Abstract: In l'ultimi anni, cù l'esplorazione cuntinua di a tecnulugia agricula muderna, l'industria di a fabbrica di piante hà ancu sviluppatu rapidamente.Stu document presenta u statu quo, i prublemi esistenti è i contramisuri di sviluppu di a tecnulugia di a fabbrica di pianta è u sviluppu di l'industria, è aspetta à a tendenza di u sviluppu è a pruspettiva di e fabbriche di pianta in u futuru.

1. Statu attuale di u sviluppu di a tecnulugia in i fabbrichi di pianta in Cina è à l'esteru

1.1 U statu quo di u sviluppu di tecnulugia straniera

Dapoi u 21u seculu, a ricerca di e fabbriche di e piante hè principalmente cuncentrata nantu à a migliione di l'efficienza luminosa, a creazione di l'equipaggiu di sistema di cultivazione tridimensionale multi-layer, è a ricerca è u sviluppu di gestione è cuntrollu intelligente.In u 21u seculu, l'innuvazione di e fonti di luce LED agriculi hà fattu un prugressu, furnisce un supportu tecnicu impurtante per l'applicazione di fonti di luce LED à risparmiu energeticu in i fabbrichi di pianta.L'Università di Chiba in Giappone hà fattu una quantità di innovazioni in fonti di luce d'alta efficienza, cuntrollu ambientale di risparmiu d'energia è tecniche di cultivazioni.L'Università di Wageningen in i Paesi Bassi usa a simulazione di l'ambiente di culturi è a tecnulugia di ottimisazione dinamica per sviluppà un sistema d'equipaggiu intelligente per e fabbriche di e piante, chì riduce assai i costi operativi è migliurà significativamente a produtividade di u travagliu.

Nta l'ultimi anni, e fabbriche di e piante anu realizatu gradualmente a semi-automatizazione di i prucessi di produzzione da a sementa, a crescita di piantini, u trasplante è a cugliera.U Giappone, i Paesi Bassi è i Stati Uniti sò in prima linea, cù un altu gradu di mecanizazione, automatizazione è intelligenza, è si sviluppanu in a direzzione di l'agricultura verticale è l'operazione senza equipaggiu.

1.2 Status di sviluppu di a tecnulugia in Cina

1.2.1 Specializd fonte di luce LED è equipaggiu di tecnulugia di applicazione di risparmiu d'energia per a luce artificiale in a fabbrica di pianta

E fonti di luce LED rossu è blu speciale per a produzzione di diverse spezie vegetali in fabbriche vegetali sò state sviluppate una dopu à l'altru.A putenza varieghja da 30 à 300 W, è l'intensità luminosa di l'irradiazione hè di 80 à 500 μmol/(m2•s), chì ponu furnisce una intensità luminosa cù una gamma di soglia adatta, parametri di qualità di luce, per ottene l'effettu di alta efficienza. risparmiu d'energia è adattazione à i bisogni di a crescita di e piante è di l'illuminazione.In quantu à a gestione di dissipazione di u calore di a fonte di luce, hè statu introduttu u disignu di dissipazione di calore attivu di u fan di a fonte di luce, chì riduce a freccia di decadenza di a luce di a fonte di luce è assicura a vita di a fonte di luce.Inoltre, hè prupostu un metudu per riduce u calore di a fonte di luce LED per via di una soluzione nutritiva o di a circulazione d'acqua.In quantu à a gestione di u spaziu di a fonte di luce, secondu a lege di l'evoluzione di a dimensione di a pianta in u stadiu di piantina è più tardi, attraversu a gestione di u muvimentu di u spaziu verticale di a fonte di luce LED, u canopy di a pianta pò esse illuminatu à distanza vicinu è u scopu di risparmiu d'energia hè ottenuta.Attualmente, u cunsumu d'energia di a fonte di luce artificiale di a pianta di a pianta pò cuntà da u 50% à u 60% di u cunsumu tutale di l'energia operativa di a fabbrica di a pianta.Puru lu LED pò salvà 50% energia paragunatu cù lampi fluoriscenti, ci hè sempre u putenziale è a nicissità di a ricerca nantu à u risparmiu d'energia è a riduzione di u cunsumu.

