Резюме: През последните години, с непрекъснатото проучване на съвременните селскостопански технологии, индустрията за производство на растения също се развива бързо. Тази статия представя статуквото, съществуващите проблеми и мерките за противодействие на развитието на технологията за производство на растения и развитието на индустрията, и разглежда тенденциите за развитие и перспективите на заводите за производство на растения в бъдеще.

1. Актуално състояние на технологичното развитие в заводите за производство на растения в Китай и чужбина

1.1 Състоянието на развитието на чуждестранни технологии

От 21-ви век насам изследванията в заводите за производство на растения са фокусирани главно върху подобряване на светлинната ефективност, създаването на многослойно триизмерно оборудване за култивационни системи и изследванията и разработването на интелигентно управление и контрол. През 21-ви век иновациите в селскостопанските LED светлинни източници отбелязаха напредък, осигурявайки важна техническа подкрепа за прилагането на LED енергоспестяващи светлинни източници в заводите за производство на растения. Университетът Чиба в Япония е направил редица иновации във високоефективни светлинни източници, енергоспестяващ контрол на околната среда и техники за отглеждане. Университетът Вагенинген в Холандия използва симулация на културата и околната среда и технология за динамична оптимизация, за да разработи интелигентна система за оборудване за заводите за производство на растения, което значително намалява оперативните разходи и значително подобрява производителността на труда.

През последните години заводите за растения постепенно реализират полуавтоматизация на производствените процеси - от сеитба, отглеждане на разсад, разсаждане и прибиране на реколтата. Япония, Холандия и Съединените щати са начело, с висока степен на механизация, автоматизация и интелигентност, и се развиват в посока на вертикално земеделие и безпилотна работа.

1.2 Състояние на технологичното развитие в Китай

1.2.1 Специализиран LED източник на светлина и енергоспестяващо технологично оборудване за изкуствено осветление в заводски помещения

Специални червени и сини LED светлинни източници за производство на различни растителни видове в заводи за растения са разработени един след друг. Мощността варира от 30 до 300 W, а интензитетът на облъчваната светлина е от 80 до 500 μmol/(m2•s), което може да осигури интензитет на светлината с подходящ прагов диапазон и параметри за качество на светлината, за да се постигне ефект на високоефективно енергоспестяване и адаптиране към нуждите на растежа и осветлението на растенията. По отношение на управлението на разсейването на топлината на светлинния източник е въведена активна конструкция за разсейване на топлината на вентилатора на светлинния източник, което намалява скоростта на затихване на светлината от светлинния източник и осигурява живота на светлинния източник. Освен това е предложен метод за намаляване на топлината на LED светлинния източник чрез циркулация на хранителен разтвор или вода. По отношение на управлението на пространството на светлинния източник, съгласно закона за еволюция на размера на растението в етапа на разсад и по-късен етап, чрез управление на вертикалното движение на пространството на LED светлинния източник, короната на растението може да бъде осветена от близко разстояние и да се постигне целта за енергоспестяване. В момента консумацията на енергия от изкуствените светлинни източници в заводите може да представлява от 50% до 60% от общата оперативна консумация на енергия на завода. Въпреки че LED лампите могат да спестят 50% енергия в сравнение с флуоресцентните лампи, все още има потенциал и необходимост от изследвания в областта на пестенето на енергия и намаляването на потреблението.

