چکیده: در سالهای اخیر ، با اکتشاف مداوم فناوری کشاورزی مدرن ، صنعت کارخانه گیاهان نیز به سرعت توسعه یافته است. در این مقاله وضع موجود ، مشکلات موجود و اقدامات متقابل توسعه فناوری کارخانه گیاهان و توسعه صنعت ارائه شده است و در آینده به دنبال روند توسعه و چشم انداز کارخانه های گیاهی است.

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

1.1 وضع موجود در توسعه فناوری خارجی

از قرن بیست و یکم ، تحقیقات کارخانه های گیاهی عمدتاً بر بهبود راندمان 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 نوری LED کشاورزی پیشرفت کرده است و پشتیبانی فنی مهمی را برای استفاده از منابع نور صرفه جویی در مصرف انرژی در کارخانه های گیاهی فراهم می کند. دانشگاه Chiba در ژاپن در منابع نوری با راندمان بالا ، کنترل محیط زیست صرفه جویی در انرژی و تکنیک های کشت ، نوآوری های زیادی ایجاد کرده است. دانشگاه Wageningen در هلند از شبیه سازی محصولات زراعی و فناوری بهینه سازی پویا برای توسعه یک سیستم تجهیزات هوشمند برای کارخانه های گیاهی استفاده می کند ، که باعث کاهش هزینه های عملیاتی و بهبود چشمگیر بهره وری نیروی کار می شود.

در سالهای اخیر ، کارخانه های گیاهی به تدریج متوجه نیمه اتوماتیک فرآیندهای تولید از کاشت ، افزایش نهال ، پیوند و برداشت شدند. ژاپن ، هلند و ایالات متحده در صدر قرار دارند و دارای درجه بالایی از مکانیزاسیون ، اتوماسیون و هوش هستند و در جهت کشاورزی عمودی و عملکرد بدون سرنشین در حال توسعه هستند.

1.2 وضعیت توسعه فناوری در چین

1.2.1 منبع نور LED ویژه و تجهیزات فناوری کاربردی صرفه جویی در مصرف انرژی برای نور مصنوعی در کارخانه گیاهان

منابع نوری مخصوص قرمز و آبی LED برای تولید گونه های مختلف گیاهی در کارخانه های گیاهی یکی پس از دیگری توسعه یافته است. قدرت از 30 تا 300 W و شدت نور تابش 80 تا 500 میکرومول/(M2 • S) است ، که می تواند شدت نور را با یک محدوده آستانه مناسب ، پارامترهای کیفیت نور فراهم کند ، تا به تأثیر راندمان بالا برسد. صرفه جویی در مصرف انرژی و تطبیق با نیازهای رشد و روشنایی گیاه. از نظر مدیریت اتلاف گرمای منبع نور ، طراحی اتلاف گرما فعال فن منبع نور معرفی شده است که باعث کاهش میزان پوسیدگی نور منبع نور می شود و عمر منبع نور را تضمین می کند. علاوه بر این ، روشی برای کاهش گرمای منبع نور LED از طریق محلول مواد مغذی یا گردش آب ارائه شده است. از نظر مدیریت فضای منبع نور ، طبق قانون تکامل اندازه گیاه در مرحله نهال و مرحله بعدی ، از طریق مدیریت حرکات عمودی فضای منبع نور LED ، سایبان گیاه می تواند در فاصله نزدیک روشن شود و هدف صرفه جویی در مصرف انرژی است به دست آمده در حال حاضر ، مصرف انرژی منبع نور کارخانه کارخانه نور مصنوعی می تواند 50 ٪ تا 60 ٪ از کل مصرف انرژی عملیاتی کارخانه گیاه را به خود اختصاص دهد. اگرچه LED می تواند 50 ٪ انرژی را در مقایسه با لامپ های فلورسنت صرفه جویی کند ، اما هنوز هم پتانسیل و ضرورت تحقیق در مورد صرفه جویی در مصرف انرژی و کاهش مصرف وجود دارد.

