چکیده: در سال‌های اخیر، با اکتشاف مداوم فناوری مدرن کشاورزی، صنعت کارخانه‌های گیاهی نیز به سرعت توسعه یافته است. این مقاله به معرفی وضعیت موجود، مشکلات موجود و اقدامات متقابل توسعه فناوری کارخانه و توسعه صنعت می پردازد و مشتاقانه منتظر روند توسعه و چشم انداز کارخانه های کارخانه در آینده است.

1. وضعیت فعلی توسعه فناوری در کارخانه های کارخانه در چین و خارج از کشور

1.1 وضعیت موجود توسعه فناوری خارجی

از قرن بیست و یکم، تحقیقات کارخانه های گیاهی عمدتاً بر روی بهبود بهره وری نور، ایجاد تجهیزات سیستم کشت سه بعدی چند لایه و تحقیق و توسعه مدیریت و کنترل هوشمند متمرکز شده است. در قرن بیست و یکم، نوآوری منابع نور LED کشاورزی پیشرفت کرده است و پشتیبانی فنی مهمی را برای استفاده از منابع نور LED صرفه جویی در انرژی در کارخانه های کارخانه ارائه می دهد. دانشگاه چیبا در ژاپن تعدادی نوآوری در منابع نور با راندمان بالا، کنترل محیطی صرفه جویی در انرژی و تکنیک های کشت انجام داده است. دانشگاه Wageningen در هلند از شبیه سازی محیط زراعی و فناوری بهینه سازی پویا برای توسعه یک سیستم تجهیزات هوشمند برای کارخانه های کارخانه استفاده می کند که هزینه های عملیاتی را تا حد زیادی کاهش می دهد و بهره وری نیروی کار را به میزان قابل توجهی بهبود می بخشد.

در سال های اخیر، کارخانه های گیاهی به تدریج متوجه نیمه اتوماسیون فرآیندهای تولید از کاشت، پرورش نهال، نشاء و برداشت شده اند. ژاپن، هلند و ایالات متحده با درجه بالایی از مکانیزاسیون، اتوماسیون و هوشمندی در خط مقدم هستند و در راستای کشاورزی عمودی و عملیات بدون سرنشین در حال توسعه هستند.

1.2 وضعیت توسعه فناوری در چین

1.2.1 منبع نور LED تخصصی و تجهیزات فناوری کاربردی صرفه جویی در انرژی برای نور مصنوعی در کارخانه کارخانه

منابع نور LED قرمز و آبی ویژه برای تولید گونه های مختلف گیاهی در کارخانه های گیاهی یکی پس از دیگری ساخته شده است. توان از 30 تا 300 وات متغیر است، و شدت نور تابش 80 تا 500 میکرومول بر (m2•s) است، که می‌تواند شدت نور را با محدوده آستانه مناسب، پارامترهای کیفیت نور، برای دستیابی به اثر بازده بالا فراهم کند. صرفه جویی در انرژی و سازگاری با نیازهای رشد و روشنایی گیاه. از نظر مدیریت اتلاف حرارت منبع نور، طراحی اتلاف گرمای فعال فن منبع نور معرفی شده است که سرعت پوسیدگی نور منبع نور را کاهش می دهد و عمر منبع نور را تضمین می کند. علاوه بر این، روشی برای کاهش گرمای منبع نور LED از طریق محلول غذایی یا گردش آب پیشنهاد شده است. از نظر مدیریت فضای منبع نور، با توجه به قانون تکامل اندازه گیاه در مرحله نهال و مرحله بعد، از طریق مدیریت حرکت فضای عمودی منبع نور LED، می توان سایبان گیاه را از فاصله نزدیک روشن کرد و هدف صرفه جویی در انرژی است. به دست آورد. در حال حاضر مصرف انرژی منبع نور کارخانه نور مصنوعی می تواند 50 تا 60 درصد از کل انرژی مصرفی کارخانه کارخانه را تشکیل دهد. اگرچه LED می تواند در مقایسه با لامپ های فلورسنت 50 درصد در مصرف انرژی صرفه جویی کند، اما هنوز پتانسیل و ضرورت تحقیق در مورد صرفه جویی در انرژی و کاهش مصرف وجود دارد.

