Özet: Son yıllarda modern tarım teknolojisinin sürekli keşfedilmesiyle birlikte bitki fabrika endüstrisi de hızla gelişmiştir.Bu makale, fabrika fabrikası teknolojisinin ve endüstri gelişiminin statükosunu, mevcut sorunlarını ve geliştirme karşı önlemlerini tanıtıyor ve gelecekte bitki fabrikalarının gelişme eğilimini ve beklentisini dört gözle bekliyor.

1. Çin'deki ve yurtdışındaki bitki fabrikalarındaki teknoloji geliştirmenin mevcut durumu

1.1 Yabancı teknoloji geliştirmenin mevcut durumu

21. yüzyıldan bu yana, bitki fabrikalarının araştırması esas olarak ışık verimliliğinin iyileştirilmesine, çok katmanlı üç boyutlu yetiştirme sistemi ekipmanının oluşturulmasına ve akıllı yönetim ve kontrolün araştırılmasına ve geliştirilmesine odaklanmıştır.21. yüzyılda, tarımsal LED ışık kaynaklarının yeniliği ilerleme kaydetti ve bitki fabrikalarında enerji tasarruflu LED ışık kaynaklarının uygulanması için önemli teknik destek sağladı.Japonya'daki Chiba Üniversitesi, yüksek verimli ışık kaynakları, enerji tasarruflu çevre kontrolü ve yetiştirme tekniklerinde bir dizi yenilik yaptı.Hollanda'daki Wageningen Üniversitesi, fabrika fabrikaları için işletme maliyetlerini büyük ölçüde azaltan ve işgücü üretkenliğini önemli ölçüde artıran akıllı bir ekipman sistemi geliştirmek için mahsul-çevre simülasyonu ve dinamik optimizasyon teknolojisini kullanıyor.

Son yıllarda bitki fabrikaları, ekim, fide yetiştirme, dikim ve hasattan başlayarak üretim süreçlerinin yarı otomasyonunu kademeli olarak gerçekleştirmiştir.Japonya, Hollanda ve Amerika Birleşik Devletleri, yüksek derecede mekanizasyon, otomasyon ve zeka ile ön planda olup, dikey tarım ve insansız operasyon yönünde gelişmektedir.

1.2 Çin'deki teknoloji geliştirme durumu

1.2.1 Tesis fabrikasında yapay ışık için özel LED ışık kaynağı ve enerji tasarrufu sağlayan uygulama teknolojisi ekipmanı

Bitki fabrikalarında çeşitli bitki türlerinin üretimi için özel kırmızı ve mavi LED ışık kaynakları birbiri ardına geliştirilmiştir.Güç 30 ila 300 W arasında değişir ve ışınlama ışık yoğunluğu 80 ila 500 μmol/(m2•s) olup, yüksek verimlilik etkisi elde etmek için uygun bir eşik aralığı, ışık kalitesi parametreleri ile bir ışık yoğunluğu sağlayabilir. enerji tasarrufu ve bitki büyümesi ve aydınlatma ihtiyaçlarına uyum sağlama.Işık kaynağı ısı dağılımı yönetimi açısından, ışık kaynağının ışık bozulma oranını azaltan ve ışık kaynağının ömrünü garanti eden ışık kaynağı fanının aktif ısı dağılımı tasarımı tanıtıldı.Ek olarak, LED ışık kaynağının ısısını besin çözeltisi veya su sirkülasyonu yoluyla azaltmak için bir yöntem önerilmiştir.Işık kaynağı alanı yönetimi açısından, fide aşamasında ve sonraki aşamada bitki boyutunun evrim yasasına göre, LED ışık kaynağının dikey alan hareketi yönetimi aracılığıyla, bitki örtüsü yakın mesafeden aydınlatılabilir ve enerji tasarrufu hedefi elde edildi.Şu anda, yapay ışık tesisi fabrikası ışık kaynağının enerji tüketimi, tesis fabrikasının toplam işletme enerji tüketiminin %50 ila %60'ını oluşturabilir.LED, flüoresan lambalara kıyasla %50 enerji tasarrufu sağlasa da, enerji tasarrufu ve tüketimin azaltılması konusunda araştırma potansiyeli ve gerekliliği hala mevcuttur.

