Abstrakt: V posledných rokoch sa s neustálym objavovaním moderných poľnohospodárskych technológií rýchlo rozvíjal aj priemysel rastlinných tovární. Táto práca predstavuje súčasný stav, existujúce problémy a protiopatrenia v oblasti technológií rastlinných tovární a rozvoja priemyslu a zároveň sa zameriava na trendy a perspektívy rastlinných tovární v budúcnosti.

1. Súčasný stav technologického vývoja v závodoch v Číne a zahraničí

1.1 Súčasný stav vývoja zahraničných technológií

Od 21. storočia sa výskum rastlinných tovární zameriava najmä na zlepšenie svetelnej účinnosti, vytváranie viacvrstvových trojrozmerných zariadení na pestovateľské systémy a výskum a vývoj inteligentného riadenia a kontroly. V 21. storočí dosiahla inovácia v oblasti poľnohospodárskych LED svetelných zdrojov pokrok, čo poskytuje dôležitú technickú podporu pre aplikáciu energeticky úsporných LED svetelných zdrojov v rastlinných továrňach. Univerzita v Čibe v Japonsku priniesla množstvo inovácií v oblasti vysokoúčinných svetelných zdrojov, energeticky úspornej kontroly prostredia a pestovateľských techník. Univerzita vo Wageningene v Holandsku využíva simuláciu plodín a prostredia a technológiu dynamickej optimalizácie na vývoj inteligentného systému zariadení pre rastlinné továrne, čo výrazne znižuje prevádzkové náklady a výrazne zvyšuje produktivitu práce.

V posledných rokoch rastlinné továrne postupne realizovali poloautomatizáciu výrobných procesov od siatia, pestovania sadeníc, presádzania až po zber úrody. Japonsko, Holandsko a Spojené štáty sú v popredí s vysokým stupňom mechanizácie, automatizácie a inteligencie a vyvíjajú sa smerom k vertikálnemu poľnohospodárstvu a bezobslužnej prevádzke.

1.2 Stav technologického rozvoja v Číne

1.2.1 Špecializované LED svetelné zdroje a energeticky úsporné aplikačné technologické zariadenia pre umelé osvetlenie v závode

Postupne sa vyvíjali špeciálne červené a modré LED svetelné zdroje na produkciu rôznych druhov rastlín v rastlinných továrňach. Výkon sa pohybuje od 30 do 300 W a intenzita ožarovaného svetla je 80 až 500 μmol/(m2•s), čo umožňuje dosiahnuť intenzitu svetla s vhodným prahovým rozsahom a parametrami kvality svetla, aby sa dosiahol efekt vysokoúčinnej úspory energie a prispôsobilo sa potrebám rastu rastlín a osvetlenia. Pokiaľ ide o riadenie odvodu tepla svetelného zdroja, bol zavedený aktívny dizajn odvodu tepla ventilátora svetelného zdroja, ktorý znižuje mieru úbytku svetla zo svetelného zdroja a zaisťuje jeho životnosť. Okrem toho sa navrhuje metóda na zníženie tepla LED svetelného zdroja pomocou cirkulácie živného roztoku alebo vody. Pokiaľ ide o riadenie priestoru svetelného zdroja, v súlade so zákonom o vývoji veľkosti rastliny v štádiu sadenice a neskoršom štádiu, prostredníctvom riadenia vertikálneho pohybu LED svetelného zdroja v priestore je možné osvetliť korunu rastliny z blízkej vzdialenosti a dosiahnuť cieľ úspory energie. V súčasnosti môže spotreba energie umelého osvetlenia v továrňach tvoriť 50 % až 60 % celkovej prevádzkovej spotreby energie. Hoci LED diódy dokážu ušetriť 50 % energie v porovnaní so žiarivkami, stále existuje potenciál a potreba výskumu v oblasti úspory energie a znižovania spotreby.

