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 statu quo, los problemas existentes y las contramedidas de desarrollo de la tecnología de fábricas 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 tecnológico en fábricas de plantas en China y en el extranjero

1.1 El statu 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 sistema de cultivo tridimensional 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 progresado, brindando un importante soporte técnico para la aplicación de fuentes de luz LED de bajo consumo en fábricas de plantas.La Universidad de Chiba en Japón ha realizado una serie de innovaciones en fuentes de luz de alta eficiencia, control ambiental de ahorro de energía y técnicas de cultivo.La Universidad de Wageningen en los Países Bajos utiliza tecnología de optimización dinámica y simulación del entorno de cultivo para desarrollar un sistema de equipo 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 se han dado cuenta gradualmente de la semiautomatización de los procesos de producción desde la siembra, el cultivo 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 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 una tras otra fuentes de luz LED rojas y azules especiales para la producción de varias 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 apropiado, parámetros de calidad de luz, para lograr el efecto de alta eficiencia ahorro energético y adaptación a las necesidades de crecimiento vegetal e iluminación.En cuanto a la gestión de la disipación de calor de la fuente de luz, se introdujo el diseño de disipación de calor activa del ventilador de la fuente de luz, que reduce la tasa de disminución de la luz de la fuente de luz y asegura 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 una solución nutritiva o circulación de agua.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 en 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 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 el LED puede 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 equipo de cultivo tridimensional multicapa

La brecha de capa del cultivo tridimensional multicapa se reduce porque el LED reemplaza la lámpara fluorescente, lo que mejora la eficiencia de utilización del espacio tridimensional del cultivo de plantas.Hay muchos estudios sobre el diseño del fondo de la cama 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 en la solución de nutrientes de manera uniforme y aumentar la concentración de oxígeno disuelto.Usando el tablero de colonización, hay dos métodos de colonización, es decir, las copas de colonización de plástico de diferentes tamaños o el modo de colonización del perímetro de esponja.Ha aparecido un sistema de cama de cultivo deslizable, y la tabla de plantación y las plantas que se encuentran en ella se pueden empujar manualmente de un extremo al otro, realizando el modo de producción de plantar en un extremo de la cama de cultivo y cosechar en el otro extremo.En la actualidad, se ha desarrollado una variedad de tecnología y equipo de cultivo sin suelo de múltiples capas tridimensionales basados ​​en tecnología de película de líquido nutritivo y tecnología de flujo de líquido profundo, y la tecnología y el equipo para el cultivo en sustrato de fresas, el cultivo en aerosol de hortalizas de hoja y flores. han brotado.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 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 las raíces en la solución nutritiva pueden eliminarse mediante métodos fotocatalíticos para evitar obstáculos de cultivo continuos en 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 planta de producción.La limpieza del aire (indicadores de partículas en suspensión 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 del personal entrante y el sistema de purificación de aire de circulación de aire fresco (sistema de filtración de aire) son todas medidas de seguridad básicas.La temperatura y la humedad, la concentración de CO2 y la velocidad del flujo de aire en el espacio de producción son otro contenido importante del control de la calidad del aire.Según los informes, la configuración de equipos como cajas de mezcla de aire, conductos de aire, entradas y salidas de aire puede controlar de manera uniforme 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 localizaciones 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 circulación de aire.Los tres sistemas deben 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 de plantas 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 ambientales 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 lanzó 50 mil millones de yenes para apoyar la investigación y el desarrollo tecnológico 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 han surgido empresas rentables o de equilibrio 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 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 alrededor del 10 % de todo el mercado de la lechuga.De las más de 250 fábricas de plantas tipo luz artificial actualmente en operación, el 20% se encuentra en una etapa deficitaria, el 50% en el punto de equilibrio y el 30% 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 ausencia de personal, y ahora ha exportado un conjunto completo de tecnologías y equipos tan fuertes Productos a Oriente Medio, África, China y otros países.La finca American AeroFarms está ubicada en Newark, New Jersey, USA, con una superficie de 6500 m2.Cultiva principalmente hortalizas y especias, y la producción es de unas 900 t/año.

Agricultura vertical en AeroFarms

La fábrica de plantas de cultivo 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 a los lados de las macetas.Al basarse en el riego por gravedad, este método de plantación no requiere bombas adicionales y es más eficiente en agua que la agricultura convencional.Plenty afirma que su granja produce 350 veces la producción de una granja convencional mientras usa solo el 1% del agua.