1.2.2 Многослойна триизмерна технология и оборудване за култивиране

Разстоянието между слоевете при многослойното триизмерно култивиране е намалено, тъй като LED лампата замества флуоресцентната лампа, което подобрява ефективността на използване на триизмерното пространство при отглеждането на растения. Има много изследвания върху дизайна на дъното на култивационното легло. Повдигнатите ивици са проектирани да генерират турбулентен поток, който може да помогне на корените на растенията да абсорбират равномерно хранителните вещества в хранителния разтвор и да увеличат концентрацията на разтворен кислород. С помощта на колонизационна дъска има два метода за колонизация, а именно пластмасови колонизационни чашки с различни размери или режим на колонизация по периметъра с гъба. Появи се плъзгаща се система за култивационно легло, при която дъската за засаждане и растенията върху нея могат да се преместват ръчно от единия до другия край, реализирайки производствения режим на засаждане в единия край на култивационното легло и прибиране на реколтата в другия край. В момента са разработени различни технологии и оборудване за триизмерно многослойно безпочвено култивиране, базирани на технологията на течния филм с хранителни вещества и технологията на дълбокия поток на течности, и се появиха технологии и оборудване за субстратно отглеждане на ягоди, аерозолно отглеждане на листни зеленчуци и цветя. Споменатата технология се развива бързо.

1.2.3 Технология и оборудване за циркулация на хранителни разтвори

След като хранителният разтвор е бил използван за определен период от време, е необходимо да се добавят вода и минерални елементи. Обикновено количеството на новоприготвения хранителен разтвор и количеството на киселинно-алкалния разтвор се определят чрез измерване на електропроводимостта (EC) и pH. Големите частици от утайка или коренови ексфолиации в хранителния разтвор трябва да бъдат отстранени чрез филтър. Коренните ексудати в хранителния разтвор могат да бъдат отстранени чрез фотокаталитични методи, за да се избегнат непрекъснати пречки пред отглеждането на култури в хидропониката, но съществуват определени рискове по отношение на наличността на хранителни вещества.

1.2.4 Технологии и оборудване за контрол на околната среда

Чистотата на въздуха в производственото пространство е един от важните показатели за качеството на въздуха в завода. Чистотата на въздуха (показатели за суспендирани частици и утаени бактерии) в производственото пространство на завода при динамични условия трябва да се контролира до ниво над 100 000. Дезинфекцията на материалите, обработката на входящия персонал с въздушен душ и системата за пречистване на циркулиращия свеж въздух (система за филтриране на въздуха) са основни предпазни мерки. Температурата и влажността, концентрацията на CO2 и скоростта на въздушния поток в производственото пространство са друг важен елемент от контрола на качеството на въздуха. Според докладите, инсталирането на оборудване като кутии за смесване на въздух, въздуховоди, входове и изходи за въздух може равномерно да контролира температурата и влажността, концентрацията на CO2 и скоростта на въздушния поток в производственото пространство, така че да се постигне висока пространствена равномерност и да се отговорят на нуждите на завода в различни пространствени местоположения. Системата за контрол на температурата, влажността и концентрацията на CO2 и системата за свеж въздух са органично интегрирани в системата за циркулиращ въздух. Трите системи трябва да споделят въздуховода, входа и изхода за въздух и да осигуряват захранване чрез вентилатора, за да се осъществи циркулация на въздушния поток, филтрация и дезинфекция, както и да се поддържа и равномерно качество на въздуха. Това гарантира, че растителната продукция в завода за растения е свободна от вредители и болести и не е необходимо прилагане на пестициди. В същото време се гарантира равномерност на температурата, влажността, въздушния поток и концентрацията на CO2 в елементите на растежната среда в короната, за да се отговорят на нуждите на растежа на растенията.

