צמחים פותחו בזה אחר זה. ההספק נע בין 30 ל- 300 W, ועוצמת האור ההקרנה היא 80 עד 500 מיקרומול/(M2 • S), שיכולה לספק עוצמת אור עם טווח סף מתאים, פרמטרים באיכות האור, כדי להשיג את ההשפעה של יעילות גבוהה חיסכון באנרגיה והסתגלות לצרכים של צמיחת צמחים ותאורה. מבחינת ניהול פיזור החום של מקור האור, הוצג תכנון פיזור החום הפעיל של מאוורר מקור האור, מה שמקטין את קצב הריקבון האור של מקור האור ומבטיח את חיי מקור האור. בנוסף, מוצעת שיטה להפחתת חום מקור האור LED באמצעות תמיסת חומרים מזינים או זרימת מים. מבחינת ניהול חלל מקור האור, על פי חוק האבולוציה של גודל הצמח בשלב השתיל ובשלב המאוחר יותר, דרך ניהול תנועת החלל האנכית של מקור האור LED, ניתן להאיר את חופה הצמח במרחק קרוב והמטרה לחיסכון באנרגיה היא מושג. נכון לעכשיו, צריכת האנרגיה של מקור האור המפעל המלאכותי של מפעל צמחים יכולה להוות 50% עד 60% מכלל צריכת האנרגיה התפעולית של מפעל הצמח. למרות ש- LED יכולה לחסוך אנרגיה של 50% בהשוואה למנורות פלורסנט, עדיין ישנו את הפוטנציאל וההכרח של מחקר על חיסכון באנרגיה והפחתת צריכה.

1.2.2 טכנולוגיית גידול תלת ממדי רב-ממדי

פער השכבה של הטיפוח התלת ממדי רב שכבה מופחת מכיוון שה- LED מחליף את מנורת הפלואורסצנט, מה שמשפר את יעילות ניצול השימוש במרחב התלת ממדי של טיפוח הצמח. ישנם מחקרים רבים על תכנון קרקעית מיטת הטיפוח. הפסים המורמים נועדו לייצר זרימה סוערת, מה שיכול לעזור לשתול שורשים לספוג חומרים מזינים בתמיסת התזונה באופן שווה ולהגדיל את ריכוז החמצן המומס. באמצעות לוח הקולוניזציה, ישנן שתי שיטות קולוניזציה, כלומר כוסות הקולוניזציה הפלסטיות בגדלים שונים או מצב הקולוניזציה היקפית של ספוג. הופיעה מערכת מיטות טיפוח הניתנת לניתוח, וניתן לדחוף ידנית את לוח השתילה ואת הצמחים עליו מקצה לקצה, ומבין את מצב הייצור של השתילה בקצה אחד של מיטת הטיפוח וקציר בקצה השני. נכון לעכשיו, פותחו מגוון של טכנולוגיית תרבות ושכבה רב-שכבית תלת ממדית רב-שכבתית, המבוססים על טכנולוגיית סרטי נוזלים מזינים וטכנולוגיית זרימת נוזלים עמוקה, והטכנולוגיה והציוד לגידול מצע של תותים, טיפוח אירוסול של ירקות עלים ופרחים עלים. צצו. הטכנולוגיה שהוזכרה התפתחה במהירות.

1.2.3 פתרונות תזונה טכנולוגיית זרימת תזונה וציוד

לאחר ששימש תמיסת התזונה במשך תקופה מסוימת, יש צורך להוסיף אלמנטים של מים ומינרלים. באופן כללי, כמות תמיסת התזונה החדשה שהוכנה לאחרונה וכמות תמיסת בסיס החומצה נקבעת על ידי מדידת EC ו- PH. יש להסיר חלקיקים גדולים של משקעים או פילינג שורש בתמיסת התזונה באמצעות פילטר. ניתן להסיר את השורש בפתרון התזונה בשיטות פוטו -קטליטיות כדי להימנע ממכשולים חיתוכים רציפים בהידרופוניקה, אך ישנם סיכונים מסוימים בזמינות התזונה.