1.2.2 فناوری و تجهیزات کشت سه بعدی چند لایه

شکاف لایه ای از کشت سه بعدی چند لایه کاهش می یابد زیرا LED جایگزین لامپ فلورسنت می شود ، که باعث افزایش بهره وری از فضای سه بعدی کشت گیاه می شود. مطالعات زیادی در مورد طراحی کف بستر کشت وجود دارد. نوارهای بلند شده برای تولید جریان آشفته طراحی شده اند که می تواند به ریشه های گیاهی برای جذب مواد مغذی در محلول مواد مغذی و افزایش غلظت اکسیژن محلول کمک کند. با استفاده از صفحه استعمار ، دو روش استعمار وجود دارد ، یعنی فنجان های استعمار پلاستیکی در اندازه های مختلف یا حالت استعمار پیرامون پیرامون. یک سیستم بستر کشت قابل کشش ظاهر شده است ، و تخته کاشت و گیاهان موجود در آن می توانند به صورت دستی از یک انتها به سمت دیگر هل شوند ، و متوجه حالت تولید کاشت در یک انتهای بستر کشت و برداشت در انتهای دیگر می شوند. در حال حاضر ، انواع فناوری و تجهیزات کشت چند لایه سه بعدی بر اساس فناوری فیلم مایع مغذی و فناوری جریان مایع عمیق توسعه یافته است ، و فناوری و تجهیزات برای کشت بستر توت فرنگی ، کشت ذرات معلق در هوا از سبزیجات و گل های برگ دار و گل های برگ پاشیده شده است فناوری ذکر شده به سرعت توسعه یافته است.

1.2.3 فناوری گردش خون و تجهیزات محلول مواد مغذی

پس از استفاده از محلول مواد مغذی برای مدت زمانی ، اضافه کردن عناصر آب و مواد معدنی لازم است. به طور کلی ، مقدار محلول مواد مغذی تازه تهیه شده و میزان محلول اسید پایه با اندازه گیری EC و pH تعیین می شود. ذرات بزرگ رسوب یا لایه برداری ریشه در محلول مواد مغذی باید توسط یک فیلتر برداشته شود. اگزوداتهای ریشه در محلول مواد مغذی می توانند با روشهای فوتوکاتالیستی برای جلوگیری از موانع مداوم برداشت در هیدروپونیک از بین بروند ، اما خطرات خاصی در دسترس بودن مواد مغذی وجود دارد.

1.2.4 فناوری و تجهیزات کنترل محیط زیست

پاکیزگی هوا از فضای تولید یکی از شاخص های مهم کیفیت هوا کارخانه گیاه است. پاکیزگی هوا (شاخص های ذرات معلق و باکتری های مستقر) در فضای تولید کارخانه گیاه در شرایط پویا باید به یک سطح بالاتر از 100000 کنترل شود. ورودی ضد عفونی کننده مواد ، درمان دوش هوا پرسنل ورودی و سیستم تصفیه هوا در هوا تازه (سیستم تصفیه هوا) همه حفاظت های اساسی هستند. دما و رطوبت ، غلظت CO2 و سرعت جریان هوا در فضای تولید یکی دیگر از محتوای مهم کنترل کیفیت هوا است. براساس گزارش ها ، تنظیم تجهیزات مانند جعبه های اختلاط هوا ، مجرای هوا ، ورودی هوا و پریزهای هوا می تواند به طور مساوی دما و رطوبت ، غلظت CO2 و سرعت جریان هوا را در فضای تولید کنترل کند ، تا بتواند یکنواختی مکانی بالا را بدست آورد و نیازهای گیاهی را برآورده کند. در مکان های مختلف مکانی. دما ، رطوبت و سیستم کنترل غلظت CO2 و سیستم هوای تازه از نظر ارگانیک در سیستم هوای در گردش ادغام می شوند. این سه سیستم باید مجرای هوا ، ورودی هوا و خروجی هوا را به اشتراک بگذارند و از طریق فن قدرت را تأمین کنند تا گردش خون ، تصفیه و ضد عفونی را تحقق بخشند و به روزرسانی و یکنواختی کیفیت هوا را به روز کنند. این تضمین می کند که تولید گیاه در کارخانه گیاه عاری از آفات و بیماری ها است و به کاربرد سموم دفع آفات نیاز نیست. در عین حال ، یکنواختی دما ، رطوبت ، جریان هوا و غلظت CO2 عناصر محیط رشد در سایبان تضمین شده است تا نیازهای رشد گیاه را برآورده کند.