1.2.2 Tecnulugia è equipaggiu di cultivazioni tridimensionali multi-layer

U gap strattu di u cultivo tridimensionale multi-layer hè ridutta perchè u LED rimpiazza a lampa fluorescente, chì migliurà l'efficienza di l'utilizazione di u spaziu tridimensionale di u cultivo di pianta.Ci hè parechje studii nantu à u disignu di u fondu di u lettu di cultivazioni.E strisce elevate sò pensate per generà un flussu turbulente, chì ponu aiutà à e radiche di a pianta per assorbe i nutrienti in a suluzione nutritiva uniformemente è aumentà a cuncentrazione di l'ossigenu dissolutu.Aduprendu u bordu di culunizazione, ci sò dui metudi di culunizazione, vale à dì, i tazzi di culunizazione plastica di diverse dimensioni o u modu di culunizazione perimetrale di spugna.Un sistema di lettu di cultivazioni slidable hè apparsu, è u tavulinu di piantazione è e piante nantu à questu pò esse imbuttatu manualmente da una punta à l'altru, rializendu u modu di produzzione di piantazione à una punta di u lettu di cultivazioni è a cugliera à l'altru.Attualmente, hè stata sviluppata una varietà di tecnulugia di cultura tridimensionale multi-layer senza terra è l'equipaggiu basatu nantu à a tecnulugia di film liquidu nutriente è a tecnulugia di flussu di liquidu prufonda, è a tecnulugia è l'equipaggiu per a coltivazione di sustrato di fragole, a cultura aerosol di ligumi frondosi è fiori. sò spuntati.A tecnulugia citata hà sviluppatu rapidamente.

1.2.3 Tecnulugia di circulazione di suluzione nutriente è l'equipaggiu

Dopu chì a suluzione nutriente hè stata aduprata per un periudu di tempu, hè necessariu aghjunghje l'acqua è elementi minerali.In generale, a quantità di solu suluzione nutriente appena preparata è a quantità di suluzione acidu-base sò determinate da a misura di EC è pH.Particeddi grossi di sedimentu o esfoliazione di a radica in a suluzione di nutriente deve esse eliminata da un filtru.L'exsudati di a radica in a suluzione di nutrienti pò esse eliminati da metudi fotocatalitici per evità l'ostaculi di cuntinuu cuntinuu in l'idroponica, ma ci sò certi risichi in a dispunibilità di nutrienti.

1.2.4 Tecnulugia è equipaggiu di cuntrollu ambientale

A purificazione di l'aria di u spaziu di produzzione hè unu di l'indicatori impurtanti di a qualità di l'aria di a fabbrica di pianta.A limpezza di l'aria (indicatori di particeddi suspesi è battìri stallati) in u spaziu di produzzione di a fabbrica di pianta in cundizioni dinamiche deve esse cuntrullata à un livellu sopra 100 000.L'input di disinfezione di materiale, u trattamentu di doccia d'aria di u persunale in entrata, è u sistema di purificazione di l'aria di circulazione d'aria fresca (sistema di filtrazione d'aria) sò tutte e salvaguardi basi.A temperatura è l'umidità, a cuncentrazione di CO2 è a velocità di u flussu di l'aria in u spaziu di produzzione sò un altru cuntenutu impurtante di u cuntrollu di qualità di l'aria.Sicondu i rapporti, stallà l'equipaggiu cum'è scatuli di mistura d'aria, ducts d'aria, ingressi d'aria è sbocchi d'aria ponu cuntrullà uniformemente a temperatura è l'umidità, a cuncentrazione di CO2 è a velocità di flussu d'aria in u spaziu di produzzione, in modu di ottene una uniformità spaziale elevata è risponde à i bisogni di a pianta. in diverse lochi spaziali.U sistema di cuntrollu di temperatura, umidità è cuncentrazione di CO2 è u sistema di l'aria fresca sò integrati organicamente in u sistema di l'aria circulante.I trè sistemi anu bisognu di sparte u duttu di l'aria, l'entrata di l'aria è l'outlet di l'aria, è furnisce u putere à traversu u fan per realizà a circulazione di flussu d'aria, filtrazione è disinfezione, è aghjurnà è uniformità di a qualità di l'aria.Assicura chì a pruduzzione di a pianta in a fabbrica di a pianta hè libera di pesti è malatie, è ùn hè micca necessariu applicazione di pesticidi.À u listessu tempu, l'uniformità di a temperatura, l'umidità, u flussu d'aria è a cuncentrazione di CO2 di l'elementi di l'ambienti di crescita in u canopy hè garantitu per risponde à i bisogni di a crescita di e piante.

