Özet: Son yıllarda, modern tarım teknolojisindeki sürekli gelişmelerle birlikte, bitki fabrikası sektörü de hızla gelişmiştir. Bu makale, bitki fabrikası teknolojisi ve sektörünün mevcut durumunu, sorunlarını ve geliştirme önlemlerini tanıtmakta ve bitki fabrikalarının gelecekteki gelişim eğilimini ve перспектиflerini ele almaktadır.

1. Çin'de ve yurtdışında bitki fabrikalarında teknoloji geliştirmenin mevcut durumu

1.1 Yabancı teknoloji geliştirmenin mevcut durumu

21. yüzyıldan itibaren, bitki fabrikaları araştırmaları esas olarak ışık verimliliğinin iyileştirilmesi, çok katmanlı üç boyutlu yetiştirme sistemi ekipmanlarının oluşturulması ve akıllı yönetim ve kontrolün araştırma ve geliştirilmesine odaklanmıştır. 21. yüzyılda, tarımsal LED ışık kaynaklarındaki yenilikler ilerleme kaydetmiş ve bitki fabrikalarında LED enerji tasarruflu ışık kaynaklarının uygulanması için önemli teknik destek sağlamıştır. Japonya'daki Chiba Üniversitesi, yüksek verimli ışık kaynakları, enerji tasarruflu çevre kontrolü ve yetiştirme tekniklerinde bir dizi yenilik yapmıştır. Hollanda'daki Wageningen Üniversitesi, bitki-çevre simülasyonu ve dinamik optimizasyon teknolojisini kullanarak bitki fabrikaları için akıllı bir ekipman sistemi geliştirmiş, bu da işletme maliyetlerini büyük ölçüde azaltmış ve iş gücü verimliliğini önemli ölçüde artırmıştır.

Son yıllarda, bitki fabrikaları ekimden fide yetiştirmeye, dikime ve hasada kadar üretim süreçlerinin yarı otomasyonunu kademeli olarak gerçekleştirmiştir. Japonya, Hollanda ve Amerika Birleşik Devletleri, yüksek derecede mekanizasyon, otomasyon ve zekâ ile bu alanda öncü konumdadır ve dikey tarım ve insansız işletme yönünde gelişmektedir.

1.2 Çin'deki teknoloji geliştirme durumu

1.2.1 Fabrika ve tesislerde yapay aydınlatma için özel LED ışık kaynağı ve enerji tasarruflu uygulama teknolojisi ekipmanları

Bitki fabrikalarında çeşitli bitki türlerinin üretimi için özel kırmızı ve mavi LED ışık kaynakları birbiri ardına geliştirilmiştir. Güç aralığı 30 ila 300 W, ışınım ışık yoğunluğu ise 80 ila 500 μmol/(m2•s) olup, uygun eşik aralığına sahip ışık yoğunluğu ve ışık kalitesi parametreleri sağlayarak yüksek verimli enerji tasarrufu etkisi elde edilir ve bitki büyüme ve aydınlatma ihtiyaçlarına uyum sağlanır. Işık kaynağı ısı dağıtım yönetimi açısından, ışık kaynağı fanının aktif ısı dağıtım tasarımı tanıtılmış olup, bu da ışık kaynağının ışık azalma oranını azaltır ve ışık kaynağının ömrünü uzatır. Ayrıca, besin çözeltisi veya su sirkülasyonu yoluyla LED ışık kaynağının ısısını azaltma yöntemi önerilmiştir. Işık kaynağı alan yönetimi açısından, fide aşamasında ve daha sonraki aşamada bitki boyutunun evrim yasasına göre, LED ışık kaynağının dikey alan hareket yönetimi yoluyla bitki örtüsü yakın mesafeden aydınlatılabilir ve enerji tasarrufu hedefi elde edilir. Şu anda, yapay ışıkla çalışan fabrika aydınlatma kaynaklarının enerji tüketimi, fabrikanın toplam işletme enerji tüketiminin %50 ila %60'ını oluşturmaktadır. LED'ler floresan lambalara kıyasla %50 enerji tasarrufu sağlayabilse de, enerji tasarrufu ve tüketim azaltımı konusunda araştırmaların potansiyeli ve gerekliliği hala mevcuttur.