5. وضعیت توسعه صنعت کارخانه گیاهان

2.1 وضع موجود صنعت کارخانه گیاهان خارجی

در ژاپن ، تحقیق و توسعه و صنعتی شدن کارخانه های گیاهی با نور مصنوعی نسبتاً سریع است و در سطح پیشرو قرار دارند. در سال 2010 ، دولت ژاپن 50 میلیارد ین برای حمایت از تحقیقات و توسعه فناوری و تظاهرات صنعتی راه اندازی کرد. هشت موسسه از جمله دانشگاه چیبا و انجمن تحقیقات کارخانه گیاهان ژاپن شرکت کردند. شرکت آینده ژاپن اولین پروژه تظاهرات صنعتی سازی یک کارخانه کارخانه را با تولید روزانه 3000 گیاه انجام و اداره کرد. در سال 2012 ، هزینه تولید کارخانه کارخانه 700 ین در کیلوگرم بود. در سال 2014 ، کارخانه کارخانه مدرن کارخانه در قلعه تاگا ، بخشدار میاجی به پایان رسید و به اولین کارخانه گیاهی LED در جهان با تولید روزانه 10،000 گیاه تبدیل شد. از سال 2016 ، کارخانه های کارخانه LED وارد خط سریع صنعتی شدن در ژاپن شده اند و شرکت های حتی یا سودآور یکی پس از دیگری پدید آمده اند. در سال 2018 ، کارخانه های گیاهی در مقیاس بزرگ با ظرفیت تولید روزانه 50،000 تا 100000 گیاه یکی پس از دیگری ظاهر شدند و کارخانه های جهانی گیاهان در حال توسعه به سمت توسعه در مقیاس بزرگ ، حرفه ای و هوشمند بودند. در همین زمان ، انرژی الکتریکی توکیو ، برق اوکیناوا و سایر زمینه ها شروع به سرمایه گذاری در کارخانه های گیاهی کردند. در سال 2020 ، سهم بازار کاهو تولید شده توسط کارخانه های کارخانه ژاپنی حدود 10 ٪ از کل بازار کاهو را تشکیل می دهد. از بین بیش از 250 کارخانه گیاهی از نوع نور مصنوعی که در حال کار هستند ، 20 ٪ در مرحله از دست دادن ، 50 ٪ در سطح شکستن هستند و 30 ٪ در یک مرحله سودآور هستند که شامل گونه های گیاهی کشت شده مانند کاهو ، گیاهان و نهال ها.

هلند یک رهبر دنیای واقعی در زمینه فناوری برنامه کاربردی نور خورشیدی و نور مصنوعی برای کارخانه گیاهان است ، با درجه بالایی از مکانیزاسیون ، اتوماسیون ، هوش و بی نظمی ، و اکنون مجموعه کاملی از فناوری ها و تجهیزات را به عنوان قدرتمند صادر کرده است. محصولات به خاورمیانه ، آفریقا ، چین و سایر کشورها. مزرعه Aerofarms American Aerofarms در نیوآرک ، نیوجرسی ، ایالات متحده ، با مساحت 6500 متر مربع واقع شده است. این عمدتا سبزیجات و ادویه ها را رشد می دهد و خروجی حدود 900 تن در سال است.

کشاورزی عمودی در Aerofarms

کارخانه کارخانه کشاورزی عمودی شرکت فراوان در ایالات متحده روشنایی LED و یک قاب کاشت عمودی با ارتفاع 6 متر را اتخاذ می کند. گیاهان از طرف کاشت ها رشد می کنند. با تکیه بر آبگرفتگی گرانش ، این روش کاشت نیازی به پمپ های اضافی ندارد و نسبت به کشاورزی معمولی کارآمدتر از آب است. مقدار زیادی ادعا می کند که مزرعه وی 350 برابر تولید یک مزرعه معمولی در حالی که تنها 1 ٪ از آب را استفاده می کند ، تولید می کند.

کارخانه گیاهان کشاورزی عمودی ، شرکت فراوان

2.2 صنعت کارخانه کارخانه در چین

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

در سال 2010 ، کارخانه گیاه Tongzhou که در پکن ساخته شده است. ساختار اصلی یک ساختار فولادی سبک یک لایه با مساحت کل ساخت و ساز 1289 متر مربع را اتخاذ می کند. این ماده مانند یک هواپیمای هواپیمایی شکل گرفته است ، و نمادی از کشاورزی چینی است که باعث می شود بادبان به پیشرفته ترین فناوری کشاورزی مدرن برسد. تجهیزات اتوماتیک برای برخی از عملیات تولید سبزیجات برگ دار توسعه یافته است که باعث بهبود سطح اتوماسیون تولید و راندمان تولید کارخانه کارخانه شده است. کارخانه کارخانه یک سیستم پمپ حرارتی منبع زمینی و یک سیستم تولید انرژی خورشیدی را اتخاذ می کند ، که بهتر است مشکل هزینه های بالای کار برای کارخانه کارخانه را حل کند.