2. Status Sviluppu di Plant Factory Factory

2.1 Statu quo di l'industria di a fabbrica di piante straniere

In u Giappone, a ricerca è u sviluppu è l'industrializazione di e fabbriche di e piante di luce artificiale sò relativamente veloci, è sò à u livellu principale.In u 2010, u guvernu giapponese hà lanciatu 50 miliardi di yen per sustene a ricerca è u sviluppu di a tecnulugia è a dimostrazione industriale.Ottu istituzioni cumprese l'Università di Chiba è l'Associazione di Ricerca di Fabbrica di u Giappone anu participatu.Japan Future Company hà intrapresu è operatu u primu prughjettu di dimostrazione di industrializazione di una fabbrica di pianta cù una pruduzzione di ogni ghjornu di 3,000 piante.In 2012, u costu di pruduzzione di a fabbrica di pianta era 700 yen / kg.In u 2014, a fabbrica muderna di pianta in u Castellu di Taga, a Prefettura di Miyagi hè stata cumpletata, diventendu a prima fabbrica di pianta LED in u mondu cù una pruduzzioni di ogni ghjornu di 10.000 piante.Dapoi u 2016, e fabbriche di pianta LED sò intruti in a strada rapida di l'industrializazione in Giappone, è l'imprese di break-even o prufittuali sò emerse una dopu l'altra.In u 2018, e fabbriche di pianta à grande scala cù una capacità di produzzione di ogni ghjornu da 50 000 à 100 000 piante apparsu una dopu à l'altru, è e fabbriche di piante glubale si sviluppavanu versu u sviluppu à grande scala, prufessiunale è intelligente.À u listessu tempu, Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power è altri campi cuminciaru à investisce in fabbriche di pianta.In u 2020, a parte di u mercatu di lattuga prodotta da e fabbriche di piante giapponesi rapprisentarà circa 10% di u mercatu tutale di lattuga.Trà i più di 250 fabbriche di piante di luce artificiale attualmente in opera, u 20% sò in una fase di perdita, u 50% sò à u livellu di break-even, è u 30% sò in una fase prufittuosa, chì implicanu spezie di piante cultivate cum'è lattuga, erbe è piantini.

L'Olanda hè un veru capu mundiale in u campu di tecnulugia d'applicazione cumminata di luce solare è di luce artificiale per a fabbrica di piante, cun un altu gradu di mecanizazione, automatizazione, intelligenza è mancanza di equipaggiu, è avà hà esportatu un inseme cumpletu di tecnulugii è equipaghji cusì forti. prudutti à u Mediu Oriente, Africa, Cina è altri paesi.A fattoria American AeroFarms hè situata in Newark, New Jersey, USA, cù una superficie di 6500 m2.Si sviluppa principalmente verdura è spezie, è a pruduzzione hè di circa 900 t / annu.

Agriculture verticale in AeroFarms

A fabbrica di pianta agricula verticale di Plenty Company in i Stati Uniti adopta l'illuminazione LED è un quadru di piantazione verticale cù una altezza di 6 m.I pianti crescenu da i lati di i pianti.A basa di l'acqua di gravità, stu metudu di piantazione ùn hà micca bisognu di pompe supplementari è hè più efficiente in acqua chì l'agricultura convenzionale.Plenty dice chì a so splutazioni pruduce 350 volte a pruduzzione di una splutazioni cunvinziunali mentre usa solu 1% di l'acqua.

