Resumen: En los últimos años, con la exploración continua de la tecnología agrícola moderna, la industria de la fábrica de plantas también se ha desarrollado rápidamente. Este documento introduce el status quo, los problemas existentes y las contramedidas de desarrollo de la tecnología de la fábrica de plantas y el desarrollo de la industria, y espera la tendencia de desarrollo y la perspectiva de las fábricas de plantas en el futuro.

1. Estado actual del desarrollo de la tecnología en las fábricas de plantas en China y en el extranjero

1.1 El status quo del desarrollo de tecnología extranjera

Desde el siglo XXI, la investigación de las fábricas de plantas se ha centrado principalmente en la mejora de la eficiencia de la luz, la creación de equipos del sistema de cultivo tridimensional de múltiples capas y la investigación y desarrollo de gestión y control inteligentes. En el siglo XXI, la innovación de las fuentes de luz LED agrícolas ha progresado, proporcionando un importante apoyo técnico para la aplicación de fuentes de luz de ahorro de energía LED en las fábricas de plantas. La Universidad de Chiba en Japón ha realizado una serie de innovaciones en fuentes de luz de alta eficiencia, control ambiental que ahorra energía y técnicas de cultivo. La Universidad de Wageningen en los Países Bajos utiliza la simulación de los cultivos y la tecnología de optimización dinámica para desarrollar un sistema de equipos inteligentes para las fábricas de plantas, lo que reduce en gran medida los costos operativos y mejora significativamente la productividad laboral.

En los últimos años, las fábricas de plantas se han dado cuenta gradualmente de la semiautomatización de los procesos de producción de la siembra, la cría de plántulas, el trasplante y la cosecha. Japón, los Países Bajos y los Estados Unidos están a la vanguardia, con un alto grado de mecanización, automatización e inteligencia, y se están desarrollando en la dirección de la agricultura vertical y la operación no tripulada.

1.2 Estado de desarrollo tecnológico en China

1.2.1 Equipo de luz LED Specializd y Equipo de tecnología de aplicaciones de ahorro de energía para luz artificial en la fábrica de plantas

Se han desarrollado fuentes especiales de luz LED rojo y azul para la producción de varias especies de plantas en las fábricas de plantas una tras otra. La potencia varía de 30 a 300 W, y la intensidad de la luz de irradiación es de 80 a 500 μmol/(m2 • s), que puede proporcionar una intensidad de luz con un rango umbral apropiado, parámetros de calidad de luz, para lograr el efecto de la alta eficiencia de la eficiencia Ahorro de energía y adaptación a las necesidades de crecimiento e iluminación de las plantas. En términos de gestión de la disipación de calor de la fuente de luz, se ha introducido el diseño activo de disipación de calor del ventilador de la fuente de luz, lo que reduce la velocidad de descomposición de la luz de la fuente de luz y garantiza la vida útil de la fuente de luz. Además, se propone un método para reducir el calor de la fuente de luz LED a través de la solución de nutrientes o la circulación del agua. En términos de gestión del espacio de la fuente de luz, según la ley de evolución del tamaño de la planta en la etapa de la plántula y la etapa posterior, a través de la gestión del movimiento del espacio vertical de la fuente de luz LED, el dosel de la planta se puede iluminar a distancia y el objetivo de ahorro de energía es logrado. En la actualidad, el consumo de energía de la fuente de luz de la fábrica de plantas de luz artificial puede representar del 50% al 60% del consumo total de energía operativa de la fábrica de plantas. Aunque LED puede ahorrar 50% de energía en comparación con las lámparas fluorescentes, todavía existe el potencial y la necesidad de la investigación sobre el ahorro de energía y la reducción del consumo.