1.2.4 טכנולוגיית ובקרת סביבה טכנולוגיה וציוד

ניקיון האוויר של שטח הייצור הוא אחד האינדיקטורים החשובים לאיכות האוויר של מפעל הצמח. יש לשלוט על ניקיון האוויר (אינדיקטורים של חלקיקים תלויים וחיידקים מיושבים) במרחב הייצור של מפעל הצמח בתנאים דינמיים לרמה מעל 100,000. קלט חיטוי חומרי, טיפול במקלחת אוויר נכנסים ומערכת טיהור אוויר זרימת אוויר (מערכת סינון אוויר) הם כולם אמצעי הגנה בסיסיים. הטמפרטורה והלחות, ריכוז CO2 ומהירות זרימת האוויר של האוויר במרחב הייצור הם תוכן חשוב נוסף של בקרת איכות האוויר. על פי הדיווחים, הקמת ציוד כמו קופסאות ערבוב אוויר, תעלות אוויר, כניסי אוויר ושקעי אוויר יכולה לשלוט באופן שווה על הטמפרטורה והלחות, ריכוז CO2 ומהירות זרימת האוויר במרחב הייצור, כדי להשיג אחידות מרחבית גבוהה ולענות על צרכי הצמח במיקומים מרחביים שונים. מערכת בקרת הריכוז, הלחות וה- CO2 ומערכת האוויר הצח משולבים באופן אורגני במערכת האוויר המסתובבת. שלוש המערכות צריכות לחלוק את צינור האוויר, כניסת האוויר ושקע האוויר, ולספק כוח דרך המאוורר כדי לממש את זרימת זרימת האוויר, סינון וחיטוי, ועדכון ואחידות של איכות האוויר. זה מבטיח כי ייצור הצמח במפעל הצמחים נטול מזיקים ומחלות, ולא נדרש יישום חומרי הדברה. יחד עם זאת, מובטח כי אחידות הטמפרטורה, הלחות, זרימת האוויר וריכוז CO2 של יסודות סביבת הצמיחה בחופה מובטחת לענות על צרכי צמיחת הצומח.

2. מצב פיתוח של תעשיית מפעל הצמח

2.1 סטטוס קוו של תעשיית מפעל הצמחים הזרים

ביפן, המחקר והפיתוח והתיעוש של מפעלי צמחי אור מלאכותיים הם מהירים יחסית והם נמצאים ברמה המובילה. בשנת 2010 השיקה ממשלת יפן 50 מיליארד ין לתמיכה במחקר ופיתוח טכנולוגי והפגנה תעשייתית. שמונה מוסדות כולל איגוד המחקר של אוניברסיטת צ'יבה ויפן המפעל של יפן השתתפו. החברה העתידית של יפן התחייבה והפעילה את פרויקט הפגנת התיעוש הראשון של מפעל מפעל עם תפוקה יומית של 3,000 מפעלים. בשנת 2012 עלות הייצור של מפעל הצמח הייתה 700 ין/ק"ג. בשנת 2014 הושלם מפעל הצמח המודרני במפעל במפעל בטירת טגה, מחוז מיאגי, והפך למפעל הצמח הראשון של העולם LED עם תפוקה יומית של 10,000 צמחים. מאז 2016 נכנסו מפעלי צמחי LED לנתיב המהיר של התיעוש ביפן, ומפעלים שופעים או רווחיים צצו בזה אחר זה. בשנת 2018 הופיעו מפעלי צמחים רחבי היקף עם כושר ייצור יומי של 50,000 עד 100,000 צמחים בזה אחר זה, ומפעלי הצמח הגלובליים התפתחו לקראת פיתוח גדול, מקצועי ואינטליגנטי. במקביל, טוקיו חשמל חשמל, כוח חשמלי של אוקינאווה ושדות אחרים החלו להשקיע במפעלים מפעלים. בשנת 2020, נתח השוק של חסה המיוצרים על ידי מפעלי צמחים יפניים יהווה כ -10% מכלל החסה. מבין יותר מ -250 מפעלי צמחים מלאכותיים מסוג אור כיום, 20% נמצאים בשלב המייצר אובדן, 50% הם ברמת הפריצה, ו -30% נמצאים בשלב רווחי, הכוללים מיני צמחים מעובדים כמו חסה, עשבי תיבול ושתילים.