Fabbrica di piante agricole verticali, Plenty Company

2.2 Status industria fabbrica pianta in Cina

In u 2009, a prima fabbrica di pianta di pruduzzione in Cina cun cuntrollu intelligente cum'è u core hè stata custruita è messa in opera in Changchun Agricultural Expo Park.L'area di custruzzione hè di 200 m2, è i fatturi ambientali cum'è a temperatura, l'umidità, a luce, a concentrazione di CO2 è a suluzione di nutrienti di a fabbrica di a pianta pò esse monitoratu automaticamente in tempu reale per realizà una gestione intelligente.

In u 2010, a Tongzhou Plant Factory hà custruitu in Pechino.A struttura principale adopra una struttura d'acciaio ligera monostratu cù una superficie di custruzzione tutale di 1289 m2.Hè a forma di un trasportatore d'aviò, simbulizendu l'agricultura chinesa chì pigghia l'iniziu di vela à a tecnulugia più avanzata di l'agricultura muderna.L'equipaggiu automaticu per alcune operazioni di pruduzzione vegetale foglia hè statu sviluppatu, chì hà migliuratu u livellu di l'automatizazione di a produzzione è l'efficienza di a produzzione di a fabbrica di pianta.A fabbrica di a pianta adopra un sistema di pompa di calore di fonte di terra è un sistema di generazione di energia solare, chì risolve megliu u prublema di i costi operativi elevati per a fabbrica di a pianta.

Vista interna è esterna di Tongzhou Plant Factory

In 2013, parechje cumpagnie di tecnulugia agricula sò state stabilite in Yangling Agricultural High-tech Demonstration Zone, Shaanxi Province.A maiò parte di i prughjetti di fabbrica di pianta in custruzzione è operazione sò situati in parchi di dimostrazione agriculi high-tech, chì sò principarmenti usati per manifestazioni di scienza populari è visite turistiche.A causa di i so limitazioni funziunali, hè difficiule per queste fabbriche di pianta di scienza populari per ottene l'altu rendimentu è l'alta efficienza necessaria da l'industrializazione, è serà difficiule per elli à diventà a forma mainstream di industrializazione in u futuru.

In u 2015, un grande fabricatore di chip LED in Cina hà cooperatu cù l'Istitutu di Botanica di l'Academia Cinese di Scienze per inizià a creazione di una cumpagnia di fabbrica di pianta.Hè attraversatu da l'industria optoelettronica à l'industria "fotobiologica", è hè diventatu un precedente per i pruduttori di LED chinesi per invistisce in a custruzzione di fabbriche di pianta in industrializazione.A so Plant Factory hè impegnata à fà investimenti industriali in fotobiologia emergente, chì integra a ricerca scientifica, a produzzione, a dimostrazione, l'incubazione è altre funzioni, cù un capitale registratu di 100 milioni di yuan.In u ghjugnu di u 2016, sta Factory Plant cù un edifiziu di 3 piani chì copre una superficie di 3 000 m2 è una zona di cultivazione di più di 10 000 m2 hè stata cumpletata è messa in opera.Da maghju 2017, a scala di pruduzzione di ogni ghjornu serà di 1500 kg di verdura foglia, equivalente à 15000 piante di lettuce per ghjornu.

Viste di sta cumpagnia

3. Prublemi è contramisure di fronte à u sviluppu di e fabbriche di pianta

3.1 Prublemi

3.1.1 Altu costu di custruzzione

I fabbrichi vegetali anu bisognu di pruduce culturi in un ambiente chjusu.Per quessa, hè necessariu di custruisce prughjetti di supportu è equipaghji cumpresi strutture di mantenimentu esternu, sistemi di climatizazione, fonti di luce artificiale, sistemi di cultivazioni multi-strati, circulazione di suluzione di nutrienti è sistemi di cuntrollu di computer.U costu di custruzzione hè relativamente altu.

