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

1. Estado actual del desarrollo tecnológico en 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 de sistemas de cultivo tridimensionales multicapa y la investigación y el desarrollo de gestión y control inteligentes. En el siglo XXI, la innovación de las fuentes de luz LED agrícolas ha avanzado, brindando un importante apoyo técnico para la aplicación de fuentes de luz LED de bajo consumo 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 simulación del entorno de cultivos y tecnología de optimización dinámica para desarrollar un sistema de equipos inteligente para fábricas de plantas, que reduce en gran medida los costos operativos y mejora significativamente la productividad laboral.

En los últimos años, las fábricas de plantas han ido implementando gradualmente la semiautomatización de los procesos de producción, desde la siembra, el cultivo de plántulas, el trasplante y la cosecha. Japón, los Países Bajos y 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 del desarrollo tecnológico en China

1.2.1 Fuente de luz LED especializada y equipo de tecnología de aplicación de ahorro de energía para luz artificial en fábrica de plantas

Se han desarrollado sucesivamente fuentes de luz LED rojas y azules especiales para la producción de diversas especies de plantas en fábricas de plantas. La potencia varía de 30 a 300 W y la intensidad de la luz de irradiación es de 80 a 500 μmol/(m2·s), lo que puede proporcionar una intensidad de luz con un rango de umbral adecuado y parámetros de calidad de la luz para lograr el efecto de alta eficiencia. ahorro energético y adaptación a las necesidades de crecimiento vegetal e iluminación. En términos de gestión de la disipación de calor de la fuente de luz, se ha introducido el diseño de disipación de calor activa del ventilador de la fuente de luz, que reduce la tasa de decadencia 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 mediante una solución nutritiva o la circulación de agua. En términos de gestión del espacio de la fuente de luz, de acuerdo con la ley de evolución del tamaño de la planta en la etapa de plántula y en la etapa posterior, a través de la gestión del movimiento espacial vertical de la fuente de luz LED, el dosel de la planta se puede iluminar a corta 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 los LED pueden ahorrar un 50% de energía en comparación con las lámparas fluorescentes, todavía existe el potencial y la necesidad de investigar sobre el ahorro de energía y la reducción del consumo.

1.2.2 Tecnología y equipos de cultivo tridimensional multicapa.

El espacio entre capas del cultivo tridimensional multicapa se reduce porque el LED reemplaza a la lámpara fluorescente, lo que mejora la eficiencia de utilización del espacio tridimensional del cultivo de plantas. Existen numerosos estudios sobre el diseño del fondo del lecho de cultivo. Las franjas elevadas están diseñadas para generar un flujo turbulento, lo que puede ayudar a las raíces de las plantas a absorber los nutrientes de la solución nutritiva de manera uniforme y aumentar la concentración de oxígeno disuelto. Usando el tablero de colonización, existen dos métodos de colonización, es decir, los vasos de colonización de plástico de diferentes tamaños o el modo de colonización perimetral de esponja. Ha aparecido un sistema de lecho de cultivo deslizable, y la tabla de plantación y las plantas que se encuentran en él se pueden empujar manualmente de un extremo al otro, realizando el modo de producción de plantar en un extremo del lecho de cultivo y cosechar en el otro extremo. En la actualidad, se han desarrollado una variedad de tecnologías y equipos de cultivo tridimensionales multicapa sin suelo basados ​​en tecnología de película líquida de nutrientes y tecnología de flujo de líquido profundo, y la tecnología y equipos para el cultivo de sustratos de fresas, cultivo en aerosol de hortalizas de hojas y flores. han surgido. La tecnología mencionada se ha desarrollado rápidamente.