1.2.2 تکنولوژی و تجهیزات کشت سه بعدی چند لایه

شکاف لایه کشت سه بعدی چندلایه کاهش می یابد زیرا LED جایگزین لامپ فلورسنت می شود که بهره وری استفاده از فضای سه بعدی در کشت گیاه را بهبود می بخشد. مطالعات زیادی در مورد طراحی کف بستر کشت انجام شده است. نوارهای برجسته برای ایجاد جریان متلاطم طراحی شده اند که می تواند به ریشه های گیاه کمک کند تا مواد مغذی موجود در محلول غذایی را به طور یکنواخت جذب کند و غلظت اکسیژن محلول را افزایش دهد. با استفاده از تخته استعمار، دو روش استعمار وجود دارد، یعنی فنجان های استعمار پلاستیکی در اندازه های مختلف یا حالت استعمار محیطی اسفنجی. یک سیستم بستر کشت کشویی ظاهر شده است، و تخته کاشت و گیاهان روی آن را می توان به صورت دستی از یک سر به سر دیگر هل داد و نحوه تولید کاشت در یک انتهای بستر کشت و برداشت در انتهای دیگر را درک کرد. در حال حاضر انواع تکنولوژی و تجهیزات سه بعدی کشت بدون خاک چند لایه مبتنی بر فناوری فیلم مایع مغذی و فناوری جریان مایع عمیق توسعه یافته است و فناوری و تجهیزات برای کشت بستر توت فرنگی، کشت آئروسل سبزیجات برگ و گل به وجود آمده اند. فناوری ذکر شده به سرعت توسعه یافته است.

1.2.3 تکنولوژی و تجهیزات گردش محلول غذایی

پس از استفاده از محلول غذایی برای مدتی، لازم است آب و عناصر معدنی اضافه شود. به طور کلی مقدار محلول غذایی تازه تهیه شده و مقدار محلول اسید و باز با اندازه گیری EC و pH تعیین می شود. ذرات بزرگ رسوب یا لایه برداری ریشه در محلول غذایی باید توسط یک فیلتر حذف شوند. ترشحات ریشه در محلول غذایی را می توان با روش های فوتوکاتالیستی حذف کرد تا از موانع کشت مداوم در هیدروپونیک جلوگیری شود، اما خطرات خاصی در دسترسی به مواد مغذی وجود دارد.

1.2.4 فناوری و تجهیزات کنترل محیطی

تمیزی هوای فضای تولید یکی از شاخص های مهم کیفیت هوای کارخانه است. پاکیزگی هوا (شاخص ذرات معلق و باکتری های ته نشین شده) در فضای تولید کارخانه کارخانه در شرایط دینامیکی باید تا سطح بالای 100000 کنترل شود. ورودی ضد عفونی مواد، درمان دوش هوای ورودی پرسنل و سیستم تصفیه هوای گردش هوای تازه (سیستم فیلتر هوا) همگی پادمان های اساسی هستند. دما و رطوبت، غلظت CO2 و سرعت جریان هوای هوا در فضای تولید از دیگر محتویات مهم کنترل کیفیت هوا است. بر اساس گزارش‌ها، راه‌اندازی تجهیزاتی مانند جعبه‌های اختلاط هوا، کانال‌های هوا، ورودی‌ها و خروجی‌های هوا می‌تواند به طور یکنواخت دما و رطوبت، غلظت CO2 و سرعت جریان هوا در فضای تولید را کنترل کند تا به یکنواختی فضایی بالا دست یابد و نیازهای گیاه را برآورده کند. در مکان های مختلف فضایی سیستم کنترل دما، رطوبت و غلظت CO2 و سیستم هوای تازه به طور ارگانیک در سیستم هوای گردشی یکپارچه شده اند. این سه سیستم باید مجرای هوا، ورودی هوا و خروجی هوا را به اشتراک بگذارند و برای تحقق گردش جریان هوا، فیلتراسیون و ضدعفونی و به روز رسانی و یکنواختی کیفیت هوا، برق را از طریق فن تأمین کنند. این تضمین می کند که تولید گیاه در کارخانه گیاهی عاری از آفات و بیماری است و نیازی به استفاده از آفت کش نیست. در عین حال، یکنواختی دما، رطوبت، جریان هوا و غلظت CO2 عناصر محیط رشد در تاج پوشش برای رفع نیازهای رشد گیاه تضمین شده است.