3.1.2 Altu costu di operazione

A maiò parte di e fonti di luce richieste da e fabbriche di e piante venenu da luci LED, chì cunsuma assai elettricità mentre furnisce spettri currispundenti per a crescita di diverse culturi.L'equipaggiu cum'è l'aria condizionata, a ventilazione è e pompe d'acqua in u prucessu di produzzione di e fabbriche di e piante cunsumanu ancu l'electricità, cusì e bollette di l'electricità sò una spesa enormosa.Sicondu statistiche, trà i costi di pruduzzione di e fabbriche di e piante, i costi di l'electricità cuntanu u 29%, i costi di u travagliu per u 26%, l'ammortizazione di l'assi fissi cuntanu u 23%, l'imballaggio è u trasportu cuntanu u 12%, è i materiali di produzzione cuntanu u 10%.

Ripartizione di u costu di produzzione per a fabbrica di pianta

3.1.3 Low level of automation

A fabbrica di pianta attualmente applicata hà un livellu bassu d'automatizazione, è i prucessi cum'è a piantina, u trasplante, a piantazione di u campu è a cugliera anu sempre bisognu di operazioni manuali, chì risultanu in altu costu di u travagliu.

3.1.4 Variità limitata di culturi chì ponu esse cultivati

Attualmente, i tipi di culturi adattati per e fabbriche di pianta sò assai limitati, principarmenti i vegetali di foglie verdi chì crescenu rapidamente, accettanu facilmente fonti di luce artificiale, è anu un canopy bassu.A piantazione à grande scala ùn pò esse realizatu per esigenze cumplessi di piantazione (cum'è i culturi chì anu da esse polinizati, etc.).

3.2 Strategia di sviluppu

In vista di i prublemi affruntati da l'industria di a fabbrica di pianta, hè necessariu di fà ricerche da parechji aspetti, cum'è a tecnulugia è u funziunamentu.In risposta à i prublemi attuali, i contramisuri sò i seguenti.

(1) Rafforza a ricerca nantu à a tecnulugia intelligente di e fabbriche di e piante è migliurà u livellu di gestione intensiva è raffinata.U sviluppu di un sistema di gestione è cuntrollu intelligente aiuta à ottene una gestione intensiva è raffinata di e fabbriche di e piante, chì ponu riduce assai i costi di u travagliu è risparmià u travagliu.

(2) Sviluppà l'equipaggiu tecnicu di a fabbrica di pianta intensiva è efficiente per ottene un rendimentu annuale di alta qualità è altu.U sviluppu di impianti di cultivazioni high-efficacy è l'equipaggiu, a tecnulugia di l'illuminazione di risparmiu d'energia è l'equipaggiu, etc., per migliurà u livellu intelligente di e fabbriche di pianta, conduce à a realizazione di a produzzione annuale di alta efficienza.

(3) Eseguite una ricerca nantu à a tecnulugia di cultivazioni industriali per e piante à altu valore aghjuntu, cum'è e piante medicinali, i pianti di cura di a salute è i vegetali rari, aumentanu i tipi di colti cultivati ​​in fabbriche di piante, allargate i canali di prufittu, è migliurà u puntu di partenza di u prufittu. .

(4) Realizà a ricerca nantu à e fabbriche di piante per l'usu domesticu è cummerciale, arricchisce i tipi di fabbriche di pianta, è ottene una prufittuità cuntinua cù diverse funzioni.

4. Sviluppu Trend è Prospect di Plant Factory

4.1 Tendenza di u sviluppu di a tecnulugia

4.1.1 Intellectualization Full-prucessu

Basatu nantu à u mecanismu di fusione è prevenzione di a perdita di l'arti di a machina di u sistema di u robot-robot, l'effettu di a piantazione è a cugliera d'alta velocità, flessibili è micca distruttivi, è fini di cugliera, spazii multidimensionali distribuiti, posizionamenti precisi, è metudi di cuntrollu di cullaburazione multi-modale multi-machine. è a sementa unmanned, efficiente è non distruttiva in fabbriche di pianta alta - Roboti intelligenti è equipaghji di supportu cum'è piantazione-raccolta-imballaggio duveranu esse creati, rendendu cusì u funziunamentu unmanned di tuttu u prucessu.