1.2.3 Tecnología y equipos de circulación de soluciones de nutrientes

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

1.2.4 Tecnología y equipos de control ambiental

La limpieza del aire en el espacio de producción es uno de los indicadores importantes de la calidad del aire en una fábrica. La limpieza del aire (indicadores de partículas en suspensión y bacterias sedimentadas) en el espacio de producción de la fábrica en condiciones dinámicas debe controlarse a un nivel superior a 100.000. La entrada de desinfección de materiales, el tratamiento de ducha de aire del personal entrante y el sistema de purificación de aire de circulación de aire fresco (sistema de filtración de aire) son salvaguardias básicas. La temperatura y la humedad, la concentración de CO2 y la velocidad del flujo de aire en el espacio de producción son otros contenidos importantes del control de la calidad del aire. Según los informes, la instalación de equipos como cajas de mezcla de aire, conductos de aire, entradas 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, a fin de lograr una alta uniformidad espacial y satisfacer las necesidades de la planta. en diferentes ubicaciones espaciales. El sistema de control de temperatura, humedad y concentración de CO2 y el sistema de aire fresco están integrados orgánicamente en el sistema de aire circulante. Los tres sistemas necesitan compartir el conducto de aire, la entrada y la salida de aire, y proporcionar energía a través del ventilador para realizar la circulación del flujo de aire, la filtración y desinfección, y la actualización y uniformidad de la calidad del aire. Garantiza que la producción vegetal en la fábrica de plantas esté libre de plagas y enfermedades, y no se requiera la aplicación de pesticidas. Al mismo tiempo, se garantiza 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 para satisfacer las necesidades de crecimiento de las plantas.

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

2.1 Statu quo de la industria de fábricas de plantas extranjeras

En Japón, la investigación, el desarrollo y la industrialización de las fábricas de plantas de luz artificial son relativamente rápidos y se encuentran en el nivel líder. En 2010, el gobierno japonés destinó 50 mil millones de yenes para apoyar la investigación y el desarrollo tecnológico y la demostración industrial. Participaron ocho instituciones, entre ellas la Universidad de Chiba y la Asociación de Investigación de Fábricas de Plantas de Japón. Japan Future Company llevó a cabo y operó el primer proyecto de demostración de industrialización de una fábrica con una producción diaria de 3.000 plantas. En 2012, el coste de producción de la fábrica fue de 700 yenes/kg. En 2014, se completó la moderna fábrica de plantas en el castillo de Taga, 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 la vía rápida de la industrialización en Japón y, una tras otra, han surgido empresas rentables o en equilibrio. En 2018, aparecieron una tras otra fábricas de plantas a gran escala con una capacidad de producción diaria de 50.000 a 100.000 plantas, y las fábricas de plantas globales se estaban desarrollando hacia un desarrollo inteligente, profesional y a gran escala. Al mismo tiempo, Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power 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 la lechuga. Entre las más de 250 fábricas de plantas de luz artificial actualmente en funcionamiento, el 20% se encuentran en una etapa de generación de pérdidas, el 50% se encuentran en el nivel de equilibrio y el 30% se encuentran en una etapa rentable, involucrando especies de plantas cultivadas como lechuga, hierbas y plántulas.

Los Países Bajos son un verdadero líder mundial en el campo de la tecnología de aplicación combinada de luz solar y luz artificial para fábricas de plantas, con un alto grado de mecanización, automatización, inteligencia y falta de personal, y ahora han exportado un conjunto completo de tecnologías y equipos tan fuertes. productos al Medio Oriente, África, China y otros países. La granja American AeroFarms está ubicada en Newark, Nueva Jersey, EE. UU., con una superficie de 6500 m2. Se cultiva principalmente hortalizas y especias, y la producción es de unas 900 toneladas al año.

Agricultura vertical en AeroFarms

La fábrica de plantas agrícolas verticales de Plenty Company en Estados Unidos adopta iluminación LED y un marco de plantación vertical con una altura de 6 m. Las plantas crecen desde los lados de las macetas. Este método de plantación, que depende del riego por gravedad, no requiere bombas adicionales y ahorra más agua que la agricultura convencional. Plenty afirma que su granja produce 350 veces más que una granja convencional y utiliza sólo el 1% del agua.