Fábrica de plantas agrícolas verticales, 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 la temperatura, la humedad, la luz, el CO2 y la concentración de la solución de nutrientes de la fábrica de la planta se pueden monitorear automáticamente en tiempo real para realizar una gestión inteligente.

En 2010, la fábrica de plantas de Tongzhou se construyó en Beijing.La estructura principal adopta una estructura de acero ligero de una sola capa con un área total de construcción de 1289 m2.Tiene la forma de un portaaviones, lo que simboliza que la agricultura china toma la delantera al zarpar hacia la tecnología más avanzada de la agricultura moderna.Se ha desarrollado el equipo automático 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 plantas adopta un sistema de bomba de calor de fuente terrestre y un sistema de generación de energía solar, lo 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, se establecieron muchas empresas de tecnología agrícola en la zona de demostración de alta tecnología agrícola de Yangling, provincia de Shaanxi.La mayoría de los proyectos de fábricas de plantas en construcción y operación están ubicados en parques de demostración agrícola de alta tecnología, que se utilizan principalmente para demostraciones de ciencia popular y turismo de ocio.Debido a sus limitaciones funcionales, es difícil para estas fábricas de plantas de ciencia popular lograr el alto rendimiento y la alta eficiencia que requiere la industrialización, y será difícil que se conviertan 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.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 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 entorno cerrado.Por lo tanto, es necesario construir proyectos y equipos de apoyo que incluyan estructuras de mantenimiento externo, sistemas de aire acondicionado, fuentes de luz artificial, sistemas de cultivo en capas múltiples, circulación de soluciones de nutrientes 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 requeridas por las fábricas de plantas provienen de luces LED, que consumen mucha electricidad y proporcionan espectros correspondientes para el crecimiento de diferentes cultivos.Los 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 de plantas, los costos de electricidad representan el 29%, los costos laborales representan el 26%, la depreciación de activos fijos representa el 23%, el embalaje y el transporte representan el 12% y los materiales de producción representan el 10%.

Desglose del costo de producción para 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 plántula, 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 fábricas de plantas son muy limitados, principalmente vegetales de hojas verdes que crecen rápidamente, aceptan fácilmente fuentes de luz artificial y tienen un dosel bajo.La plantación a gran escala no se puede llevar a cabo para requisitos de plantación complejos (como cultivos que necesitan ser polinizados, etc.).

3.2 Estrategia de desarrollo

Ante la problemática que enfrenta la industria de fábricas 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 fábricas de plantas, lo que puede reducir en gran medida los costos laborales y ahorrar mano de obra.

(2) Desarrollar equipos técnicos de fábrica de plantas intensivas y eficientes 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 que ahorran energía, etc., para mejorar el nivel inteligente de las fábricas de plantas, conduce a 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 perspectiva de Plant Factory

4.1 Tendencia de desarrollo tecnológico

4.1.1 Intelectualización de proceso completo

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

4.1.2 Hacer más inteligente el control de la producción

Con base en el mecanismo de respuesta del crecimiento y desarrollo del cultivo a la radiación de luz, temperatura, humedad, concentración de CO2, concentración de nutrientes de la solución nutritiva y CE, se debe construir un modelo cuantitativo de retroalimentación cultivo-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 diagnóstico de identificación dinámica en línea y el sistema de control de procesos del entorno.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 alto volumen.

4.1.3 Producción baja en carbono y ahorro de energía

Establecer un sistema de administración 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 administración 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 viables para obtener diferentes variedades de alto valor agregado para experimentos de siembra, crear una base de datos de expertos en tecnología de cultivo, realizar investigaciones sobre tecnología de cultivo, selección de densidad, arreglo de rastrojos, adaptabilidad de variedades y equipos, y formar 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 mano de obra para participar en 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 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 inversión de capital, reunión de talento y el uso de más energía nueva, nuevos materiales y nuevos equipos.De esta manera, se puede realizar 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 el gradual El cultivo de mercados especializados, las fábricas de plantas inteligentes marcarán el comienzo del período dorado de desarrollo.

Según los informes de investigación de mercado, el tamaño del mercado global de agricultura vertical en 2020 es de solo US $ 2,9 mil millones, y se espera que para 2025, el tamaño del mercado global de agricultura vertical alcance 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 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 al.