2. Състояние на развитието на заводската промишленост

2.1 Състояние на чуждестранната индустрия за фабрики за растения

В Япония научноизследователската и развойна дейност и индустриализацията на фабрики за изкуствено осветление са сравнително бързи и са на водещо ниво. През 2010 г. японското правителство отпусна 50 милиарда йени в подкрепа на технологични научноизследователски и развойни дейности и индустриални демонстрации. Осем институции, включително Университета Чиба и Японската асоциация за изследване на фабрики за растения, участваха. Japan Future Company предприе и управлява първия демонстрационен проект за индустриализация на фабрика за растения с дневно производство от 3000 растения. През 2012 г. производствените разходи на фабриката за растения бяха 700 йени/кг. През 2014 г. беше завършена модерна фабрика за растения в замъка Тага, префектура Мияги, която се превърна в първата в света фабрика за LED растения с дневно производство от 10 000 растения. От 2016 г. насам фабриките за LED растения навлязоха в бързата лента на индустриализацията в Япония и едно след друго се появиха предприятия, достигащи точка на безубыточност или печеливши предприятия. През 2018 г. една след друга се появиха големи заводи за растения с дневен производствен капацитет от 50 000 до 100 000 растения, а световните заводи за растения се развиваха към мащабно, професионално и интелигентно развитие. В същото време Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power и други сектори започнаха да инвестират във заводи за растения. През 2020 г. пазарният дял на марулята, произведена от японски заводи за растения, ще представлява около 10% от целия пазар на маруля. Сред над 250-те завода за растения с изкуствена светлина, които работят в момента, 20% са на загуба, 50% са на ниво рентабилност, а 30% са на печалба, включващи култивирани растителни видове като маруля, билки и разсад.

Холандия е истински световен лидер в областта на технологията за комбинирано приложение на слънчева и изкуствена светлина за заводи, с висока степен на механизация, автоматизация, интелигентност и безпилотност, и вече е изнесла пълен набор от технологии и оборудване като мощни продукти за Близкия изток, Африка, Китай и други страни. Фермата American AeroFarms се намира в Нюарк, Ню Джърси, САЩ, с площ от 6500 м2. Тя отглежда основно зеленчуци и подправки, а производството е около 900 тона годишно.

Вертикално земеделие в AeroFarms

Фабриката за вертикално земеделие на Plenty Company в Съединените щати използва LED осветление и вертикална рамка за засаждане с височина 6 м. Растенията растат отстрани на саксиите. Разчитайки на гравитачно поливане, този метод на засаждане не изисква допълнителни помпи и е по-ефективен от гледна точка на водата от конвенционалното земеделие. Plenty твърди, че неговата ферма произвежда 350 пъти повече продукция от конвенционална ферма, като използва само 1% от водата.

Фабрика за вертикални земеделски растения, Plenty Company

2.2 Състояние на заводската фабрика в Китай

През 2009 г. в селскостопанския изложбен парк Чанчун беше построена и пусната в експлоатация първата фабрика за производство в Китай с интелигентно управление като ядро. Площта на сградата е 200 м2, а факторите на околната среда, като температура, влажност, светлина, CO2 и концентрация на хранителни разтвори в завода, могат да бъдат автоматично наблюдавани в реално време, за да се реализира интелигентно управление.

През 2010 г. в Пекин е построен заводът в Тунчжоу. Основната конструкция е изработена от еднослойна лека стоманена конструкция с обща строителна площ от 1289 м2. Тя е оформена като самолетоносач, символизирайки водещата роля на китайското земеделие в усвояването на най-модерните технологии в съвременното земеделие. Разработено е автоматично оборудване за някои операции по производство на листни зеленчуци, което е подобрило нивото на автоматизация на производството и ефективността на производството. Заводът използва система за геотермална термопомпа и система за генериране на слънчева енергия, което по-добре решава проблема с високите оперативни разходи за завода.

Изглед отвътре и отвън на завода в Тонгжоу

През 2013 г. в демонстрационната зона за селскостопански високотехнологични предприятия Янлинг в провинция Шанси бяха създадени много компании за селскостопански технологии. Повечето от проектите за фабрики за растения в процес на изграждане и експлоатация са разположени в демонстрационни паркове за селскостопански високотехнологични предприятия, които се използват главно за демонстрации на популярна наука и разглеждане на забележителности. Поради функционалните си ограничения, за тези фабрики за популярна наука е трудно да постигнат високия добив и високата ефективност, изисквани от индустриализацията, и ще им бъде трудно да се превърнат в основна форма на индустриализация в бъдеще.