1.2.2 Çok katmanlı üç boyutlu yetiştirme teknolojisi ve ekipmanı

Çok katmanlı üç boyutlu yetiştirmenin katman boşluğu azalır çünkü LED, bitki yetiştirmenin üç boyutlu alan kullanım verimliliğini artıran flüoresan lambanın yerini alır.Yetiştirme yatağının tabanının tasarımı ile ilgili birçok çalışma bulunmaktadır.Yükseltilmiş şeritler, bitki köklerinin besin çözeltisindeki besinleri eşit şekilde emmesine ve çözünmüş oksijen konsantrasyonunu artırmasına yardımcı olabilecek türbülanslı akış oluşturmak üzere tasarlanmıştır.Kolonizasyon tahtasını kullanarak iki kolonizasyon yöntemi vardır, yani farklı boyutlardaki plastik kolonizasyon kapları veya sünger çevre kolonizasyon modu.Kaydırılabilir bir ekim yatağı sistemi ortaya çıkmış, dikim tahtası ve üzerindeki bitkiler manuel olarak bir uçtan bir uca itilerek, ekim yatağının bir ucundan ekim diğer ucundan hasat edilmesi üretim şekli gerçekleştirilmektedir.Şu anda, besleyici sıvı film teknolojisi ve derin sıvı akış teknolojisine dayalı çeşitli üç boyutlu çok katmanlı topraksız kültür teknolojisi ve ekipmanı geliştirilmiştir ve çileklerin substrat ekimi, yapraklı sebzelerin aerosol ekimi için teknoloji ve ekipman ve çiçekler türediBahsedilen teknoloji hızla gelişmiştir.

1.2.3 Besin solüsyonu sirkülasyon teknolojisi ve ekipmanı

Besin solüsyonu bir süre kullanıldıktan sonra su ve mineral elementlerin eklenmesi gerekir.Genel olarak yeni hazırlanan besin solüsyonu miktarı ve asit-baz solüsyonu miktarı EC ve pH ölçülerek belirlenir.Besin çözeltisindeki büyük tortu parçacıklarının veya kök pul pul dökülmesinin bir filtre ile çıkarılması gerekir.Besin solüsyonundaki kök sızıntıları, hidroponikte sürekli mahsul engellerinden kaçınmak için fotokatalitik yöntemlerle giderilebilir, ancak besin mevcudiyetinde belirli riskler vardır.

1.2.4 Çevresel kontrol teknolojisi ve ekipmanı

Üretim mahallinin hava temizliği fabrika fabrikasının hava kalitesinin önemli göstergelerinden biridir.Fabrika fabrikasının üretim alanında dinamik koşullar altında hava temizliği (askıda partikül ve yerleşmiş bakteri göstergeleri) 100.000'in üzerinde bir seviyede kontrol edilmelidir.Malzeme dezenfeksiyon girişi, gelen personel hava duşu işlemi ve taze hava sirkülasyonu hava temizleme sistemi (hava filtreleme sistemi) temel koruma önlemleridir.Üretim mahallindeki havanın sıcaklığı ve nemi, CO2 konsantrasyonu ve hava akış hızı, hava kalitesi kontrolünün bir diğer önemli içeriğidir.Raporlara göre, hava karıştırma kutuları, hava kanalları, hava girişleri ve hava çıkışları gibi ekipmanların kurulması, yüksek mekansal tekdüzelik elde etmek ve tesis ihtiyaçlarını karşılamak için üretim alanındaki sıcaklık ve nemi, CO2 konsantrasyonunu ve hava akış hızını eşit şekilde kontrol edebilir. farklı mekansal konumlarda.Sıcaklık, nem ve CO2 konsantrasyonu kontrol sistemi ve taze hava sistemi, sirkülasyon havası sistemine organik olarak entegre edilmiştir.Üç sistemin hava kanalını, hava girişini ve hava çıkışını paylaşması ve hava akışının sirkülasyonunu, filtrelemeyi ve dezenfeksiyonu ve hava kalitesinin güncellenmesini ve tekdüzeliğini gerçekleştirmek için fan aracılığıyla güç sağlaması gerekir.Bitki fabrikasında bitki üretiminin zararlılardan ve hastalıklardan arınmış olmasını ve ilaç uygulamasına gerek duyulmamasını sağlar.Aynı zamanda, bitki büyümesinin ihtiyaçlarını karşılamak için gölgelikteki büyüme ortamı elemanlarının sıcaklık, nem, hava akışı ve CO2 konsantrasyonunun tekdüzeliği garanti edilir.