2. وضعیت توسعه صنعت کارخانه کارخانه

2.1 وضعیت موجود صنعت کارخانه کارخانه خارجی

در ژاپن، تحقیق و توسعه و صنعتی‌سازی کارخانه‌های کارخانه‌های نور مصنوعی نسبتاً سریع است و در سطح پیشرو قرار دارند. در سال 2010، دولت ژاپن 50 میلیارد ین برای حمایت از تحقیق و توسعه فناوری و نمایش صنعتی راه اندازی کرد. هشت موسسه از جمله دانشگاه چیبا و انجمن تحقیقات کارخانه کارخانه ژاپن شرکت کردند. شرکت ژاپنی فیوچر اولین پروژه نمایشی صنعتی سازی یک کارخانه کارخانه با تولید روزانه 3000 کارخانه را برعهده گرفت و به بهره برداری رساند. در سال 2012، هزینه تولید کارخانه کارخانه 700 ین / کیلوگرم بود. در سال 2014، کارخانه کارخانه مدرن در قلعه تاگا، استان میاگی تکمیل شد و به اولین کارخانه کارخانه LED جهان با تولید روزانه 10000 کارخانه تبدیل شد. از سال 2016، کارخانه های تولید ال ای دی وارد خط سریع صنعتی شدن در ژاپن شده اند و شرکت های سربه سر یا سودآور یکی پس از دیگری ظهور کرده اند. در سال 2018، کارخانه‌های کارخانه‌ای در مقیاس بزرگ با ظرفیت تولید روزانه 50000 تا 100000 کارخانه یکی پس از دیگری ظاهر شدند و کارخانه‌های کارخانه‌های جهانی به سمت توسعه در مقیاس بزرگ، حرفه‌ای و هوشمند در حال توسعه بودند. در همان زمان، توکیو الکتریک پاور، اوکیناوا الکتریک پاور و سایر زمینه ها شروع به سرمایه گذاری در کارخانه های کارخانه کردند. در سال 2020، سهم بازار کاهوی تولید شده توسط کارخانه های کارخانه ژاپنی حدود 10 درصد از کل بازار کاهو را تشکیل می دهد. از میان بیش از 250 کارخانه گیاهان نور مصنوعی که در حال حاضر در حال فعالیت هستند، 20 درصد در مرحله زیان ده، 50 درصد در سطح سربه سر و 30 درصد در مرحله سودآوری هستند که شامل گونه های گیاهی کشت شده مانند کاهو، گیاهان و نهال.

هلند یک رهبر واقعی جهانی در زمینه فناوری کاربرد ترکیبی نور خورشیدی و نور مصنوعی برای کارخانه کارخانه با درجه بالایی از مکانیزاسیون، اتوماسیون، هوشمندی و بدون سرنشین است و اکنون مجموعه کاملی از فناوری ها و تجهیزات را به عنوان قوی صادر کرده است. محصولات به خاورمیانه، آفریقا، چین و سایر کشورها. مزرعه American AeroFarms در نیوآرک، نیوجرسی، ایالات متحده آمریکا با مساحت 6500 متر مربع واقع شده است. این گیاه عمدتاً سبزیجات و ادویه جات ترشی جات پرورش می دهد و خروجی آن حدود 900 تن در سال است.

کشاورزی عمودی در AeroFarms

کارخانه گیاهان کشاورزی عمودی شرکت Plenty در ایالات متحده از نور LED و یک قاب کاشت عمودی با ارتفاع 6 متر استفاده می کند. گیاهان از کناره های گلدان رشد می کنند. با تکیه بر آبیاری ثقلی، این روش کاشت نیازی به پمپ اضافی ندارد و نسبت به کشاورزی معمولی از نظر آب کارآمدتر است. Plenty ادعا می کند که مزرعه او 350 برابر یک مزرعه معمولی تولید می کند در حالی که تنها 1٪ آب مصرف می کند.