הולנד היא מובילה בעולם האמיתי בתחום טכנולוגיית היישומים המשולבת של אור סולארי ואור מלאכותי עבור מפעל הצומח, עם מידה גבוהה של מכניזציה, אוטומציה, אינטליגנציה וחוסר חוסר מאויש, וכעת ייצאה מערך מלא של טכנולוגיות וציוד כחזקות מוצרים למזרח התיכון, אפריקה, סין ומדינות אחרות. חוות Aerofarms American ממוקמת בניוארק, ניו ג'רזי, ארה"ב, עם שטח של 6500 מ"ר. זה בעיקר מגדל ירקות ותבלינים, והתפוקה היא בערך 900 ט 'לשנה.

חקלאות אנכית בחזקות אוויר

מפעל מפעל החקלאות האנכי של חברת השפע בארצות הברית מאמצים תאורת LED ומסגרת נטיעה אנכית בגובה של 6 מ '. צמחים צומחים מצדי האדניות. בהסתמך על השקיית כוח הכבידה, שיטת נטיעה זו אינה דורשת משאבות נוספות והיא חסכונית יותר במים מאשר חקלאות קונבנציונאלית. שפע טוען שהחווה שלו מייצרת פי 350 מהתפוקה של חווה קונבנציונאלית תוך שימוש רק ב -1% מהמים.

מפעל מפעל חקלאי אנכי, חברת שפע

2.2 סטטוס תעשיית מפעל מפעל בסין

בשנת 2009, מפעל מפעלי הייצור הראשון בסין עם שליטה חכמה ככל שהליבה נבנתה והופעלה בפועל בפארק האקספו החקלאי של צ'אנגצ'ון. שטח הבניין הוא 200 מ"ר, וניתן לעקוב באופן אוטומטי את הגורמים הסביבתיים כמו טמפרטורה, לחות, אור, CO2 וריכוז תמיסת תזונה של מפעל הצמח בזמן אמת למימוש ניהול אינטליגנטי.

בשנת 2010 נבנה מפעל הצמח של טונגז'ואו בבייג'ינג. המבנה העיקרי מאמץ מבנה פלדה אור יחיד עם שכבון עם שטח בנייה כולל של 1289 מ"ר. זה מעוצב כמו נושאת מטוסים, המסמל את החקלאות הסינית המובילה את ההובלה להפליג לטכנולוגיה המתקדמת ביותר של החקלאות המודרנית. פותח הציוד האוטומטי לפעולות מסוימות של ייצור ירקות עלים, מה ששיפר את רמת האוטומציה של הייצור ואת יעילות הייצור של מפעל הצמח. מפעל המפעל מאמצת מערכת משאבת חום מקור קרקע ומערכת לייצור חשמל סולארי, אשר פותרת טוב יותר את הבעיה של עלויות תפעול גבוהות עבור מפעל המפעל.

מבט מבפנים וחיצוניות של מפעל הצמח של טונגז'ו

בשנת 2013 הוקמו חברות טכנולוגיות חקלאיות רבות באזור הפגנת היי-טק החקלאית, מחוז שאנשי. מרבית הפרויקטים של מפעל המפעל הנמצאים בבנייה ותפעול ממוקמים בפארקי הפגנת היי-טק החקלאיים, המשמשים בעיקר להפגנות מדעיות פופולריות ולסיור פנאי. בשל המגבלות התפקודיות שלהם, קשה למפעלי צמחי המדע הפופולריים הללו להשיג את התשואה הגבוהה ואת היעילות הגבוהה הנדרשת על ידי התיעוש, וקשה להם להפוך לצורת התיעוש המיינסטרימית בעתיד.

בשנת 2015 שיתף פעולה יצרנית שבבי LED גדולה בסין עם המכון לבוטניקה של האקדמיה הסינית למדעים ליזום משותף של הקמת חברת מפעל מפעל. היא חצתה מהתעשייה האופטואלקטונית לתעשייה "פוטוביולוגית", והפכה לתקדים עבור יצרני LED סיניים להשקיע בבניית מפעלים מפעלים בתיעוש. מפעל הצמחים שלה מחויב לבצע השקעה תעשייתית בפוטוביולוגיה מתעוררת, המשלב מחקר מדעי, ייצור, הפגנה, דגירה ופונקציות אחרות, עם הון רשום של 100 מיליון יואן. ביוני 2016 הושלם מפעל מפעל זה עם בניין בן 3 קומות המשתרע על שטח של 3,000 מ"ר ואזור טיפוח של יותר מ -10,000 מ"ר והושם לפעולה. עד מאי 2017, סולם הייצור היומי יהיה 1,500 ק"ג ירקות עלים, שווה ערך ל 15,000 צמחי חסה ביום.