در داخل و خارج از کارخانه گیاه Tongzhou

در سال 2013 ، بسیاری از شرکت های فناوری کشاورزی در منطقه تظاهرات پیشرفته کشاورزی کشاورزی ، استان شانشی تأسیس شدند. بسیاری از پروژه های کارخانه گیاهان در حال ساخت و بهره برداری در پارک های تظاهرات پیشرفته کشاورزی واقع شده اند که عمدتاً برای تظاهرات علوم مردمی و گشت و گذار در اوقات فراغت استفاده می شود. با توجه به محدودیت های عملکردی آنها ، دستیابی به این کارخانه های علوم علوم محبوب دشوار است که به بازده بالا و راندمان بالا مورد نیاز صنعتی شدن دست یابند و تبدیل شدن به شکل اصلی صنعتی شدن در آینده برای آنها دشوار خواهد بود.

در سال 2015 ، یک تولید کننده اصلی تراشه LED در چین با موسسه گیاه شناسی آکادمی علوم چین همکاری کرد تا به طور مشترک تأسیس یک شرکت کارخانه کارخانه را آغاز کند. این کشور از صنعت نوری به صنعت "فوتوبیولوژیکی" عبور کرده است و به پیشینه تولید کنندگان رهبری چینی تبدیل شده است تا در ساخت کارخانه های گیاهی در صنعتی سازی سرمایه گذاری کنند. کارخانه کارخانه این کشور متعهد به سرمایه گذاری صنعتی در نوظهور فوتوبیولوژی است که با سرمایه ثبت شده 100 میلیون یوان ، تحقیقات علمی ، تولید ، تظاهرات ، جوجه کشی و سایر کارکردها را ادغام می کند. در ژوئن سال 2016 ، این کارخانه گیاهی با یک ساختمان 3 طبقه که مساحت 3000 متر مربع را پوشش می دهد و یک منطقه کشت بیش از 10،000 متر مربع تکمیل و به بهره برداری رسید. تا ماه مه سال 2017 ، مقیاس تولید روزانه 1500 کیلوگرم سبزیجات برگ دار ، معادل 15000 گیاه کاهو در روز خواهد بود.

نماهای این شرکت

3. مشکلات و اقدامات متقابل با توسعه کارخانه های گیاهی

3.1 مشکل

3.1.1 هزینه ساخت و ساز بالا

کارخانه های گیاهی نیاز به تولید محصولات زراعی در یک محیط بسته دارند. بنابراین ، ساخت پروژه ها و تجهیزات پشتیبان از جمله سازه های تعمیر و نگهداری خارجی ، سیستم های تهویه مطبوع ، منابع نور مصنوعی ، سیستم های کشت چند لایه ، گردش خون در محلول مواد مغذی و سیستم های کنترل رایانه ضروری است. هزینه ساخت و ساز نسبتاً زیاد است.

3.1.2 هزینه عملکرد بالا

بسیاری از منابع نوری مورد نیاز کارخانه های گیاهی از چراغ های LED ناشی می شوند که ضمن تأمین طیف های مربوطه برای رشد محصولات مختلف ، برق زیادی مصرف می کنند. تجهیزات مانند تهویه مطبوع ، تهویه و پمپ های آب در فرآیند تولید کارخانه های گیاهی نیز برق مصرف می کنند ، بنابراین صورتحساب برق هزینه زیادی دارد. براساس آمار ، از بین هزینه های تولید کارخانه های کارخانه ، هزینه های برق 29 ٪ ، هزینه های کار 26 ٪ را تشکیل می دهد ، استهلاک دارایی ثابت 23 ٪ ، بسته بندی و حمل و نقل 12 ٪ را تشکیل می دهد و مواد تولیدی 10 ٪ را تشکیل می دهند.

تجزیه هزینه تولید کارخانه گیاهان

3.1.3 سطح پایین اتوماسیون

کارخانه کارخانه در حال حاضر کاربردی دارای سطح پایین اتوماسیون است و فرآیندهایی مانند نهال ، پیوند ، کاشت میدانی و برداشت هنوز هم نیاز به عملیات دستی دارد و در نتیجه هزینه های بالای نیروی کار دارد.

3.1.4 انواع محدود محصولات زراعی که قابل کشت هستند

در حال حاضر ، انواع محصولات زراعی مناسب برای کارخانه های گیاهی بسیار محدود هستند ، عمدتا سبزیجات برگ سبز که به سرعت رشد می کنند ، به راحتی منابع نور مصنوعی را می پذیرند و سایبان کم دارند. کاشت در مقیاس بزرگ برای نیازهای پیچیده کاشت (مانند محصولات زراعی که نیاز به گرده افشانی دارند و غیره) انجام نمی شود.

3.2 استراتژی توسعه

با توجه به مشکلاتی که صنعت کارخانه کارخانه با آن روبرو است ، لازم است تحقیقات از جنبه های مختلف مانند فناوری و بهره برداری انجام شود. در پاسخ به مشکلات فعلی ، اقدامات متقابل به شرح زیر است.

