Riassuntu: In l'ultimi anni, cù a cuntinua esplorazione di a tecnulugia agricula muderna, l'industria di e fabbriche di piante s'hè ancu sviluppata rapidamente. Stu documentu presenta u statu quo, i prublemi esistenti è e contromisure di sviluppu di a tecnulugia di e fabbriche di piante è di u sviluppu industriale, è guarda avanti à a tendenza di sviluppu è à e prospettive di e fabbriche di piante in u futuru.

1. Statu attuale di u sviluppu tecnologicu in e fabbriche in Cina è à l'esteru

1.1 U statu quo di u sviluppu di a tecnulugia straniera

Dapoi u XXI seculu, a ricerca di e fabbriche di piante s'hè cuncentrata principalmente nantu à u miglioramentu di l'efficienza luminosa, a creazione di apparecchiature di sistemi di cultura tridimensionali multistrati, è a ricerca è u sviluppu di gestione è cuntrollu intelligenti. In u XXI seculu, l'innuvazione di e fonti luminose LED agricule hà fattu progressi, furnendu un impurtante supportu tecnicu per l'applicazione di fonti luminose LED à risparmiu energeticu in e fabbriche di piante. L'Università di Chiba in Giappone hà fattu una quantità d'innuvazioni in fonti luminose à alta efficienza, cuntrollu ambientale à risparmiu energeticu è tecniche di cultura. L'Università di Wageningen in i Paesi Bassi utilizza a simulazione di l'ambiente culturale è a tecnulugia di ottimizazione dinamica per sviluppà un sistema di apparecchiature intelligenti per e fabbriche di piante, chì riduce assai i costi operativi è migliora significativamente a produttività di u travagliu.

In l'ultimi anni, e fabbriche di piante anu gradualmente realizatu a semi-automatizazione di i prucessi di pruduzzione da a semina, a crescita di e piantine, u trapianto è a racolta. U Giappone, i Paesi Bassi è i Stati Uniti sò in prima linea, cù un altu gradu di meccanizazione, automatizazione è intelligenza, è si stanu sviluppendu in a direzzione di l'agricultura verticale è di l'operazione senza pilotu.

1.2 Statu di sviluppu tecnologicu in Cina

1.2.1 Sorgente luminosa LED specializata è apparecchiature tecnologiche di risparmiu energeticu per a luce artificiale in fabbrica

Fonti di luce LED rosse è blu speciali per a pruduzzione di varie spezie vegetali in fabbriche di piante sò state sviluppate una dopu l'altra. A putenza varieghja da 30 à 300 W, è l'intensità di a luce di l'irradiazione hè da 80 à 500 μmol/(m2•s), chì pò furnisce una intensità luminosa cù una gamma di soglia adatta, parametri di qualità di a luce, per ottene l'effettu di risparmiu energeticu ad alta efficienza è adattassi à i bisogni di a crescita è di l'illuminazione di e piante. In termini di gestione di a dissipazione di u calore di a fonte luminosa, hè statu introduttu u disignu di dissipazione attiva di u calore di u ventilatore di a fonte luminosa, chì riduce u tassu di decadimentu di a luce di a fonte luminosa è assicura a vita di a fonte luminosa. Inoltre, hè prupostu un metudu per riduce u calore di a fonte luminosa LED per mezu di a soluzione nutritiva o di a circulazione di l'acqua. In termini di gestione di u spaziu di a fonte luminosa, secondu a lege di evoluzione di a dimensione di a pianta in u stadiu di piantina è in u stadiu successivu, per mezu di a gestione di u muvimentu spaziale verticale di a fonte luminosa LED, a chioma di a pianta pò esse illuminata à corta distanza è l'ubbiettivu di risparmiu energeticu hè ottenutu. Attualmente, u cunsumu energeticu di a fonte di luce di a fabbrica di piante artificiali pò rapprisintà da 50% à 60% di u cunsumu energeticu tutale di funziunamentu di a fabbrica. Ancu s'è i LED ponu risparmià 50% d'energia paragunatu à e lampade fluorescenti, ci hè sempre u putenziale è a necessità di ricerca nantu à u risparmiu energeticu è a riduzione di u cunsumu.