1.2.2 Tecnología y equipo de cultivo tridimensional de múltiples capas

El espacio de capa del cultivo tridimensional de múltiples capas se reduce porque el LED reemplaza la lámpara fluorescente, lo que mejora la eficiencia de utilización del espacio tridimensional del cultivo de la planta. Hay muchos estudios sobre el diseño del fondo del lecho de cultivo. Las rayas elevadas están diseñadas para generar un flujo turbulento, lo que puede ayudar a las raíces de las plantas a absorber nutrientes en la solución nutritiva de manera uniforme y aumentar la concentración de oxígeno disuelto. Usando la placa de colonización, hay dos métodos de colonización, es decir, las tazas de colonización de plástico de diferentes tamaños o el modo de colonización del perímetro de esponja. Ha aparecido un sistema de lecho de cultivo deslizable, y la tabla de siembra y las plantas en él pueden empujarse manualmente de un extremo a otro, dando cuenta del modo de producción de plantación en un extremo del lecho de cultivo y la cosecha en el otro extremo. En la actualidad, se han desarrollado una variedad de tecnología y equipos tridimensionales de cultura de múltiples capas basadas en tecnología de película líquida de nutrientes y tecnología de flujo de líquido profundo, y la tecnología y el equipo para el cultivo de sustratos de fresas, el cultivo de vegetales y flores de hoja de hoja han surgido. La tecnología mencionada se ha desarrollado rápidamente.

1.2.3 Tecnología y equipo de circulación de solución nutritiva

Después de que la solución nutritiva se ha utilizado durante un período de tiempo, es necesario agregar agua y elementos minerales. En general, la cantidad de solución nutritiva recién preparada y la cantidad de solución ácida-base se determinan midiendo la CE y el pH. Las partículas grandes de sedimentos o la exfoliación de la raíz en la solución nutritiva deben eliminarse mediante un filtro. Los exudados de raíz en la solución de nutrientes se pueden eliminar mediante métodos fotocatalíticos para evitar obstáculos de cultivo continuo en la hidroponía, pero existen ciertos riesgos en la disponibilidad de nutrientes.

1.2.4 Tecnología y equipo de control ambiental

La limpieza del aire del espacio de producción es uno de los indicadores importantes de la calidad del aire de la fábrica de plantas. La limpieza del aire (indicadores de partículas suspendidas y bacterias establecidas) en el espacio de producción de la fábrica de plantas en condiciones dinámicas debe controlarse a un nivel superior a 100,000. La entrada de desinfección de materiales, el tratamiento de ducha de aire de personal entrante y el sistema de purificación de aire de circulación de aire fresco (sistema de filtración de aire) son todas las salvaguardas básicas. La temperatura y la humedad, la concentración de CO2 y la velocidad del flujo de aire del aire en el espacio de producción son otro contenido importante del control de calidad del aire. Según los informes, la configuración de equipos como cajas de mezcla de aire, conductos de aire, entradas de aire y salidas de aire puede controlar uniformemente la temperatura y la humedad, la concentración de CO2 y la velocidad del flujo de aire en el espacio de producción, para lograr una alta uniformidad espacial y satisfacer las necesidades de las plantas. En diferentes lugares espaciales. El sistema de control de temperatura, humedad y concentración de CO2 y el sistema de aire fresco se integran orgánicamente en el sistema de aire circulante. Los tres sistemas deben compartir el conducto de aire, la entrada de aire y la salida de aire, y proporcionar energía a través del ventilador para realizar la circulación del flujo de aire, la filtración y la desinfección, y la actualización y la uniformidad de la calidad del aire. Asegura que la producción de plantas en la fábrica de plantas esté libre de plagas y enfermedades, y no se requiere una aplicación de pesticidas. Al mismo tiempo, la uniformidad de la temperatura, la humedad, el flujo de aire y la concentración de CO2 de los elementos del entorno de crecimiento en el dosel está garantizado para satisfacer las necesidades del crecimiento de las plantas.