2. Fabrika Fabrika Sanayinin Gelişme Durumu

2.1 Yabancı tesis fabrika endüstrisinin mevcut durumu

Japonya'da yapay ışık tesisi fabrikalarının araştırma, geliştirme ve sanayileşmesi nispeten hızlı ve lider seviyede.2010 yılında, Japon hükümeti teknoloji araştırma ve geliştirme ve endüstriyel gösterimi desteklemek için 50 milyar yen başlattı.Chiba Üniversitesi ve Japonya Bitki Fabrikası Araştırma Derneği dahil olmak üzere sekiz kurum katıldı.Japan Future Company, günlük 3.000 fabrikalık üretim yapan bir fabrika fabrikasının ilk sanayileşme demonstrasyon projesini üstlendi ve işletti.2012 yılında bitki fabrikasının üretim maliyeti 700 yen/kg idi.2014 yılında Miyagi Eyaleti, Taga Kalesi'ndeki modern fabrika fabrikası tamamlandı ve günlük 10.000 bitki üretimiyle dünyanın ilk LED fabrika fabrikası oldu.2016'dan bu yana, Japonya'da LED bitki fabrikaları hızlı sanayileşme şeridine girdi ve birbiri ardına başabaş veya kârlı işletmeler ortaya çıktı.2018 yılında, günlük 50.000 ila 100.000 fabrika üretim kapasitesine sahip büyük ölçekli fabrika fabrikaları birbiri ardına ortaya çıktı ve küresel fabrika fabrikaları büyük ölçekli, profesyonel ve akıllı gelişime doğru gelişiyordu.Aynı zamanda Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power ve diğer alanlarda tesis fabrikalarına yatırım yapmaya başladı.2020 yılında, Japon bitki fabrikalarında üretilen marulun pazar payı, tüm marul pazarının yaklaşık %10'unu oluşturacak.Şu anda faaliyette olan 250'den fazla yapay ışık tipi bitki fabrikasının %20'si zarar etme aşamasında, %50'si başabaş seviyesinde ve %30'u karlı bir aşamada, örneğin kültür bitki türleri dahil. marul, otlar ve fideler.

Hollanda, yüksek derecede mekanizasyon, otomasyon, zeka ve insansızlıkla bitki fabrikası için güneş ışığı ve yapay ışığın birleşik uygulama teknolojisi alanında gerçek bir dünya lideridir ve şu anda güçlü bir teknoloji ve ekipman setinin tamamını ihraç etmiştir. Orta Doğu, Afrika, Çin ve diğer ülkelere ürünler.American AeroFarms çiftliği 6500 m2 alana sahip Newark, New Jersey, ABD'de bulunmaktadır.Ağırlıklı olarak sebze ve baharat yetiştiriyor ve üretim yılda yaklaşık 900 ton.

AeroFarms'ta dikey tarım

Plenty Company'nin Amerika Birleşik Devletleri'ndeki dikey tarım tesisi fabrikasında LED aydınlatma ve 6 m yüksekliğinde dikey bir dikim çerçevesi kullanılmıştır.Bitkiler ekicilerin kenarlarından büyür.Yerçekimi sulamaya dayanan bu ekim yöntemi, ek pompa gerektirmez ve geleneksel tarımdan daha fazla su tasarrufu sağlar.Plenty, çiftliğinin suyun yalnızca %1'ini kullanırken geleneksel bir çiftliğin çıktısının 350 katını ürettiğini iddia ediyor.