کارخانه گیاهان کشاورزی عمودی، شرکت Plenty

2.2 وضعیت صنعت کارخانه کارخانه در چین

در سال 2009، اولین کارخانه تولیدی در چین با کنترل هوشمند به عنوان هسته در پارک نمایشگاه کشاورزی چانگچون ساخته شد و مورد بهره برداری قرار گرفت. مساحت ساختمان 200 متر مربع است و عوامل محیطی مانند دما، رطوبت، نور، CO2 و غلظت محلول غذایی کارخانه گیاه را می توان به طور خودکار در زمان واقعی برای تحقق مدیریت هوشمند کنترل کرد.

در سال 2010، کارخانه کارخانه Tongzhou در پکن ساخته شد. سازه اصلی از یک سازه فولادی سبک تک لایه با مساحت کل ساخت 1289 متر مربع استفاده می کند. شکل آن مانند یک ناو هواپیمابر است که نمادی از کشاورزی چینی است که در حرکت به سمت پیشرفته ترین فناوری کشاورزی مدرن پیشتاز است. تجهیزات اتوماتیک برای برخی عملیات تولید سبزیجات برگی توسعه یافته است که سطح اتوماسیون تولید و راندمان تولید کارخانه کارخانه را بهبود بخشیده است. کارخانه کارخانه یک سیستم پمپ حرارتی منبع زمینی و یک سیستم تولید برق خورشیدی را اتخاذ می کند که مشکل هزینه های عملیاتی بالای کارخانه را بهتر حل می کند.

نمای داخل و خارج از کارخانه کارخانه Tongzhou

در سال 2013، بسیاری از شرکت‌های فناوری کشاورزی در منطقه نمایش فناوری پیشرفته کشاورزی یانگلینگ، استان شانشی تأسیس شدند. بیشتر پروژه‌های کارخانه‌های در حال ساخت و بهره‌برداری در پارک‌های نمایشی با فناوری پیشرفته کشاورزی واقع شده‌اند که عمدتاً برای نمایش‌های علمی عمومی و گشت و گذار در اوقات فراغت استفاده می‌شوند. به دلیل محدودیت‌های عملکردی، دستیابی به عملکرد بالا و راندمان بالای مورد نیاز برای صنعتی‌سازی برای این کارخانه‌های کارخانه‌های علوم محبوب دشوار است و تبدیل شدن به شکل اصلی صنعتی شدن در آینده برای آنها دشوار خواهد بود.

در سال 2015، یک تولید کننده بزرگ تراشه LED در چین با مؤسسه گیاه شناسی آکادمی علوم چین همکاری کرد تا به طور مشترک تأسیس یک شرکت کارخانه کارخانه را آغاز کند. این صنعت از صنعت الکترونیک نوری به صنعت "فوتوبیولوژیک" رسیده است و به سابقه ای برای تولید کنندگان LED چینی تبدیل شده است تا در ساخت کارخانه های کارخانه در صنعتی سازی سرمایه گذاری کنند. کارخانه کارخانه آن متعهد به سرمایه گذاری صنعتی در فوتوبیولوژی نوظهور است که تحقیقات علمی، تولید، نمایش، جوجه کشی و سایر عملکردها را با سرمایه ثبت شده 100 میلیون یوان ادغام می کند. در ژوئن 2016، این کارخانه کارخانه با ساختمانی 3 طبقه به مساحت 3000 متر مربع و سطح زیر کشت بیش از 10000 متر مربع تکمیل و مورد بهره برداری قرار گرفت. تا می 2017، مقیاس تولید روزانه 1500 کیلوگرم سبزیجات برگدار، معادل 15000 بوته کاهو در روز خواهد بود.

دیدگاه های این شرکت

3. مشکلات و اقدامات متقابل پیش روی توسعه کارخانه های کارخانه

3.1 مشکلات

3.1.1 هزینه ساخت بالا

کارخانه های گیاهی نیاز به تولید محصولات زراعی در محیط بسته دارند. بنابراین ساخت پروژه ها و تجهیزات پشتیبان شامل سازه های نگهداری خارجی، سیستم های تهویه مطبوع، منابع نور مصنوعی، سیستم های کشت چندلایه، گردش محلول های غذایی و سیستم های کنترل کامپیوتری ضروری است. هزینه ساخت و ساز نسبتاً بالا است.