1.2.2 Tecnulugia è equipaggiamentu di cultura tridimensionale multistratu

U spaziu trà i strati di a cultura tridimensionale multistratu hè riduttu perchè u LED rimpiazza a lampada fluorescente, ciò chì migliora l'efficienza di l'utilizazione di u spaziu tridimensionale di a cultura di e piante. Ci sò parechji studii nantu à u disignu di u fondu di u lettu di cultura. E strisce rialzate sò cuncepite per generà un flussu turbulente, chì pò aiutà e radiche di e piante à assorbe uniformemente i nutrienti in a suluzione nutritiva è aumentà a cuncentrazione di l'ossigenu dissoltu. Usendu u pannellu di culunizazione, ci sò dui metudi di culunizazione, vale à dì, i bicchieri di culunizazione di plastica di diverse dimensioni o u modu di culunizazione di u perimetru di a spugna. Hè apparsu un sistema di lettu di cultura scorrevule, è u pannellu di piantazione è e piante nantu à questu ponu esse spinte manualmente da una estremità à l'altra, realizendu u modu di pruduzzione di piantazione à una estremità di u lettu di cultura è raccolta à l'altra estremità. Attualmente, hè stata sviluppata una varietà di tecnulugia è equipaggiamenti di cultura senza terra multistratu tridimensionale basati nantu à a tecnulugia di film liquidu nutritivu è a tecnulugia di flussu liquidu prufondu, è sò apparse a tecnulugia è l'equipaggiamenti per a cultura di substrati di fragole, a cultura di aerosol di ligumi à foglia è fiori. A tecnulugia citata s'hè sviluppata rapidamente.

1.2.3 Tecnulugia è equipaggiamentu di circulazione di suluzioni nutritive

Dopu chì a suluzione nutritiva hè stata aduprata per un certu periodu di tempu, hè necessariu aghjunghje acqua è elementi minerali. In generale, a quantità di suluzione nutritiva appena preparata è a quantità di suluzione acido-basica sò determinate misurendu l'EC è u pH. E grande particelle di sedimentu o l'esfoliazione di e radiche in a suluzione nutritiva devenu esse eliminate da un filtru. L'essudati di e radiche in a suluzione nutritiva ponu esse eliminati da metudi fotocatalitici per evità ostaculi cuntinui à e culture in l'idroponica, ma ci sò certi risichi in a dispunibilità di i nutrienti.

1.2.4 Tecnulugia è equipaggiamenti di cuntrollu ambientale

A pulizia di l'aria di u spaziu di pruduzzione hè unu di l'indicatori impurtanti di a qualità di l'aria di a fabbrica. A pulizia di l'aria (indicatori di particelle in sospensione è batteri sedimentati) in u spaziu di pruduzzione di a fabbrica in cundizioni dinamiche deve esse cuntrullata à un livellu superiore à 100.000. L'entrata di disinfezione di u materiale, u trattamentu di a doccia d'aria di u persunale in entrata è u sistema di purificazione di l'aria di circulazione di l'aria fresca (sistema di filtrazione di l'aria) sò tutte salvaguardie basiche. A temperatura è l'umidità, a cuncentrazione di CO2 è a velocità di u flussu d'aria di l'aria in u spaziu di pruduzzione sò un altru cuntenutu impurtante di u cuntrollu di a qualità di l'aria. Sicondu i rapporti, l'installazione di apparecchiature cum'è scatule di mischju d'aria, canali d'aria, entrate d'aria è uscite d'aria pò cuntrullà uniformemente a temperatura è l'umidità, a cuncentrazione di CO2 è a velocità di u flussu d'aria in u spaziu di pruduzzione, in modu da ottene una alta uniformità spaziale è risponde à i bisogni di a pianta in diverse località spaziali. U sistema di cuntrollu di a temperatura, l'umidità è a cuncentrazione di CO2 è u sistema d'aria fresca sò integrati organicamente in u sistema d'aria circulante. I trè sistemi anu bisognu di sparte u canale d'aria, l'entrata d'aria è l'uscita d'aria, è furnisce energia attraversu u ventilatore per realizà a circulazione di u flussu d'aria, a filtrazione è a disinfezione, è l'aghjurnamentu è l'uniformità di a qualità di l'aria. Assicura chì a pruduzzione di e piante in a fabbrica di e piante sia priva di parassiti è malatie, è chì ùn sia necessaria alcuna 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'ambiente di crescita in a chioma hè garantita per risponde à i bisogni di a crescita di e piante.