1.2.2 Viacvrstvová trojrozmerná kultivačná technológia a zariadenia

Medzera medzi vrstvami pri viacvrstvovom trojrozmernom pestovaní sa zmenšuje, pretože LED dióda nahrádza žiarivku, čo zlepšuje účinnosť využitia trojrozmerného priestoru pri pestovaní rastlín. Existuje mnoho štúdií o dizajne dna pestovateľského lôžka. Vyvýšené pruhy sú navrhnuté tak, aby generovali turbulentné prúdenie, ktoré môže pomôcť koreňom rastlín rovnomerne absorbovať živiny v živnom roztoku a zvýšiť koncentráciu rozpusteného kyslíka. Pri použití kolonizačnej dosky existujú dve metódy kolonizácie, a to plastové kolonizačné poháre rôznych veľkostí alebo režim kolonizácie po obvode špongie. Objavil sa posuvný systém pestovateľského lôžka, kde sa sadivo a rastliny na ňom dajú ručne posúvať z jedného konca na druhý, čím sa realizuje produkčný režim sadenia na jednom konci pestovateľského lôžka a zberu na druhom konci. V súčasnosti sa vyvinula celá škála trojrozmerných viacvrstvových bezpôdnych pestovateľských technológií a zariadení založených na technológii tekutého filmu s živinami a technológii hlbokého toku kvapaliny a objavila sa technológia a zariadenia na pestovanie jahôd v substráte, aerosólové pestovanie listovej zeleniny a kvetov. Uvedená technológia sa rýchlo rozvíja.

1.2.3 Technológia a zariadenia na cirkuláciu živných roztokov

Po určitom čase používania živného roztoku je potrebné pridať vodu a minerálne prvky. Vo všeobecnosti sa množstvo novo pripraveného živného roztoku a množstvo acidobázického roztoku určuje meraním EC a pH. Veľké častice sedimentu alebo koreňových exfoliácií v živnom roztoku je potrebné odstrániť filtrom. Koreňové exsudáty v živnom roztoku je možné odstrániť fotokatalytickými metódami, aby sa predišlo prekážkam v neustálom pestovaní plodín v hydroponike, existujú však určité riziká týkajúce sa dostupnosti živín.

1.2.4 Technológia a zariadenia na kontrolu životného prostredia

Čistota vzduchu vo výrobných priestoroch je jedným z dôležitých ukazovateľov kvality ovzdušia v závode. Čistota vzduchu (ukazovatele suspendovaných častíc a usadených baktérií) vo výrobných priestoroch závodu za dynamických podmienok by mala byť kontrolovaná na úrovni nad 100 000. Dezinfekcia materiálu, sprchovanie prichádzajúceho personálu a systém čistenia čerstvého vzduchu (systém filtrácie vzduchu) sú základnými ochrannými opatreniami. Teplota a vlhkosť, koncentrácia CO2 a rýchlosť prúdenia vzduchu vo výrobných priestoroch sú ďalším dôležitým prvkom kontroly kvality ovzdušia. Podľa správ môže inštalácia zariadení, ako sú miešacie boxy vzduchu, vzduchové potrubia, prívody a výstupy vzduchu, rovnomerne regulovať teplotu a vlhkosť, koncentráciu CO2 a rýchlosť prúdenia vzduchu vo výrobných priestoroch, aby sa dosiahla vysoká priestorová rovnomernosť a splnili potreby závodu v rôznych priestorových polohách. Systém regulácie teploty, vlhkosti a koncentrácie CO2 a systém čerstvého vzduchu sú organicky integrované do systému cirkulujúceho vzduchu. Tieto tri systémy musia zdieľať vzduchové potrubie, prívod a výstup vzduchu a zabezpečiť energiu prostredníctvom ventilátora, aby sa zabezpečila cirkulácia prúdenia vzduchu, filtrácia a dezinfekcia a aktualizácia a rovnomernosť kvality vzduchu. Zaisťuje, že rastlinná produkcia v závode na pestovanie rastlín je bez škodcov a chorôb a nie je potrebná aplikácia pesticídov. Zároveň je zaručená rovnomernosť teploty, vlhkosti, prúdenia vzduchu a koncentrácie CO2 v prvkoch rastového prostredia v korune, aby sa splnili potreby rastu rastlín.