Dikey tarım tesisi fabrikası, Plenty Company

2.2 Çin'deki fabrika fabrikası endüstrisinin durumu

2009 yılında, Çin'de çekirdek olarak akıllı kontrole sahip ilk üretim fabrikası fabrikası inşa edildi ve Changchun Tarım Fuarı Parkı'nda faaliyete geçti.Bina alanı 200 m2'dir ve fabrika fabrikasının sıcaklık, nem, ışık, CO2 ve besin solüsyonu konsantrasyonu gibi çevresel faktörler, akıllı yönetimi gerçekleştirmek için gerçek zamanlı olarak otomatik olarak izlenebilir.

2010 yılında Pekin'de Tongzhou Bitki Fabrikası inşa edildi.Ana yapı, toplam inşaat alanı 1289 m2 olan tek katmanlı hafif çelik yapıyı benimser.Modern tarımın en ileri teknolojisine yelken açan Çin tarımını simgeleyen bir uçak gemisi şeklindedir.Yapraklı sebze üretiminin bazı operasyonları için otomatik ekipman geliştirilmiştir, bu da bitki fabrikasının üretim otomasyon seviyesini ve üretim verimliliğini iyileştirmiştir.Tesis fabrikası, tesis fabrikası için yüksek işletme maliyetleri sorununu daha iyi çözen bir toprak kaynaklı ısı pompası sistemi ve bir güneş enerjisi üretim sistemi benimser.

Tongzhou Bitki Fabrikasının iç ve dış görünümü

2013 yılında, Shaanxi Eyaleti, Yangling Tarımsal Yüksek Teknoloji Gösteri Bölgesinde birçok tarım teknolojisi şirketi kuruldu.Yapım ve işletme aşamasındaki bitki fabrikası projelerinin çoğu, çoğunlukla popüler bilim gösterileri ve boş zaman gezileri için kullanılan tarımsal yüksek teknoloji gösteri parklarında yer almaktadır.İşlevsel sınırlamaları nedeniyle, bu popüler bilim fabrikası fabrikalarının sanayileşmenin gerektirdiği yüksek verim ve yüksek verimliliğe ulaşması zordur ve gelecekte sanayileşmenin ana akım biçimi haline gelmeleri zor olacaktır.

2015 yılında, Çin'deki büyük bir LED çip üreticisi, Çin Bilimler Akademisi Botanik Enstitüsü ile ortaklaşa bir bitki fabrikası şirketinin kurulmasını başlatmak için işbirliği yaptı.Optoelektronik endüstrisinden “fotobiyolojik” endüstriye geçti ve Çinli LED üreticilerinin sanayileşmede bitki fabrikalarının inşasına yatırım yapmaları için bir emsal haline geldi.Bitki Fabrikası, 100 milyon yuan kayıtlı sermaye ile bilimsel araştırma, üretim, demonstrasyon, kuluçka ve diğer işlevleri birleştiren gelişmekte olan fotobiyolojiye endüstriyel yatırım yapmaya kendini adamıştır.Haziran 2016'da 3.000 m2 alana sahip 3 katlı bina ve 10.000 m2'nin üzerinde ekim alanına sahip bu Bitki Fabrikası tamamlanarak işletmeye alınmıştır.Mayıs 2017'ye kadar günlük üretim ölçeği, günde 15.000 marul bitkisine eşdeğer 1.500 kg yapraklı sebze olacaktır.

Bu şirketin görüşleri

3. Bitki fabrikalarının geliştirilmesinde karşılaşılan sorunlar ve karşı önlemler

3.1 Sorunlar

3.1.1 Yüksek inşaat maliyeti

Bitki fabrikalarının kapalı bir ortamda ürün üretmesi gerekir.Bu nedenle, harici bakım yapıları, iklimlendirme sistemleri, yapay ışık kaynakları, çok katmanlı yetiştirme sistemleri, besin solüsyonu sirkülasyonu ve bilgisayar kontrol sistemleri dahil olmak üzere destekleyici proje ve ekipmanların inşa edilmesi gerekmektedir.İnşaat maliyeti nispeten yüksektir.