2. Estado de desarrollo de la industria de la fábrica de plantas

2.1 Status quo de la industria de la fábrica de plantas extranjeras

En Japón, la investigación y el desarrollo y la industrialización de las fábricas de plantas de luz artificial son relativamente rápidas, y están en el nivel principal. En 2010, el gobierno japonés lanzó 50 mil millones de yenes para apoyar la investigación y el desarrollo de la tecnología y la demostración industrial. Participaron ocho instituciones, incluida la Universidad de Chiba y la Asociación de Investigación de Fábrica de Plantas de Japón. Japan Future Company realizó y operó el primer proyecto de demostración de industrialización de una fábrica de plantas con una producción diaria de 3.000 plantas. En 2012, el costo de producción de la fábrica de plantas fue de 700 yenes/kg. En 2014, se completó la fábrica de plantas de fábrica moderna en el castillo de Taga, la prefectura de Miyagi, convirtiéndose en la primera fábrica de plantas LED del mundo con una producción diaria de 10,000 plantas. Desde 2016, las fábricas de plantas LED han entrado en el carril rápido de la industrialización en Japón, y las empresas de equilibrio o rentables han surgido una tras otra. En 2018, las fábricas de plantas a gran escala con una capacidad de producción diaria de 50,000 a 100,000 plantas aparecieron una tras otra, y las fábricas de plantas globales se estaban desarrollando hacia un desarrollo a gran escala, profesional e inteligente. Al mismo tiempo, la energía eléctrica de Tokio, la energía eléctrica de Okinawa y otros campos comenzaron a invertir en fábricas de plantas. En 2020, la cuota de mercado de la lechuga producida por las fábricas de plantas japonesas representará aproximadamente el 10% de todo el mercado de lechuga. Entre las más de 250 fábricas de plantas de tipo de luz artificial actualmente en funcionamiento, el 20% está en una etapa de pérdida de pérdidas, el 50% están en el nivel de equilibrio y el 30% están en una etapa rentable, que involucra especies de plantas cultivadas como lechuga, hierbas y plántulas.

Los Países Bajos es un líder del mundo real en el campo de la tecnología de aplicación combinada de luz solar y luz artificial para la fábrica de plantas, con un alto grado de mecanización, automatización, inteligencia y falta de sometimiento, y ahora ha exportado un conjunto completo de tecnologías y equipos tan fuertes tan fuertes. Productos para el Medio Oriente, África, China y otros países. American Aerofarms Farm se encuentra en Newark, Nueva Jersey, EE. UU., Con un área de 6500 m2. Principalmente cultiva verduras y especias, y la salida es de aproximadamente 900 t/año.

Agricultura vertical en aerofarms

La fábrica de plantas de agricultura vertical de Plenty Company en los Estados Unidos adopta iluminación LED y un marco de plantación vertical con una altura de 6 m. Las plantas crecen desde los lados de los plantadores. Confiando en el riego por gravedad, este método de plantación no requiere bombas adicionales y es más eficiente en el agua que la agricultura convencional. Aflmo afirma que su granja produce 350 veces la producción de una granja convencional mientras usa solo el 1% del agua.

Fábrica de plantas de agricultura vertical, abundancia de compañía

2.2 Industria de fábrica de plantas de estado en China

En 2009, la primera fábrica de plantas de producción en China con control inteligente a medida que el núcleo se construyó y se puso en funcionamiento en Changchun Agricultural Expo Park. El área de construcción es de 200 m2, y los factores ambientales como la temperatura, la humedad, la luz, el CO2 y la concentración de la solución de nutrientes de la fábrica de plantas pueden monitorear automáticamente en tiempo real para realizar un manejo inteligente.

En 2010, la fábrica de plantas Tongzhou construida en Beijing. La estructura principal adopta una estructura de acero ligero de una sola capa con un área de construcción total de 1289 m2. Se forma como un portaaviones, que simboliza la agricultura china que lleva la iniciativa de la tecnología más avanzada de la agricultura moderna. Se ha desarrollado el equipo automático para algunas operaciones de producción de vegetales de hoja, lo que ha mejorado el nivel de automatización de la producción y la eficiencia de producción de la fábrica de plantas. La fábrica de plantas adopta un sistema de bomba de calor de fuente de tierra y un sistema de generación de energía solar, que resuelve mejor el problema de los altos costos operativos para la fábrica de plantas.

Vista interior y exterior de la fábrica de plantas de Tongzhou

En 2013, muchas compañías de tecnología agrícola se establecieron en la zona de manifestación agrícola de alta tecnología, provincia de Shaanxi. La mayoría de los proyectos de fábrica de plantas en construcción y operación se encuentran en parques de demostración de alta tecnología agrícola, que se utilizan principalmente para demostraciones científicas populares y visitas de ocio. Debido a sus limitaciones funcionales, es difícil para estas fábricas de plantas científicas populares lograr el alto rendimiento y la alta eficiencia requerida por la industrialización, y será difícil para ellos convertirse en la forma principal de industrialización en el futuro.