Fábrica de plantas de cultivo vertical, Plenty Company

2.2 Estado de la industria de fábricas de plantas en China

En 2009, se construyó y puso en funcionamiento la primera planta de producción en China con control inteligente como núcleo en el Parque de Exposiciones Agrícolas de Changchun. El área de construcción es de 200 m2 y los factores ambientales como temperatura, humedad, luz, CO2 y concentración de solución nutritiva de la fábrica de plantas se pueden monitorear automáticamente en tiempo real para realizar una gestión inteligente.

En 2010, se construyó la fábrica de plantas de Tongzhou en Beijing. La estructura principal adopta una estructura ligera de acero de una sola capa con un área total de construcción de 1289 m2. Tiene forma de portaaviones, lo que simboliza que la agricultura china toma la iniciativa en zarpar hacia la tecnología más avanzada de la agricultura moderna. Se han desarrollado equipos automáticos para algunas operaciones de producción de hortalizas de hoja, lo que ha mejorado el nivel de automatización de la producción y la eficiencia productiva de la fábrica de plantas. La fábrica de la planta adopta un sistema de bomba de calor geotérmico y un sistema de generación de energía solar, lo que resuelve mejor el problema de los altos costos operativos de la fábrica de la planta.

Vista interior y exterior de la fábrica de plantas de Tongzhou

En 2013, se establecieron muchas empresas de tecnología agrícola en la zona de demostración agrícola de alta tecnología de Yangling, provincia de Shaanxi. La mayoría de los proyectos de fábricas en construcción y operación están ubicados en parques de demostración de alta tecnología agrícola, que se utilizan principalmente para demostraciones de divulgación científica y visitas turísticas de ocio. Debido a sus limitaciones funcionales, es difícil para estas fábricas de plantas de divulgación científica lograr el alto rendimiento y la alta eficiencia requeridos por la industrialización, y será difícil para ellas convertirse en la forma principal de industrialización en el futuro.

En 2015, un importante fabricante de chips LED de 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. Ha pasado de la industria optoelectrónica a la industria “fotobiológica” y se ha convertido en un precedente para que los fabricantes chinos de LED inviertan en la construcción de fábricas de plantas en la industrialización. Su Plant Factory 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 se finalizó y puso en funcionamiento esta Fábrica de Plantas con un edificio de 3 plantas con una superficie de 3.000 m2 y una superficie de cultivo de más de 10.000 m2. Para mayo de 2017, la escala de producción diaria será de 1.500 kg de hortalizas de hoja, equivalente a 15.000 plantas de lechuga por día.

Vistas de esta empresa

3. Problemas y contramedidas que enfrenta 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 ambiente cerrado. Por lo tanto, es necesario construir proyectos y equipos de apoyo, incluidas estructuras de mantenimiento externo, sistemas de aire acondicionado, fuentes de luz artificial, sistemas de cultivo multicapa, circulación de soluciones nutritivas y sistemas de control por computadora. El costo de construcción es relativamente alto.

3.1.2 Alto costo de operación

La mayoría de las fuentes de luz que necesitan las fábricas de plantas provienen de luces LED, que consumen mucha electricidad y al mismo tiempo proporcionan los 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 también consumen electricidad, por lo que las facturas de electricidad son un gasto enorme. Según las estadísticas, entre los costos de producción de las fábricas, los costos de electricidad representan el 29%, los costos laborales representan el 26%, la depreciación de los activos fijos representa el 23%, el embalaje y el transporte representan el 12% y los materiales de producción representan el 10%.

Desglose del coste de producción de la fábrica de plantas.

3.1.3 Bajo nivel de automatización

La fábrica de plantas que se aplica actualmente tiene un bajo nivel de automatización y procesos como la siembra de plántulas, el trasplante, la siembra en el campo y la cosecha aún requieren operaciones manuales, lo que genera 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 hortalizas de hojas verdes que crecen rápidamente, aceptan fácilmente fuentes de luz artificial y tienen una cubierta baja. No se puede realizar una plantación a gran escala para requisitos de plantación complejos (como cultivos que deben ser polinizados, etc.).