3.1.2 هزینه عملیات بالا

بیشتر منابع نور مورد نیاز کارخانه‌های گیاهی از چراغ‌های LED می‌آیند که انرژی زیادی مصرف می‌کنند و در عین حال طیف‌های مربوطه را برای رشد محصولات مختلف فراهم می‌کنند. تجهیزاتی مانند تهویه مطبوع، تهویه و پمپ های آب در فرآیند تولید کارخانه های کارخانه نیز مصرف برق دارند، بنابراین قبوض برق هزینه هنگفتی را به همراه دارد. بر اساس آمار، در میان هزینه های تولید کارخانه های کارخانه، هزینه برق 29 درصد، هزینه نیروی کار 26 درصد، استهلاک دارایی ثابت 23 درصد، بسته بندی و حمل و نقل 12 درصد و مواد تولیدی 10 درصد است.

تفکیک هزینه تولید برای کارخانه کارخانه

3.1.3 سطح پایین اتوماسیون

کارخانه کارخانه‌ای که در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرد، سطح پایینی از اتوماسیون دارد و فرآیندهایی مانند نهال، نشاء، کاشت در مزرعه و برداشت همچنان نیاز به عملیات دستی دارند که در نتیجه هزینه‌های نیروی کار بالاست.

3.1.4 انواع محدود محصولات قابل کشت

در حال حاضر انواع محصولات مناسب برای کارخانه های گیاهی بسیار محدود است، عمدتاً سبزیجات برگ سبز که به سرعت رشد می کنند، منابع نور مصنوعی را به راحتی می پذیرند و دارای تاج پوشش کم هستند. کاشت در مقیاس بزرگ را نمی توان برای نیازهای پیچیده کاشت (مانند محصولاتی که نیاز به گرده افشانی دارند و غیره) انجام داد.

3.2 استراتژی توسعه

با توجه به مشکلات پیش روی صنعت کارخانه های گیاهی، انجام تحقیقات از جنبه های مختلف از جمله فناوری و بهره برداری ضروری است. در پاسخ به مشکلات موجود، اقدامات متقابل به شرح زیر است.

(1) تقویت تحقیقات در مورد فن آوری هوشمند کارخانه های کارخانه و بهبود سطح مدیریت فشرده و تصفیه شده. توسعه یک سیستم مدیریت و کنترل هوشمند به دستیابی به مدیریت فشرده و تصفیه شده کارخانه های کارخانه کمک می کند که می تواند هزینه های نیروی کار را تا حد زیادی کاهش دهد و نیروی کار را ذخیره کند.

(2) توسعه فشرده و کارآمد تجهیزات فنی کارخانه کارخانه برای دستیابی به کیفیت بالا و عملکرد بالا سالانه. توسعه تاسیسات و تجهیزات کشت با راندمان بالا، فناوری و تجهیزات روشنایی صرفه جویی در انرژی و غیره برای بهبود سطح هوشمند کارخانه های گیاهی، منجر به تحقق تولید سالانه با راندمان بالا می شود.

(3) انجام تحقیقات در مورد فن آوری کشت صنعتی برای گیاهان با ارزش افزوده بالا مانند گیاهان دارویی، گیاهان مراقبت بهداشتی، و سبزیجات کمیاب، افزایش انواع محصولات کشت شده در کارخانه های گیاهی، گسترش کانال های سود، و بهبود نقطه شروع سود. .

(4) تحقیق در مورد کارخانه های گیاهی برای مصارف خانگی و تجاری، غنی سازی انواع کارخانه های گیاهی و دستیابی به سوددهی مستمر با عملکردهای مختلف.

4. روند توسعه و چشم انداز کارخانه کارخانه

4.1 روند توسعه فناوری

4.1.1 روشنفکری با فرآیند کامل

بر اساس مکانیزم همجوشی و جلوگیری از تلفات ماشینی در سیستم ربات زراعی، کاشت و برداشت نهایی اثرگذارهای انعطاف‌پذیر و غیر مخرب با سرعت بالا، موقعیت‌یابی دقیق فضای چند بعدی و روش‌های کنترل مشارکتی چند ماشینی چند وجهی، و کاشت بدون سرنشین، کارآمد و غیر مخرب در کارخانجات گیاهان مرتفع - ربات‌های هوشمند و تجهیزات پشتیبانی مانند کاشت، برداشت، بسته‌بندی باید ایجاد شود، بنابراین عملیات بدون سرنشین کل فرآیند محقق شود.

