Resumen: En los últimos años, gracias a la continua exploración de la tecnología agrícola moderna, la industria de las fábricas de plantas también ha experimentado un rápido desarrollo. Este artículo presenta la situación actual, los problemas existentes y las medidas para contrarrestar el desarrollo de la tecnología de las fábricas de plantas y el desarrollo de la industria, y analiza las tendencias de desarrollo y las perspectivas futuras de las fábricas de plantas.

1. Estado actual del desarrollo tecnológico en plantas de fabricación en China y en el extranjero.

1.1 El statu quo del desarrollo de tecnología extranjera

Desde el siglo XXI, la investigación en plantas de producción se ha centrado principalmente en la mejora de la eficiencia lumínica, la creación de equipos para sistemas de cultivo tridimensionales multicapa y la investigación y el desarrollo de sistemas de gestión y control inteligentes. En el siglo XXI, la innovación en fuentes de luz LED agrícolas ha avanzado, brindando un importante respaldo técnico para la aplicación de fuentes de luz LED de bajo consumo en plantas de producción. La Universidad de Chiba (Japón) ha implementado diversas innovaciones en fuentes de luz de alta eficiencia, control ambiental de bajo consumo y técnicas de cultivo. La Universidad de Wageningen (Países Bajos) utiliza tecnología de simulación del entorno de cultivo y optimización dinámica para desarrollar un sistema de equipos inteligentes para plantas de producción, lo que reduce significativamente los costos operativos y mejora significativamente la productividad laboral.

En los últimos años, las fábricas de plantas han implementado gradualmente la semiautomatización de los procesos de producción, desde la siembra, el cultivo de plántulas, el trasplante hasta la cosecha. Japón, los Países Bajos y Estados Unidos están a la vanguardia, con un alto grado de mecanización, automatización e inteligencia, y están evolucionando hacia la agricultura vertical y la operación autónoma.

1.2 Estado del desarrollo tecnológico en China

1.2.1 Fuentes de luz LED especializadas y equipos de tecnología de aplicación de ahorro de energía para iluminación artificial en fábricas de plantas.

Se han desarrollado sucesivamente fuentes de luz LED rojas y azules especiales para la producción de diversas especies de plantas en plantas de cultivo. Su 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 proporciona una intensidad luminosa con un rango de umbral adecuado y parámetros de calidad de luz adecuados, logrando un ahorro energético de alta eficiencia y adaptándose a las necesidades de crecimiento e iluminación de las plantas. En cuanto a la gestión de la disipación de calor de la fuente de luz, se ha introducido un diseño de disipación térmica activa del ventilador, que reduce la tasa de degradación de la luz y garantiza su vida útil. Además, se propone un método para reducir el calor de la fuente de luz LED mediante la circulación de agua o solución nutritiva. En cuanto a la 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 etapas posteriores, mediante la gestión del movimiento espacial vertical de la fuente de luz LED, se puede iluminar el dosel de la planta a corta distancia, logrando así el objetivo de ahorro energético. Actualmente, el consumo energético de las fuentes de luz artificial en plantas de fabricación de plantas puede representar entre el 50% y el 60% del consumo energético operativo total de la planta. Si bien los LED pueden ahorrar hasta un 50% de energía en comparación con las lámparas fluorescentes, aún existe potencial y necesidad de investigación para el ahorro y la reducción del consumo energético.