1.2.2 Çok katmanlı üç boyutlu yetiştirme teknolojisi ve ekipmanları

Çok katmanlı üç boyutlu yetiştirme sisteminde, floresan lambanın yerini LED'lerin almasıyla katman aralığı azalır ve bu da bitki yetiştiriciliğinin üç boyutlu alan kullanım verimliliğini artırır. Yetiştirme yatağının tabanının tasarımı üzerine birçok çalışma yapılmıştır. Yükseltilmiş şeritler, türbülanslı akış oluşturmak üzere tasarlanmıştır; bu da bitki köklerinin besin çözeltisindeki besinleri eşit şekilde emmesine ve çözünmüş oksijen konsantrasyonunu artırmasına yardımcı olur. Kolonizasyon tahtası kullanılarak, farklı boyutlarda plastik kolonizasyon kapları veya sünger çevre kolonizasyon modu olmak üzere iki kolonizasyon yöntemi mevcuttur. Kaydırılabilir bir yetiştirme yatağı sistemi ortaya çıkmıştır ve ekim tahtası ve üzerindeki bitkiler elle bir uçtan diğerine itilebilir, böylece yetiştirme yatağının bir ucundan ekim ve diğer ucundan hasat üretim modu gerçekleştirilebilir. Şu anda, besin sıvısı film teknolojisi ve derin sıvı akış teknolojisine dayalı çeşitli üç boyutlu çok katmanlı topraksız kültür teknolojisi ve ekipmanları geliştirilmiştir ve çileklerin substratlı yetiştiriciliği, yapraklı sebzelerin ve çiçeklerin aerosol yetiştiriciliği için teknoloji ve ekipmanlar ortaya çıkmıştır. Bahsedilen teknoloji hızla gelişmiştir.

1.2.3 Besin çözeltisi dolaşım teknolojisi ve ekipmanı

Besin çözeltisi bir süre kullanıldıktan sonra su ve mineral elementlerin eklenmesi gerekir. Genellikle, yeni hazırlanan besin çözeltisinin miktarı ve asit-baz çözeltisinin miktarı EC ve pH ölçülerek belirlenir. Besin çözeltisindeki büyük tortu parçacıkları veya kök döküntüleri bir filtre ile uzaklaştırılmalıdır. Hidroponikte sürekli ürün elde etme engellerini önlemek için besin çözeltisindeki kök salgıları fotokatalitik yöntemlerle uzaklaştırılabilir, ancak besin kullanılabilirliğinde belirli riskler vardır.

1.2.4 Çevre kontrol teknolojisi ve ekipmanları

Üretim alanının hava temizliği, fabrika hava kalitesinin önemli göstergelerinden biridir. Dinamik koşullar altında fabrika üretim alanındaki hava temizliği (askıda kalan partiküller ve çökelmiş bakterilerin göstergeleri) 100.000'in üzerinde bir seviyede kontrol edilmelidir. Malzeme dezenfeksiyonu, giriş yapan personel hava duşu uygulaması ve taze hava sirkülasyonlu hava arıtma sistemi (hava filtreleme sistemi) temel güvenlik önlemleridir. Üretim alanındaki havanın sıcaklığı ve nemi, CO2 konsantrasyonu ve hava akış hızı, hava kalitesi kontrolünün bir diğer önemli unsurudur. Raporlara göre, hava karıştırma kutuları, hava kanalları, hava girişleri ve hava çıkışları gibi ekipmanların kurulması, üretim alanındaki sıcaklık ve nemi, CO2 konsantrasyonunu ve hava akış hızını eşit şekilde kontrol ederek yüksek mekansal homojenlik sağlayabilir ve farklı mekansal konumlardaki fabrika ihtiyaçlarını karşılayabilir. Sıcaklık, nem ve CO2 konsantrasyonu kontrol sistemi ve taze hava sistemi, sirkülasyonlu hava sistemine organik olarak entegre edilmiştir. Üç sistemin hava kanalını, hava girişini ve hava çıkışını paylaşması ve fan aracılığıyla güç sağlayarak hava akışının sirkülasyonunu, filtrasyonu ve dezenfeksiyonunu gerçekleştirmesi, ayrıca hava kalitesinin güncellenmesini ve homojenliğini sağlaması gerekmektedir. Bu sayede bitki fabrikasında bitki üretiminin zararlılardan ve hastalıklardan arındırılması ve pestisit uygulamasına gerek duyulmaması sağlanır. Aynı zamanda, bitki büyüme ihtiyaçlarını karşılamak üzere, bitki örtüsü içindeki büyüme ortamı unsurlarının sıcaklık, nem, hava akışı ve CO2 konsantrasyonunun homojenliği garanti edilir.