4.1.2 کنترل تولید را هوشمندتر کنید

بر اساس مکانیسم واکنش رشد و نمو محصول به تابش نور، دما، رطوبت، غلظت CO2، غلظت مواد مغذی محلول غذایی و EC، یک مدل کمی از بازخورد محصول-محیط باید ساخته شود. یک مدل هسته استراتژیک باید برای تجزیه و تحلیل پویا اطلاعات زندگی سبزیجات برگی و پارامترهای محیط تولید ایجاد شود. همچنین باید سیستم تشخیص هویت پویا آنلاین و کنترل فرآیند محیط زیست ایجاد شود. یک سیستم تصمیم گیری هوش مصنوعی مشترک چند ماشینی برای کل فرآیند تولید یک کارخانه کشاورزی عمودی با حجم بالا باید ایجاد شود.

4.1.3 تولید کربن کم و صرفه جویی در انرژی

ایجاد یک سیستم مدیریت انرژی که از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند خورشید و باد برای تکمیل انتقال نیرو و کنترل مصرف انرژی برای دستیابی به اهداف بهینه مدیریت انرژی استفاده می کند. جذب و استفاده مجدد از انتشار CO2 برای کمک به تولید محصول.

4.1.3 ارزش بالای انواع ممتاز

استراتژی‌های عملی باید برای پرورش انواع مختلف با ارزش افزوده بالا برای آزمایش‌های کاشت، ایجاد پایگاه داده از کارشناسان فن‌آوری کشت، انجام تحقیقات در مورد فناوری کشت، انتخاب تراکم، چیدمان کلش، تنوع و سازگاری تجهیزات، و تشکیل مشخصات فنی کشت استاندارد اتخاذ شود.

4.2 چشم انداز توسعه صنعت

کارخانه های کارخانه می توانند از محدودیت های منابع و محیط خلاص شوند، تولید صنعتی کشاورزی را تحقق بخشند و نسل جدید نیروی کار را برای تولید کشاورزی جذب کنند. نوآوری کلیدی فن آوری و صنعتی شدن کارخانه های کارخانه چین در حال تبدیل شدن به یک رهبر جهانی است. با استفاده سریع از منبع نور LED، دیجیتالی شدن، اتوماسیون و فناوری‌های هوشمند در زمینه کارخانه‌های کارخانه، کارخانه‌های کارخانه سرمایه‌گذاری بیشتر، جمع‌آوری استعدادها و استفاده بیشتر از انرژی‌های جدید، مواد جدید و تجهیزات جدید را جذب خواهند کرد. به این ترتیب می توان به یکپارچگی عمیق فناوری اطلاعات و امکانات و تجهیزات، ارتقای سطح هوشمند و بدون سرنشین امکانات و تجهیزات، کاهش مستمر مصرف انرژی سیستم و هزینه های عملیاتی از طریق نوآوری مستمر و کاهش تدریجی آن ها، پی برد. کشت بازارهای تخصصی، کارخانه های هوشمند گیاهی، دوره طلایی توسعه را آغاز خواهد کرد.

بر اساس گزارش های تحقیقات بازار، اندازه بازار جهانی کشاورزی عمودی در سال 2020 تنها 2.9 میلیارد دلار است و انتظار می رود که تا سال 2025، اندازه بازار کشاورزی عمودی جهانی به 30 میلیارد دلار برسد. به طور خلاصه، کارخانه های کارخانه چشم انداز کاربردی و فضای توسعه گسترده ای دارند.

نویسنده: Zengchan Zhou، Weidong و غیره

اطلاعات استنادی:وضعیت فعلی و چشم انداز توسعه صنعت کارخانه کارخانه [J]. فناوری مهندسی کشاورزی، 2022، 42 (1): 18-23.توسط Zengchan Zhou، Wei Dong، Xiugang Li، و همکاران.