3.1.2 Yüksek işletme maliyeti

Bitki fabrikalarının ihtiyaç duyduğu ışık kaynaklarının çoğu, farklı mahsullerin büyümesi için karşılık gelen spektrumları sağlarken çok fazla elektrik tüketen LED ışıklardan gelir.Fabrika fabrikalarının üretim sürecinde yer alan klima, havalandırma, su pompaları gibi ekipmanlar da elektrik tükettiği için elektrik faturaları çok büyük bir masraf oluşturmaktadır.İstatistiklere göre fabrika fabrikalarının üretim maliyetlerinin %29'unu elektrik giderleri, %26'sını işçilik giderleri, %23'ünü sabit kıymet amortismanı, %12'sini paketleme ve nakliye, %10'unu ise üretim malzemeleri oluşturmaktadır.

Tesis fabrikası için üretim maliyetinin dökümü

3.1.3 Düşük seviyede otomasyon

Halihazırda uygulanmakta olan bitki fabrikasında otomasyon düzeyi düşük olup, fide dikim, dikim, tarlaya dikim, hasat gibi işlemler hala manuel işlemler gerektirmekte ve bu da işçilik maliyetlerinin yüksek olmasına neden olmaktadır.

3.1.4 Yetiştirilebilecek sınırlı ürün çeşitleri

Şu anda, bitki fabrikaları için uygun mahsul türleri çok sınırlıdır, özellikle hızlı büyüyen, yapay ışık kaynaklarını kolayca kabul eden ve düşük gölgeli yeşil yapraklı sebzelerdir.Karmaşık dikim gereksinimleri (örneğin, tozlaşması gereken ürünler vb.) için büyük ölçekli ekim yapılamaz.

3.2 Geliştirme Stratejisi

Tesis fabrika endüstrisinin karşılaştığı sorunlar göz önüne alındığında, teknoloji ve işletme gibi çeşitli yönlerden araştırma yapılması gerekmektedir.Mevcut sorunlara yanıt olarak, karşı önlemler aşağıdaki gibidir.

(1) Tesis fabrikalarının akıllı teknolojisine ilişkin araştırmaları güçlendirin ve yoğun ve rafine yönetim düzeyini iyileştirin.Akıllı bir yönetim ve kontrol sisteminin geliştirilmesi, fabrika fabrikalarının yoğun ve rafine yönetimine ulaşılmasına yardımcı olur, bu da işçilik maliyetlerini büyük ölçüde azaltabilir ve işçilikten tasarruf sağlayabilir.

(2) Yıllık yüksek kalite ve yüksek verim elde etmek için yoğun ve verimli bitki fabrikası teknik ekipmanı geliştirin.Bitki fabrikalarının akıllı seviyesini iyileştirmek için yüksek verimli yetiştirme tesisleri ve ekipmanlarının, enerji tasarruflu aydınlatma teknolojisi ve ekipmanlarının vb. geliştirilmesi, yıllık yüksek verimli üretimin gerçekleştirilmesine elverişlidir.

(3) Tıbbi bitkiler, sağlık bitkileri ve nadir sebzeler gibi katma değeri yüksek bitkiler için endüstriyel yetiştirme teknolojisi araştırmaları yapmak, bitki fabrikalarında yetiştirilen ürün çeşitlerini artırmak, kâr kanallarını genişletmek ve kârın başlangıç ​​noktasını iyileştirmek .

(4) Ev ve ticari kullanıma yönelik bitki fabrikaları hakkında araştırma yapmak, bitki fabrikalarının çeşitlerini zenginleştirmek ve çeşitli işlevlerle sürekli karlılık elde etmek.

4. Bitki Fabrikasının Gelişme Eğilimi ve Beklentisi

4.1 Teknoloji Geliştirme Trendi

4.1.1 Tam süreç entelektüelleştirme

Mahsul-robot sisteminin makine-sanat füzyonu ve kayıp önleme mekanizmasına, yüksek hızlı esnek ve tahribatsız ekim ve hasat son efektörlerine, dağıtılmış çok boyutlu alan doğru konumlandırmaya ve çok modlu çok makineli işbirlikçi kontrol yöntemlerine dayalı olarak, ve yüksek katlı fabrika fabrikalarında insansız, verimli ve tahribatsız ekim -Akıllı robotlar ve dikim-hasat-paketleme gibi destekleyici ekipmanlar oluşturulmalı, böylece tüm sürecin insansız işleyişi gerçekleştirilmelidir.