2. Statu di sviluppu di l'industria di e fabbriche di piante

2.1 Statu quo di l'industria di e fabbriche di piante straniere

In Giappone, a ricerca, u sviluppu è l'industrializazione di e fabbriche di 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 tecnologicu è a dimostrazione industriale. Ottu istituzioni, cumprese l'Università di Chiba è l'Associazione di Ricerca di Fabbriche di Piante Giapponese, anu participatu. A Japan Future Company hà intrapresu è gestitu u primu prughjettu di dimostrazione di industrializazione di una fabbrica di piante cù una pruduzzione ghjurnata di 3.000 piante. In u 2012, u costu di pruduzzione di a fabbrica di piante era di 700 yen/kg. In u 2014, a fabbrica muderna di piante in u Castellu di Taga, Prefettura di Miyagi, hè stata cumpletata, diventendu a prima fabbrica di piante LED di u mondu cù una pruduzzione ghjurnata di 10.000 piante. Dapoi u 2016, e fabbriche di piante LED sò entrate in a corsia rapida di l'industrializazione in Giappone, è l'imprese in pareggio o prufittuali sò emerse una dopu l'altra. In u 2018, fabbriche di piante à grande scala cù una capacità di pruduzzione ghjurnata da 50.000 à 100.000 piante sò apparse una dopu l'altra, è e fabbriche di piante mundiali si sò sviluppate versu un sviluppu à grande scala, prufessiunale è intelligente. À u listessu tempu, Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power è altri campi anu cuminciatu à investisce in fabbriche di piante. In u 2020, a quota di mercatu di a lattuga prodotta da e fabbriche di piante giapponesi rapprisenterà circa u 10% di tuttu u mercatu di a lattuga. Trà e più di 250 fabbriche di piante di tipu luce artificiale attualmente in funzione, u 20% hè in una fase di perdita, u 50% hè à u livellu di pareggio è u 30% hè in una fase prufittuosa, chì implica spezie di piante cultivate cum'è lattuga, erbe aromatiche è piantine.

I Paesi Bassi sò un veru capu mundiale in u campu di a tecnulugia d'applicazione cumminata di luce solare è luce artificiale per a fabbrica di piante, cù un altu gradu di meccanizazione, automatizazione, intelligenza è mancanza di pilotu, è anu avà esportatu un inseme cumpletu di tecnulugie è equipaggiamenti cum'è prudutti forti in u Mediu Oriente, l'Africa, a Cina è altri paesi. A splutazione agricula americana AeroFarms si trova in Newark, New Jersey, USA, cù una superficia di 6500 m2. Cultiva principalmente ligumi è spezie, è a pruduzzione hè di circa 900 t/annu.

Agricultura verticale in AeroFarms

A fabbrica di piante da agricultura verticale di Plenty Company in i Stati Uniti adotta l'illuminazione LED è una struttura di piantazione verticale cù un'altezza di 6 m. E piante crescenu da i lati di e fioriere. Basendu si nantu à l'irrigazione per gravità, questu metudu di piantazione ùn richiede micca pompe supplementari è hè più efficiente in termini d'acqua chè l'agricultura cunvinziunale. Plenty afferma chì a so splutazione agricula produce 350 volte a pruduzzione di una splutazione agricula cunvinziunale aduprendu solu l'1% di l'acqua.