2. Stav rozvoja rastlinného priemyslu

2.1 Súčasný stav zahraničného priemyslu výroby rastlín

V Japonsku prebieha výskum, vývoj a industrializácia tovární na umelé osvetlenie relatívne rýchlo a sú na poprednej úrovni. V roku 2010 japonská vláda vyčlenila 50 miliárd jenov na podporu technologického výskumu a vývoja a priemyselných demonštrácií. Zúčastnilo sa osem inštitúcií vrátane Univerzity v Čibe a Japonskej asociácie pre výskum tovární na rastliny. Spoločnosť Japan Future Company uskutočnila a prevádzkovala prvý demonštračný projekt industrializácie továrne na rastliny s dennou produkciou 3 000 rastlín. V roku 2012 predstavovali výrobné náklady továrne na rastliny 700 jenov/kg. V roku 2014 bola dokončená moderná továreň na výrobu rastlín na hrade Taga v prefektúre Mijagi, ktorá sa stala prvou továrňou na výrobu LED rastlín na svete s dennou produkciou 10 000 rastlín. Od roku 2016 továrne na výrobu LED rastlín v Japonsku vstúpili do rýchleho pruhu industrializácie a jeden po druhom vznikali podniky dosahujúce bod zlomu alebo ziskové podniky. V roku 2018 sa postupne objavili veľké závody na pestovanie rastlín s dennou výrobnou kapacitou 50 000 až 100 000 rastlín a globálne závody na pestovanie rastlín sa vyvíjali smerom k rozsiahlemu, profesionálnemu a inteligentnému rozvoju. Zároveň začali spoločnosti Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power a ďalšie odvetvia investovať do závodov na pestovanie rastlín. V roku 2020 bude podiel šalátu vyrobeného japonskými závodmi na pestovanie rastlín predstavovať približne 10 % celkového trhu so šalátom. Z viac ako 250 závodov na pestovanie rastlín s umelým osvetlením, ktoré sú v súčasnosti v prevádzke, je 20 % stratových, 50 % na úrovni rentability a 30 % ziskových, pričom sa zaoberajú pestovanými druhmi rastlín, ako je šalát, bylinky a sadenice.

Holandsko je skutočným svetovým lídrom v oblasti kombinovanej aplikácie technológie slnečného a umelého osvetlenia pre rastlinné továrne s vysokým stupňom mechanizácie, automatizácie, inteligencie a bezobslužnosti a v súčasnosti vyváža kompletný súbor technológií a zariadení ako silné produkty na Blízky východ, do Afriky, Číny a ďalších krajín. Farma American AeroFarms sa nachádza v Newarku v New Jersey v USA a má rozlohu 6500 m2. Pestuje prevažne zeleninu a koreniny s produkciou približne 900 ton ročne.

Vertikálne poľnohospodárstvo v AeroFarms

Továreň na vertikálne pestovanie rastlín spoločnosti Plenty v Spojených štátoch používa LED osvetlenie a vertikálny výsadbový rám s výškou 6 m. Rastliny rastú zo strán kvetináčov. Táto metóda výsadby, ktorá sa spolieha na gravitačné zavlažovanie, nevyžaduje ďalšie čerpadlá a je efektívnejšia z hľadiska vody ako konvenčné poľnohospodárstvo. Plenty tvrdí, že jeho farma produkuje 350-krát viac úrody ako konvenčná farma, pričom spotrebuje iba 1 % vody.

Továreň na vertikálne poľnohospodárske zariadenia, Plenty Company

2.2 Stav závodu v Číne

V roku 2009 bol v poľnohospodárskom výstavnom parku Changchun postavený a uvedený do prevádzky prvý výrobný závod v Číne s inteligentným riadením ako jadrom. Budova má rozlohu 200 m2 a faktory prostredia, ako je teplota, vlhkosť, svetlo, CO2 a koncentrácia živín v závode, je možné automaticky monitorovať v reálnom čase, aby sa dosiahlo inteligentné riadenie.

V roku 2010 bola v Pekingu postavená továreň Tongzhou Plant Factory. Hlavná konštrukcia je vyrobená z jednovrstvovej ľahkej oceľovej konštrukcie s celkovou stavebnou plochou 1289 m2. Má tvar lietadlovej lode, ktorá symbolizuje čínske poľnohospodárstvo, ktoré sa ujíma vedenia v prechode na najmodernejšie technológie moderného poľnohospodárstva. Pre niektoré operácie produkcie listovej zeleniny bolo vyvinuté automatické zariadenie, ktoré zlepšilo úroveň automatizácie výroby a efektivitu výroby závodu. Závod využíva systém tepelných čerpadiel zemného zdroja a systém výroby solárnej energie, čo lepšie rieši problém vysokých prevádzkových nákladov závodu.

Pohľad zvnútra a zvonku na závod Tongzhou Plant Factory

V roku 2013 bolo v demonštračnej zóne pre poľnohospodárske high-tech Yangling v provincii Shaanxi založených mnoho spoločností zaoberajúcich sa poľnohospodárskymi technológiami. Väčšina projektov tovární na rastliny, ktoré sú vo výstavbe a prevádzke, sa nachádza v demonštračných parkoch pre poľnohospodárske high-tech, ktoré sa využívajú najmä na populárno-vedecké demonštrácie a rekreačné prehliadky. Vzhľadom na ich funkčné obmedzenia je pre tieto továrne na rastliny zamerané na populárno-vedecké účely ťažké dosiahnuť vysoký výnos a vysokú efektivitu, ktorú vyžaduje industrializácia, a bude pre ne ťažké stať sa v budúcnosti hlavnou formou industrializácie.