2. Bitki Fabrikası Sanayinin Gelişim Durumu

2.1 Yabancı bitki fabrikası sektörünün mevcut durumu

Japonya'da yapay ışık bitki fabrikalarının araştırma ve geliştirme ile sanayileşmesi nispeten hızlı ilerlemekte ve öncü seviyede yer almaktadır. 2010 yılında Japon hükümeti, teknoloji araştırma ve geliştirme ile endüstriyel gösterim çalışmalarını desteklemek için 50 milyar yen ayırmıştır. Chiba Üniversitesi ve Japonya Bitki Fabrikası Araştırma Birliği de dahil olmak üzere sekiz kurum bu çalışmaya katılmıştır. Japan Future Company, günlük 3.000 bitki üretim kapasitesine sahip ilk bitki fabrikasının sanayileşme gösterim projesini üstlenmiş ve işletmiştir. 2012 yılında bitki fabrikasının üretim maliyeti 700 yen/kg olmuştur. 2014 yılında Miyagi Eyaleti, Taga Kalesi'ndeki modern bitki fabrikası tamamlanarak günlük 10.000 bitki üretim kapasitesiyle dünyanın ilk LED bitki fabrikası olmuştur. 2016 yılından itibaren LED bitki fabrikaları Japonya'da sanayileşmenin hızlı şeridine girmiş ve başa baş veya karlı işletmeler birbiri ardına ortaya çıkmıştır. 2018 yılında, günlük 50.000 ila 100.000 bitki üretim kapasitesine sahip büyük ölçekli bitki fabrikaları birbiri ardına ortaya çıktı ve küresel bitki fabrikaları büyük ölçekli, profesyonel ve akıllı bir gelişmeye doğru evrildi. Aynı zamanda, Tokyo Elektrik Enerjisi, Okinawa Elektrik Enerjisi ve diğer alanlar bitki fabrikalarına yatırım yapmaya başladı. 2020 yılında, Japon bitki fabrikaları tarafından üretilen marulun pazar payı, tüm marul pazarının yaklaşık %10'unu oluşturacak. Halihazırda faaliyette olan 250'den fazla yapay ışık tipi bitki fabrikasının %20'si zarar eden, %50'si başa baş ve %30'u karlı aşamada olup, marul, otlar ve fide gibi yetiştirilen bitki türlerini kapsamaktadır.

Hollanda, bitki fabrikaları için güneş ışığı ve yapay ışığın birleşik uygulama teknolojisi alanında, yüksek derecede mekanizasyon, otomasyon, zeka ve insansızlık ile gerçek bir dünya lideridir ve şu anda Ortadoğu, Afrika, Çin ve diğer ülkelere güçlü ürünler olarak eksiksiz bir teknoloji ve ekipman seti ihraç etmektedir. Amerikan AeroFarms çiftliği, ABD'nin New Jersey eyaletindeki Newark şehrinde, 6500 m2'lik bir alanda yer almaktadır. Ağırlıklı olarak sebze ve baharat yetiştirmekte olup, yıllık yaklaşık 900 ton üretim yapmaktadır.

AeroFarms'ta dikey tarım

Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Plenty Company'nin dikey tarım bitki fabrikası, LED aydınlatma ve 6 metre yüksekliğinde dikey bir ekim çerçevesi kullanıyor. Bitkiler, saksıların yanlarından büyüyor. Yerçekimiyle sulamaya dayanan bu ekim yöntemi, ek pompalara ihtiyaç duymuyor ve geleneksel tarıma göre daha su tasarruflu. Plenty, çiftliğinin geleneksel bir çiftliğe göre 350 kat daha fazla üretim yaparken suyun sadece %1'ini kullandığını iddia ediyor.