През 2015 г. голям производител на LED чипове в Китай си сътрудничи с Института по ботаника на Китайската академия на науките, за да инициират съвместното създаване на компания за фабрика за растения. Тя премина от оптоелектронната към „фотобиологичната“ индустрия и се превърна в прецедент за китайските производители на LED диоди да инвестират в изграждането на фабрики за растения в индустриализацията. Фабриката за растения е ангажирана с индустриални инвестиции в развиваща се фотобиология, която интегрира научни изследвания, производство, демонстрации, инкубация и други функции, с регистриран капитал от 100 милиона юана. През юни 2016 г. тази фабрика за растения с 3-етажна сграда с площ от 3000 м2 и площ за отглеждане над 10 000 м2 беше завършена и пусната в експлоатация. До май 2017 г. дневният производствен мащаб ще бъде 1500 кг листни зеленчуци, което се равнява на 15 000 растения маруля на ден.

Мнения за тази компания

3. Проблеми и контрамерки, пред които е изправено развитието на заводите за растителна защита

3.1 Проблеми

3.1.1 Висока цена на строителството

Растителните фабрики трябва да произвеждат култури в затворена среда. Следователно е необходимо да се изградят поддържащи проекти и оборудване, включително външни конструкции за поддръжка, климатични системи, изкуствени източници на светлина, многослойни системи за култивиране, циркулация на хранителни разтвори и компютърни системи за управление. Цената на строителството е сравнително висока.

3.1.2 Високи експлоатационни разходи

Повечето от източниците на светлина, необходими на заводите за растения, идват от LED лампи, които консумират много електроенергия, като същевременно осигуряват съответстващи спектри за растежа на различните култури. Оборудване като климатизация, вентилация и водни помпи в производствения процес на заводите за растения също консумира електроенергия, така че сметките за електричество са огромен разход. Според статистиката, сред производствените разходи на заводите за растения, разходите за електроенергия представляват 29%, разходите за труд - 26%, амортизацията на дълготрайните активи - 23%, опаковката и транспортът - 12%, а производствените материали - 10%.

Разбивка на производствените разходи за завод за растения

3.1.3 Ниско ниво на автоматизация

В момента използваната фабрика за растения има ниско ниво на автоматизация и процеси като разсад, пресаждане, засаждане на полето и прибиране на реколтата все още изискват ръчни операции, което води до високи разходи за труд.

3.1.4 Ограничени сортове култури, които могат да се култивират

В момента видовете култури, подходящи за заводи за растения, са много ограничени, главно зелени листни зеленчуци, които растат бързо, лесно приемат изкуствени източници на светлина и имат нисък коронен лист. Мащабно засаждане не може да се извършва поради сложни изисквания за засаждане (като например култури, които трябва да бъдат опрашвани и др.).

3.2 Стратегия за развитие

С оглед на проблемите, пред които е изправена индустрията за производство на растения, е необходимо да се проведат изследвания от различни аспекти, като например технология и експлоатация. В отговор на настоящите проблеми, контрамерките са следните.

(1) Засилване на изследванията в областта на интелигентните технологии на заводите за растителна защита и подобряване на нивото на интензивно и прецизно управление. Разработването на интелигентна система за управление и контрол спомага за постигане на интензивно и прецизно управление на заводите за растителна защита, което може значително да намали разходите за труд и да спести труд.

(2) Разработване на интензивно и ефикасно техническо оборудване за заводите за растения, за да се постигне висококачествена и висока годишна продукция. Разработването на високоефективни съоръжения и оборудване за отглеждане, енергоспестяващи осветителни технологии и оборудване и др., за да се подобри интелигентното ниво на заводите, е благоприятно за реализиране на високоефективно годишно производство.

(3) Провеждане на изследвания върху технологиите за промишлено отглеждане на растения с висока добавена стойност, като лечебни растения, растения за здравословни грижи и редки зеленчуци, увеличаване на видовете култури, отглеждани в заводите за растения, разширяване на каналите за печалба и подобряване на началната точка на печалбата.

(4) Провеждане на изследвания върху заводи за растения за домашна и търговска употреба, обогатяване на видовете заводи и постигане на непрекъсната рентабилност с различни функции.