3.2 Estrategia de desarrollo

Ante los problemas que enfrenta la industria fábrica de plantas, es necesario realizar investigaciones desde diversos aspectos como la tecnología y el funcionamiento. En respuesta a los problemas actuales, las contramedidas son las siguientes.

(1) Fortalecer la investigación sobre tecnología inteligente de 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 plantas, lo que puede reducir en gran medida los costos laborales y ahorrar mano de obra.

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

(3) Llevar a cabo investigaciones sobre tecnología de cultivo industrial para plantas de alto valor agregado, como plantas medicinales, plantas para el cuidado de la salud y vegetales raros, aumentar los tipos de cultivos cultivados en fábricas de plantas, ampliar los canales de ganancias y mejorar el punto de partida de las ganancias. .

(4) Llevar a cabo 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 perspectivas de Plant Factory.

4.1 Tendencia de desarrollo tecnológico

4.1.1 Intelectualización del proceso completo

Basado en el mecanismo de fusión de máquinas y prevención de pérdidas del sistema de robot de cultivo, efectores finales de siembra y cosecha flexibles y no destructivos de alta velocidad, posicionamiento preciso en el espacio multidimensional distribuido y métodos de control colaborativo multimodal y multimáquina, y siembra no tripulada, eficiente y no destructiva en fábricas de plantas de gran altura. Se deben crear robots inteligentes y equipos de apoyo, como plantación, cosecha y embalaje, para lograr así la operación no tripulada de todo el proceso.

4.1.2 Hacer que el control de la producción sea más inteligente

Basado en el mecanismo de respuesta del crecimiento y desarrollo de los cultivos a la radiación luminosa, 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 entre cultivos y medio ambiente. Se debe establecer un modelo central estratégico para analizar dinámicamente la información sobre la vida de las hortalizas de hoja y los parámetros del entorno de producción. También se debe establecer el sistema de control de procesos y diagnóstico de identificación dinámica en línea del medio ambiente. Se debe crear un sistema de toma de decisiones de inteligencia artificial colaborativo de múltiples máquinas para todo el proceso de producción de una fábrica agrícola vertical de gran volumen.

4.1.3 Producción baja en carbono y ahorro de energía

Establecer un sistema de gestión de energía que utilice fuentes de energía renovables como la solar y la eólica para completar la transmisión de energía y controlar el 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 adoptar estrategias viables para cultivar diferentes variedades de alto valor agregado para experimentos de plantación, crear una base de datos de expertos en tecnología de cultivo, realizar investigaciones sobre tecnología de cultivo, selección de densidad, disposición de rastrojos, adaptabilidad de variedades y equipos, y formular especificaciones técnicas de cultivo estándar.

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 fuerza laboral para dedicarse a la producción agrícola. La innovación tecnológica clave y la industrialización de las fábricas de plantas de China se están convirtiendo en un líder mundial. Con la aplicación acelerada de fuentes de luz LED, digitalización, automatización y tecnologías inteligentes en el campo de las fábricas de plantas, las fábricas de plantas atraerán más inversiones de capital, recopilación de talentos y el uso de más energía nueva, nuevos materiales y nuevos equipos. De esta manera, se puede lograr la integración profunda de la tecnología de la información y las instalaciones y equipos, se puede mejorar el nivel inteligente y no tripulado de las instalaciones y equipos, la reducción continua del consumo de energía del sistema y los costos operativos a través de la innovación continua, y la gradual El cultivo de mercados especializados y fábricas de plantas inteligentes marcará el comienzo de una época dorada de desarrollo.

Según informes de investigación de mercado, el tamaño del mercado agrícola vertical global en 2020 es de solo 2.900 millones de dólares estadounidenses, y se espera que para 2025, el tamaño del mercado agrícola vertical global alcance los 30 mil millones de dólares estadounidenses. En resumen, las fábricas de plantas tienen amplias perspectivas de aplicación y espacio de desarrollo.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong, etc.

Información de la cita:Situación actual y perspectivas del desarrollo de la industria de fábricas de plantas [J]. Tecnología de ingeniería agrícola, 2022, 42(1): 18-23.por Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et ál.