Dikey tarım bitki fabrikası, Plenty Şirketi

2.2 Çin'deki fabrika ve üretim endüstrisinin durumu

2009 yılında, Çin'de akıllı kontrolü temel alan ilk üretim tesisi Changchun Tarım Fuarı Parkı'nda inşa edilerek faaliyete geçirildi. 200 m2'lik bina alanında, sıcaklık, nem, ışık, CO2 ve besin çözeltisi konsantrasyonu gibi çevresel faktörler gerçek zamanlı olarak otomatik olarak izlenerek akıllı yönetim gerçekleştirilebiliyor.

2010 yılında Pekin'de Tongzhou Bitki Fabrikası inşa edildi. Ana yapı, toplam 1289 m2 inşaat alanına sahip tek katmanlı hafif çelik yapıdan oluşmaktadır. Uçak gemisi şeklinde tasarlanan fabrika, Çin tarımının modern tarımın en gelişmiş teknolojisine doğru yelken açmada öncülük etmesini simgelemektedir. Yapraklı sebze üretiminin bazı işlemlerinde otomatik ekipman geliştirilerek fabrika üretim otomasyon seviyesi ve verimliliği artırılmıştır. Fabrika, yer altı ısı pompası sistemi ve güneş enerjisi üretim sistemi kullanarak, yüksek işletme maliyetleri sorununu daha iyi çözmektedir.

Tongzhou Fabrikasının iç ve dış görünümü

2013 yılında, Şaanxi eyaletindeki Yangling Tarım Yüksek Teknoloji Gösteri Bölgesi'nde birçok tarım teknolojisi şirketi kuruldu. İnşa halindeki ve faaliyette olan bitki fabrikası projelerinin çoğu, esas olarak popüler bilim gösterileri ve eğlence amaçlı geziler için kullanılan tarım yüksek teknoloji gösteri parklarında yer almaktadır. İşlevsel sınırlamaları nedeniyle, bu popüler bilim bitki fabrikalarının sanayileşmenin gerektirdiği yüksek verim ve yüksek verimliliğe ulaşması zordur ve gelecekte sanayileşmenin ana akım biçimi haline gelmeleri de zor olacaktır.

2015 yılında, Çin'deki büyük bir LED çip üreticisi, Çin Bilimler Akademisi Botanik Enstitüsü ile iş birliği yaparak ortaklaşa bir bitki fabrikası şirketi kurma girişiminde bulundu. Bu girişim, optoelektronik sektöründen "fotobiyolojik" sektöre geçişi temsil ederek, Çinli LED üreticilerinin sanayileşme sürecinde bitki fabrikalarına yatırım yapmaları için bir emsal teşkil etti. 100 milyon yuan kayıtlı sermayeye sahip olan bu Bitki Fabrikası, bilimsel araştırma, üretim, gösterim, kuluçka ve diğer fonksiyonları entegre eden, gelişmekte olan fotobiyolojiye endüstriyel yatırım yapmayı hedefliyor. Haziran 2016'da, 3.000 m2'lik bir alanı kapsayan 3 katlı bir bina ve 10.000 m2'den fazla bir ekim alanına sahip olan bu Bitki Fabrikası tamamlanarak faaliyete geçti. Mayıs 2017 itibarıyla günlük üretim ölçeği, günde 15.000 marul bitkisine eşdeğer olan 1.500 kg yapraklı sebzeye ulaşacak.

Bu şirketin görüşleri

3. Bitkisel üretim tesislerinin geliştirilmesinde karşılaşılan sorunlar ve çözüm önerileri

3.1 Sorunlar

3.1.1 Yüksek inşaat maliyeti

Bitki fabrikalarının kapalı bir ortamda ürün yetiştirmesi gerekir. Bu nedenle, dış bakım yapıları, klima sistemleri, yapay ışık kaynakları, çok katmanlı yetiştirme sistemleri, besin çözeltisi sirkülasyonu ve bilgisayar kontrol sistemleri gibi destekleyici projeler ve ekipmanların inşa edilmesi gereklidir. İnşaat maliyeti nispeten yüksektir.