4. Тенденция на развитие и перспективи на завода за растения

4.1 Тенденция в развитието на технологиите

4.1.1 Пълноценна интелектуализация на процеса

Въз основа на механизма за сливане на машинно изкуство и предотвратяване на загуби на системата за реколта-робот, трябва да се създадат високоскоростни, гъвкави и неразрушителни крайни ефектори за засаждане и прибиране на реколтата, разпределено многоизмерно пространствено точно позициониране и мултимодални методи за многомашинно съвместно управление, както и безпилотна, ефективна и неразрушителна сеитба във високи заводи - интелигентни роботи и поддържащо оборудване, като например засаждане-прибиране-опаковане, като по този начин се реализира безпилотната работа на целия процес.

4.1.2 Направете производствения контрол по-интелигентен

Въз основа на механизма на реакция на растежа и развитието на културите към светлинна радиация, температура, влажност, концентрация на CO2, концентрация на хранителни вещества в хранителния разтвор и електропроводимост, трябва да се изгради количествен модел на обратна връзка между културата и околната среда. Трябва да се създаде стратегически основен модел за динамичен анализ на информацията за живота на листните зеленчуци и параметрите на производствената среда. Трябва да се създаде и онлайн система за динамична идентификация, диагностика и контрол на процесите на околната среда. Трябва да се създаде многомашинна система за съвместно вземане на решения с изкуствен интелект за целия производствен процес на вертикална селскостопанска фабрика с голям обем.

4.1.3 Нисковъглеродно производство и енергоспестяване

Създаване на система за управление на енергията, която използва възобновяеми енергийни източници като слънчева и вятърна енергия, за да завърши преноса на енергия и да контролира потреблението на енергия за постигане на оптимални цели за управление на енергията. Улавяне и повторно използване на емисиите на CO2 за подпомагане на производството на култури.

4.1.3 Висока стойност на първокласните сортове

Следва да се предприемат осъществими стратегии за селекциониране на различни сортове с висока добавена стойност за експерименти по засаждане, да се изгради база данни от експерти по технологии на отглеждане, да се проведат изследвания върху технологията на отглеждане, избора на гъстота, разположението на стърнищата, адаптивността на сортовете и оборудването, както и да се формулират стандартни технически спецификации за отглеждане.

4.2 Перспективи за развитие на индустрията

Фабриките за растения могат да се освободят от ограниченията на ресурсите и околната среда, да реализират индустриализирано селскостопанско производство и да привлекат ново поколение работна сила, която да се занимава със селскостопанско производство. Ключовите технологични иновации и индустриализация на китайските фабрики за растения се превръщат в световен лидер. С ускореното приложение на LED светлинни източници, дигитализация, автоматизация и интелигентни технологии в областта на фабриките за растения, фабриките за растения ще привлекат повече капиталови инвестиции, набиране на таланти и използване на повече нова енергия, нови материали и ново оборудване. По този начин може да се осъществи задълбочена интеграция на информационните технологии и съоръженията и оборудването, да се подобри интелигентното и безпилотно ниво на съоръженията и оборудването, непрекъснатото намаляване на консумацията на енергия и оперативните разходи на системата чрез непрекъснати иновации и постепенното култивиране на специализирани пазари, интелигентните фабрики за растения ще отведат до златния период на развитие.

Според пазарни проучвания, размерът на световния пазар на вертикално земеделие през 2020 г. е само 2,9 милиарда щатски долара, а се очаква до 2025 г. размерът на световния пазар на вертикално земеделие да достигне 30 милиарда щатски долара. В обобщение, заводите за производство на растения имат широки перспективи за приложение и пространство за развитие.

Автор: Zengchan Zhou, Weidong и др

Информация за цитиране:Съвременно състояние и перспективи за развитие на растениевъдната индустрия [J]. Селскостопанска техника, 2022, 42(1): 18-23.от Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li и др.