1.2.2 Tecnología y equipos de cultivo tridimensional multicapa

La separación entre capas del cultivo tridimensional multicapa se reduce gracias a que el LED reemplaza la lámpara fluorescente, lo que mejora la eficiencia de utilización del espacio tridimensional. Existen numerosos estudios sobre el diseño del fondo de la cama de cultivo. Las franjas elevadas están diseñadas para generar un flujo turbulento, lo que ayuda a las raíces de las plantas a absorber los nutrientes de la solución nutritiva de manera uniforme y aumenta la concentración de oxígeno disuelto. El sistema de colonización con placa de colonización ofrece dos métodos: copas de colonización de plástico de diferentes tamaños o colonización perimetral con esponja. Se ha desarrollado un sistema de cama de cultivo deslizante, en el que la placa de plantación y las plantas que se encuentran sobre ella se pueden mover manualmente de un extremo a otro, lo que permite sembrar en un extremo de la cama y cosechar en el otro. Actualmente, se han desarrollado diversas tecnologías y equipos de cultivo tridimensional multicapa sin suelo basados ​​en la tecnología de película líquida nutritiva y la tecnología de flujo líquido profundo, y han surgido tecnologías y equipos para el cultivo en sustrato de fresas, el cultivo en aerosol de hortalizas de hoja y flores. Estas tecnologías han experimentado un rápido desarrollo.

1.2.3 Tecnología y equipos de circulación de solución nutritiva

Tras el uso de la solución nutritiva durante un tiempo, es necesario añadir agua y minerales. Generalmente, la cantidad de solución nutritiva recién preparada y la de solución ácido-base se determinan midiendo la CE y el pH. Las partículas grandes de sedimento o la exfoliación radicular presentes en la solución nutritiva deben eliminarse mediante un filtro. Los exudados radiculares presentes en la solución nutritiva pueden eliminarse mediante métodos fotocatalíticos para evitar obstáculos continuos al cultivo en hidroponía, pero existen ciertos riesgos en cuanto a la disponibilidad de nutrientes.

1.2.4 Tecnología y equipos 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 la planta. La limpieza del aire (indicadores de partículas suspendidas y bacterias sedimentadas) en el espacio de producción de la fábrica de la planta en condiciones dinámicas debe controlarse a un nivel superior a 100,000. La entrada de desinfección de material, el tratamiento de ducha de aire entrante para el personal 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 del aire en el espacio de producción son otro contenido importante 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, para 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 comparten el conducto de aire, la entrada y la salida, y suministran energía a través del ventilador para garantizar la circulación del flujo de aire, la filtración y la desinfección, así como la actualización y uniformidad de la calidad del aire. Esto garantiza que la producción vegetal en la planta esté libre de plagas y enfermedades, sin necesidad de aplicar 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 del crecimiento vegetal.

2. Estado de desarrollo de la industria de plantas fabril

2.1 Statu quo de la industria manufacturera de plantas extranjeras

En Japón, la investigación, el desarrollo y la industrialización de fábricas de plantas de luz artificial son relativamente rápidos y se encuentran en el nivel líder. En 2010, el gobierno japonés lanzó 50 mil millones de yenes para apoyar la investigación y el desarrollo de tecnología y la demostración industrial. Participaron ocho instituciones, incluidas la Universidad de Chiba y la Asociación de Investigación de Fábricas de Plantas de Japón. Japan Future Company emprendió y operó el primer proyecto de demostración de industrialización de una fábrica de plantas con una producción diaria de 3000 plantas. En 2012, el costo de producción de la fábrica de plantas 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 las empresas de punto de equilibrio o rentables han surgido una tras otra. En 2018, surgieron sucesivamente 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 desarrollaron hacia un desarrollo a gran escala, profesional e inteligente. Al mismo tiempo, Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power y otras empresas comenzaron a invertir en fábricas de plantas. En 2020, la cuota de mercado de lechuga producida por fábricas japonesas representó aproximadamente el 10% del mercado total de lechuga. De las más de 250 fábricas de plantas de tipo luz artificial actualmente en funcionamiento, el 20% se encuentra en una etapa de pérdidas, el 50% está en el punto de equilibrio y el 30% está en una etapa de rentabilidad, involucrando especies de plantas cultivadas como lechuga, hierbas y plántulas.

Los Países Bajos son un auténtico líder mundial en el campo de la tecnología de aplicación combinada de luz solar y artificial para plantas de fabricación, con un alto grado de mecanización, automatización, inteligencia y automatización. Actualmente, han exportado un conjunto completo de tecnologías y equipos como productos de alta calidad a Oriente Medio, África, China y otros países. La granja estadounidense AeroFarms se encuentra en Newark, Nueva Jersey, EE. UU., con una superficie de 6500 m². Cultiva principalmente hortalizas y especias, con una producción aproximada de 900 toneladas anuales.