V roku 2015 spolupracoval významný čínsky výrobca LED čipov s Botanickým inštitútom Čínskej akadémie vied na spoločnom založení spoločnosti na výrobu rastlín. Prešla z optoelektronického priemyslu do „fotobiologického“ priemyslu a stala sa precedensom pre čínskych výrobcov LED, ktorí investujú do výstavby závodov na výrobu rastlín v industrializácii. Jej závod na výrobu rastlín sa zaviazal k priemyselným investíciám do rozvíjajúcej sa fotobiológie, ktorá integruje vedecký výskum, výrobu, demonštrácie, inkubáciu a ďalšie funkcie, s registrovaným kapitálom 100 miliónov juanov. V júni 2016 bola táto továreň na výrobu rastlín s 3-poschodovou budovou s rozlohou 3 000 m2 a pestovateľskou plochou viac ako 10 000 m2 dokončená a uvedená do prevádzky. Do mája 2017 bude denná produkcia 1 500 kg listovej zeleniny, čo zodpovedá 15 000 rastlinám šalátu denne.

Názory na túto spoločnosť

3. Problémy a protiopatrenia, ktorým čelí rozvoj závodov na výrobu rastlín

3.1 Problémy

3.1.1 Vysoké stavebné náklady

Pestovateľské závody musia pestovať plodiny v uzavretom prostredí. Preto je potrebné vybudovať podporné projekty a zariadenia vrátane vonkajších údržbárskych konštrukcií, klimatizačných systémov, umelých svetelných zdrojov, viacvrstvových kultivačných systémov, cirkulácie živín a počítačových riadiacich systémov. Náklady na výstavbu sú relatívne vysoké.

3.1.2 Vysoké prevádzkové náklady

Väčšina svetelných zdrojov potrebných pre rastlinné továrne pochádza z LED svetiel, ktoré spotrebúvajú veľa elektriny a zároveň poskytujú zodpovedajúce spektrá pre rast rôznych plodín. Zariadenia ako klimatizácia, vetranie a vodné čerpadlá vo výrobnom procese rastlinných tovární tiež spotrebúvajú elektrinu, takže účty za elektrinu predstavujú obrovský výdavok. Podľa štatistík predstavujú náklady na elektrinu v rámci výrobných nákladov rastlinných tovární 29 %, náklady na pracovnú silu 26 %, odpisy dlhodobého majetku 23 %, balenie a doprava 12 % a výrobné materiály 10 %.

Rozpis výrobných nákladov pre závod na výrobu rastlín

3.1.3 Nízka úroveň automatizácie

Súčasne používaná továreň na výrobu rastlín má nízku úroveň automatizácie a procesy ako sadenie, presádzanie, výsadba a zber úrody si stále vyžadujú manuálne operácie, čo vedie k vysokým nákladom na pracovnú silu.

3.1.4 Obmedzené odrody plodín, ktoré sa dajú pestovať

V súčasnosti sú druhy plodín vhodné pre rastlinné továrne veľmi obmedzené, ide najmä o zelenú listovú zeleninu, ktorá rýchlo rastie, ľahko prijíma umelé zdroje svetla a má nízky porast. Výsadbu vo veľkom meradle nie je možné vykonávať z dôvodu zložitých požiadaviek na výsadbu (napríklad plodiny, ktoré je potrebné opeľovať atď.).

3.2 Stratégia rozvoja

Vzhľadom na problémy, ktorým čelí odvetvie výroby rastlín, je potrebné vykonať výskum z rôznych hľadísk, ako sú technológie a prevádzka. V reakcii na súčasné problémy sú protiopatrenia nasledovné.

(1) Posilniť výskum v oblasti inteligentných technológií závodov na výrobu rastlín a zlepšiť úroveň intenzívneho a prepracovaného riadenia. Vývoj inteligentného systému riadenia a kontroly pomáha dosiahnuť intenzívne a prepracované riadenie závodov na výrobu rastlín, čo môže výrazne znížiť náklady na pracovnú silu a ušetriť pracovnú silu.

(2) Vyvíjať intenzívne a efektívne technické vybavenie závodov na pestovanie rastlín s cieľom dosiahnuť vysokú ročnú kvalitu a vysoký výnos. Vývoj vysokoúčinných pestovateľských zariadení a vybavenia, energeticky úsporných osvetľovacích technológií a vybavenia atď. s cieľom zlepšiť úroveň inteligencie závodov na pestovanie rastlín prispieva k realizácii vysokoúčinnej ročnej produkcie.

(3) Vykonávať výskum v oblasti technológií priemyselného pestovania rastlín s vysokou pridanou hodnotou, ako sú liečivé rastliny, rastliny pre zdravotnú starostlivosť a vzácna zelenina, rozširovať druhy plodín pestovaných v rastlinných továrňach, rozširovať ziskové kanály a zlepšovať východiskový bod zisku.