3.1.2 Yüksek işletme maliyeti

Bitki fabrikalarının ihtiyaç duyduğu ışık kaynaklarının çoğu, farklı ürünlerin büyümesi için uygun spektrumları sağlarken çok fazla elektrik tüketen LED lambalardan oluşmaktadır. Bitki fabrikalarının üretim sürecinde kullanılan klima, havalandırma ve su pompaları gibi ekipmanlar da elektrik tüketmekte, bu nedenle elektrik faturaları büyük bir gider kalemi oluşturmaktadır. İstatistiklere göre, bitki fabrikalarının üretim maliyetleri arasında elektrik maliyetleri %29, işçilik maliyetleri %26, sabit varlık amortismanı %23, ambalaj ve nakliye %12 ve üretim malzemeleri %10 oranında yer almaktadır.

Fabrika üretim maliyetinin detaylı dökümü

3.1.3 Düşük otomasyon seviyesi

Mevcut bitki üretim tesislerinde otomasyon seviyesi düşük olup, fide dikimi, fide dikimi, tarlaya ekim ve hasat gibi işlemler hala manuel olarak yapılmakta ve bu da yüksek işçilik maliyetlerine yol açmaktadır.

3.1.4 Yetiştirilebilecek ürün çeşitlerinin sınırlı olması

Şu anda bitki fabrikaları için uygun ürün çeşitleri oldukça sınırlıdır; başlıca hızlı büyüyen, yapay ışık kaynaklarını kolayca kabul eden ve düşük taç yapısına sahip yeşil yapraklı sebzelerdir. Karmaşık ekim gereksinimleri (örneğin tozlaşmaya ihtiyaç duyan ürünler vb.) nedeniyle büyük ölçekli ekim yapılamamaktadır.

3.2 Kalkınma Stratejisi

Bitki üretim ve fabrika endüstrisinin karşılaştığı sorunlar göz önüne alındığında, teknoloji ve işletme gibi çeşitli açılardan araştırma yapılması gerekmektedir. Mevcut sorunlara yanıt olarak, alınacak önlemler aşağıdaki gibidir.

(1) Bitki fabrikalarının akıllı teknolojisi üzerine yapılan araştırmaları güçlendirin ve yoğun ve incelikli yönetim düzeyini iyileştirin. Akıllı bir yönetim ve kontrol sisteminin geliştirilmesi, bitki fabrikalarının yoğun ve incelikli yönetiminin sağlanmasına yardımcı olur; bu da işçilik maliyetlerini büyük ölçüde azaltabilir ve iş gücünden tasarruf sağlayabilir.

(2) Yıllık yüksek kalite ve yüksek verim elde etmek için yoğun ve verimli bitki fabrikası teknik ekipmanlarının geliştirilmesi. Yüksek verimli yetiştirme tesisleri ve ekipmanlarının, enerji tasarruflu aydınlatma teknolojisi ve ekipmanlarının vb. geliştirilmesi, bitki fabrikalarının zekâ seviyesinin iyileştirilmesine ve yıllık yüksek verimli üretimin gerçekleştirilmesine katkıda bulunur.

(3) Tıbbi bitkiler, sağlık bakım bitkileri ve nadir sebzeler gibi yüksek katma değerli bitkiler için endüstriyel yetiştirme teknolojisi üzerine araştırma yapın, bitki fabrikalarında yetiştirilen ürün çeşitlerini artırın, kar kanallarını genişletin ve kar elde etme başlangıç ​​noktasını iyileştirin.

(4) Ev ve ticari kullanım için bitki fabrikaları üzerine araştırma yapın, bitki fabrikalarının çeşitlerini zenginleştirin ve çeşitli fonksiyonlarla sürekli karlılık sağlayın.

4. Bitki Fabrikasının Gelişim Trendi ve Geleceği

4.1 Teknoloji Gelişim Trendi

4.1.1 Tam süreç entelektüelleştirme

Bitki-robot sisteminin makine-sanat birleşimi ve kayıp önleme mekanizmasına, yüksek hızlı esnek ve tahribatsız ekim ve hasat uç efektörlerine, dağıtılmış çok boyutlu uzayda hassas konumlandırmaya ve çok modlu çoklu makine işbirlikçi kontrol yöntemlerine ve yüksek katlı bitki fabrikalarında insansız, verimli ve tahribatsız ekime dayalı olarak, ekim-hasat-paketleme gibi akıllı robotlar ve destekleyici ekipmanlar oluşturulmalı ve böylece tüm sürecin insansız çalışması gerçekleştirilmelidir.