צפיות של 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. לפיכך, יש צורך לבנות פרויקטים וציוד תומכים הכוללים מבני תחזוקה חיצוניים, מערכות מיזוג אוויר, מקורות אור מלאכותיים, מערכות גידול רב שכבתי, זרימת פתרונות תזונה ומערכות בקרת מחשב. עלות הבנייה גבוהה יחסית.

3.1.2 עלות פעולה גבוהה

מרבית מקורות האור הנדרשים על ידי מפעלי צמחים מגיעים מפנסי LED, הצורכים חשמל רב תוך מתן ספקטרומים תואמים לצמיחת גידולים שונים. ציוד כמו מיזוג אוויר, אוורור ומשאבות מים בתהליך הייצור של מפעלי צמחים צורכים גם חשמל, ולכן חשבונות חשמל הם הוצאה אדירה. על פי נתונים סטטיסטיים, בין עלויות הייצור של מפעלי מפעלים, עלויות החשמל מהוות 29%, עלויות העבודה מהוות 26%, פחת נכסים קבוע מהווה 23%, אריזה והובלה מהווים 12%וחומרי ייצור מהווים 10%.

הפסקת עלות הייצור עבור מפעל המפעל

3.1.3 רמת אוטומציה נמוכה

למפעל הצמח המיושם כיום יש רמה נמוכה של אוטומציה, ותהליכים כמו שתיל, השתלות, נטיעת שדה וקציר עדיין דורשים פעולות ידניות, וכתוצאה מכך עלויות עבודה גבוהות.

3.1.4 זנים מוגבלים של יבולים שניתן לטפח

נכון לעכשיו, סוגי הגידולים המתאימים למפעלי צמחים מוגבלים מאוד, בעיקר ירקות עלים ירוקים הצומחים במהירות, מקבלים בקלות מקורות אור מלאכותיים, ויש להם חופה נמוכה. לא ניתן לבצע נטיעה בקנה מידה גדול לדרישות נטיעה מורכבות (כגון גידולים שצריכים להיות מאבקים וכו ').

3.2 אסטרטגיית פיתוח

לאור הבעיות העומדות בפני ענף מפעל הצמחים, יש צורך לבצע מחקר מהיבטים שונים כמו טכנולוגיה ותפעול. בתגובה לבעיות הנוכחיות, אמצעי הנגד הם כדלקמן.

(1) חיזוק המחקר על טכנולוגיה חכמה של מפעלי צמחים ושיפור רמת הניהול האינטנסיבי והמעודן. פיתוח מערכת ניהול ובקרה אינטליגנטית מסייעת להשיג ניהול אינטנסיבי ומעודן של מפעלי צמחים, שיכולים להפחית מאוד את עלויות העבודה ולחסוך עבודה.

(2) פיתוח ציוד טכני אינטנסיבי ויעיל במפעל צמחים להשגת שנתית גבוהה ותשואה גבוהה. פיתוח מתקני גידול וציוד יעילות גבוהה, טכנולוגיית תאורה וציוד לחיסכון באנרגיה וכו ', לשיפור הרמה החכמה של מפעלי צמחים, תורם למימוש ייצור שנתי ביעילות גבוהה.

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

(4) ביצוע מחקר על מפעלי צמחים לשימוש ביתי ומסחרי, העשיר את סוגי המפעלים הצמחיים והשיג רווחיות מתמשכת עם פונקציות שונות.