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

(2) تجهیزات فنی کارخانه ای فشرده و کارآمد برای دستیابی به سالانه با کیفیت بالا و با بازده بالا توسعه دهید. توسعه امکانات 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.

. بشر

(4) انجام تحقیقات در مورد کارخانه های گیاهی برای مصارف خانگی و تجاری ، غنی سازی انواع کارخانه های گیاهی و دستیابی به سودآوری مداوم با کارکردهای مختلف.

4. روند توسعه و چشم انداز کارخانه گیاه

4.1 روند توسعه فناوری

4.1.1 روشنفکری فرآیند

بر اساس مکانیسم فیوژن و از بین رفتن ماشین آلات سیستم محصول-ربات ، کاشت با سرعت بالا انعطاف پذیر و غیر مخرب و برداشت برداشت ، فضای چند بعدی توزیع دقیق و روشهای کنترل مشترک چند ماچین چند منظوره توزیع می شود ، و کاشت بدون سرنشین ، کارآمد و غیر مخرب در کارخانه های گیاهی مرتفع-روبات های هوشمند و تجهیزات پشتیبانی مانند بسته بندی برداشت کاشت باید ایجاد شود ، بنابراین متوجه عملکرد بدون سرنشین کل فرآیند می شود.

4.1.2 کنترل تولید را باهوش تر کنید

بر اساس مکانیسم پاسخ رشد و رشد محصول به تابش نور ، دما ، رطوبت ، غلظت CO2 ، غلظت مواد مغذی محلول مواد مغذی و EC ، باید یک مدل کمی از بازخورد محیط زیست ساخته شود. یک مدل اصلی استراتژیک باید برای تجزیه و تحلیل پویا اطلاعات مربوط به زندگی گیاهی برگ و پارامترهای محیط تولید ایجاد شود. تشخیص شناسایی پویا آنلاین و سیستم کنترل فرآیند محیط نیز باید ایجاد شود. یک سیستم تصمیم گیری هوش مصنوعی چند ماشین برای کل فرآیند تولید یک کارخانه کشاورزی عمودی با حجم بالا ایجاد می شود.

4.1.3 تولید کربن کم و صرفه جویی در مصرف انرژی

ایجاد یک سیستم مدیریت انرژی که از منابع انرژی تجدید پذیر مانند خورشیدی و باد برای تکمیل انتقال انرژی و کنترل مصرف انرژی برای دستیابی به اهداف بهینه مدیریت انرژی استفاده می کند. ضبط و استفاده مجدد از انتشار CO2 برای کمک به تولید محصولات زراعی.

4.1.3 ارزش بالای انواع حق بیمه

استراتژی های امکان پذیر باید برای پرورش انواع مختلف با ارزش افزوده بالا برای آزمایشات کاشت ، ایجاد یک پایگاه داده از کارشناسان فناوری کشت ، انجام تحقیقات در مورد فناوری کشت ، انتخاب چگالی ، چیدمان چگالی ، تنوع و تجهیزات تجهیزات و شکل مشخصات فنی کشت استاندارد انجام شود.

4.2 چشم انداز توسعه صنعت

کارخانه های گیاهی می توانند از محدودیت های منابع و محیط زیست خلاص شوند ، تولید صنعتی کشاورزی را تحقق بخشند و نسل جدیدی از نیروی کار را برای مشارکت در تولید کشاورزی جذب کنند. نوآوری کلیدی فن آوری و صنعتی شدن کارخانه های گیاهی چین در حال تبدیل شدن به یک رهبر جهانی است. با استفاده از شتاب از منبع نور LED ، دیجیتالی شدن ، اتوماسیون و فن آوری های هوشمند در زمینه کارخانه های گیاهی ، کارخانه های گیاهی سرمایه گذاری بیشتری را به خود جلب می کنند ، سرمایه گذاری بیشتر ، جمع آوری استعداد و استفاده از انرژی جدید ، مواد جدید و تجهیزات جدید را به خود جلب می کنند. به این ترتیب ، ادغام عمیق فناوری اطلاعات و امکانات و تجهیزات قابل تحقق است ، می توان سطح هوشمند و بدون سرنشین امکانات و تجهیزات را بهبود بخشید ، کاهش مداوم مصرف انرژی سیستم و هزینه های عملیاتی از طریق نوآوری مداوم و تدریجی کشت بازارهای تخصصی ، کارخانه های گیاهی هوشمند در دوره طلایی توسعه به وجود می آیند.

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

نویسنده: Zengchan Zhou ، Weidong و غیره

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