(4) Vykonávať výskum závodov na výrobu rastlín pre domáce a komerčné použitie, obohacovať typy závodov na výrobu rastlín a dosahovať trvalú ziskovosť s rôznymi funkciami.

4. Trend rozvoja a perspektíva závodu na výrobu rastlín

4.1 Trend technologického rozvoja

4.1.1 Intelektualizácia celého procesu

Na základe mechanizmu fúzie strojového umenia a prevencie strát systému plodín a robotov by sa mali vytvoriť vysokorýchlostné flexibilné a nedeštruktívne koncové efektory na setbu a zber, distribuované viacrozmerné priestorovo presné polohovanie a multimodálne metódy kolaboratívneho riadenia viacerých strojov a bezpilotné, efektívne a nedeštruktívne sejby vo výškových továrňach na rastliny - inteligentné roboty a podporné zariadenia, ako je setba, zber a balenie, čím sa dosiahne bezpilotná prevádzka celého procesu.

4.1.2 Zefektívnenie riadenia výroby

Na základe mechanizmu reakcie rastu a vývoja plodín na svetelné žiarenie, teplotu, vlhkosť, koncentráciu CO2, koncentráciu živín v živnom roztoku a EC by sa mal vytvoriť kvantitatívny model spätnej väzby medzi plodinou a prostredím. Mal by sa vytvoriť strategický základný model na dynamickú analýzu informácií o živote listovej zeleniny a parametrov produkčného prostredia. Mal by sa tiež vytvoriť online systém dynamickej identifikácie, diagnostiky a riadenia procesov prostredia. Mal by sa vytvoriť viacúčelový kolaboratívny systém rozhodovania s umelou inteligenciou pre celý výrobný proces vysokoobjemovej vertikálnej poľnohospodárskej továrne.

4.1.3 Nízkouhlíková výroba a úspora energie

Zavedenie systému hospodárenia s energiou, ktorý využíva obnoviteľné zdroje energie, ako je slnečná a veterná energia, na dokončenie prenosu energie a riadenie spotreby energie s cieľom dosiahnuť optimálne ciele hospodárenia s energiou. Zachytávanie a opätovné využitie emisií CO2 na podporu produkcie plodín.

4.1.3 Vysoká hodnota prémiových odrôd

Mali by sa prijať uskutočniteľné stratégie na šľachtenie rôznych odrôd s vysokou pridanou hodnotou pre pestovateľské experimenty, vybudovať databázu odborníkov na pestovateľské technológie, vykonávať výskum v oblasti pestovateľských technológií, výberu hustoty, usporiadania strniska, prispôsobivosti odrôd a zariadení a vytvoriť štandardné technické špecifikácie pestovania.

4.2 Perspektívy rozvoja odvetvia

Rastlinné továrne sa môžu zbaviť obmedzení zdrojov a životného prostredia, realizovať industrializovanú poľnohospodársku produkciu a prilákať novú generáciu pracovnej sily do poľnohospodárskej výroby. Kľúčovou technologickou inováciou a industrializáciou sú čínske rastlinné továrne, ktoré sa stávajú svetovým lídrom. Vďaka zrýchlenému uplatňovaniu LED svetelných zdrojov, digitalizácii, automatizácii a inteligentným technológiám v oblasti rastlinných tovární prilákajú rastlinné továrne viac kapitálových investícií, získavania talentov a využívania nových energií, nových materiálov a nových zariadení. Týmto spôsobom je možné dosiahnuť hĺbkovú integráciu informačných technológií a zariadení, zlepšiť inteligentnú a bezobslužnú úroveň zariadení a zariadení, neustále znižovať spotrebu energie systému a prevádzkové náklady prostredníctvom neustálych inovácií a postupne rozvíjať špecializované trhy, čo prinesie inteligentné rastlinné továrne zlaté obdobie rozvoja.

Podľa prieskumov trhu dosiahla globálna veľkosť trhu s vertikálnym poľnohospodárstvom v roku 2020 iba 2,9 miliardy USD a očakáva sa, že do roku 2025 dosiahne veľkosť globálneho trhu s vertikálnym poľnohospodárstvom 30 miliárd USD. Stručne povedané, závody na výrobu rastlín majú široké možnosti uplatnenia a priestor pre rozvoj.

Autor: Zengchan Zhou, Weidong atď

Informácie o citácii:Súčasná situácia a perspektívy rozvoja rastlinného priemyslu [J]. Agricultural Engineering Technology, 2022, 42(1): 18-23.od Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li a kol.