Fabbrica di piante da agricoltura verticale, Plenty Company

2.2 Industria di fabbrica di piante di statutu in Cina

In u 2009, a prima fabbrica di pruduzzione in Cina cù u cuntrollu intelligente cum'è core hè stata custruita è messa in funzione in u Changchun Agricultural Expo Park. A superficia di custruzzione hè di 200 m2, è i fattori ambientali cum'è a temperatura, l'umidità, a luce, u CO2 è a cuncentrazione di a suluzione nutritiva di a fabbrica ponu esse monitorati automaticamente in tempu reale per realizà una gestione intelligente.

In u 2010, a fabbrica di Tongzhou hè stata custruita in Pechino. A struttura principale adotta una struttura in acciaio leggeru à un solu stratu cù una superficia tutale di custruzzione di 1289 m2. Hà a forma di una portaerei, simbulizendu l'agricultura cinese chì piglia l'iniziativa in a navigazione versu a tecnulugia più avanzata di l'agricultura muderna. L'equipaggiu automaticu per alcune operazioni di pruduzzione di verdura à foglia hè statu sviluppatu, ciò chì hà migliuratu u livellu di automatizazione di a pruduzzione è l'efficienza di a pruduzzione di a fabbrica. A fabbrica adotta un sistema di pompa di calore geotermica è un sistema di generazione di energia solare, chì risolve megliu u prublema di l'alti costi operativi per a fabbrica.

Vista interna è esterna di a fabbrica di Tongzhou

In u 2013, parechje cumpagnie di tecnulugia agricula sò state create in a Zona di Dimostrazione di Alta Tecnulugia Agricola di Yangling, in a Pruvincia di Shaanxi. A maiò parte di i prughjetti di fabbriche di piante in custruzzione è in funziunamentu sò situati in parchi di dimostrazione agriculi di alta tecnulugia, chì sò principalmente aduprati per dimustrazioni di scienza populare è visite turistiche di piacè. A causa di e so limitazioni funziunali, hè difficiule per queste fabbriche di piante di scienza populare di ottene l'altu rendimentu è l'alta efficienza richiesti da l'industrializazione, è serà difficiule per elle di diventà a forma principale 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'Accademia Cinese di Scienze per inizià inseme a creazione di una sucietà di fabbrica di piante. Hè passata da l'industria optoelettronica à l'industria "fotobiologica", è hè diventata un precedente per i fabricatori cinesi di LED per investisce in a custruzzione di fabbriche di piante in l'industrializazione. A so Fabbrica di Piante hè impegnata à fà investimenti industriali in a fotobiologia emergente, chì integra a ricerca scientifica, a pruduzzione, a dimostrazione, l'incubazione è altre funzioni, cù un capitale registratu di 100 milioni di yuan. In ghjugnu 2016, sta Fabbrica di Piante cù un edifiziu di 3 piani chì copre una superficia di 3.000 m2 è una superficia di cultivazione di più di 10.000 m2 hè stata cumpletata è messa in funzione. À maghju 2017, a scala di pruduzzione ghjurnata serà di 1.500 kg di ligumi à foglia, equivalente à 15.000 piante di lattuga à ghjornu.

Opinioni di sta cumpagnia

3. Prublemi è contromisure chì affruntanu u sviluppu di e fabbriche di piante

3.1 Prublemi

3.1.1 Costu di custruzzione elevatu

L'impianti di piante anu bisognu di pruduce culturi in un ambiente chjusu. Dunque, hè necessariu custruisce prughjetti è equipaggiamenti di supportu, cumprese strutture di manutenzione esterna, sistemi di climatizazione, fonti di luce artificiale, sistemi di cultura multistratu, circulazione di soluzioni nutritive è sistemi di cuntrollu informaticu. U costu di custruzzione hè relativamente altu.