4. מגמת פיתוח וסיכוי למפעל הצמח

4.1 מגמת פיתוח טכנולוגית

4.1.1 אינטלקטואליזציה בתהליך מלא

בהתבסס על מנגנון ההיתוך והאובדן למניעת אובדן של מערכת היבול-רובוט, נטיעות קצה גמישות מהירות ולא הרסנית, נטעי נטיעה וקציר קצה, מיקום מדויק רב-ממדי ומופץ שיטות בקרה שיתופיות רב-מכוניות רב-מודאליות, ומולטי-מודאליות, רב-מכוניות, רב-מודאליות, רב-מודאליות, רב-מודאליות רב-מכוניות, רב-מודאליות רב-מכוניות, רב-מודאליות רב-מכוניות, רב-מודאליות-modal-modal. זריעה בלתי מאוישת, יעילה ולא הרסנית במפעלי צמחים רבי קומות-רובוטים אינטליגנטיים וציוד תומך כמו יש ליצור אריזת נטיעה-הקציר, ובכך להבין את הפעולה הבלתי מאוישת של כל התהליך.

4.1.2 הפוך את בקרת הייצור לחכמה יותר

בהתבסס על מנגנון התגובה של צמיחת היבול והתפתחות לקרינה אור, טמפרטורה, לחות, ריכוז CO2, ריכוז התזונה של תמיסת התזונה, ו- EC, יש לבנות מודל כמותי של משוב סביבת יבול. יש לקבוע מודל ליבה אסטרטגי לניתוח דינמי של פרמטרים לחיי ירקות וסביבת ייצור עלים. יש לקבוע גם את מערכת האבחון והזדהות הדינמית המקוונת ומערכת בקרת התהליכים של הסביבה. יש ליצור מערכת קבלת החלטות של בינה מלאכותית רב-מכונה לכל תהליך הייצור של מפעל חקלאי אנכי בנפח גבוה.

4.1.3 ייצור פחמן נמוך וחיסכון באנרגיה

הקמת מערכת לניהול אנרגיה המשתמשת במקורות אנרגיה מתחדשים כמו סולארי ורוח להשלמת העברת חשמל ושליטה על צריכת אנרגיה כדי להשיג יעדים מיטביים לניהול אנרגיה. לכידת ושימוש חוזר בפליטות CO2 כדי לסייע בייצור היבול.

4.1.3 ערך גבוה של זני פרימיום

יש לקחת אסטרטגיות אפשריות לגידול זנים שונים בעלי ערך מוסף גבוה לניסויים לשתילה, לבנות מאגר נתונים של מומחי טכנולוגיות טיפוח, לערוך מחקר על טכנולוגיית טיפוח, בחירת צפיפות, סידור זיפים, יכולת הסתגלות מגוון וציוד ויוצרים מפרטים טכניים לגידול סטנדרטיים.

4.2 סיכויי פיתוח בתעשייה

מפעלי צמחים יכולים להיפטר מאילוצי המשאבים והסביבה, לממש את הייצור המתועש של החקלאות ולמשוך את הדור החדש של כוח העבודה לעסוק בייצור חקלאי. החדשנות והתיעוש הטכנולוגיים העיקריים של מפעלי הצמחים של סין הופכים למובילה עולמית. עם היישום המואץ של מקור אור LED, דיגיטציה, אוטומציה וטכנולוגיות חכמות בתחום מפעלי הצמח, מפעלי צמחים ימשכו יותר השקעות הון, איסוף כישרונות ושימוש באנרגיה חדשה יותר, חומרים חדשים וציוד חדש. באופן זה ניתן לממש את השילוב המעמיק של טכנולוגיית מידע ומתקנים וציוד, ניתן לשפר את הרמה החכמה והבלתי מאוישת של מתקנים וציוד, הפחתה רציפה של צריכת אנרגיה ומערכת עלויות הפעלה באמצעות חדשנות רציפה והדרגה טיפוח שווקים מתמחים, מפעלי צמחים חכמים יובילו בתקופת התפתחות הזהב.

על פי דיווחי מחקרי השוק, גודל השוק החקלאי האנכי העולמי בשנת 2020 הוא רק 2.9 מיליארד דולר, וצפוי כי עד שנת 2025, גודל השוק החקלאי האנכי העולמי יגיע ל -30 מיליארד דולר. לסיכום, למפעלי הצומח יש סיכויי יישום רחבים ומרחב פיתוח.

מחבר: זנגצ'אן ג'ואו, ווידונג וכו '

מידע על ציטוט:המצב הנוכחי והסיכויים של פיתוח תעשיית מפעל המפעל [J]. טכנולוגיית הנדסה חקלאית, 2022, 42 (1): 18-23.מאת זנגצ'אן ג'ו, וויי דונג, שיוגאנג לי, ואח '.