Agricultura vertical en AeroFarms

La planta de cultivo vertical de Plenty Company en Estados Unidos utiliza iluminación LED y un marco de plantación vertical de 6 m de altura. Las plantas crecen en los laterales de las macetas. Este método de plantación, basado en el riego por gravedad, no requiere bombas adicionales y es más eficiente en el uso del agua que la agricultura convencional. Plenty afirma que su granja produce 350 veces más que una convencional utilizando solo el 1 % del agua.

Fábrica de plantas de cultivo vertical, Plenty Company

2.2 Estado de la industria de plantas fabril en China

En 2009, se construyó y puso en funcionamiento en el Parque de Exposiciones Agrícolas de Changchun la primera planta de producción de China con control inteligente como núcleo. La superficie construida es de 200 m² y permite la monitorización automática en tiempo real de factores ambientales como la temperatura, la humedad, la luz, el CO2 y la concentración de la solución nutritiva para una gestión inteligente.

En 2010, se construyó la Planta de Tongzhou en Pekín. La estructura principal es de acero ligero de una sola capa con una superficie total de 1289 m². Su forma recuerda a un portaaviones, símbolo de la agricultura china, que lidera el desarrollo de 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 la automatización y la eficiencia de la producción. La planta utiliza un sistema de bomba de calor geotérmica y un sistema de generación de energía solar, lo que reduce considerablemente los altos costos operativos.

Vista interior y exterior de la fábrica de Tongzhou

En 2013, se establecieron numerosas empresas de tecnología agrícola en la Zona de Demostración de Alta Tecnología Agrícola de Yangling, provincia de Shaanxi. La mayoría de los proyectos de plantas en construcción y operación se ubican en parques de demostración de alta tecnología agrícola, utilizados principalmente para demostraciones científicas y turismo recreativo. Debido a sus limitaciones funcionales, es difícil que estas fábricas de plantas de divulgación científica alcancen el alto rendimiento y la alta eficiencia que requiere la industrialización, y será difícil que se conviertan en la forma dominante de industrialización en el futuro.

En 2015, un importante fabricante de chips LED de China cooperó con el Instituto de Botánica de la Academia China de Ciencias para iniciar conjuntamente la creación de una fábrica de plantas. Esta empresa, que ha pasado de la industria optoelectrónica a la fotobiológica, ha sentado un precedente para que los fabricantes chinos de LED inviertan en la construcción de fábricas de plantas en el proceso de industrialización. Su fábrica de plantas, con un capital registrado de 100 millones de yuanes, está comprometida con la inversión industrial en fotobiología emergente, integrando investigación científica, producción, demostración, incubación y otras funciones. En junio de 2016, se completó y puso en funcionamiento esta fábrica de plantas, con un edificio de 3 plantas y una superficie de 3000 m² y un área de cultivo de más de 10 000 m². Para mayo de 2017, la producción diaria alcanzará los 1500 kg de hortalizas de hoja, equivalentes a 15 000 plantas de lechuga.

Opiniones 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 entorno cerrado. Por lo tanto, es necesario construir proyectos y equipos de apoyo, incluyendo estructuras de mantenimiento externo, sistemas de aire acondicionado, fuentes de luz artificial, sistemas de cultivo multicapa, circulación de solución nutritiva y sistemas de control informático. El costo de construcción es relativamente alto.

3.1.2 Alto costo de operación

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

Desglose del costo de producción de la planta de fabricación

3.1.3 Bajo nivel de automatización

La fábrica de plantas que se utiliza actualmente tiene un bajo nivel de automatización y procesos como la siembra, el trasplante, la plantación en el campo y la cosecha aún requieren operaciones manuales, lo que genera altos costos laborales.

3.1.4 Variedades limitadas de cultivos que se pueden cultivar

Actualmente, los tipos de cultivos aptos para fábricas de plantas son muy limitados, principalmente hortalizas de hoja verde que crecen rápidamente, aceptan fácilmente la luz artificial y tienen un dosel bajo. La siembra a gran escala no es posible para requisitos complejos (como cultivos que requieren polinización, etc.).