En 2015, un importante fabricante de chips LED en China cooperó con el Instituto de Botánica de la Academia de Ciencias de China para iniciar conjuntamente el establecimiento de una empresa de fábrica de plantas. Se ha cruzado de la industria optoelectrónica a la industria "fotobiológica", y se ha convertido en un precedente para los fabricantes liderados por chinos a invertir en la construcción de fábricas de plantas en la industrialización. Su fábrica de plantas se compromete a realizar inversiones industriales en fotobiología emergente, que integra investigación científica, producción, demostración, incubación y otras funciones, con un capital registrado de 100 millones de yuanes. En junio de 2016, esta fábrica de plantas con un edificio de 3 pisos que cubre un área de 3.000 m2 y un área de cultivo de más de 10,000 m2 se completó y se puso en funcionamiento. Para mayo de 2017, la escala de producción diaria será de 1,500 kg de vegetales de hoja, equivalente a 15,000 plantas de lechuga por día.

Vistas de esta empresa

3. Problemas y contramedidas que enfrentan el desarrollo de fábricas de plantas

3.1 Problemas

3.1.1 Alto costo de construcción

Las fábricas de plantas necesitan producir cultivos en un entorno cerrado. Por lo tanto, es necesario construir proyectos de apoyo y equipos, incluidas estructuras de mantenimiento externos, sistemas de aire acondicionado, fuentes de luz artificial, sistemas de cultivo de múltiples capas, circulación de soluciones de nutrientes y sistemas de control de computadoras. El costo de construcción es relativamente alto.

3.1.2 Alto costo de operación

La mayoría de las fuentes de luz requeridas por las fábricas de plantas provienen de luces LED, que consumen mucha electricidad al tiempo que proporcionan espectros correspondientes para el crecimiento de diferentes cultivos. Equipos como el aire acondicionado, la ventilación y las bombas de agua en el proceso de producción de las fábricas de plantas también consumen electricidad, por lo que las facturas de electricidad son un gran gasto. Según las estadísticas, entre los costos de producción de las fábricas de plantas, los costos de electricidad representan el 29%, los costos de mano de obra representan el 26%, la depreciación de activos fijos representa el 23%, el envasado y el transporte representan el 12%y los materiales de producción representan el 10%.

Desglose el costo de producción de la fábrica de plantas

3.1.3 Bajo nivel de automatización

La fábrica de plantas aplicadas actualmente tiene un bajo nivel de automatización, y los procesos como las plántulas, el trasplante, la siembra de campo y la cosecha aún requieren operaciones manuales, lo que resulta en altos costos de mano de obra.

3.1.4 Variedades limitadas de cultivos que se pueden cultivar

En la actualidad, los tipos de cultivos adecuados para las fábricas de plantas son muy limitados, principalmente verduras de hoja verde que crecen rápidamente, aceptan fácilmente fuentes de luz artificial y tienen un copa baja. La siembra a gran escala no se puede llevar a cabo para requisitos de siembra complejos (como cultivos que necesitan ser polinizados, etc.).

3.2 Estrategia de desarrollo

En vista de los problemas que enfrentan la industria de la fábrica de plantas, es necesario llevar a cabo investigaciones desde varios aspectos, como la tecnología y la operación. En respuesta a los problemas actuales, las contramedidas son las siguientes.

(1) Fortalecer la investigación sobre tecnología inteligente de las fábricas de plantas y mejorar el nivel de gestión intensiva y refinada. El desarrollo de un sistema inteligente de gestión y control ayuda a lograr una gestión intensiva y refinada de las fábricas de plantas, lo que puede reducir en gran medida los costos laborales y ahorrar mano de obra.

(2) Desarrollar equipos técnicos intensivos y eficientes de fábrica de plantas para lograr una alta calidad y alto rendimiento anual. El desarrollo de instalaciones y equipos de cultivo de alta eficiencia, tecnología de iluminación de ahorro de energía y equipos, etc., para mejorar el nivel inteligente de las fábricas de plantas, es propicio para la realización de la producción anual de alta eficiencia.

(3) Realizar investigaciones sobre tecnología de cultivo industrial para plantas de alto valor agregado, como plantas medicinales, plantas de atención médica y verduras raras, aumentan los tipos de cultivos cultivados en las fábricas de plantas, amplíe los canales de ganancias y mejoran el punto de partida de las ganancias .