3.1.2 Costu operativu elevatu

A maiò parte di e fonti di luce necessarie da e fabbriche di piante venenu da luci LED, chì cunsumanu assai elettricità mentre furniscenu spettri currispondenti per a crescita di diverse culture. L'attrezzature cum'è l'aria condizionata, a ventilazione è e pompe d'acqua in u prucessu di pruduzzione di e fabbriche di piante cunsumanu ancu elettricità, dunque e fatture di l'elettricità sò una spesa enorme. Sicondu e statistiche, trà i costi di pruduzzione di e fabbriche di piante, i costi di l'elettricità rapprisentanu u 29%, i costi di u travagliu rapprisentanu u 26%, l'ammortamentu di l'attività fisse rapprisenta u 23%, l'imballaggio è u trasportu rapprisentanu u 12% è i materiali di pruduzzione rapprisentanu u 10%.

Ripartizione di i costi di pruduzzione per a fabbrica di a pianta

3.1.3 Livellu bassu di automatizazione

A fabbrica di piante attualmente applicata hà un bassu livellu di automatizazione, è prucessi cum'è a piantina, u trapianto, a piantazione in u campu è a racolta richiedenu sempre operazioni manuali, ciò chì risulta in costi di manodopera elevati.

3.1.4 Varietà limitate di culturi chì ponu esse cultivate

Attualmente, i tipi di culturi adatti per e fabbriche di piante sò assai limitati, principalmente ligumi à foglia verde chì crescenu rapidamente, accettanu facilmente fonti di luce artificiale è anu una bassa chioma. A piantazione à grande scala ùn pò esse realizata per esigenze di piantazione cumplesse (cum'è e culture chì anu bisognu di esse impollinate, ecc.).

3.2 Strategia di sviluppu

In vista di i prublemi chì l'industria di e fabbriche di piante affronta, hè necessariu fà ricerche da diversi aspetti cum'è a tecnulugia è u funziunamentu. In risposta à i prublemi attuali, e contromisure sò e seguenti.

(1) Rafforza a ricerca nantu à a tecnulugia intelligente di e fabbriche 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, chì pò riduce assai i costi di u travagliu è risparmià travagliu.

(2) Sviluppà equipaggiamenti tecnichi intensivi è efficienti per e fabbriche di piante per ottene una alta qualità è un altu rendimentu annuale. U sviluppu di strutture è equipaggiamenti di cultura à alta efficienza, tecnulugia è equipaggiamenti d'illuminazione à risparmiu energeticu, ecc., per migliurà u livellu intelligente di e fabbriche di piante, hè favurevule à a realizazione di una pruduzzione annuale à alta efficienza.

(3) Realizà ricerche nantu à a tecnulugia di cultura industriale per e piante à altu valore aghjuntu cum'è e piante medicinali, e piante sanitarie è l'ortaggi rari, aumentà i tipi di culturi cultivati ​​in e fabbriche di piante, allargà i canali di prufittu è migliurà u puntu di partenza di u prufittu.

(4) Realizà ricerche nantu à e fabbriche di piante per usu domesticu è cummerciale, arricchisce i tipi di fabbriche di piante è ottene una redditività cuntinua cù diverse funzioni.

4. Tendenza di sviluppu è prospettive di a fabbrica di piante

4.1 Tendenza di u sviluppu tecnologicu

4.1.1 Intellettualizazione di u prucessu cumpletu

Basatu annantu à u mecanismu di fusione è di prevenzione di perdite di u sistema di culturi-robot, effettori finali di piantazione è raccolta flessibili è non distruttivi à alta velocità, pusizionamentu precisu di u spaziu multidimensionale distribuitu è ​​metudi di cuntrollu collaborativu multi-macchina multimodale, è semina senza pilotu, efficiente è non distruttiva in fabbriche di piante di grattacieli -Devenu esse creati robot intelligenti è apparecchiature di supportu cum'è piantazione-raccolta-imballaggio, realizendu cusì l'operazione senza pilotu di tuttu u prucessu.