3.2 Estrategia de desarrollo

Ante los problemas que enfrenta la industria de las plantas de fabricación, es necesario investigar diversos aspectos, como la tecnología y la operación. Para afrontarlos, se presentan las siguientes medidas.

(1) Fortalecer la investigación sobre tecnología inteligente en plantas de fabricación y mejorar la gestión intensiva y refinada. El desarrollo de un sistema de gestión y control inteligente contribuye a lograr una gestión intensiva y refinada de las plantas de fabricación, lo que permite reducir considerablemente los costos laborales y ahorrar mano de obra.

(2) Desarrollar equipos técnicos intensivos y eficientes en las fábricas de plantas para lograr una alta calidad y un alto rendimiento anual. El desarrollo de instalaciones y equipos de cultivo de alta eficiencia, tecnología y equipos de iluminación de bajo consumo, etc., para mejorar el nivel de inteligencia de las fábricas de plantas, contribuye a la producción anual de alta eficiencia.

(3) Realizar 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) 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 perspectivas de la fábrica de plantas

4.1 Tendencia del desarrollo tecnológico

4.1.1 Intelectualización de proceso completo

Basándose en la fusión del arte de la máquina y el mecanismo de prevención de pérdidas del sistema de cultivo-robot, se deben crear efectores finales de siembra y cosecha flexibles y no destructivos de alta velocidad, posicionamiento preciso en espacio multidimensional distribuido y métodos de control colaborativo multimodal de múltiples máquinas, y siembra no tripulada, eficiente y no destructiva en fábricas de plantas de gran altura: robots inteligentes y equipos de apoyo como siembra-cosecha-embalaje, logrando así la operación no tripulada de todo el proceso.

4.1.2 Hacer que el control de producción sea más inteligente

Con base 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 el cultivo y el entorno. Se debe establecer un modelo estratégico central para analizar dinámicamente la información sobre la vida de las hortalizas de hoja y los parámetros del entorno de producción. También se debe establecer un sistema de diagnóstico dinámico en línea de identificación y control de procesos del entorno. Se debe crear un sistema de toma de decisiones colaborativo multimáquina basado en inteligencia artificial 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 energética que utilice fuentes de energía renovables, como la solar y la eólica, para completar la transmisión de energía y controlar el consumo energético a fin de alcanzar objetivos óptimos de gestión energética. Capturar y reutilizar las emisiones de CO2 para impulsar la producción agrícola.

4.1.3 Alto valor de las variedades premium

Se deben adoptar estrategias viables para obtener 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 superar las limitaciones de recursos y medio ambiente, impulsar la producción agrícola industrializada y atraer a la nueva generación de mano de obra para dedicarse a la producción agrícola. La innovación tecnológica clave y la industrialización de las fábricas de plantas de China se están convirtiendo en líderes mundiales. Con la aplicación acelerada de fuentes de luz LED, digitalización, automatización y tecnologías inteligentes en el campo de las fábricas de plantas, estas atraerán mayor inversión de capital, la captación de talento y el uso de nuevas energías, nuevos materiales y nuevos equipos. De esta manera, se puede lograr la integración profunda de la tecnología de la información con las instalaciones y los equipos, se puede mejorar el nivel inteligente y no tripulado de las instalaciones y los equipos, se puede reducir continuamente el consumo energético del sistema y los costos operativos mediante la innovación continua, y el desarrollo gradual de mercados especializados, lo que marcará el comienzo de una era dorada de desarrollo para las fábricas de plantas inteligentes.

Según estudios de mercado, el mercado global de agricultura vertical en 2020 fue de tan solo 2900 millones de dólares estadounidenses, y se prevé que para 2025 alcance los 30 000 millones de dólares estadounidenses. En resumen, las fábricas de plantas ofrecen amplias posibilidades de aplicación y un amplio margen de desarrollo.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong, etc.

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