(4) Realizar investigaciones sobre fábricas de plantas para uso doméstico y comercial, enriquecer los tipos de fábricas de plantas y lograr una rentabilidad continua con diversas funciones.

4. Tendencia de desarrollo y perspectiva de la fábrica de plantas

4.1 Tendencia de desarrollo tecnológico

4.1.1 Intelectualización de procesamiento completo

Basado en el mecanismo de prevención de pérdidas y fusión de arte de la máquina del sistema de cultivos-robot, efectores finales de plantación y cosecha flexibles y de cosecha no destructivos de alta velocidad, posicionamiento preciso de espacio multidimensional distribuido y métodos de control colaborativo multimodal multimodal, y siembra no tripulada, eficiente y no destructiva en fábricas de plantas de gran altura, los robots inteligentes y los equipos de apoyo, como la empaquetamiento de la recolección de plantación ser creado, realizando así la operación no tripulada de todo el proceso.

4.1.2 Haga que el control de producción sea más inteligente

Basado en el mecanismo de respuesta del crecimiento y el desarrollo de los cultivos a la radiación de la luz, la temperatura, la humedad, la concentración de CO2, la concentración de nutrientes de la solución nutritiva y la CE, se debe construir un modelo cuantitativo de retroalimentación de cultivos-ambiente. Se debe establecer un modelo de núcleo estratégico para analizar dinámicamente la información de la vida vegetal de hoja y los parámetros del entorno de producción. También se debe establecer el sistema de diagnóstico de identificación dinámica en línea y control de procesos del medio ambiente. Se debe crear un sistema de toma de decisiones de inteligencia artificial colaborativa de múltiples máquinas para todo el proceso de producción de una fábrica agrícola vertical de alto volumen.

4.1.3 Producción baja en carbono y ahorro de energía

Establecer un sistema de gestión de energía que utiliza fuentes de energía renovable como la energía solar y el viento para completar la transmisión de energía y el control del consumo de energía para lograr objetivos óptimos de gestión de energía. Capturar y reutilizar las emisiones de CO2 para ayudar a la producción de cultivos.

4.1.3 Alto valor de las variedades premium

Se deben tomar estrategias factibles para criar diferentes variedades de valor agregado para los experimentos de plantación, construir una base de datos de expertos en tecnología de cultivo, realizar investigaciones sobre tecnología de cultivo, selección de densidad, disposición de rastrojo, adaptabilidad de variedades y equipos y formar especificaciones técnicas estándar de cultivo.

4.2 Perspectivas de desarrollo de la industria

Las fábricas de plantas pueden deshacerse de las limitaciones de los recursos y el medio ambiente, realizar la producción industrializada de la agricultura y atraer a la nueva generación de la fuerza laboral para participar en la producción agrícola. La innovación tecnológica y la industrialización clave de las fábricas de plantas de China se está convirtiendo en un líder mundial. Con la aplicación acelerada de la fuente de luz LED, la digitalización, la automatización y las tecnologías inteligentes en el campo de las fábricas de plantas, las fábricas de plantas atraerán más inversiones de capital, recolección de talentos y el uso de más energía nueva, nuevos materiales y nuevos equipos. De esta manera, se puede realizar la integración en profundidad de la tecnología de la información, las instalaciones y equipos y el equipo, se puede mejorar el nivel inteligente y no tripulado de instalaciones y equipos, la reducción continua del consumo de energía del sistema y los costos operativos a través de la innovación continua y el gradual El cultivo de mercados especializados, las fábricas de plantas inteligentes marcarán el comienzo del período dorado del desarrollo.

Según los informes de investigación de Market, el tamaño del mercado global de la agricultura vertical en 2020 es de solo US $ 2.9 mil millones, y se espera que para 2025, el tamaño global del mercado de la agricultura vertical alcanzará los US $ 30 mil millones. En resumen, las fábricas de plantas tienen amplias perspectivas de aplicación y espacio de desarrollo.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong, etc.

Información de citas:Situación actual y perspectivas del desarrollo de la industria de la fábrica de plantas [J]. Tecnología de Ingeniería Agrícola, 2022, 42 (1): 18-23.Por Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.