4.1.2 Fate un cuntrollu di pruduzzione più intelligente

Basatu nantu à u mecanismu di risposta di crescita di culturi è u sviluppu à a radiazzioni di luce, a temperatura, l'umidità, a cuncentrazione di CO2, a cuncentrazione di nutrienti di a suluzione di nutrienti, è l'EC, deve esse custruitu un mudellu quantitatiu di feedback ambientale.Un mudellu di core strategicu deve esse stabilitu per analizà dinamicamente l'infurmazioni di a vita di i vegetali frondosi è i parametri di l'ambiente di produzzione.U diagnosticu d'identificazione dinamica in linea è u sistema di cuntrollu di prucessu di l'ambiente deve ancu esse stabilitu.Un sistema di decisione di intelligenza artificiale cullaburazione multi-machine per tuttu u prucessu di produzzione di una fabbrica agricula verticale di grande volume deve esse creatu.

4.1.3 Pruduzzione bassa di carbone è risparmiu d'energia

Stabbilimentu di un sistema di gestione di l'energia chì utilizeghja fonti d'energia rinnuvevuli cum'è u solare è u ventu per cumpletà a trasmissione di energia è cuntrullà u cunsumu d'energia per ghjunghje l'ugettivi ottimali di gestione energetica.Catturà è riutilizà l'emissioni di CO2 per aiutà a produzzione di culturi.

4.1.3 Altu valore di variità premium

Strategie fattibili devenu esse pigliate per allevà diverse varietà di altu valore aghjuntu per esperimenti di piantazione, custruisce una basa di dati di esperti di tecnulugia di cultivazioni, fà ricerche nantu à a tecnulugia di cultivazioni, selezzione di densità, arrangiamentu di stubble, varietà è adattabilità di l'equipaggiu, è formanu specificazioni tecniche standard di cultivazioni.

4.2 Perspettivi di sviluppu di l'industria

I fabbrichi vegetali ponu sbarazzà di e limitazioni di risorse è di l'ambiente, realizà a produzzione industrializzata di l'agricultura, è attrae a nova generazione di forza di travagliu per impegnà in a produzzione agricula.L'innuvazione tecnologica chjave è l'industrializazione di e fabbriche di e piante in Cina sò diventate un capu mundiale.Cù l'appiecazione accelerata di a fonte di luce LED, a digitalizazione, l'automatizazione è e tecnulugia intelligenti in u campu di e fabbriche di e piante, i fabbrichi di a pianta attraeranu più investimenti di capitale, cullezzione di talentu, è l'usu di più energia nova, materiali novi è equipaghji novi.In questu modu, l'integrazione in profonda di a tecnulugia di l'informatica è e facilità è l'equipaggiu pò esse realizatu, u livellu intelligente è senza equipaggiu di facilità è equipaghji pò esse migliuratu, a riduzione continua di u cunsumu d'energia di u sistema è i costi operativi attraversu l'innuvazione cuntinua, è a gradualità graduale. a cultura di i mercati specializati, e fabbriche di piante intelligenti usheranu u periodu d'oru di u sviluppu.

Sicondu i rapporti di ricerca di u mercatu, a dimensione di u mercatu di l'agricultura verticale glubale in u 2020 hè solu di 2,9 miliardi di $, è hè previstu chì da u 2025, a dimensione di u mercatu di l'agricoltura verticale globale righjunghji 30 miliardi di $.In sintesi, e fabbriche di e piante anu una larga prospettiva d'applicazione è un spaziu di sviluppu.

Autore: Zengchan Zhou, Weidong, etc

Informazioni di citazione:Situazione attuale è prospettive di u sviluppu di l'industria di a fabbrica di piante [J].Tecnulugia di l'Ingenieria Agricola, 2022, 42 (1): 18-23.di Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.