4.1.2 Üretim kontrolünü daha akıllı hale getirin

Ekin büyümesi ve gelişiminin ışık radyasyonuna, sıcaklığa, neme, CO2 konsantrasyonuna, besin çözeltisinin besin konsantrasyonuna ve EC'ye tepki mekanizmasına dayanarak, ekin-çevre geri bildiriminin nicel bir modeli oluşturulmalıdır.Yapraklı bitki yaşamı bilgilerini ve üretim ortamı parametrelerini dinamik olarak analiz etmek için stratejik bir çekirdek model oluşturulmalıdır.Ortamın çevrimiçi dinamik tanımlama teşhisi ve süreç kontrol sistemi de kurulmalıdır.Yüksek hacimli bir dikey tarım fabrikasının tüm üretim süreci için çok makineli işbirlikçi bir yapay zeka karar verme sistemi oluşturulmalıdır.

4.1.3 Düşük karbon üretimi ve enerji tasarrufu

Enerji iletimini tamamlamak için güneş ve rüzgar gibi yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanan ve optimum enerji yönetimi hedeflerine ulaşmak için enerji tüketimini kontrol eden bir enerji yönetim sistemi kurmak.Mahsul üretimine yardımcı olmak için CO2 emisyonlarını yakalamak ve yeniden kullanmak.

4.1.3 Premium çeşitlerin yüksek değeri

Dikim deneyleri için katma değeri yüksek farklı çeşitlerin yetiştirilmesi, yetiştirme teknolojisi uzmanlarından oluşan bir veri tabanı oluşturulması, yetiştirme teknolojisi, yoğunluk seçimi, anız düzenlemesi, çeşit ve ekipman uyumu hakkında araştırma yapılması ve standart yetiştirme teknik şartnamelerinin oluşturulması için uygulanabilir stratejiler alınmalıdır.

4.2 Endüstri geliştirme beklentileri

Bitki fabrikaları, kaynak ve çevre kısıtlamalarından kurtulabilir, tarımın sanayileşmiş üretimini gerçekleştirebilir ve yeni nesil işgücünü tarımsal üretime çekebilir.Çin'in bitki fabrikalarının temel teknolojik yeniliği ve sanayileşmesi dünya lideri haline geliyor.Fabrika fabrikaları alanında LED ışık kaynağı, dijitalleşme, otomasyon ve akıllı teknolojilerin hızlandırılmış uygulamasıyla, fabrika fabrikaları daha fazla sermaye yatırımı, yetenek toplama ve daha fazla yeni enerji, yeni malzeme ve yeni ekipman kullanımını çekecek.Bu şekilde, bilgi teknolojisi ile tesis ve ekipmanın derinlemesine entegrasyonu gerçekleştirilebilir, tesislerin ve ekipmanların akıllı ve insansız seviyesi iyileştirilebilir, sürekli yenilik yoluyla sistem enerji tüketiminin ve işletme maliyetlerinin sürekli olarak azaltılması ve kademeli olarak uzmanlaşmış pazarların ekimi, akıllı bitki fabrikaları altın gelişme dönemini başlatacak.

Pazar araştırması raporlarına göre, 2020'deki küresel dikey tarım pazarının büyüklüğü yalnızca 2,9 milyar ABD dolarıdır ve 2025 yılına kadar küresel dikey tarım pazarının büyüklüğünün 30 milyar ABD dolarına ulaşması beklenmektedir.Özetle, tesis fabrikalarının geniş uygulama beklentileri ve geliştirme alanları vardır.

Yazar: Zengchan Zhou, Weidong, vb.

Alıntı bilgileri:Bitkisel Fabrika Endüstrisinin Gelişiminin Mevcut Durumu ve Beklentileri [J].Ziraat Mühendisliği Teknolojisi, 2022, 42(1): 18-23.Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li ve diğerleri tarafından.