4.1.2 Üretim kontrolünü daha akıllı hale getirin

Bitki büyüme ve gelişmesinin ışık radyasyonu, sıcaklık, nem, CO2 konsantrasyonu, besin çözeltisinin besin konsantrasyonu ve EC'ye verdiği tepki mekanizmasına dayanarak, bitki-çevre geri beslemesinin nicel bir modeli oluşturulmalıdır. Yapraklı sebze yaşam bilgileri ve üretim ortamı parametrelerini dinamik olarak analiz etmek için stratejik bir çekirdek model kurulmalıdır. Ayrıca, çevrenin çevrimiçi dinamik tanımlama, teşhis ve süreç kontrol sistemi de kurulmalıdır. Yüksek hacimli dikey tarım fabrikasının tüm üretim süreci için çok makineli işbirlikçi yapay zeka karar verme sistemi oluşturulmalıdır.

4.1.3 Düşük karbonlu üretim ve enerji tasarrufu

Enerji iletimini tamamlamak ve enerji tüketimini kontrol etmek için güneş ve rüzgar gibi yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanan bir enerji yönetim sistemi kurarak optimum enerji yönetimi hedeflerine ulaşmak. CO2 emisyonlarını yakalayıp yeniden kullanarak tarım üretimini desteklemek.

4.1.3 Premium çeşitlerin yüksek değeri

Farklı yüksek katma değerli çeşitlerin ekim deneyleri için yetiştirilmesi, yetiştirme teknolojisi uzmanlarından oluşan bir veri tabanının oluşturulması, yetiştirme teknolojisi, yoğunluk seçimi, anız düzenlemesi, çeşit ve ekipman uyarlanabilirliği konularında araştırmalar yapılması ve standart yetiştirme teknik şartnamelerinin oluşturulması için uygulanabilir stratejiler benimsenmelidir.

4.2 Sektörün Gelişim Beklentileri

Bitki fabrikaları, kaynak ve çevre kısıtlamalarından kurtularak tarımın sanayileşmiş üretimini gerçekleştirebilir ve yeni nesil iş gücünü tarımsal üretime çekebilir. Çin'in bitki fabrikalarının kilit teknolojik yenilikleri ve sanayileşmesi, dünya lideri konumuna gelmesini sağlamaktadır. Bitki fabrikaları alanında LED ışık kaynağı, dijitalleşme, otomasyon ve akıllı teknolojilerin hızlandırılmış uygulamasıyla, bitki fabrikaları daha fazla sermaye yatırımı, yetenek toplama ve daha fazla yeni enerji, yeni malzeme ve yeni ekipman kullanımını çekecektir. Bu şekilde, bilgi teknolojisi ile tesis ve ekipmanların derinlemesine entegrasyonu gerçekleştirilebilir, tesis ve ekipmanların akıllı ve insansız seviyesi iyileştirilebilir, sürekli yenilik yoluyla sistem enerji tüketimi ve işletme maliyetleri sürekli olarak azaltılabilir ve uzmanlaşmış pazarlar kademeli olarak geliştirilebilir; böylece akıllı bitki fabrikaları altın çağını yaşayacaktır.

Pazar araştırması raporlarına göre, 2020 yılında küresel dikey tarım pazarının büyüklüğü yalnızca 2,9 milyar ABD doları iken, 2025 yılına kadar bu pazarın 30 milyar ABD dolarına ulaşması beklenmektedir. Özetle, bitki fabrikalarının geniş uygulama olanakları ve gelişme alanı bulunmaktadır.

Yazar: Zengchan Zhou, Weidong, vb.

Kaynak bilgileri:Bitki Fabrikası Sanayinin Mevcut Durumu ve Gelişim Beklentileri [J]. Tarım Mühendisliği Teknolojisi, 2022, 42(1): 18-23.Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li ve diğerleri tarafından.