4.1.2 Rende u cuntrollu di a pruduzzione più intelligente

Basatu annantu à u mecanismu di risposta di a crescita è di u sviluppu di e culture à a radiazione luminosa, a temperatura, l'umidità, a cuncentrazione di CO2, a cuncentrazione di nutrienti di a suluzione nutritiva è l'EC, deve esse custruitu un mudellu quantitativu di feedback cultura-ambiente. Deve esse stabilitu un mudellu strategicu di basa per analizà dinamicamente l'infurmazioni nantu à a vita di l'ortaggi à foglia è i parametri di l'ambiente di pruduzzione. Deve ancu esse stabilitu u sistema di diagnosi d'identificazione dinamica in linea è u sistema di cuntrollu di u prucessu di l'ambiente. Deve esse creatu un sistema decisionale d'intelligenza artificiale collaborativa multi-macchina per tuttu u prucessu di pruduzzione di una fabbrica agricula verticale di grande vulume.

4.1.3 Pruduzzione à bassa emissione di carbone è risparmiu energeticu

Stabilisce un sistema di gestione di l'energia chì utilizza fonti d'energia rinnuvevuli cum'è u sole è u ventu per cumpletà a trasmissione di l'energia è cuntrullà u cunsumu d'energia per ottene obiettivi ottimali di gestione di l'energia. Catturà è riutilizà l'emissioni di CO2 per aiutà a pruduzzione agricula.

4.1.3 Altu valore di varietà premium

Si devenu aduttà strategie fattibili per cultivà diverse varietà à altu valore aghjuntu per esperimenti di piantazione, custruisce una basa di dati di esperti in tecnulugia di cultura, fà ricerche nantu à a tecnulugia di cultura, a selezzione di a densità, a disposizione di e stoppie, l'adattabilità di varietà è equipaggiamenti, è furmà specifiche tecniche standard di cultura.

4.2 Prospettive di sviluppu di l'industria

E fabbriche di piante ponu sbarrazzassi di i vincoli di e risorse è di l'ambiente, realizà a pruduzzione industrializzata di l'agricultura è attirà a nova generazione di forza lavoro per impegnassi in a pruduzzione agricula. L'innuvazione tecnologica chjave è l'industrializazione di e fabbriche di piante di a Cina stanu diventendu un capu mundiale. Cù l'applicazione accelerata di a fonte di luce LED, a digitalizazione, l'automatizazione è e tecnulugie intelligenti in u campu di e fabbriche di piante, e fabbriche di piante attireranu più investimenti di capitale, raccolta di talenti è l'usu di più nova energia, novi materiali è novi equipaggiamenti. In questu modu, si pò realizà l'integrazione approfondita di a tecnulugia di l'infurmazione è di e strutture è equipaggiamenti, si pò migliurà u livellu intelligente è senza pilotu di e strutture è equipaggiamenti, si pò riduce cuntinuamente u cunsumu energeticu di u sistema è i costi operativi per mezu di l'innuvazione cuntinua è a cultura graduale di mercati specializati, e fabbriche di piante intelligenti inaugureranu un periodu d'oru di sviluppu.

Sicondu i rapporti di ricerca di u mercatu, a dimensione di u mercatu mundiale di l'agricultura verticale in u 2020 hè solu di 2,9 miliardi di dollari americani, è si prevede chì, da u 2025, a dimensione di u mercatu mundiale di l'agricultura verticale righjunghjerà i 30 miliardi di dollari americani. In riassuntu, e fabbriche di piante anu ampie prospettive d'applicazione è spaziu di sviluppu.

Autore: Zengchan Zhou, Weidong, etc

Infurmazioni di citazione:Situazione attuale è prospettive di sviluppu di l'industria di e fabbriche di piante [J]. Tecnulugia di l'ingegneria agricula, 2022, 42(1): 18-23.di Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.